PUDE, Frank (Untere Sternengasse 19 B, Solothurn, CH-4500, CH)
SCHWERMANN, Torben (Neufeldweg 2, Heimenhausen, CH-3373, CH)
MAURER, Walter (Mittlere Bühnenbergstrasse 61, Oftringen, CH-4665, CH)
PUDE, Frank (Untere Sternengasse 19 B, Solothurn, CH-4500, CH)
SCHWERMANN, Torben (Neufeldweg 2, Heimenhausen, CH-3373, CH)
| Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden eines Werkstücks (31 ) mit einem Schneidkopf (10), einer Halterung (11 ), welche um eine Drehachse (24) drehbar ist und an welcher der Schneidkopf (10) gehalten ist, wobei der Schneidkopf (10) ein Fokussierrohr (10b) mit einer Austrittsöffnung (10c) für einen Wasserstrahl (30) aufweist, wobei der Schneidkopf (10) entlang einer in Bezug auf die Drehachse (24) unter einem Winkel (α) geneigten Schneidkopfachse (25) ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (39) mit einem Erfassungsmittel zum Erfassen des Abstandes zwischen dem Schneidkopf (10) und einer Werkstückoberfläche (31c) des Werkstücks (31 ) vorgesehen ist, und dass die Schneidkopfachse (25) in einem vorgegebenen Winkel (α) geneigt ist, wobei der Schnittpunkt von Drehachse (24) und Schneidkopfachse (25) in Bezug auf die Drehachse (24) auf der gleichen axialen Höhe wie die vom Erfassungsmittel der Messeinrichtung (39) erfassten axialen Höhe der Werkstückoberfläche (31 c) des Werkstücks (31 ) liegt. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der Schnittpunkt von Drehachse (24) und Schneidkopfachse (25) beabstandet zur Austrittsöffnung (10c) ist und in Bezug auf die Austrittsrichtung des Wasserstrahls (30) unterhalb dieser liegt. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Halterung (11 ) zusammen mit dem Schneidkopf (10) um mindestens 90 Grad, bevorzugt um mindestens 180 Grad und besonders bevorzugt um mindestens 360 Grad, vorteilhaft auf einer kreisförmigen Bahn, um die Drehachse (24) drehbar ist. 4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erfassungsmittel der Messeinrichtung (39) einen geregelten Abtaster (44) umfasst, der ein mit der Werkstückoberfläche (31 c) des Werkstücks (31 ) in Anlage bringbares Ende aufweist. 5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Antrieb (13) zum Drehen der Halterung (11 ), der eine Antriebsachse (15) aufweist, die vorzugsweise parallel zur Drehachse (24) der Halterung (11 ) angeordnet ist. 6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Zwischengelenk (1 ), über welches Abrasivmaterial zum Schneidkopf (10) leitbar ist, wobei das Zwischengelenk (1 ) einen Einlass (1 a) und einen relativ dazu drehbaren Auslass (1 b) aufweist, wobei das Zwischengelenk (1 ) zwischen Einlass (1 a) und Auslass (1 b) optional einen trichterförmigen Spalt (7) aufweist. 7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Drehgelenk (19), welches einen Einlass (20) und einen relativ dazu drehbaren Auslass (18) aufweist, der mit dem Schneidkopf (10) verbunden ist, wobei die Drehachse des Drehgelenks (19) mit der Drehachse (24) der Halterung (11 ) zusammenfällt. 8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Lager (66) zwischen dem Schneidkopf (10) und einer Öffnung (15) in der Halterung (11 ) vorgesehen ist, so dass der Schneidkopf (10) um die Schneidkopfachse (25) frei drehbar in der Halterung (11 ) gelagert ist. 9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Halterung (11 ) zusammen mit dem Schneidkopf (10) auf einem in drei Achsen (X, Y, Z) verschiebbaren Träger (12) angeordnet ist. 10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Aufstellvorrichtung (51 ; 61 ) für den Schneidkopf (10) vorgesehen ist, mittels welcher der Schneidkopf (10) von einer geneigten Stellung um den vorgegebenen Winkel (α) in eine normal zur Werkstückoberfläche (31 c) ausgerichtete Stellung überführbar ist. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstellvorrichtung (61 ) eine Kippachse (62) umfasst, um welche die Halterung (11 ) samt dem Schneidkopf (10) um den Winkelbetrag des Winkels (α) kippbar ist, wobei die Kippachse (62) vorteilhaft senkrecht zur Drehachse (24) verläuft. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstellvorrichtung (51 ) eine Aufstelleinrichtung umfasst, mit welcher der Schneidkopf (10) relativ zur Halterung (11 ) um den Winkelbetrag des Winkels (α) verschwenkbar ist. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstelleinrichtung eine Führung (52) und ein Betätigungselement (56) umfasst, wobei die Führung (52) in der Halterung (11 ) vorgesehen, von deren Zentrum in Richtung des radial äusseren Randes verlaufend ist und jeweils endseitig begrenzt ist, und wobei der Schneidkopf (10) mittels des Betätigungselementes (56) von einer geneigten Stellung in eine parallel zur Drehachse (24) ausgerichteten Stellung überführbar ist. 14. Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden, mit einem Schneidkopf (10) und einer Messeinrichtung (39) mit einem Abtaster (44) zum Erfassen des Abstandes zwischen Schneidkopf (10) und Werkstückoberfläche (31 c), dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (39) einen Antrieb (45) umfasst, mittels welchem der Abtaster (44) kraftgesteuert gegen die Werkstückoberfläche (31 c) drückbar ist. