17.04.2008

B E SC H R E I B U N G

Einrichtung zum Wechseln einer Laserbearbeitungsdüse an einem

Laserbearbeitungskopf

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Wechseln einer Laserbearbeitungsdüse an einem Laserbearbeitungskopf.

Das Wechseln von Laserbearbeitungsdüsen an einem Laserbearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsmaschine, beispielsweise an einem Laserschweißkopf oder an einem Laserschneidkopf, stellt eine sich wiederholende Tätigkeit dar.

Speziell bei einer 2D-Laserschneidanlage für Bleche kommt dem Laserschneidkopf und somit auch der Schneiddüse eine besondere

Bedeutung zu. Um ein optimales Schneidergebnis bei verschiedenen

Blechdicken zu erreichen, müssen unterschiedliche Düsen verwendet werden. Bei den bisherigen Laserschneidanlagen können mithilfe automatischer Beladeeinrichtungen Bleche unterschiedlicher Dicke auf die Maschine zur Bearbeitung gelegt werden. Ein Wechsel der Schneiddüse wird mithilfe so genannter Düsenwechsler durchgeführt. Die Vorstufe für einen vollautomatisierten Düsenwechsel ist es, die Erkennung der

Laserbearbeitungsdüse durchzuführen. Eine sicherere automatische

Düsenerkennung ist eine sinnvolle Ergänzung für den vollautomatisierten Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine. Durch eine falsche Bestückung des

Düsenmagazins beim mannlosen Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine kann es zu erheblichen Unkosten durch Fehlschnitte kommen.

Allgemein üblich ist es, Laserbearbeitungsdüsen in einem Laserbearbeitungskopf einzuschrauben. Rotationsbewegungen führen aber zu einem höheren Aufwand, welcher eine Automatisierung erschwert.

Der Anmelder hat sich die Aufgabe gestellt, eine einfache und sichere Basis für einen automatisierbaren Laserbearbeitungsdüsenwechsel bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Prozessgas zur Laserbearbeitung auch zur Betätigung des Bauteils zur pneumatischen Verriegelung und Entriegelung der Laserbearbeitungsdüse verwendet. Dem Prozessgas kommt eine Doppelfunktion zu. Es ist nicht erforderlich, ein separates Gas zur pneumatischen Betätigung einzusetzen. Der Ausstoß der Düse aus dem pneumatisch entriegelten Mechanismus erfolgt ebenfalls durch einen Druckimpuls des Prozessgases im Kesselraum des Schneidkopfs, wodurch ein manueller Düsenwechsel ausserhalb des automatisierten Anlagenbetriebs weiterhin werkzeuglos möglich ist.

Um die Mechanik an bestehende Schneidanlagen zu adaptieren, ist lediglich ein Tausch des "Keramikteils" im Schneidkopf gegen das Wechslermodul sowie der Anbau eines Pneumatikventils mit der zugehörigen Versorgungsleitung zum Modul notwendig. Das Düsenmagazin muss entweder in Reichweite des Schneidkopfes angeordnet werden oder

einschwenken können. Außer diesem ggf. erforderlichen Einschwenkmechanismus gibt es am Düsenmagazin keine Aktorik.

Eine Beschädigung der Mechanik durch seitliche Kollision kann durch eine blechdickenabhängige Tiefenbegrenzung des Z-Maßes erfolgen. Die Begrenzung kann bei der Kalibrierung der Abstandssensorik erfolgen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend mit Bezug zur Figur der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt im Einzelnen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Laseranlage;

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Einrichtung zum Wechseln einer Laserschneiddüse an einem Laserschneidkopf der

Laserschneidanlage;

Fig. 3 einen Längsschnitt der Einrichtung nach Figur 2 gemäß III-III in Fig. 2;

Fig. 4 einen Längsschnitt der Einrichtung nach Figur 2 gemäß IV-IV in

Fig. 2;

Fign. 5a,b den Verriegelungsmechanismus der Laserschneiddüse;

Fign. 6a-c die Aufnahme einer Laserschneiddüse aus einem Magazin;

Fign. 7a-c die Aufnahme einer weiteren Laserschneiddüse aus einem Magazin;

Aus der Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Laserbearbeitungsanlage 1 zum Laserschneiden mit einem Cθ ₂ -Laser 2, einer Steuereinrichtung 3, einem Laserbearbeitungskopf 4 und einer Werkstückauflage 5 ersichtlich. Ein erzeugter Laserstrahl 6 wird mithilfe von Umlenkspiegeln zum Laserbearbeitungskopf 4 geführt und auf ein Werkstück 8 gerichtet.

