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Führungsvorrichtung für einen Laserstrahl,
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vorzugsweise zur dreidimensionalen Werkstückbearbeitung Die Erfindung
bezieht sich auf eine Führungsvorrichtung für einen mehrfach an 45°-Spiegeln umgelenkten
Laserstrahl, vorzugsweise zur dreidimensionalen Werkstückbearbeitung, mit fünf gesteuerten
Bewegungsachsen, von denen die erste und zweite Bewegungsachse die horizontalen
Koordinatenachsen X und r sind, die dritte und vierte Bewegungsachse koaxial in
einer drehbaren und längenveränderbaren vertikalen Teleskopeinrichtung verwirklicht
sind und die fünfte Bewegungsachse eine horizontale Schwenkachse ist, um welche
der Laserkopf schwenkbar ist.
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Derartige Führungsvorrichtungen werden an Laser-Schneidanlagen für
durch Laser schneidbare Werkstoffe von durch Laser schneidbarer Dicke eingesetzt
und erlauben aufgrund ihrer fünf Bewegungsfreiheitsgrade die -Anbringung von Schnitten
und Durchbrüchen auch an dreidimensionalen Werkstücken.
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Eine bekannte Laser-Schneidvorrichtung dieser Gattung (DE-PS 30 tt
244) ermöglicht Laserschnitte an dreidimensionalen hohlen und ggf. flexiblen Formteilen,
die zu diesem Zweck formschlüssig auf einc dem Formteil komplernentäi-e Stützform
aufgesetzt sind.
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Wenn mit der bekannten Vorrichtung Schnitte in gegenüber der Horizontalen
im Winkel angeordneten Werkstückbereichen vorzunehmen sind, wird der Laserkopf im
gewünschten Winkel zur Oberfläche des betreffenden Werkstückbereichs eingestellt.
Im Interesse einer gleichmäßigen Fugenbreite der Schnittfugen bei möglichst hoher
Vorschubgeschwindigkeit bzw. Schnittleistung wird der Laserkopf zweckmäßig senkrecht
zur Werkstückoberfläche. eingestellt. In jedem Falle wird hierbei der Laserkopf
um seine horizontale Schwenkachse verschwenkt, wodurch der Schneidpunkt, d. h. der
Punkt des Auftreffens des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche, außerhalb der
senkrechten Achse der Teleskopeinrichtung liegt, Aber auch bei senkrechter Einstellung
des Laserkopfes liegt dessen Mittelachse wegen der erforderlichen zweimaligen Strahlumlenkung
an der Laserkopfschwenkachse versetzt zur Achse der Teleskopeinrichtung, wodurch
auch im einfachsten senkrechten Anwendungsfall der Führungsvorrichtung der Schneidpunkt
außerhalb der Teleskopachse liegt.
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Diese Lage des Schneidpunkts erschwert die Erstellung eines Programms
für die rechnergesteuerte Bewegung des Laserkopfes und seiner Führungsvorrichtung
erheblich. Darüber hinaus muß die Führungsvorrichtung, da sie das Werkstück außen,
d. h. außerhalb der Schnittfuge, umfährt, erhebliche Fahrwege zurücklegen und bei
Konturübergängen am Werkstück, beispielsweise beim Uebergang des Schneidpunktes
aus einer geraden in eine gekrümmte Bewegungsbahn, mit variierenden Geschwindigkeiten
bewegt werden, damit der Vorschub am Schneidpunkt wegen der gewünschten gleichmäßigen
Schnittfugenbreite möglichst konstant bleibt.
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Sollen mit der bekannten Vorrichtung Durchbrüche in horizontale und/oder
nichthorizontale Werkstückbereiche ge-
schnitten werden, so ist
bei horizontal liegenden Durchbrüchen die Führungsvorrichtung in den X- und Y-Bewegungsachsen
und bei nickthorizontal liegenden Durchbrüchen zusätzlich noch in der senkrechten
Z-Bewegungsachse zu bewegen, wenn ein bestimmter Laserauftreffwinkel auf die Werkstückoberfläche
eingehalten werden soll.
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Führungsvorrichtungen der in Rede stehenden Art sind nicht nur für
Laser-Schneidanlagen, sondern grundsätzlich auch für Laser-Schweißanlagen sowie
für Anlagen, bei denen mit Hilfe des Laserstrahls Materialabtragungen an Werkstückoberflächen,
beispielsweise für Gravuren u. dglt, vorgenommen werden, geeignet. Wenn nachfolgend
auch nur von Laseschnitten die Rede ist, so läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung
doch für alle Laseranwendungsfälle einsetzen, bei denen es darauf ankommt, Laserkopf
und Werkstück relativ zueinander präzise geführt zu bewegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Führungsvorrichtung
für einen Laserstrahl bereitzustellen, welche die Bearbeitung von.zwei- und dreidimensionalen
Werkstücken bei erleichterter Programmierbarkeit des Bewegungsablaufs, kurzen Fahrwegen
und unter Einhaltung gleichmäßiger Schnittfugen erlaubt. Unter "zweidimensionalen"
Werkstücken werden für die Zwecke dieser Anmeldung solche verstanden, die in einer
Horizontalebene im wesentlichen flachliegend ausgebildet sind.
