DE19725356A1 - Haltevorrichtung für Abstandssensoren an Bearbeitungswerkzeugen - Google Patents

Description

Zur Führung von Bearbeitungswerkzeugen gegenüber dem Werkstück, insbesondere bei Bearbeitungsverfahren ohne Berührung zwischen Werkzeug und Werkstück ist es erforderlich, den Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück im erforderlichen Umfang konstant zu halten. Dafür werden nach dem Stand der Technik Sensoren verwendet, welche diesen Abstand erkennen und Signale erzeugen, aus denen Nachführ-Regelsysteme die erforderlichen Bewegungsvorgänge für das Bearbeitungswerkzeug auslösen.

Um eine möglichst genaue Abstandsführung zwischen Werkzeug und Werkstück zu erreichen, werden die Sensoren mit dem Werkzeug mechanisch gekoppelt und so angeordnet, daß sie möglichst genau und möglichst nahe am Bearbeitungsort des Werkstücks positioniert sind. Sensoreinrichtungen für die berührungslose Bearbeitung von metallenen Werkstücken wie beispielsweise beim Brennschneiden oder Schweißen werden aus diesem Grunde mittels einer Haltevorrichtung unmittelbar am Werkzeug befestigt.

In diesen Fällen besteht das Werkzeug aus einem Autogen- oder Plasma-Brenner oder aus einer Leistungslaser-Düse. Solche Brenner sind in Ausführungen unterschiedlichen Durchmessers im Einsatz. Es wird angestrebt, die Haltevorrichtung für verschieden Werkzeugdurchmesser möglichst universell einsetzbar zu gestalten. Dabei ist es wünschenswert, den Ort des Sensors, bezogen auf die Mittelachse des Werkzeugs, möglichst einheitlich beizubehalten, um mit den gleichen Sensorelementen unterschiedliche Werkzeuge ausrüsten zu können.

Es sind Haltevorrichtungen bekannt, welche dieses Problem dadurch lösen, daß eine Halter- Klemmvorrichtung eine relativ komplizierte Kurvenform erhält, die gewährleistet, daß unter­ schiedliche Brennerdurchmesser mit der gleichen Haltevorrichtung zufriedenstellend ausgerüstet werden können. Ein Nachteil der bekannten Haltevorrichtungen ist, daß sie relativ aufwendig herzustellen sind und eine ungünstige Vierpunkt-Auflage am Brenner unvermeidbar ist.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Haltevorrichtungs-Konstruktion, die Werkzeugdurchmesser im Verhältnis von nahezu 1 : 2 mit der gleichen Vorrichtung auszurüsten gestattet, wobei die Anordnung des Sensorelements in Bezug auf das Werkzeug unabhängig vom Werkzeugdurchmesser konstant bleibt und außerdem eine Dreipunkt-Auflage am Umfang des Werkzeugs ermöglicht, die besonders stabilen Halt und eindeutige Positionierung gewährleistet. Ein weiteres erfindungsgemäßes Merkmal ist der darin integrierte Schutz gegen elektrische Überspannungen im Betrieb. Die erfindungsgemäße Haltevorrichtung wird in einer praktischen Ausführung durch Fig. 1 verdeutlicht. Dieses Anwendungsbeispiel und die für diesen Anwen­ dungszweck gewählte Ausführung stellen nur eine mögliche Realisierung der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung dar.

In Fig. 1 zeigt (1) einen Schneidbrenner, an dessen Schaft die Haltevorrichtung (2) aufgeklemmt ist. An der Haltevorrichtung befindet sich die Sensorklemme (3), welche einen kapazitiven Sensorring (4) konzentrisch um den Brenner herum positioniert. Der Anschluß des kapazitiven Sensors an die Sensorsignal-Elektronik wird über die Steckvorrichtung (5) und das nicht gezeigte Anschlußkabel vorgenommen. Die Sensorklemme (3) ist in der Haltevorrichtung (2) isoliert geführt.

Die Positionierung in Längsrichtung des Brenners wird im Betrieb nicht verändert, so daß der Abstand zwischen dem kapazitiven Sensorring (4) und dem Werkstück (7) und damit die Düse des Brenners gegenüber dem Werkstück konstant bleiben.

Die nicht dargestellte Sensorsignal-Elektronik und eine externe Antriebsregelung bilden einen Regelkreis, der den Abstand zwischen Sensorring und Werkstück im Bearbeitungsvorgang auch dann konstant hält, wenn sich die Lage der Werkstückoberfläche in Bezug auf die Düse des Brenners verändert.

Während des Bearbeitungsvorgangs beim Brennschneiden wird die Umgebung des Brenners thermisch hoch belastet, wodurch auch der Sensorring (4) stark erhitzt wird. Die Wärme fließt über den Haltestab (8) zur Sensorklemme (3). Zum Schutz gegen flüssige Metallspritzer ist das Schutzblech (6) angeordnet.

