EP3787833A1 - Laserbearbeitungskopf und laserbearbeitungsmaschine - Google Patents

Laserbearbeitungskopf und laserbearbeitungsmaschine

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Publication number
EP3787833A1
EP3787833A1 EP19720845.7A EP19720845A EP3787833A1 EP 3787833 A1 EP3787833 A1 EP 3787833A1 EP 19720845 A EP19720845 A EP 19720845A EP 3787833 A1 EP3787833 A1 EP 3787833A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser processing
axis
rotation
workpiece
processing head
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19720845.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Renz
Walter Thiel
Martin Petera
Karl Lukas Knierim
Michael Bohnert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Original Assignee
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG filed Critical Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Publication of EP3787833A1 publication Critical patent/EP3787833A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0869—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
    • B23K26/0876—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions
    • B23K26/0884—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions in at least in three axial directions, e.g. manipulators, robots
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
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    • B23K37/0211—Carriages for supporting the welding or cutting element travelling on a guide member, e.g. rail, track
    • B23K37/0235—Carriages for supporting the welding or cutting element travelling on a guide member, e.g. rail, track the guide member forming part of a portal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints
    • B25J17/0283—Three-dimensional joints
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0025—Means for supplying energy to the end effector
    • B25J19/0029—Means for supplying energy to the end effector arranged within the different robot elements
    • B25J19/0037—Means for supplying energy to the end effector arranged within the different robot elements comprising a light beam pathway, e.g. laser
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
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    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/02—Programme-controlled manipulators characterised by movement of the arms, e.g. cartesian coordinate type
    • B25J9/023—Cartesian coordinate type
    • B25J9/026—Gantry-type

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing head, in particular a laser cutting head, comprising: a first structural unit rotatably mounted about a first axis of rotation with a housing part, and a second structural unit rotatably mounted on the first structural unit about a second axis of rotation for aligning the first structural unit
  • the invention also relates to a
  • a scanner head with a first structural unit and with a second structural unit for aligning a laser beam with a workpiece has become known.
  • the first unit is rotatably mounted about a vertical axis (C-axis).
  • the second unit is attached to the first unit and rotatably mounted about a horizontal axis (B-axis).
  • B-axis For the scanning movement of the laser beam in a working field is in the second unit
  • Scanner mirror attached, which is tiltable about a first axis.
  • the or a further scanner mirror is / are arranged around a second, to the first vertical axis rotatable or tiltable in the second unit.
  • the scanner head described in EP 1 965 945 B1 is suitable for use in 3D laser processing systems or for attachment to an industrial robot.
  • the scanner head is usually fed a collimated laser beam.
  • Workpiece surface can be aligned.
  • a axis first axis
  • B axis second axis
  • Different kinematic structures for the realization of such a plasma cutting head are described for example in EP 2 584 419 A2, US 8946583 B2, WO 2011/052093 A1, US 8395075 B2 or EP2 292 361 A1 (with parallel kinematics).
  • the inclination of the laser cutting head can lead to an increased space requirement, which adversely affects the dynamics of cutting.
  • a light guide which only a limited mechanical
  • the invention has for its object to provide a laser processing head
  • Laser processing head can be reduced. Also, the laser processing head should be realized in a compact design possible.
  • a laser processing head of the type mentioned in which the housing part of the first unit an interface for coupling a fiber optic cable for the supply of a
  • Laser beam has in the laser processing head.
  • the light guide cable leads at oblique incidence of the laser beam on the
  • the interface on the housing part offset from the second unit and / or arranged offset or eccentric to the first axis of rotation.
  • the light guide cable typically coupled to an interface on the second unit, which is coaxial with one on the second unit
  • Housing part of the first unit for example, be aligned perpendicular to the second axis of rotation and at its end facing away from the second axis of rotation have the interface for the coupling of the optical fiber cable.
  • the housing part of the first assembly may extend in a basic position of the second unit, in which the longitudinal axis of the second unit is aligned perpendicular to the first and second axes of rotation, in a common plane with the second unit.
  • the second unit extends in the basic position with respect to the second axis of rotation in a housing part of the first unit opposite
  • a nozzle is mounted to the laser beam together with a process gas on the
  • the interface for coupling the optical fiber cable may for example be designed in the manner of a socket into which a plug of the optical fiber cable is inserted.
  • the laser beam typically emerges divergently from the fiber optic cable or interface and is collimated, for example, by means of a collimating lens located in the housing part, or formed by a multiple lens array, such as e.g. in EP2560783B1 is described.
  • the first axis of rotation and the second axis of rotation do not intersect and preferably have a distance of more than 30 mm to each other. Due to the spaced arrangement or the offset of the two axes of rotation in space, a very compact design of
  • Laser processing head can be achieved because the second axis of rotation can be arranged at a very small distance from a rotary drive for the first unit or to a support member (slide) on which the first unit is rotatably mounted in a laser processing machine.
  • the two axes of rotation intersect, however, it is typically necessary to arrange the second axis of rotation at a comparatively large distance from the carrier component or for the rotary drive, in order to prevent the second module from being introduced
  • Rotary axis of the second unit perpendicular to each other.
  • the use of two mutually perpendicular axes of rotation, which are both aligned horizontally, in particular in a basic position of the laser processing head, is particularly advantageous for the control or regulation of the axes of rotation.
  • the laser processing head is not fixedly arranged in the machine, but is moved over the workpiece, in the control of the axes of rotation carried out a precontrol to contour deviations in a vertical section through dynamic repercussions of the X and Y-axis movement on the rotary actuators minimize.
  • the same dynamics can be achieved as in a 2D laser processing machine, which does not offer the possibility of an oblique cut.
  • the laser processing head More precisely, the first assembly, for example by up to about +/- 60 ° relative to a vertical
  • Alignment (Z direction) can be tilted. In this way, in a plane perpendicular to the first axis of rotation an oblique cut with a
  • the first axis of rotation may in this case be aligned parallel to a first axial direction (X direction) of a laser processing machine, along which the
  • Laser processing head can be moved in the laser processing machine.
  • Laser processing head i. aligned perpendicular to the second assembly relative to the workpiece surface, parallel to a second axial direction (Y-direction) of the laser processing machine, along which the
  • Laser processing head can also be moved in the laser processing machine.
  • the laser processing head, more particularly the second assembly may be inclined about the second axis of rotation by up to about +/- 60 degrees relative to the Z direction (direction of gravity), for example, in a plane perpendicular to the second axis of rotation, i. perpendicular to the Y-direction, to produce an oblique cut at a corresponding angle in the workpiece.
  • the laser processing head has a first rotary drive for rotating the first structural unit about the first axis of rotation and a second rotary drive for rotating the second modular unit about the second axis of rotation.
  • the first assembly is rotatably mounted on the first rotary drive.
  • the second structural unit is rotatably mounted on the second rotary drive.
  • the second rotary drive is typically fixedly connected to the first unit or attached thereto and is therefore rotated together with the first unit about the first axis of rotation.
  • the maximum motor torques of the rotary drives can be selected such that they provide sufficient torque for the operation of the rotary axes, but are small enough for the laser processing head to yield during the rotation about the respective axis of rotation in the event of a collision and not to one
  • the first rotary drive is typically mounted on a carrier component arranged in a laser processing machine, which preferably extends in a plane perpendicular to the first axis of rotation.
  • the carrier component can be, for example, a carrier plate which is fastened to a displaceable slide of the laser processing machine or itself forms a displaceable slide.
  • the T rägerplatte may for example be mounted slidably on a carriage in the Z direction, which is guided in a horizontal direction on a guide, for example on a workpiece spanning portal, slidably.
  • the second structural unit has another
  • Interface for connecting at least one supply line wherein the further interface for aligning the supply line is formed at an angle between 30 ° and 60 ° to a longitudinal direction of the second unit.
  • the longitudinal direction of the second structural unit is typically coincident with the
  • Exit direction of the laser beam from the second unit match.
  • the second interface or the supply line (s) is not parallel to the longitudinal axis of the second
  • the further interface in the basic position of the second structural unit is further spaced from the carrier component or the first rotary drive than the second rotational axis, which generally runs parallel to the plane of the carrier component.
  • the second unit is usually fed via a supply line, a gas, which may be oxygen, nitrogen or gas mixtures. Via an electrical supply line, the second unit can be supplied with power. Further supply and signal or data lines are necessary, for example, in the integration of sensors into the machining head, for example for distance control, for monitoring the optical elements arranged in the machining head or for process monitoring. These and other supply line (s) can be in a common
  • Protective jacket for example in the form of a metal strip, are surrounded in order to avoid damage caused by reflected and / or scattered laser radiation.
  • the laser processing head comprises a focusing device for focusing the laser beam onto the workpiece.
  • the focusing device for example in the form of a focusing lens, can be arranged in the second structural unit.
  • the first structural unit has a first deflection device which is formed by the housing part of the first unit
  • the second structural unit has a second structural unit
  • Deflection device for deflecting the laser beam from the axial direction of the second axis of rotation in the direction of a longitudinal axis of the second structural unit. Since the interface for connecting the optical fiber cable is attached to the first and not to the second module, it is necessary, the laser beam, which after the extraction from the optical fiber, the laser processing head in free
  • Beam propagation passes, with the aid of a deflection in the direction of the longitudinal axis of the second unit to redirect along which the laser beam exits in the direction of the workpiece from the second unit.
  • the deflecting device arranged in the second constructional unit may, for example, be a prism or a deflecting mirror which is at an angle of 45 ° to the second axis of rotation and to the longitudinal direction of the second
  • a corresponding deflection device for example in the form of a deflection mirror, can be arranged in the first structural unit in order to 90 ° the laser beam from the perpendicular to the second axis of rotation housing part on which the interface for the coupling of the optical fiber cable is attached ° deflect, so that the laser beam along the axial direction of the second
  • Deflection arranged on the second axis of rotation to optimize the mass distribution of the laser processing head.
  • a laser processing machine for example a laser flatbed machine, comprising: a workpiece support for mounting a workpiece to be machined in a storage plane in the laser processing, as well as a laser processing head, which is designed as described above, for laser processing of the mounted on the workpiece support workpiece.
  • the workpiece storage may be a workpiece support, for example, a brushed workpiece table or a carrier pallet with support webs, for a plate-shaped workpiece, which is arranged stationary or displaceable on the workpiece support.
  • a workpiece support for example, a brushed workpiece table or a carrier pallet with support webs, for a plate-shaped workpiece, which is arranged stationary or displaceable on the workpiece support.
  • a handling device for a tubular workpiece for this purpose, for example, a rotatable chuck for clamping the tubular workpiece and one or more support means for
  • the workpiece storage of the laser processing machine can be designed in particular for the selective processing of plate-shaped or tubular workpieces in one and the same processing area, as described for example in EP 2 377 639 B1, which is incorporated by reference in its entirety to the contents of this application. If the laser processing head is not arranged above the tubular workpiece, but offset laterally to this and pivoted in the direction of the tubular workpiece, can in such a workpiece support tubular workpieces with larger
  • Diameter are processed as this would be the case without the provision of additional axes of rotation, without for this purpose the travel of the
  • Laser cutting head in the Z direction must be increased.