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Die gestellte Aufgabe wird ausgehend von der eingangs bezeichneten
Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dab mindestens eine weitere als horizontale
Schwenkachse ausgebildete Bewegungsachse parallel zu der Laserkopfschwenkachse vorgesehen
ist, deren Abstand zur Laserkopfschwenkachse größer ist als die Länge des Laserkopfes,
wobei die
Laserstrahlumlenkung an der zusätzlichen Schwenkachse
so vorgesehen ist, daß sich die Mittelachsen der Teleskopeinrichtung und des Laserkopfes
stets in einer gemeinsamen senkrechten Ebene befinden.
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Hierbei wird unter dem vereinfachenden Ausdruck ~Länge des Laserkopfes"
die Weglänge zwischen dem Zentrum des letzten Umlenkspiegels, d. h, der damit zusammenfallenden
Laserkopfschwenkachse, und dem Schneidpunkt verstanden.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung befinden sich unter der Voraussetzung
einer geradzahligen Gesamtzahl der horizontalen Schwenkachsen und gleicher Länge
der Laserstrahlumlenkwege an den Schwenkachsen die Mittelachsen der Teleskopeinreichtung
und des Laserkopfes stets in einer gemeinsamen Ebene, was für die Bewegungssteuerung
und -programmierung der Vorrichtung günstig ist und kürzere Fahrwege ermöglicht
Durch den angegebenen Achsabstand lassen sich zur Erreichung aller zu bearbeitender
Werkstückoberflächen an den horizontalen Schwenkachsen die Schwenkwinkel in einem
erheblichen Winkelbereich einstellen, wobei stets eine senkrechte Ausrichtung des
Laserstrahls zur Oberfläche des jeweiligen Werkstückbereichs möglich ist.
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Unter einem ~Schwenkwinkel'1 wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung
der Winkel zwischen der senkrechten Strecklage und der Mittelachse des an die jeweils
betrachtete Schwenkachse anschließenden schwenkbaren Bauteils der Führungsvorrichtung
verstanden, wobei der Winkelscheitel auf der Schwenkachse liegt, Im Verfolg des
Erfindungsgedankens ist die Vorrichtung vorteilhaft so ausgebildet, daß die Schwenkwinkel
an den horizontalen Schwenkachsen für jede Phase des Schneidvorganges
so
aufeinander abgestimmt programmiert sind, daß sich der Schneidpunkt des Laserstrahls
auf der Werkstückoberfläche auf der gedachten Verlängerung der Mittelachse der Teleskopeinrichtung
befindet. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Lage der senkrechten Mittelachse
bezüglich der horizontalen Koordinatenachsen X und Y stets übereinstimmt mit der
Lage des Schneidpunktes auf der Werkstückoberfläche, unabhängig von der jeweiligen
Winkellage der Werkstückoberfläche zur Horizontalen. Es liegt auf der Hand, daß
hierdurch eine bedeutende Programmierungsvereinfachung für den automatischen Bewegungsablauf
erreicht wird, weil die Lage der Mittelachse der Teleskopeinrichtung zur Grundlage
der Programmierung in den horizontalen Koordinatenachsen X und Y gemacht werden
kann. Bei der abgestimmten Programmierung der Schwenkwinkel wird zunächst der Schwenkwinkel
des Laserkopfes nach Maßgabe des gewünschten Auftreffwinkels des Laserstrahls auf
die Werkstückoberfläche festgelegt, wodurch sich dann der an der zusätzlichen Schwenkachse
einzustellende Schwenkwinkel gewissermaßen komplementär ergibt. Sollen mit der erfindungsgemäßen
Führungsvorrichtung zweidimensionale Schnitte durchgeführt werden, d. h. senkrechte
Schnitte an flachliegenden horizontalen Werkstückbereichen, so haben die Schwenkwinkel
an den Schwenkachsen den Wert Null.
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Für eine vereinfachte Durchführung von kreisbogenförmigen Schnitten
in zweidimensionalen Werkstücken kann die erfindungsgemäße Führungsvorrichtung vorteilhaft
so ausgebildet sein, daß die Schwenkwinkel für das Schneiden von Durchbrüchen mit
wenigstens teilweisem kreisbogenförmigem Verlauf der Schnittkante in horizontalen
Werkstückbereichen an der Laserkopfschwenkachse und einer benachbarten horizontalen
Schwenkachse gleich groß eingestellt sind, und daß zur Erzeugung des kreisbogenförmigen
Schnitts die Teleskop-
einrichtung drehend angetrieben ist, Bei
dieser ebenfalls vorprogrammierbaren übereinstimmenden Schwenkwinkelanordnung verlaufen
die Mittelachse der drehenden Teleskopeinrichtung und die Mittelachse des Laserkopfes
parallel zueinander in einem gegenseitigen Abstand, der dem Radius des zu schneidenden
Kreisbogens entspricht. Auch hierbei befinden sich die beiden erwähnten Mittelachsen
stets in einer gemeinsamen senkrechten Ebene, die sich jedoch um die Mittelachse
der Teleskopeinrichtung zusammen mit dieser beim Kreisbogenschnitt dreht, Schließen
sich an die kreisbogenförmige Schnittkante geradlinige Schnitte an, wie das zum
Beispiel bei Langlöchern mit parallelen Seitenkanten und beidseitigem Halbkreisbogenabschluß
der Fall ist, so bleibt nach Abschluß jeder Halbkreisdrehung die erläuterte übereinstimmende
Schwenkwinkeleinstellung erhalten und die Führungsvorrichtung wird je nach Lage
des Langlochs entweder auf der X-Achse oder Y-Achse geradlinig verfahren.
