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Die
Erfindung betrifft eine Laserschneidvorrichtung nach den Oberbegriffen
der unabhängigen Patentansprüche.
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Laserschneidvorrichtungen
weisen üblicherweise
eine Laserquelle auf, eine Laserstrahlführung sowie ein Antriebssystem
hierfür
und eine Steuerung. Damit können
beispielsweise aus Blechen vergleichsweise beliebige Formen ausgeschnitten
werden. Die Laserstrahlführung
kann einen Laserstrahl in zwei Raumkoordinaten über die zu schneidende Fläche eines
Blechs führen,
um die gewünschten Schnittmuster
zu erzeugen. Das Antriebssystem kann dabei beispielsweise zwei rechtwinklig
zueinander arbeitende Linearmotoren aufweisen. Diese Linearmotoren
sind getrennt gekapselt, wobei der eine auf dem Läufer des
anderen so montiert ist, dass die jeweiligen Bewegungsrichtungen
rechtwinklig zueinander sind. Auf den Läufern werden Strahlführungselemente,
beispielsweise Umlenkspiegel, so geführt, dass der Laserstrahl auf
einem Blech die gewünschte Bahn
zieht. Neben der individuellen Kapselung der einzelnen Linearantriebe
ist dabei üblicherweise noch
eine Abschirmung des Laserstrahlen gangs und der Laserstrahlführung (Spiegel)
vorgesehen. Separat von den genannten Komponenten kann dann noch
eine Steuerung vorgesehen sein, die die einzelnen Systemteile steuert
bzw. regelt.
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Nachteil
dieses Aufbaus ist es, dass er vergleichsweise groß, schwer
und unhandlich ist. Da er schwer ist, sind auch Stellgeschwindigkeit
bzw. Stellgenauigkeit nicht optimal.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine kompakte und präzise arbeitende Laserschneidvorrichtung
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Patentansprüche sind
auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gerichtet.
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Eine
erfindungsgemäße Laserschneidvorrichtung
weist eine Laserstrahlführung
mit einem Antriebssystem sowie eine Steuerung für die Laserstrahlführung auf.
Mindestens ein Teil des Antriebssystems, ein Teil der Laserstrahlführung und
ein Teil des Laserstrahlengangs befinden sich in einem gemeinsamen
Gehäuse.
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Vorzugsweise
befindet sich das gesamte Antriebssystem im Gehäuse.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Laserschneidvorrichtung
befindet sich mindestens ein Teil des Antriebssystems der Laserstrahlführung in
einem Gehäuse.
Es ist weiterhin ein Arm vorgesehen, der im Gehäuseinneren mit dem Antriebssystem
verbunden ist und in mindestens einer Richtung verschieblich aus dem
Gehäuse ragt
und an seinem außenliegenden
Teil einen Teil der Laserstrahlführung
und ggf. eine Fokussiereinrichtung trägt.
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Vorzugsweise
sind die im Gehäuse
liegenden Komponenten nicht separat gekapselt bzw. eingehäust. Im
Gehäuse
kann der Laserstrahlengang frei, das heißt nicht abgeschirmt, laufen.
Auch die Antriebssysteme müssen
nicht gekapselt sein. Beispielsweise können die Komponenten eines
oder mehrerer Linearmotoren offen im gemeinsamen Gehäuse liegen,
etwa die Statoren oder die jeweiligen Läufer, Kabelschlepps, Sensorik,
Wicklungen, Verbindungsstellen o. ä..
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Nachfolgend
werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben, es zeigen
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1 eine
Gesamtansicht eines Laserschneidsystems, und
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2 einen
Schnitt durch den Arm der Laserschneidvorrichtung.
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1 zeigt
ein Laserschneidsystem. 10 ist die eigentliche Laserschneidvorrichtung, 19 ist
eine Laserquelle, die einen Laser geeigneter Wellenlänge und
Leistung und sonstiger Kennwerte erzeugt und ausstrahlt. Die Laserschneidvorrichtung 10 weist dann
einen Einlass für
den Laserstrahl auf. Anders als gezeigt, kann sich die Laserquelle 19 aber
auch in der Laserschneidvorrichtung 10 befinden. Die Laserschneidvorrichtung
weist außerdem
eine Laserstrahlführung 2 auf,
die beispielsweise mehrere Umlenkspiegel 2a, 2b und 2c aufweisen
kann. Durch die Laserstrahlführung 2 wird
der Lichtweg des Laser strahls 18 definiert. Mehrere der
Komponenten der Laserstrahlführung 2 können beweglich
sein, beispielsweise linear verschieblich.