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Antrieb (45) ein Linearmotor mit einer linear verschiebbaren Stellachse (45a) ist. 16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Abtaster (44) ein ringförmiges Ende aufweist. 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, mit einem Wegmesssystem (46) zum Erfassen der Position der Stellachse (45a) des Antriebs (45). 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, mit einer Steuerung, mittels welcher die Kraft einstellbar ist, mit welcher der Abtaster (44) gegen die Werkstückoberfläche (31 c) drückbar ist, wobei die Steuerung des Abtasters (44) von der Steuerung des Schneidkopfs (10) unabhängig ist. 19. Maschine zum Wasserstrahlschneiden, welche die Komponenten der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18 aufweist. 20. Verfahren zum Wasserstrahlschneiden eines Werkstücks (31 ) mit einem Schneidkopf (10) der an einer Halterung (11 ) gehalten ist, welche um eine Drehachse (24) drehbar ist, sowie ein Fokussierrohr (10b) mit einer Austrittsöffnung (10c) für einen Wasserstrahl (30) aufweist, wobei der Schneidkopf (10) entlang einer in Bezug auf die Drehachse (24) unter einem vorgegebenen Winkel (α) geneigten Schneidkopfachse (25) ausgerichtet ist, und mit einer Messeinrichtung (39), die ein Erfassungsmittel zum Erfassen des Abstandes zwischen dem Schneidkopf (10) und einer Werkstückoberfläche (31c) des Werkstücks (31 ) umfasst, wobei der Schneidkopf (10) in Abhängigkeit des gemessenen Abstandes derart zur Werkstückoberfläche (31 c) des Werkstücks (31 ) gesteuert verfahren wird, dass der Schnittpunkt von Drehachse (24) und Schneidkopfachse (25) auf der dem Schneidkopf (10) zugewandten Werkstückoberfläche (31 c) des Werkstücks (31 ) liegt. 21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Abstand zwischen Schneidkopf (10) und Werkstückoberfläche (31 c) mittels eines Abtasters (44) als Erfassungsmittel der Messeinrichtung (39) erfasst wird, der geregelt gegen die Werkstückoberfläche (31 c) gedrückt wird. 22. Verfahren nach Anspruch 21 , wobei der Abtaster (44) mittels eines kraftgesteuerten Antriebs (13) gegen die Werkstückoberfläche (31 c) gedrückt wird, um den Arbeitsabstand sicherzustellen. 23. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 22, wobei während des Bearbeitens der Abstand zwischen Schneidkopf (10) und Werkstückoberfläche (31 c) erfasst und der Abtaster (44) so nachgeführt wird, dass der Abstand in einem vorgegebenen Bereich liegt. 24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei der Schneidkopf (10) um mindestens 90 Grad, bevorzugt um mindestens 180 Grad und besonders bevorzugt um mindestens 360 Grad um die Drehachse (24) drehbar ist. 25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die Zufuhr von Abrasivmaterial zum Schneidkopf (10) über einen Einlass (1 a) und einen relativ dazu drehbaren Auslass (1 b) erfolgt. 26. Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (31 ), bei welchem eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, eine Maschine nach Anspruch 19 und/oder ein Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25 eingesetzt wird. |
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden eines Werkstücks der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 14 genannten Art, sowie auf ein Verfahren zum Wasserstrahlschneiden eines Werkstücks, der im Patentanspruch 20 genannten Art.
Beim Wasserstrahlschneiden wird der aus dem Schneidkopf austretende Wasserstrahl beispielsweise dazu benutzt, eine Materialschicht bzw. ein Werkstück entlang einer Kontur zu trennen, indem der Schneidkopf mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit gesteuert entlang diesem verfahren wird. Beim Trennprozess trifft der Wasserstrahl mit hoher Geschwindigkeit auf die Material- bzw. Werkstückoberfläche und durchdringt diese, so dass sich ein Schnittspalt in dem Werkstück ergibt.
In der Regel verlaufen die Schnittkanten, welche den Schnittspalt begrenzen, nur bei einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit des Schneidkopfs 10 parallel zueinander. Dies ist in Fig. 9b schematisch dargestellt, welche einen Teil eines Werkstücks 31 im Schnitt sowie den Verlauf des aus dem Schneidkopf 10 austretenden Wasserstrahls 30b zeigt. Ist die Vorschubgeschwindigkeit zu gering oder zu gross, sind die Schnittkanten nicht parallel, sondern geneigt zueinander angeordnet. Fig. 9a zeigt den Verlauf des Wasserstrahls 30a bei zu geringer Vorschubgeschwindigkeit und Fig. 9c den Verlauf des Wasserstrahls 30c bei zu grosser Vorschubgeschwindigkeit. Wie ersichtlich weisen die Schnittkanten gegenüber der Senkrechten auf die Werkstückoberfläche 31 c eine Neigung δ auf. Dieser Winkelfehler wird auch als "taper" bezeichnet.
Um eine rationelle Bearbeitung zu gewährleisten, ist man bestrebt, eine möglichst grosse Vorschubgeschwindigkeit zu wählen. Um dabei bei wenigstens einer der beiden Schnittkanten den "taper" zu vermeiden, ist es bekannt, den Schneidkopf schwenkbar auszugestalten (vgl. beispielsweise US 6,922,605 B1 oder US 6,766,216 B2). Dazu sind nebst den drei Achsen zum Verschieben des Schneidkopfs im Raum zwei zusätzliche Schwenkachsen vorgesehen, welche das Schwenken des Schneidkopfs ermöglichen. Es sind geeignete Massnahmen vorzusehen, um ein genaues Orientieren des Schneidkopfs und somit ein präzises Schneiden zu ermöglichen.
