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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur inwendigen Bearbeitung hohler
Werkstücke,
insbesondere für
die Bearbeitung des Mündungsrandes
in Hohlräume
mündender
Bohrungen, mit einem Bearbeitungskopf, der in einem Werkstückhohlraum
in einer gewünschten
Arbeitsposition arretierbar ist und einen Bearbeitungslaserstrahl über einen
mit dem Bearbeitungskopf verbundenen Umlenkspiegel auf eine Bearbeitungsstelle
am Werkstück
richtet,
einer den Ist-Zustand des Werkstücks an der Bearbeitungsstelle
erfassende Detektoreinrichtung,
einer den Ist- mit dem Soll-Zustand
des Werkstücks an
der Bearbeitungsstelle vergleichende Einrichtung, sowie
einer
Steuereinrichtung, welche die Bearbeitung des Werkstücks durch
den Laserstrahl in Abhängigkeit vom
Vergleichsergebnis steuert.
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Die
JP 2002-022089 A beschreibt eine Vorrichtung zur inwendigen Bearbeitung
eines hohlen Werkstücks.
Diese Vorrichtung umfasst neben einer Steuereinrichtung einen Bearbeitungskopf
mit einem Umlenkspiegel, der zur Änderung sowohl der Umlenkrichtung
als auch des Umlenkwinkels ansteuerbar ist. Der Zustand einer Bearbeitungsstelle
und lässt sich
dadurch dreidimensional erfassen.
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Eine
Bearbeitungsvorrichtung der eingangs erwähnten Art geht aus der
DE 100 48 583 A1 hervor. Diese
Vorrichtung weist einen Bearbeitungskopf auf, der axial in einer
zylindrischen Bohrung, insbesondere einer Motorzylinderbohrung,
verschiebbar ist, wobei ein zur Zylinderachse ausgerichteter Laserstrahl durch
den Spiegel auf die Zylinderwand gelenkt wird. Der Spiegel ist gemeinsam
mit dem Bearbeitungskopf um die Zylinderachse drehbar und lässt sich
gemeinsam mit dem Bearbeitungskopf in Richtung der Zylinderachse
vorschieben.
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Beispielsweise
die in den Hohlraum der Verteilerrohre von Common-Rail-Dieselmotoren
mündenden
Bohrungen bedürfen
am Mündungsrand
einer Nachbearbeitung, wobei es hier neben einer Entgratung auch
auf eine geeignete Abrundung des Mündungsrandes ankommt. Die schwer
zugänglichen
Bearbeitungsstellen im Werkstückinneren
lassen eine befriedigende genaue Bearbeitung oft nicht zu. Insbesondere
erweist es sich bei Verteilenohren von Common-Rail-Dieselmotoren
als schwie rig, die Materialabtragung bei der Entgratung zu begrenzen, so
dass das Maß einer
abschließenden
Rundung des Mündungsrandes
beim Entgraten nicht bereits unterschritten wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Vorrichtung
der eingangs erwähnten
Art zu schaffen, die eine inwendige Bearbeitung hohler Werkstücke mit
höherer
Präzision
als herkömmliche
solche Vorrichtungen ermöglicht.
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Die
diese Aufgabe lösende
Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
der Umlenkspiegel zur Änderung
sowohl des Umlenkwinkels als auch der Umlenkrichtung direkt elektrisch steuerbar
ist.
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Der
in seiner Richtung, Intensität
oder/und Einwirkungsdauer steuerbare Laserstrahl, bei dem es sich
vorzugsweise um einen Neodym-YAG-Laserstrahl handelt, erlaubt ohne
Vorschubbewegung des Bearbeitungskopfs eine hochgenaue Bearbeitung, wobei
sich durch einen Laserimpuls eine genau dosierbare Materialmenge
in einem vorbestimmten Raumbereich abtragen lässt. Insbesondere der Neodym-YAG-Laser
erlaubt eine rückstandfreie
Verdampfung der Abtragsmenge.
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Bei
der Detektoreinrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine die
Bearbeitungsstelle optisch erfassende Kameraeinrichtung, und für den Soll-/Ist-Vergleich
ist dementsprechend eine Bildverarbeitungseinrichtung vorgesehen.
Vorteilhaft kann die Bearbeitungsstelle beleuchtet werden.
