DE3206504A1 - Laserstrahl-bearbeitungsmaschine - Google Patents
Laserstrahl-bearbeitungsmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Lasersträhl-Bearbeitungsmaschine
mit einer Werkstückauflage und mit einem Laserstrahl-Bearbeitungskopf, durch welchen der Laserstrahl
zusammen mit einem Hilfsgas auf das Werkstück aufgebracht
wird, um dieses zu schneiden oder zu lochen oder irgendeine andere Bearbeitung hieran vorzunehmen,
Laserstrahlen werden in der Industrie zum Bearbeiten verschiedener
Materialien verwendet. In der metallverarbeitenden Industrie werden sie in erster Linie zum Schneiden
und Lochen von flächigen Werkstücken, insbesondere von
Blechen eingesetzt.
Eine Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine zum Bearbeiten von ebenflächigen Werkstücken ist mit einem Bearbeitungskopf
ausgerüstet, der einen Spiegel und eine Sammellinse zum Fokussieren und Aufbringen eines von einem Lasergenerator
erzeugten Laserstrahles auf ein zu bearbeitendes Werkstück aufweist und der einen Werkstücktisch oder eine
Werkstückauflage hat, auf der das Werkstück in horizontaler Lage plaziert und vorgeschoben wird.
Bei der Laserstrahlbearbeitung wird der Laserstrahl von einem Lasergenerator erzeugt, fokussiert und von dem Be-
arbeitungskopf zusammen mit einem exotherm reagierenden Hilfsgas, wie beispielsweise Sauerstoffgas (Op) auf das
Werkstück geleitet, um dieses zu schmelzen« Das Hilfsgas dient dazu, um die Wirkung des Laserstrahles zu steigern
und Schlacken, Grus oder andere von dem bearbeiteten Werkstück abgeschmolzene Reste zu beseitigen. Außerdem hat es
den Zweck, die Linsenfläche vor zurückgeschleuderten Metallteilchen zu schützen. Ferner ist die Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine
vorzugsweise mit einer Absaugvorrichtung, wie beispielsweise einer Vakuumpumpe versehen, um die
Schlacken, den Grus oder die metallischen Reste abzusaugen, die bei der Bearbeitung des Werkstückes anfallen
oder von diesem abschmelzen.
Die bekannten Laserstrahl-Bearbeitungsmaschinen haben den Nachteil, daß die zu bearbeitenden Werkstücke leicht verkratzt
und beschädigt werden, wenn sie auf dem Werkstücktisch zur Bearbeitung unmittelbar unter den Bearbeitungskopf geschoben und unter diesem hervorgezogen werden. Wenn
auch zu bearbeitende Werkstücke in jeder Maschine mehr oder weniger beschädigt werden, wenn sie auf WerkstUcktischen
bewegt werden, werden die Werkstücke doch bei der Laserstrahlbearbeitung aus verschiedenen Gründen besonders
stark durch den Werkstücktisch beschädigt. Dies rührt daher, weil die Werkstücke bei der Laserstrahlbearbeitung
im Anfang durch das Hilfsgas auf den Werkstücktisch gedrückt werden, welches während des Bearbeitungsvorganges
ständig auf das Werkstück bläst. Sie werden auch deshalb sehr viel schwerer beschädigt, weil sie von einer Saugvorrichtung,
beispielsweise einer Vakuumpumpe zum Absaugen der Schlacke, des Gruses und der abgeschmolzenen Reste auf
die Werkstückauflage gezogen werden. Darüber hinaus werden die einer Laserstrahlbearbeitung unterworfenen Werkstücke
durch die Schlacken, den Grus oder die metallischen Abfälle, die bei der Bearbeitung der Werkstücke entstehen
oder von diesen abschmelzen und die am Werkstücktisch haften bleiben, noch viel mehr beschädigt. Der Hauptnachteil
bei einer Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine liegt deshalb darin, daß die Werkstücke beschädigt und in ihrem Aussehen
verdorben werden, obgleich der Laserstrahl im allgemeinen deshalb verwendet wird, weil mit ihm genaue und feine
Schnitte ausgeführt werden können.
