DE3400017C2 - - Google Patents

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    • B23K2103/02Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04Steel or steel alloys

Description

Die Erfindung betrifft eine Material-Bearbeitungsstation, vorzugsweise mit einem Laser als Bearbeitungseinheit, mit einer portalartigen Tragkonstruktion, die feststehend ausgebildet und mit mindestens einem Schlitten versehen ist, an dem die Bearbeitungseinheit angeordnet ist.The invention relates to a material processing station, preferably with a laser as the processing unit, with a portal-like supporting structure that is fixed trained and provided with at least one slide on which the processing unit is arranged.

Bei der Materialbearbeitung mit Hochleistungslasern wird heute noch im allgemeinen das Werkstück relativ zu dem Bearbeitungskopf, der die Fokussierungsoptik enthält, bewegt. Der Bearbeitungskopf ist dabei in einer Achse (Abstand zur Materialoberfläche) verstellbar. Dieses Verfahren ist nicht mehr möglich, wenn die Werkstückabmessungen sehr groß werden. Man behilft sich dann damit, daß der Laser mit dem Bearbeitungskopf auf eine große Führungsmaschine (z. B. konventionelle Brennschneidanlage) gesetzt und mit dieser verfahren wird.When processing materials with high-power lasers still today the workpiece relative to that in general Processing head, which contains the focusing optics, emotional. The machining head is in one axis (Distance to the material surface) adjustable. This Movement is no longer possible if the workpiece dimensions get very big. You then help yourself that the laser with the machining head on a large Leading machine (e.g. conventional flame cutting system) is set and proceeded with.

Nachteilig ist in beiden Fällen, daß bei schweren Werkstücken (z. B. Stahlplatten von 5-15 mm Dicke) oder leistungsstarken Lasern erhebliche Massen bewegt werden müssen. Bei der Materialbearbeitung mittels Lasern sind aber Positioniergenauigkeiten im 0,1-mm-Bereich bei kurzen Beschleunigungswegen notwendig. Diese Anforderungen sind mit herkömmlichen Führungssystemen nicht zu erfüllen. The disadvantage in both cases is that with heavy workpieces (e.g. steel plates 5-15 mm thick) or powerful masses can be moved with powerful lasers have to. When processing materials using lasers but positioning accuracy in the 0.1 mm range for short Acceleration paths necessary. These requirements cannot be met with conventional guidance systems.  

Moderne Laser-Bearbeitungssysteme bedienen sich der sogenannten "fliegenden Bearbeitungsoptik". Hierbei stehen Laser und Werkstück fest. Die optischen Komponenten zur Umlenkung und Fokussierung des Laserstrahls werden auf einem Koordinatenführungssystem montiert und jeweils in Strahlrichtung bewegt. Die Genauigkeitsanforderungen an ein solches Koordinatenführungssystem sind sehr hoch, da die Strahlauslenkung auch bei größeren Verfahrwegen und hochdynamischen Verfahrzyklen besser als 0,1 mrad bleiben muß.Modern laser processing systems use the so-called "flying processing optics". Stand here Laser and workpiece firmly. The optical components for Redirection and focusing of the laser beam are on assembled in a coordinate guidance system and each in Beam direction is moving. The accuracy requirements such a coordinate guidance system are very high because the beam deflection even with larger travels and highly dynamic travel cycles remain better than 0.1 mrad got to.

Man arbeitet heute daher auch mit sogenannten Hybridsystemen, bei denen der Bearbeitungskopf in einer Achse und das Werkstück in der anderen Achse bewegt wird.So today we also work with so-called hybrid systems, where the machining head is in one axis and the workpiece is moved in the other axis.

Es sind ebenfalls Systeme mit zweiachsig bewegter Bearbeitungsoptik bekannt. Sie haben jedoch den Nachteil, daß Führungs- und Antriebseinheiten in den Bearbeitungstisch integriert sind. Sie sind daher beim Be- und Entladen der Maschine erheblichen Risiken ausgesetzt, wie z. B. Dejustierung durch Stoß oder Belastung mit dem Werkstück. Zudem ist die Zugänglichkeit durch seitlich (x-Achse) und als Portal (y-Achse) angeordnete Führungseinheiten erschwert. Der Platzaufwand dieser Systeme ist wegen der ausfahrenden Schlittenteile erheblich.Systems with two-axis moving processing optics are also known. However, they have the disadvantage that guide and drive units are integrated in the processing table. You are therefore exposed to considerable risks when loading and unloading the machine. B. misalignment due to impact or load on the workpiece. In addition, accessibility is made more difficult by lateral ( x -axis) and portal ( y -axis) guide units. The space requirement of these systems is considerable because of the extending slide parts.