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Der
Spiegel lässt
sich über
Piezo-Elemente mechanisch bewegen oder durch direkte Beaufschlagung
mit elektrischer Spannung in seinem Reflektionsverhalten verändern.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erfolgt die Zuleitung des Bearbeitungslaserstrahls über einen
in den Bearbeitungshohlraum eingeführten, an den Bearbeitungskopf
angeschlossenen Lichtleiter, der ferner auch zur Leitung des Beleuchtungslichts
oder/und des der Kameraeinrichtung zugeführten Abbildungslichts dienen
kann. Vorteilhaft können
Lichtquelle und Kameraeinrichtung so außerhalb des Werkstückhohlraums
angeordnet werden.
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Bei
dem Lichtleiter handelt es sich vorzugsweise um ein einziges Bündel aus
einer Vielzahl von Lichtleiterfasern. Zweckmäßig ist in eine zentrale Faser
des Lichtleiters zur Leitung des Bearbeitungslaserstrahls vorgesehen.
Ein dazu konzentrischer äußerer Faserkranz
dient zur Leitung des Beleuchtungslichts. Die weiteren, zwischen
der zentralen Faser und dem Kranz gelegenen Fasern des Lichtleiters fassen
sich zur Leitung des Abbildungslichts verwenden.
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Zweckmäßig ist
eine gegenüber
der Bearbeitungsintensität
geringere Intensität
des Laserstrahls einstellbar, um einen durch die Kameraeinrichtung
zu erfassenden Justierlichtfleck auf der Oberfläche des Werkstücks zu erzeugen.
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Bei
zylindrischem Werkstückhohlraum,
wie er z.B. bei Bearbeitung des Verteilerrohrs eines Common-Rail-Dieselmotor
gegeben ist, weist der Bearbeitungskopf zweckmäßig zueinander axial im Abstand
angeordnete Ringanordnungen von Kugeln oder Rollen auf, die gegen
die Zylinderinnenwand anliegen. Vorteilhaft ist der Bearbeitungskopf über diese
Kugeln oder Rollen innerhalb des zylindrischen Hohlraums axial,
ggf. zu mehreren Bearbeitungsstellen, verfahrbar.
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Insbesondere
können
die Kugeln oder Rollen unter Zentrierung eines die Umlenkeinrichtung sowie
Anschlussmittel für
den Lichtleiter aufnehmenden Trägerkörpers gegen
den Trägerkörper radial
federbeaufschlagt sein. In diesem Fall nimmt der Trägerkörper des
Bearbeitungskopfes unabhängig
vom Innendurchmesser des Hohlraums im Hohlraum stets eine zentrale
Lage ein.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Spüleinrichtung zur Abfuhr durch
den Bearbeitungslaser abgetragenen Materials vorgesehen, welche
ein Beschlagen des Spiegels verhindert. Insbesondere kann durch
die Spüleinrichtung
ein gegen Außenluft
abgedichteter, die Bearbeitungsstelle einschließender Raum mit einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung für Spülgas gebildet
sein.
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Die
Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden,
sich auf dieses Ausführungsbeispiel
beziehenden Zeichnungen näher
erläutert
werden. Es zeigen:
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1 einen
Bearbeitungskopf einer Vorrichtung nach der Erfindung in einer geschnittenen
Seitenansicht,
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2 einen
in der Vorrichtung verwendeten Lichtleiter in einer Querschnittsansicht,
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3 mit
dem Bearbeitungskopf von 1 über den Lichtleiter von 2 verbundene
Teile der Vorrichtung, und
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4 eine
die Arbeitsweise der Vorrichtung erläuternde Darstellung.
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Ein
Werkstück 1,
bei dem es sich in dem betreffenden Ausführungsbeispiel um ein der Zuführung von
Kraftstoff dienendes Verteilerrohr eines Common-Rail-Dieselmotors
handelt, weist einen zylindrischen Hohlraum 2 auf, in den
ein Bearbeitungskopf 3 einer Bearbeitungsvorrichtung eingeführt ist.
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Das
Werkstück 1 weist
seitliche Bohrungen 4 auf, die an einer Eintrittsstelle
zu dem zylindrischen Hohlraum 2 einen zur Bearbeitung durch
den Bearbeitungskopf 3 vorgesehenen Mündungsrand 5 bilden.
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An
axialen Enden eines Trägerkörpers 6 des Bearbeitungskopfes 3 sind
Präzisionskugellager 7 und 8 mit
Kugeln 9 bzw. 10 angebracht, deren den Trägerkörper 6 in
ringartiger Anordnung umgebenden Kugeln derart radial federbeaufschlagt
sind (nicht gezeigt), dass der Trägerkörper 6 unabhängig vom
Innendurchmesser des Hohlraums 2 stets die gleiche zentrale
Position einnimmt. Über
die Kugeln 9 und 10 kann der Bearbeitungskopf 3 auf
der Innenwand des zylindrischen Hohlraums 2 unter Bewegung
entlang der Zylinderachse abrollen. Dieser Bewegung wie auch der
Arretierung des Bearbeitungskopfes 3 in einer gewünschten
Bearbeitungsposition dient ein nicht gezeigtes, in den Hohlraum 2 ragendes
Antriebsgestänge.
