WO2012052525A1

WO2012052525A1 - Einrichtung zur hochdynamischen bewegung des wirkpunktes eines strahls

Info

Publication number: WO2012052525A1
Application number: PCT/EP2011/068376
Authority: WO
Inventors: Andreas Ehlerding
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2010-10-23
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2013-04-23
Also published as: DE102010049454A1

Abstract

Einrichtung zur hochdynamischen Bewegung des Wirkpunktes (40) eines Strahls (30), als Teil einer Bewegungsvorrichtung zur aufeinander abgestimmten Bewegung des Wirkpunktes (40) und einer Einrichtung (41) zur Zuführung eines Hilfsmediums an besagtem Wirkpunkt (40), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens für ein strahllenkendes Element (28, 29, 35) auf dem Weg des Strahls von der Strahlquelle zum Wirkpunkt (40), eine kurzwegige, hoch beschleunigbare Antriebsmöglichkeit (37) vorgesehen ist, die eine zusätzliche Bewegung des Strahls im Wirkpunkt (40), transversal zur Strahlrichtung ermöglicht und besagte Einrichtung (41) zur Zuführung eines Hilfsmediums derart gestaltet ist, dass der Strahl am Wirkpunkt (40) einen passenden Bewegungsspielraum als Wirkraum (48), zur Bewegung durch besagte kurzwegige und hoch beschleunigbare Antriebsmöglichkeit (37), aufweist.

Description

Einrichtung zur hochdynamischen Bewegung des Wirkpunktes eines Strahls.

Technisches Gebiet und Stand der Technik Die Fortentwicklung neuer Materialbearbeitungs- , -verbindungs- oder -aufbauverfahren wie Laserschneiden und -schweißen, Hochgeschwindigkeitsfräsen, Rapid Prototyping oder von Nachbearbeitungsverfahren beispielsweise Härten, Beschichten oder Polieren haben zu einer wachsenden Anzahl von Maschinen mit hohen Bewegungsgeschwindigkeiten ihrer Werkzeug- oder Werkstück tragenden Elemente geführt.

Werkzeuge aller Art werden im weiteren als Endeffektoren bezeichnet.

Bewegungsvorrichtungen, beispielsweise einer Werkzeugmaschine, die jeweils eine translatorische oder rotatorische Bewegung eines Endeffektors relativ zu einem Werkstück in einer Achse eines Referenzkoordinatensystems des Arbeitsraumes der Maschine erlauben, werden im weiteren als Achsen bezeichnet.

Als Maschinenachsen werden solche Teilbewegungsvorrichtungen bezeichnet die eine translatorische oder rotatorische Bewegung eines Maschinenelementes gegenüber einem in der Hierarchie der Gesamtstruktur der Maschine höher stehenden Maschinenelement erlauben, wobei die Hierarchie beim Maschinengestell als höchste Stufe beginnt und bei den Maschinenachsen zur direkten Bewegung eines Endeffektors als niedrigste Stufe endet. Achsen und Maschinenachsen können identisch sein, aber es können auch

Achsbewegungen, in Bezug zum besagten Referenzkoordinatensystem, aus den

Bewegungen mehrerer Maschinenachsen zusammengesetzt sein.

Damit die hohen angestrebten Geschwindigkeiten auch bei kompliziert gestalteten

Werkstücken genutzt werden können, sind hohe Beschleunigungen der bewegten

Elemente notwendig. In vielen Anwendungen ist es notwendig einen Endeffektor, entweder kontinuierlich und mit möglichst hoher konstanter Relativgeschwindigkeit, an einer mindestens teilweise kompliziert geformten Kontur entlang zu führen, oder mit einer möglichst hohen Taktrate durch eine Vielzahl diskreter Positionen, auf einem Werkstück, das relativ zum besagten Endeffektor wesentlich größere Abmessungen aufweist und gewöhnlich auch eine weitaus höhere Masse besitzt.

Dies setzt eine relativ langwegige und massive Führungsstruktur voraus. Je massiver die bewegten Elemente sind, umso höher sind die Kräfte die einerseits notwendig sind um die erwünschten hohen Beschleunigungen zu erzielen und die anderseits entsprechende Rückwirkungen auf tragende oder führende Strukturen verursachen.

Besagte Rückwirkungen führen zu unerwünschten, meist elastischen, Verformungen dieser Strukturen, was wiederum häufig zu Schwingungen auf den Resonanzfrequenzen aller beteiligten Maschinenelemente führt.

All diese Verformungen und Schwingungen führen zur Abweichung zwischen Soll- und Ist-Positionen eines Endeffektors relativ zum Werkstück.

Es sind verschiedene Lösungsansätze bekannt, um dieses Problem zu mindern.

Grundsätzlich unterscheidbar sind zwei Hauptzweige, die jedoch in der konkreten

Anwendung durchaus gemeinsam zum Einsatz kommen können.

Ein Zweig befasst sich mit der möglichst vorwegnehmenden oder schnell reagierenden Korrektur einer vorausberechenbaren oder festgestellten Bewegungsabweichung, also Fehlerkompensation.

Ein anderer Zweig, mit dem sich die hier vorliegende Patentanmeldung in der

Hauptsache befasst, versucht die Bewegungsabweichungen von vornherein klein zu halten, also Fehlervermeidung.

Die Fehlervermeidung kennt wiederum grundsätzlich drei Unterzweige von Lösungen.

1. Stabilität, 2. Reduktion der bewegten Massen und 3. Impulsausgleich.

Fehlervermeidung durch Rigidität der Strukturen und Dämpfung von Schwingungen führt zu massiven Maschinen, die hohe Antriebskräfte benötigen, was somit hohe Anschaffungs- und Aufstellungskosten, hohen Energieverbrauch und in vielen Fällen auch hohen Verschleiß bedeutet, also zu hohen Anschaffungs- und Betriebskosten führt.

Diese Kosten übersteigen bei den angestrebten Beschleunigungen häufig den erziefbaren Produktivitätsvorteil.

Zur Fehlervermeidung durch Reduktion der bewegten Massen sind ebenfalls eine ganze Reihe von Lösungsansätzen bekannt.

Neben der Verwendung neuartiger Werkstoffe, beispielsweise Kohlefaserverbundstoffe, kommt es auch zum Einsatz alternativer Achskonfigurationen, wie beispielsweise

Parallelkinematiken, und dort als Beispiel den sogenannten Hexapoden. Der Grundgedanke dabei ist, dass die verschiedenen benötigten Freiheitsgrade nicht durch eine Aneinanderreihung entsprechend beweglicher Achsen erzielt werden, was in seiner Konsequenz bedeutet, dass mit der Anzahl der Achsen die benötigte Stabilität nur durch eine jeweils überproportional schnell ansteigende Maschinenmasse erzielbar ist, sondern indem meist Kinematiken, aus in der Länge veränderlichen Stäben, die überwiegend an Kardan- oder Kugelgelenken frei beweglich sind, einen Endeffektor oder ein Werkstück gemeinsam nebeneinander, also parallel, tragen und diese durch entsprechend koordinierte Längen- oder Positionsänderungen der Stäbe, mit relativ großer Freiheit im Arbeitsraum bewegbar sind.

Der Arbeitsraum einer Maschine, die Parallelkinematik verwendet, ist jedoch verhältnismäßig klein, wenn man ihn mit einer konventionellen Maschine ähnlicher Abmessungen vergleicht, insbesondere im Vergleich zu Maschinen mit bewegten Portalen.

Außerdem setzt das sehr komplexe dynamische Verhalten der veränderlichen Stäbe und dies im Zusammenspiel mit den stark belasteten Gelenken einer hoch beschleunigten und zugleich sehr exakten Bewegung Grenzen.

Es ist auch schon zur Entwicklung von Hybridformen gekommen, die sowohl traditionelle Achsanordnungen als auch Parallelkinematiken kombinieren, z.B. in der Form, dass eine traditionelle Portalmaschine eine Parallelkinematik anstelle eines mehrachsigen

Schwenkkopfes trägt. Ein Beispiel hierfür ist aus US 7357 049 B2 bekannt.