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Die gedachte Verlängerung der Mittelachse der Teleskopeinrichtung
bewegt sich dabei auf der Längsmittelachse des Langlochs.
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Sollen mit der vorerwähnten vereinfachten Einstellung der Führungvorrichtung
kreisförmige Durchbrüche in horizontal liegenden Werkstückbereichen angebracht werden,-
so wird die entsprechend eingestellte Führungsvorrichtung um die Mittelachse~ der
Teleskopeinrichtung um 360 ° gedreht, wobei an allen anderen Bewegungsachsen keine
Bewegungen erfolgen.
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Die Füiirungsvorrlzhtung kann vorteilhaft so ausgebildet sein, daß
bei Anordnung einer weiteren horizontalen Schwenkachse parallel zur Laserkopfschwenkachse
der Laserstrahl zwischen den beiden Schwenkachsen unter Bildung einer weiteren Bewegungsachse
durch eine längenveränderbar gesteuerte
weitere Teleskopeinrichtung
geführt ist. Hierdurch wird ein weiterer Bewegungsfreiheitsgrad gewonnen, wodurch
der dreidimensionale Einsatzbereich der Führungsvorrichtung noch vergrößert wird.
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In einer nebengeordneten Ausbildung der Führungsvorrichtung entsprechend
der eingangs angegebenen Gattung ist vorgesehen, daß parallel zur Laserkopfschwenkachse
drei weitere als horizontale Schwenkachsen ausgebildete Bewegungsachsen vorgesehen
sind, bei denen der Abstand zwischen der ersten und der zweiten der der Teleskopeinrichtung
nachgeschalteten Schwenkachsen größer ist als die um die Länge des Laserkopfes vermehrte
Summe der Abstände zwischen der zweiten und der dritten Schwenkachse und zwischen
der dritten Schwenkachse und der Laserkopfachse, wobei die Laserstrahlumlenkung
an allen Schwenkachsen so vorgesehen ist, daß die Mittelachsen der Teleskopeinrichtung
und des Laserkopfes miteinander fluchten, wenn an allen Schwenkachsen der Schwenkwinkel
den Wert Null hat, und daß zwischen der zweiten und der dritten Schwenkachse eine
um 360 ° gesteuerte zweite Drehachse vorgesehen ist.
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Diese-nebengeordnete Ausführungsform der Führungsvorrichtung ermöglicht
alle Arbeiten bzw. Einstellungen, wie sie zuvor mit Bezug auf die erste Ausführungsform
beschrieben sind, wenn die Schwenkwinkel an der dritten Schwenkachse (gezählt von
der Teleskopeinrichtung an) und an der Laserkopfschwenkachse auf den Wert Null eingestellt
sind und lediglich die Schwenkwinkel an der ersten und zweiten Schwenkachse programmgesteuert
werden. Zusätzlich erotinet die nebengeordnete Ausführungsform aber die Möglichkeit,
auch in gegenüber der Horizontalen schräg angeordneten Werkstückbereichen analog-
der bereits beschriebenen Weise vereinfacht Durchbrüche mit kreisbogenförmigem Schnittkantenverlauf
zu schneiden.
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Dieses erfolgt dadurch, daß für das Schneiden von Durchbrüchen mit
wenigstens teilweisem kreisbogenförmigem Verlauf der Schnittkante in nichthorizontalen
Werkstückbereichen die Schwenkwinkel an der ersten und zweiten Schwenkachse so eingestellt
sind, daß die zweite Drehachse senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtet ist,
während die Schwenkwinkel an der dritten Schwenkachse und der Laserkopfschwenkachse
nach Maßgabe des Schnitthalbmessers so eingestellt sind, daß die zweite Drehachse
und die Mittelachse des Laserkopfes parallel verlaufen, und daß der Laserkopf um
die zweite Drehachse drehend angetrieben ist. Beim Lochschnitt entsprechend der
so ausgebildeten Führungsvorrichtung sind die X-Achse, die Y-Achse, die Z-Achse
und sämtliche Schwenkachsen bewegungslos.
