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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Laserbearbeitungsmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl.
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Aus der
DE 10 2016 118 189 A1 ist ein Verfahren und eine Laserbearbeitungsmaschine zum Bearbeiten von einem Werkstück bekannt. Die Laserbearbeitungsmaschine umfasst eine Strahlquelle und eine Strahlführung, die sich zwischen der Laserquelle und einem Bearbeitungskopf erstreckt. Über den Bearbeitungskopf wird ein Laserstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkzeug gerichtet. Diese Laserbearbeitungsmaschine umfasst einen mehrachsigen Bearbeitungskopf, um aus verschiedenen Richtungen den Laserstrahl auf das Werkstück zu richten.
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Diese Laserbearbeitungsmaschine kann zum Laserschweißen von zwei Werkstücken eingesetzt werden. Auch kann eine solche Laserbearbeitungsmaschine zum Schneiden und Trennen von Segmenten aus einem Werkstück vorgesehen sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Laserbearbeitungsmaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl vorzuschlagen, um die Qualität in der Bearbeitung des Werkstücks zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl gelöst, bei dem der Arbeitsdruck des Schneidgases in Abhängigkeit einer Bahngeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes während dessen Verfahrbewegung angesteuert wird. Durch die Anpassung des Arbeitsdrucks des Schneidgases beim Laserschneiden in Abhängigkeit der Verfahrgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes kann eine hohe Qualität eines Schnittes erzielt werden. Insbesondere bei geringen Bahngeschwindigkeiten kann ein höherer Schneidgasdruck als bei hohen Bahngeschwindigkeiten des Bearbeitungskopfes angesteuert werden, so dass bei der geringen Bahngeschwindigkeit eine verbesserte Kühlung und Abführung von Abbrand, Schmauch oder gleichen ermöglicht wird.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass vor einer Kammer des Bearbeitungskopfes an einer Einspeisstelle ein zusätzliches Schneidgas über eine Zuführleitung der Versorgungsleitung zugeführt wird. Durch das zusätzliche Zuführen von Schneidgas über die Zuführleitung in die Versorgungsleitung kann innerhalb kurzer Zeit eine Druckerhöhung erzielt werden, so dass auf eine Veränderung der Bahngeschwindigkeit schnell reagiert werden kann. Zudem weist die Zuführung des zusätzlichen Schneidgases vor der Kammer des Bearbeitungskopfes den Vorteil auf, dass die Druckerhöhung unmittelbar auch in der Kammer des Bearbeitungskopfes übertragen wird.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass bei einer Verringerung der Bahngeschwindigkeit innerhalb eines Schwellwertes die Zuführleitung geöffnet und zusätzliches Schneidgas zur Erhöhung des Arbeitsdruckes in dem Bearbeitungskopf zugeführt wird. Dadurch kann eine direkte Zuführung des zusätzlichen Schneidgases und eine unmittelbare Druckerhöhung in der Kammer des Bearbeitungskopfes ermöglicht sein. Bevorzugt ist der Schwellwert einstellbar. Dadurch kann eine Anpassung an verschiedene Verfahrensbedingungen erfolgen.
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Zur Ansteuerung der Zuführleitung wird ein vorzugsweise schaltbares Ventil angesteuert. Insbesondere ist ein Magnetventil vorgesehen. Dies weist den Vorteil auf, dass die Schaltzustände schnell eingenommen werden können, das heißt, dass kurze Reaktionszeiten bestehen, bis der zusätzliche Schneidgasdruck in der Kammer des Bearbeitungskopfes wirkt. Vorteilhafterweise ist ein 2/2-Wege-Magnetventil vorgesehen. Dadurch ist die Zuführleitung entweder gesperrt oder geöffnet. Durch 2/2-Wege-Magnetventile können Schaltzeiten von weniger als 50 ms (Millisekunden) realisiert werden.
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Vorteilhafterweise wird die Zuführleitung mit einem vorbestimmten Eingangsdruck des Schneidgases beaufschlagt. Beispielsweise kann der Eingangsdruck in einem Bereich von 15 bar bis 20 bar liegen. Nach Öffnen des Ventils in der Zuführleitung wirkt dieser Schneidgasdruck zusätzlich auf einen Basisdruck des Schneidgases, der über die Versorgungsleitung bereitgestellt wird.