Ein weiterer Nachteil bei einer Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine bestand darin, daß der Grus oder die bei der Bearbeitung
des Werkstückes anfallenden Überbleibsel aus dem vom Laserstrahl erzeugten Brennschnittspalt heraussickern
und sich auf der Unterseite des Werkstückes ausbreiten und dann den Werkstücktisch oder die Werkstückauflage zerkratzen
und beschädigen konnten, wenn das Werkstück auf dem Werkstücktisch bewegt wurde. Hieraus ergab sich der Nachteil,
daß das Werkstück nicht nur den Werkstücktisch beschädigte, sondern in Folge der Reibung zwischen Werkstück
und Werkstückauflage auch nicht stoßfrei auf dem Werkstücktisch bewegt werden konnte.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine so auszubilden,
daß ein Werkstück vor, nach und während der Bearbeitung nicht beschädigt oder verkratzt wird und auch nicht selbst
Teile der Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine beschädigt oder zerkratzt, wenn es gegenüber diesen bewegt wird.
Diese Aufgabe wird mit den in den Ansprüchen und aus der
nachfolgenden Beschreibung sich ergebenden Merkmalen gelöst.
Durch die Gaskisseneinrichtung, die mit Druckluft oder einem
unter Druck stehenden inerten Gas, beispielsweise Stickstoff betrieben werden kann, ist es möglich, das Werkstück
mindestens während der Bearbeitung im Abstand von der Werkstückauflage zu halten, so daß es beim Vorschub, zum
Beispiel von einem Loch zum anderen oder in Schneidrichtung, weder selbst zerkratzt werden kann, noch die Werkstückauf-
lage beschädigt. Gleichzeitig sorgt das Stützgas dafür, daß Schlacke, abgeschmolzene Materialteilchen oder Grus
sich nicht auf der Werkstückoberfläche bzw» Unterfläche festsetzen können, sondern seitlich weggeblasen werden.
Da die Auflagefläche des Werkstückes sauber gehalten wird, kann das Werkstück stoßfrei und mit geringer Kraft auf dem
ganzen Werkstücktisch verschoben werden. Dort, wo die Gaskisseneinrichtung wirksam ist, gibt es zwischen Unterlage
und Werkstück überhaupt keine Reibung.
Im allgemeinen sorgt schon das mit dem Laserstrahl auf das Werkstück geblasene Hilfsgas und ggf. auch der auf der Unterseite
des Werkstückes erzeugte Unterdruck dafür, daß das Werkstück nicht die Unterseite des Bearbeitungskopfes
berührt. Es ist jedoch vorteilhaft, auch im Bereich des Bearbeitungskopfes eine Gaskisseneinrichtung vorzusehen,
welche Druckgas von oben her auf das Werkstück leitet, so daß dieses zwischen einem oberen und einem unteren Luftkissen
frei schwebend gehalten wird.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an einem Beispiel näher erläutert wird. Es zeigt:
Fig. 1 eine Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine nach der Erfindung in einer Seitenansicht,
Fig. 2 den Gegenstand der Fig. 1 im Grundriß,
Fig. 3 eine Teilstirnansicht der Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine nach den Fig. 1 und 2 in
vergrößertem Maßstab und teilweise im Vertikalschnitt und
Fig. 4 den Gegenstand der Fig. 3 in einem Horizontal-Teilschnitt
nach Linie IV-IV.
In den Pig. 1 und 2 ist eine Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine dargestellt, die in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet
und an einen Lasergenerator 3, beispielsweise einen COg (Kohlendioxydgas) Lasergenerator angeschlossen
ist. Der Lasergenerator 3 kann ein handelsüblicher Lasergenerator sein und wird so angeordnet, daß der von ihm erzeugte
Laserstrahl LB in die Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine. 1 geleitet wird, wie dies in Fig. 1 durch den Pfeil
angedeutet ist.