  • Laser processing head more precisely at the interface, a light guide cable coupled to couple a laser beam or laser radiation from a laser source in the laser processing head.
  • the laser source may be
  • the laser processing machine comprises a first movement device for moving the laser processing head or the
  • Movement device for moving the laser processing head or the
  • the first movement device can be a portal that can be moved by motor in the longitudinal direction (X direction) of the processing region, which extends in the transverse direction (Y direction) over the entire processing region.
  • the second movement device may be a motor-driven carriage which is displaceably guided along the portal in the second direction.
  • the longitudinal and transverse directions of the machining area may also be reversed, i. the X direction may correspond to the transverse direction and the Y direction to the longitudinal direction of the machining area.
  • the laser processing machine may include third movement means for moving the laser processing head in a direction perpendicular to the workpiece support.
  • the third movement device may be, for example, a carrier component (a carrier plate) that can be moved in the Z direction
  • Laser processing head which is attached to the slidable along the portal in the Y direction carriage.
  • first and / or the second movement means for
  • the laser processing machine includes additional movement means for moving the laser processing head in the second direction.
  • the laser processing head in addition to the movement in the second direction, by means of the second
  • Movement device is also moved with the help of the additional movement device in the second direction.
  • the additional mover typically builds on the second mover, i. This is moved or moved during the movement of the laser processing head with the second movement device.
  • the additional range of movement of the additional movement device in the second direction is generally much smaller than the range of movement of the second movement device and may for example not be more than about 20 cm, 30 cm or 40 cm. The movement of the
  • Laser processing head with the aid of the additional movement device is typically more dynamic than the movement with the aid of the second
  • the additional movement means can therefore be used to increase the contour accuracy in a cutting machining, by the movement of the laser processing head by means of the first and second movement means a movement by means of the additional
  • the additional movement means can also improve and accelerate the cutting free of workpiece parts, and also allows a fast evasive movement of the laser cutting head to be used in automatic part removal, e.g. by means of a suction unit, a
  • the additional movement device is designed to expand a movement region of the laser processing head in the second direction relative to a movement region of the second movement device in the second direction.
  • the laser processing machine is typically a flying optics machine in which the laser processing head is moved over the stationary mounted workpiece.
  • the range of movement of the second movement device in the form of the motor-driven carriage, which is guided displaceably along the portal in the second direction is limited in such a machine usually laterally by the machine base body.
  • the range of movement of the carriage or the width of the machine body is typically chosen so that it allows the laser machining of the workpiece over its entire width, when the laser processing head is aligned perpendicular to the top of the workpiece.
  • Machining device in the form of the carriage is not readily possible, since the carriage would abut laterally on the machine base body, if the portal does not extend laterally beyond the machine body. Due to the additional movement device can be a consuming broadening of
  • Machine body or the portal can be avoided.
  • Movement device builds up, the range of motion of the
  • Laser processing head can be extended in the second direction to the
  • the additional movement device can, for example, have or form a drive which is mounted on the carriage or on the carriage
  • Laser processing head is attached and which enables the
  • guide rails can be provided on the carriage and guide carriages on the laser processing head, or vice versa.
  • a measuring system can be implemented in the additional movement device.
  • one or more magnetic plates may be provided with permanent magnets.
  • the axial direction of the first axis of rotation extends parallel to the bearing plane of the workpiece and in particular coincides with the first direction.
  • the axial direction of the second axis of rotation is correct in a basic position of the laser processing head, in which the Laser processing head aligns the laser beam perpendicular to the workpiece, coincide with the second direction.
  • the axis direction of the first rotation axis is parallel to the X direction
  • the axis direction of the second rotation axis is parallel to the Y direction of the processing area or the laser processing machine, or vice versa.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Optical fiber cable is supplied laser radiation
  • Fig. 2a, b is a three-dimensional representation and a sectional view of the
  • FIG. 3 is an illustration of the laser cutting head of FIG. 1 during the rotation of a second assembly of the laser cutting head about a second axis of rotation
  • FIG. 4 is a view of the laser cutting head of FIG. 1 during the rotation of a first assembly of the laser cutting head about a first, to the second vertical axis,
  • Fig. 5 is an illustration of two rotary actuators for rotation of the first / second
  • FIG. 6 is a schematic representation of a machine base body with the obliquely aligned laser cutting head of Fig. 4 at two end positions of the movement range of a carriage on which the laser processing head is mounted, and
  • Fig. 7 is a schematic representation of the laser cutting head of Fig. 6 with an additional movement means for expanding the
  • Fig. 1 shows an exemplary, schematic structure of a
  • Laser processing machine 1 in the form of a laser flatbed machine for
  • the workpiece 2 is located during processing on a
  • Workpiece storage in the form of a workpiece table or a (not shown in detail) workpiece carrier pallet 3, which forms an XY plane of an XYZ coordinate system or a storage plane E of the workpiece.
  • the workpiece table or the pallet 3 has an extending in the X direction
  • a laser processing head in the form of a laser cutting head 4 is moved over the workpiece 2 in the X direction and in the Y direction.
  • Moving device for the movement of the laser cutting head 4 in the X direction is a portal 5, which spans the workpiece table or the pallet 3.
  • the portal 5 is along two laterally to the workpiece table or to the pallet 3 on
  • Machine base M mounted guides (not shown) controlled driven in the X direction slidably.
  • a second movement means for the movement of the laser cutting head 4 in the Y direction is a carriage 6 which is mounted and guided on the portal 5 and which is controlled by the motor 5 movable along the portal 5 in the Y direction.
  • the laser cutting head 4 is at a
  • the laser cutting head 4 has a first structural unit 8 and a second structural unit 9.
  • the first structural unit 8 comprises a housing part 8a and a retaining element 8b (see Fig. 5) and is rotatably mounted on the carrier component 7 about a first axis of rotation A (see Fig. 2a, b) extending parallel to the X-direction.
  • the laser cutting head 4 has a first rotary drive 10 which is fixedly mounted on the support member 7.
  • the second unit 9 is attached directly or indirectly via a second rotary drive 13.
  • the second unit 9 is used for
  • the second unit 9 also includes a housing part 9a and a cutting gas nozzle 24 attached thereto and is rotatably mounted on the first unit 8 about a second axis of rotation B, the is aligned perpendicular to the first axis of rotation A.
  • the laser cutting head 4 has the second rotary drive 13.
  • the housing part 8a of the first unit 8 and the second rotary drive 13 are arranged on opposite sides of the second unit 9, so that the first rotary drive 10 a
  • This arrangement also allows a two-sided storage of the second unit 9 on the second
  • the second axis of rotation B extends in a basic position shown in Fig. 2a, b of the laser cutting head 4, in which the second unit 9 is aligned with its longitudinal axis 12 parallel to the Z-direction, along the Y-direction, i. in the
  • Laser beam 11 is aligned perpendicular to the workpiece 2 (in the Z direction).
  • the first unit 8 on the housing part 8a an interface 14 for coupling a light guide 15 for the supply of the laser beam 11 in the laser processing head 4, more precisely in the housing part 8a of the first unit 8, on.
  • the light guide 15 is used to supply the Laser beam 11 from a laser source 16 in the form of a solid-state laser,
  • a diode, fiber or disk laser for example, a diode, fiber or disk laser.
  • an exit-side end of the light-conducting cable 15 has a plug which is inserted into the interface 14 in the form of a socket
  • the interface 14 is mounted on the first unit 8 eccentrically to the first axis of rotation A, in a direction perpendicular to the second axis of rotation B housing part 8a of the first unit. 8
  • the first structural unit 8 is fastened to the carrier component 7, more precisely to the first rotary drive 10, via the plate-shaped holding element 8b, which is concealed in FIG. 2b by the housing part 8a running perpendicular to the second axis of rotation B and shown in FIG.
  • the laser beam 11 diverges from the light guide cable 15 and is collimated by a collimating lens 17.
  • the collimated laser beam 11 is deflected at an arranged in the housing part 8a of the first unit 8 first deflection in the form of a deflecting mirror 18 of the longitudinal direction 19 of the housing part 8a by 90 ° in the direction of the second axis of rotation B.
  • the laser beam 11 from a mounted in the housing part 9a of the second unit 9 second deflection in the form of a second
  • Housing part 9a of the second unit 9 mounted focusing lens 21 is used to focus the laser beam 11 in the region of the workpiece 2. It is understood that the beam guidance of the laser beam 11 in the laser cutting head 4 does not necessarily have to be in the manner shown in Fig. 2b. In particular, the two structural units 8, 9 can have a geometry deviating from the construction shown in FIGS. 1 and 2 a, b.
  • one of the deflecting mirrors 18, 20 may be formed as a focusing mirror, so that it is possible to dispense with a focusing lens 21.
  • one of the deflection mirrors may be pivotable in order to influence the lateral position of the laser beam axis within the cutting gas nozzle 24.
  • Elements may be arranged in the laser cutting head 4.
  • the laser cutting head 4 also has sensor components for controlling the distance between the cutting gas nozzle 24 and the workpiece surface and for monitoring the optical elements in the laser cutting head or for monitoring the processing area on
  • the second structural unit 9 has a further interface depicted in FIG. 2a
  • the 23 may be, for example, a (flexible) gas supply line to supply the second unit 9, a cutting gas, which together with the focused laser beam 11 through a nozzle opening of the workpiece side end of the housing part 9a of the second unit 9 arranged Schneidgasdüse
  • the further interface 22 can serve, for example, for coupling further fluid lines (for example for cooling water), electrical supply lines or signal or data lines to the second unit 9.
  • the supply line (s) 23 can be accommodated in a common energy supply chain, which has a shield, for example in the form of a protective sheath, in particular in the form of a metal sheet, to protect the supply line (s) 23 from reflected and / or scattered laser radiation ,
  • the further interface 22 is oriented at an angle d of approximately 45 ° to the longitudinal direction 12 of the housing part 9 a of the second structural unit 9 in order to place the supply line (s) 23 under one
  • Supply line (s) 23 during the rotation of the second unit 9 about the second axis of rotation B do not collide with the other components of the laser cutting head, in particular not with the first rotary drive 10.
  • an alignment of the other interface 22 at an angle d between about 30 ° and 60 ° to the longitudinal direction 12 of the second unit 9 has proven to be favorable for this purpose. It is also advantageous for this purpose if the further interface 22 is further spaced from the plate-shaped carrier component 7 or from the first rotary drive 10 than the second axis of rotation B, as is the case in the example shown in FIG. 2a.
  • the first axis of rotation A and the second axis of rotation B do not intersect; rather, the first axis of rotation A and the second axis of rotation B are spaced apart by a distance d which is more than 30 mm and, for example, of the order of magnitude can be between about 50 mm and about 100 mm.
  • d which is more than 30 mm and, for example, of the order of magnitude can be between about 50 mm and about 100 mm.