Weiterhin ist es aus H. P.-J. P. Warnecke/R. D. Schraft, "Industrieroboter", 1980, Band 27, Krausskopf-Verlag GmbH, Mainz, S. 100, 138, bekannt, Materialbearbeitungsmaschinen portalartig auszubilden, wobei eine Brücke über einem Tisch längs einer Achse und eine Bearbeitungseinheit an der Brücke in einer zur ersten Richtung senkrechten Richtung verschiebbar angeordnet sind. Die Bearbeitungseinheit ihrerseits ist noch in der dritten Ebene bewegbar. Der Tisch der portalartigen Maschine ist fest angeordnet. Furthermore, it is from H. P.-J. P. Warnecke / R. D. Schraft, "Industrial robot", 1980, volume 27, Krausskopf publishing house GmbH, Mainz, p. 100, 138, known, material processing machines train portal-like, with a bridge over a table along an axis and a processing unit at the bridge in a direction perpendicular to the first direction Direction are arranged. The processing unit in turn is still on the third level movable. The table of the portal-like machine is fixed arranged.  

Demgegenüber zeigt die DE-OS 27 47 772 eine Formschneidemaschine mit einem Portal, das im wesentlichen am Boden verfahrbar ist. An der Portalbrücke ist als Bearbeitungseinheit eine Schneidbrenneranordnung vorgesehen. Der Antrieb der Maschine erfolgt mittels zweier Servomotoren, von denen jeweils einer an einer Portalstütze angeordnet ist. Sie sind elektrisch parallel zueinander geschaltet. Diese Antriebssteuerung ist nicht in der Lage, eine vergleichsweise große Positioniergenauigkeit der Bearbeitungseinheit zu gewährleisten, da eine genaue Positionskontrolle der beiden zu bewegenden Portalstützen nicht erfolgt. Liegt beispielsweise bei einem Servomotor eine geringfügig unterschiedliche Wirkungsweise gegenüber dem anderen vor, so kommt es zu unterschiedlichen Verfahrenswegen beider Portalstützen und letztlich zu einem Verkanten des Portals oder Schlittens. Diese Genauigkeit überträgt sich naturgemäß auf die Brenneranordnung. Andererseits können derartige mögliche Ungenauigkeiten bei diesem Stand der Technik in Kauf genommen werden, da besonders hohe Genauigkeiten beim Brennschneiden mit einem Schneidspalt von etwa 3 bis 5 mm ohnehin nicht gefordert werden.In contrast, DE-OS 27 47 772 shows a form cutting machine with a portal that is essentially on the ground is movable. At the portal bridge is as a processing unit a cutting torch assembly is provided. The drive the machine is made by means of two servo motors, one of which is arranged on a portal support is. They are electrically connected in parallel to each other. This drive control is not able to comparatively great positioning accuracy of the processing unit to ensure as a precise position control of the two portal supports to be moved he follows. For example, if there is a servo motor slightly different mode of action compared to the others, there are different procedures both gantry supports and ultimately tilting of the portal or sledge. This accuracy transmits naturally on the burner arrangement. On the other hand can cause such possible inaccuracies in this State of the art to be accepted, because special high accuracy when flame cutting with one cutting gap of about 3 to 5 mm are not required anyway.

