Die Erfindung betrifft eine numerisch gesteuerte Werkzeughaltevorrichtung zur Strahlbearbeitung.

Sie ist eine speziell auf die Belange der Strahlbearbeitung dicker, plattenförmiger Bauteile zugeschnittene Vorrichtung und dabei als Komponente einer portalartigen, roboterähnlichen Maschine zu verstehen. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, das strahierzeugende Werkzeug in seiner Orientierung relativ zum Bauteil zu ändern und die in diesem Blechdickenbereich üblichen Fasenformen - typisch sind sehr flache Fasen mit großer Länge - ohne die Gefahr von Kollisionen und mit besonders großer Genauigkeit herzustellen. Die Vorrichtung ist dafür konzipiert, den bei der Strahlbearbeitung dicker, plattenförmiger Teile vorherrschenden Umweltbelastungen, nämlich großer Hitze und starker Staubentwicklung, zu widerstehen.

Vorrichtungen zum Verschwenken eines Werkzeuges an einem Industrieroboter oder einer roboterähniichen Maschine werden Roboterhandgelenk genannt. An fünfachsigen Fräsmaschinen sind ähnliche Einrichtungen im Einsatz und sie werden dort als Schwenkkopf bezeichnet.

Normalerweise besteht ein Roboterhandgelenk aus drei Bewegungsachsen. Beim Schneiden sind - auf Grund der Rotationssymmetrie des Werkzeuges - wie auch beim Fräsen- zwei Bewegungsachsen ausreichend.

Roboterhandgelenke sind seit vielen Jahren und in unterschiedlichster kinematischer und konstruktiver Gestaltung bekannt (Hesse, St.: Industrieroboterpraxis. Vieweg- Verlag Braunschweig, Wiesbaden, 1998), {Rosheim, M. E.: Robot Wrist Actuator. John Wiley & Sons, New York, 1989). In aller Regel sind diese Handgelenke nicht für eine spezielle technologische Aufgabe konzipiert, sondern sie sind universeile Einrichtungen, die sich auf verschiedene Applikationen adaptieren lassen, damit allerdings die speziellen Anforderungen eines technologischen Verfahrens im Gegenzug unter Umständen nur unvollständig erfüllen.

Ein Handgelenk zum Schneiden ist in DE 10 2005 041 462 beschrieben. Mit Hilfe einer größeren Zahl von Getriebegliedern wird eine Kreisschwenkung des Abtriebsgiiedes, also z.B. des Schneidbrenners, bei gleichzeitig vergleichsweise hoher Steifigkeit erreicht. Im Kreismittelpunkt der Kreisschwenkung ist der TCP (Tool Center Point = Werkzeugmittelpunkt = Brennerspitze) des Brenners angeordnet. Gleichzeitig verläuft durch diesen Punkt die senkrechte Achse einer zweiten Bewegungseinheit und der Brenner kann so uneingeschränkt um diesen Punkt rotieren. Eine Vielzahl von Maschinenelementen befindet sich in nächster Nähe der Brennerspitze und in nur geringer Entfernung vom zu schneidenden Bauteil. Um deren thermische Belastung zu begrenzen kann das Handgelenk nur für Piasma- und Autogenbrenner kleinerer Leistung und demzufolge nur für kleinere Schnittdicken verwendet werden. Der Kollisionsraum des Handgelenks in Brennernähe ist - besonders auf Grund eines dort als Tragekoppel bezeichneten Bauteils - groß, weswegen das Schneiden flacher Fasen mit Fasenwinkeln deutlich über 45 Grad nicht möglich ist.

Eine vergleichbare Lösung - basierend auf einem Parallelkurbelgetriebe - beschreibt DE 9416957 zur Anwendung ais Instrumentenführungs- und Haitevorrichtung in der Medizintechnik. Der Mittelpunkt der Kreisschwenkung wird in dieser Lösung als invarianter Punkt bezeichnet.

In US 5286006 wird eine Fasenschneideinrichtung mit zwei Brennern beschrieben, bei dem zumindest ein Brenner mit einem Gelenkmechanismus um eine Achse entlang der Bahntangente verschwenkbar und darüber hinaus in Normalenrichtung verschiebbar ist, um „dachförmige" Schnittflanken herzustellen. Die Gestaltung des Schwenkmechanismus bedingt, ähnlich wie bei den schon beschriebenen technischen Lösungen, einen großen Kollisionsraum und eine Vielzahl von Maschinenelementen in großer Nähe zum TCP.