Zwischen der Sensorklemme (3) und dem nicht dargestellten Isolierkörper innerhalb der Haltevorrichtung ist eine Schraubenfeder (9) angeordnet, die zwei Aufgaben erfüllt:

• 1. Bei dem Anstoßen des Sensorrings an einen Fremdkörper, z. B. Metallteile auf der Oberfläche des Werkstücks, erfährt der Ring eine seitliche Auslenkung, die nicht zur Zerstörung des Sensors führen darf. Die Schraubenfeder (9) wird dann ausgelenkt, so daß der Ring ggf. den Brenner berühren und über die Sensorsignal-Elektronik ein Kollisions- Signal erzeugen kann.
• 2. Die Schraubenfeder stellt für den Wärmefluß eine erhebliche Wegverlängerung dar, so daß zwischen der Sensorklemme (3) und dem Isolierteil innerhalb der Haltevorrichtung ein starker Temperaturabfall entsteht, der das Isolierteil vor Überhitzung schützt.

Fig. 2 zeigt die Haltevorrichtung in Draufsicht.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Haltevorrichtung an den Anlagepunkten (10) auf dem zylindrischen Körper des Brenners aufsitzt und mittels der Klemmschraube (14) angepreßt wird. Von der Mittelachse der Sensorklemme (3), die in Fig. 2 mit (11) bezeichnet ist, zeigt Radius (12) einen konstanten Abstand zur Mitte des Sensorrings unabhängig vom Durchmesser des zylindrischen Brenners. Dabei wird die für die Positionierung vorteilhafte Dreipunkt-Auflage unabhängig vom Durchmesser des zylindrischen Brennerrohrs gewährleistet.

Erfindungsgemäß sind an den Stellen der Dreipunkt-Auflage Zylinderstifte vorgesehen, die es ermöglichen, die Materialstärke der Haltevorrichtung gering zu halten, ohne daß der gute Sitz der Befestigung auf dem Brennerrohr darunter leidet. Außerdem ermöglichen es die Stifte, als Material für die Haltevorrichtung eine Leichtmetall-Legierung zu verwenden, weil die Flächenpressung am Umfang der Stifte auf die Haltevorrichtung um Größenordnungen kleiner ist als bei unmittelbarer Berührung des Materials der Haltevorrichtung mit dem zylindrischen Werkzeug. Der Verschleiß wird an diesen Stellen deshalb vernachlässigbar und der Anpreßdruck kann so hoch gesetzt werden, daß unter allen Betriebsbedingungen ein fester Sitz der Brennerhaltevorrichtung am Werkzeugs sichergestellt ist. Die Haltevorrichtung wird über die Klemme (13) durch die Klemmschraube (14) angepreßt.

Neben der hohen thermischen Belastung sind Sensorring (4), Sensorklemme (3), und Schraubenfeder (9) auch noch durch elektrische Überschläge dann belastet, wenn der Brennschneid-Prozeß durch einen Plasma-Brenner ausgeführt wird und elektrische Entladungen zwischen Brenner und Sensorring auftreten. Bei den bekannten Sensor-Anordnungen werden am Ausgang der Steckverbindung (5) in Fig. 1 Kabelübergänge verwendet, in denen Überspannungsschutz-Einrichtungen montiert sind, welche die nachgeschaltete Elektronik möglichst weitgehend gegen Zerstörung schützen sollen. Es zeigte sich immer wieder, daß diese Schutzbeschaltungen nicht ausreichen.

Erfindungsgemäß wird die Haltevorrichtung deshalb mit einer zusätzlichen, besonders wirksamen Schutzbeschaltung versehen, so daß auch Anschlußstecker mit Kabeln verwendet werden können, die selbst keinen Überspannungsschutz enthalten.

Fig. 3 zeigt die Anordnung dieser zusätzlichen Schutzbeschaltung schematisch. Darin ist das Werkstück mit "(15)" bezeichnet.

Der Sensorring (16) stellt eine geringe elektrische Kapazität gegenüber dem Werkstück dar. Diese Kapazität ist die elektrische Meßgröße für den Sensorabstand. Sie wird in der Sensorsignal- Elektronik in eine Gleichspannung umgewandelt.

Zwischen dem Sensorring (16) und dem Anschlußstecker (19) ist ein elektrischer Kondensator (17) geschaltet, dessen Kapazität groß gegen die Sensorkapazität (16) ist und der eine hohe Spannungsfestigkeit aufweist. Zwischen dem Kondensator (17) und dem Anschlußstecker (19) liegt ein Überspannungsableiter (18) gegen Maschinenmasse (20).

Wenn es zu einem Spannungsüberschlag zwischen dem in Fig. 3 nicht dargestellten Brenner auf den Sensorring (16) kommt, so wird dieser Spannungssprung über den Kondensator (17) übertragen, kann jedoch am Anschlußstecker (19) nicht größer werden als die Ansprech­ spannung des Überspannungsableiters (18), z. B. 90 Volt.

