DE10241575A1 - Vorrichtung zur inwendigen Bearbeitung hohler Werkstücke - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur inwendigen Bearbeitung hohler Werkstücke (1), insbesondere für die Bearbeitung des Mündungsrandes (5) in Hohlräume (2) mündender Bohrungen (4). Insbesondere eignet sich die Vorrichtung zur Innenbearbeitung der Verteilerrohre von Common-Rail-Dieselmotoren. DOLLAR A Die Vorrichtung nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Bearbeitungskopf (3), der in einem Werkstückhohlraum (2) in einer gewünschten Arbeitsposition arretierbar ist und einen Bearbeitungslaserstrahl (13) auf eine Bearbeitungsstelle (5) am Werkstück (1) richtet, eine den Ist-Zustand des Werkstücks (1) an der Bearbeitungsstelle (5) erfassende Detektoreinrichtung, eine den Ist- mit dem Soll-Zustand des Werkstücks (1) an der Bearbeitungsstelle (5) vergleichende Einrichtung sowie eine Steuereinrichtung, welche die Bearbeitung des Werkstücks (1) durch den Laserstrahl (13) in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis steuert. DOLLAR A Vorzugsweise ist der Bearbeitungskopf über einen aus dem Hohlraum herausgeführten Lichtleiter (15) mit einer den Laserstrahl (13) erzeugenden Einrichtung verbunden.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur inwendigen Bearbeitung hohler Werkstücke, insbesondere für die Bearbeitung des Mündungsrandes in Hohlräume mündender Bohrungen.
• Beispielsweise die in den Hohlraum der Verfeilenohre von Common-Rail-Dieselmotoren mündenden Bohrungen bedürfen am Mündungsrand einer Nachbearbeitung, wobei es hier neben einer Entgratung auch auf eine geeignete Abrundung des Mündungsrandes ankommt. Die schwer zugänglichen Bearbeitungsstellen im Werkstückinneren lassen eine befriedigende genaue Bearbeitung oft nicht zu. Insbesondere erweist es sich bei Verteilenohren von Common-Rail-Dieselmotoren als schwierig, die Materialabtragung bei der Entgratung zu begrenzen, so dass das Maß einer abschließenden Rundung des Mündungsrandes beim Entgraten nicht bereits unterschritten wird.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Vorrichtung zu schaffen, die eine inwendige Bearbeitung hohler Werkstücke mit hoher Präzision ermöglicht.
• Die diese Aufgabe lösende Vorrichtung nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Bearbeitungskopf, der in einem Werkstückhohlraum in einer gewünschten Arbeitsposition anetierbar ist und einen Bearbeitungslaserstrahl auf eine Bearbeitungsstelle am Werkstück richtet, eine den Ist-Zustand des Werkstücks an der Bearbeitungsstelle erfassende Detektoreinrichtung, eine den Ist- mit dem Soll-Zustand des Werkstücks an der Bearbeitungsstelle vergleichende Einrichtung, sowie eine Steuereinrichtung, welche die Bearbeitung des Werkstücks durch den Laserstrahl in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis steuert.
• Der in seiner Richtung, Intensität oder/und Einwirkungsdauer steuerbare Laserstrahl, bei dem es sich vorzugsweise um einen Neodym-YAG-Laserstrahl handelt, erlaubt eine hochgenaue Bearbeitung, wobei sich durch einen Laserimpuls eine genau dosierbare Materialmenge in einem vorbestimmten Raumbereich abtragen lässt. Insbesondere der Neodym-YAG-Laser erlaubt eine rückstandfreie Verdampfung der Abtragsmenge.
• Bei der Detektoreinrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine die Bearbeitungsstelle optisch erfassende Kameraeinrichtung, und für den Soll-/Ist-Vergleich ist dementsprechend eine Bildverarbeitungseinrichtung vorgesehen. Vorteilhaft kann die Bearbeitungsstelle beleuchtet werden.
• Zweckmäßig ist eine den Bearbeitungslaserstrahls erzeugende Einrichtung außerhalb des Werkstückhohlraums angeordnet und der Bearbeitungskopf weist bei geringer Baugröße eine Umlenkeinrichtung für den von außen in den Werkstückhohlraum geleiteten Bearbeitungslaserstrahl auf.
