ITPN20110017A1 - Macchina per la lavorazione a laser di elementi piani - Google Patents

Description

“MACCHINA PER LA LAVORAZIONE A LASER DI ELEMENTI PIANI"

SETTORE TECNICO DELL’INVENZIONE

[001] La presente invenzione si riferisce ad una macchina per la lavorazione a laser di pezzi o elementi piani, o sostanzialmente piani, quali fogli in plastica, lastre di vetro o ceramica, lamiere metalliche, pannelli in legno o nastri di tessuto di varia natura. In particolare, l’invenzione à ̈ relativa ad una macchina dotata di una struttura semplice atta a supportare e movimentare una testa a laser a fibre in grado di raggiungere qualsiasi punto di un elemento piano da lavorare.

STATO DELLA TECNICA ANTERIORE

[002] Le tecnologie attuali inerenti alla lavorazione di elementi piani per mezzo di laser si basano su macchine piuttosto complesse. Infatti, in generale, tali macchine comprendono sistemi di movimentazione di una testa laser dotati di braccia robotizzate o segmenti variamente articolati per consentire lo spostamento della testa laser in modo che possa raggiungere qualsiasi punto di un elemento da lavorare. Questi sistemi sono resi necessari per garantire la lavorazione su tutta l’estensione dell’elemento. In altre parole, per poter lavorare un qualsiasi elemento o substrato in ogni sua parte à ̈ necessario movimentare la testa laser attraverso strutture complesse ed ingombranti spesso in aggiunta con la movimentazione anche del piano su cui à ̈ poggiato l’elemento. In particolare, la testa laser viene dotata di un sistema di tipo pantografo poiché risulta più comodo movimentare la testa piuttosto che il piano d’appoggio, dato che quest’ultimo può raggiungere anche dimensioni importanti. Inoltre, la testa laser deve poter essere sempre posizionata perpendicolarmente alla superficie da trattare ed ad una distanza variabile a seconda del tipo di elemento da lavorare, del suo spessore e della potenza del laser impiegato.

[003] In ogni caso, come accennato, il pantografo à ̈ una struttura che richiede una complessa articolazione di più segmenti che si spostano lungo i tre assi cartesiani convenzionali X-Y-Z. Analogamente, le braccia robotizzate devono essere dotate di numerosi giunti articolati e motori per consentire la movimentazione tridimensionale della testa laser.

[004] Conseguentemente, poi, tale complessità richiede l’esecuzione di numerose tarature di precisione per assicurare il corretto funzionamento della macchina.

RIASSUNTO DELL’INVENZIONE

[005] Il problema tecnico alla base della presente invenzione à ̈ quindi quello di proporre una macchina per la lavorazione a laser di elementi piani o sostanzialmente piani che sia in grado di raggiungere qualsiasi punto di detti elementi piani tramite una struttura di movimentazione compatta, semplicemente realizzabile e richiedente poche tarature.

[006] Tale problema à ̈ risolto da una macchina comprendente una testa laser movimentata da un sistema combinato roto-traslatorio, come definito dalle rivendicazioni allegate.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

[007] Ulteriori caratteristiche e vantaggi della macchina dell’invenzione diverranno più evidenti dalla seguente descrizione di una forma di realizzazione data a puro titolo di esempio non limitativo con riferimento alle seguenti figure in cui:

- la figura 1 rappresenta una vista assonometrica schematizzata di una macchina secondo l’invenzione;

- la figura 2 rappresenta una vista schematizzata della movimentazione di una testa laser della macchina di figura 1;

- le figure 3A e 3B rappresentano ciascuna una vista laterale schematizzata ed ingrandita della movimentazione della testa laser di figura 2 in due differenti condizioni d’uso;

- le figure 4A, 4B e 4C rappresentano ciascuna una vista schematizzata dall’alto della movimentazione della testa laser di figura 1 in tre differenti condizioni d’uso.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

[008] Come mostrato schematicamente in figura 1, la macchina 1, secondo la presente invenzione, comprende un piano d’appoggio 2 sul quale viene appoggiato un elemento 3 o substrato che deve essere lavorato ed una struttura 4 di movimentazione di una testa laser 5. La struttura 4 di movimentazione della testa laser 5 à ̈ sospesa sopra il piano d’appoggio 2 per mezzo di una struttura portante 6.