  • the axis of rotation B are arranged at a smaller distance in the X direction to the first rotary drive 10 than would be the case if the two
  • Rotary axes A, B would intersect.
  • the second assembly 9 can be rotated from the basic position G about the second axis of rotation B by a slanted cutting angle ß more than +/- 60 °, without causing a collision.
  • the first assembly 8 may be about the first axis of rotation A under a
  • Slant cutting angle a of up to about +/- 60 ° are aligned relative to the Z direction, as shown in phantom in Fig. 4.
  • the light guide 15 is moved only in the ZY plane and thereby pivoted over a relatively small angle range of about 90 °, so that only a slight mechanical stress is exerted on this.
  • the The second structural unit 9 is rotated from the vertical basic position shown in FIG. 4 (see FIG. 3), this does not lead to a movement of the optical fiber cable 15. In this way, on the one hand a long life of the optical fiber 15 is ensured and on the other hand, repercussions from the movement of the optical fiber 15 on the two axes of rotation A, B reduced.
  • Fig. 6 shows the machine base M of the laser processing machine 1 of Fig. 1, in which the portal 5 is limited in its lateral extent in the Y direction by two machine cheeks on which the guides for the movement of the portal 5 in the X direction are formed.
  • the laser cutting head 4 is shown in Fig. 6 in two positions in the Y direction, which form the end positions of a movement region 25 of the carriage 6 in the Y direction.
  • the end positions of the movement region 25 are defined in Fig. 6 at the center of the carriage 6, through which the first axis of rotation A extends.
  • the movement region 25 of the carriage 6 in the Y direction corresponds to the processing area on which the workpiece 2 mounted on the work table 3 can be processed.
  • the range of movement 25 of the carriage 6 is chosen so that the
  • Workpiece 2 can be processed over its entire width in the Y direction with a vertical cut.
  • the workpiece 3 can be due Accordingly, the workpiece 2 can not be processed by moving the carriage 6 along the portal 5 over its entire width with a bevel cut.
  • Fig. 7 shows a laser cutting head 4, which by means of an additional
  • Moving device 26 can be positioned in addition to the movement of the carriage 6 in the Y direction.
  • the laser cutting head 4, more precisely the first rotary drive 10 is not fastened directly to the carrier component 7, but by means of the additional movement means 26 relative to the
  • the extension of an additional range of motion 27 of the laser cutting head 4 and the first rotary drive 10 in the Y direction relative to the support member 7 is in the example shown at about 400 mm, +/- 200 mm from the center of the support member 7 and from the first rotation axis A.
  • the thus extended range of motion 28 of the laser cutting head 4 extends from the left end position of the carriage 6 by about -200 mm in addition in the negative Y direction and from the right end position of the carriage 6 in addition to about + 200 mm in positive Y. -Direction. Due to the extended range of motion 28 of the
  • Laser cutting head 4 in the Y direction the workpiece 2 can be processed practically over its entire width by oblique cutting.
  • the additional movement device is designed as a linear motor 26.
  • the linear motor 26 has a magnetic plate 29 (stator) which extends in the Y direction over the entire additional movement region 27 of the laser cutting head 4 and which cooperates with a rotor 30 which is fixed to the first rotary drive 10 of the laser processing head 4.
  • the rotor 30 of the linear motor 26 becomes in its movement at two in the Y direction
  • a measuring system may be provided.
  • the measuring system can be contained in one of the linear guides 31a, 31b.
  • the additional movement device 26, which serves as an additional axis in the Y direction is not necessarily designed as a linear motor and in particular may be formed in a different manner than shown in FIG.
  • the laser cutting machine 1 shown in Fig. 1 may be formed not only for the cutting machining of plate-shaped workpieces 2, but also for the cutting machining of tubular workpieces.
  • a handling device for a tubular workpiece is arranged be as described for example in EP 2 377 639 B1.
  • Handling equipment typically includes a rotatable chuck and one or more support means for supporting the tubular workpiece.
  • tubular workpieces can be machined with a larger diameter than is the case with a conventional laser cutting machine without the two additional axes of rotation A, B, without the.
  • the laser processing head 4 can in this case laterally adjacent to
  • tubular workpiece or arranged to its cross-section and pivoted at an angle in the direction of the tubular workpiece to edit this. It is understood that the above described
  • Laser cutting head 4 can also be used in other types of laser cutting machines 1 as described in connection with FIG. 1 laser flatbed machine.
  • Laser cutting machine can be used, in which the workpiece 2 does not rest on the pallet, but is moved in the X and / or Y direction over a workpiece support, as well as in an exclusively for cutting tubular workpieces laser cutting machine or in a laser punching combination machine ,

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf (4) zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (2), umfassend: eine um eine erste Drehachse (A) drehbar gelagerte erste Baueinheit (8) mit einem Gehäuseteil (8a), sowie eine an der ersten Baueinheit (8) um eine zweite Drehachse (B) drehbar gelagerte zweite Baueinheit (9) zum Ausrichten eines Laserstrahls (11) auf das Werkstück (2). Der Gehäuseteil (8a) der ersten Baueinheit (8) weist eine Schnittstelle (14) zur Ankopplung eines Lichtleitkabels (15) für die Zuführung des Laserstrahls (11) in den Laserbearbeitungskopf (4) auf. Die Erfindung betrifft auch eine Laserbearbeitungsmaschine (1), umfassend: eine Werkstücklagerung (3) zur Lagerung eines zu bearbeitenden Werkstücks (2) in einer Lagerungsebene (E) bei der Laserbearbeitung, sowie einen Laserbearbeitungskopf (4) wie er weiter oben beschrieben ist zur Laserbearbeitung des an der Werkstücklagerung (3) gelagerten Werkstücks (2).

Description

LASERBEARBEITUNGSKOPF UND LASERBEARBEITUNGSMASCHINE
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere einen Laserschneidkopf, umfassend: eine um eine erste Drehachse drehbar gelagerte erste Baueinheit mit einem Gehäuseteil, sowie eine an der ersten Baueinheit um eine zweite Drehachse drehbar gelagerte zweite Baueinheit zum Ausrichten des
Laserstrahls auf das Werkstück. Die Erfindung betrifft auch eine
Laserbearbeitungsmaschine mit einem solchen Laserbearbeitungskopf.
Aus der EP 1 965 945 B1 ist ein Scannerkopf mit einer ersten Baueinheit und mit einer zweiten Baueinheit zum Ausrichten eines Laserstrahls auf ein Werkstück bekannt geworden. Die erste Baueinheit ist um eine vertikale Achse (C-Achse) drehbar gelagert. Die zweite Baueinheit ist an der ersten Baueinheit befestigt und um eine horizontale Achse (B-Achse) drehbar gelagert. Für die scannende Bewegung des Laserstrahls in einem Arbeitsfeld ist in der zweiten Baueinheit ein
Scannerspiegel angebracht, der um eine erste Achse verkippbar ist. Der oder ein weiterer Scannerspiegel ist/sind um eine zweite, zur ersten senkrechte Achse drehbar oder verkippbar in der zweiten Baueinheit angeordnet. Der in der EP 1 965 945 B1 beschriebene Scannerkopf ist zur Verwendung in 3D-Laserbearbeitungs- anlagen oder zur Anbringung an einem Industrieroboter geeignet. Dem Scannerkopf wird in der Regel ein kollimierter Laserstrahl zugeführt.
Neben Laserbearbeitungsmaschinen, die zur dreidimensionalen Bearbeitung von Werkstücken ausgebildet sind, ist es auch bei so genannten 2D- Bearbeitungsmaschinen günstig, in einem z.B. plattenförmigen Werkstück für das Schweißen vorbereitete schräge Kanten schneiden zu können. Um dies zu erreichen, ist es erforderlich, dass der Bearbeitungsstrahl nicht nur senkrecht, sondern auch unter einem Winkel von bis zu ca. 45° zur (planen)
Werkstückoberfläche ausgerichtet werden kann. Zu diesem Zweck ist es beispielsweise bei Plasmaschneidmaschinen bekannt, eine erste Baueinheit des Bearbeitungskopfs um eine erste Achse (A-Achse) und eine zweite Baueinheit um eine zweite, zur ersten nicht parallel ausgerichtete Achse (B- Achse) zu drehen. Unterschiedliche kinematische Strukturen zur Realisierung eines solchen Plasma-Schneid kopfs sind beispielsweise in der EP 2 584 419 A2, der US 8946583 B2, der WO 2011/052093 A1 , der US 8395075 B2 oder der EP2 292 361 A1 (mit Paralielkinematik) beschrieben.
Grundsätzlich besteht bei einem Laserschneidkopf oder einem Plasmaschneidkopf mit zwei zusätzlichen Drehachsen das Problem, dass die Drehantriebe zu einer Massenerhöhung in der Nähe des Kopfs bzw. des Tool Center Points führen, die bei einem Geradschnitt, bei dem der Kopf senkrecht zur Werkstückoberfläche
ausgerichtet ist, zu einer ggf. erheblichen Reduzierung der Dynamik und somit der Produktivität der (schneidenden) Bearbeitung führen. Im Teilespektrum der zu fertigenden Werkstückteile nehmen schräg geschnittene Werkstückteile jedoch in der Regel einen deutlich kleineren Anteil gegenüber den mit einem senkrechten Schnitt zu fertigenden Werkstückteilen ein. Für den Erfolg einer Laserschneidmaschine, die das Schrägschneiden ermöglicht, ist es daher erforderlich, dass diese
Laserschneidmaschine bei einem senkrechten Schnitt praktisch die gleiche
Produktivität erreicht wie eine vergleichbare Laserschneidmaschine, die nicht über die Fähigkeit zum Schrägschneiden verfügt.
Insbesondere wenn der Laserstrahl dem Laserschneidkopf über ein Lichtleitkabel zugeführt wird, kann die Schrägstellung des Laserschneid kopfs zu einem erhöhten Platzbedarf führen, welcher die Dynamik des Schneidens negativ beeinflusst. Auch ist ein solches Lichtleitkabel, welches nur eine eingeschränkte mechanische
Flexibilität aufweist, aufgrund der Schwenkbewegungen des Laserbearbeitungskopfs hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserbearbeitungskopf,
insbesondere einen Laserschneidkopf, und eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem solchen Laserbearbeitungskopf bereitzustellen, bei dem mechanische Belastungen auf ein Lichtleitkabel zur Zuführung von Laserstrahlung zu dem
Laserbearbeitungskopf reduziert werden. Auch soll der Laserbearbeitungskopf in einer möglichst kompakten Bauform realisiert werden.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Laserbearbeitungskopf der eingangs genannten Art gelöst, bei dem der Gehäuseteil der ersten Baueinheit eine Schnittstelle zur Ankopplung eines Lichtleitkabels für die Zuführung eines
Laserstrahls in den Laserbearbeitungskopf aufweist.