Um den Schneidkopf richtig in Bezug auf das Werkstück positionieren zu können, ist es weiter bekannt, den Abstand zwischen Schneidkopf und Werkstückoberfläche zu erfassen, indem auf dieser ein Abtaster aufgelegt wird (vgl. beispielsweise EP 1 317 999 A1 oder US 2006/0040590 A1 ). Der Abstand lässt sich dadurch jedoch nur in einem beschränkten Mass genau bestimmen, was entsprechende Ungenauigkeiten beim Schneiden zur Folge hat.
Aus der WO 2008/128303 A1 ist eine Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden eines Werkstücks bekannt, die einen Schneidkopf und eine Halterung umfasst, welche um eine Drehachse drehbar ist und an welcher der Schneidkopf gehalten ist. Der Schneidkopf weist ein Fokussierrohr mit einer Austrittsöffnung für einen Wasserstrahl auf, wobei der Schneidkopf entlang einer in Bezug auf die Drehachse unter einem Winkel geneigten Schneidkopfachse ausgerichtet ist. Nachteilig an dieser und anderen bekannten Lösungen ist, dass beim Drehen des Schneidkopfs um die Drehachse, damit beispielsweise ein um eine Ecke laufender Schnitt im Werkstück ausführbar ist, der Eintrittspunkt des Wasserstrahls auf der Werkstückoberfläche verschoben wird. Diese Verschiebung muss durch eine Korrekturbewegung in X-, Y- und/oder Z- Richtung kompensiert werden. Dies bedingt einen zusätzlichen, separaten Steuervorgang bei jeder Änderung der Winkellage des Schneidkopfs.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Wasserstrahlschneiden eines Werkstücks anzugeben, welche bzw. welches die vorgenannten Nachteile nicht aufweist und dadurch ein genaueres Schneiden ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäss Anspruch 1 oder Anspruch 14, einer Maschine gemäss Anspruch 19, durch das Verfahren gemäss dem Anspruch 20 sowie durch das Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks gemäss dem Anspruch 26 gelöst. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungen der entsprechenden erfindungsgemässen Vorrichtungen und des entsprechenden erfindungsgemässen Verfahrens an.
Die Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Offenbarung.
Anhand von Figuren wird die Erfindung symbolisch und beispielhaft näher erläutert. Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile, Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indices geben funktionsgleiche oder ähnliche Bauteile an.
Es zeigen dabei
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 2 eine Vorderansicht der Vorrichtung gemäss Fig. 1 , wobei der
Schneidkopf so gedreht ist, dass er mit seinem vollen, vorgegebenen Neigungswinkel zu sehen ist;
Fig. 3 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemässen
Vorrichtung gemäss Fig. 3;
Fig. 5 das Zwischengelenk der Vorrichtung gemäss Fig. 3 in einer
Seitenansicht; Fig. 6 das Zwischengelenk gemäss Fig. 6 geschnitten in der Ebene gemäss der Linie Vl-Vl in Fig. 7;
Fig. 7 das Zwischengelenk gemäss Fig. 5 in einer Draufsicht; Fig. 8 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Werkstückes, welches mit der Vorrichtung gemäss Fig. 1 oder Fig. 3 getrennt wird;
Fig. 9a-9c schematisch die Verläufe des Wasserstrahls beim Durchtrennen eines Werkstücks bei drei verschiedenen
Vorschubgeschwindigkeiten des Schneidkopfs;
Fig. 10a-1 Ob eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 11 eine erfindungsgemässe Variante der Vorrichtung gem. Fig. 10a und 10b; und
Fig. 12 eine weitere erfindungsgemässe Variante der Vorrichtung gem.
Fig. 1.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, umfasst die Schneidvorrichtung zum Wasserstrahlschneiden einen Schneidkopf 10 mit einem Fokussierrohr 10b, welcher an einer Nabe als Halterung 11 befestigt ist. Diese ist dazu mit einer Bohrung versehen, in welcher der Schneidkopf 10 sitzt. Das Fokussierrohr 10b weist eine Austrittsöffnung 10c auf, aus welcher der sich im Betrieb bildende Wasserstrahl 30 austritt.
Die Halterung 11 des Schneidkopfs 10 ist drehbar auf einer Grundplatte als Träger 12 gelagert. Die Lager der Halterung 11 sind mittels Dichtungen vor Eindringen von Wasser, Staub, etc. geschützt. Die Halterung 11 weist eine exzentrisch angeordnete Öffnung 15 auf, durch welche das der Austrittsöffnung 10c abgewandte, einlassseitige Ende 10a des Schneidkopfs 10 hindurch ragt. Auf der Grundplatte 12 ist ein Antrieb 13 in Form eines Drehmotors angebracht, der über einen Zahnriemen 14 an die drehbar gelagerte Halterung 11 gekoppelt ist. Als Antrieb 13 eignet sich z.B. ein Servomotor oder ein Schrittmotor. Das einlassseitige Ende 10a des Schneidkopfs 10 ist mit einem Winkelstück 17 verbunden, welches über ein Rohr 18 an ein Drehgelenk 19 angeschlossen ist, das als Hochdruckdrehgelenk ausgebildet ist. Dieses ist einlassseitig mit einem Anschlussrohr 20 versehen. Das Anschlussrohr 20 ist über weitere Leitungen an eine hier nicht dargestellte Hochdruckpumpe anschliessbar. Die Komponenten 17-20 bilden eine Hochdruckleitung, welche es erlaubt, Wasser mit dem nötigen Druck dem Schneidkopf 10 zuzuführen. Typischerweise beträgt der Druck 3000 bar oder mehr.