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Vorteilhafterweise wird der Basisdruck in der Versorgungsleitung mit einem Regelventil angesteuert. Dabei kann die Ansteuerung über eine Steuerungseinrichtung der Laserbearbeitungsmaschine in Abhängigkeit des zu bearbeitenden Materials, der Dicke des Materials und/oder der gewünschten Qualität erfolgen.
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Der Basisdruck des Schneidgases in der Versorgungsleitung kann in einem Bereich zwischen 5 bis 20 bar angesteuert sein.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des Weiteren durch eine Laserbearbeitungsmaschine gelöst, bei der ein Arbeitsdruck des Schneidgases im Bearbeitungskopf in Abhängigkeit einer Bahngeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes ansteuerbar ist. Dies weist den Vorteil auf, dass eine gezielte Beaufschlagung des Schneidgasdruckes für die Herstellung des jeweiligen Bauteils oder Werkstücks ermöglicht ist. Dadurch kann auch eine Einsparung im Verbrauch des Schneidgases gegeben sein, da bei einer konstanten Zuführung des Schneidgases immer der maximale Arbeitsdruck bereitgestellt wird, der in einem schlechtesten Fall für eine Bearbeitungsbedingung gegeben sein muss.
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Vorteilhafterweise ist vor der Kammer des Bearbeitungskopfes eine Einspeisstelle für eine Zuführleitung für zusätzliches Schneidgas in die Versorgungsleitung vorgesehen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Einspeisstelle durch ein Y-Steckventil ausgebildet sein. Dies ermöglicht einen einfachen und bauraumsparenden Anschluss am Bearbeitungskopf.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Zuführleitung ein vorzugsweise schaltbares Ventil umfasst, welches insbesondere ein 2/2-Wege-Magnetventil ist. Die Ansteuerung erfolgt dabei elektronisch über die Steuerungseinrichtung der Laserbearbeitungsmaschine, wobei das 2/2-Wege-Magnetventil bei einem einstellbaren Schwellwert der Bahngeschwindigkeit öffnet oder schließt.
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Vorteilhafterweise ist in der Versorgungsleitung und/oder der Zuführleitung stromauf zur Einspeisstelle ein Rückschlagventil vorgesehen. Dies ermöglicht, dass die Druckerhöhung durch das zusätzliche Schneidgas sich ausschließlich in Richtung auf die Kammer des Bearbeitungskopfes auswirkt.
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Des Weiteren kann die Einspeisstelle der Zuführleitung zwischen der Kammer des Bearbeitungskopfes und einer Drehübertragungseinrichtung am Bearbeitungskopf vorgesehen sein. Eine solche Drehüberarbeitungsvorrichtung ist bei einer mehrachsigen, insbesondere fünfachsigen, Bewegungseinrichtung gegeben, so dass der Bearbeitungskopf mehrfach um 360° rotierend angetrieben werden kann. Dadurch kann diese Drehübertragungseinrichtung wie bislang ausgelegt sein, ohne dass diese an erhöhte Arbeitsdrücke anzupassen ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass ein Basisdruck in der Versorgungsleitung durch ein Regelventil einstellbar ist. Dadurch kann dem Grunde nach eine Grundversorgung des Schneidgases am Bearbeitungskopf bereitgestellt werden. Sofern ein erhöhter Arbeitsdruck des Schneidgases erforderlich ist, kann durch die Zuschaltung über die Zuführleitung eine schnelle Druckerhöhung erzielt werden. Durch die Zuschaltung des weiteren Schneidgases über die Zuführleitung zur Erhöhung des Arbeitsdruckes wird eine sogenannte Boost-Funktion erzielt.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht auf eine Laserbearbeitungsanlage,
- 2 eine perspektivische Ansicht einer Handhabungseinrichtung zur Ansteuerung eines Bearbeitungskopfes, und
- 3 eine schematische Anordnung der Leitungen zur Zuführung des Schneidgases zum Bearbeitungskopf.
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In 1 ist eine Laserbearbeitungsanlage 1 mit einer Laserbearbeitungsmaschine 3 für die Bearbeitung eines Werkstücks 24 dargestellt. Die Bedienung der Laserbearbeitungsanlage 1 erfolgt über ein Bedienpult 5, beispielsweise über die Erstellung und Einstellung von NC-Programmen, die spezifisch auf Werkstücke 24 und deren Bearbeitung abgestimmte Arbeitsabläufe festlegen. Ein zum Beispiel rückseitig der Laserbearbeitungsanlage 1 angeordneter Schaltschrank 8 erfasst als Teil einer Steuerung der Laserbearbeitungsmaschine 1 die dazugehörige Maschinensteuerung 31, eine elektrische Versorgung von Antrieben sowie Logik- und Leistungsteile auf.