Sowohl das Einstechen als auch das Laserschneiden werden durch Hinzufügen eines Gases unterstützt. Als Schneidgase 9 können Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft und/oder anwendungsspezifische Gase eingesetzt werden. Welches Gas letztendlich verwendet wird, ist davon abhängig, welche Materialien geschnitten und welche Qualitätsansprüche an das Werkstück gestellt werden.

Beim Schneiden wird in der Regel mit einem Gasdruck von bis zu 20 bar gearbeitet. Dort, wo der Laserstrahl 6 auf das Blech 8 auftrifft, wird das Material geschmolzen und / oder oxidiert. Die entstandene Schmelze wird zusammen mit den Eisenoxiden ausgeblasen. Entstehende Partikel und Gase können mithilfe einer Absaugvorrichtung IO aus einer Absaugkammer 11 abgesaugt werden.

Zum Wechseln einer Laserschneiddüse 12 an dem Laserschneidkopf 4 umfasst der Laserschneidkopf 4 eine Einrichtung 13 gemäß Fig. 2. Die Einrichtung 13 zum Wechseln der Laserschneiddüse 12 kann mithilfe einer überwurfmutter 14 an dem Laserschneidkopf 4 gemäß Fig. 1 angebracht werden. In die Einrichtung 13 ist ein Dielektrikum 15 für eine bekannte

Abstandsregelung integriert. Der Mechanismus zum Wechseln der Laserschneiddüse ist durch ein Außengehäuse 16 abgedeckt. Weiterhin sind in der Fig. 2 ein erster Gasanschluss 17 und ein zweiter Gasanschluss 18 für eine pneumatische Betätigung des Mechanismus zum Wechseln der Laserschneiddüse 12 zu erkennen. Die Betätigung der Ver- und Entriegelung der Laserschneiddüse 12 erfolgt pneumatisch über das ohnehin am Laserschneidkopf 4 verfügbare Prozessgas oder Hilfsgas.

Wie in Fig. 3 dargestellt, lässt sich das dielektrische Bauteil 15 mithilfe der überwurfmutter 14 an einer in der Figur 3 nicht gezeigten Komponente des

Laserschneidkopfs lösbar befestigen. Die Laserschneiddüse 12 wird an einem Kugelkäfig 20 lösbar befestigt, so dass die Laserschneiddüse 12 ausgetauscht und automatisch maschinell gewechselt werden kann. Die

Verriegelung bzw. Entriegelung erfolgt über das Zusammenspiel zwischen einem gemäß dem Doppelpfeil 21 in axialer Richtung verschiebbaren

Hubzylinder 22 und in radialer Richtung verschiebbaren Kugeln 23 (siehe

Fign. 5a, 5b). Eine Formfläche 19 an dem Hubzylinder 22 drückt die Kugeln bei entsprechender axialer Bewegung des Hubzylinders 22 in eine radiale

Führung an dem Kugelkäfig 20 und anschließend in eine Ringnut 32 an einem Schaft 25 der Laserschneiddüse 12. Die Betätigung des Hubzylinders

22 wird über eine Druckbeaufschlagung mit einem Prozessgas durchgeführt.

Die Verschiebung des Hubzylinders 22 in Richtung der Laserschneiddüse 12 erfolgt durch Aktivierung des zweiten Gasanschlusses 18. In dem Kugelkäfig 20 ist ein Kanal 27 ausgebildet, um das Prozessgas in eine Druckkammer 28 zu leiten und eine Oberseite 29 des Hubzylinders 22 druckzubeaufschlagen. Der Druck in der Druckkammer 28 wird mithilfe eines Ventils an dem Gasanschluss 18 geregelt, so dass die Druckkammer

28 be- oder entlüftet werden kann, um den Hubzylinder 22 in axialer Richtung zu verschieben.

Die Verschiebung des Hubzylinders 22 in Richtung der überwurfmutter 14 erfolgt durch Aktivierung des ersten Gasanschlusses 17. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann auch eine Unterseite 30 des Hubzylinders 22 druckbeaufschlagt werden, indem mithilfe des Kanals 31 und des weiteren Gasanschlusses 17 Gas dorthin geführt wird.

