DE4113632C2 - Laserbearbeitungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Laserbearbeitungsvorrichtung benutzt den Laserstrahl als Schneidwerkzeug, um z. B. aus überwiegend plattenför­ migen Materialien beliebige Formen präzise und rationell auszuschneiden. Von einem ortsfesten Laseraggregat wird eln Laserstrahl über Spiegel zu einem Bearbeitungskopf geführt, der in drei Achsen verfahrbar ist. Eine Bewegung in x- und y-Richtung, also parallel zum Werkstück, erfolgt mittels eines verfahrbaren Portals, während in z- Richtung, also senkrecht zum Werkstück, der Bearbeitungs­ kopf selbst in einer Führung gegenüber dem Portal verfah­ ren wird. Das Abfahren der geometrischen Konturen wird durch eine numerische Steuerung gesteuert, die die Schneidgeschwindigkeit der Laserleistung anpaßt.

Der Bearbeitungskopf dient zum Fokussieren des Laser­ strahls und der Zuführung von Schneidgas, Schutzgas oder auch Wasser. Außerdem sind am Schneidkopf Sensoren ange­ ordnet, die zu Meßzwecken, unter anderem zur Höhenein­ stellung des Schneidkopfes über dem Werkstück dienen.

Zur Zuführung von Gas oder Wasser sowie zur elektrischen Verbindung der Sensoren dienen Schläuche bzw. Kabel, die bei einer Veränderung der Lage des Schneidkopfes in z- Richtung mitgeführt werden müssen. Bei bekannten Laserbe­ arbeitungsvorrichtungen sind die Schläuche bzw. Kabel überwiegend außen geführt, um die Strahlzuführung des Laserstrahls nicht zu behindern. Andererseits birgt die äußere Unterbringung der Schläuche und Kabel aber die Gefahr, daß beim Hantieren an der Maschine z. B. beim Umrüsten oder auch durch Fehler im Betrieb Beschädigungen eintreten können, so daß schwere Folgefehler möglich sind.

Aus der DE 35 23 887 A1 ist ein schnell strömender Axialstrom- Gastransportlader mit einem Bearbeitungskopf bekannt. Um Beschädigungen des Lasers bei Kollisionen zwischen dem Bearbeitungskopf und in dem Verfahrensbereich des Bearbeitungskopfes angeordneten Teilen zu verhindern und gleichzeitig eine leichte Austauschbarkeit des Bearbeitungskopfes des Lasers zu ermöglichen, ist aus dieser Druckschrift für sich entnehmbar, den Bearbeitungskopf mit einer Sicherheitskupplung an dem Laser zu befestigen.

Zwar wird durch diese Art der Kupplung das mechanische Befestigen und Lösen des Bearbeitungskopfes am Laser erleichtert, die Austauschbarkeit ist dadurch aber noch nicht wesentlich verbessert, denn wie aus der zugehörigen Zeichnung zu erkennen ist, ist am Bearbeitungskopf ein Anschluß für die Lasergaszufuhr angeordnet, die gesondert gelöst bzw. verbunden werden muß. Ein in der Zeichnung dargestellter Schlauch für die Lasergaszufuhr ist auch nicht geschützt untergebracht, sondern könnte im Kollisionsfall bechädigt werden.

Aus der US 45 18 843 ist eine Laserlinsen- und Lichtanordnung bekannt, bei der ein Bearbeitungskopf fest an einem zylindrischen Gehäuse befestigt ist. Kabel und Schläuche, die zur Verbindung mit dem Bearbeitungskopf bestimmt sind, führen in das obere Befestigungsteil des zylindrischen Gehäuses. Von dort sind die Kabel in einem eigenen Schutzrohr zu einem unteren Teil des Gehäuses weitergeführt und treten in den Bearbeitungskopf ein. Für die Zuführung von Gasen oder Flüssigkeiten ist ein gesondertes Rohr vorgesehen, dem allerdings kein zusätzliches Schutzrohr zugeordnet ist. Ein Wärmeverteilungsrohr ist nicht vorhanden.