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Diese Laserbearbeitungsmaschine 3 umfasst eine Laserquelle 6, welche zur Erzeugung von Laserstrahlen dient. Vorteilhafterweise ist ein Gaslaser, wie beispielsweise ein CO2-Laser vorgesehen. Über eine Strahlführung 22 (2) kann ein Laserstrahl von der Laserquelle 6 zum Werkstück 24 geführt werden. Beispielsweise kann dies über Laserlichtkabel und/oder Spiegel erfolgen. Des Weiteren kann ein Kühlaggregat 9 für die Laserquelle 6 vorgesehen sein, welche für die Kühlung optischer Bauelemente, wie Umlenk- oder Kollimationsspiegel und des Schaltschrankes 8, dient. Eine Schutzkabine 11 dient der Abschirmung von Laserstrahlung nach außen. In 1 ist zur Einsichtnahme die Dachverkleidung der Schutzkabine 11 nicht dargestellt.
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Weitere Komponenten der Laserbearbeitungsanlage 1 umfassen beispielsweise einen Rotationswechsler 13 zum Halten von zu bearbeitenden Werkstücken und zum leichten Entnehmen von zu bearbeitenden Werkstücken, einen Kompaktentstauber 15 zur Absaugung von Rauchgasen und Schwebteilen aus dem Innenraum, einen Schrottförderer 17 sowie integrierte, nicht gezeigte Elemente für die Pneumatik sowie für die Zentralschmierung. Des Weiteren ist eine Schneidgasversorgung 18, 20 vorgesehen, um den Bearbeitungskopf 7 mit Schneidgas zu versorgen. Ferner kann ein Lichtgitter 19 an einen externen Zugangsbereich zum Rotationswechsler 13 abgrenzen.
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Ein durch die Maschinensteuerung 31 kontrollierter Arbeitsablauf erlaubt die Bearbeitung des Werkstücks 24 auf eine vorbestimmte Art und Weise unter Zusammenwirkung der verschiedensten Komponenten dieser Laserbearbeitungsmaschine 3.
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Die 2 zeigt schematisch den Aufbau der Laserbearbeitungsmaschine 3 im Innenraum der Schutzkabine 11. Der Bearbeitungskopf 7 wird durch eine Bewegungseinrichtung 25 verfahren. Diese Bewegungseinrichtung 25 kann beispielsweise ein Linearachsensystem mit X-, Y- und Z-Schlitten 26, 27, 28 und Drehgelenken 29, 30 zur Bewegung des Bearbeitungskopfes 7 relativ zum Werkstück 24 umfassen. Des Weiteren können Faltenbälge 34, 35, 36 entsprechende Leitungen und mechanische Komponenten abdecken. Alternativ kann als Bewegungseinrichtung 25 auch ein mehrachsiger Roboter vorgesehen sein. Auch eine kombinierte Ausgestaltung für eine Bewegungseinrichtung 25 ist möglich.
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Das Werkstück 24 ist in der Ausführung gemäß 2 aufgrund einer Spanntechnik ortsfest auf einer Werkstückauflage 23 gelagert, so dass die Bearbeitung von oben erfolgen kann. In alternativen Ausführungsformen kann das Werkstück 24 ebenfalls oder nur das Werkstück 24 im Raum bewegbar sein. Diese Laserbearbeitungsmaschine 3 ist geeignet, sowohl ebene Bleche wie auch dreidimensionale, variabel geformte Werkstücke 24, wie beispielsweise umgeformte Bleche, schneidend, schweißend oder erwärmend zu bearbeiten.
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In 3 ist eine schematische Schnittansicht des Bearbeitungskopfes 7 dargestellt. Über die Strahlführung 22 wird der Laserstrahl 21 in ein Gehäuse 16 des Bearbeitungskopfes 7 eingekoppelt. Die Kollimationsoptik 51 kann das zugeführte Strahlprofil des Laserstrahls 21 an die Bearbeitungsbedingungen anpassen. Die Kollimationsoptik 51 liegt bevorzugt in einer Hauptachse 56 des Laserbearbeitungskopfes 7.
