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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug, bestimmt zum Arbeiten in
einer im wesentlichen vertikalen Position und kontaktfrei, mit einem zu
bearbeitenden und/oder zu kontrollierenden Werkstück. Genauer gesagt,
bezieht sich die Erfindung auf einen Laserstrahlbearbeitungskopf mit der
Möglichkeit, ausweichen zu können, ohne eine Beschädigung riskieren zu
müssen, wenn er auf ein Hindernis trifft, beispielsweise infolge eines
Programmierfehlers der Maschine.
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Die Werkzeuge, die eine Bearbeitung und/oder Kontrolle ohne
Kontakt mit einem Werkstück ermöglichen, wie
Laserstrahlbearbeitungsköpfe, umfassen aktive fragile Teile, die im Falle eines Stoßes zu schützen
sind.
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Im Falle eines Laserstrahlbearbeitungskopfes versteht man
unter den aktiven Teilen die Fokalisationsmittel, gebildet von einer oder
mehreren Linsen, die sich in dem Kopf befinden und einer
Bearbeitungsdüse zugeordnet sind.
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Man weiß, daß es erforderlich ist, damit ein Bearbeitungskopf
dieser Bauart richtig funktioniert, d.h. daß die Bearbeitung mit gutem
Wirkungsgrad erfolgt, den Konvergenzpunkt des Strahls zu regeln,
einerseits relativ zu dem Werkstück und andererseits relativ zu der Öffnung
der Düse.
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Diese Regulierung ist ein delikater Arbeitsgang und weist eine
sehr mittelmäßige Stabilität im Falle eines Stoßes des Kopfes gegen ein
Hindernis auf. Ein einfacher Stoß der Düse gegen das Werkstück
beispielsweise infolge eines Manipulations- oder Programmierfehlers der
Maschine kann nämlich die Fehlausfluchtung der Achse des Laserstrahls mit
der Öffnung der Düse zur Folge haben (deren Durchmesser in der
Größenordnung einiger Millimeter liegt), was auf diese Weise den Kopf ohne
Neujustierung der Düse relativ zu den Fokalisationsmitteln unbrauchbar
macht und, je nach dem, den Austausch der Düse erfordert.
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Andererseits ist, wie bereits erwähnt, der Arbeitsgang der
Einstellung der Fokalisationsmittel relativ zu der Düse delikat und
erfordert die Durchführung durch hochqualifiziertes Personal.
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Daraus ergibt sich, daß der geringste Stoß des Kopfes auf ein
Hindernis hohe Arbeitskosten einerseits und/oder an Material
andererseits mit sich bringt.
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Um diese Probleme zu beheben, kennt man bereits ein System,
das Kraftsensoren verwendet, dazu bestimmt, im Falle eines Stoßes die
gesamte Bewegung des Kopfes relativ zu dem Werkstück und dem Gestell
stillzusetzen.
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Dieser Systemtyp ist wirksam, wenn die Bewegungen des Kopfes
relativ zu dem Werkstück oder zu dem Gestell langsam sind, aber erlaubt
nicht, immer hinreichend schnell im Falle eines Stoßes des Kopfes gegen
ein Hindernis mit hoher Geschwindigkeit zu reagieren, so daß der starr
mit seinem Support verbundene Kopf einem hohen Beschädigungsrisiko
unterliegt.
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Andererseits ist aus dem Dokument EP 30754 eine mechanische
Schutzvorrichtung gegen Stöße bekannt für einen Laserbearbeitungskopf.
In diesem Fall ist der Kopf nach Art eines Kugelgelenks mit Hilfe einer
Mehrzahl von Federn, die sich in Richtung der Achse des Kopfes
erstrekken, auf einem Supportteil montiert. Diese Kugelgelenkverbindung
zwischen Kopf und Support ermöglicht auf diese Weise, daß der Kopf
ausweichen kann und das Stillsetzen der Maschine steuern kann, wenn er auf ein
Hindernis auftrifft, derart, daß jeder heftige Stoß des Kopfes gegen ein
äußeres Element vermieden wird.
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Dieser Bearbeitungskopf weist jedoch die Nachteile auf,
gleichzeitig kompliziert zu sein und von wenig sanfter Brauchbarkeit für
eine wenig erfahrene Bedienungsperson.