Schließlich ist aus der GB 20 94 993 A eine Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung bekannt, bei der ein Bearbeitungskopf an einer Pinole angebracht ist. Bearbeitungsgas wird dem Bearbeitungskopf über eine seitliche Öffnung zugeführt, an die vermutlich ein Zuführugnsschlauch angeschlossen werden muß. Dieser ist hier nicht näher dargestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsvorrichtung dahingehend zu verbessern, daß der Bearbeitungskopf leicht ausgewechselt werden kann und die zum Bearbeitungskopf führenden Schläuche und Kabel geschützt untergebracht werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kenn­ zeichen angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung nach der Erfindung ist ein Ringraum gebildet, in dem die zum Bearbeitungs­ kopf führenden Schläuche und Kabel angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, daß die Schläuche und Kabel nicht mehr äußeren Einflüssen ausgesetzt sind, andererseits aber auch den ungehinderten Durchtritt des Laserstrahls durch den Strahlführungskanal sicherstellen.

Ein Schutzrohr sorgt dafür, daß der Laserstrahl bei even­ tueller Dejustierung keinen Schaden an den Schläuchen und Kabeln anrichten kann.

Außerdem ist der Ringraum durch ein Wärmeverteilungsrohr gegen das Schutzrohr getrennt.

Hierdurch wird erreicht, daß keine Teile der Schläuche oder Kabel im Ringraum unmittelbar am Schutzrohr anliegen können, so daß bei Erwärmung des Schutzrohrs, die eventu­ ell durch eine Dejustierung des Laserstrahls eintreten kann, kein Anschmelzen der Schläuche oder der Isolierung der Kabel stattfindet. Vielmehr wird bei einer punktuel­ len Erwärmung des Schutzrohres die Wärme derart gleichmä­ ßig verteilt, daß an keiner Stelle mehr eine Übertempera­ tur erreicht wird, die zu einem Schmelzen der Schläuche oder der Isolierungen der Kabel führen würde.

Weiterhin ist vorgesehen, daß der Ringraum zum Bearbei­ tungskopf hin durch einen Kupplungsring begrenzt ist, in dem Kupplungselemente zur Befestigung des Bearbeitungs­ kopfes an der Pinole sowie Näherungsschalter angeordnet sind.

Durch den Kupplungsring ist einmal der Ringraum nach unten hin abgeschlossen, so daß bei Umrüstarbeiten, z. B. beim Wechseln des Bearbeitungskopfes die Schläuche und Kabel im Ringraum verbleiben und nicht nach unten hinaus­ treten. Ferner können die Schläuche und Kabel senkrecht in den Kupplungsring einmünden, wodurch ein Abquetschen, wie es z. B. bei engen Biegeradien der Schläuche auftre­ ten würde, verhindert wird. Durch die Ausbildung und Anordnung des Kupplungsringes läßt sich die Stirnseite des Bearbeitungskopfes unmittelbar mit der Pinole kuppeln.

Dadurch ergeben sich kurze Verbindungswege zwischen den im Bearbeitungskopf angeordneten Schläuchen und Kabeln mit den im Ringraum angeordneten. Der im Kupplungsring angeordnete Näherungsschalter ermöglicht ferner eine Überwachung des richtigen Sitzes des Bearbeitungskopfes am Kupplungsring, so daß Signale des Näherungsschalters im Kollisionsfall, bei dem der Bearbeitungskopf vom Kupp­ lungsring abgehoben wird, eine Stillsetzung der Maschine oder Unterbrechung der Bearbeitung veranlassen können.

Weiterhin ist vorgesehen, daß im Kupplungsring zusätzlich Kabel- und Schlauchkupplungen für eine Verbindung der im Ringraum angeordneten Kabel und Schläuche mit den im Bearbeitungsraum angeordneten Kabeln und Schläuchen ange­ ordnet sind.

Durch diese Ausgestaltung wird das Auswechseln des Bear­ beitungskopfes wesentlich erleichtert, da mit Abheben des Bearbeitungskopfes vom Kupplungsring auch automatisch die Schläuche und Kabel getrennt und beim Ansetzen wieder verbunden werden. Auch eine irrtümliche Verbindung unter­ schiedlicher Schläuche oder Kabel wird auf diese Weise ausgeschlossen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Schutzrohr und dem Wärmeverteilungsrohr ein Wärmeschutzmantel aus einem wärmebeständigen isolierenden Material angeordnet.

Durch diese Maßnahme wird der Wärmeübergang vom Schutz­ rohr zum Wärmeverteilungsrohr verlangsamt, wodurch sich die Wärme auf dem Wärmeverteilungsrohr besser verteilen kann und eine zonale oder punktuelle Erwärmung sicher vermieden wird.

Ferner ist die Pinole vertikal längsverschiebbar in einem Gehäuse angeordnet und dort in einer umlaufenden Gleithülse gelagert.