• Die Umlenkeinrichtung ist mit einem zur Änderung von Umlenkwinkel und/oder Umlenkrichtung elektrisch steuerbaren Spiegel versehen, wobei sich ein solcher Spiegel über Piezo-Elemente mechanisch bewegen oder durch direkte Beaufschlagung mit elektrischer Spannung in seinem Reflektionsverhalten verändern lässt.
• In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Zuleitung des Bearbeitungslaserstrahls über einen in den Bearbeitungshohlraum eingeführten, an den Bearbeitungskopf angeschlossenen Lichtleiter, der ferner auch zur Leitung des Beleuchtungslichts oder/und des der Kameraeinrichtung zugeführten Abbildungslichts dienen kann. Vorteilhaft können Lichtquelle und Kameraeinrichtung so außerhalb des Werkstückhohlraums angeordnet werden.
• Bei dem Lichtleiter handelt es sich vorzugsweise um ein einziges Bündel aus einer Vielzahl von Lichtleiterfasern. Zweckmäßig ist in eine zentrale Faser des Lichtleiters zur Leitung des Bearbeitungslaserstrahls vorgesehen. Ein dazu konzentrischer äußerer Faserkranz dient zur Leitung des Beleuchtungslichts. Die weiteren, zwischen der zentralen Faser und dem Kranz gelegenen Fasern des Lichtleiters lassen sich zur Leitung des Abbildungslichts verwenden.
• Zweckmäßig ist eine gegenüber der Bearbeitungsintensität geringere Intensität des Laserstrahls einstellbar, um einen durch die Kameraeinrichtung zu erfassenden Justierlichtfleck auf der Oberfläche des Werkstücks zu erzeugen.
• Bei zylindrischem Werkstückhohlraum, wie er z.B. bei Bearbeitung des Verteilerrohrs eines Common-Rail-Dieselmotor gegeben ist, weist der Bearbeitungskopf zweckmäßig zueinander axial im Abstand angeordnete Ringanordnungen von Kugeln oder Rollen auf, die gegen die Zylinderinnenwand anliegen. Vorteilhaft ist der Bearbeitungskopf über diese Kugeln oder Rollen innerhalb des zylindrischen Hohlraums axial, ggf. zu mehreren Bearbeitungsstellen, verfahrbar.
• Insbesondere können die Kugeln oder Rollen unter Zentrierung eines die Umlenkeinrichtung sowie Anschlussmittel für den Lichtleiter aufnehmenden Trägerkörpers gegen den Trägerkörper radial federbeaufschlagt sein. In diesem Fall nimmt der Trägerkörper des Bearbeitungskopfes unabhängig vom Innendurchmesser des Hohlraums im Hohlraum stets eine zentrale Lage ein.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Spüleinrichtung zur Abfuhr durch den Bearbeitungslaser abgetragenen Materials vorgesehen, welche ein Beschlagen des Spiegels verhindert. Insbesondere kann durch die Spüleinrichtung ein gegen Außenluft abgedichteter, die Bearbeitungsstelle einschließender Raum mit einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung für Spülgas gebildet sein.
• Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden, sich auf dieses Ausführungsbeispiel beziehenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
• 1 einen Bearbeitungskopf einer Vorrichtung nach der Erfindung in einer geschnittenen Seitenansicht,
• 2 einen in der Vorrichtung verwendeten Lichtleiter in einer Querschnittsansicht,
• 3 mit dem Bearbeitungskopf von 1 über den Lichtleiter von 2 verbundene Teile der Vorrichtung, und
• 4 eine die Arbeitsweise der Vorrichtung erläuternde Darstellung.
• Ein Werkstück 1, bei dem es sich in dem betreffenden Ausführungsbeispiel um ein der Zuführung von Kraftstoff dienendes Verteilerrohr eines Common-Rail-Dieselmotors handelt, weist einen zylindrischen Hohlraum 2 auf, in den ein Bearbeitungskopf 3 einer Bearbeitungsvorrichtung eingeführt ist.
• Das Werkstück 1 weist seitliche Bohrungen 4 auf, die an einer Eintrittsstelle zu dem zylindrischen Hohlraum 2 einen zur Bearbeitung durch den Bearbeitungskopf 3 vorgesehenen Mündungsrand 5 bilden.