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Wenn nämlich aus irgendeinem Grunde man die
Fokalisationslinsen und/oder die Düse wechseln will, um eine andere Bearbeitung zu
realisieren, oder auch wenn man zeitweilig die aktive Partie des
Bearbeitungskopfes durch eine Beobachtungsvorrichtung ersetzen will, wie etwa
ein Binokularmikroskop, ist es erforderlich, den Kopf zu demontieren,
die Linsen und/oder die Düse zu wechseln, die Remontage und Regulierung
der Linsen relativ zur Düse vorzunehmen und danach die Baugruppe auf dem
Support wieder aufzubauen. Auch hier müssen alle diese Arbeitsgänge von
einer qualifizierten Person ausgeführt werden, was einen erheblichen
Aufwand mit sich bringt.
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Man kennt auch aus dem Dokument EP-A-0 116 807 ein Werkzeug
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Ausnehmungen jedoch, welche
die Vorsprünge aufnehmen, sind in den Boden von engen und tiefen Nuten
eingearbeitet, was eine wirksame Lösung der Vorsprünge aus den
Ausnehmungen im Falle eines heftigen Stoßes verhindert, insbesondere einer in
Richtung senkrecht zur Achse des Werkzeugs.
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Die Erfindung hat demgemäß zum Hauptziel, die Nachteile des
oben erwähnten Standes der Technik zu vermeiden, indem ein Werkzeug
bereitgestellt wird, daß dazu dient, in einer Position im wesentlichen
vertikal und ohne Kontakt mit einem Werkstück zu arbeiten und die eine
Einrichtung zum Schutz gegen Stöße umfaßt, die einfach und wirksam ist
und die im übrigen leicht austauschbar ist durch einen einfachen
Bedienungsmann ohne Notwendigkeit der besonderen Regulierung.
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Zu diesem Zweck hat die Erfindung zum Gegenstand ein Werkzeug,
das dazu bestimmt ist, in einer im wesentlichen vertikalen Position und
ohne Kontakt mit einem Werkstück zu arbeiten, welches einen Kopf umfaßt,
der mindestens teilweise eine aktive Partie des Werkzeugs bildet, einen
Support dieses Kopfes umfaßt, starr verbunden mit einem Gestell der
Maschine, wobei der Kopf drei Fortsätze aufweist, die in drei Ausnehmungen
ruhen, welche in den Support eingearbeitet sind zum Unterdrücken einer
Verlagerung des Kopfes in einer Ebene im wesentlichen senkrecht zu der
Werkzeugachse, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf frei auf dem Support
über die genannten Fortsätze aufruht, und daß die Ausnehmungen V-Nuten
sind, die sich radial erstrecken und gemäß zusammen laufenden Achsen und
in der Nähe der oberen Oberfläche des Supports münden, und daß die Tiefe
der V-Nuten annähernd gleich oder kleiner dem Durchmesse der Fortsätze
ist.
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Dank diesen Merkmalen wird der Kopf des Werkzeuges immer
präzise in den Supportmitteln positioniert, ohne jedoch mit diesen starr
verbunden zu sein. Demgemäß kann der Kopf leicht ausweichen oder bei
seite rücken im Falle eines Stoßes gegen ein Hindernis, unabhängig von der
Heftigkeit und/oder der Richtung dieses Stoßes.
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Man erkennt, daß in vorteilhafter Weise das Fehlen der starren
Verbindung zwischen dem Kopf und den Supportmitteln einen schnellen und
einstellungsfreien Austausch des Kopfes ermöglicht (da der Kopf vorher
einreguliert wurde), weil der Kopf sich automatisch in eine richtige
Position auf den Supportmitteln positioniert.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich beim
Lesen der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen der
Erfindung, die nur als Illustration und nicht als Beschränkung zu verstehen
sind, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
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- die Figur 1 eine schematische Ansicht von der Seite einer
Laserstrahlbearbeitungsmaschine ist mit einem Werkzeugkopf gemäß der
Erfindung,
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- die Figur 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung ist
eines Laserstrahlbearbeitungskopfes gemäß der Erfindung,
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- die Figur 3 eine Ansicht von oben ist, welche das
Supportteil der aktiven Partie des Kopfes gemäß der Erfindung darstellt,
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- die Figur 4 eine perspektivische Ansicht des Kopfes gemäß
der Erfindung ist, wobei dieser Bearbeitungskopf eine Ausweichposition
infolge eines seitlichen Stoßes der Düse gegen ein zu bearbeitendes
Werkzeug einnimmt, und
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- die Figur 5 eine Teildraufsicht ist zur Darstellung einer
Variante der Ausführung der Verbindung der aktiven Partie mit dem
Supportteil gemäß der Erfindung.