Aus der DD-PS 1 10 200 ist schließlich eine Einrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Laserstrahl bekannt. Hierbei wird ein auskragender Schlitten von einem einzigen Antriebsstrang über eine Fahrbahn bewegt. Auch in diesem Fall kann nicht eine vergleichsweise hohe Positioniergenauigkeit bereits wegen des einseitigen Antriebes erwartet werden. Es kommt zwangsläufig zu einer Versetzung oder Verkantung des Schlittens bezüglich der beiden Fahrbahnspuren, was zu der erwähnten begrenzten Positioniergenauigkeit führt.Finally, a device is from the DD-PS 1 10 200 known for processing workpieces using a laser beam. Here, a cantilevered sled of one single drivetrain moved across a lane. Also in this case a comparatively high positioning accuracy cannot be achieved already because of the one-sided drive to be expected. Inevitably there is one Displacement or canting of the slide with respect to the two lane lanes, resulting in the aforementioned limited Positioning accuracy leads.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Material- Bearbeitungsstation der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine Positioniergenauigkeit der Bearbeitungseinheit im Bereich von kleiner 0,1 mm bei einem Verfahrweg in zwei Achsen bis zu 4×4 m² und mehr erreicht wird, ebenso Verfahrgeschwindigkeiten bis zu 30 m/min und mehr bei kurzen Beschleunigungswegen und der genannten Genauigkeit. Die Station soll darüber hinaus praktisch ungehinderten Zugang zum Bearbeitungsbereich bieten, woraus sich auch eine gute Austauschbarkeit der Werkstückträger und Kompatibilität mit Transferstraßen od. dgl. ergibt.The object of the invention is to provide a material To create a processing station of the type mentioned at the outset,  with a positioning accuracy of the processing unit in the range of less than 0.1 mm with one travel achieved in two axes up to 4 × 4 m² and more as well as travel speeds up to 30 m / min and more with short acceleration distances and the above Accuracy. The station is also said to be practical Provide unimpeded access to the editing area from where there is also good interchangeability of the workpiece carriers and compatibility with transfer lines or the like. results.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Schlitten mindestens zwei mit Abstand zueinander angeordnete Antriebssysteme für eine Bewegung in einer Richtung aufweist, die jeweils mit einem die Ist-Positionen der beiden Antriebssysteme feststellenden Meßsystem gekoppelt sind, und daß die Antriebs- und Meßsysteme über eine Synchronsteuerung zusammengeschaltet sind.This object is achieved according to the invention in that the carriage has at least two spaced apart Drive systems for one movement Direction, each with a the actual positions of the measuring system determining the two drive systems are coupled, and that the drive and measuring systems interconnected via a synchronous control are.

Auf diese Weise ist ständig die Position des Schlittens in engsten Grenzen feststellbar und, da die Systeme gemäß der Erfindung über eine Synchronsteuerung zusammengeschaltet und geregelt sind, im Sinne der Aufgabe der Erfindung mit einer Genauigkeit positionierbar, die bisher nicht erreichbar war. Somit ist gemäß der Erfindung von der Material-Bearbeitungsstation die Genauigkeit erbracht, die es ermöglicht, die bekanntermaßen mit sehr geringen Toleranzen arbeitenden Lasergeräte als Bearbeitungseinheit mit besonderem Vorteil einzusetzen.In this way the position of the carriage is constant ascertainable within narrow limits and, since the systems according to the invention interconnected via a synchronous control and are regulated in the sense of the object of the invention positionable with an accuracy that previously was not available. Thus, according to the invention of the accuracy of the material processing station, which enables it to be known with very low tolerance laser devices as processing unit use with particular advantage.

Gemäß der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, daß am ersten Schlitten mindestens ein zweiter Schlitten vorhanden ist, der senkrecht zum ersten Schlitten in horizontaler Richtung mit einem gleichen Antriebs- und Meßsystem sowie einer Synchronsteuerung wie der erste Schlitten antreibbar ist. Selbst bei dieser Kreuzschlittenanordnung wird bei der erfindungsgemäßen Material-Bearbeitungsstation im Sinne der Aufgabe der Erfindung eine Positioniergenauigkeit der Bearbeitungseinheit von kleiner 0,1 mm erzielt.According to the invention it is further provided that on first slide at least one second slide available which is perpendicular to the first carriage in a horizontal  Direction with the same drive and measuring system and a synchronous control such as the first carriage can be driven is. Even with this cross slide arrangement is in the material processing station according to the invention positioning accuracy in the sense of the object of the invention the processing unit of less than 0.1 mm achieved.

Die Antriebssysteme können gemäß der Erfindung beispielsweise Spindelantriebe oder Linearmotoren umfassen. The drive systems can, for example, according to the invention Include spindle drives or linear motors.  

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further details, features and advantages of the invention result from the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Zeichnung, die die erfindungsgemäße Bearbeitungsstation in schaubildlicher Darstellung wiedergibt, erläutert.The invention is based on the schematic drawing, the the processing station according to the invention in a graphic Representation represents, explained.

