DE202009006589U1

DE202009006589U1 - Laserstation und Laseranlage

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Publication number: DE202009006589U1
Application number: DE202009006589U
Authority: DE
Original assignee: Mauser Werke Oberndorf Maschinenbau GmbH
Current assignee: Mauser Werke Oberndorf Maschinenbau GmbH
Priority date: 2009-05-06
Filing date: 2009-05-06
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2019-05-07
Also published as: EP2427298A1; KR20120023733A; BRPI1013752A2; MX2011011710A; CN102438788A; WO2010127862A1; CN102438788B

Abstract

Laserstation zur Strukturierung von Innenumfangsflächen (34) eines Werkstücks (6) beispielsweise einer Nocke einer Nockenwelle, mit zwei, vorzugsweise um 180°, zueinander versetzten 3D-Lasern (16, 18, 22, 24), deren Laserstrahl in X-, Y- und Z-Richtung steuerbar bzw. fokussierbar ist, wobei die Laser (16, 18, 22, 24) oberhalb, seitlich versetzt und hin zur Innenumfangsfläche (34) geneigt angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserstation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine mit einer derartigen Laserstation ausgeführte Laseranlage.
In der DE 103 25 910 A1 ist eine Lasereinheit zur Strukturierung von Innenumfangsflächen eines Werkstücks, beispielsweise eines Pleuels offenbart. Derartige Innenumfangsflächen werden mit der Strukturierung versehen, um die Verbindung des Pleuels mit der Kurbelwelle im Hinblick auf eine optimale Drehmomentübertragung zu verbessern. Bei der bekannten Lösung wird ein nur geringfügig modifizierter Beschriftungslaser verwendet, der es erlaubt, die Struktur mit minimalem regelungstechnischen Aufwand in bestimmten Bereichen der Innenumfangsflächen auszubilden.
Eine weitere Anwendung dieser Technologie besteht in der Strukturierung von Nockenwellen, die auf eine Welle aufgeschrumpft werden, wobei zum Aufsetzen die Welle abgekühlt und die Nocke erwärmt wird. Zur Verbesserung der Verbindung zwischen Nocke und Welle ist in der Innenumfangsfläche der buchsenförmigen Nocke ebenfalls eine Strukturierung vorgesehen. Dabei wird es bevorzugt, diese Strukturierung nicht durchgängig entlang der gesamten Innenumfangsfläche auszubilden, sondern lediglich einige Fenster zu strukturieren. Insbesondere bei der Strukturierung von Nocken einer Nockenwelle ist eine hohe Taktfrequenz bei der Fertigung erforderlich, da bei den modernen Hochleistungsmotoren auch Einheiten mit geringem Hubraum mit einer Vielzahl von Nocken ausgeführt sind, und diese in großen Stückzahlen gefertigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserstation und eine mit einer derartigen Laserstation ausgeführte Laseranlage zu schaffen, die eine effektive Strukturierung von Werkstücken ermöglicht.
Diese Aufgabe wird in Hinblick auf die Laserstation durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 und in Hinblick auf die Laseranlage durch die Merkmalskombination des Anspruchs 9 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß weist die Laserstation zur Strukturierung von Innenumfangsflächen eines auf einen Lagerabschnitt aufzusetzenden Werkstücks zumindest zwei 3D-Laser auf, die vorzugsweise um 180° zueinander versetzt sind und deren Laserstrahlen in X-, Y- und Z-Richtung (Fokussierung) steuerbar bzw. fokussierbar ist, wobei der Laser oberhalb, seitlich versetzt und zur Innenumfangsfläche des Werkstücks hin geneigt angeordnet ist. Diese Konfiguration ermöglicht es, zumindest zwei Bereiche gleichzeitig zu strukturieren, wobei durch die Anordnung der Lasereinheit oberhalb der Innenumfangsfläche die Anlage sehr kompakt ausgeführt ist, da die 3D-Laser geneigt zur Achse der Innenumfangsfläche angeordnet werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jeder Laser mit einer eigenen Steuerung ausgeführt, sodass die strukturierten Bereiche durch die verwendeten Laser in zeitlich überlappender Weise ausgeführt werden können.
