DE3509378C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine programmgesteuerte Be
arbeitungsmaschine, wie Brennschneidemaschine o. dgl., unter
Verwendung von Laserstrahlen, die zum dreidimensionalen
Schneiden im wesentlichen aus einer auf CO2-Basis beruhenden
Laserquelle mit Laserdüse und aus Umlenkmitteln für den
Laserstrahl zu dem jeweils vorprogrammierbar zu behandeln
den, z. B. zu beschneidenden Werkstück besteht, wobei die
Maschine in bezug auf das jeweilige, auf einer programm
gesteuerten Aufspannvorrichtung ruhende Werkstück mehr als
drei Freiheitsgrade aufweist.
Programmgesteuerte Bearbeitungsmaschinen, die mit Laser
strahlen arbeiten, sind aus der modernen Fertigungstechnik
nicht mehr wegzudenken. Bei der Weiterentwicklung hat es
sich allerdings herausgestellt, daß es beim Beschneiden
von z. B. räumlich unregelmäßigen Werkstücken unerläßlich
ist, daß der Laserstrahl stets senkrecht auf die jeweils
zu schneidende Stelle bzw. Fläche trifft. Für die Praxis
bedeutet dies, daß recht umständliche und daher teure Vor
richtungen und/oder elektronische Steuerungen vorgesehen
werden müssen. Diese unabdingbare Forderung hat es auch mit
sich gebracht, daß stetige Weiterentwicklungen eingesetzt
haben, die in aller Regel aber mit erheblichen Unkosten ver
bunden waren und dennoch zu keinen allen Anforderungen ge
nügenden Ergebnissen führten.
In dem Buch "Materialbearbeitung mit CO2-Hochleistungslasern"
1984, VDI-Verlag, Düsseldorf, Seiten 77-87 ist in Abb. 9
und in dem dazugehörigen Text eine Brennschneidemaschine ge
zeigt bzw. beschrieben, bei welcher der in den Schneidkopf
einfallende Laserstrahl um seine eigene Achse (erste Dreh
achse) gedreht, dann von einem Spiegel rechtwinkelig auf
einen zweiten 45° geneigten Spiegel geworfen und schließ
lich parallel zur ersten Achse zu der Fokussierlinse geführt
werden kann. Die Laserdüse kann daher, wenn man von der
senkrechten ersten Achse ausgeht, einen in einer waagerechten
Ebene liegenden Kreis beschreiben und die Düse kann auch um
die Querachse zur ersten Achse kreisen. Damit wird das senk
rechte Auftreffen auf das jeweilige Werkstück verbessert,
jedoch bedarf es einer erheblichen Nachsteuerung, wenn durch
Änderung des für das senkrechte Auftreffen des Laserstrahls
notwendigen Orientierungswinkels die Düse die Schneidbahn
verläßt, also ein "Bahnverlassen" eintritt. Diese Nach
steuerung, besser dieses "Nachlaufsteuern" erfordert neben
eines erheblichen Schaltungsaufwandes nicht nur Ablaufzeit
und beschwerlich zu beherrschende Beschleunigungskräfte,
sondern auch besondere Programme, so daß die Wirtschaftlich
keit der ganzen Anordnung in Frage gestellt wird bzw. ver
loren geht. Auch der Verfasser dieses VDI-Artikels hat diese
Nachteile voll erkannt, zumal er ausführt, daß für die Lö
sung optimaler Bearbeitungsaufgaben genaue Kenntnisse der
physikalischen Mechanismen, des Laserschneidens und die
Berücksichtigung zahlreicher Gesichtspunkte der Mechanik,
der Elektronik und der Optik nötig sind. Anders ausgedrückt
bedeutet dies, daß auf diesem Gebiet erhebliche Lücken zu
schließen sind.
Bei einer bekannten Bauart gemäß der US-PS 40 88 865 ist
zwar auch ein dreidimensionales Schneiden möglich, jedoch
ist dieser Schrift nichts zu entnehmen, was Aufschluß darü
ber gibt, wie man ein senkrechtes Auftreffen des Laser
strahls auf das Werkstück ohne die aufwendige Nachlauf
steuerung erreichen könnte.
Das zu der US-PS Gesagte hat auch Gültigkeit für die Bauarten
gemäß der DE-OS 29 43 228 und der DE-OS 30 11 244, zumal auch
dort ein senkrechtes Auftreffen des Laserstrahls auf das je
weilige Werkstück als ungelöst anzusehen ist.