Solche Kombinationen weisen zugleich in eine gegenüber der Parallelkinematik nahezu genau entgegengesetzte Entwicklungstendenz, also sogar in das aufeinander stapeln von noch mehr Achsen, die schon seit geraumer Zeit, beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung WO 93/01021 A1, bekannt geworden ist.

WO 93/01021 A1 lehrt die parallel überlagerte (redundante) Bewegung von längeren Basisachsen und kürzeren Zusatzachsen, wobei die Zusatzachsen durch ihre kleineren Wege und Spannweiten sehr viel kleiner bauen und damit leichter sind, also mit weniger Kraft zu beschleunigen.

Dies führt je nach Abwägung eher zu höheren Beschleunigungen bei gleichen Kräften, oder geringeren Rückwirkungen bei gleichen Beschleunigungen, so dass sowohl

Genauigkeit, als auch Geschwindigkeit hiervon profitieren können. Im Laufe der Zeit sind zahlreiche weitere Zusatzachskonfigurationen entwickelt worden, die auf ähnliche Weise das gleiche Ziel verfolgen. Dies gilt auch für EP 927 596 A2 und EP 2 177 299 A1, nur dass hier nicht zwei oder drei Maschinenachsen mit hohen Massen, als Zusatzachsen in kleinerer und leichterer Form, dupliziert werden, sondern dass eine redundant wirksame Überlagerung der Bewegung der langen Maschinenachsen, durch eine Kombination aus rotatorisch und translatorisch wirksamen Zusatzachsen erreichbar wird.

Auch hiermit können relativ hoch beschleunigte Bewegungen eines Endeffektors gegenüber dem Werkstück erzielt werden, ohne dass hierzu große Massen entsprechend beschleunigt werden müssen. EP 1 724 054 A1 offenbart den Einsatz von Zusatzachsen mit Impulsausgleich,

als der dritten schon genannten Methode zur Fehlervermeidung, in einer besonderen orthogonalen parallelkinematischen Zusatzachsenkonfiguration , bei der jeder

Zusatzachsenrichtung (dort U, V) eine den bewegten Massen entgegenwirkende

Ausgleichsmasse zugeordnet ist, die mit einem eigenen Antrieb, exakt synchron

und entgegen der Nutzmasse (dem Endeffektor) bewegt wird.

Dies vermindert die Rückwirkung von beschleunigten Teilmassen der Zusatzachsen auf die jeweils tragenden Strukturen zusätzlich, was nochmals erhöhte Genauigkeit und/oder Geschwindigkeit ermöglicht. Der zum Zeitpunkt dieser Anmeldung aktuelle Stand der Technik zum Impulsausgleich bei Zusatzachsen ergibt sich, soweit dem Anmelder bekannt, aus der internationalen Patentanmeldung PCT/DE 2010/001037 und in Verbindung mit einer Variante des

Impulsausgleichs, der sogenannten Impulsentkopplung, aus der internationalen

Patentanmeldung PCT/DE 2010/001038, beide vom Anmelder der vorliegenden Erfindung.

Allen diesen Beispielen aus dem Stand der Technik ist gemeinsam, dass sich der zu bewegende Endeffektor, bedingt durch die geringeren zu beschleunigenden Massen der Zusatzachsen zwar mit erheblich höheren Beschleunigungen und genauer bewegen lassen als es ohne Zusatzachsen möglich wäre.

Jedoch bedeutet dies in solchen Anwendungen, bei denen die Geschwindigkeit des Endeffektors gegenüber dem Werkstück im Bereich um 60 m/min oder darüber liegt, selbst unter der Voraussetzung einer typischen Beschleunigung durch Zusatzachsen von etwa 100 m/s², dass beispielsweise die Bewegung um eine rechtwinklige Ecke immer noch Brems- und Beschleunigungswege von 5 mm und mehr verursacht, so dass es trotz der Anwendung von Zusatzachsen zu störenden Geschwindigkeitseinbrüchen während der Bearbeitung an komplexen abzufahrenden Konturen kommt, insbesondere wenn diese zahlreiche prismatische Übergänge oder kleine Radien im Bereich von wenigen Millimetern enthalten.

Bei höheren Genauigkeitsanforderungen gilt dies entsprechend auch schon bei geringeren Bearbeitungsgeschwindigkeiten.

WO 2009/079760 A1 offenbart einen Scannerkopf zum Remote- Laserschweissen, der ebenfalls als Zusatzachseneinheit im Sinne des vorherigen Standes der Technik verwendbar ist, ähnlich wie die schon aufgeführten Laserschneidköpfe mit rotorisch bewegbaren Achsen EP 927 596 A2 und EP 2 177 299 A1.

Im Unterschied zu jenen ist der Spiegel eines Scannerkopfes jedoch mit wesentlich höheren Beschleunigungen drehbar als ein kompletter Schneidkopf, so dass je nach realisierbarem Abstand des Wirkpunktes vom kippbaren Umlenkspiegel, hieraus Beschleunigungen am Wirkpunkt von mehr als 1000 m/s² resultieren können.

Hierbei eine hohe Präzision einzuhalten, ist jedoch mit einigem Aufwand verbunden, unter anderem weil durch das hohe Übersetzungsverhältnis zwischen Bewegung des Spiegels und des Wirkpunktes auch Fehler und Vibrationen im Scannerkopf im Wirkpunkt entsprechend vergrößert auftreten.

Weiterhin ist zwar ein Ausgleich der Bewegungsabweichungen des Wirkpunktes von einer translatorischen Bewegung entlang einer ebenen Werkstückoberfläche (oder einer beliebigen dreidimensionalen Sollkontur), beispielsweise durch einen adaptiven Spiegel in der Fokussierungsoptik möglich, der die Brennweite und somit den Abstand des

Wirkpunktes vom Scannerspiegel bestimmt. Aber dennoch entstehen hierdurch weitere Fehlerquellen und es kommt wiederum zu Einschränkungen der maximalen Beschleunigung durch die begrenzte Dynamik des besagten adaptiven Spiegels. Grundsätzlich ist eine derartige Zusatzachseneinheit unter anderem zum Laserschneiden geeignet, jedoch prozessbedingt nicht annähernd mit einer Qualität und Geschwindigkeit, wie sie mit einer relativ kleinräumig definierten Scheidgaszuführung am Wirkpunkt möglich ist, so dass besagte Zusatzachseinheiten nur für ein eher begrenztes Anwendungsspektrum vorteilhaft nutzbar sind. Bei größeren benötigten Bewegungsspielräumen kommt verstärkt noch die Problematik hinzu, dass der Strahl nicht in einem fest definierten Winkel, meist senkrecht zur zu bearbeitenden Oberfläche, im Wirkpunkt auftrifft, so dass auch hierdurch dass Einhalten von notwendigen Bedingungen für eine definierte Wirkung erschwert wird.

Ganz besonders trifft dies beispielsweise beim Laserschneiden zu, wo je nach Laserleistung, Materialart und -stärke ein qualitativ und ökonomisch optimales Ergebnis nur unter

Zuführung von sogenannten Schneidgasen unter gut kontrollierbaren Druck- und

Strömungsverhältnissen und eng definierten Strahlefgenschaften am Wirkpunkt erzielbar ist.

Um dieses Problem zu lösen, wird in WO 2009/146697 A1 vorgeschlagen allein die

Schneiddüse zweidimensional parallel zur Werkstückoberfläche zu bewegen und die entsprechende Nachführung des Laserstrahls mittels mehrerer schwenkbarer Spiegel oder eines in mehreren Achsen schwenkbaren Spiegels zu erreichen, wobei der vorzugsweise kollimierte Laserstrahl, nach Reflektion durch den jeweils letzten besagten schwenkbaren Spiegel, mittels einer telezentrisch wirksamen Fokussierungsoptik senkrecht zur

Werkstückoberfläche ausgerichtet wird.