In JP 02229670 ist ein Verfahren zum Fasenschneiden und eine dazugehörige Vorrichtung beschrieben. Der Brenner wird zum Schwenken auf einer Bogenführung bewegt. Diese vergrößert den Kollisionsraum erheblich und lässt es prinzipiell nicht zu, dass der Brenner einen Bewegungsbereich von mehr als etwa 150 Grad besitzen kann. Die Sensierung der Bauteiliage geschieht an der vorher geschnittenen, geraden Flanke mit einem waagerecht wirkenden Abstandssensor. TCP und Sensor sind in Schneidrichtung nacheinander angeordnet. Damit ist diese Lösung für das Herstellen von Fasenschnitten an geraden Bauteilkanten gut, für die Herstellung von Konturschnitten jedoch ungeeignet. Eine weitere ähnliche technische Lösung beschreibt US 6201207. Eine Anordnung von zwei numerisch gesteuerten Achsen ist hier so vorgenommen, dass durch Nacheinanderanordnung zweier ebener Parallelkurbelgetriebe die Brennerschwenkung um einen festen, an der Brennerspitze liegenden Punkt geschieht. Eine schonende Behandlung der zum Brenner führenden Kabel und Schläuche wird hier möglich. Jedoch erfordert diese Lösung eine extrem große Zahl von Gelenken und Getriebegliedern, was den Fertigungsaufwand und die -kosten ebenso wie die negativen Wirkungen von Getriebespiel und Fertigungstoleranz steigert. AiIe Glieder und Gelenke müssen naturgemäß in großer räumlicher Nähe zum Brenner angeordnet werden und sie sind hohen thermischen Belastungen einerseits, Staub und Spritzern andererseits ausgesetzt. Letztendlich erhöht die große Nähe der Mechanismen zum zu schneidenden Bauteil auch die Kollisionsgefahr. Um Gelenkarm-Industrieroboter auch bei schwierigen Umweltbedingungen (Staub, Hitze, Feuchtigkeit) einsetzen zu können wurden Standardroboter zu Spezialausführungen weiterentwickelt (KUKA-Roboter für die Gießerei- und Schmiede-Industrie. Firmenschrift KUKA Roboter GmbH, Hery-Park 3000, 86368 Gersthofen, 2005), indem die distalen Komponenten, d.h. wesentlich das Roboterhandgelenk, modifiziert sind. Dies betrifft staub- und druckwasserfeste Dichtungen, verstärkte Gehäuse und hitzebeständige und Wärmestrahlung reflektierende Beschichtungen. Die Adaption eines Schneidbrenners an derartige Roboter und deren Einsatz zum Starkbrennschneiden ist möglich und wird zum Teil auch praktiziert. Zum Schutz des Handgelenkes und zum Schneiden auch flacher Fasen muss der Abstand von Brennerspitze zum Handgelenk vergleichsweise groß genommen werden. Das verringert den Roboterarbeitsraum dramatisch, weswegen auch Roboter mit großem Arbeitsraum nur für sehr kleine Bauteiiabmessungen geeignet sind. Durch den vergleichsweise hohen Abstand des TCP vom Schnittpunkt der Drehachsen des Handgelenkes wird die Positioniergenauigkeit des Roboters verringert, es machen sich Toleranzen bei der Referenzierung des Roboters in der Position des TCP bemerkbar, die unter Umständen unvertretbar hoch werden können.

In DE 69210201 ist eine Lösung für das Kühlen eines Werkzeuges, bei gleichzeitigem Absaugen des zerspanten Materials, beschrieben. Die Kühlung ist zweigeteilt Eine geschlossene Gehäuseinnenseite ist mit einem Ölein- und Ölauslass versehen, um in einem geschlossenen Kühlkreislauf die Antriebsorgane, in diesem Falle schnell laufende Spindeln, zu kühlen. Gelochte Trennwände bilden ein Labyrinth und sie sollen dadurch die Kühlung gleichmäßig gestalten. Ein zweiter Kühlkreislauf ist für eine Luftkühlung der von den Spindeln angetriebenen Werkzeuge vorgesehen, indem ein Verteilerkreis im Gehäuse die über einen Anschluss zugeführte Luft gleichmäßig auf die Werkzeuge außerhalb des Gehäuses verteilt. Eine Entspannung der Medien innerhalb des Gehäuses findet nicht statt; die Kühlung erfolgt nur durch die Wärmekapazität des Öls einerseits und der Luft andererseits.