Die Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine 1 hat einen Maschinenrahmen 5, einen an dessen einem Ende vertikal befestigten
Ständer 7 und einen Kopfbalken 9, der von dem Ständer 7 auskragend sich in horizontaler Lage über den Maschinengrundrahmen
5 erstreckt. Der Maschinenrahmen 5 trägt an seiner Oberseite einen feststehenden Werkstücktisch 11,
der eine Vielzahl an Gleitkugeln 13 aufweist, auf denen
ein zu bearbeitendes Werkstück W, beispielsweise ein Blech, horizontal verschiebbar ist. Der Kopfbalken 9 trägt an seinem vorderen Ende einen Bearbeitungskopf 15 mit einer Spiegeleinrichtung
17 und einer Pokussierlinse 19. Die Spiegeleinrichtung 17 reflektiert den vom Lasergenerator 3 erzeugten
Laserstrahl LB durch die Fokussierlinse 19 auf das Werkstück W. Ferner sind zwei Spiegeleinrichtungen 21 und
23 vorgesehen, welche bei der bevorzugten Ausführungsform den von dem Lasergenerator 3 kommenden Laserstrahl LB zu
der Spiegeleinrichtung 17 leiten. Hierdurch empfängt die Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine 1 der oben erläuterten
Konstruktion den Laserstrahl LB vom Lasergenerator 3 und appliziert ihn, wie durch den Pfeil angedeutet, durch den
Bearbeitungskopf 15 hindurch auf das Werkstück W, um dieses zu bearbeiten.
Um das zu bearbeitende Werkstück W vorzuschieben und zu positionieren, ist die Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine 1
mit einem in horizontaler Richtung beweglichen ersten Schlitten oder Längs schlitten 25 urd. einem zweiten Schiit-
δ*
ten oder Querschlitten 27 versehen, der am Längsschlitten
25 gleitend gelagert ist und mehrere Klemmvorrichtungen 29 zum Festklemmen des Werkstückes ¥ trägt. Der Längsschlitten
25 ist auf zwei Schienen 31 gleitend montiert, die auf der Oberseite des feststehenden Tisches 11 parallel zueinander
derart angeordnet sind, daß der Längsschlitten bis
unmittelbar unter den Bearbeitungskopf 15 in die Bearbeitungszone vorgeschoben und aus dieser zurückgezogen werden
kann, wenn er mit einem Kraftantrieb angetrieben wird. Der Querschlitten 27, der die Klemmvorrichtungen 29 trägt, ist
auf dem Längsschlitten 25 derart gelagert, daß er im rechten
Winkel zu den Schienen 31 in horizontaler Richtung bewegt werden kann. Die Klemmvorrichtungen 29 sind am Querschlitten
27 derart lösbar und einstellbar befestigt, daß sie auf die Breite des zu bearbeitenden Werkstückes W eingestellt
werden können.
Um die auskragenden Enden des Werkstückes W zu unterstützen, können am ersten Wagen oder Längsschlitten 25 zwei
bewegliche Seitentische 33 und 35 befestigt sein, die eine Vielzahl von Gleitkugeln 13 tragen und zusammen mit dem
Werkstück W vom Längsschlitten bewegt werden.
Zum ersten Anlegen oder Positionieren des Werkstückes W am feststehenden Werkstücktisch 11 ist ein zurückziehbarer
Anschlag 37 an einem Arm 39 angeordnet, der in horizontaler Lage an einem Teil der Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine 1
befestigt ist. Hierdurch kann das Werkstück W im Anfang
auf dem feststehenden Tisch 11 positioniert werden, wenn es mit den Klemmvorrichtungen 29, die vom Längsschlitten
25 in die Ausgangslage in der Nähe des Ständers 7 gebracht worden sind, so festgeklemmt wird, daß sein einer Rand den
Anschlag 37 berührt.