Eine Verbesserung auf diesem Gebiet enthält die DE-OS
34 44 045, da die dort beschriebene Führungsvorrichtung
für einen Laserstrahl zur dreidimensionalen Werkstücksbe
arbeitung mindestens sechs gesteuerte Bewegungsachsen be
sitzt, die so angeordnet sind, daß ein senkrechtes Auftref
fen des Laserstrahls auf das zu behandelnde Werkstück mög
lich ist. Allerdings sind die sechs
Freiheitsgrade alle laserseitig vorgesehen, wodurch un
vermeidliches Spiel an den einzelnen Gelenkpunkten summiert
wird, was sich ungünstig auf die Genauigkeit der Laserstrahl
führung auswirken kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mittel
und Wege zu finden, das senkrechte Auftreffen des Laser
strahles auf das Werkstück mit einfachen und wirtschaft
lichen Mitteln zu erreichen, d. h., das durch Änderung des
für das senkrechte Auftreffen des Laserstrahles notwendigen
Orientierungswinkels sich ergebende Verlassen der Schneid
bahn o. dgl., des sogenannten "Bahnverlassens" der Düse und
die dadurch erforderlich werdende Nachlaufsteuerung mit er
heblichen Beschleunigungen, komplizierten Programmen, Ver
lusten an Zeit usw. soll vermieden werden. Trotz der ange
strebten wirtschaftlichen Bauart soll darüber hinaus bei
einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit eine hohe Funktions
fähigkeit und eine lange Lebensdauer gegeben sein.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einer programmgesteuerten Be
arbeitungsmaschine der gattungsgemäßen Art, die durch die
Kombination nachstehender Merkmale gekennzeichnet ist:
- a) die Laserdüse ist zusammen mit allen übrigen der Bear beitungsmaschine angehörigen Laserstrahl-Führungselemen ten um eine erste Achse und zusammen mit den selbst tragenden, um eine zweite, die erste Achse senkrecht schneidende Achse drehbar angeordneten Endelementen der Laserstrahlführung verschwenkbar;
- b) die Seelenachse der Laserdüse bildet mit der zweiten Achse einen Winkel und der Schnittpunkt der Seelenachse befindet sich im Schnittpunkt der ersten mit der zweiten Achse;
- c) der Brennpunkt des Laserstrahls ist im Schnittpunkt der drei Achsen angeordnet und
- d) die Aufspannvorrichtung ist dreidimensional bewegbar.
Durch diese Maßnahmen werden die sonst erforderlichen Nach
laufsteuerungen mit ihren erheblichen Beschleunigungen, die
komplizierten Programme, die Verluste an Zeit und sonstige
Nachteile tatsächlich vermieden. Außerdem ist eine hohe Be
arbeitungsgenauigkeit gegeben, da die erforderlichen Frei
heitsgrade nicht allein auf der Laserseite vorgesehen sind,
d. h., nur zwei Freiheitsgrade liegen laserseitig, während
die anderen Achsen dem zu bearbeitenden Werkstück, d. h. dem
Aufspanntisch zugeordnet sind. Dies hat auch zur Folge, daß
eine hohe Funktionsfähigkeit und eine lange Lebensdauer ge
geben erscheint.
Um die Vorteile der universalen Einsetzbarkeit der erfin
dungsgemäßen Bearbeitungsmaschine noch zu vertiefen, wird
nach der Erfindung ferner vorgeschlagen, daß die dreidimen
sional bewegbare Aufspannvorrichtung mit einem ebenfalls
programmierbaren Aufnahmedrehtisch ausgestattet ist.
Im Hinblick auf die bei derartigen Maschinen stets anzustre
bende Sicherheit wird nach der Erfindung ferner vorgeschla
gen, daß der Laserstrahl in in verschiedenen Richtungen ver
laufenden Schutzrohren geführt ist und die Schutzrohre an
den Knickstellen mit justierbaren Umlenkspiegeln ausgestat
tet sind, wobei der aus der Laserquelle austretende Laser
strahl in ein erstes Schutzrohr mündet, das koaxial zur
ersten Achse verläuft und in ein zweites rechtwinkelig ab
zweigendes Rohr übergeht, das seinerseits in einem dritten
rechtwinkelig abzweigenden Rohr seine Fortsetzung findet,
welches schließlich am freien Ende ein senkrecht auf die
erste Achse und auf den Brennpunkt des Laserstrahls weisen
des viertes Rohrstück trägt, wobei alle diese Rohre in einer
Ebene liegen, und daß ferner zwischen dem vierten Rohrstück
und dem Brennpunkt der selbsttragenden Endelemente als weite
re, um die zweite Achse verschwenkbare Rohr- und Spiegelumlen
kung mit zwei Umlenkspiegeln vorgesehen ist, wobei der von
dem die Düse tragenden Endelement und der Achse eingeschlos
sene Winkel bevorzugt 45° beträgt. Der 45°-Winkel hat des
halb als vorrangig zu gelten, weil mit ihm die Möglichkeit,
in zwei Dimensionen zu arbeiten, optimal ist. Durch die mehr
fache Umlenkung des Laserstrahles in Richtung auf die erste
Achse wird die Einsatzmöglichkeit der erfindungsgemäßen Be
arbeitungsmaschine keinesfalls eingeengt, im Gegenteil, sie
wird erweitert.