[009] In particolare, la struttura 4 di movimentazione della testa laser 5 comprende un braccio 7 ancorato alla struttura portante 6 ed accoppiato a mezzi di movimentazione (non mostrati, del tutto convenzionali) atti a spostare il braccio lungo una direzione trasversale rispetto all’estensione longitudinale del piano d’appoggio 2.

[0010] L’estremità del braccio 7 opposta rispetto alla struttura portante 6 à ̈ provvista di mezzi rotanti quali ad esempio un disco rotante 8 (come mostrato schematicamente in figura 1) comprendente una parte rotante esterna sulla cui circonferenza esterna à ̈ montata la testa laser 5 che viene mossa in rotazione attorno ad un asse X-X di detto motore. In particolare, tale disco rotante può essere rappresentato da un motore di tipo “brushless†con uno statore interno ed un rotore esterno sulla cui periferia à ̈ applicata la testa laser 5.

[0011] La testa laser 5, come mostrato schematicamente in figura 1, comprende una punta 10 rivolta verso il piano d’appoggio 2 in modo tale da indirizzare il raggio laser uscente dalla testa lungo un asse Y-Y parallelo all’asse X-X di rotazione dei mezzi rotanti e da questi distanziato.

[0012] E’ da notare che tale posizionamento consente vantaggiosamente alla testa laser, come verrà spiegato meglio in seguito, di spostarsi attorno all’asse di rotazione X-X dei mezzi rotanti in modo che possa idealmente disegnare una circonferenza giacente su un piano parallelo a detto piano d’appoggio 2.

[0013] Inoltre, la combinazione con il suddetto movimento trasversale del braccio 7 consente lo spostamento in qualsiasi punto dell’elemento da lavorare con solo detti due movimenti, cioà ̈ uno traslatorio ed uno rotatorio, il primo attuato direttamente su un braccio praticamente a pezzo unico ed il secondo attuato direttamente sulla testa laser. In altre parole, con soltanto questi due movimenti e rispettivi due componenti, cioà ̈ un braccio formato da un pezzo singolo ed un motore rotante, possono essere raggiunte tutte le zone da lavorare che altrimenti possono essere raggiunte solo dalle complesse strutture della tecnica nota sopra descritte.

[0014] Alternativamente, il disco rotante 8 può essere rappresentato da un albero rotante 11, mostrato in figura 2, avente conformazione ad L e ruotabilmente collegato al braccio 7. L’albero rotante 11 à ̈ anch’esso un pezzo unico mosso in rotazione attorno ad un asse Z-Z perpendicolare rispetto al piano d’appoggio 2 da un convenzionale motore 9. In particolare, l’estremità libera dell’albero 11, opposta rispetto al braccio 7, porta la testa laser 5. Similmente al disco rotante 8, anche l’albero rotante 11 consente alla testa laser di spostarsi attorno all’asse di rotazione Z-Z in modo che possa idealmente disegnare una circonferenza giacente su un piano parallelo a detto piano d’appoggio 2.

[0015] Preferibilmente, la testa laser 5 à ̈ montata su detti mezzi rotanti 8, 11 in modo da poter ruotare sull’asse Y-Y di uscita del raggio laser (figura 3A). In particolare, la testa laser 5 può essere dotata a sua volta di un motore 12 atto a far ruotare la punta 10 sull’asse Y-Y. Ad esempio, la punta laser 10 può essere provvista di un albero rotante 13 collegato a detto motore in modo da essere mosso in rotazione su detto asse Y-Y.

[0016] Vantaggiosamente, inoltre, la punta 10 può essere collegata all’albero rotante 13 tramite un giunto 14 che consente alla punta di spostarsi lungo un arco di cerchio o, in altre parole, di inclinarsi rispetto all’asse Y-Y. In figura 3B, viene rappresentato un esempio di posizione di lavoro in cui la punta 10 à ̈ stata ruotata in senso antiorario sull’asse Y-Y ed inclinata rispetto a detto asse di un angolo α.