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Das
Antriebssystem 3 bis 7, 25 kann mehrere
Elektromotoren aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform
weist es zwei Linearmotoren 3, 4 bzw. 4, 5 auf,
die rechtwinklig zueinander wirkend angeordnet sind. In der gezeigten
Ausführungsform symbolisiert 3 den
Stator des einen Linearmotors und 4 den zugehörigen Läufer. 4 kann
auch gleichzeitig der Stator des zweiten Linearmotors 4, 5 sein,
wobei 5 dann der Läufer
des zweiten Linearmotors ist.
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Auf
dem Läufer 4 des
ersten Linearmotors kann ein Umlenkspiegel 2b angebracht
sein, der mit dem Läufer 4 verfahren
wird. Der erste Umlenkspiegel 2a kann so angebracht sein,
dass er den Laserstrahl 18 parallel zur Bewegungsrichtung
des Läufers 4 auf
den zweiten Umlenkspiegel 2b führt. Der Läufer 5 des zweiten
Linearmotors 4, 5 führt einen dritten Umlenkspiegel 2c mit.
Der zweite Umlenkspiegel 2b leitet den Laserstrahl 18 in
eine Richtung parallel zur Bewegungsrichtung des zweiten Läufers 5 um,
so dass der Laserstrahl auf den dritten Umlenkspiegel 2c gelangt
und von dort nach unten oder in eine andere geeignete Richtung abgestrahlt
wird.
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Rechts
neben 1 ist ein x-y-z-Koordinatensystem angedeutet.
In der Ausführungsform
wird angenommen, dass der erste Umlenkspiegel 2a den Laserstrahl
in x-Richtung lenkt und auch der Läufer 4 des ersten
Linearmotors 3, 4 sich in x-Richtung bewegt. Der
zweite Umlenkspiegel 2b leitet den Laserstrahl 18 in
y-Richtung um, und auch der Läufer 5 des zweiten
Linearmotors 4, 5 bewegt sich in y-Richtung. Der
dritte Umlenkspiegel 2c lenkt den Laserstrahl in z-Richtung
um.
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8 bezeichnet
ein Gehäuse,
das weitgehend geschlossen ausgebildet ist. Es weist gegebenenfalls einen
Einlass 1 für
einen Laserstrahl auf sowie diverse Anschlüsse 13 für Medien
und elektrische Signale, was später
genauer erläutert
wird. Außerdem
ist ein Schlitz 14 vorgesehen, durch den hindurch ein später zu beschreibender
Arm 9 vom Gehäuseinneren
zum Gehäuseäußeren ragt.
Der Schlitz 14 kann sich in Bewegungsrichtung eines der
Stellglieder 3, 4 bzw. 4, 5 erstrecken
(in 1: x-Richtung) und erlaubt so die Bewegung des
Arms in diese Richtung. Darüber
hinaus kann der Arm noch in eine weitere Richtung verschoben werden,
insbesondere diejenige der Bewegungsrichtung des zweiten Motors 4, 5 (in 1 die y-Richtung,
vorzugsweise Längsrichtung
des Arms 9). Damit kann der Arm 9 unterschiedlich
weit aus dem Gehäuse 8 herausragen.
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Im
Gehäuse
selbst können
verschiedene Komponenten nicht eigens eingehäust vorhanden sein. Beispielsweise
können
die Komponenten der Motoren 3, 4 bzw. 4, 5 frei
liegen. Auch kann der Strahlengang des Laserstrahls 18 im
Gehäuse 8 zumindest
bereichsweise frei zwischen den Strahlführungselementen 2 laufen. 12 bezeichnet
eine elektronische Steuerung, die mehr oder minder komplex aufgebaut
sein kann. Auch sie kann ungehäust
im Gehäuse 8 angebracht
sein.
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Um
Eindringen von Staub und sonstigen Verunreinigungen in das Gehäuse 8 zu
vermeiden, kann das Gehäuse 8 so
ausgelegt sein, dass es unter Überdruck
gesetzt werden kann. Hierzu kann einer der Anschlüsse 13 ein
Druckluftanschluss, gegebenenfalls mit Druckregulierung und Überdruckventil sein.
Dadurch wird sichergestellt, dass, wenn überhaupt, ein Medienfluss (nämlich Fluss
der Luft bzw. des Gases im Gehäuse 8)
nach außen
stattfindet, der potentiell eindringende Partikel abweist. Auf diese Weise
ist sichergestellt, dass das Innere frei von Verunreinigungen bleibt,
so dass die ungehäuste
Bauweise der internen Komponenten nicht zur Verschmutzung der freiliegenden
Komponenten führt.
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Im
Gehäuse 8 kann
auch eine Schneidgasführung
verlaufen, die von einem Einlass bei den Anschlüssen 13 zum Beispiel über einen
Schlauch bis kurz vor den Auftreffpunkt des Laserstrahls 18 auf das
zu schneidende Blech läuft.