Diese Führung bewirkt eine sehr präzise Einhaltung der Lage des Bearbeltungskopfes bei Verfahrwegen in z-Rich­ tung. Durch die umlaufende Gleithülse wird eine Umgriffs­ führung erreicht, so daß eine einheitliche Stabilisierung in der x-y-Ebene eintritt, wie sie mit üblichen Schlitten nicht möglich wäre.

Vorzugsweise bestehen die Kupplungselemente zur Befesti­ gung des Bearbeitungskopfes an der Pinole aus Permanent­ magneten und Ankern. Gemäß einer Alternative können sie auch aus gegensätzlich gepolten Permanentmagneten beste­ hen.

Diese Art der Kupplung ermöglicht Umrüstarbeiten ohne zusätzliche Montagewerkzeuge. Zur Demontage muß lediglich die Haftkraft der Magneten überwunden werden. Umgekehrt wird bei der Montage der Bearbeitungskopf entsprechend positioniert und in die Nähe des Kupplungsringes geführt, worauf die Magnete dann die endgültige Positionierung und Fixierung besorgen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind im Kupplungsring und im Bearbeitungskopf Zentrierringe angeordnet, die beim Einkuppeln des Bearbeitungskopfes an den Kupplungs­ ring ineinandergleiten.

Bei der Montage ist also lediglich eine grobe Fixierung nötig, da die Zentrierringe zwangsläufig die Feinjustie­ rung bewirken, wenn der Bearbeitungskopf in die Nähe des von den Permanentmagneten ausgehenden Magnetfeldes geführt wird.

Weiterhin weist der Bearbeitungskopf eine Verstellvor­ richtung auf, mittels der eine im Bearbeitungskopf angeordnete Fokussieroptik radial zum bearbeitungskopf­ seitigen Zentrierring verlagerbar ist.

Mit Hilfe dieser Verstellvorrichtung kann eine individu­ elle Einstellung der Fokussieroptik erfolgen, ohne daß die Lage des Bearbeitungskopfes am Kupplungsring selbst verändert werden muß. Mit der Verstellvorrichtung wird eine eventuelle Dejustierung des Laserstrahls korrigiert, die bei dem relativ langen Weg des Laserstrahls von der stationären Laserquelle über die Spiegel eintreten kann.

Schließlich ist das Gehäuse und der am Kupplungsring befestigte Teil des Bearbeitungskopfes so bemessen, daß beide etwa den gleichen Außendurchmesser aufweisen.

Die Bearbeitungsvorrichtung erhält damit im Bereich des Bearbeitungskopfes und des Gehäuses eine gleichförmige, kompakte Gestalt, die eine Kollisionsgefahr durch vorste­ hende Teile oder auch eine Verletzungsgefahr des Bedie­ nungspersonale bei Umrüstungsarbeiten erheblich verrin­ gert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung und der Zeichnung, die ein Ausführungsbei­ spiel veranschaulicht, weiter erläutert.

Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch eine Laser­ bearbeitungsvorrichtung im Bereich des Portals, der Pinole und des Bearbeitungskopfes.

In der Zeichnung ist ein Bearbeitungskopf 12 an einer Pinole 10 angeordnet, wobei die Pinole 10 in einem Gehäuse 46 geführt ist, die mit einer Laserbearbeitungs­ vorrichtung verbunden ist. Ein Laserstrahl 52 gelangt von einer stationären Laserquelle über einen Umlenkspiegel 54 zu einem Strahlführungskanal 14, der zentral in der Pinole 10 angeordnet ist. Durch den Strahlführungskanal 14 tritt der Laserstrahl 52 über eine im Bearbeitungskopf 12 angeordnete Fokussieroptik 44 durch eine Bearbeitungs­ düse 56 aus und trifft auf ein auf einem stationären Bearbeitungstisch liegendes Werkstück 58.

Der Strahlführungskanal 14 ist von einem Schutzrohr 16 umgeben und zwischen dem Schutzrohr 16 und einer Wandung 18 der Pinole 10 ist ein Ringraum 20 gebildet. In diesem Ringraum 20 sind Schläuche 22 und Kabel 24 angeordnet, die dem Bearbeitungskopf 12 Schutzgase, Bearbeitungsgase oder auch Wasser zuführen und Sensoren mit einer hier nicht dargestellten Elektronikeinheit verbinden.