Zur Erhöhung der Taktfrequenz kann die Laserstation mit zwei weiteren Lasern ausgeführt sein, die um 90° versetzt zu den beiden erstgenannten Lasern angeordnet sind, sodass eine gleichzeitige Bearbeitung durch vier Laser erfolgen kann.
Der Aufbau der Laserstation ist besonders kompakt, wenn diese Laser auf einem gemeinsamen Teilkreis liegen.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn über jeden Laser ein etwa rechteckförmiges Feld der Innenumfangsfläche strukturiert wird.
Bei Verwendung mehrerer Laser werden dann entsprechend mehrere Felder ausgebildet, die gegebenenfalls durch unstrukturierte Stege voneinander getrennt sind.
Der Automatisierungsgrad der Laseranlage lässt sich weiter verbessern, wenn die Zu- und/oder Abführung der Werkstücke über eine Belade- oder Entladestation erfolgt.
Bei einer Variante der Erfindung werden die zu bearbeitenden Werkstücke über einen Kreuztisch mit einer X-Y-Führung zugeführt, wobei die Werkstücke in eine Aufnahme des Kreuztisches palletiert sind.
Bei einer alternativen Lösung erfolgt die Zuführung der Werkstücke zur Laserbearbeitung über einen Rundtisch, an dem Ausnahmen für die Werkstücke vorgesehen sind.
Diese Aufnahmen können entweder in den Innenraum des Werkstücks eingreifen, oder den Außenumfang des Werkstücks umgreifen.
Zur Vermeidung von Verschmutzungen kann die Laseranlage mit einer Absaugung versehen werden, die vorzugsweise oberhalb des Lasers angeordnet ist.
Zur weiteren Verbesserung der Automatisierung kann die Laseranlage mit einem Bereitstellungslader zur automatischen Zufuhr/Abfuhr von Werkstücken ausgeführt werden.
Die Anordnung der Laser oberhalb des zu bearbeitenden Werkstücks ist besonders kompakt, wenn deren Neigung weniger als 20°, vorzugsweise etwa 18° trägt.
Bei einem besonders kompakten Ausführungsbeispiel sind die 3D-Laser jeweils mit einem Gehäuse ausgeführt, an das die Laseroptik quer zur Gehäuseachse angesetzt ist. Bei der genannten schrägen Anordnung der 3D-Laser liegen dann entsprechend die von der Laseroptik entfernten Endabschnitte der Gehäuse auf einem Teilkreis, dessen Radius kleiner als derjenige Teilkreis ist, auf dem die Laseroptiken angeordnet sind. D. h., bei dieser Variante sind die 3D-Laser auf einem sich zum Werkstück hin verbreiternden Kegel angeordnet.
Erfindungsgemäß kann die Laseranlage mit zwei Laserstationen gemäß der zuvor beschriebenen Struktur ausgeführt werden. Dabei kann jeder Laserstation ein Rundtisch oder eine X-Y-Führung zur Zuführung des Werkstücks zugeordnet sein, prinzipiell ist jedoch auch möglich, einen Rundtisch beiden Laserstationen zuzuordnen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Laseranlage zur Bearbeitung eines Pleuels;
2 eine 3-dimensionale Prinzipdarstellung einer Laseranlage zur Bearbeitung einer Nocke;
3 eine Laseranordnung der Laseranlage aus 2; und
4 eine Draufsicht auf die Laseranordnung aus 3.
1 zeigt das Layout einer Laseranlage 1 zur Bearbeitung von Pleueln 2.