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Die detaillierte Beschreibung des Werkzeugs gemäß der
Erfindung erfolgt im Rahmen einer Anwendung auf einen
Laserstrahlbearbeitungskopf.
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Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf diese
Anwendung beschränkt ist und auf die beschriebenen oder ins Auge gefaßten
Ausführungenformen. Beispielsweise könnte ein Werkzeug gemäß der
Erfindung in seiner aktiven Partie eine Steuervorrichtung mit
Ultraschallabstrahlung umfassen.
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Indem zunächst auf Figur 1 bezuggenommen wird, erkennt man
eine Laserbearbeitungsmaschine, die insgesamt mit Bezugszeichen 1 markiert
ist. Diese Maschine 1 umfaßt in bekannter Weise ein Gestell 2, versehen
mit einer Laserquelle 4, eine Partie 6, die das Werkzeug bildet, und
einen
Tisch 8, auf dem ein zu bearbeitendes Werkstück 10 ruht. Der Tisch
und das Werkzeug sind relativ zueinander beweglich und werden gesteuert
von Elektromotoren (nicht dargestellt), beispielsweise in Reaktion auf
ein Steuerprogramm.
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Der Tisch 8 ist in einer Horizontalebene in den Richtungen X,
Y beweglich, und das Werkzeug 6 ist in Richtung der Vertikalen X
beweglich.
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Die Laserquelle 4 erzeugt einen Strahl 12, der von einem
Spiegel 14 in das Werkzeug 6 reflektiert wird. Dieser Strahl 12 durchsetzt
in der aktiven Partie 16 des Werkzeugs eine Eingangsöffnung 18 und wird
in diese letztere in herkömmlicher Weise fokalisiert, beispielsweise
durch eine konvergierende Linse 19 zum Definieren, in der Nähe eines
Ausgangs 20 des Werkzeugs, eines Arbeitspunktes 22, der sich auf dem zu
bearbeitenden Werkstück 10 befindet.
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Indem nun vor allem auf Figuren 2 und 3 verwiesen wird, umfaßt
das Werkzeug 6 gemäß der Erfindung eine aktive Partie 16, die
nachfolgend als Bearbeitungskopf bezeichnet wird. Der Bearbeitungskopf 16
umfaßt einen hohlzylindrischen Korpus 24 in generell Kegelstumpfform, der
eine Aufnahme für die Fokalisationsmittel des Laserstrahls bildet.
Dieser Korpus 24 weist an seinem oberen Ende eine Einlaßöffnung 18 des
Strahls auf, in seiner mittleren Partie einen Einlaß 27 für das
Bearbeitungsgas und an seinem freien unteren Ende eine Austrittsöffnung 20,
defininiert von einer Bearbeitungsdüse 26. In dieser Ausführungsform wird
die Bearbeitungsdüse 26 mit Hilfe einer Gewindebuchse 28 einjustiert. Es
versteht sich jedoch, daß in einer Variante der Ausführungsform die Düse
26 einstückig mit dem Korpus 24 des Kopfes 16 ausgeführt werden könnte.
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Wie sich aus Figur 2 ergibt, ist das obere Ende mit der
Einlaßöffnung 18 über einen Balgen 30 mit einem Gehäuse 32 verbunden, das
den Spiegel 14 (in dieser Figur nicht dargestellt) enthält.
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Im übrigen umfaßt der Korpus 24 gemäß der Erfindung drei
Vorsprünge 34a, 34b bzw. 34c (von denen nur zwei in den Figuren sichtbar
sind), welche Tiefenanschlagmittel bilden. Diese drei Vorsprünge, die
beispielsweise von zylindrischen Achsen gebildet werden, sind in
entsprechende Ausnehmungen, eingearbeitet in den Korpus 24, eingetrieben,
derart, daß diese Vorsprünge sich radial teilweise aus diesem heraus
erstecken. Vorzugsweise sind diese Vorsprünge im wesentlichen um 120º
zueinander relativ zu den anderen versetzt und erstrecken sich in ein- und
derselben Ebene zur Arbeitsrichtung W, W' des Strahls.