[0017] Analogamente, nel caso in cui la testa laser 5 sia montata sulla circonferenza esterna di un motore a disco rotante 8 come quello descritto in precedenza, la punta 10 potrà ruotare sul proprio asse Y-Y ed, in aggiunta, inclinarsi rispetto a detto asse di un angolo prescelto.

[0018] Inoltre, la testa laser 5 può essere spostata lungo il suo asse Y-Y, tramite ulteriore convenzionale azionamento non mostrato, per regolazioni fini della sua distanza rispetto al substrato da trattare in base al suo materiale e spessore, nonché alla potenza del laser impiegato per la lavorazione.

[0019] E’ da tenere presente che in accordo con la presente invenzione, il laser utilizzato à ̈ di tipo a fibra. Infatti, à ̈ stato visto che l’impiego di questo tipo di laser consente vantaggiosamente di semplificare notevolmente la struttura della macchina. A tal fine, la testa laser 5 può essere raggiunta dall’esterno da un comune cavo a fibra deputato a trasmettere il raggio laser proveniente da un generatore montato ad esempio sulla struttura portante 6 ma, comunque, non facente parte propriamente della macchina stessa.

[0020] Data la grande versatilità della macchina, qualsiasi tipo di laser a fibra noto nel settore può essere impiegato, ovviamente a seconda del tipo di materiale e del suo spessore da trattare. Preferibilmente, può essere impiegato un laser di ultima generazione caratterizzato da un sistema di eccitazione diretta della fibra attiva drogata all’itterbio (Yb) attraverso i diodi laser (LD) a luce pompata.

[0021] La macchina in accordo con la presente invenzione à ̈ ulteriormente implementata con una unità di comando e controllo (non mostrata) quale un computer in grado di comandare i movimenti dell’intera struttura 4 di movimentazione in base a programmi prestabiliti che sono caricati su detta unità.

[0022] Una volta impostati alcuni parametri di lavoro standard quali, ad esempio, il tipo di materiale, ed il suo spessore, la testa laser 5 può essere dotata di un raggio scanner in grado di scannerizzare la superficie da trattare e rilevare opportuni valori indicativi delle caratteristiche di detta superficie. Questi valori vengono poi elaborati dal programma in combinazione con il tipo di lavorazione che deve esser eseguita, sia essa un taglio o una incisione superficiale. A questo punto, l’elaboratore comanderà la macchina intera affinché operi correttamente la lavorazione desiderata.

[0023] Preferibilmente, inoltre, il piano d’appoggio 2 può essere movimentato in avanti o indietro lungo una sola direzione longitudinale per consentire non solo il posizionamento dell’elemento 3 da lavorare in corrispondenza della testa laser 5, ma anche in combinazione con la movimentazione della testa laser stessa durante la lavorazione per facilitare il raggiungimento di punti estremi dell’elemento e per favorire la reazione di lavorazioni particolarmente complesse secondo percorsi complicati.

[0024] Come schematicamente rappresentato in figura 4A, i mezzi rotanti 11, 8 sono ad esempio posizionati sostanzialmente al centro dell’elemento piano 3 che deve essere lavorato. In questa posizione, la testa laser 5 può muoversi lungo la circonferenza individuata dalla rotazione di detti mezzi rotanti e, quindi, operare lavorazioni quali incisioni superficiali, fori o tagli lungo un percorso ampio con un semplice movimento rotatorio.

[0025] In aggiunta, i mezzi rotanti 11, 8 possono essere movimentati, in sequenza o in combinazione alla rotazione, lungo la direzione trasversale rispetto al piano d’appoggio 2 in modo che la testa laser 5 possa raggiungere qualsiasi punto della porzione centrale dell’elemento piano 2 (figura 4B).

[0026] Preferibilmente, il piano d’appoggio 2 può ulteriormente essere movimentato, come spiegato in precedenza, per consentire alla testa laser 5 di raggiungere anche i punti più estremi della periferia dell’elemento piano 2 ed avere quindi la possibilità di trattare ogni parte dell’elemento stesso (figura 4C) creando così lavorazioni complesse con la combinazione di un semplice movimento rotatorio ed uno traslatorio.