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Auch bei der nebengeordneten Ausbildung der Führungsvorrichtung kann
zwischen der ersten Schwenkachse und der zweiten Schwenkachse der Laserstrahl zwischen
diesen beiden Schwenkachsen unter Bildung einer weiteren Bewegungsachse durch eine
längenveränderbar gesteuerte weitere Teleskopeinrichtung geführt sein. Hierdurch
kann wiederum ein Höhenausgleich in senkrechter Richtung erfolgen, welcher durch
die verschiedenen Winkeleinstellungen des Laserkopfes, d. h.
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der verschiedenen Schwenkwinkel an der Laserkopfschwenkachse, erforderlich
werden kann, ohne Inanspruchnahme einer Längenveränderung in Z-Richtung an der vertikalen
Teleskopeinrichtung.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der usführungsbeispiele
darstellenden schematisierten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt: Fig. 1 eine
perspektivische Gesamtdarstellung einer Laser-Schneidanlage,
Fig.
2 die Seitenansicht einer mit zwei Schwenkachsen ausgerüsteten Führungsvorrichtung,
Fig, 3 die Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 2 bei auf den Wert Null eingestellten
Schwenkwinkeln an den beiden Schwenkachsen, Fig. 4 die Vorderansicht der Führungsvorrichtung
gemäß der Fig. 2 und 3, wiederum bei auf den Wert Null eingestellten Schwenkwinkeln
der beiden Schwenkachsen, Fig. 5 eine weitere Seitenansicht der Führungsvorrichtung
gemäß der Fig. 2 bis 4, jedoch bei Einstellung der Schwenkwinkel für das Schneiden
eines Durchbruchs in horizontaler Werkstücklage, Fig. 6 eine Seitenansicht der nebengeordneten
Ausführungsform mit einer Einstellung der-Schwenkwinkel an den vier Schwenkachsen
zur Erzeugung von-Schnitten an nich-thor-i zontaTen - We rk#t#üekbereichen1-# Fig.
7 eine der Fig. 6 ähnliche Seitenansicht, jedoch bei Einstellung der Schwenkwinkel
an den vier Schwenkachsen für das Schneiden von KTeisbogenschnitten in nichthorizontalen
Werkstückbereichen,
Fig= 8 eine Vorderansicht der Ausführungsform
der Führungsvorrichtung gemäß der Fig. 6 und 7 bei Null-Wert-Einstellung aller Schwenkwinkel
an allen Schwenkachsen, Fig. 9 eine der Fig. 8 ähnliche, aber abgebrochene Vorderansicht
einer weiteren nebengeordneten AusfüErungsform in einer ersten Ausführungsvariante,und
Fig. 10 eine der Fig. 9 ähnliche abgebrochene Vorderansicht der weiteren nebengeordneten
Ausführungsform in einer zweiten Ausführungsvariante.
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Fig. 1 veranschaulicht die Gesamtanordnung einer Laser-Schneidanlage,
jedoch ohne Tisch für die Aufnahme des zu bearbeitenden Werkstücks. Außerdem ist
die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht dargestellt. Der in der CO -Lasereinheit
1 erzeugte Laserstrahl wird nach entsprechender Umlenkung parallel zur X-Bewegungsachse
der dargestellten Koordinatenführungsmaschine geführt und in die Richtung der Y-Bewegungsachse
und schließlich in die Richtung der Z-Bewegungsachse umgelenkt. Die Führungselemente
für die X-, Y- und Z-Bewegungsachsen sind in der bei Koordinatenführungsmaschinen
üblichen präzisen Ausführung am Maschinengestell. 2 angebracht und durch Faltenbälge
verdeckt.. Stark ausgezogene -Pfeile XI Y und Z markieren die zugeordneten Bewegungsachsen,
nämlich die erste, zweite und dritte Bewegungsachse, und geben die möglichen Weglängen
an, Der mit der Bezugszahl 4 bezeichnete Ringpfeil symbolisiert die vierte Bewegungsachse,
die an der um 3600 um ihre Mittelachse drehbaren Teleskopeinrichtung 3 verwirklicht
ist, die in
Fig. 1 an ihrem unteren Ende abgebrochen dargestellt
ist, Die Bewegungsachsen X, Y und u. U. auch Z könnten alternativ auch am nicht
dargestellten Maschinentisch vorgesehen sein, so daß das Werkstück auf dem Tisch
in diesen Achsen gegenüber der noch zu beschreibenden Fuhrungsvorrichtung bewegbar
ist. In diesem Fall wären die gesteuerten Bewegungsachsen zwischen dem Tisch und
der Führungsvorrichtung aufgeteilt.
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Leichte Lasereinheiten können auch so an der Koordinatenführungsmaschine
angebracht sein, daß sie in X- und Y-Richtung mitgefahren werden, so daß nur eine
Umlenkung des Laserstrahls an einem 450-Spiegel in die Z-Achse, d. h.
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in die Teleskopeinrichtung 3, erforderlich ist.