Die Laseranlage 1 hat eine Kabine 2, in der eine Laserstation 4 zur Bearbeitung von Werkstätten, im vorliegenden Fall von Pleueln 6 angeordnet ist. Der Transport dieser Werkstücke 6 zum und von der Laserstation 4 erfolgt über einen Rundtisch 8, dem die zu bearbeitenden Werkstücke 6 über eine Bedienperson 10 an einer Beladestation 12 zugeführt und dort auch entnommen werden. Durch Drehung des Rundtischs 8 in Pfeilrichtung wird das Werkstück 6 dann einer nicht dargestellten Abblasstation 14 zur Reinigung des Werkstücks zugeführt und nach dem Abblasen der Bearbeitung mittels der Laserstation 4 zugeführt.
Diese Laserstation 4 besteht beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei schräg zueinander angeordneten 3D-Lasern 16, 18, deren grundsätzlicher Aufbau anhand der 2 bis 4 erläutert wird. Bei diesen 3D-Lasern handelt es sich um so genannte Beschriftungslaser, die jeweils mit einer eigenen Steuerung ausgeführt sind und sehr einfach an unterschiedliche Aufgabenstellung anpassbar sind. Derartige 3D-Laser haben einen 2D-Scanner, der durch einen oder mehrere in X-Y-Richtung verstellbare Spiegel ausgebildet ist. Die Fokussierung des Laserstrahls in der Tiefe (Z-Richtung) erfolgt über eine Fokussieroptik, beispielsweise über ein Planfeldobjektiv. Derartige Laser werden beispielsweise von der Firma Trumpf vertrieben, sodass hinsichtlich weiterer Details auf den von diesem Unternehmen zur Verfügung gestellten Stand der Technik verwiesen werden kann.
Die Besonderheit der Laseranlage 1 besteht darin, dass die beiden 3D-Laser 16, 18 oberhalb und seitlich versetzt zum Werkstück 6 angeordnet sind, wobei die Laser schräg angestellt sind, sodass der Laserstrahl in die Innenumfangswandung des zu bearbeitenden Pleuelauges eingelenkt werden kann. Die Ansteuerung der 3D-Laser erfolgt derart, dass jeweils ein Feld mit einer Struktur ausgebildet wird, wie sie beispielsweise in der eingangs genannten Patentanmeldung beschrieben ist. D. h., es werden beispielsweise rechteckförmige Fenster ausgebildet, deren Abmessungen in Umfangsrichtung beispielsweise zwischen 20 bis 30 mm und in der Höhe (Achsrichtung) zwischen 10 bis 15 mm liegen können; selbstverständlich kann die Geometrie des strukturierten Bereichs auch in anderer Form oder mit anderen Abmessungen gewählt werden.
Zur Lagefixierung der Werkstücke 6 ist der Rundtisch 8 mit geeigneten Aufnahmen 31 versehen. Diese können beispielsweise durch vier Zylinderstifte ausgeführt sein, die an der zu bearbeitenden Innenumfangsfläche anliegen. Alternativ kann die Aufnahme 31 auch am Außenumfang des zu bearbeitenden Werkstücks angreifen.
Zur Absaugung der bei der Laserbearbeitung auftretenden Dämpfe ist oberhalb des Werkstücks eine Absaugung 20 vorgesehen, über die diese Dämpfe aus der Kabine 2 abgesaugt werden können.
Weiter Einzelheiten der Laseranordnung werden anhand 2 erläutert.
Diese 2 zeigt eine Variante, bei der die Laseranlage 1 mit zwei Laserstationen 4a, 4b ausgeführt ist, von denen jede vier 3D-Laser 16, 18, 22, 24 aufweist. Diese sind jeweils um 90° versetzt auf einem gemeinsamen Teilkreis angeordnet und auf die Achse 26 des zu bearbeitenden Werkstücks 6 – hier eine Nocke einer Nockenwelle – fokussierbar. Der von dem jeweiligen Laser 16, 18, 22, 24 abdeckbare Laserstrahlbereich 28 ist in den 2 bis 4 angedeutet. Durch entsprechende Ansteuerung des genannten 2D-Scanners und der Fokussieroptik (Planfeldlinse) kann dieser Laserstrahl auf die gewünschte Innenumfangsfläche des Werkstücks 6 fokussiert werden, sodass der entsprechende Bereich des Werkstücks 6 bearbeitet wird. Bei Verwendung von vier 3D-Lasern lassen sich somit gleichzeitig vier Bereiche der Innenumfangsfläche des Werkstücks 6 strukturieren. Diese Bereiche sind dann noch durch einen dünnen Steg voneinander getrennt. D. h., mit der Konstellation gemäß 2 kann praktisch in einem Arbeitsschritt die gesamte Innenumfangsfläche in der gewünschten Weise strukturiert werden.