Damit die programmgesteuerte Bearbeitungsmaschine nicht nur
genau arbeitet, sondern auch rauhen Beanspruchungen, wie
solche bei stark unregelmäßigen Werkstücken auftreten,
standhält bzw. gewachsen ist, erscheint es nach der Erfin
dung schließlich zweckmäßig, daß das erste Schutzrohr in
einen verwindungsfesten, gestellartigen, gegebenenfalls
durch Gegengewichte ausgewogenen und in seitlichen Stän
dern gelagerten Portal untergebracht wird, das mittels An
triebseinrichtungen verschwenkbar ist und der Lagerung der
Rohr- und Spiegelumlenkung sowie der Laserdüse dient.
In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschau
licht; es zeigt
Fig. 1 die erfindungsgemäße, als Brennschneidemaschine
ausgebildete programmgesteuerte Bearbeitungs
maschine in Seitenansicht und
Fig. 2 eine Prinzip- und Funktionsskizze der Brenn
schneidemaschine gemäß Fig. 1.
Wie sich insbesondere aus Fig. 1 ergibt, besteht die erfin
dungsgemäße Brennschneidemaschine 1 im wesentlichen aus
einem gestellartigen Portal 2, einer Aufspannvorrichtung 3
und einer Laserquelle 4. Das Portal 2 ist um eine strich
punktiert dargestellte erste Achse A in seitlichen Stän
dern 5, 6 drehbar gelagert, wozu im Ständer 6 ein Motor 7
vorgesehen ist, der über einen Zahntrieb 8 auf das Portal 2
einwirkt. Mit 9, 10 sind Gegengewichte bezeichnet, welche
das Portal 2 ausgewogen gestalten. B bezeichnet eine zweite
Achse, die senkrecht zu der ersten Achse A verläuft. Darauf
wird noch näher eingegangen.
Die Aufspannvorrichtung 3 besteht aus zwei sich kreuzenden
Schlitten 11, 12, d. h., die beiden Schlitten 11, 12 sind in
den Richtungen der Achsen X, Y bewegbar, wozu Spindeln oder
Zahnstangen verwendet werden können. Wichtig ist, daß kein
Spiel vorhanden ist, das die Genauigkeit der Bearbeitung
ungünstig beeinflussen könnte. Die Aufspannvorrichtung 3
weist ferner einen heb- und senkbaren Träger 13 für ein
Werkstück 14 auf, so daß ein weiterer Freiheitsgrad Z hin
zukommt. Außerdem ist der heb- und senkbare Träger 13 mit
einer Aufspannplatte 15 ausgestattet, die um eine Achse C
verdreht werden kann.
In Fig. 2 sind die auch aus der Fig. 1 ersichtlichen Ein
zelteile mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.
Zusätzlich zu Fig. 1 ist erkennbar, daß der aus der Laser
quelle 4 austretende, mit 16 angedeutete Laserstrahl achs
gleich zu der ersten Achse A verläuft und in ein koaxial zur
ersten Achse A liegendes Schutzrohr 17 mündet und am Ende
dieses Rohres auf einen Spiegel 18 trifft, der den Strahl 16
in ein rechtwinkelig abzweigendes zweites Rohr 19 umlenkt
und dann auf einen Spiegel 20 trifft, der den Strahl 16 in
ein drittes Rohr 21 umlenkt und ihn schließlich auf einen
Spiegel 22 auftreffen läßt, von wo er der zweiten Achse B
folgend rechtwinkelig der ersten Achse A zustrebt. Der vom
Spiegel 22 in Richtung auf die erste Achse A umgelenkte
Strahl 16 durchläuft ein viertes Rohr 23, das drehbar eine
weitere Rohr- und Spiegelumlenkung 24 aufnimmt. Für das Ver
drehen ist ein Motor 25 mit Zahntrieb 26 vorgesehen.