Bei Zusatzachseinheiten mit Bewegungsspielräumen von fünf oder mehr Zentimetern in beiden Hauptachsen, wird eine Spiegelrotation um ±5° oder mehr benötigt, wenn der

Abstand zwischen Umienkspiegel und Optik nicht in unpraktikable Dimensionen steigen soll.

Ausreichend gekühlte und optisch stabile Scannerspiegel mit Durchmessern von einigen Zentimetern und einer exakt kontrollierbaren Auslenkbarkeit um ±5° oder mehr sind aber mit Antrieben höchster Dynamik, wie Piezo- und Tauchspulenantrieben nicht auf wirtschaftliche Weise zu realisieren, so dass sich weiterhin eine Begrenzung der Dynamik und/oder der Genauigkeit ergibt.

Nach dem Stand der Technik kommt es somit immer zu einem mehr oder weniger problematischen Kompromiss zwischen kleiner und zugleich hochbeschleunigbarer

Spiegelbewegung bei stark begrenzter Kontrolle über Genauigkeit und Wirkungsparameter oder größerer und zugleich weniger beschleunigbarer Spiegelbewegung, letztlich unabhängig davon ob diese translatorisch oder rotatorisch ausgeführt wird, aber bei besserer Kontrolle, sowohl der Genauigkeit als auch der Wirkungsparameter, besonders auch durch eine parallele Bewegung von Wirkpunkt des Strahls und einer Einrichtung zur Zuführung von Hilfsmedien, wie beispielsweise eines Schneidgases mittels einer Düse. Aus US 5 574 348 B1 ist bekannt, die Zusatzachsen einer parallel ausgerichteten überlagert betrieben Achskonfiguration mit weiteren kurzhubigen Antriebselementen auszustatten, (Siehe Anspruch 14 dort) um Bewegungsfehler der Zusatzachsen mit nochmals höherer Beschleunigung korrigieren zu können.

Derart würde jedoch, beispielsweise bei einer Laserschneidmaschine, der gesamte

Schneidkopf, also inklusive Umlenkspiegel, Fokussierungslinse und Schneiddüse als Einrichtung zur Zuführung von Hilfsmedien an die Wirkstelle, gemeinsam höher beschleunigt werden müssen, was entsprechend leistungsstarke kurzhubige Antriebe voraussetzt, die aufwendig wären und zu heftigen Impulseinleitungen in tragenden Bewegungsstrukturen führen, die ebenfalls nur mit hohem Aufwand aufzufangen oder zu kompensieren wären.

In US 6,067,999 B1 wird vorgeschlagen in den Strahlweg, vor einem konventionellen Galvanometerspiegel, einen höher beschleunigt bewegbaren zusätzlichen Umlenkspiegel vorzusehen, so dass durch entsprechend überlagerte Bewegung beider Spiegel, eine hochbeschleunigte Gesamtablenkung um einen Winkelbetrag ermöglicht wird, der dem des weniger beschleunigbaren Galvanometerspiegels entspricht.

Eine Einrichtung zur Zuführung von Hilfsmedien, an den Wirkpunkt eines Strahls, ist dort nicht vorgesehen, Besonders gelten die zum Stand der Technik beschriebenen Probleme für redundant bewegbare Zusatzachseinheiten, die über eine Bearbeitungsfläche von mehreren

Quadratmetern hinweg zeitgleich überlagert mit langwegigen Basisachsen bewegt werden, und selbst Bearbeitungsflächen von typischerweise zwischen 10 bis 1000

Guadratzentimetem aufweisen.

Die geschilderten Probleme treten nicht nur beim Laserschneiden auf, sondern

auch bei anderen Bearbeitungsprozessen, bei denen ein energiereicher Strahl im elektromagnetischen Wellenlängenbereich von etwa 50 ym bis 100 nm Verwendung findet, besonders jedoch wenn die Strahlwirkung mit gasförmig, flüssig oder pulverförmig zugeführten Hilfsmedien, nur unter mit ausreichender Genauigkeit definierten Bedingungen zum erwünschten Ergebnis führt.

Besagtes erwünschtes Ergebnis kann das möglichst glatte Durchtrennen entlang einer Kontur oder das punktuelle Durchbohren von Material sein, ebenso wie das definierte Abtragen, Auftragen oder Verschmelzen von Material sowie das Glätten oder ein gezieltes Strukturieren. Das besagte zugeführte Hilfsmedium kann das gewünschte Ergebnis sowohl durch eine endotherme oder exotherme chemische oder katal tische Reaktion erzielen oder unterstützen, als auch mittels einer physikalischen Wirkung wie beispielsweise Druck, Strömung, Kühlung oder Abrieb.

Je nach Anwendung können verschiedene der besagten Ergebnisse, Reaktionen und Wirkungen auch gemeinsam vorkommen.

Allen derartigen Anwendungen ist nach dem Stand der Technik gemeinsam, dass sowohl die besagte Einrichtung zur Zuführung des Hilfsmediums als auch die mit ausreichend hoher Genauigkeit verfügbare Dynamik der Einrichtungen zur Strahlumlenkung, unabhängig davon ob diese translatorisch oder rotatorisch bewegbar sind, die Beschleunigbarkett des

Wirkpunktes relativ zum Werkstück begrenzen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine höher beschleunigbare Bewegung des besagten Wirkpunktes relativ zum Werkstück, auch über eine eher große Bearbeitungsfläche hinweg, zu ermöglichen, bei weitgehend konstanter Einhaltung aller für die Wirkung besagter energiereichen Strahlen wesentlichen Parameter.

Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem bei einer Bewegungsvorrichtung zur aufeinander abgestimmten Bewegung des Wirkpunkts eines energiereichen Strahls und einer Einrichtung zur Zuführung eines Hilfsmediums an besagtem Wirkpunkt, bestehend aus einer beliebigen Kombination von transiatorisch oder rotatorisch in mindestens einer Bewegungsrichtung redundant wirksamen Basis- und Zusatzachsen, erfindungsgemäß, mindestens für ein strahllenkendes Element auf dem Weg des Strahls von der Strahlquelle zum Wirkpunkt, eine kurzwegige, hoch beschleunigbare Antriebsmöglichkeit vorgesehen ist, die eine zusätzliche Bewegung des Strahls am Wirkpunkt, in mindestens einer Achsrichtung transversal zur Strahlrichtung im Wirkpunkt ermöglicht

und die besagte Einrichtung zur Zuführung eines Hilfsmediums derart gestaltet ist, dass der notwendige Freiraum zur besagten zusätzlichen Bewegung des Strahls gegeben ist.

Besagte kurzwegige, hoch beschleunigbare Antriebsmöglichkeit, kann erfindungsgemäß sowohl eine translatorische als auch eine rotatorische oder kombinierte Bewegung eines besagten strahllenkenden Elementes ausführen, um besagte zusätzliche Bewegung des Strahls zu bewirken. Somit ergibt sich in mindestens einer Achsrichtung, die sich, je nach Art der besagten Bewegungsvorrichtung, auch während des Betriebs ändern kann, eine mindestens dreifach redundant überlagerte Bewegung von Maschinenachsen,

die in extrem hoch beschleunigbaren aber dennoch präzise kontrollierbaren Soll-Bewegung des Wirkpunkts relativ zu einem Werkstück resultieren,

wobei durch den besonders kleinen benötigten Freiraum der Strahlbewegung in der dritten Stufe, die besagte Einrichtung zur Zuführung eines Hilfsmediums mit eher geringem Aufwand so gestaltet werden kann, dass eine weitgehend konstante Einhaltung aller für die Wirkung besagter energiereichen Strahlen wesentlichen Parameter gewährleistet ist

Dies bedeutet insbesondere bei der Verwendung eines Gases als zuzuführendes Medium, dass die Austrittsöffnung des Gases nur wenig größer ausfallen kann, als bei völlig paralleler Bewegung von Strahl und Medienzuführung notwendig, so dass ein wirtschaftlicher Betrieb und zugleich ein großer Freiraum bei der Gestaltung anwendungsspezifisch vorteilhaft verwendbarer Düsengeometrien ermöglicht wird.