Dies wird weiter unten genauer beschrieben.
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Der
außenliegende
Teil des Arms 9 trägt
einen Teil 2c der Laserstrahlführung und/oder eine Fokussiereinrichtung 11,
beispielsweise eine Linse. Am außenliegenden Teil des Arms 9,
insbesondere am oder in der Nähe
seines freien Endes kann ein Schlitten 7 angebracht sein,
der die Fokussiereinrichtung 11 beweglich hält. Die
Bewegungsrichtung des Schlittens 7 kann anders als und
insbesondere rechtwinklig zu denen der Motoren 3, 4 bzw. 4, 5 sein.
In 1 ist die Bewegungsrichtung des Schlittens 7 in z-Richtung.
Der Schlitten 7 führt
das Fokussierelement 11 mit und erlaubt so die Steuerung
der Fokuslage des Laserstrahls 18. Der Schlitten 7 kann
auch Sensorik mitführen,
beispielsweise Abstandssensorik zur Messung des Abstands zum zu
schneidenden Blech. Die Abstandssensorik kann kapazitiv arbeiten. Dementsprechend
kann der Schlitten auch elektrische Verkabelung mitführen.
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Der
Antrieb des Schlittens kann insbesondere so erfolgen, dass über ein
Getriebe die Antriebskraft eines im Gehäuse 8 liegenden Motors 6 zum Schlitten 7 hin übertragen
wird, beispielsweise durch Zahnräder,
Schneckengetriebe, Ritzel oder Ähnliches.
Der Motor 6 kann ein Rotationsmotor sein. Damit ist eine
Steuerung der Fokuslage des Lasers 18 in allen drei Raumdimensionen
x, y und z möglich. Die
x- und y-Position der Motoren 3, 4 bzw. 4, 5 kann durch
an den Motoren jeweils vorgesehene Sensorik gemessen und so mit
der Steuerung 12 gesteuert bzw. geregelt werden. Zu diesem
Zweck können nicht
gezeigte Signalleitungen zwischen den einzelnen Sensoren und der
Steuerung 12 vorgesehen sein. Signalleitungen können auch
zwischen der Steuerung 12 und der Aktorik (Motoren 3, 4 bzw. 4, 5 und 6)
und hin zu den Anschlüssen 13 vorgesehen sein.
Soweit bewegliche Komponenten mit elektrischer Leistung bzw. Signalen
zu versorgen sind, können
entsprechende, nicht gezeigte Kabelschlepps vorgesehen sein.
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Der
Läufer 4 des
ersten Linearmotors 3, 4 kann mit dem Stator 4 des
zweiten Linearmotors 4, 5 zu einem gemeinsame
Motorkörper 4 verbunden sein.
Die Grundkörper
der beiden können
einstückig sein
und können
ein Gussteil sein. Der gemeinsame Motorkörper 4 (Läufer des
ersten Motors 3, 4 und Stator des zweiten Motors 4, 5)
kann so ausgebildet sein, dass er die Wicklungen beider Motoren
trägt. Der
Stator 3 des ersten Motors und der Läufer 5 des zweiten
Motors kön nen
dann passiv in dem Sinn sein, dass sie keine elektrischen Zuleitungen
für den Antrieb
aufweisen, allenfalls für
Positionssensorik.
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Die
Steuerung 12 kann Datenschnittstellen über die Anschlüsse 13 nach
außen
aufweisen. Die Schnittstellen können
standardisierte Schnittstellen sein. Auch können Sensorikdaten an Anschlüssen 13 nach
außen
abgegeben werden (x-, y- und z-Sensorik), so dass sie für gegebenenfalls
weitere Steuerungen oder Regelungen zur Verfügung stehen.
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Der
Schlitz 14 im Gehäuse 8 kann
durch verschiebliche Lamellen, gegebenenfalls mit Labyrinthführung, vergleichsweise
staubdicht verschlossen werden.
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Die
Anschlüsse 13 am
Gehäuse 8 können einen
oder mehrere der folgenden Anschlüsse aufweisen:
- – eine
oder mehrere digitale Schnittstellen, mittels derer digitale Daten
zwischen externen und internen Komponenten ausgetauscht werden können (Sensorikdaten,
Steuerungsdaten, Programmdaten, ...),
- – eine
Sensorikschnittstelle, über
die Sensordaten mehr oder minder unmittelbar nach außen abgegeben
werden können
oder über
die externe Sensordaten für
die Steuerung 12 eingegeben werden können,
- – einen
Anschluss für
Schneid- bzw. Prozessgas. Das Gas wird von extern zugeführt und
dann durch die Vorrichtung 10 hindurch, insbesondere wie
beschrieben, bis zur Schneidstelle geführt,
- – einen
Druckgasanschluss, um das Gehäuseinnere
unter Überdruck
setzen zu können,
um beispielsweise das Eindringen von Staub verhindern zu können,
- – elektrische
Leistungsversorgung,
- – Schalter
und Anzeigen zum Setzen und Anzeigen bestimmter Betriebszustände.