Der Ringraum 20 verhindert, daß die Schläuche 22 oder Kabel 24 in den Strahlführungskanal 14 aufgrund ihrer Eigenelastizität eindringen, wo sie einerseits den Strah­ lengang unterbrechen würden, andererseits aber auch selbst durch den Laserstrahl Schaden nehmen können. Gleichzeitig sind die Schläuche 22 und Kabel 24 gegen Einflüsse von außen geschützt. Sie können also beim Verfahren des Bearbeitungskopfes 12 nicht mit anderen Gegenständen, z. B. dem Werkstück 58 oder Teilen der Bearbeitungsvorrichtung kollidieren und Schaden nehmen. Auch eine beim Umrüsten, z. B. Austauschen des Bearbei­ tungskopfes 12 gegen einen anderen, vom Bedienungsperso­ nal vorzunehmende Arbeiten werden durch die Schläuche 22 und Kabel 24 nicht behindert bzw. die Schläuche und Kabel können durch beim Hantieren benutzte Gegenstände oder Werkzeuge nicht beschädigt werden.

Wie die Zeichnung weiter erkennen läßt, ist der Ringraum 20 durch ein Wärmeverteilungsrohr 26 gegen das Schutzrohr 16 getrennt. Ferner befindet sich noch zwischen dem Schutzrohr 16 und dem Wärmeverteilungsrohr 26 ein Wärme­ schutzmantel 28 aus einem wärmebeständigen isolierenden Material.

Kommt es zu einer Dejustierung des Laserstrahls 52, z. B. durch eine Fehljustierung des Umlenkspiegels 54, so würde der Laserstrahl 52 das Schutzrohr 16 punktuell erwärmen und Schläuche 22 oder Kabel 24, die sich ausgerechnet an diese Stelle des Schutzrohrs 16 anlegen, könnten durch Erwärmung, insbesondere durch Schmelzen Schaden nehmen. Dies wird durch das Wärmeverteilungsrohr 26 insbesondere in Verbindung mit dem Wärmeschutzmantel 28 verhindert. Beim Wärmeübergang von der erwärmten Zone des Schutzrohrs 16 auf das Wärmeverteilungsrohr 26 tritt nämlich ein Aus­ gleich ein, der praktisch die Wärme über das Wärmevertei­ lungsrohr 26 verteilt und so insgesamt zu einer geringe­ ren aber gleichmäßigen Erwärmung führt. Zwar kommt dadurch eine geringfügige Temperaturerhöhung des Wärme­ verteilungsrohres 26 zustande, diese Temperaturerhöhung ist aber unschädlich für Schläuche 22 oder Kabel 24, die sich an dieses anlegen. Der Schmelzpunkt des Kunststoff­ materials der Schläuche 22 oder der Isolierung der Kabel 24 wird in keinem Fall erreicht.

Unten ist der Ringraum 16 zum Bearbeitungskopf 12 hin durch einen Kupplungsring 30 begrenzt. In dem Kupplungsring 30 sowie im Bearbeitungskopf 12 befinden sich Kupplungs­ elemente 32 und 34, die vorzugsweise aus im Kupplungsring 30 angeordneten Permanentmagneten 32 und aus Ankern 34 im Bearbeitungskopf 12 bestehen. Dabei können die Anker 34 auch durch das ferromagnetische Material selbst gebildet sein, aus dem der Bearbeitungskopf 12 besteht.

Wie weiter aus der Zeichnung erkennbar ist, münden die Kabel und Schläuche senkrecht im Kupplungsring 30 ein. Im Kupplungsring 30 sind zusätzlich Kabel- und Schlauchkupp­ lungen für eine Verbindung der im Ringraum 20 angeordne­ ten Kabel 24 und Schläuche 22 mit den im Bearbeitungskopf 12 angeordneten Kabein und Schläuchen vorgesehen, wobei die dort angeordneten Kabel und Schläuche nicht näher dargestellt sind. Wird der Bearbeitungskopf 12 flach auf die äußere Stirnfläche des Kupplungsringes 30 aufgelegt, flndet auch zwangsläufig eine Verbindung der Kabel- und Schlauchkupplungen statt, so daß weitere Maßnahmen zur Verbindung der Kabel und Schläuche nicht erforderlich sind.