Gemäß dem beispielhaft zitierten Stand der Technik sind keine für das Strahlschneiden, insbesondere das Brennschneiden von Platten großer Dicke, mit portalartigen, roboterähnlichen Maschinen, unter den entsprechenden Randbedingungen bezüglich Staub und Hitze, geeigneten Lösungen nachweisbar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Werkzeughaltevorrichtung zu schaffen, die auf die Belange der Strahlbearbeitung sehr dicker Bauteile zugeschnitten ist, wobei die Werkzeughaltevorrichtung so ausgebildet und dimensioniert sein soll, dass sie die beim Brennschneiden von unüblich dicken Bauteilen (>100mm) auftretende Hitzeentwicklung- als Folge des Schneidens einerseits und als Folge des Bauteilvorwärmens andererseits- ertragen kann und es soll die Werkzeughaltevorrichtung des weiteren in der Lage sein, an plattenförmigen Bauteilen extrem große Fasenwinkel (>60 Grad) kollisionsfrei herzusteilen, dabei sollen das in die Werkzeughaltevorrichtung eingebaute strahlerzeugende Werkzeug als auch die Werkzeughaltevorrichtung selbst umfassend und komplett vor der Beschädigung bei Kollisionen geschützt sein.

Durch geeignete technische Lösungen soll gewährleistet sein, dass das im Antriebsstrang der Werkzeughaltevorrichtung auftretende Getriebespiel keine Auswirkungen auf die Positioniergenauigkeit am TCP des Werkzeuges hat. Eine Referenzierung, d.h. das Finden des Bewegungsbereich-Nulipunktes der Werkzeughaltevorrichtung nach dem Einschalten der Maschine soll so vonstatten gehen, dass auch bei einer sehr großen Wirklänge des Werkzeuges (Abstand zwischen Schwenkachse und Unterkante der Schnittfuge) eine hohe Positioniergenauigkeit an der Unterkante der Schnittfuge erreichbar ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 9.

Folgende ergänzende Hinweise zur erfinderischen Lehre sind erforderlich.

Die erfindungsgemäße Werkzeughaltevorrichtung befindet sich an einer Maschine zur Strahlbearbeitung mit portalartigem, roboterähnlichem Charakter, auf welcher plattenförrnige Bauteile großer Dicke zu bearbeiten sind. Dabei befindet sich ein Autogenbrenner als strahierzeugendes Werkzeug in der Regel sehr dicht am Bauteil. Es muss dabei Sorge getragen werden, dass die Beweglichkeit des Autogen brenners die strahlsch neidtechnologischen Forderungen bei gleichzeitig höchster Positioniergenauigkeit erfüllt und gegebenenfalls entstehende Kollisionen von ihm mit dem zu bearbeitenden Bauteil oder peripheren Einrichtungen ohne gravierende Folgen für die Werkzeughaltevorrichtung sind.

Eine derartige Werkzeughaltevorrichtung ist wie folgt aufgebaut: Eine Dreheinrichtung trägt über ein gekröpftes Verbindungsglied eine Schwenkeinrichtung, die wiederum seitlich und in ihrer gedachten Schwenkachse mittels eines das Werkzeug tragenden Elementes einen um mehr als 180° schwenkbaren Brenner, das strahlerzeugende Werkzeug, aufnimmt. Dabei weist die genannte Schwenkachse zu einer waagerechten Ebene einen Winkel von höchsten 30° auf.

Die Schwenkeinrichtung ist ihrerseits um 360° um eine Achse, die an der Unterseite der Dreheinrichtung austritt, drehbar ausgebildet. Die Dreheinrichtung wiederum ist am distalen Ende einer Führungsmaschine, z.B. eines Portalroboters, angeordnet. Die Schwenkeinrichtung beinhaltet ein komplettes Antriebs- und Messsystem, ein Untersetzungsgetriebe (Schwenkgetriebe) sowie auf dessen An- und Abtriebswelle Schaltfahnen, die in Wirkverbindung zu Schaltmitteln zur Referenzierung, d.h. dem Finden der Nullstellung der Werkzeughaltevorrichtung stehen, wobei das Messsystem inkremental arbeitet und über das Schwenkgetriebe die Stellung des das ein strahlerzeugendes Werkzeug tragenden Elementes steuert. Zur Kompensation von Gelenkspiel im Antriebsstrang zwischen Schwenkmotor und dem strahlerzeugenden Werkzeug befindet sich auf der Schweπkachse innerhalb des Gehäuses der Schwenkeinrichtung kurz vor deren Ausgang in Richtung des

Werkzeug tragenden Elementes eine mechanische Einrichtung, die ein konstantes

Drehmoment erzeugt. Letzteres ist größer als jenes, das durch technologische Kräfte und Massenkräfte des strahlerzeugenden Werkzeuges hervorgerufen wird.