Durch die Ankopplung des Lichtleitkabels an der ersten Baueinheit wird das
Lichtleitkabel bei einer schrägen (nicht senkrechten) Ausrichtung der zweiten
Baueinheit relativ zur Werkstückoberfläche, beispielsweise bei einem Schrägschnitt, nur um die erste Drehachse, aber nicht um die zweite Drehachse gedreht. Das Lichtleitkabel führt bei schrägem Einfall des Laserstrahls auf die
Werkstückoberfläche, z. B bei einem Schrägschnitt, egal unter welchem Winkel, daher nur eine Bewegung in einer Ebene senkrecht zur ersten Drehachse aus. Dies hat den Vorteil, dass mechanische Belastungen auf das Lichtleitkabel reduziert werden.
Im Gegensatz zu einer dreidimensionalen Bewegung des Lichtleitkabels, wie sie bei der Ankopplung an der zweiten Baueinheit gegeben wäre, erfährt das Lichtleitkabel bei der Ankopplung an die erste Baueinheit eine geringere mechanische Belastung und erreicht eine hohe mechanische Lebensdauer, die praktisch der Lebensdauer eines Lichtleitkabels bei einer herkömmlichen Laserbearbeitungsmaschine (ohne zusätzliche Drehachsen) entspricht. Durch die geführte 2-dimensionale Bewegung des Lichtleitkabels sind zudem Rückwirkungen aus der Bewegung des Lichtleitkabels auf die Drehachsen deutlich geringer als bei einer Ankopplung des Lichtleitkabels an der zweiten Baueinheit.
Bei einer Ausführungsform ist die Schnittstelle an dem Gehäuseteil versetzt zur zweiten Baueinheit und/oder versetzt bzw. exzentrisch zur ersten Drehachse angeordnet. Bei herkömmlichen Laserschneidköpfen zur schrägen Bearbeitung wird das Lichtleitkabel hingegen typischerweise an einer Schnittstelle an der zweiten Baueinheit angekoppelt, die koaxial zu einer an der zweiten Baueinheit
angeordneten Düse oder Austrittsöffnung ist, durch die der Laserstrahl aus dem Bearbeitungskopf in Richtung auf das Werkstück austritt. Eine solche Positionierung der Schnittstelle an der zweiten Baueinheit hätte bei dem hier beschriebenen
Laserbearbeitungskopf zur Folge, dass die Bewegung des Lichtleitkabels bei einem Einfallswinkel des Laserstrahls auf dem Werkstück von bis zu ca. 45 einen erheblichen Bauraum benötigen würde. Kleine Richtungsänderungen am Tool Center Point bewirken in diesem Fall eine große Bewegung des Lichtleitkabels mit entsprechend hohen Beschleunigungen bzw. Kräften, welche die mechanische Lebensdauer des Lichtleitkabels reduzieren würden.
Für die exzentrische bzw. versetzte Anordnung der Schnittstelle kann der
Gehäuseteil der ersten Baueinheit beispielsweise senkrecht zur zweiten Drehachse ausgerichtet sein und an seinem der zweiten Drehachse abgewandtem Ende die Schnittstelle für die Ankopplung des Lichtleitkabels aufweisen. Der Gehäuseteil der ersten Baueinheit kann in einer Grundstellung der zweiten Baueinheit, in welcher die Längsachse der zweiten Baueinheit senkrecht zur ersten und zweiten Drehachse ausgerichtet ist, in einer gemeinsamen Ebene mit der zweiten Baueinheit verlaufen. Die zweite Baueinheit erstreckt sich in der Grundstellung in Bezug auf die zweite Drehachse in eine dem Gehäuseteil der ersten Baueinheit entgegengesetzte
Richtung. An einem freien Ende der zweiten Baueinheit ist typischerweise eine Düse angebracht, um den Laserstrahl gemeinsam mit einem Prozessgas auf das
Werkstück auszurichten.
Die Schnittstelle zur Ankopplung des Lichtleitkabels kann beispielsweise in der Art einer Buchse ausgebildet sein, in die ein Stecker des Lichtleitkabels eingeführt wird. Der Laserstrahl tritt aus dem Lichtleitkabel bzw. aus der Schnittstelle typischerweise divergent aus und wird beispielsweise mit Hilfe einer im Gehäuseteil angeordneten Kollimationslinse kollimiert oder durch eine Mehrfachlinsenanordnung geformt, wie sie z.B. in der EP2560783B1 beschrieben ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform schneiden sich die erste Drehachse und die zweite Drehachse nicht und weisen bevorzugt einen Abstand von mehr als 30 mm zueinander auf. Durch die beabstandete Anordnung bzw. den Versatz der beiden Drehachsen im Raum kann eine sehr kompakte Bauweise des
Laserbearbeitungskopfs erreicht werden, weil die zweite Drehachse in einem sehr geringen Abstand zu einem Drehantrieb für die erste Baueinheit bzw. zu einem Trägerbauteil (Schlitten) angeordnet werden kann, an dem die erste Baueinheit in einer Laserbearbeitungsmaschine drehbar gelagert ist. Für den Fall, dass die beiden Drehachsen sich schneiden, ist es hingegen typischerweise erforderlich, die zweite Drehachse in einem vergleichsweise großen Abstand zum Trägerbauteil bzw. zum Drehantrieb anzuordnen, um zu verhindern, dass die zweite Baueinheit beim
Verschwenken in Richtung auf das Trägerbauteil mit letzterem bzw. mit dem
Drehantrieb kollidiert.
Neben einem kompakten Aufbau des Laserbearbeitungskopfs, der die Masse des Laserbearbeitungskopfs minimiert, kann durch die beabstandete Anordnung der beiden Drehachsen auch eine steife Anbindung des Laserbearbeitungskopfs nahe zum Trägerbauteil erreicht werden, d.h. der Abstand zwischen der zu bewegenden Masse des Laserbearbeitungskopfs und dem T rägerbauteil kann klein gehalten werden. Auf diese Weise lassen sich negative Auswirkungen der zusätzlichen Drehachsen auf die Dynamik der Laserbearbeitungsmaschine minimieren.
Bevorzugt stehen die erste Drehachse der ersten Baueinheit und die zweite
Drehachse der zweiten Baueinheit senkrecht aufeinander. Die Verwendung von zwei zueinander senkrechten Drehachsen, die insbesondere in einer Grundstellung des Laserbearbeitungskopfs beide horizontal ausgerichtet sind, ist insbesondere für die Steuerung bzw. die Regelung der Drehachsen vorteilhaft. Grundsätzlich kann, wenn der Laserbearbeitungskopf nicht feststehend in der Maschine angeordnet ist, sondern über das Werkstück bewegt wird, bei der Regelung der Drehachsen eine Vorsteuerung erfolgen, um Konturabweichungen bei einem senkrechten Schnitt durch dynamische Rückwirkungen der X- und Y-Achsbewegung auf die Drehantriebe zu minimieren. Auf diese Weise kann trotz der nicht zu vermeidenden höheren Masse und geringeren Steifigkeit des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfs die gleiche Dynamik erreicht werden wie bei einer 2D-Laserbearbeitungsmaschine, welche nicht die Möglichkeit eines Schrägschnittes bietet. Um die erste Drehachse kann der Laserbearbeitungskopf, genauer gesagt die erste Baueinheit, beispielsweise um bis zu ca. +/- 60° relativ zur einer vertikalen
Ausrichtung (Z-Richtung) schräg gestellt werden. Auf diese Weise kann in einer Ebene senkrecht zur ersten Drehachse ein schräger Schnitt mit einem
entsprechenden Schrägschneidwinkel in das Werkstück eingebracht werden. Die erste Drehachse kann hierbei parallel zu einer ersten Achsrichtung (X-Richtung) einer Laserbearbeitungsmaschine ausgerichtet sein, entlang derer der
Laserbearbeitungskopf in der Laserbearbeitungsmaschine bewegt werden kann.
Entsprechend kann die zweite Drehachse in einer Grundstellung des
Laserbearbeitungskopfs, d.h. bei senkrechter Ausrichtung der zweiten Baueinheit relativ zur Werkstückoberfläche, parallel zu einer zweiten Achsrichtung (Y-Richtung) der Laserbearbeitungsmaschine ausgerichtet sein, entlang derer der
Laserbearbeitungskopf ebenfalls in der Laserbearbeitungsmaschine bewegt werden kann. Der Laserbearbeitungskopf, genauer gesagt die zweite Baueinheit, kann um die zweite Drehachse beispielsweise um bis zu ca. +/- 60° relativ zur Z-Richtung (Schwerkraftrichtung) schräg gestellt werden, um in einer Ebene senkrecht zur zweiten Drehachse, d.h. senkrecht zur Y-Richtung, einen schrägen Schnitt unter einem entsprechenden Winkel in dem Werkstück zu erzeugen. Durch ein
überlagertes Schwenken der ersten Baueinheit um die erste Drehachse und der zweiten Baueinheit um die zweite Drehachse werden Schrägschnitte in das
Werkstück in eine beliebige Richtung ermöglicht.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Laserbearbeitungskopf einen ersten Drehantrieb zur Drehung der ersten Baueinheit um die erste Drehachse sowie einen zweiten Drehantrieb zur Drehung der zweiten Baueinheit um die zweite Drehachse auf. In diesem Fall ist die erste Baueinheit an dem ersten Drehantrieb drehbar gelagert. Entsprechend ist die zweite Baueinheit an dem zweiten Drehantrieb drehbar gelagert. Der zweite Drehantrieb ist typischerweise fest mit der ersten Baueinheit verbunden bzw. an dieser befestigt und wird daher gemeinsam mit der ersten Baueinheit um die erste Drehachse gedreht.
Vorzugsweise sind der Gehäuseteil der ersten Baueinheit, an dem das Lichtleitkabel angekoppelt wird, und der zweite Drehantrieb auf gegenüberliegenden Seiten der zweiten Baueinheit angeordnet, so dass eine gleichmäßige Masseverteilung relativ zur Drehachse des ersten Drehantriebs erreicht wird.
Die maximalen Motor-Drehmomente der Drehantriebe können aufgrund des kompakten Aufbaus des Laserbearbeitungskopfs so gewählt werden, dass diese einerseits ein ausreichendes Moment für den Betrieb der Drehachsen bereitstellen, aber andererseits klein genug sind, dass der Laserbearbeitungskopf bei der Drehung um die jeweilige Drehachse im Kollisionsfall nachgibt und es nicht zu einer
Beschädigung des Laserbearbeitungskopfs bzw. der Laserbearbeitungsmaschine kommt. Auf diese Weise können schwere, bauraumintensive Kupplungen entfallen. Die kompakte Bauform des Laserbearbeitungskopfs in Verbindung mit den ausreichenden Motordrehmomenten und der steifen Anbindung der Drehachse(n) erlaubt es, mit den Drehachsen kleine und schnelle Achsbewegungen auszuführen, so dass die beiden zusätzlichen Drehachsen als Zusatzachsen betrieben werden können, um einen schnellen Schnitt („rapid cut“) durchzuführen.