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Auf
dem Trägerkörper 6 ist
eine Umlenkeinrichtung 11 mit einem Spiegel 12 zum
Umlenken eines Laserstrahls 13 angebracht. Durch die Umlenkeinrichtung
lässt sich
der Laserstrahl 13 unter dem Einfluss von Steuerspannungen,
zweidimensional innerhalb eines Raumwinkels ablenken, welcher den Mündungsrand 5 der
Bohrung 4 einschließt.
Der Spiegel kann z.B. durch Piezo-Elemente mechanisch bewegbar sein.
Vorzugsweise wird jedoch die Ablenkung durch direkte Spannungsbeaufschlagung
eines Spiegelelements bewirkt, welches in ein elektronisches Chip-Bauteil
integriert ist. Derartige Umlenkeinheiten sind kommerziell verfügbar.
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Der
Laserstrahl 13 tritt aus einer Stirnfläche 14 eines Lichtleiters 15 aus,
wobei die Stirnfläche 14 zur
Zylinderachse des Hohlraums 2 geneigt ist.
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Wie 2 zeigt,
enthält
der Lichtleiter eine Vielzahl von Lichtleiterfasern, von denen Fasern 16 einen äußeren Kranz
bilden, welcher der Zuführung von
Beleuchtungslicht dient. Der Laserstrahl 13 tritt aus einer
zentralen Faser 17 aus. Zwischen der zentralen Faser 17 und
den Fasern 16 liegende Lichtleiterfasern 18, welche
den gesamten Zwischenraum zwischen der zentralen Fasern 17 und
den Lichtleiterfasern 16 ausfüllen, dienen der Leitung von
Licht, durch das ein den Mündungsrand 5 einschließender Innenbereich
des Werkstücks 1 in
einer nachgeordneten Kameraeinrichtung 22 (3)
optisch abgebildet wird.
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Der
Lichtleiter 15 ist bei 34 durch geeignete, an
seinem gesamten Umfang angreifende Anschlussmittel auf dem Trägerkörper 6 arretiert
und damit seine Stirnfläche 14 in
bezug auf den Spiegel 12 der Umlenkeinheit 11 räumlich festgelegt.
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Wie
aus 3 hervorgeht, ist der aus dem Werkstückhohlraum 2 herausgeführte Lichtleiter 15 an
seinem dem Bearbeitungskopf 3 abgewandten Ende mit einer
Einrichtung 20 verbunden, die eine Kopplungseinheit und
eine Lichtquelle enthält,
deren Licht in die den Kranz bildenden Lichtleiterfasern 16 des
Lichtleiters 15 durch die Kopplungseinheit eingespeist
wird.
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An
den Lichtleiter 15 ist ferner eine mit den Lichtleiterfasern 18 verbundene
Kopplungseinheit 21 angeschlossen, welche über die
Lichtleiterfasern 16 zugeführtes Licht der oben erwähnten Kameraeinrichtung 22 zuführt. Die
Lichtleiterfaser 17 steht über eine Kopplungseinheit 23 in
Verbindung mit einer Einrichtung 24, die den Laserstrahl 13 erzeugt,
bei dem es sich in dem betreffenden Ausführungsbeispiel um einen Neodym-YAG-Laserstrahl
handelt.
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Die
Kameraeinrichtung 22 steht in Verbindung mit einer Bildverarbeitungseinrichtung 25 zur Auswertung
des durch die Kamera erzeugten Bildes. Das Ergebnis der Bildauswertung
lässt sich
einer Steuereinrichtung 26 zuführen, die in Verbindung mit der
Einrichtung 24 zur Laserstrahlerzeugung steht.
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Die
Bildverarbeitungseinrichtung 25 und die Steuereinrichtung 26 sind
durch Software in einem Computer 27 implementiert.
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Pfeile 28 und 29 in 1 sollen
andeuten, dass der Bearbeitungsstelle ein Spülgasstrom, z.B. Luftstrom,
zuführbar
ist, welcher durch die Bohrung 4 aus dem Werkstück 1 wieder
austritt.
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Im
folgenden wird die Funktionsweise der vorangehend beschriebenen
Vorrichtung unter Bezugnahme auf 4 erläutert.
