DE3509378C2

DE3509378C2 -

Info

Publication number: DE3509378C2
Application number: DE3509378A
Authority: DE
Inventors: Karl-Franz Dipl.-Ing. Binder (Fh); Ladislaus Dipl.-Ing. 8077 Reichertshofen De Czermak
Original assignee: BINDER KARL-FRANZ 8077 REICHERTSHOFEN DE
Current assignee: BINDER KARL-FRANZ 8077 REICHERTSHOFEN DE
Priority date: 1985-03-15
Filing date: 1985-03-15
Publication date: 1987-03-19
Also published as: AT391289B; CH669546A5; IT8619687A1; GB2172535B; DE3509378A1; US4687901A; IT8619687A0; ATA46686A; IT8621180V0; SE462955B; GB2172535A; JPS61212497A; SE8601214L; GB8606273D0; FR2578769A1; BE904384A; IT1189177B; SE8601214D0

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

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.