Um die Schneidvorrichtung als Ganzes horizontal (d. h. in X- und Y- Richtung) sowie vertikal (d. h. in Z-Richtung) gesteuert verschieben zu können, ist sie auf einem Wagen angeordnet, der mittels einer geeigneten Verschiebeeinrichtung im Raum verschiebbar ist.
Der Schneidkopf 10 ist mit einer Düse zur Erzeugung des Wasserstrahls 30 und mit einem Anschlussstutzen zur Beigabe eines Abrasivmaterials versehen. Düse und Anschlussstutzen sind bekannter Art und in der Fig. 1 nicht ersichtlich.
Wie Fig. 2 zeigt, ist der Schneidkopf 10 unter einem vorgegebenen Neigungswinkel α in Bezug auf die Drehachse 24 angeordnet, um welche die Halterung 11 drehbar ist. Die Schneidkopfachse 25 (Richtung, in welcher sich der Wasserstrahl 30 ausbreitet) ist somit um den Winkel α geneigt zur Drehachse 24 angeordnet. Der Schneidkopf 10 ist so an der Halterung 11 gehalten, dass sich der Schnittpunkt 27 von Drehachse 24 und Schneidkopfachse 25 beabstandet zur Austrittsöffnung 10c und unterhalb dieser befindet. Dieser Schnittpunkt 27 wird auch als Fokuspunkt oder Tool- Center-Point bezeichnet.
Die Antriebsachse 15 des Antriebs 13 ist parallel zur Drehachse 24 angeordnet.
Das Drehgelenk 19 ist so angeordnet, dass dessen drehbarer Teil 19a um eine Drehachse drehbar ist, welche mit der Drehachse 24 der Halterung 11 zusammenfällt. Die Ausgestaltung des Winkelstückes 17 ist so gewählt, dass es zusammen mit dem Drehgelenk 19 eine Drehung der Halterung 11 sowie des Schneidkopfs 10 um die Drehachse 24 erlaubt.
In Fig. 2 sind durch gestrichelte Linien 26a, 26b, 26c die Innenkanäle dargestellt, durch welche im Betrieb das Wasser vom Anschlussrohr 20 über die Komponenten 17 bis 19 dem Schneidkopf 10 zugeführt wird, wo es schliesslich aus der Austrittsöffnung 10c austritt und auf das Werkstück 31 trifft. Dieses kann z.B. ein Blech sein, aus welchem ein oder mehrere Teile herausgeschnitten werden.
Im Betrieb wird die Schneidvorrichtung gesteuert im Raum bewegt, um mittels des Wasserstrahls 30 eine Materialschicht bzw. ein Werkstück 31 entlang einer Kontur durchtrennen zu können. Der Antrieb 13 wird dabei so angesteuert, dass die Halterung 11 zusammen mit dem Schneidkopf 10 mit einem bestimmten Drehwinkel ß um die Drehachse 24 gedreht wird. Die Komponenten 17, 18 und 19a werden dabei ebenfalls um die Drehachse 24 gedreht. Die Steuerung der Schneidvorrichtung erfolgt beispielsweise durch eine CNC-Steuerung.
Der Drehwinkel ß ist so gewählt, dass beim Schneiden eine unerwünschte Neigung der Schnittkante ("Winkelfehler"/ "taper") berücksichtigt wird und diese die gewünschte Ausrichtung aufweist (in der Regel senkrecht zur Werkstückoberfläche 31 c). Das Ausgleichen dieser Neigung wird im Folgenden auch als Winkelfehlerkorrektur bezeichnet.
Angenommen die Schneidrichtung ist in negativer Richtung der X-Achse gemäss Fig. 2 und die Drehlage des Schneidkopfs 10 entspricht der in Fig. 2 gezeigten Drehlage, d.h. ß = 0 Grad. In diesem Fall ist die Schneidkopfachse 25 parallel zur Ebene angeordnet, in welcher die
Schneidrichtung verläuft und welche gemäss Fig. 2 der XZ-Ebene entspricht. Bei dieser Einstellung erfolgt keine Winkelfehlerkorrektur. Vorteilhaft erfolgt in dieser Ausrichtung des Schneidkopfs 10 der Trennschnitt stechend, d. h. der Wasserstrahl 30 wird zur Ausführung des Trennschnitts in Richtung der Schneidrichtung ausgerichtet. Alternativ kann der Trennschnitt in einer gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Ausrichtung um 180 Grad verdrehten Ausrichtung des Schneidkopfs 10 schleppend ausgeführt werden, d. h. der Wasserstrahl 30 wird zur Ausführung des Schnittes entgegen der Richtung der Schneidrichtung ausgerichtet. Wird nun der Schneidkopf 10 um ß = 90 Grad gedreht, so ist die
Schneidkopfachse 25 um den Neigungswinkel α geneigt zur XZ-Ebene angeordnet. Bei dieser Einstellung erfolgt die maximal mögliche Winkelfehlerkorrektur.