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Zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Führungsvorrichtung wird nunmehr zunächst auf die Fig. 2 bis 4 Bezug genommen. Wie
daraus aufgrund der eingetragenen Pfeile X, Y, Z, 4, 5, 6 und 7 ersichtlich ist,
sind sieben getrennt gesteuerte Bewegungsachsen vorgesehen. Der Pfeil 4 bezieht
sich auf die Drehachse der Teleskopeinrichtung 3, die um diese Achse um 360 ° verdrehbar
ist. Die Pfeile 5 und 7 bezeichnen Bewegungsachsen, die durch zwei Schwenkachsen
11 und t4 gebildet sind. Die Schwenkachse 14 ist die Schwenkachse des Laserkopfes
15, der die übliche nicht dargestellte Fokussiereinrichtung für den Laserstrahl
einschließt.
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Der Pfeil 6 repräsentiert eine zusätzliche und nicht bei allen Ausführungsformen
zwingend erforderliche Bewegungsachse, die durch eine weitere längenveränderbar
gesteuerte Teleskopeinrichtung t6 ermöglicht wird. Diese Teleskopeinrichtung 16
erlaubt eine Verstellung des Abstandes zwischen der Schwenkachse 11 und der Laserkopfschwenkachse
14, Der von der Lasereinheit 1 (Fig. 2, 3) ausgehende und mehrfach an 45 Spiegeln
umgelenkte Laserstrahl 17 ist durch einen Pfeilzug dargestellt. Wie ersichtlich
ist, fällt die Mittelachse des Laserstrahls mit den Mittelachsen der Bauteile der
Führungsvorrichtung zusammen. Die Umlenkung des Laserstrahls 17 von der X-Achse
in die Y-Achse erfolgt am Umlenkspiegel 18 (Fig. 3). Die entsprechende Umlenkung
aus der Y-Achse in die Z-Achse besorgt der Umlenkspiegel 19 (Fig 2). Wie Fig. 4
verdeutlicht, befinden sich auf der Schwenkachse 11 zwei Umlenkspiegel 20 und 21,
von denen der Spiegel 20 den Laserstrahl t7 in die Schwenkachse 11 umlenkt, während
der Spiegel 2t die Umlenkung zur Laserkopfschwenkachse t4 vornimmt. Auf dieser befinden
sich zwei weitere Umlenkspiegel 22 und 23, von denen der Spiegel
22
den Laserstrahl in die Schwenkachse 14 umlenkt, während der Spiegel 23 die Umlenkung
in den Laserkopf 15 besorgt.
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Die Geradführungen der X- und Y-Achse sind in den Fig. 2 und 3 durch
die Bezugszahlen 24 und 25 bezeichnet.
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Wie Fig. 4 verdeutlicht, sind die Umlenkwege des Laserstrahls zwischen
den Umlenkspiegelpaaren 20, 21 und 22, 23 auf den Schwenkachsen 11 bzw. t4 gleich
lang, wodurch bei der in Fig. 4 dargestellten gestreckten Lage der Führungsvorrichtung
die Mittelachsen der Teleskopeinrichtung 3 und des Laserkopfes 15 versatzfrei miteinander
fluchten. In dieser gestreckten Lage befindet sich der Schneidpunkt des Laserstrahls
auf der Werkstückoberfläche selbstverständlich auf der gedachten Verlängerung der
Mittelachse der Teleskopeinrichtung 3. Diese gestreckte Lage wird bei zweidimensionalen
Schnitten verwendet.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Lage der Teile der Führungsvorrichtung
sind die weitere Teleskopeinrichtung 16 um die Schwenkachse 11 um den Schwenkwinkel#
verschwenkt, während der Laserkopf 15 um die Laserkopfschwenkachse 14 um den Winkel#
p verschwenkt ist. Die Winkel t und sowie ggf.
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die Länge der weiteren Teleskopeinrichtung 16 sind nach Maßgabe der
Schräglage der Oberfläche des abgebrochen eingezeichneten Werkstücks 26 so durch
Programmsteuerung eingestellt, daß einerseits die Mittelachse des Laserkopfes 15
senkrecht zum Werkstück 26 verläuft und andererseits die gedachte Verlängerung der
Mittelachse der Teleskopeinrichtung 3 durch den Schneidpunkt 27 auf der Oberfläche
des Werkstücks 26 geht, wobei sich die Mittelachse des Laserkopfes t5 und die erwähnte
gedachte Verlängerung im Schneidpunkt 27 treffen. Bei dieser Lage der Führungsvorrichtung
vorge-
nommene Horizontalschnitte im Werkstück 26 bedürfen einer
Bewegung der Führungsvorrichtung lediglich in der Y-Achse, wobei die Stellung der
Z-Achse die Lage des Schneidpunktes 27 repräsentiert, wodurch die Programmerstellung
für derartige Schnitte sehr erheblich vereinfacht wird. Bei Schnitten in senkrechter
Richtung erfolgt die Bewegungssteuerung durch kombinierte Bewegung an den Bewegungsachsen
X und Z.
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Es sind aber auch beliebige dreidimensionale Schnittführungen möglich,
wobei durch entsprechende Steuerung der Achsen X, Y und Z einerseits und der Bewegungsachsen
5 und 7 sowie ggf. 6 andererseits stets die in Fig. 2 dargestellte Schnittlage von
Mittelachse des Laserkopfes 1,5 und Verlängerung der senkrechten Mittelachse der
Teleskopeinrichtung im Schneidpunkt 27 programmgesteuert eingehalten wird.