Das das strahlerzeugende Werkzeug tragende Element ist als

Koliisionsschutzeinrichtung ausgebildet, indem durch Federn oder

Permanentmagneten verschlossene Passverbindungen bei äußeren Kräften, die die

Haltekraft überschreiten, öffnen und ein elektrisches Schaltelement auslösen, das die

Maschine stillsetzt.

Ein weiterer Schutzmechanismus ist dadurch gegeben, dass die Schwenkeinrichtung durch eine korbförmige Schutzeinrichtung umfasst ist, die einen definierten Abstand zur Oberfläche des allseitig geschlossenen Gehäuses der Schwenkeiπrichtung besitzt. Bei Berührung dieses „Korbes" verschieben sich eine oder mehrere

Verschlussfahnen, die Schaltzapfen niederhalten, so dass per Energieunterbrechung ein Not-Aus erreicht wird.

Das strahlerzeugende Werkzeug kann selbst - neben einer bevorzugt geraden

Ausführung - auch eine gekröpfte Ausbildung aufweisen.

Das Gehäuse der Schwenkeinrichtung besteht insbesondere aus metallischem

Material, welches die starke Hitze am Arbeitsort reflektiert und Spritzer, z.B. beim

Brennschneiden, abweist. Die Schwenkeinrichtung wird in geeigneter Weise durch ein Gas , insbesondere Luft, gekühlt.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Figur 1 : Eine perspektivische Gesamtansicht der Werkzeughaltevorrichtung, Figur 2: Eine Schnittdarstellung des Gehäuses der Werkzeughaltevorrichtung, Figur 3: Eine Ansicht der Werkzeug haltevorrichtung beim Schneiden einer flachen Fase mit einem gekröpften Brenner Einzelheit „X": Ein Detail der korbförmigen Schutzeinrichtung. Die Werkzeughaltevorrichtung ist für die Strahlbearbeitung - z.B. das Brennschneiden - sehr dickwandiger, plattenförmiger Bauteile vorgesehen. Neben Konturschnitten sind hier besonders Fasenschnitte, mit oft extrem großem Fasenwinkel, hersteilbar.

Eine Dreheinrichtung 1 , lotrecht angeordnet und in proximaler Richtung mit einer kartesisch wirkenden Führungsmaschine, z.B. einem Portalroboter verbunden, ist über ein gekröpftes Verbindungsglied 5 an einer Schwenkeinrichtung 2 angebracht, deren Schwenkachse 4 in einer waagerechten Ebene liegt oder mit dieser einen nur kleinen Winkel einschließt. Zumindest annähernd fluchtend zur Achse der Dreheinrichtung 1 ist auf der Schwenkachse 4 der Schwenkeinrichtung 2 mit einem Brennerhalter 21 ein strahierzeugendes Werkzeug 3 befestigt. Die Achse 19 des strahlerzeugenden Werkzeugs 3 liegt in Grundstellung parallel zur Achse der Dreheinrichtung 1. In einem Gehäuse 8 sind alle zum numerischen Betrieb der Dreheinrichtung 1 erforderlichen mechanischen und messtechnischen Komponenten eingebaut, wobei ein Schwenkmotor 15 mit einem inkremental wirkenden Messsystem 14 auf ein Schwenkgetriebe 16 wirkt, was seinerseits mit dem Brennerhalter 21 und gleichfalls mit einer mechanischen, ein Drehmoment erzeugenden mechanischen Einrichtung 7 fest verbunden ist. Sie kann als pneumatischer Drehflügeimotor ausgebildet sein oder im Sinne einer Torsions- bzw. Spiralfeder wirken. Die mechanische Einrichtung 7 erzeugt zwischen dem Gestell der Schwenkeinrichtung 2 und der Abtriebswelle des Schwenkgetriebes 16 ein annähernd konstantes, in eine Richtung wirkendes Drehmoment, das in jedem Fall größer ist als jenes, das das strahlerzeugende Werkzeug 3 und eventuell aus seinem Betrieb entstehende technologische Kräfte über den Brennerhalter 21 auf die Abtriebswelle des Schwenkgetriebes 16 leitet.