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Die Vorsprünge 34a, 34b, 34c ruhen jeweils in Ausnehmungen
36a, 36b bzw. 36c, eingearbeitet im wesentlichen bei 120º zueinander auf
der oberen Partie 37 eines Supportteils 38 und in Radialrichtung. Dieses
Supportteil 38 erstreckt sich in einer Ebene senkrecht zur Achse des
Strahls und ist starr verbunden mit dem Gestell der Maschine mittels
zweier Säulen 40, die sich parallel zum Korpus 24 des Kopfes erstrecken.
In der dargestellten Ausführungsform weist das Supportteil die Form
eines Hufeisens auf, um das Plazieren der unteren Partie des Kopfes auf
dem Support zu erleichtern. Es versteht sich jedoch, daß andere Formen
des Supportteils ins Auge gefaßt werden könnten, beispielsweise ein
Supportteil in Ringform.
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Wenn auf diese Weise der Kopf in den Ausnehmungen 36a, 36b,
36c aufsitzt, befindet sich die mittlere Partie des Kopfes zwischen den
zwei Armen 38a, 38b des Teils 38. Man erkennt in diesem Zusammenhang,
daß vorzugsweise der Schwerpunkt der Gesamtheit des Kopfes sich
unterhalb des Niveaus der mittleren Ebene des Supportteils 38 befindet, um
dem Kopf eine größere Stabilität zu verleihen, welch letzterer nur durch
sein Eigengewicht auf dem Supportteil aufruht.
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Wie aus Figuren 2 und 3 hervorgeht, erkennt man, daß die
Ausnehmungen 36a, 36b, 36c nicht direkt in der oberen Oberfläche des
Supportelementes eingearbeitet sind, sondern in den Boden einer geraden Nut
39a, 36b, 36c, eingearbeitet in diese Oberfläche 37. Die Flanken der
Nuten 36a, 36b, 36c stoßen nämlich jeweils auf die Bodenfläche von geraden
Nuten 39a, 36b, 39c. Man erkennt, daß die Tiefe der Nuten 39a, 36b, 36c
etwa gleich ist oder kleiner als der Durchmesser der Vorsprünge 34a,
34b, 34c und ihre Breite hinreichend ist, daß die Vorsprünge, wenn sie
aus den V-Nuten freikommen, aufgenommen werden können und abgestützt
werden können, ohne direkt blockiert zu werden von den seitlichen
Flächen der Nuten 39a, 39b, 39c. In einer vereinfachten Ausführungsform
(nicht dargestellt) kann man vorsehen, daß die Flanken der V-Nuten
direkt an der oberen Oberfläche 37 des Supports münden.
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Um eine gute Positionierung des Kopfes in dem Supportteil zu
gewährleisten wie auch eine Blockierung dieses Kopfes in der Ebene des
Supportteils, weisen die Ausnehmungen vorteilhafterweise die Form von
V-Nuten auf, auf deren Flanken die Vorsprünge ruhen.
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In diesem Zusammenhang erkennt man, daß der Öffnungswinkel des
V der Nuten, der in diesem Fall typischerweise 60º beträgt, die Kraft
bestimmt, die erforderlich ist, um die Vorsprünge aus diesen
Ausnehmungen zu lösen, welche Kraft im übrigen umso größer ist, je kleiner der
Winkel gewählt wird.
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Der Bearbeitungskopf umfaßt außerdem Mittel zum Erkennen von
Stößen mit einem äußeren Element, wie dem zu bearbeitenden Werkstück,
dem Tisch der Maschine oder dergleichen. Diese Erkennungsmittel umfassen
zwei mechanische Mikroschalter 42, die im gegebenen Falle ein
Anhaltesignal für die Maschine ausgeben. Wie dies in Figuren 2 und 3 sichtbar
ist, sind diese Mikroschalter jeweils in den Zweigen 38a bzw. 38b des
Supportteils 38 montiert.
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Diese Mikroschalter sind zwischen den Ausnehmungen 36a, 36b,
36c angeordnet und in Winkelrichtung zueinander um etwa 120º versetzt.