Durch Ändern des Winkels ß ist eine Winkelfehlerkorrektur im Bereich von - α bis +α möglich, wobei sich der jeweilige Korrekturwinkel aus der Projektion des Neigungswinkels α auf die senkrechte Ebene zur Schneidrichtung ergibt.
Der Wert des Neigungswinkels α legt die maximal mögliche Winkelfehlerkorrektur fest und ist entsprechend der Auslegung der Schneidvorrichtung festgelegt. Typischerweise ist der Neigungswinkel α kleiner als 10 Grad und vorteilhaft grösser 1 Grad.
In den Figuren 3 und 4 ist eine Variante der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden gezeigt. Teile, die den Teilen der ersten Ausführungsform gemäss Fig. 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In den Figuren 3 und 4 ist ein Zwischengelenk 1 zu sehen, über welches Abrasivmaterial zum Schneidkopf 10 zuführbar ist. Ein derartiges Zwischengelenk 1 wird auch als Abrasivleitungsdrehgelenk bezeichnet.
Das Zwischengelenk 1 bzw. Abrasivleitungsdrehgelenk befindet sich zwischen dem als Hochdruckdrehgelenk ausgebildeten Drehgelenk 19 und dem Winkelstück 17 und weist einen Einlass 1 a auf, der mit einer Zufuhrleitung 2 verbunden ist und der in einem Ring 3 mündet. Dieser ist an einer festen Position gehalten, indem er mittels einer Stütze 8 an einer mit der Grundplatte 12 fest verbundenen Seitenplatte 9 abgestützt ist. Das Zwischengelenk 1 ist weiter mit einem Auslass 1 b versehen, der über eine Verbindungsleitung 4 mit dem Anschlussstutzen 1 Od des Schneidkopfs 10 verbunden ist.
Figuren 5 bis 7 zeigen das Zwischengelenk 1 im Detail. Wie ersichtlich, wird es vom Rohr 18 durchquert, über welches das Wasser unter Hochdruck vom Drehgelenk 19 zum Winkelstück 17 leitbar ist und welches konzentrisch zur Drehachse 24 der Halterung 11 verläuft (vgl. Fig. 2).
Das Zwischengelenk 1 umfasst ein Deckelelement 5, welches auf ein Trichterelement 6 gesetzt ist, so dass sich dazwischen ein trichterförmiger Spalt 7 ergibt. Die beiden Elemente 5 und 6 sind fest mit Rohr 18 verbunden, jedoch relativ zum Ring 3 frei drehbar. Der Einlass 1 a befindet sich am stationären Ring 3, während der Auslass 1 b am drehbaren Trichterelement 6 befestigt ist. Die Teile 1 b, 5 und 6 können demnach einer Drehung des Schneidkopfs 10 folgen, während der Einlass 1 a und der Ring 3 stationär bleiben.
Abrasivmaterial, welches im Betrieb durch den Einlass 1 a am Ring 3 einströmt, wird durch den Spalt 7 zwischen Deckelelement 5 und Trichterelement 6 geführt und tritt am Auslass 1 b wieder aus.
Durch das Vorsehen des Zwischengelenks 1 kann die Zufuhrleitung 2 zur Zufuhr des Abrasivmaterials von der Drehbewegung des Schneidkopfs 10 entkoppelt werden. Dieser kann somit um 360 Grad oder mehr um die Drehachse 24 gedreht werden, ohne dass sich dabei die Zufuhrleitung 2 für das Abrasivmaterial aufwickelt. So wird ein reibungsloser Transport des Abrasivmittels zum Schneidkopf gewährleistet. Fig. 8 zeigt schematisch das Trennen einer Materialschicht bzw. eines Werkstücks 31 mittels eines Wasserstrahls 30, wobei die Schnittrichtung senkrecht auf der Zeichnungsebene liegt. Die Drehachse 24, um welche der Schneidkopf 10 gedreht wird, verläuft dabei vorzugsweise senkrecht durch die Material- bzw. Werkstückoberfläche 31 c, welche getrennt wird. Beim Schneiden entstehen zwei Wände in der Materialschicht 31 , welche die Schnittkante 31 a des Teils mit der gewünschten Form ("Nutzteil" 32) und die Schnittkante 31 b des als Abfall anfallenden Teils ("Abfallteil" 33) bilden. Der auf die Drehachse 24 bezogene Drehwinkel ß, mit welchem der Schneidkopf 10 gedreht ist, ist dabei so gewählt, dass der Wasserstrahl 30 eine Schnittkante 31 a erzeugt, die senkrecht zur Oberfläche der Materialschicht bzw. des Werkstücks 31 steht. Die zweite Schnittkante 31 b wird dabei in der Regel abgeschrägt sein, was aber keine Rolle spielt, da sie zum nicht weiter verwendeten Abfallteil 33 gehört. Insbesondere beim Schneiden entlang einer geraden oder sich stufenlos ändernden Kontur ist zur Winkelfehlerkorrektur die Ansteuerung lediglich einer einzigen Achse ausreichend. Dies hat u.a. den Vorteil, dass der Schneidkopf 10 präzise ausrichtbar ist, was ein präzises Schneiden ermöglicht. Im Weiteren verbleibt die Austrittsöffnung 10c des Schneidkopfs 10 dabei auf derselben Höhe, wenn dieser um die Drehachse 24 gedreht wird. Somit verbleibt auch der Fokuspunkt bzw. Tool-Center-Point beim Drehen des Schneidkopfs 10 um die Drehachse 24 an der gleichen Position auf der Werkstückoberfläche 31 c. Zur Winkelfehlerkorrektur ist demnach kein Nachführen des Schneidkopfs 10 in vertikaler, d.h. Z-Richtung erforderlich. Auch eine Korrektur in X- und/oder Y-Richtung erübrigt sich, da der Eintrittspunkt des Wasserstrahls 30 an der Werkstückoberfläche 31 c sich beim Drehen des Schneidkopfs 10 um die Drehachse 24 nicht verändert.