In der oben beschriebenen Anordnung kann das Werkstück W
von dem Laserstrahl LB geschnitten und gelocht werden, nachdem es unmittelbar unter den Bearbeitungskopf 15 auf
dem feststellenden Tisch 11 von dem Längsschlitten 25 und dem Querschlitten 27 positioniert worden ist. Der von dem
Lasergenerator 3 erzeugte Laserstrahl LB wird dann in den Bearbeitungskopf 15 und von hier durch die Spiegeleinrichtung
17 nach unten und durch die Fokussierlinse 19 zusammen mit einem Hilfsgas, wie beispielsweise Sauerstoffgas,
auf das Werkstück geleitet. Hieraus erkennt ein Fachmann leicht, daß der Längsschlitten 25 und der Querschlitten
27 auch kontinuierlich und automatisch mit einer vorprogrammierten numerischen Steuerung bewegt werden können.
Wie aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, ist der Bearbeitungskopf 15 an seinem unteren Ende mit einer Vertikalbohrung
41 versehen, in die eine Düse 43 derart lösbar eingesetzt ist, daß der Laserstrahl LB zusammen mit dem Hilfsgas
durch die Düse hindurch vertikal nach unten auf das zu bearbeitende Werkstück W gerichtet werden kann. Der Laserstrahl-Bearbeitungskopf
15 hat an seinem unteren Ende außerdem einen Ringflansch 45, der wie eine umgekehrte Tasse
etwas tiefer herabreicht als die Düse 43 und eine ringförmige
Ausnehmung 47 bildet, welche die Düse 43 umgibt.
Der Ringflansch 45 am unteren Ende des Bearbeitungskopfes 15 ist mit einer ringförmigen Luftleitung 49 versehen, die
eine Lüfteinlaßöffnung 51 aufweist und mit dieser an eine
Druckluftquelle angeschlossen ist, so daß sie zu einem weiter unten noch/erläuterten Zweck mit Luft versorgt werden
kann. Der Ringflansch 45 hat ferner an seiner unteren Stirnfläche mehrere Luftkammern 53, die an ihrer Unterseite
offen, im Kreis angeordnet und voneinander durch Zwischenwände 55 getrennt sind (Fig. 4).
Jede Luftkammer 53 ist mit der Luftringleitung 49 über einen
Durchlaß oder eine Bohrung 57 verbunden, so daß die von einer Luftquelle durch die Einlaßleitung 51 in die
Ringleitung 49 geleitete Luft in die.Luftkammern 53 gelangen
kann.
- -θ· AO
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß jeder Durchlaß oder jede Bohrung 57 einen im Verhältnis zum Horizontalquerschnitt
einer jeden Luftkammer 53 möglichst kleinen Querschnitt hat, so daß sich die durch die Ringleitung
49 eintretende Luft gleichmäßig über alle Luftkammern 53 verteilen kann.
Die kreisförmige Ausnehmung 47 ist mit einem nach außen
offenen Durchlaß 59 versehen, so daß die in die Ausnehmung
47 eintretende Luft in die Atmosphäre entweichen kann, ohne das Hilfsgas an einem Austritt aus der Düse 43 zu
hindern.