Die weitere, die Endelemente der Laserstrahlführung darstel
lende Rohr- und Spiegelumlenkung 24 weist ein mit Spiegeln
27, 28 ausgestattetes Winkelstück 29 auf, an das sich ein
Rohr 30 anschließt, das mit der zweiten Achse B einen Win
kel von 45° einschließt und an seinem freien Ende die Laser
düse 31 trägt, in welcher der Strahl 16 durch eine Linse 32
so fokussiert wird, daß der Brennpunkt 33 mit dem Schnitt
punkt der beiden Achsen A und B zusammenfällt. Diese Lage
wird auch dann beibehalten, wenn die weitere selbsttragende
Rohr- und Spiegelumlenkung 24 um die zweite Achse B ver
schwenkt wird, wobei der Strahl 16 und/oder die Düse 31
- bildlich gesprochen - der Mantelfläche eines Kegels folgt,
wobei die Spitze des Kegels den erwähnten Schnittpunkt
(vgl. 33) nicht verläßt. Mit dieser Anordnung ist es in
Verbindung mit den zahlreichen anderen Freiheitsgraden mög
lich, das angestrebte Ziel, nämlich das senkrechte Auftref
fen auf das zu beschneidende Werkstück 14 auch dann zu er
reichen, wenn das Werkstück räumlich unregelmäßige Formen
aufweist. Zu betonen ist ferner, daß bei der erfindungs
gemäßen Anordnung keine komplizierten bzw. störungsanfälli
gen Hilfsmittel zur Anwendung kommen, wodurch, wie schon
gesagt, nicht nur eine hohe Funktionsfähigkeit, sondern
auch eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit gegeben erscheinen.
Ferner ist hervorzuheben, daß die erfindungsgemäße Maschi
ne 1 derart hergerichtet sein kann, daß mit ihr z. B. Schweiß
arbeiten durchgeführt werden können, ohne den Rahmen der
Erfindung zu verlassen.
Claims (4)
1. Programmgesteuerte Bearbeitungsmaschine, wie Brennschneide
maschine o. dgl., unter Verwendung von Laserstrahlen, die
zum dreidimensionalen Bearbeiten im wesentlichen aus einer
auf CO2-Basis beruhenden Laserquelle mit Laserdüse und
aus Umlenkmitteln für den Laserstrahl zu dem jeweils vor
programmierbar zu behandelnden, z. B. zu beschneidenden
Werkstück besteht, wobei die Maschine in bezug auf das
jeweilige, auf einer programmgesteuerten Aufspannvorrich
tung ruhende Werkstück mehr als drei Freiheitsgrade auf
weist, gekennzeichnet durch die Kombination nachstehender
Merkmale:
- a) die Laserdüse (31) ist zusammen mit allen übrigen der Bearbeitungsmaschine (1) angehörigen Laserstrahl- Führungselementen (17-23) um eine erste Achse (A) und zusammen mit den selbsttragenden, um eine zweite, die erste Achse (A) senkrecht schneidende Achse (B) drehbar angeordneten Endelementen ( 24, 27-30) der Laserstrahlführung verschwenkbar;
- b) die Seelenachse der Laserdüse (31) bildet mit der zweiten Achse (B) einen Winkel und der Schnittpunkt der Seelenachse befindet sich im Schnittpunkt der ersten (A) mit der zweiten Achse (B);
- c) der Brennpunkt (33) des Laserstrahls (16) ist im Schnittpunkt der drei Achsen (A, B, Seelenachse) angeordnet und
- d) die Aufspannvorrichtung (3) ist dreidimensional (A, B, C) bewegbar.
2. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die dreidimensional bewegbare (X, Y, Z)
Aufspannvorrichtung (3) mit einem ebenfalls programmier
baren Aufnahmedrehtisch (15) ausgestattet ist.
3. Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl in in ver
schiedenen Richtungen verlaufenden Schutzrohren geführt
ist und die Schutzrohre an den Knickstellen mit justier
baren Umlenkspiegeln ausgestattet sind, der aus der Laser
quelle (4) austretende Laserstrahl (16) in ein erstes
Schutzrohr (17) mündet, das koaxial zur ersten Achse (A)
verläuft und in ein zweites rechtwinkelig abzweigendes
Rohr (19) übergeht, das seinerseits in einem dritten
rechtwinkelig abzweigenden Rohr (21) seine Fortsetzung
findet, welches schließlich am freien Ende ein senkrecht
auf die erste Achse (A) und auf den Brennpunkt (33) des
Laserstrahls (16) weisendes viertes Rohrstück (23) trägt,
wobei alle diese Rohre (17, 19, 21 und 23) in einer Ebene
liegen, und daß ferner zwischen dem vierten Rohrstück (23)
und dem Brennpunkt (33) der selbsttragenden Endelemente
(24, 27-30) als weitere um die zweite Achse (B) ver
schwenkbare Rohr- und Spiegelumlenkung mit zwei Umlenk
spiegeln vorgesehen sind, wobei der von dem die Düse (31)
tragenden Endelement (30) und der Achse (B) eingeschlosse
ne Winkel bevorzugt 45° beträgt.
4. Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schutzrohr (17)
in einem verwindungsfesten gestellartigen, gegebenen
falls durch Gegengewichte (9, 10) ausgewogenen und in
seitlichen Ständern (5, 6) gelagerten Portal (2) unter
gebracht ist, das mittels Antriebseinrichtungen (7, 8)
verschwenkbar ist und der Lagerung der Rohr- und Spiegel
umlenkung sowie der Laserdüse (31) dient.
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