Aus den Figuren 5a und 5b ergibt sich der Mechanismus zum Verriegeln und Entriegeln der Laserschneiddüse 12 mithilfe der Einrichtung 13. Der übersichtlichkeit halber sind nur die für den Mechanismus wesentlichen Bauteile dargestellt: Laserschneiddüse 12, Hubzylinder 22, Kugel 23. Der Aufnahmevorgang erfolgt in drei Phasen:

1. Die Lagerung der Düse 12 ist so gestaltet, dass der Schaftmittelpunkt eine definierte Lage hat. Dadurch hat die Aufnahmevorrichtung eine definierte Anfahrposition. Der Kugelkäfig 20 und die Düse 12 weisen eine konische Innenfläche C und eine Außenfläche 24 auf, wodurch die Düse 12 beim Einfahren der Aufnahmevorrichtung ggfs. etwas aufgerichtet wird (Figur 5b).

2. Im weiteren Aufnahmeprozess fährt der Kugelkäfig 20 über den Ballen B bis die Fase C auf der Zentrierfase D aufliegt. Ein Verkanten der Düse ist aufgrund der Geometrie und des gewählten Spiels nicht möglich.

3. Durch Druckbeaufschlagung der Unterseite des Hubzylinders 22 wird der Hubzylinder 22 entgegen der Strahlrichtung bewegt, wobei die im Kugelkäfig 20 gelagerten Kugeln 23 in die Ringnut 32 am Düsenschaft

25 gepresst werden. Durch Aufbringen einer radial nach innen wirkenden Kraft wird die Düse 12 zentriert und durch eine axial und radial verspannt (Figur 5a)nach oben wirkende Kraft formschlüssig über die Fasen C und D eingezogen..

In der Abfolge gemäß den Figuren 6a bis 6c ist die Aufnahme einer Laserschneiddüse 34 mit balliger Düsenspitze 35 ersichtlich. Angedeutet ist ein Düsenmagazin 36 mit einer Bohrung 37 zur Lagerung der Laserschneiddüse 34. Figur 6a zeigt die optimale senkrechte Ausrichtung der Laserschneiddüse für die Aufnahme. Aufgrund der balligen Düsenspitze 35, deren Radiusmittelpunkt in der Mitte des oberen Schaftendes liegt, muss die Laserschneiddüse 34 nicht genau senkrecht ausgerichtet werden, wenn die Laserschneiddüse 34 aufgenommen wird, wie in den Figuren 6b und 6c gezeigt.

In der Abfolge gemäß den Figuren 7a bis 7c ist die Aufnahme einer Laserschneiddüse 38 mit kegelförmiger Düsenspitze 39 ersichtlich. Angedeutet ist wiederum ein Düsenmagazin 40 mit einer Bohrung 41 zur Lagerung der Laserschneiddüse 38. Figur 7a zeigt die optimale senkrechte Ausrichtung der Laserschneiddüse 38 für die Aufnahme. Figur 7b und 7c zeigen eine verkippt stehende Laserschneiddüse 38. Die für den Aufnahmeprozess wichtige Größe ist die Ortsabweichung der Düsenschaftmitte M. Die Ortsabweichung der Düsenschaftmitte M ist dann am geringsten, wenn die Mittensenkrechte H der Kegelflanke 39 die Düsenschaftmitte M schneidet. Zur optimalen Ausrichtung der Laserschneiddüse 38 muss D/2 der Bohrung 41 so groß sein wie der Abstand von Punkt K zur Mittellinie der Düse. Die Strecke K-M muss möglichst lang sein, mindestens 1,5 mal D.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Laserbearbeitungsanlage

2 Laser

3 Steuereinrichtung

4 Laserbearbeitungskopf

5 Werkstückauflage

6 Laserstrahl

7

8 Werkstück

9 Schneidgas

10 Absaugkammer

11 Absaugeinrichtung

12 Laserschneiddüse

13 Einrichtung zum Wechseln der Laserschneiddüse

14 überwurfmutter

15 Dielektrikum

16 Außengehäuse

17 Gasanschluss

18 Gasanschluss

19 Kontaktstecker

20 Kugelkäfig

21 Doppelpfeil

22 Hubzylinder

23 Kugel

24 Schrägfläche

25 Schaft

26

26 ^' Fase

27 Kanal

28 Druckkammer

29 Oberseite

30 Unterseite

31 Kanal

32 Ringnut

33

34 Düse

35 Düsenspitze

36 Düsenmagazin

37 Bohrung

38 Düse

39 Düsenspitze

40 Düsenmagazin

41 Bohrung