Da die Laseranlage 1 zwei Lasereinheiten 4a, 4b aufweist, können entsprechend zwei Werkstücke 6 gleichzeitig bearbeitet werden, sodass die Produktivität einer derartigen Anlage sehr hoch ist und extrem hohe Taktfrequenzen realisierbar sind. Die Zuführung der Werkstücke 6 zu den Lasereinheiten 4a, 4b erfolgt über den angedeuteten Rundtisch 8, der in diesem Fall mit zwei Belade- und Entladestationen 12a, 12b ausgeführt ist, wobei die in den Laserstationen 4a, 4b bearbeiteten Werkstücke 6 entnommen und zu bearbeitende Werkstücke 6 zugeführt werden. Der Rundtisch ist wiederum mit geeigneten Aufnahmen 31 zur Lagefixierung der Werkstücke 6 ausgeführt. Bei der dargestellten Lösung sind Außenaufnahmen vorgesehen, die den Außenumfang des zu bearbeitenden Werkstücks 6, beispielsweise der Nocke lagefixieren. Die Be- und Entladung kann manuell, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 oder aber auch automatisch über ein Handlingsgerät erfolgen.
Wie insbesondere 3 entnehmbar ist, hat jeder 3D-Laser 16, 18, 22, 24 ein längliches Lasergehäuse 30, an das ein Kopf mit einer Laseroptik 32 angesetzt ist. Diese Laseroptik 32 sitzt – wie erwähnt – oberhalb und seitlich versetzt zu der bearbeitenden Innenumfangsfläche 34 des Werkstücks 6, wobei die optische Achse auf die Werkstücksachse 26 in dem von der Innenumfangsfläche 34 umgriffenen Bereich ausgerichtet ist. Dementsprechend sind alle vier Laseroptiken 32 der 3D-Laser 16, 18, 22, 24 in der Grundposition auf diesen Bereich der Werkstückachse 26 ausgerichtet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Gehäuselängsachse um den Winkel α mit Bezug zur Vertikalen, d. h. der Werkstücksachse 26 angestellt. Dieser Winkel α beträgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 18°, sodass die in 3 oben liegenden Endabschnitte der Gehäuse 30, an denen die Versorgungsanschlüsse 36 ausgebildet sind, näher zusammen liegen als die Austrittsfenster der Laseroptiken 32. D. h., die 3D-Laser 16, 18, 22, 24 sind sozusagen auf dem Außenmantel eines Kegels angeordnet, der sich nach unten, zum Werkstück 6 hin erweitert. Dieser ermöglicht eine äußerst kompakte Ausbildung der Lasereinheit 4, 4a, sodass die Strukturierung auf sehr kleinem Raum erfolgen kann.
4 zeigt eine Draufsicht auf die „Laserglocke” gemäß 3. Man erkennt, dass der Teilkreis d, auf dem die oben liegenden Endabschnitte der Gehäuse 30 liegen. Aufgrund der Schrägstellung um den Winkel α kleiner ist als der Teilkreis D, auf dem die in 4 nicht sichtbaren Laseroptiken 32 liegen. Dabei ist der Teilkreis D der Fokussieroptiken 32 in Hinblick auf die jeweilige Brennweite der 3D-Laser ausgelegt, während der Teilkreis d sich einerseits an der Gehäusegeometrie und andererseits an der gewünschten Schrägstellung der Strahlachse orientiert.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 2, 3, 4 ist jede Laserstation 4a, 4b mit vier 3D-Lasern 16, 18, 22, 24 ausgeführt. Bei geringeren Anforderungen an die Taktzahl reicht es aus, wenn lediglich zwei um 180° zueinander versetzte 3D-Laser 16, 18 verwendet werden, sodass bei gleichzeitiger Ansteuerung dieser Laser zwei Fenster gleichzeitig strukturiert werden.