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Selbst wenn in bestimmten Schneidsituationen der Schneidpunkt 27 nicht
mehr auf der gedachten Verlängerung der Mittelachse der Teleskopeinrichtung 3 liegt,
so befinden sich die Mittelachsen der Teleskopeinrichtung 3 und des Laserkopfes
15 doch stets auf einer gemeinsamen senkrechten Ebene, wie aus gemeinsamer Betrachtung
der Fig. 2 und 4 ohne weiteres erhellt, was ebenfalls eine Vereinfachung der Programmsteuerung
ermöglicht.
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Die Vornahme eines vereinfachten Durchbruchschnittes in einer horizontalen
Lage der Werkstückoberfläche mit Hilfe der in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Führungsvorrichtung
ist in Fig, 5 angegeben. Der zu schneidende Durchbruch ist lediglich in seiner Umrißlinie
gezeigt und aus seiner realen horizontalen Lage zur Verdeutlichung um 90 ° in die
Zeichenebene eingeschwenkt dargestellt. Es handelt sich um ein Langloch mit zwei
parallelen Schnittkanten 28, 29 und zwei abschließenden Halbkreisschnittkanten 30,
31. Die Schwenkwinkel 4 und p an den Schwenkachsen Tt bzw. t4 sind nach Maßgabe
des gewunschten Halbmessers r der Halbkreisaus-
schnitte programmgesteuert
in gleicher Größe eingestellt, wodurch die Mittelachsen der Teleskopeinrichtung
3 und des Laserkopfes t5 um den Radius r zueinander versetzt parallel verlaufen.
Die Bewegung der Führungsvorrichtung erfolgt für die Herstellung des gezeigten Langlochs
nur in zwei Achsen, nämlich in der Y-Bewegungsachse und in der Drehbewegungsachse
4, Zunächst wird programmgesteuert die Mittelachse der Teleskopeinrichtung 3 auf
einen der Kreismittelpunkte 33 oder 34 eingestellt, wonach durch eine 180 Drehung
an der Drehachse 4 ein Halbkreis 30 bzw, 31 eingeschnitten wird.
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Danach wird die Führungsvorrichtung in Richtung der Y-Bewegungsachse
verfahren, bis der andere Kreismittelpunkt lotrecht unter der Mittelachse der Teleskopeinrichtung
3 liegt.
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Die Entfernung zwischen den Kreismittelpunkten 33 und 34 gibt den
Fahrweg der Mittelachse der Teleskopeinrichtung 3 an. Nach Beendigung der geradlinigen
Bewegung wird durch eine nochmalige 180 Drehung an der Bewegungsachse 4 der noch
fehlende Halbkreis geschnitten. Bei Kreisausschnitten sind weder Bewegungen in der
X-Achse noch in der Y-Bewegungsachse erforderlich, hier erfolgt ausschließlich eine
Drehung um die vierte Bewegungsachse. Es ist ersichtlich, daß dadurch eine erhebliche
Programmierungsvereinfachung für den Bewegungsablauf der Führungsvorrichtung erzielt
wird.
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Bei der in Fig. 5 gezeigten Führungsvorrichtung richtung ist zwischen
den Schwenkachsen 11 und 14 keine weitere Teleskopeinrichtung t.6 vorgesehen, sondern
ein rohrförmiges Verbindungsstück 35. Im übrigen ist, wie die Zeichnungen verdeutlichen,
der Laserstrahl t7 durchweg im Inneren der aus rohrförmigen Teilen aufgebauten Führungsvorrichtung
geführt. Die an den rohrförmigen Teilen angebrachten Stellmotore für die Stellbewegungen
an den Bewegungsachsen, die unabhängig voneinander prdgrammsteuerbar sind, sind
in allen zeichnerischen
Darstellungen nicht eingezeichnet. Sie
entsprechen in Konstruktion, Anbringungsart und Wirkung dem Stande der Technik.
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Die in den Fig. 6 bis 8 dargestellte weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Führungsvorrichtung besitzt außer der Schwenkachse 14 für den Laserkopf 15 drei
weitere Schwenkachsen 11, t2 und 13. Dabei sind gegenüber der Ausführungsform gemäß
der Fig. 2 bis 5 die Schwenkachsen 12 und 13 zusätzlich vorgesehen Alle Schwenkachsen
tl bis 14 sind übereinstimmend ausgebildet, wobei die erforderlichen Umlenkungen
des Laserstrahls t7 auch an den Schwenkachsen 12 und t3 durch paarweise angeordnete
45 °-Umlenkspiegel 36, 37 bzw. 38, 39 erfolgen. Zwischen den Schwenkachsen 11 und
t2 befindet sich wiederum eine weitere Teleskopeinrichtung t6, welche eine Bewegungsachse
6 repräsentiert. Insgesamt verfügt die in Fig. 8 in gestreckter Lage dargestellte
Führungsvorrichtung über zehn Bewegungsachsen, die durch die Pfeile X, Y, Z, 4,
5, 6, 7, 8, 9 und 10 angegeben sind. Die durch den Pfeil 8 bezeichnete Bewegungsachse
ist eine Drehachse, die 360 °-Drehungen ermöglicht. Im übrigen bezeichnen die in
den Fig. 4 und 8 eingezeichneten mit den Bezugszahlen 40 bis 44 bezeichneten Querlinien
die Schwenk- bzw.