Wenn durch die Einlaßöffnung 51 Luft in die Ringleitung geleitet wird, wird das zu bearbeitende Werkstück W von
der aus den Ausströmöffnungen 53 austretenden Luft daran gehindert, sich aufwärts zu bewegen und das untere Ende
des Bearbeitungskopfes 15 zu berühren. Das Werkstück kann deshalb den Bearbeitungskopf 15 nicht beschädigen, wenn
es auf der Werkstückauflage 11 bewegt wird. Man erkennt auch, daß die aus den Luftkammern 53 herausgeblasene Luft
das Werkstück W auch dann abwärts drückt, wenn sich dieses nur teilweise unter dem Bearbeitungskopf 15 befindet,
wobei einige der Luftkammern 53 zur Atmosphäre hin offen sind, da die Durchlaßbohrungen 57 einen kleinstmöglichen
Durchmesser haben und die Luft sich über den ganzen Ringkanal 49 verteilen kann.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist im feststehenden Werkstücktisch 11 unmittelbar unter dem Bearbeitungskopf 15 ein
ringförmiger Teil 61 in horizontaler Lage montiert, der eine exzentrische Ausnehmung aufweist, die mit der Düse
vertikal fluchtet. Hierbei ist die Anordnung so getroffen, daß sich die Oberfläche des Ringes 61 im wesentlichen auf
gleicher Höhe befindet wie die Oberfläche der Werkstückauflage
11, so daß das zu schneidende Werkstück W auf diesem
horizontal bewegt werden kann. Der Ring 61 ist an sei-
3^06504
ΑΛ
ner Unterseite mit einem Rohr 65 versehen, das in vertikaler Lage angeordnet ist und mit der Ausnehmung 63 vertikal fluchtet, so daß Schlacke, Grus oder vom bearbeiteten
Werkstück abgefallene oder abgeschmolzene Reste durch die Bohrung und das Rohr hindurchfallen können. Das
Rohr 65 kann an eine Vakuumpumpe angeschlossen sein, welche die Schlacke, den Grus oder die abgeschmolzenen Überbleibsel
zusammen mit dem Hilfsgas absaugt, das von der Düse 43 des Bearbeitungskopfes 15 ausgestoßen wird. Auf
diese Weise wird das Werkstück W von dem Laserstrahl LB geschnitten oder gelocht, wenn der Laserstrahl LB zusammen
mit dem Hilfsgas aus der Düse 43 auf das auf der Werkstückauflage
11 liegende Werkstück W geleitet wird und die von dem Werkstück W abfallenden Schlacken, grusförmigen
Stoffe oder anderen Überbleibsel fallen durch die Ausnehmung 63 des Ringes 61 nach unten oder werden in das Rohr
65 abgesaugt.
Der Ring 61 ist mehr oder weniger in gleicher Weise wie der Ringflansch 45 des Bearbeitungskopfes 15 mit einer
ringförmigen Luftleitung 67 versehen, die durch eine Lufteinlaßöffnung 69 an eine Druckluftquelle angeschlossen ist.
Der Ring 61 hat ferner an seiner oberen Stirnfläche mehrere Luftkammern 71, die ähnlich wie die Luftkammern 53
des Ringflansches 45 des Bearbeitungskopfes 15 im Kreis angeordnet und nach oben offen sind. Jede Luftkammer 71
ist über einen Durchlaß oder eine Bohrung 73 an die Ringleitung 67 angeschlossen. Hierbei hat die Bohrung 73 im
Vergleich zum Horizontalquerschnitt einer jeden Luftkammer 71 einen möglichst kleinen Durchmesser.
Wenn die Stützluft durch die Einlaßöffnung 69 in die Ringleitung
67 geleitet wird, wird das zu bearbeitende Werkstück
W von der Stützluft angehoben und in angehobener Lage ohne Berührung mit dem Ring 61 und der Werkstückauflage
11 gehalten. Es kann diese deshalb nicht beschädigen, wenn es bei der Bearbeitung über sie hinwegbewegt wird.