• An axialen Enden eines Trägerkörpers 6 des Bearbeitungskopfes 3 sind Präzisionskugellager 7 und 8 mit Kugeln 9 bzw. 10 angebracht, deren den Trägerkörper 6 in ringartiger Anordnung umgebenden Kugeln derart radial federbeaufschlagt sind (nicht gezeigt), dass der Trägerkörper 6 unabhängig vom Innendurchmesser des Hohlraums 2 stets die gleiche zentrale Position einnimmt. Über die Kugeln 9 und 10 kann der Bearbeitungskopf 3 auf der Innenwand des zylindrischen Hohlraums 2 unter Bewegung entlang der Zylinderachse abrollen! Dieser Bewegung wie auch der Arretierung des Bearbeitungskopfes 3 in einer gewünschten Bearbeitungsposition dient ein nicht gezeigtes, in den Hohlraum 2 ragendes Antriebsgestänge.
• Auf dem Trägerkörper 6 ist eine Umlenkeinrichtung 11 mit einem Spiegel 12 zum Umlenken eines Laserstrahls 13 angebracht. Durch die Umlenkeinrichtung lässt sich der Laserstrahl 13 unter dem Einfluss von Steuerspannungen, zweidimensional innerhalb eines Raumwinkels ablenken, welcher den Mündungsrand 5 der Bohrung 4 einschließt. Der Spiegel kann z.B. durch Piezo-Elemente mechanisch bewegbar sein. Vorzugsweise wird jedoch die Ablenkung durch direkte Spannungsbeaufschlagung eines Spiegelelements bewirkt, welches in ein elektronisches Chip-Bauteil integriert ist. Derartige Umlenkeinheiten sind kommerziell verfügbar.
• Der Laserstrahl 13 tritt aus einer Stirnfläche 14 eines Lichtleiters 15 aus, wobei die Stirnfläche 14 zur Zylinderachse des Hohlraums 2 geneigt ist.
• Wie 2 zeigt, enthält der Lichtleiter eine Vielzahl von Lichtleiterfasern, von denen Fasern 16 einen äußeren Kranz bilden, welcher der Zuführung von Beleuchtungslicht dient. Der Laserstrahl 13 tritt aus einer zentralen Faser 18 aus. Zwischen der zentralen Faser 18 und den Fasern 16 liegende Lichtleiterfasern 18, welche den gesamten Zwischenraum zwischen den zentralen Fasern 18 und den Lichtleiterfasern 17 ausfüllen, dienen der Leitung von Licht, durch das ein den Mündungsrand 5 einschließender Innenbereich des Werkstücks 1 in einer nachgeordneten Kameraeinrichtung 22 (3) optisch abgebildet wird.
• Der Lichtleiter 15 ist bei 34 durch geeignete, an seinem gesamten Umfang angreifende Anschlussmittel auf dem Trägerkörper 6 arretiert und damit seine Stirnfläche 14 in Bezug auf den Spiegel 12 der Umlenkeinheit 11 räumlich festgelegt.
• Wie aus 3 hervorgeht, ist der aus dem Werkstückhohlraum 2 herausgeführte Lichtleiter 15 an seinem dem Bearbeitungskopf 3 abgewandten Ende mit einer Einrichtung 20 verbunden, die eine Kopplungseinheit und eine Lichtquelle enthält, deren Licht in die den Kranz bildenden Lichtleiterfasern 16 des Lichtleiters 15 durch die Kopplungseinheit eingespeist wird.
• An den Lichtleiter 15 ist ferner eine mit den Lichtleiterfasern 17 verbundene Kopplungseinheit 21 angeschlossen, welche über die Lichtleiterfasern 17 zugeführtes Licht der oben erwähnten Kameraeinrichtung 22 zuführt. Die Lichtleiterfaser 18 steht über eine Kopplungseinheit 23 in Verbindung mit einer Einrichtung 24, die den Laserstrahl 13 erzeugt, bei dem es sich in dem betreffenden Ausführungsbeispiel um einen Neodym-YAG-Laserstrahl handelt.
• Die Kameraeinrichtung 22 steht in Verbindung mit einer Bildverarbeitungseinrichtung 25 zur Auswertung des durch die Kamera erzeugten Bildes. Das Ergebnis der Bildauswertung lässt sich einer Steuereinrichtung 26 zuführen, die in Verbindung mit der Einrichtung 24 zur Laserstrahlerzeugung steht.
• Die Bildverarbeitungseinrichtung 25 und die Steuereinrichtung 26 sind durch Software in einem Computer 27 implementiert.