In den Figuren 1 und 2 ist weiter eine Messeinrichtung 39 gezeigt, welche zum Erfassen des Abstandes zwischen dem Schneidkopf 10 und der
Werkstückoberfläche 31 c dient, um ein präzises Schneiden zu ermöglichen. Die Messeinrichtung 39 weist eine Stange 40 auf, welche durch die Grundplatte 12 hindurch reicht und welche durch diese geführt in der Z- Achse verschiebbar ist, wie dies durch den Doppelpfeil 41 in den Figuren 1 und 2 angedeutet ist. Die Stange 40 ist an ihrem oberen Ende mit einem Verbindungsteil 42 und an ihrem unteren Ende mit einem Ausleger 43 versehen. An diesem ist endseitig ein Abtaster 44 in Form eines Ringes angebracht, welcher die Drehachse 24 umgibt und durch welchen die Austrittsöffnung 10c des Schneidkopfs 10 hindurchführbar ist. In Fig. 2 stellen die ausgezogenen Linien den Abtaster 44 in der ausgefahrenen Stellung dar, während die gestrichelten Linien den Abtaster 44' in seiner eingefahrenen Stellung zeigen.
Zum Verschieben des Abtasters 44 dient ein auf dem als Grundplatte ausgebildeten Trägers 12 angeordneter Antrieb 45, welcher in Form eines Linearmotors mit einer linear verschiebbaren Stellachse 45a ausgebildet ist. Diese ist endseitig fest mit dem Verbindungsteil 42 verbunden. Der Antrieb
45 ist kraftgesteuert antreibbar, um den Abtaster 44 mit einer bestimmten, vorgebbaren Kraft auf das Werkstück drücken zu können. Anstelle eines elektrisch arbeitenden Antriebs ist es auch denkbar, einen pneumatischen Antrieb zu verwenden, z.B. einen pneumatischen Zylinder. Optional kann eine Führung für den Antrieb 45 vorgesehen werden, um zu verhindern, dass etwaige Kräfte seitlich auf die Stellachse 45a wirken.
Zur genauen Erfassung der Position der Stellachse 45a und somit des Abtasters 44, dient ein auf dem Träger 12 angeordnetes Wegmesssystem
46 mit einer linear verschiebbaren Messachse 46a, die fest mit dem Verbindungsteil 42 verbunden ist. Das Wegmesssystem 46 ist z.B. als magnetisches System üblicher Art ausgebildet, bei welchem die Position eines Magnetsensors entlang eines Magnetbandes erfasst wird. Anstelle eines externen Wegmesssystems 46 ist auch denkbar, einen Antrieb 45 zu verwenden, in welchem ein Wegmesssystem bereits integriert ist.
Zur Erfassung des Abstandes zwischen dem Schneidkopf 10 und der Werkstückoberfläche 31 c wird mittels des Antriebes 45 der Abtaster 44 mit einer vorgegebenen Kraft F verschoben. Der Abtaster 44 kontaktiert schliesslich die Werkstückoberfläche 31 c und wird gegen diese mit der Kraft F gedrückt. Mittels des Wegmesssystems 45 wird die Position der Messachse 46a und daraus der Abstand zwischen Schneidkopf 10 und Werkstückoberfläche 31 c bestimmt.
Zur Eichung der Messeinrichtung 39 können zwei Referenzflächen mit bekannter Lage zueinander vorgesehen sein. Die erste Referenzfläche wird vom Abtaster 44 z.B. nach dem Aufstarten der Steuerung kontaktiert. Aus dem Weg, welchen der Schneidkopf 10 dann braucht, bis er durch Absenken die zweite Referenzfläche berührt, lässt sich die vertikale Relativposition zwischen Abtaster 44 und Schneidkopf 10 bestimmen. Die permanente Abstandsmessung mittels des Abtasters 44 erlaubt eine Regelung der Anpresskraft zwischen Taster und Werkstück 31 , um so den Arbeitsabstand des Werkzeuges aktiv zu beeinflussen. Einem Schwingen und Aufschwimmen des Werkstückes 31 kann auf diese Weise entgegengewirkt werden. Somit wird gewährleistet, dass der Fokuspunkt bzw. Tool-Center-Point, der dem Schnittpunkt von Drehachse 24 und Schneidkopfachse 25 entspricht, exakt in der Werkstückoberfläche 31 c gehalten wird.
Diese Messeinrichtung 39 gewährleistet eine aktive Abtastung, welche unter anderem folgende Vorteile aufweist: Grundsätzlich können mittels der Messeinrichtung 39 etwaige Unebenheiten in der Werkstückoberfläche 31 c genau erfasst werden. Dies erlaubt eine Nachführung des Schneidkopfs 10, indem seine vertikale Lage entsprechend angepasst wird, um so den Abstand zwischen Werkstückoberfläche 31 c und dem Schneidkopf 10 konstant zu halten. Die vertikale Lage eines Werkstückes 31 kann sich aufgrund von
Schwingungen, welchen das Werkstück 31 und/oder eine Werkstückauflage während des Betriebes unterworfen ist, verändern. Durch die bewegungsabhängige Anpresskraft des Abtasters 44 an die Werkstückoberfläche 31 c, wird das Werkstück 31 in seiner Lage stabilisiert und dadurch eine genaue Abstandseinhaltung ermöglicht. Insgesamt ermöglicht die aktive Abtastung der Messeinrichtung 39 eine präzise Abstandsregelung, was schliesslich ein präzises Positionieren des Schneidkopfs 10 und somit ein präzises Schneiden erlaubt. Typischerweise kann der Abstand mit einer Genauigkeit bestimmt werden, die im Bereich von 100 Mikrometer oder sogar 50 Mikrometer liegt.