Das Werkstück W kann auch dann von der Luft in angehobener Lage gehalten werden, wenn es sich nur teilweise unter dem
Bearbeitungskopf 15 befindet und einige der Luftkammern gegen die Atmosphäre hin offen sind, da die Durchlässe
einen kleinstmöglichen Durchmesser haben und die Luft sich
über die ringförmige Luftleitung 67 verteilen kann.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß das zu bearbeitende Werkstück W durch die Stützluft frei schwebend gehalten
wird und die Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine 1 nicht berührt, wenn es auf der Werkzeugauflage 11 bewegt wird. Das
Werkstück W kann deshalb nicht von irgendwelchen Teilen der Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine 1 oder von Schlacke,
Grus oder auf dem Werkstücktisch 11 liegenden Abfällen verkratzt oder beschädigt werden und es kann auch selbst
nicht irgendwelche Teile der Maschine 1 beschädigen, wenn es auf dem feststehenden Werkstücktisch 11 bei der Bearbeitung
bewegt wird. Ferner kann das Werkstück W auf dem Werkstücktisch 11 mit geringer Kraft stoßfrei bewegt werden,
unabhängig davon, ob sich Schlacke, Grus oder Abfälle auf dem Werkstücktisch 11 befinden oder ob solche Abfälle
und Grus auf der Unterseite des Werkstückes kleben.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern es sind mehrere
Änderungen und Ergänzungen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise ist es möglich,
die gegen das Werkstück hin offenen Luftkammern in anderer Weise auszubilden und anzuordnen oder auch über die
gesamte Oberfläche des Mitteltisches und der Seitentische zu verteilen, so daß das Werkstück bei seiner Bearbeitung
in seiner ganzen Größe auf einem Luftkissen ruht. Ferner braucht die Luftleitung, an welche die offenen Luftkammern
angeschlossen sind, nicht ringförmig zu seine Wesentlich
ist lediglich, daß diejenigen Luftkammem, welche Stützluft
gegen das zu bearbeitende Werkstück blasen, ausreichend mit Druckluft versehen werden«
Claims (7)
- NA CHvSEFSEiCHTPatentansprücheβ Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine mit einer Werkstückauflage und mit einem Laserstrahl-Bearbeitungskopf, durch welchen der Laserstrahl zusammen mit einem Hilfsgas auf das Werkstück aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gaskissen-Einrichtung (45, 61) vorgesehen ist, welche das Werkstück (W) mindestens im Bereich des Bearbeitungskopfes (15) außer Berührung mit diesem und mit Teilen der Werkstückauflage (11) in der Schwebe hält.
- 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskisseneinrichtung (45, 61) im Bereich der Werkstückauflage (11) mehrere untere Ausströmöffnungen (71) für ein Druckgas aufweist, welche die unter dem Bearbeitungskopf (15) liegende Bearbeitungsstelle umgeben und gegen die Unterseite des Werkstückes (W) gerichtet sind.
- 3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskisseneinrichtung (45, 61) mehrere obere Ausströmöffnungen (53) für ein Druckgas aufweist, welche den Bearbeitungskopf (15) mit Abstand umgeben und gegen die Oberseite des Werkstückes (W) gerichtet sind.
- 4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Gasausströmöffnungen (53) in einem Ringflansch (45) des Bearbeitungskopfes (15) angeordnet sind und sich etwa auf der gleichen Höhe befinden wie die Ausströmöffnung der Düse (43) für das mit dem Laserstrahl austretende Hilfsgas.}NACHGEREIOHT|
- 5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Gasausströmöffnungen (71) in einem Ring (61) angeordnet sind, der sich in der Werkstückauflage (11) befindet und dessen zentrische Öffnung (63) unter der Düse (43) für das mit dem Laserstrahl austretende Hilfsgas und unter der Bearbeitungsstelle angeordnet ist.
- 6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die GasausStrömöffnungen (53 bzw. 71) große Ausströmquerschnitte haben und in zum Werkstück (W) hin offenen Kammern angeordnet sind, die durch Bohrungen (57 bzw. 73), die einen viel kleineren Querschnitt haben als die Ausströmöffnungen (53 bzw. 71), mit einer Druckgasleitung (49 bzw. 67) in Verbindung stehen.
- 7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Ausströmöffnungen (71) und die oberen Ausströmöffnungen (53) auf einanderen
gegenüberliegenden Kreis/im gleichen Abstand von der Düse (43) des Bearbeitungskopfes (15) angeordnet sind.
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