Zur Steigerung einer Genauigkeit der Referenzierung der Schwenkeinrichtung 2 beim In-Betrieb-Nehmen sind je eine Schaltfahne 17 auf der An- und der Abtriebswelle des Schwenkgetriebes 16 angeordnet, die auf je ein Schaltmittei 18, z.B. einen mechanisch wirkenden Taster oder einen Näherungsinitiator, wirken. Beide Schaltmittel 18 funktionieren als Öffner, d.h. bei Betätigung durch die Schaltfahnen 17 wird ein Stromfluss unterbrochen, wobei sie zum Finden der Referenzposition der Schwenkeinrichtung 2 parallel geschalten sind. Zum Schutz vor den bei einer Strahlbearbeitung, z.B. beim Brennschneiden, naturgemäß entstehenden großen Staubmengen und Schlackespritzern ist das Gehäuse 8 komplett geschlossen und an den Seitenflächen und der Unterseite aus einem Wärmestrahlung reflektierenden und mit Schlackespritzern keine Verbindung eingehenden Werkstoff hergestellt. An der Oberseite des Gehäuses 8 befindet sich ein Zuflussrohr 13 für ein gasförmiges Kühlmittel, bevorzugt Luft, das mit großem Druck eingeblasen, durch Kanäle im Gehäuse 8 geleitet wird, sich entspannt, an der Oberseite des Gehäuses 8 drucklos austritt und durch seine Wärmekapazität einerseits und durch die Wirkung der Entspannungskälte andererseits für eine Kühlung des Gehäuses 8 und aller im Gehäuse 8 befindlichen Komponenten sorgt. Das Gehäuse 8 selbst ist so ausgeformt, dass die vom TCP 6 beim Schwenken um die Schwenkachse 4 generierte Mantelfläche dieses komplett umschließt. Der vorwiegend waagerechte Teil des gekröpften Verbindungsgliedes 5a wiederum hat einen minimalen Abstand von der Schwenkachse 4, der größer ist als der Abstand des TCP 6 von der Schwenkachse 4.

Zum Schutz der Schwenkvorrichtung 2 vor Koliisionen ist einerseits der Brennerhalter 21 als Kollisionsschutz ausgebildet dergestalt, dass sich bei einer Kollision des strahierzeugenden Werkzeuges 3 eine permanentmagnetische oder eine federvorgespannte Passverbindung öffnet und ein Schaltglied betätigt wird und andererseits das Gehäuse 8 an allen seinen Außenseiten, mit Ausnahme der Deckfläche und jener Stirnfläche, an der sich der Brennerhalter 21 befindet, von einer korbförmigen Schutzeinrichtung 9 umschlossen ist. Zum Gehäuse 8 hat die korbförmige Schutzeinrichtung 9 einen lichten Abstand, der größer ist als der Bremsweg bei einer Gefahrenbremsung der Maschine. Die korbförmige Schutzeinrichtung 9 ist mit zumindest einem Permanentmagnet 10 an der Oberseite des Gehäuses 8 befestigt. Dort sind zwei, an den gegenüberliegenden Gehäuseseiten befindliche Schaltzapfen 12 angeordnet, die - federvorgespannt - aus dem Gehäuse 8 heraus ragen und die ihrerseits elektrische Schaltelemente betätigen. Vermittels zweier an der korbförmigen Schutzeinrichtung 9 befindlichen, spitz zulaufenden Verschlussfahnen 11 werden die Schaltzapfen 12 in das Gehäuse 8 gedrückt und die elektrischen Schaltelemente geschlossen. Im Kollisionsfall wird die permanentmagnetisch gehaltene, korbförmige Schutzeinrichtung 9 auf dem Gehäuse 8 verschoben, unter Umständen gar abgerissen und die spitz zulaufende Verschlussfahne 11 verliert die Verbindung zu dem Schaltzapfen 12, der sich dadurch nach außen schiebt und somit das elektrische Schaltelement nicht länger geschlossen halten kann, so dass die Maschine durch ein Not-Aus-Signal stillgesetzt wird.

Bezugszeichenlϊste - Dreheinrichtung - Schwenkeinrichtung - Strahierzeugendes Werkzeug - Schwenkachse - Gekröpftes Verbindungsglied a- vorwiegend waagerechter Teil des gekröpften Verbindungsgliedes b- vorwiegend senkrechter Teil des gekröpften Verbindungsgliedes- Tool Center Point (TCP) - Mechanische Einrichtung zur Erzeugung eines Drehmomentes- Gehäuse - Korbförmige Schutzeinrichtung 0- Permanentmagnet 1- Spitz zulaufende Verschlussfahne 2- Schaltzapfen 3- Zuflussrohr 4- Inkrementai wirkendes Messsystem 5- Schwenkmotor 6- Schwenkgetriebe 7- Schaltfahne 8- Schaltmittel 9- Brennerachse 0- Achse der Dreheinrichtung 1- Brennerhaiter 2- Werkstück