Besagte strahllenkenden Elemente, die eine besagte kurzwegige, hoch beschleunigbare Antriebsmöglichkeit aufweisen, können sowohl solche sein, die ohne erfindungsgemäße Ausführung ebenfalls vorhanden wären und erfindungsgemiß antreibbar gestaltet werden, oder können zusätzlich vorgesehen werden, um eine erfindungsgemäße Stehlablenkung am besagten Wirkpunkt transversal zur Strahlrichtung erzielen.

Erfindungsgemäß kann im Grunde jedes strahllenkende Element, unabhängig davon ob seine Wirkung mittels Reflektion oder Refraktion erfolgt, für besagte Strahlablenkung genutzt und erfindungsgemiß angetrieben werden, wenn seine Verschiebung oder Venschwenkung zu einer entsprechenden stetigen und vorzugsweise proportionalen Strahlablenkung im Wirkpunkt führt. Jedoch Ist es vorzuziehen die erfindungsgemäße Strahlablenkung mittels reflektiver und möglichst nahe dem Wirkpunkt befindlicher Elemente vorzusehen, da diese gewöhnlich bei gleichem oder geringeren Aufwand, bezüglich Abbildungsqualität, Unabhängigkeit von Strahlparametern, insbesondere Leistung und Spektrum, sowie Langzeitstabilität nicht unerhebliche Vorteile bieten und eine präzise Steuerung der Strahlablenkung eher möglich ist, wenn die Anzahl der einem erfindungsgemäß

hochbeschleunigt antreibbaren Element im Strahlweg, bis zum Wirkpunkt nachfolgenden strahllenkenden Elemente gering ist, und der entsprechende Strahiweg möglichst kurz. Somit ist vorzugsweise das letzte reflektive Strahllenkungselement im Strahlweg, das Element, bei dem ein erfindungsgemäßer kurzwegiger hochbeschleunigbarer Antrieb vorgesehen ist. Beispielsweise bedeutet dies, bezogen auf eine Laserschneidmaschine mit Zusatzachsen, wie sie zum Stand der Technik an einer Reihe von Beispielen aufgeführt sind, dass ein Umlenkspiegel vor einer Fokussierungsoptlk, die entsprechend angepasst sein sollte, oder besonders vorzugsweise ein selbst fokussierend wirkender Umlenkspiegel, in einem sogenannten Schneidkopf, also in jedem Fall einer Einheit aus besagtem Umlenkspiegel, ggf. Fokussierungslinsen und einer Schneidgaszuführung zum Wirkpunkt,

besagter Umlenkspiegel einen erfindungsgemäßen kurzfiubigen und hochbeschleunigbaren Antrieb aufweist und die Schneiddüse derart ausgeführt ist, dass der Laserstrahl am Wirkpunkt einen ausreichenden Bewegungsspielraum zur Bewegung durch den besagten Antrieb, ohne eine synchrone Bewegung der Schneiddüse selbst, aufweist und zugleich eine weitgehend homogene Wirkung des Schneidgases innerhalb des besagten

Bewegungsspielraums vorliegt.

Ein alternativer Stand der Technik, entsprechend der aufgeführten WO 2009/146697 A1, kann ebenfalls erfindungsgemäß verbessert werden, jedoch hier vorzugsweise, indem nicht der schon bewegbare letzte Umlenkspiegel, sondern das diesem im Strahlweg jeweils vorgelagerte strahllenkende Element, erfindungsgemäß antreibbar ist

Besagtes Element kann sowohl ein weiterer Spiegel sein, der entweder ohnehin oder speziell für eine erfindungsgemäße Strahlablenkung dort im Strahlweg vorgesehen ist, oder es kann beispielsweise auch eine Kollimationseinheit sein, die aus dem Strahl in einer Lichtleitfaser einen aufgeweiteten aber in sich parallel ausgerichteten Strahl erzeugt und die als Ganzes oder in einzelnen optischen Elementen, erfindungsgemäß angetrieben und bewegt wird. Für eine entsprechende erfindungsgemäße Auslegung der Schneiddüse gilt, was schon im vorherigen Absatz beschrieben wurde.

In vielen Anwendungen wird eine Zustellmöglichkeit des gesamten Endeffektors in

Strahlrichtung gegenüber der Werkstückoberfläche vorgesehen sein.

Ebenso kann eine Einstellmöglichkeit im Abstand zwischen besagtem Umlenkspiegel und besagter Schneiddüse, oder allgemeiner; zwischen besagtem reflektierenden Element und besagter Medienzuführung, vorgesehen sein.

Je nach Anwendungsbereich, notwendigem Bewegungsspielraum und Dynamik steht hierzu, wie auch für die erfindungsgemäße hochbeschleunigte Strahlablenkung, ein breites Spektrum dem Fachmann schon aus dem Stand der Technik bekannter

Antriebsmöglichkeiten zur Verfügung.

Beispiele sind Lineardirektantriebe, Tauchspulenantriebe oder piezoelektrische Aktoren. Dabei ist es möglich und kann sowohl konstruktiv als auch wirtschaftlich sinnvoll sein, das Prinzip redundant überlagerter Zusatzachsen ebenso für besagte Zustellung in

Strahlrichtung zu nutzen, was einerseits zu einer hochdynamischen und, besonders zur Positionsanpassung des besagten reflektierenden Elementes, konstruktiv vergleichsweise günstig zu realisierenden Bewegungsmöglichkeit innerhalb kleiner Wege führt und andererseits erlaubt massivere und raumgreifendere Elemente für eine größere

Bewegungsmöglichkeit in Strahlrichtung, in eine höhere Stufe der Gesamtachskonfiguration zu verlagern, wo sie bezüglich der Maschinendynamik nicht oder zumindest weitaus weniger störend in Erscheinung treten.

Die besagte vergleichsweise günstige Realisiersungsmöglichkeit ergibt sich vorzugsweise derart, dass für kleine Zustellbewegung in Strahlrichtung, parallel zur Positionsverstellung des besagten Umlenkspiegels auch andere an der Strahlformung und -umlenkung beteiligte Elemente synchron mitbewegt werden. Dies bietet sich besonders an, wenn die Anzahl der derart in ihrer Bewegung zu synchronisierenden Elemente gering ist, beispielsweise wenn lediglich noch eine Kollimationseinheit mitbewegt werden muss, um unerwünschte Brennweiten- oder Positionsveränderungen durch Relativbewegungen zu vermeiden.

Im Zusammenwirken mit Zusatzachsen nach dem aktuellen Stand der Technik, die eine redundante translatorische hoch beschleunigte Bewegung im Dezimeterbereich vorsehen, ergibt sich erfindungsgemäß eine besonders leistungsfähige und flexible dreistufig redundant überlagerte Bewegungsmöglichkeit, die gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere auch dem aus WO 2009/146697 A1 , eine höhere Präzision bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten zulässt und zugleich, auch wegen der weitaus weniger aufwendigen und dennoch potentiell leistungsfähigeren und im Betrieb robusteren

Fokussierungselemente, wesentlich flexibler an Anwendungen mit hohen Strahlieistungen und unterschiedlichen Bedürfnissen an den Bewegungsspielraum der Zusatzachsen anpassbar ist. Dies gilt sowohl für erfindungsgemäße Zusatzachseneinheiten, die auch oder ausschließlich durch rotatorisch bewegbaren Achsen als Basisachsen in einem Arbeitsraum bewegt werden, beispielsweise am Arm oder Ausleger von Portal- oder Industrierobotern, als auch für erfindungsgemäße Zusatzachseinheiten, die ausschließlich mittels translatorisch bewegbarer Achsen als Basisachsen in einem Arbeitsraum bewegt werden. Aus dem zitierten Stand der Technik ist schon quantitativ ersichtlich, dass erfindungsgemäße Maschinenkonfiguration besonders für den Bereich Laserschneiden nutzbar sind, da sich die meisten konkreten Beispiele mit dieser Anwendung befassen. So sollen sich auch die hier geschilderten konkreten Beispiele zur Anwendung der

Erfindung mit diesem Gebiet befassen, was jedoch selbstverständlich nicht bedeutet, dass die beschriebenen Beispielkonzepte sich, in für den Fachmann leicht zu entwerfenden Abwandlungen, nicht auch für eine Vielzahl anderer Anwendungen eignen, die zum Teil schon zum Stand der Technik aufgeführt oder umrissen wurden.