Wie bereits erwähnt, kann die Zu- und Abführung der Werkstücke 6 auch auf andere Weise beispielsweise über ein Handlingsgerät, einen Kreuzschlitten oder dergleichen erfolgen.

1: Laseranlage
2: Kabine
4: Laserstation
6: Werkstück
8: Rundtisch
10: Bedienperson
12: Beladestation
14: Rundtisch
16: 3D-Laser
18: 3D-Laser
20: Absaugung
22: 3D-Laser
24: 3D-Laser
26: Werkstückachse
28: Laserstrahlbereich
30: Lasergehäuse
31: Aufnahme
32: Laseroptik
34: Innenumfangsfläche
36: Versorgungsanschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10325910 A1 [0002]

Claims

Laserstation zur Strukturierung von Innenumfangsflächen (34) eines Werkstücks (6) beispielsweise einer Nocke einer Nockenwelle, mit zwei, vorzugsweise um 180°, zueinander versetzten 3D-Lasern (16, 18, 22, 24), deren Laserstrahl in X-, Y- und Z-Richtung steuerbar bzw. fokussierbar ist, wobei die Laser (16, 18, 22, 24) oberhalb, seitlich versetzt und hin zur Innenumfangsfläche (34) geneigt angeordnet sind.
Laserstation nach Anspruch 1, wobei jedem Laser (16, 18, 22, 24) eine eigene Steuerung zugeordnet ist.
Laserstation nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwei weitere Laser (22, 24) versetzt zu den Lasern (18, 22) angeordnet sind.
Laserstation nach Anspruch 3, wobei die Laser (16, 18, 22, 24) auf einem gemeinsamen Teilkreis (D) liegen.
Laserstation nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Steuerung derart erfolgt, dass jeweils ein rechteckförmiges Feld der Innenumfangsfläche (34) strukturiert ist.
Laserstation nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Neigung weniger als 20° vorzugsweise 18° beträgt.
Laserstation nach einem der vorgehenden Ansprüche mit einer Absaugung (20).
Laserstation nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die 3D-Laser (16, 18, 22, 24) jeweils ein Lasergehäuse (30) haben, an das quer zur Gehäuseachse eine Laseroptik (32) angesetzt ist, wobei die von der Laseroptik (32) entfernten Endabschnitte der Lasergehäuse (30) auf einem Teilkreis (d) liegen, dessen Radius kleiner als derjenige Teilkreis (D) ist, auf dem die Laseroptiken (32) angeordnet sind.
Laseranlage mit einer Laserstation gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Laseranlage nach Anspruch 9, mit einer Belade- und/oder Entladestation (12) für die Werkstücke (6).
Laseranlage nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Werkstück (6) in einer Aufnahme (31) auf einem Kreuztisch festgelegt und über diesen in die Bearbeitungsposition bring bar sind.
Laseranlage nach Anspruch 9 oder 10, mit einem Rundtisch (14), der Aufnahmen (31) für die Werkstücke (6) hat und über den diese zwischen den Stationen verfahrbar sind.
Laseranlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12, mit einer Absaugung (20).
Laseranlage nach Anspruch 13, wobei die Absaugung (20) oberhalb der 3D-Laser (16, 18, 22, 24) angeordnet ist.
Laseranlage nach einem der Ansprüche 9 bis 14, mit einem Bereitstellungslader zur automatischen Zufuhr von Werkstücken (6).
Laseranlage nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei 2 Laserstationen gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 8 vorgesehen sind.
Laseranlage nach Anspruch 16, wobei ein Rundtisch (6) beiden Laserstationen (4a, 4b) zugeordnet ist.