Der erste Drehantrieb ist typischerweise an einem in einer Laserbearbeitungsmaschine angeordneten Trägerbauteil angebracht, das sich bevorzugt in einer Ebene senkrecht zur ersten Drehachse erstreckt. Bei dem Trägerbauteil kann es sich beispielsweise um eine Trägerplatte handeln, die an einem verschiebbaren Schlitten der Laserbearbeitungsmaschine befestigt ist oder selbst einen verschiebbaren Schlitten bildet. Die T rägerplatte kann beispielsweise in Z-Richtung verschiebbar an einem Schlitten angebracht sein, der in horizontaler Richtung an einer Führung, beispielsweise an einem das Werkstück überspannenden Portal, verschiebbar geführt ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist die zweite Baueinheit eine weitere
Schnittstelle zur Anbindung mindestens einer Versorgungsleitung auf, wobei die weitere Schnittstelle zur Ausrichtung der Versorgungsleitung unter einem Winkel zwischen 30° und 60° zu einer Längsrichtung der zweiten Baueinheit ausgebildet ist. Die Längsrichtung der zweiten Baueinheit stimmt typischerweise mit der
Austrittsrichtung des Laserstrahls aus der zweiten Baueinheit überein. Um zu vermeiden, dass die Verso rgungsleitung(en) bzw. die weitere Schnittstelle beim Schwenken der zweiten Baueinheit um die zweite Richtung mit dem ersten Drehantrieb bzw. mit dem Trägerbauteil kollidieren, wird die zweite Schnittstelle bzw. werden die Versorgungsleitung(en) nicht parallel zur Längsachse der zweiten
Baueinheit, sondern unter einem Winkel von ca. 30° bis 60° zur Längsrichtung der zweiten Baueinheit ausgerichtet.
In der Grundstellung der zweiten Baueinheit ist die Längsrichtung der zweiten
Baueinheit senkrecht zur ersten Drehachse und zur zweiten Drehachse ausgerichtet. In dieser Grundstellung der zweiten Baueinheit ist die weitere Schnittstelle
typischerweise an einer dem ersten Drehantrieb bzw. dem Trägerbauteil
abgewandten Seite der zweiten Drehachse angebracht. Mit anderen Worten ist die weitere Schnittstelle in der Grundstellung der zweiten Baueinheit weiter von dem T rägerbauteil bzw. dem ersten Drehantrieb beabstandet als die zweite Drehachse, die in der Regel parallel zur Ebene des T rägerbauteils verläuft.
Der zweiten Baueinheit wird in der Regel über eine Versorgungsleitung ein Gas zugeführt, bei dem es sich um Sauerstoff, Stickstoff oder auch um Gasmischungen handeln kann. Über eine elektrische Versorgungsleitung kann die zweite Baueinheit mit Strom versorgt werden. Weitere Versorgungs- und Signal- bzw. Datenleitungen sind beispielsweise bei der Integration von Sensoren in den Bearbeitungskopf, beispielsweise zur Abstandsregelung, zur Überwachung der im Bearbeitungskopf angeordneten optischen Elemente oder zur Prozessüberwachung, notwendig. Diese und weitere Versorgungsleitung(en) können in einer gemeinsamen
Energieführungskette oder dergleichen verlaufen, in der diese von einem
Schutzmantel, beispielsweise in Form eines Metallstreifens, umgeben sind, um Schäden durch reflektierte und/oder gestreute Laserstrahlung zu vermeiden.
Typischerweise umfasst der Laserbearbeitungskopf eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des Laserstrahls auf das Werkstück. Die Fokussiereinrichtung, beispielsweise in Form einer Fokussierlinse, kann in der zweiten Baueinheit angeordnet sein. Es ist alternativ auch möglich, die gesamte Fokussierung oder zumindest einen Teil der Fokussierung des Laserstrahls in der ersten Baueinheit vorzunehmen.
In einer Ausführungsform weist die erste Baueinheit eine erste Umlenkeinrichtung auf, die ausgebildet ist, den durch den Gehäuseteil der ersten Baueinheit
propagierenden Laserstrahl in eine Achsrichtung der zweiten Drehachse
umzulenken, so dass er parallel, insbesondere konzentrisch zur zweiten Drehachse verläuft. Dies ermöglicht eine kompakte Anordnung des Gehäuseteils der ersten Baueinheit relativ zur zweiten Baueinheit und eine Zuführung des Lichtleitkabels von oben.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die zweite Baueinheit eine zweite
Umlenkeinrichtung zur Umlenkung des Laserstrahls aus der Achsrichtung der zweiten Drehachse in Richtung einer Längsachse der zweiten Baueinheit auf. Da die Schnittstelle zur Anbindung des Lichtleitkabels an der ersten und nicht an der zweiten Baueinheit angebracht ist, ist es erforderlich, den Laserstrahl, der nach der Auskopplung aus dem Lichtleitkabel den Laserbearbeitungskopf in freier
Strahlpropagation durchläuft, mit Hilfe einer Umlenkeinrichtung in Richtung der Längsachse der zweiten Baueinheit umzulenken, entlang derer der Laserstrahl in Richtung auf das Werkstück aus der zweiten Baueinheit austritt.
Bei der in der zweiten Baueinheit angeordneten Umlenkeinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Prisma oder einen Umlenkspiegel handeln, der unter einem Winkel von 45° zur zweiten Drehachse sowie zur Längsrichtung der zweiten
Baueinheit ausgerichtet ist, um den Laserstrahl um 90° umzulenken. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann eine entsprechende Umlenkeinrichtung, beispielsweise in Form eines Umlenkspiegels, in der ersten Baueinheit angeordnet sein, um den Laserstrahl von dem senkrecht zur zweiten Drehachse verlaufenden Gehäuseteil, an dem die Schnittstelle für die Ankopplung des Lichtleitkabels angebracht ist, um 90° umzulenken, so dass der Laserstrahl entlang der Achsrichtung der zweiten
Drehachse verläuft.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind die erste und/oder die zweite
Umlenkeinrichtung auf der zweiten Drehachse angeordnet, um die Massenverteilung des Laserbearbeitungskopfs zu optimieren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsmaschine, beispielsweise eine Laser-Flachbettmaschine, umfassend: eine Werkstücklagerung zur Lagerung eines zu bearbeitenden Werkstücks in einer Lagerungsebene bei der Laserbearbeitung, sowie einen Laserbearbeitungskopf, der wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist, zur Laserbearbeitung des an der Werkstücklagerung gelagerten Werkstücks.
Bei der Werkstücklagerung kann es sich um eine Werkstückauflage, beispielsweise um einen bebürsteten Werkstücktisch oder um eine Trägerpalette mit Auflagestegen, für ein plattenförmiges Werkstück handeln, das ortsfest oder verschiebbar auf der Werkstückauflage angeordnet ist. Bei der Werkstücklagerung kann es sich aber auch um eine Handhabungseinrichtung für ein rohrförmiges Werkstück handeln, die zu diesem Zweck beispielsweise ein drehbares Spannfutter zur Einspannung des rohrförmigen Werkstücks sowie eine oder mehrere Stützeinrichtungen zur
Abstützung des rohrförmigen Werkstücks aufweisen kann.
Die Werkstücklagerung der Laserbearbeitungsmaschine kann insbesondere zur wahlweisen Bearbeitung von plattenförmigen oder von rohrförmigen Werkstücken in ein- und demselben Bearbeitungsbereich ausgebildet sein, wie dies beispielsweise in der EP 2 377 639 B1 beschrieben ist, welche durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Wird der Laserbearbeitungskopf nicht oberhalb des rohrförmigen Werkstücks angeordnet, sondern seitlich zu diesem versetzt und in Richtung auf das rohrförmige Werkstück verschwenkt, können bei einer solchen Werkstücklagerung rohrförmige Werkstücke mit größerem
Durchmesser bearbeitet werden als dies ohne das Vorsehen der zusätzlichen Drehachsen der Fall wäre, ohne dass zu diesem Zweck der Verfahrweg des
Laserschneidkopfs in Z-Richtung vergrößert werden muss.
Bei der weiter oben beschriebenen Laserbearbeitungsmaschine ist an dem
Laserbearbeitungskopf, genauer gesagt an der Schnittstelle, ein Lichtleitkabel angekoppelt, um einen Laserstrahl bzw. Laserstrahlung von einer Laserquelle in den Laserbearbeitungskopf einzukoppeln. Bei der Laserquelle kann es sich
beispielsweise um einen Scheiben-, Faser- oder Diodenlaser handeln, aber auch um eine andere Art von Laserquelle, die zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einer Wellenlänge geeignet ist, welche sich zur Führung in einem Lichtleitkabel eignet. Bei einer Ausführungsform umfasst die Laserbearbeitungsmaschine eine erste Bewegungseinrichtung zur Bewegung des Laserbearbeitungskopfs oder des
Werkstücks in einer ersten Richtung (X-Richtung) sowie eine zweite
Bewegungseinrichtung zur Bewegung des Laserbearbeitungskopfs oder des
Werkstücks in einer zweiten, bevorzugt zur ersten senkrechten Richtung (Y- Richtung). Im ersteren Fall handelt es sich um eine sogenannte Flying-Optics- Maschine, im letzteren Fall um eine Sheetmover-Maschine. Auch eine Kombination beider Maschinenkonzepte ist möglich.
Bei der Laserbearbeitung in einer Flying-Optics-Maschine wird der
Laserbearbeitungskopf über das ortsfest gelagerte Werkstück bewegt und an einem beliebigen Ort innerhalb eines beispielsweise rechteckigen Bearbeitungsbereichs positioniert. Bei der ersten Bewegungseinrichtung kann es sich in diesem Fall um ein motorisch in Längsrichtung (X-Richtung) des Bearbeitungsbereichs verfahrbares Portal handeln, welches sich in Querrichtung (Y-Richtung) über den gesamten Bearbeitungsbereich erstreckt. Bei der zweiten Bewegungseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen motorisch angetriebenen Schlitten handeln, der entlang des Portals in der zweiten Richtung verschiebbar geführt ist. Es versteht sich, dass die Längs- und Querrichtung des Bearbeitungsbereichs auch vertauscht sein können, d.h. die X-Richtung kann der Querrichtung und die Y-Richtung der Längsrichtung des Bearbeitungsbereichs entsprechen.
Die Laserbearbeitungsmaschine kann eine dritte Bewegungseinrichtung aufweisen, um den Laserbearbeitungskopf in einer Richtung senkrecht zur Werkstückauflage zu bewegen. Bei der dritten Bewegungseinrichtung kann es sich beispielsweise um ein in Z-Richtung bewegbares Trägerbauteil (eine T rägerplatte) für den
Laserbearbeitungskopf handeln, das an dem entlang des Portals in Y-Richtung verschiebbaren Schlitten angebracht ist.
