Microjoints und Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer minimalen Breite eines Microjoints, durch den beim Bearbeiten eines insbesondere plattenförmigen Werkstücks ein Werkstückteil mit einem Restwerkstück des Werkstücks verbunden bleibt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bestimmen einer Ansatzposition eines solchen Microjoints sowie ein Verfahren zum Bearbeiten eines insbesondere plattenförmigen Werkstücks, das Verfahren umfassend: Bearbeiten des Werkstücks unter Ausbildung mindestens eines Microjoints, durch den ein Werkstückteil mit einem Restwerkstück verbunden bleibt. Microjoints sind Haltestege zwischen Werkstückteilen und einem Restwerkstück, das nachfolgend gelegentlich auch als Restgitter bezeichnet wird. Microjoints werden z.B. beim Laserschneiden oder beim Stanzen von insbesondere plattenförmigen Werkstücken hauptsächlich gesetzt, um ansonsten freigetrennte Werkstückteile verkippungsfrei im Restgitterzu halten und auf diese Weise z.B. Kollisionen zwischen dem Bearbeitungskopf bei der Werkstückbearbeitung und dem Werkstückteil zu verhindern. Microjoints vereinfachen außerdem das automatische Entladen der Werkstückteile gemeinsam mit dem Restgitter. Die Haltestege bzw. die Microjoints werden erzeugt, indem man die Außenkontur des Werkstückteils nicht ganz zu Ende schneidet bzw. stanzt. Kleine Haltestege mit einer Breite von einigen Zehnteln Millimeter bis zu einem Millimeter (sogenannte Microjoints) werden vom Programmierer des Steuerungsprogramms für die Bearbeitungsmaschine, beispielsweise eine Laserschneidanlage, entweder manuell oder durch ein in der Programmiersoftware enthaltenes Regelwerk gesetzt. Die Größe und die Ansatzposition des Microjoints entlang der Außenkontur des Werkstückteils muss dabei üblicherweise vom Programmierer festgelegt werden. Dabei sind meistens alle an einem plattenförmigen Werkstück gesetzten Microjoints gleich breit, unabhängig von den Prozessbedingungen, Werkstückteileigenschaften (Gewicht, Geometrie), Werkstoff, usw.

Dies hat zur Folge, dass Microjoints an kleinen Werkstückteilen tendenziell zu breit sind und die kleinen Werkstückteile somit nur sehr schwer aus dem Restgitter entnommen werden können. Zusätzlich ist die für das Entfernen der zu breiten Microjoints notwendige Nacharbeit aufwändig. Generell gilt: Je breiter der Microjoint, desto größer die Nacharbeit, um Ansatzmarken an der Schneid- bzw. Stanzkante zu entfernen. An großen Werkstückteilen kann dagegen der vom Programmierer gesetzte Microjoint nicht breit genug sein, so dass das Werkstückteil nicht sicher im Restgitter gehalten wird und eine Kollision zwischen dem verkippten Werkstückteil und dem Bearbeitungskopf die Folge sein kann.

Aus JPH0663659A ist es bekannt, die optimale Breite eines Microjoints in Abhängigkeit von der Werkstückdicke, der Länge und der physikalischen Eigenschaften des Werkstückmaterials sowie der Fläche des freigetrennten Werkstückteils zu berechnen. Aus JPH0439706A ist es bekannt, eine optimale Microjoint-Breite, die vom Material und der Dicke des Werkstücks abhängig ist, automatisiert aus einer Parameter-Datenbank auszulesen.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren zum Bestimmen einer minimalen Breite eines Microjoints, einer Ansatzposition eines Microjoints sowie ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks anzugeben, bei denen der Microjoint eine optimale Breite aufweist.

Gegenstand der Erfindung

Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die minimale Breite des Microjoints in Abhängigkeit von mindestens einem Bearbeitungsparameter festgelegt wird, der während des Bearbeitens des Werkstücks eine relative Lage des Werkstückteils zu dem Restwerkstück beeinflusst.