Weiterhin ist im Kupplungsring 30 ein Näherungsschalter 36 angeordnet, mit dem der richtige Sitz des Bearbei­ tungskopfes 12 am Kupplungsrlng 30 überwacht werden kann. Kommt es z. B. während eines Bearbeitungsvorganges zu einer Kollision mit einem Gegenstand, so würde zunächst der Bearbeitungskopf 12 durch die auf ihn einwirkende Querkraft vom Kupplungsring 30 abheben. In weiterer Folge würde auch die Verbindung der Kabel- und Schlauchkupplung unterbrochen. In diesem Fall kann über den Näherungs­ schalter 36 ein Signal zu einer Steuerungselektronik gelangen, die die Laserbearbeitungsvorrichtung sofort stillsetzt. Dadurch wird der weitere Betrieb unterbro­ chen, ehe Schäden eintreten können.

Für die richtige Lage des Bearbeitungskopfes 12 am Kupp­ lungsring 30 sorgen Zentrierringe 38 und 40, die beim Ankoppeln des Bearbeitungskopfes 12 an den Kupplungsring ineinandergleiten. Um trotz dieser zwangsläufigen Zentrierung, die für alle Bearbeitungsköpfe gleich ist, eine individuelle Zentrierung der Fokussieroptik 44 zu erreichen, ist eine Verstellvorrichtung 42 vorgesehen. Diese ermöglicht es, die Fokussieroptik 44 radial zum bearbeitungskopfseitigen Zentrierring 40 zu verlagern.

Die den Bearbeitungskopf 12 tragende Pinole 10 ist verti­ kal längsverschiebbar in einem Gehäuse 46 angeordnet. Für eine exakte Stabilisierung sorgt eine umlaufende Gleit­ hülse 48.

Von seinen äußeren Abmessungen her bildet das Gehäuse 46 und der am Kupplungsring 30 befestigte Teil des Bearbei­ tungskopfes 12 etwa den gleichen Außendurchmesser. Es ergibt sich dadurch eine kompakte Ausgestaltung, die die Kollisionsgefahr mit anderen Gegenständen, aber auch die Verletzungsgefahr beim Hantieren, z. B. beim Austausch von bearbeiteten Werkstücken oder beim Umrüsten des Bear­ beitungskopfes 12 verringert.

Claims (6)

1. Laserbearbeitungsvorrichtung, welche einen an einer Pinole (10) befestigbaren Bearbeitungskopf (12) umfaßt, dem ein Laserstrahl durch einen zentral in der Pinole (10) angeordneten Strahlführungskanal (14) zuführbar ist, wobei der Strahlführungskanal (14) von einem Schutzrohr (16) umgeben ist und die Pinole (10) vertikal längsverschiebbar in einem Gehäuse (46) angeordnet und dort in einer umlaufenden Gleithülse (48) gelagert ist und stirnseitig einen Kupplungsring (30) trägt, in dem Kupplungselemente (32, 34) zur Befestigung des Bearbeitungskopfes (12) an der Pinole (10) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kupplungsring (30) außerdem Näherungsschalter (36) und Kabel- und Schlauchkupplungen für eine Verbindung von zum Bearbeitungskopf (12) führenden Schläuchen (22) und Kabeln (24) angeordnet sind, daß zwischen dem Schutzrohr (16) und der Wandung (18) der Pinole (10) ein Ringraum (20) gebildet ist, der durch ein Wärmeverteilungsrohr (26) gegen das Schutzrohr (16) getrennt und zum Bearbeitungskopf (12) hin durch den Kupplungsring (30) abgeschlossen ist und daß die zum Bearbeitungskopf (12) führenden Kabel (24) und Schläuche (22) im Ringraum (20) angeordnet und zu den Kabel- und Schlauchkupplungen geführt sind.

2. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schutzrohr (16) und dem Wärmeverteilungsrohr (26) ein Wärmeschutzman­ tel (28) aus einem wärmebeständigen isolierenden Material angeordnet ist.

3. Laserbearbeltungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungselemente (32, 34) zur Befestigung des Bearbeitungskopfes (12) an der Pinole (10) aus Permanentmagneten (32) und Ankern (34) oder aus gegensätzlich gepolten Permanentmagneten bestehen.

4. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Kupplungsring (30) und im Bearbeitungskopf (12) Zentrierringe (38, 40) angeordnet sind, die beim Ankuppeln des Bearbeitungskopfes (12) an den Kupplungsring (30) ineinandergleiten.

5. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungskopf (12) eine Verstellvorrichtung (42) aufweist, mittels der eine im Bearbeitungkopf (12) angeordnete Fokussieroptik (44) radial zum bearbeitungskopfseitigen Zentrierring (40) verlagerbar ist.

6. Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (46) und der am Kupplungsring (30) befestigbare Teil des Bearbeitungskopfes (12) etwa den gleichen Außendurchmesser aufweisen.