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2 zeigt
einen Schnitt durch den Arm 9 in 1 in der
x-z-Ebene. Es ist zu erkennen, dass der Arm 9 mehrere Kanäle 21 bis 24 aufweist,
die jeweils unterschiedlichen Zwecken dienen können.
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24 ist
ein Kanal, in dem der Laserstrahl 18 laufen kann. Der Kanal 24 ist
beispielsweise vorne und hinten am Arm 9 offen, so dass
der Laserstrahl 18 von der Umlenkeinrichtung 2b in
die hintere Öffnung
des Kanals 24 gelangt und dort dann nach vorne läuft, an
der vorderen Öffnung
austritt und auf die Umlenkeinrichtung 2c trifft. Es kann
aber auch ein fenster im Kanal 24 vorgesehen sein, das
der Laserstrahl durchläuft,
das den Kanal 24 aber gas- bzw. staubdicht abschließt. Dabei
ist der Arm 9 so am Läufer 5 des
zweiten Linearmotors 4, 5 montiert, dass die gezeigten
Kanäle
durch Motorkomponenten des Motors 4, 5 nicht behindert
sind.
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22 ist
ein Kanal für
Schneidgas bzw. Prozessgas. Beim Laserschneiden kann es notwendig sein,
der Schneidstelle auf dem Blech bestimmte Gase zuzuführen, zum
Beispiel Sauerstoff oder ein Edelgas. Hierzu ist eine Gasführung bis
in die Nähe der
Auftreffstelle des Laserstrahls erforderlich. Das Prozessgas kann
insgesamt von einem der Anschlüsse 13 zum
hinteren Ende des Arms 9 mittels eines Schlauchs geführt werden,
gelangt dann durch den Arm 9 nach vorne und kann dann von
dort aus durch weitere Führungseinrichtungen
bis in die Nähe des
Auftreffpunkts des Laserstrahls 18 auf das Blech geführt werden.
Prozessgasführung 22 und
Laserstrahlführung 24 können auch
als gemeinsamer Kanal vorgesehen sein.
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23 symbolisiert
einen Kanal, in dem eine Welle 25 läuft. Die Welle 25 überträgt Antriebsenergie
vom Motor 6 hin zum Schlitten 7. Es sind dann zwischen
Motor 6 und Welle 25 sowie zwischen Welle 25 und
Schlitten 7 geeignete Getriebemechanismen vorzusehen.
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21 ist
ein Kanal, in dem elektrische Leitungen für Sensorik und/oder Aktorik
laufen können.
Beispielsweise kann am Schlitten 7 Abstandssensorik zum
Bestimmen des Abstands des Schlittens 7 vom zu schneidenden
Blech darunter vorgesehen sein. Die von der Sensorik kommenden Signale
können dann über Leitungen 26 in
den Kanal 21 zur Steuerung 12 gelangen, dort ausgewertet
werden und dann zur geeigneten Ansteuerung des Motors 6 herangezogen
werden.
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2 zeigt
einen vergleichsweise massiven Aufbau des Arms 9. Es ist
aber auch ein Hohlprofil möglich,
das, falls notwendig, separierte Kammern aufweist, in denen sich
jeweils die genannten Komponenten des Systems befinden können.
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Bisher
ist die erfindungsgemäße Laserschneidvorrichtung
Bezug nehmend auf translatorische Stellglieder (Linearmotoren) beschrieben
worden. Es können
auch rotatorische Stellglieder verwendet werden, deren Drehbewegung
in eine Translationsbewegung umgesetzt wird.
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Weiterhin
ist es möglich,
mit Schwenkspiegeln zu arbeiten, die eine oder mehrere Translationsbewegungen
ersetzen können.
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Einzelne
technische Daten der Laserschneidvorrichtung können wie folgt sein:
- – Verfahrwege
bis 1000 mm,
- – Stellkräfte bis
10000 N,
- – Verfahrgeschwindigkeit
2 m/Sek.,
- – Positionierungsgenauigkeit
bis zu 0,01 mm.
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Die
beschriebene Laserschneidvorrichtung kann wegen der Art ihrer Einhausung
(gemeinsames Gehäuse
ohne individuelle Einhausung partieller Komponenten) klein und damit
auch leichter aufgebaut werden. Es erhöht sich dadurch die Positionierungsgeschwindigkeit
und wegen des Wegfalls der Einhausungskomponenten wird die Vorrichtung
auch kostengünstiger
herzustellen sein.