• Pfeile 28 und 29 in 1 sollen andeuten, dass der Bearbeitungsstelle ein Spülgasstrom, z.B. Luftstrom, zuführbar ist, welcher durch die Bohrung 4 aus dem Werkstück 1 wieder austritt.
• Im folgenden wird die Funktionsweise der vorangehend beschriebenen Vorrichtung unter Bezugnahme auf 4 erläutert.
• Wie 4 erkennen lässt, ist der Mündungsrand 5 der Bohrung 4 mit einem Grat 30 besetzt, der entfernt werden soll. Ferner ist der Mündungsrand 5 mit vorgeschriebenen Radien zu runden.
• Die Kameraeinrichtung 22 erfasst ein durch Strichlinien 31 und 32 angedeutetes, über die Fasern 16 ausgeleuchtetes Gesichtsfeld, in welchem der Mündungsrand 5 liegt. Entsprechend gelangt aus diesem Bereich Abbildungslicht auf die Stirnflächen der Lichtleiterfasern 17. Die Stirnflächen der Fasern 16 und 17 sind wie die Stirnfläche 14 des gesamten Lichtleiters 15 zur Zylinderachse des Hohlraums 2 geneigt.
• Die Bildverarbeitungseinrichtung 25, teilt das durch die Kameraeinrichtung 22 erzeugte Bild in enge Rasterbereiche auf und bestimmt bereichsweise entlang dem Mündungsrand 5 den durch den vorhandenen Grat bestimmten Ist-Zustand und speichert das Ermittlungsergebnis in Zuordnung zu den betreffenden Bereichen.
• Für die betreffenden Bereiche sind in der Bildverarbeitungseinrichtung 25 die Soll-Zustände gespeichert, so dass die Bildverarbeitungseinrichtung bereichsweise Differenzsignale bilden kann, die den Unterschied zwischen Soll- und Ist-Zustand und damit der abzutragenden Materialmenge charakterisieren.
• Diese Differenzsignale werden der Steuereinrichtung 26 zugeführt, welche aus diesen Differenzsignalen Steuersignale zur Ansteuerung der den Laserstrahl 13 erzeugenden Einrichtung 24 bildet.
• Die Größe der Rasterbereiche liegt in der Größenordnung des Durchmessers des Bearbeitungslaserstrahls 13. Jedem Rasterbereich ist eine Adresse zugeordnet. Die Umlenkeinrichtung erzeugt aus den ihr zugeführten Adressen Spannungswerte zur Beaufschlagung des Spiels derart, dass der Laserstrahl 13 auf den der betreffenden Adresse entsprechenden Rasterbereich gelenkt wird. Je nach Unterschied zwischen Soll- und Ist-Zustand variiert die Steuereinrichtung 26 die Intensität oder/und Impulslänge des Laserstrahls 13. Wie 4b zeigt, lässt sich der Grat 30 am Mündungsrand 5 abtragen, indem der Laserstrahl adressenweise unter Änderung der Umlenkrichtung entlang dem Mündungsrand 5 versetzt und je Adresse eine Materialmenge abgetragen wird, welche dem durch die Bildauswerfeinrichtung ermittelten Differenzsignal entspricht.
• In der in 4a gezeigten Position ist die Intensität des Bearbeitungslaserstrahls 13 herabgesetzt, und es wird bei 33 ein Lichtpunkt an der Innenwand des Hohlraums 2 erzeugt. Dieser Lichtpunkt, der einer vorbestimmten Ablenkung durch die Umlenkeinrichtung 11 entspricht, kann zur Kalibrierung herangezogen werden, bei welcher den betreffenden Adressen jeweils eine bestimmte Spannungsbeaufschlagung des Spiegels 12 zugeordnet wird.
• Dem Entgraten kann ein Runden des Mündungsrandes 5 folgen, das sich in der vorangehend beschriebenen Weise auf der Basis eines Soll-/Ist-Vergleichs durchführen lässt.
• Beim Abtragen des Grats kann der Bearbeitungslaserstrahl 13 jedoch von vornherein so gesteuert werden, dass mit dem Abtragen des Grats auch gleich die gewünschte Rundung des Mündungsrandes 5 erreicht wird.