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Des Weiteren ist eine schematische Ansicht von Versorgungsleitungen 71, 77 für das Schneidgas vorgesehen, welches einer Kammer 65 des Bearbeitungskopfes 7 zugeführt wird. Eine Versorgungsleitung 71 erstreckt sich von der Schneidgasversorgung 18 bis zum Bearbeitungskopf 7. Zur Regelung eines Basisdruckes des Schneidgases in der Versorgungsleitung 71 ist ein Regelventil 72 vorgesehen, durch welches der Basisdruck für das zuzuführende Schneidgas einstellbar ist. Die Maschinensteuerung 31 kann diesen Basisdruck variabel einstellen und auch während der Bearbeitung des Werkstücks 24 verändern. Dem Regelventil 72 nachgeschaltet ist eine Drehübertragungseinrichtung 73, durch welche der angelegte Basisdruck im nachgeschaltenen Abschnitt der Versorgungsleitung 71 übergeführt wird. Solche Drehübertragungseinrichtungen 73 sind dann vorgesehen, wenn ein Teil des Bearbeitungskopfes 7 mehrfach um 360° drehbar ist. Darauffolgend ist ein Rückschlagventil 74 vorgesehen. Zwischen der Kammer 65 und dem Rückschlagventil 74 ist eine Einspeisstelle 76 für eine Zuführleitung 77 vorgesehen. Diese Einspeisstelle 76 ist nahe am Bearbeitungskopf 7 oder am Bearbeitungskopf 7 vorgesehen. Zwischen der Einspeisstelle 76 und der Kammer 65 des Bearbeitungskopfes 7 kann ein Filter 78 vorgesehen sein. Die Einspeisstelle 76 ist bevorzugt als Y-Steckventil ausgebildet. Die Versorgungsleitung 71 erstreckt sich von der Schneidgasversorgung 20 bis zur Einspeisstelle 76.
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In der Zuführleitung 77 ist ein Ventil 81, insbesondere ein Magnetventil, vorgesehen. Zwischen dem Ventil 81 und der Einspeisstelle 76 ist ein weiteres Rückschlagventil 83 vorgesehen.
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In der Zuführleitung 77 wird zusätzliches Schneidgas mit einem Eingangsdruck von einer Schneidgasversorgung 20 bereitgestellt. Das zusätzliche Schneidgas wird der Versorgungsleitung 71 zugeführt, um einen erhöhten Arbeitsdruck in der Kammer 65 des Bearbeitungskopfes 7 zu erzielen. Der Eingangsdruck des Schneidgases in der Zuführleitung 77 ist vorzugsweise fest eingestellt. Dieser kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 15 und 20 bar liegen.
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Das Ventil 81 ist bevorzugt als Magnetventil, insbesondere als ein 2/2-Wege-Ventil ausgestaltet. Somit kann die Zuführung des Schneidgases mit einem Eingangsdruck gesperrt oder geöffnet sein. Ein solches Schaltventil 81 weist Schaltgeschwindigkeiten von weniger als 50 ms auf.
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Sofern durch die Maschinensteuerung 31 erfasst wird, dass die Bahngeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes 7 unter einen vorgegebenen Schwellwert absinkt, kann durch die Maschinensteuerung 31 das Ventil 81 angesteuert werden, indem dieses öffnet. Dadurch wird in der Versorgungsleitung 71 der Basisdruck um den Eingangsdruck in der Zuführleitung 77 erhöht und bildet einen Arbeitsdruck, welcher der Kammer 65 zugeführt und über den Bearbeitungskopf 7 ausgegeben wird. Aufgrund der Rückschlagventile 74, 83 wird ein Druckaufbau in Richtung auf die jeweilige Schneidgasversorgung 18, 20 gesperrt.
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Die Erhöhung des Arbeitsdruckes des Schneidgases im Bearbeitungskopf 7 kann dann erfolgen, wenn die Bahngeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes 7 reduziert wird. Dies ist beispielsweise bei einem Verfahrweg mit engen Radien der Fall. Bei leicht gekrümmten oder geradlinigen Fahrstrecken kann eine erhöhte Bahngeschwindigkeit angesteuert werden. In diesem Fall ist eine Zuschaltung eines Schneidgases mit einem Eingangsdruck über die Zuführleitung 77 nicht erforderlich. In diesen Fällen kann sogar das Regelventil 72 in der Versorgungsleitung 71 geschlossen werden, so dass kein Schneidgas dem Bearbeitungskopf 7 zugeführt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016118189 A1 [0002]