[0027] In accordo con una forma di realizzazione particolarmente preferita, la macchina dell’invenzione può essere provvista di sensori di rilevamento (non mostrati) o una telecamera atti a rilevare il posizionamento di un elemento da lavorare sul paino d’appoggio. Ad esempio, possono essere posizionati sensori ottici, del tutto convenzionali come fotocellule, lungo il piano d’appoggio 2 su entrambi i suoi lati longitudinali in modo da rilevare la posizione di uno o più elementi da lavorare mentre il piano à ̈ azionato in continuo. Questa situazione si presente nel caso di un nastro trasportatore su quale vengono caricati più elementi da lavorare provenienti da una stazione di lavorazione precedente e che, quindi, possono essere lavorati in continuo. Infatti, il sistema di rilevamento consente di rilevare la presenza del pezzo in prossimità della testa laser 5 e di comandare, attraverso la suddetta unità di comando e controllo, l’azionamento del raggio laser ogni qual volta un elemento si presenta esattamente sotto detta testa laser. E’ evidente che in questo modo la macchina può lavorare in continuo e può essere integrata in una linea di produzione a più stazioni di lavorazione. Alternativamente, una telecamera può essere montata ad esempio sulla struttura portante 6 in modo da registrare il passaggio di elementi da lavorare in corrispondenza della testa laser 5. La registrazione dei detto passaggio viene inviata a detta unità di comando e controllo la quale a sua volta, come in precedenza, attiva il raggio laser della testa laser 5. Inoltre, la telecamera può avere funzione di controllo dell’andamento della lavorazione per verificare la corretta esecuzione del trattamento laser e boccare o correggere i parametri di funzionamento, quali movimentazione della testa laser e/o potenza e/o inclinazione della stessa, consentendo sempre l’ottimizzazione del risultato finale.

[0028] Da quanto fino ad ora descritto, Ã ̈ evidente che la macchina per la lavorazione a laser di elementi piani secondo la presente invenzione risulta costruttivamente molto semplice e poco ingombrante rispetto alle macchine e sistemi della tecnica nota.

[0029] In particolare, la struttura in movimento à ̈ snella, poco pesante e non necessita di particolari regolazioni o tarature dato che i mezzi di movimentazione sono costituiti da pochi elementi meccanicamente semplici.

[0030] Ciò consente, vantaggiosamente, di poter associare la macchina a valle o a monte di altre macchine o sistemi realizzando una linea di produzione completa. Ad esempio, alla macchina dell’invenzione possono essere associate macchine per l’imbutitura, la filettatura o altre macchine operatrici in modo da costruire una vera e propria linea di produzione.

[0031] Il campo di lavoro ottimale à ̈ pari al diametro della rotazione della testa laser e, in aggiunta, in questo campo le parti in movimento sono limitate permettendo una alta velocità di lavoro. In ogni caso, à ̈ da tenere presente che il campo di lavoro può essere modificato, allargato, implementando la possibilità di muovere il substrato sul piano d’appoggio.

[0032] Inoltre, la possibilità di inclinarsi e ruotare della testa laser rispetto all’asse Y-Y ortogonale al piano 2 consente lavorazioni speciali su superficie ad esempio ondulate, mantenendo il raggio laser sempre ortogonale alla superficie stessa.

[0033] Il montaggio della macchina risulta semplice e non richiede complicati accorgimenti, dato che vengono evitati meccanismi quali pantografi o braccia robotizzate. In particolare, à ̈ da notare che i mezzi rotanti possono raggiungere ingombri inferiori al metro e possono essere fissati al braccio di supporto 7 in modo del tutto convenzionale senza particolari accorgimenti. Ad esempio, il braccio di supporto 7 può costituire esso stesso lo statore del motore rotante a disco 8 e la testa laser 5 può essere montata sulla parte rotante di detto motore tramite un perno o giunto articolato che ne consente i suddetti movimenti rotatori e oscillatori.