Alternativ können die erste und/oder die zweite Bewegungseinrichtung zur
Bewegung des Werkstücks über die Werkstückauflage ausgebildet sein,
beispielsweise in Form einer Spannpratzen für das Werkstück aufweisenden, motorisch angetriebenen Bewegungseinheit. Bei einer Ausführungsform umfasst die Laserbearbeitungsmaschine eine zusätzliche Bewegungseinrichtung zur Bewegung des Laserbearbeitungskopfs in der zweiten Richtung. Bei dieser Ausführungsform kann der Laserbearbeitungskopf zusätzlich zur Bewegung in der zweiten Richtung, die mit Hilfe der zweiten
Bewegungseinrichtung erfolgt, auch mit Hilfe der zusätzlichen Bewegungseinrichtung in der zweiten Richtung bewegt werden. Die zusätzliche Bewegungseinrichtung baut typischerweise auf der zweiten Bewegungseinrichtung auf, d.h. diese wird bei der Bewegung des Laserbearbeitungskopfs mit der zweiten Bewegungseinrichtung mit bewegt bzw. verschoben. Der zusätzliche Bewegungsbereich der zusätzlichen Bewegungseinrichtung in der zweiten Richtung ist in der Regel deutlich kleiner als der Bewegungsbereich der zweiten Bewegungseinrichtung und kann beispielsweise nicht mehr als ca. 20 cm, 30 cm oder 40 cm betragen. Die Bewegung des
Laserbearbeitungskopfs mit Hilfe der zusätzlichen Bewegungseinrichtung ist typischerweise dynamischer als die Bewegung mit Hilfe der zweiten
Bewegungseinrichtung. Die zusätzliche Bewegungseinrichtung kann daher dazu verwendet werden, die Konturtreue bei einer schneidenden Bearbeitung zu erhöhen, indem der Bewegung des Laserbearbeitungskopfs mittels der ersten und zweiten Bewegungseinrichtung eine Bewegung mittels der zusätzlichen
Bewegungseinrichtung überlagert wird. Die zusätzliche Bewegungseinrichtung kann auch das Freischneiden von Werkstückteilen verbessern und beschleunigen und ermöglicht zudem eine schnelle Ausweichbewegung des Laserschneid kopfs, um bei der automatischen Teileentnahme, z.B. mittels einer Saugereinheit, ein
freigeschnittenes Werkstückteil kollisionsfrei aufzunehmen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die zusätzliche Bewegungseinrichtung ausgebildet, einen Bewegungsbereich des Laserbearbeitungskopfs in der zweiten Richtung gegenüber einem Bewegungsbereich der zweiten Bewegungseinrichtung in der zweiten Richtung zu erweitern. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich bei der Laserbearbeitungsmaschine typischerweise um eine Flying-Optics-Maschine, bei welcher der Laserbearbeitungskopf über das ortsfest gelagerte Werkstück bewegt wird. Der Bewegungsbereich der zweiten Bewegungseinrichtung in Form des motorisch angetriebenen Schlittens, der entlang des Portals in der zweiten Richtung verschiebbar geführt ist, wird bei einer solchen Maschine in der Regel seitlich durch den Maschinengrund körper begrenzt. Der Bewegungsbereich des Schlittens bzw. die Breite des Maschinengrundkörpers ist typischerweise so gewählt, dass dieser die Laserbearbeitung des Werkstücks über seine gesamte Breite ermöglicht, wenn der Laserbearbeitungskopf senkrecht zur Oberseite des Werkstücks ausgerichtet ist. Für den Fall, dass die erste
Baueinheit um die erste Drehachse gedreht wird, verringert sich jedoch der
Bearbeitungsbereich, unter dem ein Schrägschnitt in das Werkstück eingebracht werden kann. Eine Erweiterung des Bewegungsbereichs der zweiten
Bearbeitungseinrichtung in Form des Schlittens ist nicht ohne weiteres möglich, da der Schlitten hierbei seitlich am Maschinengrund körper anstoßen würde, wenn das Portal sich nicht seitlich über den Maschinengrundkörper hinaus erstreckt. Durch die zusätzliche Bewegungseinrichtung kann eine aufwändige Verbreiterung des
Maschinengrundkörpers bzw. des Portals vermieden werden.
Mit Hilfe der zusätzlichen Bewegungseinrichtung, welche auf der zweiten
Bewegungseinrichtung aufbaut, kann der Bewegungsbereich des
Laserbearbeitungskopfs in der zweiten Richtung erweitert werden, um das
Werkstück in Querrichtung möglichst über seine gesamte Breite im Schrägschnitt bearbeiten zu können. Die zusätzliche Bewegungseinrichtung kann beispielsweise einen Antrieb aufweisen bzw. bilden, der an dem Schlitten bzw. an dem
Laserbearbeitungskopf angebracht ist und der es ermöglicht, den
Laserbearbeitungskopf in der zweiten Richtung relativ zu dem Schlitten zu bewegen, insbesondere zu verschieben. Für die Verschiebung können an dem Schlitten Führungsschienen und an dem Laserbearbeitungskopf Führungswagen vorgesehen sein, oder umgekehrt. Zur Überwachung der Bewegung des Laserbearbeitungskopfs kann ein Messsystem in die zusätzliche Bewegungseinrichtung implementiert sein. Für die Bewegung des Laserbearbeitungskopfs mittels eines Antriebs in Form eines Linearmotors können eine oder mehrere Magnetplatten mit Permanentmagneten vorgesehen sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die Achsrichtung der ersten Drehachse parallel zur Lagerungsebene des Werkstücks und stimmt insbesondere mit der ersten Richtung überein. Die Achsrichtung der zweiten Drehachse stimmt in einer Grundstellung des Laserbearbeitungskopfs, bei welcher der Laserbearbeitungskopf den Laserstrahl senkrecht zum Werkstück ausrichtet, mit der zweiten Richtung überein. Mit anderen Worten verläuft die Achsrichtung der ersten Drehachse in der Grundstellung des Laserbearbeitungskopfs parallel zur X-Richtung und die Achsrichtung der zweiten Drehachse verläuft parallel zur Y-Richtung des Bearbeitungsbereichs bzw. der Laserbearbeitungsmaschine, oder umgekehrt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Laserschneidmaschine mit einem Laserschneidkopf, dem über ein
Lichtleitkabel Laserstrahlung zugeführt wird,
Fig. 2a, b eine dreidimensionale Darstellung sowie eine Schnittdarstellung des
Laserschneidkopfs von Fig. 1 in einer Grundstellung,
Fig. 3 eine Darstellung des Laserschneidkopfs von Fig. 1 bei der Drehung einer zweiten Baueinheit des Laserschneid kopfs um eine zweite Drehachse,
Fig. 4 eine Darstellung des Laserschneidkopfs von Fig. 1 bei der Drehung einer ersten Baueinheit des Laserschneid kopfs um eine erste, zur zweiten senkrechte Achse,
Fig. 5 eine Darstellung von zwei Drehantrieben zur Drehung der ersten/zweiten
Baueinheit des Laserschneidkopfs von Fig. 1 um die erste/zweite Drehachse sowie eines Halteelements, Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Maschinengrundkörpers mit dem schräg ausgerichteten Laserschneidkopf von Fig. 4 an zwei Endlagen des Bewegungsbereichs eines Schlittens, an dem der Laserbearbeitungskopf angebracht ist, sowie
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Laserschneidkopfs von Fig. 6 mit einer zusätzlichen Bewegungseinrichtung zur Erweiterung des
Bewegungsbereichs des Laserschneidkopfs.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw.
funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt einen beispielhaften, schematischen Aufbau einer
Laserbearbeitungsmaschine 1 in Form einer Laser-Flachbettmaschine zur
schneidenden Bearbeitung eines in Fig. 1 gestrichelt dargestellten plattenförmigen Werkstücks 2. Das Werkstück 2 liegt bei der Bearbeitung auf einer
Werkstücklagerung in Form eines Werkstücktisches bzw. einer (nicht detailliert gezeigten) Werkstückträger-Palette 3 auf, die eine XY-Ebene eines XYZ- Koordinatensystems bzw. eine Lagerungsebene E des Werkstücks bildet. Der Werkstücktisch bzw. die Palette 3 weist eine sich in X-Richtung erstreckende
Längsseite sowie eine sich in Y-Richtung erstreckende Querseite auf.
Bei der Bearbeitung des auf dem Werkstücktisch oder auf der Palette 3 ruhenden Werkstücks 2 wird ein Laserbearbeitungskopf in Form eines Laserschneidkopfs 4 in X-Richtung und in Y-Richtung über das Werkstück 2 bewegt. Als erste
Bewegungseinrichtung für die Bewegung des Laserschneid kopfs 4 in X-Richtung dient ein Portal 5, das den Werkstücktisch bzw. die Palette 3 überspannt. Das Portal 5 ist entlang von zwei seitlich zum Werkstücktisch bzw. zur Palette 3 am
Maschinengrundkörper M angebrachten Führungen (nicht gezeigt) gesteuert angetrieben in X-Richtung verschiebbar. Als zweite Bewegungseinrichtung für die Bewegung des Laserschneidkopfs 4 in Y-Richtung dient ein Schlitten 6, der an dem Portal 5 gelagert und geführt ist und der entlang des Portals 5 gesteuert in Y- Richtung motorisch verfahrbar ist. Der Laserschneidkopf 4 ist an einem
plattenförmigen Trägerbauteil 7 befestigt, das an dem in Y-Richtung bewegbaren Schlitten 6 angebracht ist und gesteuert motorisch in Z-Richtung verschoben werden kann, um den Abstand zwischen dem Laserschneidkopf 4 und dem Werkstück 2 in Z-Richtung zu verändern.
Der Laserschneidkopf 4 weist eine erste Baueinheit 8 und eine zweite Baueinheit 9 auf. Die erste Baueinheit 8 umfasst einen Gehäuseteil 8a und ein Halteelement 8b (vgl. Fig. 5) und ist an dem Trägerbauteil 7 um eine sich parallel zur X-Richtung erstreckende erste Drehachse A (vgl. Fig. 2a, b) drehbar gelagert. Für die Drehung der ersten Baueinheit 8 um die erste Drehachse A weist der Laserschneid köpf 4 einen ersten Drehantrieb 10 auf, der fest an dem Trägerbauteil 7 angebracht ist. An der ersten Baueinheit 8 ist die zweite Baueinheit 9 unmittelbar oder mittelbar über einen zweiten Drehantrieb 13 angebracht. Die zweite Baueinheit 9 dient zum
Ausrichten eines (fokussierten) Laserstrahls 11 (vgl. Fig. 2b) auf das Werkstück 2. Die zweite Baueinheit 9 umfasst ebenfalls einen Gehäuseteil 9a sowie eine daran angebrachte Schneidgasdüse 24 und ist an der ersten Baueinheit 8 um eine zweite Drehachse B drehbar gelagert, die senkrecht zur ersten Drehachse A ausgerichtet ist. Für die Drehung der zweiten Baueinheit 9 um die zweite Drehachse B weist der Laserschneidkopf 4 den zweiten Drehantrieb 13 auf. Der Gehäuseteil 8a der ersten Baueinheit 8 und der zweite Drehantrieb 13 sind auf gegenüberliegenden Seiten der zweiten Baueinheit 9 angeordnet, so dass am ersten Drehantrieb 10 eine
gleichmäßige Gewichtsverteilung erreicht wird. Diese Anordnung ermöglicht außerdem eine beidseitige Lagerung der zweiten Baueinheit 9 am zweiten
Drehantrieb 13 und am Gehäuseteil 8a der ersten Baueinheit 8.