Vorzugsweise ist die Erfindung dort vorteilhaft anwendbar, wo Bewegungsabläufe mit hohen konstanten Geschwindigkeiten entlang längerer komplex geformter Konturen erfolgen oder aus sonstigen Gründen Gesamtbewegungen über längere Strecken bei häufigen intermittierenden hohen Beschleunigungen erforderlich sind.

Eine der verbreitetesten Anwendungen des Laserschneidens ist das Schneiden von plattenförmigen Rohmaterial auf sogenannten Flachbettlaserschneidmaschinen .

Die ganz überwiegende Anzahl derartiger Laserschneidmaschinen teilt sich in der

Grundkonstruktion in zwei Gruppen auf;

Beiden gemeinsam ist das, meist auf einem Wechseltisch, während der Bearbeitung ortsfest im Bearbeitungsraum positionierte Material.

Die schon etwas traditionellere Fraktion positioniert mittels einer Gantry Anordnung aus zwei Antrieben und entsprechenden Führungen neben dem Arbeitsraum, ein Portal über dem

Material, meist entlang der größeren Abmessung des Bearbeitungsraums, der bei den meisten Maschinen ein horizontales Bearbeitungsfeld von 3 x 2 Metern bis zu 5 x 3 Metern umfasst und meist nur eine Höhe von einigen Zentimetern aufweist.

Da die freistehenden Führungen der auf den Portalen bewegbaren Strukturen noch etwas länger sein müssen, als das zu bearbeitende Material, entstehen so Portale mit frei tragenden Längen von 2,5 bis 3,5 Metern, die entsprechend oft insgesamt eine 3 bis 4 Meter lange bewegbare Struktur darstellen.

Um bei solchen Maschinen eine gute Zugänglichkeit des Arbeitsraumes zu erreichen, wäre es wünschenswert die Portale mit Ständern zu bewegen, so dass die Führungen unterhalb des Arbeitsraumes angeordnet sein können. Dies wiederspricht jedoch einer hohen Maschinendynamik, durch die zusätzlichen bewegten

Massen und Elastizitäten, so dass überwiegend die Führungen der Portale direkt auf der Bearbeitungsebene stattfindet. Daher entwickelte sich mit der Zeit eine zweite Bauart, bei der die Führung des Portals über oder hinter den Bearbeitungsraum verlegt wird. Vom Kragarm der von der Rückseite des Bearbeitungsraumes her mit übereinander angeordneten Führungen gehalten wird über eine relativ breit ausgelegte zentrale Führung über dem Arbeitsraum, bis hin zu entsprechenden Kombinationen aus Einzelführungen hinter und über dem Arbe/tsraum reicht das Spektrum.

Besonders die zwei ersten Unterarten eignen sich nur bedingt für sehr lange Querachsen mit hohen Beschleunigungen, da mit zunehmendem Abstand des Endeffektors von der Aufhängung, störende Kräfte und Instabilitäten auftreten. Dies gilt natürlich sinngemäß auch für die anderen insgesamt dargestellten Varianten, nur eben im gleichen Maße erst bei höheren Spannweiten.

Wie schon im Stand der Technik ausführlich beschrieben, wurde eine Lösung für diese Problematik in der Verwendung von redundant wirkenden Zusatzachsen gesehen, so dass die relativ instabilen langen Portale und Kragarme nur noch einen Bewegungsanteil mit relativ niedriger Beschleunigung bei einer Gesamtbewegung mit hoher Beschleunigung übernehmen müssen.

Dass hierbei wiederum Rückwirkungen der Zusatzachsen auf die sogenannten Basisachsen auftreten und dass auch hierfür Lösungen im Sinne des Impulsausgleiches entwickelt wurden, ist ebenfalls zum Stand der Technik schon erwähnt worden.

Bei geplanten Schneidgeschwindigkeiten von bis zu über 60 m/min, also 1 m/s, und Beschleunigungen der Basisachsen um 10 m/s², ergibt sich für den benötigten

Bewegungsspielraum einer Zusatzachse nach einer etwas vereinfachenden Formel aus dem Stand der Technik zum Thema redundanter Zusatzachsen (ausführlich in

WO 2008/148 558 A1) S = 4 x V² / A also 4 x (1 m/s)² / 10 m/s² = 40 cm.

Wie aus anderen Dokumenten zum Stand der Technik (beispielsweise WO 2008/151810 A1 oder WO 2009/027006 A1) bekannt, kann der Bedarf durch meist steuerungstechnische Maßnahmen reduziert werden, was effektiv bedeutet, dass üblicherweise maximal 50 % des theoretischen„Worst Case" - Wertes tatsächlich benötigt werden, so dass von einem praktikablen Wert von etwa 20 cm ausgegangen werden kann. Ein Arbeits räum mit derartigen Abmessungen in zwei Dimensionen wäre für eine

Zusatzachseneinheit mit höchster Beschleunigung, von über 100 m/s², nach dem bisherigen Stand der Technik nicht wirtschaftlich sinnvoll realisierbar. Abschließend sollen bezüglich der erfindungsgemäßen Lösung dieses Problems besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung anhand von Zeichnungen dargestellt und erläutert werden.

Fig. 1 zeigt die Totalansicht einer Laserschneidmaschine, bestehend aus einem

Maschinenbett (1) mit einer feststehenden Brücke (2) längs der in X - Richtung

an einer relativ breit ausgelegten zentralen Führung über dem Arbeitsraum eine

Führungseinrichtung (3), zur Bewegung einer erfindungsgemäß zu verbessernden impulsentkoppelten Zusatzachseneinheit (10) in Y-Richtung, vorgesehen ist.

Fig. 2 zeigt Details einer erfindungsgemäß eingerichteten besagten Einheit (10).

Fig. 3 zeigt Details eines erfindungsgemäß eingerichteten Laserschneidkopfes (21).

Zur Laserschneidmaschine in Fig. 1 gehört ein Geräteschrank (4) der die Steuerung (5) sowie nicht dargestellte Einheiten, wie Antriebsverstärker, weitere elektrische Komponenten, Laserquelte und Gasvorräte enthält.

Im Arbeitsraum (6) befindet sich ein Wechseltisch mit dem zu bearbeitenden Material.

Der Antrieb zur Bewegung der Führungseinrichtung (3) in X -Richtung erfolgt mittels eines zentral zwischen zwei Führungen in der Brücke (2) angeordneten Lineardirektantriebs, der eine maximale Beschleunigung der Einrichtung (3) von etwa 10m/s² erlaubt, bis zu der eine praktikabel schwingungsarme Bewegung der Einrichtung (3), auch bis in die Endlagen der Y - Achse, möglich ist.

Die Bewegung der Einheit (10) entlang der Einrichtung (3) in Y - Richtung erfolgt ebenfalls mittels Lineardirektantrieben, jedoch jeweils auf beiden Seiten und eng an den gestrichelt dargestellten Führungen (11) der Einheit (10) anliegend, so dass eine Beeinträchtigung der Bewegungsfreiräume innerhalb der Einheit (10) vermieden wird.

Besagter Antrieb ermöglicht eine maximale Beschleunigung von 15 m/s² entlang besagter Einrichtung (3), und dient, zusammen mit dem Antrieb von Einrichtung (3) entlang besagter Brücke (2), als relativ niedrig beschleunigbarer Antrieb der Basisachsen. Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäß zu verbessernde impulsentkoppelte

Zusatzachseneinheit (10) in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante.

An der schon in Fig. 1 dargestellten Führung (11) bewegbar ist die Einheit (10) mittels der Führungselemente (12).