Die elektrische Ladung des Kondensators (17) wird über den Überspannungsableiter (18) in sehr kurzer Zeit abgebaut, so daß der Spannungsüberschlag sich auf die nachgeschaltete Sensorsignal-Elektronik nicht mehr auswirken kann. Die Kapazität des Kondensators (17) ist so bemessen, daß das zulässige Produkt l² × t des Überspannungsableiters (18) nicht überschritten wird.

Fig. 4 zeigt die praktische Ausführung der Überspannungsschutz-Beschaltung.

In Fig. 4 ist der Körper der Haltevorrichtung (2) aufgeschnitten gezeigt. Darin befindet sich oberhalb der Sensorklemme (3) der Isolierkörper (21), in dem die Drahtverbindung (22) von der Sensorklemme (3) her zum Kondensator (23) geführt ist. Im Beispiel Fig. 4 ist dieser Konden­ sator als keramischer Scheibenkondensator ausgeführt, zu dessen Unterseite die Drahtver­ bindung (22) führt. Die Gegenelektrode des Kondensators (22) auf der Oberseite ist mit der Steckverbindung (5) durch einen Draht verbunden. An dem Schaff (24) der Steckverbindung (5) liegt seitlich der Überspannungsableiter (25) mit seiner vorderen Elektrode an. Die Schraube (26) drückt eine Feder (27) gegen die rückseitige Elektrode des Überspannungsableiters (25) und verbindet diesen mit der Masse der Haltevorrichtung (2) und damit zur Maschinenmasse.

Die Kapazität des Kondensators (23) wirkt sich auf die Funktion des Sensors nicht aus, da sie sehr groß im Vergleich zur Sensorkapazität ist. Die Kapazität des Überspannungsableiters ist sehr gering und konstant. Auch sie bleibt ohne Wirkung auf die Funktion des Sensors.

Claims (4)

1. Haltevorrichtung für Abstandssensoren an Bearbeitungswerkzeugen, insbesondere bei Bearbeitungsprozessen, die ohne Berührung zwischen Werkzeug und Werkstück ablaufen, besonders in Brennschneide-Anlagen in der Metallbearbeitung, wobei der Abstands-Sensor eine bestimmte Lage zum Werkzeug auch bei unterschiedlichen Durchmessern dieses Bearbeitungswerkzeugs, vorzugsweise zylindrischen Brennern in Brennschneide-Anlagen einhalten soll, indem die Haltevorrichtung eine entsprechende Klemmvorrichtung in geome­ trischer Ausführung erhält, welche so gestaltet ist, daß bei unterschiedlichen Brennerdurchmessern der Sensor die gleiche Lage zum Brenner beibehält, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung aus einem Hauptkörper und einer mittels Schrauben verschiebbarer und anpreßbarer Klemme besteht, daß sowohl Hauptkörper als auch Klemme so ausgeführt sind, daß bei allen verschiedenen Brennerdurchmessern eine befestigungsgünstige Dreipunkt-Auflage am zylindrischen Brenner ermöglicht ist, daß ferner der Wärmeleitweg zwischen dem Sensorkörper und wärmeempfindlichen Teilen der Haltevorrichtung durch konstruktive Maßnahmen besonders verlängert wird und daß weiter zwischen dem Sensor und der weiterführenden elektrischen Verbindung elektrische Schutzmaßnahmen gegen Spannungsüberschläge unmittelbar in der Haltevorrichtung eingebaut sind.

2. Haltevorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß an den Stellen der Dreipunkt-Anlage Zylinderstifte sowohl in den Hauptkörper als auch in die bewegliche Klemme so eingesetzt werden, daß diese bei allen Durchmessern von zylindrischen Brenner-Rohren eine günstige Dreipunkt-Auflage ermöglichen und daß ferner die Zylinderstifte eine Länge aufweisen, die eine sichere Befestigung der Haltevorrichtung an den Brenner-Rohren auch dann ermöglichen, wenn die Haltevorrichtung mit relativ geringer Dicke ausgeführt wird.

3. Haltevorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sensor, vorzugsweise einem konzentrisch um den Brenner herum, nahe der Brennerdüse angeordneten Ring und seinem Trägerstab zwischen dessen Klemmvorrichtung und den Isolierteilen in der Haltevorrichtung zur Verlängerung des Wärmeleitwegs eine Schraubenfeder aus gering wärmeleitfähigem Material, vorzugsweise Chrom-Nickel-Stahl angeordnet ist, welche zugleich durch ihre Federwirkung den Sensor im Kollisionsfall gegen mechanische Beschädigungen schützt.

4. Haltevorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in der Haltevorrichtung ein Trennkondensator zwischen Sensor der weiterführenden Anschluß­ leitung eingebaut ist und daß ferner zwischen der weiterführenden Anschlußleitung und dem an Masse liegenden Körper der Haltevorrichtung ein Überspannungsableiter montiert ist, der bei Spannungsüberschlägen zwischen Brenner und Sensorring schädliche Spannungen gegen die Maschinenmasse abgeleitet werden.