[0034] In aggiunta, l’utilizzo del laser a fibra ottica elimina la necessità di specchi comunemente usati per direzionare il fascio della luce laser con i convenzionali laser. Infatti, à ̈ noto che le tarature richieste per posizionare correttamente tali specchi sono particolarmente impegnative.

[0035] Il generatore del laser, essendo del tipo a fibra, può essere facilmente cambiato per modiche di tipologia dato che à ̈ un’apparecchiatura a parte della macchina dell’invenzione e a questa montato in modo semplice.

[0036] Ulteriori modiche della macchina della presente invenzione sono possibili per un tecnico del settore pur senza uscire dall’ambito di tutela come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

1. “MACCHINA PER LA LAVORAZIONE A LASER DI ELEMENTI PIANI" RIVENDICAZIONI 1. Macchina (1) per la lavorazione a laser di elementi (3) strutturali comprendente un piano d’appoggio (2) longitudinale e piano per detti elementi, una struttura (4) di movimentazione di una testa laser (5) sospesa al di sopra di detto piano d’appoggio per mezzo di un braccio (7), caratterizzata dal fatto che mezzi di rotazione (11, 8) dotati di un asse di rotazione (X-X) perpendicolare al piano (2) sono fissati all’estremità di detto braccio opposta rispetto a detta struttura (4) per ruotare detta testa laser (5) attorno a detto asse di rotazione.
2. 2. Macchina (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto braccio (7) à ̈ movimentato trasversalmente rispetto a detto piano d’appoggio (2) in modo da consentire anche un movimento traslatorio di detta testa laser (5) in alternativa o in combinazione con detto movimento rotatorio intorno all’asse (X-X) di detti mezzi di rotazione (11, 8) della testa laser stessa rispetto ad un elemento (3) da lavorare.
3. 3. Macchina (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto braccio (7) à ̈ costituito da un unico pezzo che si estende perpendicolarmente su detto piano d’appoggio (2) e si collega con una prima estremità direttamente ad una struttura portante (6) ed con una seconda estremità a detti mezzi di rotazione (8, 11).
4. 4. Macchina (1) secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, in cui detta testa laser (5) comprende una punta (10) rivolta verso il piano d’appoggio (2) in modo tale da indirizzare il raggio laser uscente dalla testa lungo un asse (Y-Y) parallelo all’asse (X-X) di rotazione dei mezzi rotanti e da questi distanziato.
5. 5. Macchina (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui detti mezzi di rotazione comprendono un disco rotante (8) dotato di una parte rotante esterna sulla cui circonferenza esterna à ̈ montata detta testa laser (5) che viene mossa in rotazione attorno a detto asse (X-X).
6. 6. Macchina (1) secondo la rivendicazione 5, in cui detto disco rotante (8) à ̈ rappresentato da un motore di tipo “brushless†con uno statore interno ed un rotore esterno sulla cui periferia à ̈ applicata detta testa laser (5).
7. 7. Macchina (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui detti mezzi di rotazione comprendono un albero rotante (11) avente conformazione ad L, ruotabilmente collegato al braccio (7) e mosso in rotazione attorno ad un asse (Z-Z) perpendicolare rispetto al piano d’appoggio (2), l’estremità libera dell’albero, opposta rispetto al braccio (7), portando la testa laser (5) in modo da farla ruotare attorno a detto asse (Z-Z) per idealmente disegnare una circonferenza giacente su un piano parallelo a detto piano d’appoggio (2).
8. 8. Macchina (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui la testa laser (5) à ̈ montata su detti mezzi rotanti (8, 11) in modo da poter ruotare sull’asse (Y-Y) di uscita del raggio laser, preferibilmente tramite un motore (12) atto a far ruotare la punta (10) sull’asse (Y-Y) per mezzo di un albero rotante (13).
9. 9. Macchina (1) secondo la rivendicazione 8, in cui la punta (10) à ̈ collegata all’albero rotante (13) tramite un giunto (14) che consente alla punta di spostarsi lungo un arco di cerchio.
10. 10. Macchina (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui il laser à ̈ un laser a fibra, preferibilmente caratterizzato da un sistema di eccitazione diretta della fibra attiva drogata all’itterbio (Yb) attraverso i diodi laser (LD) a luce pompata.