Wie sich aus der Zeichnung ergibt, sind sämtliche mechanischen und optischen Komponenten der erfindungsgemäßen mehrachsigen Material-Bearbeitungsstation, wie Schlittenführungen 3, 4, Spindelantriebe 5 a, 5 b und 6, Meßsystem 10 a, 10 b und 12, Strahlumlenkspiegel 8, 9 sowie Bearbeitungseinheit 2 hängend an einem Doppelportalaufbau angeordnet. Dieser Doppelportalaufbau weist 4 Säulen 1 auf sowie zwei Längsträger 14 sowie zwei Querträger 15. Der Arbeitsbereich befindet sich innerhalb der Säulen 1. Zwischen den Säulen 1 kann der Arbeitsbereich von allen Seiten ungehindert durchfahren werden. Damit kann die Bearbeitungsstation außerhalb des Systems be- und entladen werden. Außerdem bietet die erfindungsgemäße Bauweise die Möglichkeit, die gesamte Bearbeitungsstation über eine z. B. Transferstraße zu stellen und die Werkstücke durch die Bearbeitungsstation hindurchzubewegen.As can be seen from the drawing, all mechanical and optical components of the multi-axis material processing station according to the invention, such as slide guides 3 , 4 , spindle drives 5 a , 5 b and 6 , measuring system 10 a , 10 b and 12 , beam deflecting mirrors 8 , 9 and processing unit 2 suspended on a double portal structure. This double portal structure has 4 columns 1 and two side members 14 and two cross members 15 . The work area is inside the pillars 1 . Between the columns 1 , the work area can be passed through from all sides unhindered. This enables the processing station to be loaded and unloaded outside the system. In addition, the design according to the invention offers the possibility of the entire processing station over a z. B. Transfer line and move the workpieces through the processing station.

Für den Transport der Bearbeitungseinheit 2 in x- und y-Richtung sind zwei Schlittenführungen 3 und 4 vorhanden, wobei über die Führungen 3 zunächst ein erster Schlitten 7 verschiebbar ist. Über die Führungen 4 ist ein zweiter Schlitten 11 verfahrbar, der an dem ersten Schlitten 7 somit verschiebbar gelagert ist.Two slide guides 3 and 4 are present and y-direction, wherein on the guides 3, first, a first carriage 7 is movable - for the transport of the processing unit 2 in x. A second carriage 11 can be moved via the guides 4 and is thus displaceably mounted on the first carriage 7 .

Wie sich aus der Zeichnung weiter ergibt, sind im Bereich der genannten Schlittenführungen 3 und 4 weiterhin Antriebssysteme, beispielsweise Spindelantriebe 5 a und 5 b zum Antrieb des Schlittens 7 sowie ein Spindelantrieb 6 zum Verfahren des Schlittens 11 vorhanden. Anstelle der Spindelantriebe können vorteilhaft auch Linearmotoren eingesetzt werden.As can further be seen from the drawing, drive systems, for example spindle drives 5 a and 5 b for driving the slide 7 and a spindle drive 6 for moving the slide 11 , are also present in the area of the slide guides 3 and 4 mentioned. Instead of the spindle drives, linear motors can also advantageously be used.

Der Schlitten 7 wird somit in x-Richtung bewegt; der Schlitten 11 in y-Richtung. The carriage 7 is thus moved in the x direction; the carriage 11 in the y direction.

Die angestrebte Positioniergenauigkeit sowie Verfahrgeschwindigkeit bei kurzen Beschleunigungswegen ist mittels dieser Spindelantriebe möglich. Sie sind jeweils mit mindestens einem Meßsystem 10 und 12 gekoppelt, welche die Spindelantriebe genau zu steuern in der Lage sind. Eine Synchronsteuerung beider Spindelantriebe über das Meßsystem ergibt den angestrebten Gleichlauf der Antriebe 5 a und 5 b. Bei dem Meßsystem 10, 12 kann es sich beispielsweise um eine elektronisch codierte Meßvorrichtung handeln, über die die jeweilige genaue Position der Schlitten feststellbar ist.The desired positioning accuracy and travel speed with short acceleration distances are possible with these spindle drives. They are each coupled to at least one measuring system 10 and 12 , which are capable of precisely controlling the spindle drives. A synchronous control of both spindle drives via the measuring system gives the desired synchronism of the drives 5 a and 5 b . The measuring system 10 , 12 can be, for example, an electronically coded measuring device by means of which the respective exact position of the slides can be determined.