Die zweite Drehachse B verläuft in einer in Fig. 2a, b gezeigten Grundstellung des Laserschneid kopfs 4, in welcher die zweite Baueinheit 9 mit ihrer Längsachse 12 parallel zur Z-Richtung ausgerichtet ist, entlang der Y-Richtung, d.h. in der
Grundstellung sind beide Drehachsen A, B horizontal ausgerichtet und der
Laserstrahl 11 wird senkrecht (in Z-Richtung) auf das Werkstück 2 ausgerichtet.
Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, weist die erste Baueinheit 8 am Gehäuseteil 8a eine Schnittstelle 14 zur Ankopplung eines Lichtleitkabels 15 für die Zuführung des Laserstrahls 11 in den Laserbearbeitungskopf 4, genauer gesagt in das Gehäuseteil 8a der ersten Baueinheit 8, auf. Das Lichtleitkabel 15 dient der Zuführung des Laserstrahls 11 von einer Laserquelle 16 in Form eines Festkörperlasers,
beispielsweise eines Dioden-, Faser- oder Scheibenlasers.
Im gezeigten Beispiel weist ein austrittsseitiges Ende des Lichtleitkabels 15 einen Stecker auf, der in die in Form einer Buchse ausgebildete Schnittstelle 14
eingesteckt werden kann. Die Schnittstelle 14 ist an der ersten Baueinheit 8 exzentrisch zur ersten Drehachse A angebracht, und zwar in einem senkrecht zur zweiten Drehachse B verlaufenden Gehäuseteil 8a der ersten Baueinheit 8.
Die erste Baueinheit 8 ist an dem Trägerbauteil 7, genauer gesagt an dem ersten Drehantrieb 10, über das plattenförmige Halteelement 8b befestigt, das in Fig. 2b durch den senkrecht zur zweiten Drehachse B verlaufenden Gehäuseteil 8a verdeckt und in Fig. 5 gezeigt ist.
Wie in Fig. 2b zu erkennen ist, tritt der Laserstrahl 11 aus dem Lichtleitkabel 15 divergent aus und wird von einer Kollimationslinse 17 kollimiert. Der kollimierte Laserstrahl 11 wird an einer in dem Gehäuseteil 8a der ersten Baueinheit 8 angeordneten ersten Umlenkeinrichtung in Form eines Umlenkspiegels 18 von der Längsrichtung 19 des Gehäuseteils 8a um 90° in Richtung der zweiten Drehachse B umgelenkt.
Entsprechend wird der Laserstrahl 11 von einer in dem Gehäuseteil 9a der zweiten Baueinheit 9 angebrachten zweiten Umlenkeinrichtung in Form eines zweiten
Umlenkspiegels 20 um 90° von der Achsrichtung der zweiten Drehachse B in
Richtung der Längsachse 12 der zweiten Baueinheit 9 umgelenkt. Eine im
Gehäuseteil 9a der zweiten Baueinheit 9 angebrachte Fokussierlinse 21 dient zur Fokussierung des Laserstrahls 11 im Bereich des Werkstücks 2. Es versteht sich, dass die Strahlführung des Laserstrahls 11 in dem Laserschneidkopf 4 nicht zwingend auf die in Fig. 2b dargestellte Weise erfolgen muss. Insbesondere können die beiden Baueinheiten 8, 9 eine von der in Fig. 1 und Fig. 2a, b gezeigten Bauform abweichende Geometrie aufweisen.
Außerdem kann beispielsweise einer der Umlenkspiegel 18, 20 als fokussierender Spiegel ausgebildet sein, so dass auf eine Fokussierlinse 21 verzichtet werden kann. Einer der Umlenkspiegei kann, wie in WO2013144084A1 beschrieben, verschwenkbar sein, um die laterale Lage der Laserstrahlachse innerhalb der Schneidgasdüse 24 zu beeinflussen. Ebenso können noch weitere optische
Elemente (Linsen, Spiegel, Schutzgläser) im Laserschneidkopf 4 angeordnet sein. Üblicherweise weist der Laserschneidkopf 4 darüber hinaus noch Sensorik- Komponenten für die Regelung des Abstands zwischen der Schneidgasdüse 24 und der Werkstückoberfläche sowie für die Überwachung der optischen Elemente im Laserschneidkopf oder für die Überwachung des Bearbeitungsbereichs am
Werkstück 2 auf.
Die zweite Baueinheit 9 weist eine in Fig. 2a bildlich dargestellte weitere Schnittstelle
22 in Form einer Buchse auf, um mindestens eine Versorgungsleitung 23 an den Gehäuseteil 9a der zweiten Baueinheit 9 anzukoppeln. Bei der Versorgungsleitung
23 kann es sich beispielsweise um eine (flexible) Gaszuführungsleitung handeln, um der zweiten Baueinheit 9 ein Schneidgas zuzuführen, das gemeinsam mit dem fokussierten Laserstrahl 11 durch eine Düsenöffnung der an dem werkstückseitigen Ende des Gehäuseteils 9a der zweiten Baueinheit 9 angeordneten Schneidgasdüse
24 austritt. Zusätzlich zu einer Gaszuführungsleitung kann die weitere Schnittstelle 22 beispielsweise zur Ankopplung weiterer Fluidleitungen (z.B. für Kühlwasser), von elektrischen Versorgungsleitungen oder von Signal- oder Datenleitungen an die zweite Baueinheit 9 dienen. Die Versorgungsleitung(en) 23 können in einer gemeinsamen Energieführungskette untergebracht sein, die eine Abschirmung, beispielsweise in Form einer Schutz-Ummantelung, insbesondere in Form eines Metallblechs, aufweist, um die Versorgungsleitung(en) 23 vor reflektierter und/oder gestreuter Laserstrahlung zu schützen.
Wie in Fig. 2a ebenfalls zu erkennen ist, ist die weitere Schnittstelle 22 unter einem Winkel d von ungefähr 45° zur Längsrichtung 12 des Gehäuseteils 9a der zweiten Baueinheit 9 ausgerichtet, um die Versorgungsleitung(en) 23 unter einem
entsprechenden Winkel zur Längsrichtung 12 der zweiten Baueinheit 9 auszurichten. Eine solche schräge Ausrichtung ist vorteilhaft, um zu verhindern, dass die
Versorgungsleitung(en) 23 bei der Drehung der zweiten Baueinheit 9 um die zweite Drehachse B, die weiter unten in Zusammenhang mit Fig. 3 näher beschrieben wird, nicht mit den übrigen Bauteilen des Laserschneid kopfs kollidieren, insbesondere nicht mit dem ersten Drehantrieb 10. Grundsätzlich hat sich zu diesem Zweck eine Ausrichtung der weiteren Schnittstelle 22 unter einem Winkel d zwischen ca. 30° und 60° zur Längsrichtung 12 der zweiten Baueinheit 9 als günstig erwiesen. Auch ist es zu diesem Zweck vorteilhaft, wenn die weitere Schnittstelle 22 weiter von dem plattenförmigen T rägerbauteil 7 bzw. von dem ersten Drehantrieb 10 beabstandet ist als die zweite Drehachse B, wie dies bei dem in Fig. 2a gezeigten Beispiel der Fall ist.
Wie insbesondere in der in Fig. 2a, b gezeigten Grundstellung G des
Laserschneid kopfs 4 gut zu erkennen ist, schneiden sich die erste Drehachse A und die zweite Drehachse B nicht, vielmehr sind die erste Drehachse A und die zweite Drehachse B in einem Abstand d voneinander beabstandet, der mehr als 30 mm beträgt und beispielsweise in der Größenordnung zwischen ca. 50 mm und ca. 100 mm liegen kann. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, in welcher die zweite Baueinheit 9 aus der Grundstellung G um die zweite Drehachse B in Richtung auf das plattenförmige Trägerbauteil 7 verschwenkt wurde, um den Laserstrahl 11 in X-Richtung unter einem Schrägschneidwinkel ß relativ zur Vertikalen (Z-Richtung) auf das Werkstück 2 auszurichten, kollidiert hierbei der über die zweite Drehachse B nach unten überstehende Abschnitt der zweiten Baueinheit 9 nicht mit dem über das
plattenförmige Trägerbauteil 7 in X-Richtung überstehenden ersten Drehantrieb 10. Durch den Abstand d zwischen den beiden Drehachsen A, B kann die zweite
Drehachse B daher in einem geringeren Abstand in X-Richtung zu dem ersten Drehantrieb 10 angeordnet werden als dies der Fall wäre, wenn die beiden
Drehachsen A, B sich schneiden würden. Die zweite Baueinheit 9 kann aus der Grundstellung G um die zweite Drehachse B um einem Schrägschneidwinkel ß mehr als +/- 60° verdreht werden, ohne dass es zu einer Kollision kommt.
Die erste Baueinheit 8 kann um die erste Drehachse A unter einem
Schrägschneidwinkel a von bis zu ca. +/- 60° relativ zur Z-Richtung ausgerichtet werden, wie dies in Fig. 4 gestrichelt dargestellt ist. Bei der Drehung der ersten Baueinheit 8 um die erste Drehachse A wird das Lichtleitkabel 15 nur in der ZY- Ebene bewegt und hierbei über einen vergleichsweise kleinen Winkelbereich von etwa 90° verschwenkt, so dass auf dieses nur eine geringfügige mechanische Belastung ausgeübt wird. Wird alternativ oder zusätzlich zur ersten Baueinheit 8 die zweite Baueinheit 9 aus der in Fig. 4 gezeigten vertikalen Grundstellung verdreht (vgl. Fig. 3), führt dies nicht zu einer Bewegung des Lichtleitkabels 15. Auf diese Weise wird einerseits eine hohe Lebensdauer des Lichtleitkabels 15 sichergestellt und andererseits werden Rückwirkungen aus der Bewegung des Lichtleitkabels 15 auf die beiden Drehachsen A, B reduziert.
Fig. 6 zeigt den Maschinengrundkörper M der Laserbearbeitungsmaschine 1 von Fig. 1 , bei der das Portal 5 in seiner seitlichen Erstreckung in Y-Richtung durch zwei Maschinen-Wangen begrenzt ist, an denen die Führungen für die Bewegung des Portals 5 in X-Richtung gebildet sind. Der Laserschneidkopf 4 ist in Fig. 6 in zwei Positionen in Y-Richtung dargestellt, welche die Endlagen eines Bewegungsbereichs 25 des Schlittens 6 in Y-Richtung bilden. Die Endlagen des Bewegungsbereichs 25 werden in Fig. 6 an der Mitte des Schlittens 6 definiert, durch welche die erste Drehachse A verläuft. Bei der Durchführung eines senkrechten Schnitts, bei welcher der Laserschneid köpf 4 sich in seiner Grundstellung G befindet, entspricht der Bewegungsbereich 25 des Schlittens 6 in Y-Richtung dem Bearbeitungsbereich, an dem das auf dem Werkstücktisch 3 gelagerte Werkstück 2 bearbeitet werden kann. Der Bewegungsbereich 25 des Schlittens 6 ist hierbei so gewählt, dass das
Werkstück 2 über seine gesamte Breite in Y-Richtung mit einem senkrechten Schnitt bearbeitet werden kann.