Ein relativ niedrig beschleunigter Antrieb der Einheit (10) erfolgt mittels der aktiven

Antriebselemente (13) auf der Einheit (10) und den entiang der Führung (11) angeordneten passiven Antriebselementen (14).

Eine Zusatzachse (20) zur hoch beschleunigbaren Bewegung des Laserschneidkopfes (21), enthält Führungen (22) als auch Antriebe (23) zur Bewegung des Laserschneidkopfes (21) in X-Richtung.

Details des erfindungsgemäß eingerichteten Laserschneidkopfes (21) zeigt Fig. 3.

Die Zusatzachse (20) wird mittels der Führungselemente (15) auf der Einheit (10) geführt und mittels der Antriebe (16), als hoch beschleunigbares Antriebssystem, gegenüber dem äußeren Teil der besagten Einheit (10) angetrieben, der, in dieser besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung, auch als Ausgleichsmasse zur Impulsentkopplung genutzt wird.

Die Beschleunigungsrückwirkung aus der Bewegung des Laserschneidkopfes (21) entlang der Führungen (22) durch die Antriebe (23) innerhalb der Zusatzachse (20), wird in dieser besonderen Ausführungsvariante über besagte Führungselemente (15) auf den äußeren Teil der Einheit (10) übertragen, und von Ausgleichsmassen (24) kompensiert, die entlang der Führungen (25) mitteis Antrieben (26) bewegbar sind.

Zur besseren Erkennbarkeit sind die hier vorzugsweise aktiven Anteile der Antriebe (16) und (26) zusätzlich auf der Außenseite der Einheit (10) dargestellt.

Eine tiefergehende Erklärung zu den Details und weitere bevorzugte Alternativen solcher und ähnlicher Zusatzachskonfigurationen, können den schon zuvor zum Stand der

Technik aufgeführten internationalen Patentanmeldungen PCT/DE 2010/001037 und PCT/DE 2010/001038 entnommen werden.

Dort wird ausführlich gezeigt, wie mittels Impulsausgleich und/oder Impulsentkopplung leistungsfähige Zusatzachskonfigurationen realisierbar sind, die sich somit besonders als Grundlage für eine erfindungsgemäße Einrichtung eignen. Im vorliegenden Beispiel wurde eine Variante gewählt, in der eine niedrige Masse des Laserschneidkopfes (21) besonders zum Tragen kommt, indem auf einen inneren

Impulsausgleich der Zusatzachseneinheit (20) verzichtet wird, und somit eine besonders hohe Beschleunigung und Nutzung des impulsentkoppelten Bewegungsspietraumes der Zusatzachseneinheit (20) entlang der Y-Achse innerhalb der Einheit (10), entsprechend PCT/DE 2010/001038 erzielt wird.

Entsprechend PCT/DE 2010/001037 erfolgt dann ein Impulsausgleich zur Seschleunigung des Laserschneidkopfes (21) auf der die Zusatzachse (20) tragenden Einheit (10). Der Bewegungsspielraum für den hoch beschleunigbaren Antrieb in Y-Richtung beträgt etwa 27 cm, der jedoch gegenüber dem festen Koordinatensystem der Maschine durch die entgegengesetzte Bewegung von Nutzlast und Ausgleichsmasse, die hier als das etwa 3 fache der Nutzlast angenommen sei, auf etwa 20 cm begrenzt wird. Die Zusatzachse (20) verfügt in X-Richtung über einen Bewegungsspielraum von etwa 24 cm, der ohne Abstriche auch effektiv verfügbar ist, womit unter Anwendung der bekannten Auslegungsregeln, für beide Achsen eine weitgehend konstante

Schneidgeschwindigkeit von bis zu 100 m/min nutzbar ist und, vorzugsweise unter Verwendung leistungsfähiger Lineardirektantriebe, in Verbindung mit erfindungsgemäß massearmen Laserschneidköpfen, in beiden Achsen Beschleunigungen von bis zu etwa 150 m/s² erzielbar sind.

Mit besonders starken, dann auch relativ kostspieligeren, Permanentmagneten auf der jeweils bewegten Antriebsseite, eisenlosen Spulen auf der aktiven Antriebsseite sowie weitgehender Kohlefaserverbundbauwe/se der Zusatzachse (20) und eines erfindungsgemäßen Laserschneidkopfes (21), dürften auch Beschleunigungen

von über 200 m s² erzielbar sein.

In diesem Beispiel wird dem Laserschneidkopf (21) durch einen planen Umlenkspiegel (29) ein Laserstrahl zugeführt, der durch eine Kollimationseinheit (28) zuvor aufgeweitet und parallel ausgerichtet wurde. Besagter Kollimationseinheit (28) wird der Laserstrahl durch ein Lichtleiterkabel zugeführt, das aus einer Laserquelle, beispielsweise einem Faserlaser, gespeist wird, die sich im besagten Geräteschrank (4) befindet.

Durch eine derartige Aufteilung der optischen Elemente ergeben sich wesentliche Vorteile: a. Der Schneidkopf (21) ist massearm und daher schon mit relativ geringer Antriebskraft hoch beschleunigbar.

b. Die Zuführung des Lichtleiterkabels zur Kollimationseinheit (28) ist nicht den extremen Beschleunigungen des Schneidkopfes (21) und der Zusatzachse (20) ausgesetzt. c. Durch Integration alier strahllenkenden Bauteile in die Einheit (10) wird dennoch eine hohe Genauigkeit der relativen Ausrichtung ermöglicht.

Um eine Anpassung des Fokuspunktes an das zu bearbeitende Material auf dem

Wechseltisch im Arbeitsraum (6) zu ermöglichen, ist in diesem Beispiel eine parallele Höhenverstellung sowohl für des Spiegel innerhalb des Laserschneidkopfes (21) als auch für die Kolllmationseinheit (28) vorgesehen, die durch einen doppelte Line am unteren Rand dieser Elemente in Fig. 2 angedeutet ist. Details hierzu werden zu Fig. 3 Laserschneidkopf (21) erläutert und gelten sinngemäß auch für die Kolllmationseinheit (28).

Der plane Umlenkspiegel (29) ist vorzugsweise nicht bewegbar, sondern in der Höhe der nutzbaren Spiegelfläche angepaßt Eine besonders bevorzugte Variante eines erfindungsgemäßen Laserschneidkopfes (21) wird abschließend, in Fig. 3, als schematisierter Schnitt in der X/Z - Ebene dargestellt.

Einige für die Erläuterung der Erfindung nicht oder kaum interessanten Elemente wurden hier bewusst nicht dargestellt, sind aber der Grund für Freiräume in der Darstellung, die somit zu entsprechenden Anpassungen der dargestellten Elemente führen können.

Der Laserschneidkopf besteht aus drei zueinander beweglichen Einheiten; dem in der X - Achse geführten und in der Z-Achse unbeweglichen Hauptteil (31), an dem oben ein in der Z - Achse bewegbares Spiegelgehäuse (33) und unten eine unabhängig vom Spiegelgehiuse (33) in der Z - Achse bewegbare Schneiddüse (41) angebracht sind. Diese Einheiten sind so aneinander angepasst geformt und derart abgedichtet, beispielsweise mittels nicht dargestellter Dichtwülste an den Übergangskanten, dass sie ein gemeinsames Gehäuse bilden, durch das Luft oder andere reaktionsarme und für die jeweilige Wellenlänge des Laserstrahls (30) ausreichend optisch neutrale Gase, auch unter einem Druck von einigen Bar, zur Schneiddüse (41) geführt werden kann.

Wie schon zur Fig. 2 angedeutet, ist das Spiegelgehiuse (33) um etwa ±5 mm in der Z -Achse gegenüber dem Hauptteil (31) bewegbar.