Bei der in den Fig. 10a und 10b dargestellten Vorrichtung ist eine Aufstellvorrichtung für den Schneidkopf 10 vorgesehen, mittels welcher der Schneidkopf 10 von einer geneigten Stellung um den vorgegebenen Winkel α in eine normal zur Werkstückoberfläche 31 c Stellung überführbar ist. Das Aufstellen des Schneidkopfs 10 ermöglicht z. B. auf einer Maschine, an der beispielsweise zwei 2D-Köpfe und zwei Schwenkköpfe montiert sind, die Schwenkköpfe wie normale 2D-Köpfe zu verwenden. Damit können Werkstücke 31 im Vierkopfbetrieb geschnitten werden, da ein gleichzeitiger Betrieb von 2D-Köpfen und Schwenkköpfen aufgrund deren abweichenden Geschwindigkeitsprofilen der Schneidpläne normalerweise nicht möglich ist.
Des Weiteren ist das Aufstellen des Schneidkopfs 10 zum Schneiden von kritischen Konturabschnitten, wie z.B. spitzen Ecken oder von kleinen Radien, vorteilhaft. Der Schneidkopf 10 wird hierfür vor dem betreffenden Abschnitt aufgestellt und wie ein herkömmlicher 2D-Kopf benutzt. Die Aufstellvorrichtung 51 umfasst eine Aufstelleinrichtung, mit welcher der Schneidkopf 10 relativ zur Halterung 11 um den Winkelbetrag des Winkels α verschwenkbar ist.
Die Aufstelleinrichtung umfasst eine Führung 52 und ein Pneumatikzylinder als Betätigungselement 56. Die Führung 52 ist in der Halterung 11 vorgesehen, von deren Zentrum in Richtung des radial äusseren Randes verlaufend und jeweils endseitig begrenzt. Der Schwenkkopf 10 ist mittels des Betätigungselementes 56 von einer geneigten Stellung in eine parallel zur Drehachse 24 ausgerichteten Stellung überführbar. Wenn der Schneidkopf sich in der geneigten Stellung gemäss Fig. 10a befindet, steht dieser in dieser Stellung vorteilhaft an dem der Drehachse 24 abgewandten Ende 53 der Führung 52 an. In der aufgestellten Stellung, welche in Fig. 10b dargestellt ist, ist die Schneidkopfachse 25 parallel zur Drehachse 24 ausgerichtet. Die Schneidkopfachse 25 weist somit zu der Drehachse 24 eine Ausrichtung von 0 Grad auf und steht somit senkrecht zur Werkstückoberfläche 31 c. Auch das der Drehachse 24 benachbarte Ende 54 der Führung 52 bildet vorteilhaft einen Anschlag für den Schneidkopf 10 aus. Anstelle eines Pneumatikzylinders können auch hydraulische oder elektrische Vorrichtungen als Betätigungselement 56 vorgesehen werden, welche für den Zweck des Aufstellens des Schneidkopfs 10 geeignet sind.
Bei der in der Fig. 11 dargestellten Variante umfasst die Aufstellvorrichtung 61 eine Kippachse 62, welche durch den Fokuspunkt verläuft bzw. diesen überlagert. Der Träger 12' ist zweiteilig ausgebildet und umfasst ein Fixteil 12a sowie ein relativ zum Fixteil 12a um den Winkelbetrag des Winkels α kippbares Schwenkteil 12b. Das Schwenkteil 12b ist entsprechend an dem Fixteil 12a gelagert, damit beim Verkippen der Fokuspunkt 27 nicht verschoben wird. Die Kippachse 62 verläuft senkrecht zur Drehachse 24. In der aufgestellten Stellung des Schneidkopfs 10, wie sie in der Fig. 11 dargestellt ist, ist die Schneidkopfachse 25 senkrecht zur Werkstückoberfläche 31 c und die Drehachse 24 in Bezug auf die Schneidkopfachse 25 um den Winkel α geneigt ausgerichtet. Um diese Ausrichtung des Schneidkopfs 10 zu erreichen, wird der noch geneigte Schneidkopf 10 zuvor um die Drehachse 24 auf eine definierte Position gestellt. Beim Kippen des Schwenkteils 12b werden gleichzeitig auch die auf diesem Schwenkteil 12b angeordneten Elemente, wie die Halterung 11 , das Winkelstück 17, das Drehgelenk 19 sowie die mit diesen verbundenen Leitungen, geneigt. Beide Varianten der Aufstellvorrichtung 51 und 61 können manuell oder CNC-gesteuert sein. Vorteilhaft ist, dass der Winkel zur Drehachse 24 bei beiden Ausführungsvarianten des aufstellbaren Schneidkopfs 10 nicht stufenlos einstellbar ist, sondern nur zwei Positionen des Schneidkopfs 10 einstellbar sind, einerseits 0 Grad zur Drehachse 24 und andererseits der vorgegebene Winkel α zur Drehachse 24, welcher dem maximalen Anstellwinkelwinkel des Schneidkopfs 10 entspricht. Die Winkelkorrektur am Werkstück 31 wird weiterhin über die relative Ausrichtung des Schneidkopfs 10 bzw. der Halterung 11 in Bezug auf die Schneidrichtung eingestellt. Die Einstellung der 0 Grad-Position entspricht einer Abschaltung der Winkelfehlerkompensationsfunktion.