Wird der Laserschneidkopf 4 an der in Fig. 6 links dargestellten Endlage unter einem Schrägschneidwinkel a von + 45° oder in der in Fig. 6 rechts dargestellten Endlage unter einem Schrägschneidwinkel a von - 45° zur Z-Richtung ausgerichtet, kann das Werkstück 3 aufgrund der Schrägstellung nur in einem Bearbeitungsbereich 25a bearbeitet werden, der kleiner ist als der Bewegungsbereich 25 des Schlittens 6. Entsprechend kann das Werkstück 2 durch das Verschieben des Schlittens 6 entlang des Portals 5 nicht über seine gesamte Breite mit einem Schrägschnitt bearbeitet werden.
Fig. 7 zeigt einen Laserschneidkopf 4, der mit Hilfe einer zusätzlichen
Bewegungseinrichtung 26 zusätzlich zur Bewegung des Schlittens 6 in Y-Richtung positioniert werden kann. Zu diesem Zweck ist der Laserschneidkopf 4, genauer gesagt der erste Drehantrieb 10, nicht unmittelbar an dem Trägerbauteil 7 befestigt, sondern mittels der zusätzlichen Bewegungseinrichtung 26 relativ zu dem
Trägerbauteil 7 und somit auch relativ zu dem Schlitten 6 in Y-Richtung bewegbar. Die Erstreckung eines zusätzlichen Bewegungsbereichs 27 des Laserschneidkopfs 4 bzw. des ersten Drehantriebs 10 in Y-Richtung relativ zu dem Trägerbauteil 7 liegt im gezeigten Beispiel bei ca. 400 mm, und zwar +/- 200 mm ausgehend von der Mitte des Trägerbauteils 7 bzw. von der ersten Drehachse A. Durch die Bewegung des Laserschneidkopfs 4 relativ zu dem Trägerbauteil 7 kann der in Fig. 6 gezeigte Bewegungsbereich 25 des Schlittens 6 in Y-Richtung erweitert werden. Der auf diese Weise erweiterte Bewegungsbereich 28 des Laserschneid kopfs 4 erstreckt sich von der linken Endlage des Schlittens 6 um ca. -200 mm zusätzlich in negativer Y- Richtung und von der rechten Endlage des Schlittens 6 zusätzlich um ca. + 200 mm in positiver Y-Richtung. Durch den erweiterten Bewegungsbereich 28 des
Laserschneidkopfs 4 in Y-Richtung kann das Werkstück 2 praktisch über seine gesamte Breite durch Schrägschneiden bearbeitet werden.
Bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel ist die zusätzliche Bewegungseinrichtung als Linearmotor 26 ausgebiidet. Der Linearmotor 26 weist eine Magnetplatte 29 (Stator) auf, die sich in Y-Richtung über den gesamten zusätzlichen Bewegungsbereich 27 des Laserschneid kopfs 4 erstreckt und die mit einem Läufer 30 zusammenwirkt, der an dem ersten Drehantrieb 10 des Laserbearbeitungskopfs 4 befestigt ist. Der Läufer 30 des Linearmotors 26 wird bei seiner Bewegung an zwei in Y-Richtung
verlaufenden Linearführungen 31a, b in Form von Führungsschienen geführt. Zur Überwachung der Bewegung des Laserschneid kopfs 4 in Y-Richtung kann ein Messsystem vorgesehen sein. Für eine kompakte Bauform des Laserschneidkopfs 4 kann das Messsystem in einer der der Linearführungen 31a, 31 b enthalten sein. Es versteht sich, dass die zusätzliche Bewegungseinrichtung 26, die als Zusatzachse in Y-Richtung dient, nicht zwingend als Linearmotor ausgebildet ist und insbesondere auf andere als in Fig. 7 dargestellte Weise ausgebildet sein kann.
Die in Fig. 1 dargestellte Laserschneidmaschine 1 kann nicht nur zur schneidenden Bearbeitung von plattenförmigen Werkstücken 2, sondern auch zur schneidenden Bearbeitung von rohrförmigen Werkstücken ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann in dem Bearbeitungsbereich des Laserschneid kopfs 4 zusätzlich oder alternativ zur Palette 3 eine Handhabungseinrichtung für ein rohrförmiges Werkstück angeordnet werden, wie dies beispielsweise in der EP 2 377 639 B1 beschrieben ist. Die
Handhabungseinrichtung weist typischerweise ein drehbares Spannfutter sowie eine oder mehrere Stützeinrichtungen zur Unterstützung des rohrförmigen Werkstücks auf. Bei der Verwendung des weiter oben beschriebenen Laserbearbeitungskopfs 4 können rohrförmige Werkstücke mit einem größeren Durchmesser bearbeitet werden, als dies bei einer herkömmlichen Laserschneidmaschine ohne die beiden zusätzlichen Drehachsen A, B, der Fall ist, ohne dass zu diesem Zweck der
Verfahrbereich des Laserbearbeitungskopfs 4 in Z-Richtung, d.h. im gezeigten Beispiel der Verfahrweg des Trägerbauteils 7, vergrößert werden muss.
Der Laserbearbeitungskopf 4 kann in diesem Fall seitlich benachbart zum
rohrförmigen Werkstück bzw. zu dessen Querschnitt angeordnet und unter einem Winkel in Richtung auf das rohrförmige Werkstück verschwenkt werden, um dieses zu bearbeiten. Es versteht sich, dass der weiter oben beschriebene
Laserschneidkopf 4 auch bei anderen Arten von Laserschneidmaschinen 1 als der in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Laser-Flachbettmaschine eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann der Laserschneidkopf 4 bei einer
Laserschneidmaschine eingesetzt werden, bei der das Werkstück 2 nicht auf der Palette ruht, sondern in X- und/oder Y-Richtung über eine Werkstückauflage bewegt wird, sowie bei einer ausschließlich zum Schneiden von rohrförmigen Werkstücken ausgebildeten Laserschneidmaschine oder bei einer Laser-Stanz- Kombinationsmaschine.

Claims

Patentansprüche
1. Laserbearbeitungskopf (4) zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (2),
umfassend:
eine um eine erste Drehachse (A) drehbar gelagerte erste Baueinheit (8) mit einem Gehäuseteil (8a), und
eine an der ersten Baueinheit (8) um eine zweite Drehachse (B) drehbar gelagerte zweite Baueinheit (9) zum Ausrichten eines Laserstrahls (11 ) auf das Werkstück (2),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Gehäuseteil (8a) der ersten Baueinheit (8) eine Schnittstelle (14) zur Ankopplung eines Lichtleitkabels (15) für die Zuführung des Laserstrahls (11 ) in den Laserbearbeitungskopf (4) aufweist.
2. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1 , bei dem die Schnittstelle (14) versetzt zur ersten Drehachse (A) und/oder versetzt zur zweiten Baueinheit (9) angeordnet ist.
3. Laserbearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Drehachse (A) und die zweite Drehachse (B) sich nicht schneiden und bevorzugt einen Abstand (d) von mehr als 30 mm zueinander aufweisen.
4. Laserbearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Drehachse (A) der ersten Baueinheit (8) und die zweite Drehachse (B) der zweiten Baueinheit (9) senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
5. Laserbearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: einen ersten Drehantrieb (10) zur Drehung der ersten Baueinheit (8) um die erste Drehachse (A) sowie einen zweiten Drehantrieb (13) zur Drehung der zweiten Baueinheit (9) um die zweite Drehachse (B).
6. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 5, bei dem der Gehäuseteil (8a) der ersten Baueinheit (8) und der zweite Drehantrieb (13) auf gegenüberliegenden Seiten der zweiten Baueinheit (9) angeordnet sind.
7. Laserbearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Baueinheit (9) eine weitere Schnittstelle (22) für mindestens eine
Versorgungsleitung (23) aufweist, wobei die weitere Schnittstelle (22) zur
Ausrichtung der Versorgungsleitung (23) unter einem Winkel (d) zwischen 30° und 60° zu einer Längsrichtung (12) der zweiten Baueinheit (9) ausgebildet ist.
8. Laserbearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Baueinheit (8) eine erste Umlenkeinrichtung (18) aufweist, die ausgebildet ist, den Laserstrahl (11) in eine Achsrichtung der zweiten Drehachse (B) umzulenken.
9. Laserbearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Baueinheit (9) eine zweite Umlenkeinrichtung (20) zur Umlenkung des Laserstrahls (11) von der Achsrichtung der zweiten Drehachse (B) in Richtung einer Längsachse (12) der zweiten Baueinheit (9) aufweist.
10. Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem die erste und/oder die zweite Umlenkeinrichtung (18, 20) auf der zweiten Drehachse (B) angeordnet sind.
11. Laserbearbeitungsmaschine (1 ), umfassend:
eine Werkstücklagerung (3) zur Lagerung eines zu bearbeitenden Werkstücks (2) in einer Lagerungsebene (E) bei der Laserbearbeitung, sowie
einen Laserbearbeitungskopf (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Laserbearbeitung des an der Werkstücklagerung (3) gelagerten Werkstücks (2).
12. Laserbearbeitungsmaschine (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Drehachse (A) des Laserbearbeitungskopfs (4) parallel zu der Lagerungsebene (E) des zu bearbeitenden Werkstücks (2) erstreckt.
13. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 11 oder 12, weiter umfassend: eine erste Bewegungseinrichtung (5) zur Bewegung des Laserbearbeitungskopfs (4) oder des Werkstücks (2) in einer ersten Richtung (X), und
eine zweite Bewegungseinrichtung (6) zur Bewegung des
Laserbearbeitungskopfs (4) oder des Werkstücks (2) in einer zweiten, bevorzugt zur ersten senkrechten Richtung (Y).
14. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 13, weiter umfassend: eine
zusätzliche Bewegungseinrichtung (26) zur Bewegung des
Laserbearbeitungskopfs (4) in der zweiten Richtung (Y).
15. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 14, bei welcher die zusätzliche
Bewegungseinrichtung (26) ausgebildet ist, einen Bewegungsbereich (28) des Laserbearbeitungskopfs (4) in der zweiten Richtung (Y) gegenüber einem
Bewegungsbereich (25) der zweiten Bewegungseinrichtung (6) in der zweiten Richtung (Y) zu erweitern.
16. Laserbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei welcher die Achsrichtung der ersten Drehachse (A) mit der ersten Richtung (X) übereinstimmt, und bei welcher die Achsrichtung der zweiten Drehachse (B) in einer Grundstellung (G) des Laserbearbeitungskopfs (4), bei welcher der Laserbearbeitungskopf (4) den Laserstrahl (11 ) senkrecht zum Werkstück (2) ausrichtet, mit der zweiten Richtung (Y) übereinstimmt.
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