Die Lager und Führungen (32), zwischen der rohrartigen Verlängerung (39) des

Spiegelgehäuses (33) und dem Hauptteil (31) dienen diesem Zweck. Entweder in diese Elemente mindestens teilweise integriert, beispielsweise als linearer Antrieb mit relativ hohem Haltemoment, oder separat, vorzugsweise an die rohrartige Verlängerung des Spiegelgehäuses (39) angreifend, ist ein Antrieb hierfür vorgesehen. Die Ansprüche an diesen Antrieb sind bezüglich der Dynamik eher gering_» da, im Gegensatz zu sehr hoch beschleunigten Bewegungen in der X/Y - Ebene, bei nahezu allen denkbaren Anwendungen in der Z-Achse, nur relativ geringe Beschleunigungen notwendig sind.

Der Laserstrahl (30) tritt senkrecht durch ein Fenster (34), vorzugsweise einer

Quarzscheibe, in besagtes Gehäuse ein, so dass denkbare Qualitätsminderungen des Laserstrahls durch Medienübergänge minimiert werden.

Der konkave Umlenkspiegel (35) ist vorzugsweise asphärisch, für eine besonders hohe Fokussierungsqualität und Minimierung von Abweichungen bei Auslenkungen, geformt. Besagte Auslenkungen werden in diesem Beispiel durch, um insgesamt etwa 1 mm auslenkbare sowie präzise und hochdynamisch steuerbare, Tauchspulenantriebe (37) erzeugt, die in Fig. 3 nur für die Bewegung der Wirkpunktes in X - Richtung, innerhalb Wirkraums (48), dargestellt sind. Besagte Antriebe (37) werden einerseits mit dem Spiegelträger (36) und andererseits mit dem Spiegelgehäuse (33) vorzugsweise derart gerichtet elastisch verbunden und so angesteuert, dass sich, bei besagten geringen Auslenkungen, eine quasi-kardanische Aufhängung des Umlenkspiegels (35) ergibt. Insgesamt ergibt sich somit für die hier dargestellte Beispielanwendung der Erfindung in den Hauptbewegungsachsen X und Y eine dreifach redundant überlagerte Bewegung des Laserstrahls am Wirkpunkt (40), wobei

1. Basisachsen durch niedrig beschleunigte Bewegung, von maximal etwa

10 bis 15 m/s², der Einheiten (3) und (10) im gesamten Arbeitsraum,

2. Zusatzachsen durch höher beschleunigte Bewegung, von bis zu etwa 150 m/s², innerhalb der Einheit (10) in einem beweglichen Quadrat von etwa 20 x 20 cm, und 3. eine Strahlablenkung mittels Umlenkspiegel (35) durch am Wirkpunkt (40) erzielbare

Höchstbeschleunigungen von bis zu etwa 1000 m/s², in einem Quadrat von etwa 12 x 12 mm, realisiert werden. Durch einen stabilen Aufbau, insbesondere der gesamten Einheit (10), und Anwendung schneller Laserinterferometrie zwischen Spiegelgehäuse (33) oder Hauptteil (31) und Spiegelträger (36), kann eine zugleich extrem dynamische und genaue Führung des fokussierten Laserstrahls (30) im Wirkpunkt (40) erzielt werden.

Durch eine leicht entfembare Abdeckung (38) über dem Spiegel (35), kann dieser leicht vom Spiegelträger (36) abgenommen werden.

Die Kühlung des Spiegels (35) erfolgt ebenfalls über den Spiegelträger. Die Zuführung des Schneidgases zum Wirkraum (48) erfolgt über die Schneiddüse (41), die ähnlich wie das Spiegelgehäuse (33) gegenüber dem Hauptteil (31) bewegbar ist

Die Lager und Führungen (42), zwischen der Schneiddüse (41) und dem Hauptteil (31) dienen diesem Zweck. Es gibt jedoch auch wesentliche Unterschiede, einerseits bezüglich der Genauigkeitsanforderungen, die hier relativ niedrig sind, da eine Bewegung unterhalb des Millimeterbereiches in den meisten Anwendungen kaum eine Auswirkung hat aber andererseits auch ein weitaus größerer Bewegungsspielraum von einigen cm sinnvoll ist. So bietet es sich hier an, auch wegen des hohen Haltemomentes, einen einfachen linearen Schrittmotorantrieb, entweder mindestens teilweise integriert in Elemente der Lager und Führungen (42) oder separat zwischen Schneiddüse (41) und Hauptteil (31), vorzusehen.

In diesem Beispiel ist ein Bewegungsspielraum von 30 mm in der Z- Achse vorgesehen, um bei ausgeschalteter Laserquelle, beispielsweise für Materialwechsel, einen ausreichenden Abstand zwischen Schneiddüse (41) und Wechseltisch erzielen zu können.

Die in Fig. 3 gezeigte Schneiddüse (41) setzt sich, neben ihrem fest eingebauten Hauptteil, aus zwei weiteren austauschbaren Elementen zusammen.

An dem Hauptteil ist unmittelbar ein Adapter (44) angebracht, der das Düsenende (45) trägt.

Der Adapter (44) dient dazu, den Strömungsverlauf des Schneidgases passend zur jeweiligen Anwendung und dem hierfür notwendigen Querschnitt am Düsenende (45) zu beeinflussen und stellt zugleich eine möglichst sichere und dennoch schnell

handhabbare Verbindung zum Düsenende (45) her, das vorzugsweise als kostengünstiges

Austauschteil ausgebildet sein sollte, um Kosten durch Verschleiß und Schäden zu minimieren, die überwiegend nahe des Wirkpunktes (40) auftreten.

Selbstverständlich muss besagtes Düsenende (45) zum jeweiligen Adapter (44) passend gestaltet sein. Der Bedarf für unterschiedliche Düsenquerschnitte über dem Wirkraum (48) kann sich beispielsweise daraus ergeben, dass je nach Anwendung das Arbeitsfeld, das durch Bewegung des Spiegels (35) im Wirkraum (48) maximal erreichbar ist, nicht ausgenutzt werden muss und somit der Gasverbrauch durch einen engeren Düsenquerschnitt vermindert werden kann.

Darüber hinaus kann durch weitere Ausgestaltungen des Adapters (44) erreicht werden, dass auch Hilfsmedien, zumindest zusätzlich, zum Schneiden eingesetzt werden können, die das Gehäuse des Laserschneidkopfes (21) nicht ohne Fehler oder Schäden zu verursachen, durchströmen können.

Dies gilt analog auch für das Düsenende (45), wo derartige Ausgestaltungen vorzugsweise dann vorgesehen sein können, wenn ein sinnvolles oder notwendiges Hilfsmedium, zwangsläufig oder mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zu einem hohen Verschleiß oder Schäden an einem aufwendiger zu fertigenden und/oder auzutauschenden Adapter (44) führen würden.

Auch sensorische Elemente können in alle Teile der Schneiddüse (41) integriert sein.

Gegenüber hoch beschleunigten Strahlablenkungen mittels schwenkbarer Spiegel, bei denen der Strahl durch eine aufwendige Optik zum Wirkpunkt umgelenkt und fokussiert wird, fallen die Vorzüge der hier beispielhaft schrittweise dargestellten Variante ins Auge, da derartige Strahlablenkungen für die Schneiddüse dennoch einen eigenen Antrieb benötigen, der entweder keine besonders flexible Anpassung der Schneiddüse an die jeweiligen Anwendungen ertaubt, oder, schon ohne besagte optischen Elemente, ähnlich aufwendig wird wie diese beispielhafte Ausführung, so dass der Einsatz aufwendiger und empfindlicher optischer Elemente, wie dort benötigt, angesichts des vorliegenden Beispieles als eher unwirtschaftlich erscheint, zumal besagte optischen Elemente den Bewegungsspielraum entsprechender Achsen, durch einen nahezu exponentieil mit den Abmessungen steigenden Aufwand, stark einschränken. Ein Einsatz derartiger Optiken ist erfindungsgemäß aber grundsätzlich möglich, wie schon zuvor in der Beschreibung ausgeführt.