Bei der in Fig. 12 gezeigten Variante ist in der Öffnung 15 der Halterung 11 ein Lager 66 vorgesehen, in welchem der Schneidkopf 10 drehbar um seine Schneidkopfachse 25 in der Halterung 11 aufgenommen ist. Diese zusätzliche Lagerung bringt zwar eine Verringerung der Systemgenauigkeit mit sich, lässt aber andererseits den Entfall eines als Hochdruckdrehlager ausgebildeten Drehgelenks 19 und eines Zwischengelenks 1 zu, da der Schneidkopf 10 und die mit ihm verbundene Hochdruckleitung 18' von der Drehbewegung um die Drehachse 24 entkoppelt werden. Durch eine Drehung der Halterung 11 um die Drehachse 24 entsteht eine
Taumelbewegung des Schneidkopfes 10 um die Drehachse 24. Die Hochdruckleitung 18' weist zumindest bereichsweise eine Flexibilität auf, durch die ein Ausgleich über einen Winkelbereich von -α bis +α möglich ist. Die verdrehfreie Bewegung des einlassseitigen Endes 10a des Schneidkopfs 10 kann durch die Flexibilität einer Rohrspirale oder langen Rohrrute aufgenommen werden.
Die Funktionsweise in Bezug auf die Winkelkorrektur ist bei dieser Variante identisch mit der Funktionsweise der vorgenannten erfindungsgemässen Lösungen. Aus der vorangehenden Beschreibung sind dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen zugänglich, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert ist.
Das Vorsehen einer drehbaren Halterung 11 , an welcher ein Schneidkopf 10 gehalten ist, sowie das Vorsehen eines Antriebes 45 zum Andrücken eines Abtasters 44 an die Werkstückoberfläche 31 c sind zwei verschiedene Massnahmen, die auch unabhängig voneinander angewendet werden können, um einen präziseren Schnitt beim Wasserstrahlschneiden zu ermöglichen. Beispielsweise kann die hier dargestellte Schneidvorrichtung mit einer üblichen Messeinrichtung 39 versehen sein, oder die hier dargestellte Messeinrichtung mit aktiver Abtastung kann bei einer üblichen Schneidvorrichtung angewendet werden.
Anstelle einer Messeinrichtung 39 mit einer mechanischen Abtastung kann z. B. auch eine Messeinrichtung mit einer Ultraschall-, Laser- oder kapazitiven Abtastung verwendet werden. Eine weitere Variante wäre ein Verfahren, bei dem die Lage des Werkstückes 31 im Raum definiert wird und das durch geeignete Kalibriervorgänge den Abstand von Schneidkopf 10 zu Werkstück 31 sicherstellt. So könnte auf den Einsatz einer Messeinrichtung mit einer Abtastung verzichtet werden. Die Schneidvorrichtung ist an alle Arten des Wasserstrahlschneidens anpassbar. Insbesondere für das Schneiden mittels Reinwasserstrahl oder Wasserabrasivinjektorstrahl ist die Vorrichtung besonders geeignet.
Die Halterung 11 braucht nicht unbedingt so ausgebildet zu sein, dass sie um einen Vollwinkel von 360 Grad oder mehr drehbar ist. Je nach Anwendungszweck kann auch eine Drehung um einen kleineren Winkelbereich, z.B. 90 Grad oder 180 Grad um die Drehachse 24 ausreichend sein.
Der Schneidkopf 10 kann auch so an der Halterung 11 gehalten sein, dass der Neigungswinkel α einstellbar ist. Dies kann z.B. mittels eines linear wirkenden Antriebs erfolgen, der auf den Schneidkopf 10 wirkt. Bezugszeichenliste
1 Zwischengelenk 30,a-c Wasserstrahl
1 a Einlass 31 Werkstück
1 b Auslass 31 a Schnittkante
2 Zuführleitung 31 b zweite Schnittkante
3 Ring 31 c Werkstückoberfläche
4 Verbindungsleitung 32 Nutzteil
5 Deckelelement 33 Abfallteil
6 Trichterelement
7 Spalt 39 Messeinrichtung
8 Stütze 40 Stange
9 Seitenplatte 41 Doppelpfeil
10 Schneidkopf 42 Verbindungsteil
11 Halterung 43 Ausleger
12 Träger 44 Abtaster
12a Fixteil v. 12' 45 Antrieb
12b Schwenkteil v. 12' 45a Stellachse v. 45
13 Antrieb 46 Wegmesssystem
14 Zahnriemen 46a Messachse v. 46
15 Öffnung in 11
51 Aufstellvorrichtung
17 Winkelstück 52 Langloch-Führungsbohrung
18 Rohr 53 Ende v. 52
19 Drehgelenk 54 anderes Ende v. 52
20 Anschlussrohr
56 Betätigungselement
24 Drehachse
25 Schneidkopfachse 61 Aufstellvorrichtung
26a-c Innenkanäle v. 19/20, 17, 10 62 Kippachse
27 Schnittpunkt
66 Lager in 15