Auf diese Weise wird jede Änderung der Position oder Verlagerung des
Kopfes 16 während der Arbeit erfaßt.
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Diese Mikroschalter sind mit dem Steuerschaltkreis der
Maschine (nicht dargestellt) verbunden und weisen ein aktives Ende 43 auf, das
mit Kontaktpfosten 44 zusammenwirkt, die gegenüber diesen Enden 43 an
dem Korpus des Kopfes angearbeitet sind, wenn dieser in den Support 38
eingefügt ist.
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Die Arbeitsweise der Vorrichung wird nachstehend in Verbindung
mit Figur 4 beschrieben und, genauer gesagt, der Fall eines seitlichen
Stoßes des Bearbeitungskopfes gegen ein zu bearbeitendes Werkstück.
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Der Kopf 16 in seiner (vertikalen) Arbeitsposition ruht mit
seinem Eigengewicht auf dem Supportelement 38, und das Werkstück 10
verlagert sich relativ zu dem Kopf, beispielsweise in einer
Horizontalebene, wenn aus irgendeinem Grunde, wie einem Programmierfehler der
Maschine oder einem Bedienungsfehler der Bedienungsperson, die Düse 26 auf das
zu bearbeitende Werkstück 10 trifft. Zu diesem Zeitpunkt weicht der Kopf
aus und tendiert zur Absorption des Stoßes. Wie dies gestrichelt in
Figur 4 dargestellt ist, löst sich der Vorsprung 34a aus seiner
Ausnehmung, während die beiden anderen 34b, 34c zwei Abstützpunkte bilden,
durch die eine Achse PP' verläuft, um die der Kopf kippen kann. Die
Verlagerung des Kopfes bewirkt das Öffnen (oder, je nach dem, das
Schließen) eines oder beider Mikroschalter 42, so daß der
Steuerschaltkreis ein sofortiges Anhaltesignal empfängt. Zu diesem Zeitpunkt kann
die Bedienungsperson eingreifen, indem das Hindernis beseitigt wird und
der Kopf erneut in seine Arbeitsposition gesetzt wird.
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Man erkennt, daß in vorteilhafter Weise im Falle eines brüsken
Stoßes die drei Vorsprünge sich gleichzeitig aus ihren Ausnehmungen
lösen und in den Nuten 39a, 39b, 39c derart gehalten werden, daß der Kopf
nicht vom Support 38 frei kommen kann.
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Man versteht nun leicht, daß im Falle eines Stoßes des Kopfes
in Vertikalrichtung der Kopf sich anhebt, indem die Vorsprünge aus den
Ausnehmungen gehoben werden und die Mikroschalter betätigt werden.
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Schließlich erkennt man in Figur 5 eine Teilansicht einer
Ausführungsvarianten der Kippmittel und der Kopfabstützmittel. Gemäß dieser
Variante umfassen die Supportmittel ein Supportelement 38 in generell
identischer Form zu der in Verbindung mit Figuren 2 bis 4 beschriebenen.
Drei Vorsprünge 34a, 34b, 34c erstrecken sich jedoch radial und in
einund derselben Ebene senkrecht zur Strahlachse, ausgehend von der
Innenwandung 46 des Supportelements 38. Natürlich sind auch hier die drei
Vorsprünge zueinander um etwa 120º versetzt.
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Im übrigen haben die Mittel zum Verkippen des Kopfes eine
komplementäre Struktur, mittels der sie auf den drei Vorsprüngen aufsitzen.
Genauer gesagt, umfaßt der Kopf eine Schulter 48 oder einen zusätzlichen
Ring mit einer Aufruhoberfläche in Ringform 50, in die drei Ausnehmungen
36a, 36b, 36c eingearbeitet sind. Diese Ausnehmungen sind in gleicher
Weise um den Kopf herum verteilt und erstrecken sich in Radialrichtung,
und sie weisen die Form einer V-Nut auf.
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In den dargestellten Ausführungsformen ist der
Bearbeitungskopf vorzugsweise vertikal, doch erkennt man, daß der Kopf gemäß der
Erfindung auch einsetzbar ist im Falle, wo seine Arbeitsachse W, W' eine
leichte Neigung gegen die Vertikalachse aufweist, typischweise bis zu
30º.