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Drehflächen #er'Vorrichtungstei1e, an denen#die Relativbewegungen
jeweils benachbarter Vorrichtungsteile erfolgen.
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Wie die in Fig. 8 gezeigte gestreckte Lage der Führungsvorrichtung
zeigt, fluchten die Mittelachsen der Teleskopeinrichtung 3 und des Laserkopfes t5
wiederum in dieser Lage versatzfrei. Senkrechte Schnitte an in Horizontalei:#enen
befindlichen Werkstückoberflächen werden in dieser Lage der Vorrichtung durch Steuerung
an den Bewegungsachsen X und Y vorgenommen.
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Die aus Fig. 8 entnehmbaren zehn Bewegungsachsen X, Y, Z, 4, 5, 6,
7, 8, 9 und 10 ermöglichen die vereinfachte Anbringung von Durchbruchschnitten an
gegenüber der Horizontalen schräg gestellten Werkstückoberflächen (Fig. 7). Bei
Linienschnitten in derartigen schräg gestellten Werkstückoberflächen (Fig. 63 wird
die Führungsvorrichtung ausgehend von der gestreckten Lage gemäß Fig. 8 lediglich
an den Schwenkachsen lt und 14 bezüglich der Winkel t und /3 verstellt, wie das
mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde. Die Bewegungsachsen 8, 9 und 10 erfahren
keine Einstellungsveränderung gegenüber der in Fig. 8 gezeigten Strecklage.
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Wie ersichtlich ist, schneidet daher die Mittelachse des Laserkopfes
t5 wieder die gedachte Verlängerung der Mittelachse der Teleskopeinrichtung 3 im
Schneidpunkt 27 auf der Oberfläche des Werkstücks 26, wodurch der Schneidpunkt wiederum
lotrecht unterhalb der Z-Bewegungsachse liegt. Fig. 6 zeigt auch, daß die weitere
Teleskopeinrichtung 16 auf einen Abstand zwischen den Schwenkachsen 11 und 14 ausgefahren
ist, der größer ist als der Abstand zwischen der Schwenkachse 14 und dem Schneidpunkt
27. Entsprechend liegen die Verhältnisse auch bei der noch zu erläuternden Fig.
7.
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Zum Anbringen eines kreisförmigen Schnittes 44 in der gegenüber der
Horizontalen schräg gestellten Oberfläche eines Werkstücks 26 werden die Winkel
~ und p an den Schwenkachsen 11 bzw. 12 so eingestellt, daß die Drehbewegungsachse
8 senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks 26 ausgerichtet ist.
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Weiterhin werden ausgehend von der in Fig. 6 gezeigten Lage an den
Schwenkachsen 13 und 14 gleich große Schwenkwinkel g und s nach Maßgabe der gewünschten
Größe des Halbmessers r des kreisförmigen Schnitts 44 eingestellt. Zur Verdeutlichung
ist der kreisförmige Schnitt 44 in Fig. 7 aus seiner realen Lage in die Zeichenebene
um 90 4 eingeschwenkt dargestellt. Wie ohne weiteres erkennbar ist, können die
Winkel
9 und S ebenso wie die Winkel a und /3 der Fig. 5 beliebig klein eingestellt werden,
wodurch sehr kleine Radien abgefahren werden können, d. h. sehr kleine Lochdurchbrüche
herstellbar sind.
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Wie Fig. 7 verdeutlicht, liegt der Kreismittelpunkt 45 auf der Verlängerung
der Drehbewegungsachse 8. Der kreisförmige Schnitt 44 wird ausschließlich durch
eine 3600-Drehung an der Bewegungsachse 8 erzeugt, wobei alle anderen neun Bewegungsachsen
bewegungslos sind.
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Selbstverständlich können in gegenüber der Horizontalen schräg gestellte
Oberflächen von Werkstücken auch andere geometrische Schnittfiguren mit dem Laserkopf
t5 abgefahren werden, beispielsweise auch Langlöcher der in Fig. 5 dargestellten
Art. Liegt hierbei die Längsachse des Langloches horizontal, so erfolgen beim Schneidvorgang
nacheinander Bewegungen in der Drehachse 8 und-in der Y-Achse.
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Durch entsprechende Winkeleinstellung der Mittelachse des Laserkopfes
5 gegenüber der Oberfläche eines Werkstücks können auch von der Vertikalen abweichende
Schnittkanten, nämlich schräg verlaufende Schnittkanten erzielt werden, wobei die
Lage des Schneidpunktes ebenfalls auf der gedachten. Verlängerung der Mittelachse
der Teleskopeinrichtung 3 liegt, wie das in den Fig. 2 und 6 für senkrechte Schnittkanten
gezeigt ist.