• Der verwendete Neodym-YAG-Laserstrahl sorgt für eine vollständige Verdampfung des Materials, wobei bei gegebener Strahlleistung in einem gegebenen Zeitraum eine bestimmte Eindringtiefe und ein bestimmter Abtragungsdurchmesser eingehalten werden.
• Durch die Zuführung von Spülgas wird das verdampfte Material abgesaugt, so dass keine verfestigten Materialrückstände, z.B. in Form von Perlen, innerhalb des Werkstücks zurückbleiben.
• Die An- und Absaugvorrichtung kann unter Abdichtung an den Hohlraum 2 bzw. die Bohrung 4 angeschlossen sein, so dass eine von Außenluft freie Durchspülung mit Inertgas erfolgen kann.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur inwendigen Bearbeitung hohler Werkstücke (1), insbesondere für die Bearbeitung des Mündungsrandes (5) in Hohlräume (2) mündender Bohrungen (4), gekennzeichnet durch einen Bearbeitungskopf (3), der in einem Werkstückhohlraum (2) in einer gewünschten Arbeitsposition arretierbar ist und einen Bearbeitungslaserstrahl (13) auf eine Bearbeitungsstelle (5; 30) am Werkstück (1) richtet, eine den Ist-Zustand des Werkstücks (1) an der Bearbeitungsstelle (5; 30) erfassende Detektoreinrichtung (22), eine den Ist- mit dem Soll-Zustand des Werkstücks (1) an der Bearbeitungsstelle (5; 30) vergleichende Einrichtung (25), sowie eine Steuereinrtchtung (26), welche die Bearbeitung des Werkstücks (1) durch den Laserstrahl (13) in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis steuert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung eine die Bearbeitungsstelle (5; 30) optisch erfassende Kameraeinrichtung (22) umfasst und eine den Soll-/Ist-Vergleich durchführende Bildverarbeitungseinrichtung (25) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (16, 20) zur Beleuchtung der Bearbeitungsstelle (5; 30) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (24) zur Erzeugung des Bearbeitungslaserstrahls (13) außerhalb des Werkstückhohlraums (2) angeordnet ist und der Bearbeitungskopf (3) eine Umlenkeinrichtung (11) für den von außen in den Werkstückhohlraum (2) geleiteten Bearbeitungslaserstrahl (13) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (11) einen unter Änderung von Umlenkwinkel und/oder Umlenkrichtung elektrisch steuerbaren Spiegel (12) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den Bearbeitungskopf (3) ein aus dem Werkstückhohlraum herausgeführter Lichtleiter (15) für die Leitung des Bearbeitungslaserstrahls (13), des Lichtes der Beleuchtungseinrichtung (16, 20) und/oder des der Kameraeinheit (22) zugeführten Lichtes angeschlossen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (15) durch ein Bündel aus einer Vielzahl von Lichtleiterfasern (16–18) gebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Faser (17) des Lichtleiters (15) zur Leitung des Bearbeitungslaserstrahls (13) vorgesehen ist, ein im Bündelquerschnitt äußerer Faserkranz (16) zur Leitung des Lichts der Beleuchtungseinrichtung (16, 20) und die weiteren Fasern (18) des Lichtleiters (15) zur Leitung des von der Kameraeinrichtung (22) aufgenommenen Abbildungslichts vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (24) zur Erzeugung des Bearbeitungslaserstrahls (13) einen Neodym-YAG-Laser aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine gegenüber der Bearbeitungsintensität geringe Intensität des Laserstrahls (13) einstellbar ist, um einen durch die Kameraeinrichtung (22) zur erfassenden Justierlichtfleck (33) auf der Oberfläche des Werkstücks (1) zu erzeugen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhohlraum (2) zylindrisch und der Bearbeitungskopf (3) zueinander axial im Abstand angeordnete Ringanordnungen (7, 8) gegen die Zylinderinnenwand anliegender Kugeln (9, 10) oder Rollen aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (9, 10) oder Rollen unter Zentrierung eines die Umlenkeinrichtung (11) und den Anschluss (34) des Lichtleiters (15) aufnehmenden Trägerkörpers (6) gegen den Trägerkörper (6) beaufschlagt sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spüleinrichtung (28, 29) zur Abfuhr durch den Bearbeitungslaser (13) abgetragenen Materials vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Spüleinrichtung (28, 29) ein die Bearbeitungsstelle (5; 30) umschließender Raum mit einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung nur für Spülgas gebildet ist.