Wie sich aus der Zeichnung weiter ergibt, ist am ersten Schlitten 7 ein erster Strahlumlenkspiegel 8 angeordnet, der einen von einem außerhalb der Station fest angeordneten Laser ankommenden Laserstrahl 16 auf einen zweiten Strahlumlenkspiegel 9 der Bearbeitungseinheit 2 lenkt, welcher zweite Spiegel 9 den Laserstrahl 16 dann nach unten durch die Bearbeitungseinheit auf das zu bearbeitende Werkstück richtet. Aufgrund dieser Ausbildung ist es möglich, die beiden Schlitten 7 und 11 mit geringsten Massen auszustatten, so daß sie in der angestrebten Weise schnell und genau verfahren werden können. Diese Ausbildung bietet sich insbesondere im Falle von Hochleistungslasern mit entsprechendem großen Gewicht an. Bei kleineren Lasereinheiten ist es jedoch auch möglich, diese direkt anstelle der Bearbeitungseinheit 2 anzuordnen. Auf die Strahlumlenkspiegel 8 und 9 kann dann zumindest funktionell verzichtet werden.It is also apparent from the drawing, on the first carriage 7, a first Strahlumlenkspiegel 8 is arranged which deflects a arriving from a fixedly arranged outside the station laser beam 16 to a second Strahlumlenkspiegel 9 of the processing unit 2, which second mirror 9 the laser beam 16 then downwards through the processing unit to the workpiece to be machined. Due to this design, it is possible to equip the two carriages 7 and 11 with the smallest masses, so that they can be moved quickly and precisely in the desired manner. This training is particularly useful in the case of high-power lasers with a correspondingly large weight. In the case of smaller laser units, however, it is also possible to arrange them directly instead of the processing unit 2 . The beam deflecting mirrors 8 and 9 can then at least be functionally dispensed with.

Die Bearbeitungseinheit 2 kann zusätzlich in z-Richtung verschoben werden. Diese Verstellmöglichkeit ist für die genaue Abstandsjustierung zur Werkstückoberfläche von Vorteil. Sie kann entweder manuell oder automatisch über Sensoren gesteuert werden. Auf diese Weise können auch gekrümmte Werkstückoberflächen in jeweils optimaler Weise vom Laserstrahl beaufschlagt werden. The processing unit 2 can also be moved in the z direction. This adjustment option is advantageous for precise distance adjustment to the workpiece surface. It can be controlled either manually or automatically via sensors. In this way, curved workpiece surfaces can also be optimally impacted by the laser beam.

Weiterhin ist es möglich, bei entsprechender Ausgestaltung von zwei in einer Längsrichtung der erfindungsgemäßen Station angeordneten Säulen 1, wenn diese beispielsweise fest am Boden angeordnet sind, auf die anderen beiden Säulen 2 zu verzichten. Es ergibt sich hierdurch insbesondere eine weitere Verbesserung der Zugänglichkeit des Arbeitsbereiches unterhalb des Bearbeitungskopfes 2.Furthermore, it is possible to dispense with the other two columns 2 if two columns 1 arranged in a longitudinal direction of the station according to the invention are configured accordingly, for example if they are arranged firmly on the floor. In particular, this results in a further improvement in the accessibility of the working area below the machining head 2 .

Claims (3)

1. Material-Bearbeitungsstation, vorzugsweise mit einem Laser als Bearbeitungseinheit (2), mit einer portalartigen Tragkonstruktion, die feststehend ausgebildet und mit mindestens einem Schlitten versehen ist, an dem die Bearbeitungseinheit (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (7) mindestens zwei mit Abstand zueinander angeordnete Antriebssysteme (5 a, 5 b) für eine Bewegung in einer Richtung aufweist, die jeweils mit einem die Ist-Positionen der beiden Antriebssysteme feststellenden Meßsystem (10 a, 10 b) gekoppelt sind, und daß die Antriebs- und Meßsysteme (5 a, 5 b; 10 a, 10 b) über eine Synchronsteuerung zusammengeschaltet sind.1. Material processing station, preferably with a laser as the processing unit ( 2 ), with a portal-like supporting structure which is designed to be stationary and is provided with at least one slide on which the processing unit ( 2 ) is arranged, characterized in that the slide ( 7 ) has at least two drive systems ( 5 a , 5 b ) arranged at a distance from one another for movement in one direction, each of which is coupled to a measuring system ( 10 a , 10 b ) determining the actual positions of the two drive systems, and that the drive - And measuring systems ( 5 a , 5 b ; 10 a , 10 b ) are interconnected via a synchronous control. 2. Bearbeitungsstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Schlitten (7) mindestens ein zweiter Schlitten (11) vorhanden ist, der senkrecht zum ersten Schlitten (7) in horizontaler Richtung ebenfalls mit einem weiteren Antrieb- und Meßsystem (6, 12) über eine Synchronsteuerung antreibbar ist.2. Processing station according to claim 1, characterized in that on the first carriage ( 7 ) there is at least a second carriage ( 11 ) which is perpendicular to the first carriage ( 7 ) in the horizontal direction also with a further drive and measuring system ( 6, 12th ) can be driven via a synchronous control. 3. Bearbeitungsstation nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Antriebssystem (5 a, 5 b; 6) jeweils einen Spindelantrieb oder Linearmotor aufweist.3. Processing station according to claim 1 or 2, characterized in that each drive system ( 5 a , 5 b ; 6 ) each has a spindle drive or linear motor.
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