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Beispielsweise bei kreisrunden Aussparungen sind bei den in den Fig.
5 und 7 illustrierten vereinfachten Bewegungssteuerungen auch Löcher mit konischen
Schnittkanten möglich, wie sie je nach Verwendung des Werkstücks wünschenswert sein
können. Hierbei erfolgt eine Verstellung der Schwenk-Winkel Z und p bzw. Y und 8
gegenüber der in Fig. 5 bzw.
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Fig. 7 gezeigten Situation.
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Bei der Steuerung werden die Bewegungsachsen X, Y, Z und 4 maßgenau
programmiert, und die Winkelverstellungen an den durch Schwenkachsen repräsentierten
Bewegungsachsen 5 und 7 bzw. 5 bis 10 werden durch ein weiteres vorgegebenes Programm
selbständig vorgenommen. Die Eingabe von Lochradien bei der vereinfachten Ausführung
von Durchbrüchen in Werkstücken veranlaßt die Einstellung von Schwenkwinkeln an
den betroffenen Schwenkachsen.
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Zur Erläuterung zweier Varianten einer dritten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nunmehr auf die Fig. 9 und t0 Bezug genommen.
Bei dieser Ausführungsform sind die Achsen 13 und 14 keine Schwenkachsen, wie bei
der Ausführungsform gemäß der Fig. 6 bis 8, sondern sind unverschwenkbare Laserstrahlumlenkachsen,
von denen eine teleskopartig längenveränderbar als Bewegungsachse ausgebildet ist,
wie der mit der Bezugszahl 9-bezeichnete Doppelpfeil -in beiden Figuren veranschaulicht,
während die jeweils andere Achse keine Längenveränderbarkeit besitzt. Die abgebrochenen
Teile der Vorrichtung gemäß der Fig. 9 und 10 entsprechen denjenigen der Fig. 6
bis 8.
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In Fig. 9 befindet sichtdie Bewegungsachse 9 auf der Achse 13, während
eine Längenveränderbarkeit auf der Achse 14 nicht gegeben ist, d. h. der Abstand
der beiden Umlenkspiegel 22 und 23 bleibt konstant, während sich der Abstand der
Umlenkspiegel 38 und 39 bei Längenveränderungen ändert. Es ist ersichtlich, daß
dadurch der Laserkopf t5 aus seiner in Fig. 9 in ausgezogenen Linien gezeigten Fluchtungslage
mit der Mittelachse der nicht dargestellten Teleskopeinrichtung 3 nach rechts oder
links parallel verschiebbar ist, Eine parallel verschobene Position des Laserkopfes
15 ist in gepunkteten Linien angedeutet. Auf diese Weise kann ebenfalls ein Radius
r, der sehr klein sein kann, zur Erzeugung von
Kreisbogenschnitten
sowohl an zweidimensionalen als auch an dreidimensionalen Werkstücken eingestellt
werden. Zu diesem Zweck ist lediglich eine Verschiebung auf der Bewegungsachse 9
vorzunehmen. Wird dann bei programmiert eingestelltem Radius r eine Drehung um die
zweite Drehachse 8 durchgeführt, so erfolgt ein Kreisbogenschnitt durch den Laserkopf
t5.
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Bei der in Fig. 10 gezeigten Variante ist die Achse 13 die längenunveränderbare
Laserstrahlumlenkachse, auf der sich die Umlenkspiegel 38 und 39 in einem konstanten
Abstand befinden. Auf der Achse t4 ist dagegen eine teleskopartige Verlängerungs-
und Verkürzungsmöglichkeit gegeben, wodurch sich der Abstand der Umlenkspiegel 22
und 23 ändert. Auch hierbei kann der Laserstrahlkopf 15 bezüglich seiner Achse ausgehend
von seiner mit der Mittelachse der nicht dargestellten Teleskopeinrichtung 3 in
ausgezogenen Linien dargestellten Fluchtungslage nach rechts oder links zur Einstellung
eines Halbmessers r zur Erzeugung von kreisbogenförmigen Schnitten eingestellt werden.
Eine nach links verschobene Lage ist in punktierten Linien angedeutet.
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Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den Fig.
9 und 10 erlaubt die programmierte Radiuseinstellung mit nur einer einzigen linearen
.Bewegung auf der Bewegungsachse 9, die auf der Achse 13 oder der Achse 14 liegen
kann. Mit der so ausgebildeten Führungsvorrichtung sind allerdings nur senkrecht
zur Werkstückoberfläche verlaufende kreisbogenförmige Schnittkanten möglich.
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Alle Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung werden
durch rechnerprogrammierte Steuerung betätigt, sie können jedoch auch vollständig
oder in Teilbereichen der verschiedenen Bewegungen im Teach-in-Verfahren einprogrammiert
werden, oder auch durch selbständig einprogrammierbare und wiederholbare Nachführsteuerung.
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