Die Erfindung ermöglicht durch Einführung einer dritten Redundanzstufe in der Bewegung des Strahls und erfindungsgemäße Gestaltung der Einrichtung zur Zuführung von

Hilfsmedien, gegenüber dem Stand der Technik eine weitaus höhere Beschleunigung der Bewegung des Wirkpunktes, bei weitgehender Konstanz der für eine Strahlwirkung wesentlichen Parameter und zugleich hoher Flexibilität in der Anpassbarkeit bezüglich unterschiedlichen Anwendungserfordernissen. Die Erfindung ist auch in Einrichtungen vorteilhaft einsetzbar, in denen der Wirkpunkt gegenüber einem Werkteil vorzugsweise nicht kontinuierlich sondern von Punkt zu Punkt bewegt wird, wenn hohe Geschwindigkeiten bei zugleich minimaler Schwingungsanregung der Maschinenstrukturen erzielt werden sollen, beispielsweise um besonders präzise punktförmige Bearbeitungen bei hohem Durchsatz auszuführen.

Leicht ersichtlich ist, dass die Erfindung vorteilhaft für eine Vielzahl kaum abschließend aufzählbarer Anwendungen einsetzbar ist, in einer für den Fachmann jeweils leicht erkennbar abwandelbaren Form.

Die Art der Basisachsen von Maschinen, die entsprechend der Erfindung realisierbar sind, können sehr vielfältig sein.

Sowohl Systeme mit bewegten Portalen, fahrbaren oder schwenkbaren Ständern, mit feststehendem oder bewegbarem Material, als auch verschiedene auf Drehgelenken basierende Kinematiken, wie beispielsweise sechsachsige Industrieroboter oder beliebige parallelkinematische Konfigurationen können die Basisachsen bilden.

Erfindungsgemäße Zusatzachsen zur Bewegung des Endeffektors können vorteilhaft sowohl von einem feststehenden Gestell gegenüber einem bewegten Werkstück oder von jeder sonstigen zur relativ langwegigen Bewegung gegenüber dem Werkstück geeigneten Basis getragen werden.

Angetrieben werden die Basisachsen gewöhnlich durch Direktantriebe in Form von

Linearantrieben, Hohlwellenmotoren, Zahnstangentriebe oder mittels Kugelgewindespindein. Je nach anwendungspezifischen Anforderungen, benötigtem Bewegungsspielraum der Gesamtmaschine und zu bewegenden Massen könne auch andere elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch wirksame Antriebe erfindungsgemäß genutzt werden.

Beispielsweise eine Werkzeugmaschine kann erfindungsgemäß für den Schiff- oder Flugzeugbau zum Bearbeiten größter Bauteile in höchster Detailkomplexität vorteilhaft konzipiert werden, oder für eher alltägliche Dimensionen, beispielsweise in der Größe von Autokarosserien, Waschmaschinen oder Platinen für elektronischen Schaltungen, bis hinunter in die Dimensionen von wenigen Millimetern, für die Abmessungen eines zu bearbeitenden Werkstückes in der Mikrosystemtechnik oder Elektronik, wie beispielsweise in der Produktion von Solarzellen. Die Grundproblematik - die Größe eines möglichst ununterteilten Arbeitsraumes im Verhältnis zu den zu berücksichtigenden Details einerseits und immer höhere

Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei zugleich hoher Genauigkeit, nimmt tendenziell immer mehr zu und damit zugleich der Bedarf für höchstmögliche Beschleunigungen. Dies ermöglicht die Erfindung in höherem Maße afs es nach dem bisherigen Stand der Technik für Bearbeitungsmaschinen mit Zusatzachsen möglich war.

Bearbeitungsmethoden für die sich eine erfindungsgemäße Maschine besonders eignet, sind das Schweißen, Schneiden, Gravieren, Markieren, Aufbringen von komplexen Konturen und Strukturen auf Materialien, wie Blech, Kunststoff, Glas, Keramik, Holz und Textilien. Ebenso ist das Rapid Prototyping eine geeignete Anwendung, insbesondere Verfahren in denen Schichten zugeschnitten, Material kleinräumig aufgetragen wird oder aus sonstigen Gründen mit einer im wesentlichen senkrecht zum Material ausgerichteten Energie- oder Materialeinbringung gearbeitet werden muss.

Femer sind das präzise Bearbeiten kleinster Strukturen oder das präzise Auf- und Abtragen feinster Details mit hoher Geschwindigkeit genauso mögliche Anwendungen

der vorliegenden Erfindung, wobei diese nur als Beispiele zu verstehen sind und keine in irgend einer Weise abschließende Aufzählung von Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung darstellen sollen.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur hochdynamischen Bewegung des Wirkpunktes eines

Strahls (1R - UV) als Teil einer Bewegungsvorrichtung (1, 2, 3, 10) zur aufeinander abgestimmten Bewegung des Wirkpunktes (40) des besagten Strahls und einer Einrichtung (41) zur Zuführung eines Hilfsmediums an besagtem Wirkpunkt (40),

innerhalb eines Arbeitsraums (6),

wobei besagte Bewegungsvorrichtung aus einer beliebigen Konfiguration von in mindestens einer Bewegungsrichtung translatorisch oder rotatorisch redundant wirksamen Basis- und Zusatzachsen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens für ein strahllenkendes Element (28, 29, 35) auf dem Weg des Strahls von der Strahlquelle zum Wirkpunkt (40), eine kurzwegige, hoch beschleuntgbare Antriebsmöglichkeit (37) vorgesehen ist, die eine zusätzliche Bewegung des Strahls im Wirkpunkt (40), in mindestens einer Achsrichtung, transversal zur Strahlrichtung im Wirkpunkt (40) ermöglicht

und besagte Einrichtung (41) zur Zuführung eines Hilfsmediums derart gestaltet ist, dass der Strahl am Wirkpunkt (40) einen passenden Bewegungsspielraum als Wirkraum (48), zur Bewegung durch besagte kurzwegige und hoch beschleunigbare Antriebsmöglichkeit (37), aufweist.

2. Einrichtung entsprechend Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass besagte kurzwegige, hoch beschleunigbare Antriebsmöglichkeit (37), entweder eine translatorische eine rotatorische oder eine kombinierte Bewegung eines besagten strahllenkenden Elementes (28, 29, 35) bewirkt, um besagte zusätzliche Bewegung des Strahls im Wirkraum (48) zu ermöglichen.

3. Einrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass besagte strahllenkenden Elemente (28, 29, 35), die eine besagte kurzwegige, hoch beschleunigbare Antriebsmöglichkeit (37) aufweisen, sowohl solche Elemente sein können, die auch ohne erfindungsgemäße Ausführung vorhanden wären und mit besagter

Antriebsmöglichkeit ausgestattet werden, oder solche Elemente, die zusätzlich vorgesehen sind, um eine Strahlablenkung am besagten Wirkpunkt (40), transversal zur Strahlrichtung, zu erzielen.

4. Einrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Strahlablenkung ausschließlich mittels reflektiver und möglichst nahe dem

Wirkpunkt befindlicher Elemente (35, 29) vorgesehen ist.

5. Einrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein besagter kurzwegiger hochbeschleunigbarer Antrieb (37) bei dem letzten reflektiven

Strahllenkungselement (35) im Strahtweg vorgesehen ist

6. Einrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Einrichtung, in Bezug zur Strahlrichtung, vor einer entsprechend angepassten Fokussierungsoptlk, einen Umlenkspiegel mit besagtem kurzhubigen und hoch

beschleunigbaren Antrieb (37) aufweist

7. Einrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Einrichtung, in Bezug zur Strahlrichtung, als letztes an der Fokussierung beteiligtes oder einziges fokussierendes Element, einen entsprechend gestalteten Umlenkspiegel (35) mit besagtem kurzhubigen und hoch beschleunigbaren Antrieb (37) aufweist

8. Einrichtung entsprechend den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug zur Strahlrichtung, vor einer Einheit aus einer telezentrisch wirksamen

Fokussierungsoptik und einem oder mehreren Umlenkspiegeln, die eine Auslenkung des Strahls über die Nutzfläche der besagten Fokussierungsoptik erlauben, ein strahllenkendes Element (28, 29) mit besagtem kurzhubigen und hoch beschleunigbaren Antrieb (37) vorgesehen ist.