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Wie 4 erkennen
lässt,
ist der Mündungsrand 5 der
Bohrung 4 mit einem Grat 30 besetzt, der entfernt
werden soll. Ferner ist der Mündungsrand 5 mit
vorgeschriebenen Radien zu runden.
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Die
Kameraeinrichtung 22 erfasst ein durch Strichlinien 31 und 32 angedeutetes, über die
Fasern 16 ausgeleuchtetes Gesichtsfeld, in welchem der Mündungsrand 5 liegt.
Entsprechend gelangt aus diesem Bereich Abbildungslicht auf die
Stirnflächen der
Lichtleiterfasern 18. Die Stirnflächen der Fasern 16 und 18 sind
wie die Stirnfläche 14 des
gesamten Lichtleiters 15 zur Zylinderachse des Hohlraums 2 geneigt.
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Die
Bildverarbeitungseinrichtung 25 teilt das durch die Kameraeinrichtung 22 erzeugte
Bild in enge Rasterbereiche auf und bestimmt bereichsweise entlang
dem Mündungsrand 5 den
durch den vorhandenen Grat bestimmten Ist-Zustand und speichert
das Ermittlungsergebnis in Zuordnung zu den betreffenden Bereichen.
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Für die betreffenden
Bereiche sind in der Bildverarbeitungseinrichtung 25 die
Soll-Zustände gespeichert,
so dass die Bildverarbeitungseinrichtung bereichsweise Differenzsignale
bilden kann, die den Unterschied zwischen Soll- und Ist-Zustand
und damit der abzutragenden Materialmenge charakterisieren.
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Diese
Differenzsignale werden der Steuereinrichtung 26 zugeführt, welche
aus diesen Differenzsignalen Steuersignale zur Ansteuerung der den Laserstrahl 13 erzeugenden
Einrichtung 24 bildet.
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Die
Größe der Rasterbereiche
liegt in der Größenordnung
des Durchmessers des Bearbeitungslaserstrahls 13. Jedem
Rasterbereich ist eine Adresse zugeordnet. Die Umlenkeinrichtung
erzeugt aus den ihr zugeführten
Adressen Spannungswerte zur Beaufschlagung des Spiegels derart,
dass der Laserstrahl 13 auf den der betreffenden Adresse
entsprechenden Rasterbereich gelenkt wird. Je nach Unterschied zwischen
Soll- und Ist-Zustand variiert die Steuereinrichtung 26 die
Intensität
oder/und Impulslänge
des Laserstrahls 13. Wie 4b zeigt, lässt sich
der Grat 30 am Mündungsrand 5 abtragen, indem
der Laserstrahl adressenweise unter Änderung der Umlenkrichtung
entlang dem Mündungsrand 5 versetzt
und je Adresse eine Materialmenge abgetragen wird, welche dem durch
die Bildauswerteinrichtung ermittelten Differenzsignal entspricht.
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In
der in 4a gezeigten Position ist die
Intensität
des Bearbeitungslaserstrahls 13 herabgesetzt, und es wird
bei 33 ein Lichtpunkt an der Innenwand des Hohlraums 2 erzeugt.
Dieser Lichtpunkt, der einer vorbestimmten Ablenkung durch die Umlenkeinrichtung 11 entspricht,
kann zur Kalibrierung herangezogen werden, bei welcher den betreffenden Adressen
jeweils eine bestimmte Spannungsbeaufschlagung des Spiegels 12 zugeordnet
wird.
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Dem
Entgraten kann ein Runden des Mündungsrandes 5 folgen,
das sich in der vorangehend beschriebenen Weise auf der Basis eines Soll-/Ist-Vergleichs
durchführen
lässt.
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Beim
Abtragen des Grats kann der Bearbeitungslaserstrahl 13 jedoch
von vornherein so gesteuert werden, dass mit dem Abtragen des Grats
auch gleich die gewünschte
Rundung des Mündungsrandes 5 erreicht
wird.
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Der
verwendete Neodym-YAG-Laserstrahl sorgt für eine vollständige Verdampfung
des Materials, wobei bei gegebener Strahlleistung in einem gegebenen
Zeitraum eine bestimmte Eindringtiefe und ein bestimmter Abtragungsdurchmesser
eingehalten werden.
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Durch
die Zuführung
von Spülgas
wird das verdampfte Material abgesaugt, so dass keine verfestigten
Materialrückstände, z.B.
in Form von Perlen, innerhalb des Werkstücks zurückbleiben.
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Die
An- und Absaugvorrichtung kann unter Abdichtung an den Hohlraum 2 bzw.
die Bohrung 4 angeschlossen sein, so dass eine von Außenluft
freie Durchspülung
mit Inertgas erfolgen kann.