Die Erfinder haben erkannt, dass für die Bestimmung einer optimierten Microjoint- Breite nicht - wie in JPH0663659A - nur Parameter des Werkstückteils bzw. Werkstückteilinformationen berücksichtigt werden müssen, sondern auch Bearbeitungsparameter eines Prozesses bzw. eines Bearbeitungsverfahrens, in dem das Werkstückteil gebildet (typischerweise geschnitten oder gestanzt) oder manipuliert (z.B. verschoben) wird. Der mindestens eine Bearbeitungsparameter beeinflusst typischerweise beim Bearbeiten des Werkstücks eine Relativposition bzw. eine relative Lage des Werkstückteils zu dem Restwerkstück. Wird die minimal zulässige Breite des Microjoints unterschritten, ist keine prozesssichere Bearbeitung des Werkstücks mehr möglich, da das mit dem Restwerkstück über den Microjoint verbundene Werkstückteil mit Bauteilen einer Bearbeitungsmaschine, beispielsweise mit einer Bearbeitungsdüse, kollidieren kann oder ggf. mit dem Restwerkstück verhakt.

Bei dem Bearbeitungsparameter kann es sich beispielsweise um den auf das Werkstückteil einwirkenden Schneidgasdruck beim Laserschneiden, um die Beschleunigung und/oder Haftreibung beim Verschieben des Werkstückteils gemeinsam mit dem Restwerkstück entlang einer Werkstückauflage, um Vibrationen bei einer kombinierten Stanz-Laser-Bearbeitung des Werkstücks, etc. handeln.

Die minimale Breite des Microjoints wird vor dem Bearbeiten des Werkstücks bestimmt. Der mindestens eine Bearbeitungsparameter, welcher die relative Lage beeinflusst, ist z.B. in einem Programmiersystem für die Erstellung der Steuerungsprogramme zum Bearbeiten von Werkstückteilen hinterlegt und daher im Voraus bekannt, so dass die minimale Breite des Microjoints vor dem Bearbeiten des Werkstücks bestimmt werden kann.

Neben dem mindestens einen Bearbeitungsparameter wird die Breite des Microjoints auch in Abhängigkeit von Werkstückinformationen festgelegt. Bei den Werkstückinformationen kann es sich um das Werkstückmaterial, um physikalische Werkstückeigenschaften (z.B. E-Modul und Streckgrenze des Werkstoffs), um die Belegung (Schachtelung) des plattenförmigen Werkstücks mit beim trennenden Bearbeiten zu bildenden Werkstückteilen, um Werkstückteileinformationen, etc. handeln. Beispiele für Werkstückteileinformationen sind: Geometrie des Werkstückteils, Gewicht des Werkstückteils, Lage des Werkstückteils auf dem Werkstück sowie relativ zu den Auflagestegen der Werkstückauflage (Liegepolygon), einwirkende Gewichtskraft, etc.

Es ist möglich, anhand dieser Werkstückinformationen im Programmiersystem für die Erstellung der Steuerungsprogramme zum Schneiden der Werkstückteile die Breite eines Microjoints in Abhängigkeit von der Entfernung des Microjoints vom Schwerpunkt des Werkstückteils so zu berechnen, dass der Microjoint verhindert, dass das Werkstückteil durch die Gewichtskraft gegenüber dem Restwerkstück verkippt. Zu diesem Zweck darf das am Microjoint durch die Gewichtskraft des Werkstückteils wirkende Moment nicht so groß sein, dass die Streckgrenze des Microjoints überschritten wird.

Bei der Berechnung kann berücksichtigt werden, dass sich der Microjoint durch die Krafteinwirkung des Werkstückteils elastisch und plastisch verformt. Je größer die Breite des Microjoints ist, desto weniger stark verkippt typischerweise das Werkstückteil. Die maximal zulässige Aufstehhöhe des Werkstückteils beim Verkippen muss dabei bei einer Bearbeitungsmaschine z.B. in Form einer Laserschneidmaschine kleiner sein als der Abstand zwischen der Bearbeitungsdüse des Laserschneidkopfs und dem Werkstück. In der Praxis liegt dieser Abstand üblicherweise im Wertebereich zwischen 0,4 mm - 1 mm. Aus dieser maximal zulässigen Aufstehhöhe und der Geometrie des Werkstückteils kann der maximal zulässige Verkippwinkel a _ma x des Werkstückteils berechnet werden. Aus dem maximalen Verkippwinkel a _ma x folgt für die Breite BMJ des Microjoints:

Die obige Berechnung ist ausreichend, wenn das Schnittende der Außenkontur des Werkstückteils am Microjoint liegt, der Microjoint also dadurch gebildet wird, dass die (Außen-)Kontur nicht vollständig zu Ende geschnitten wird. In diesem Fall spielt die an der Stelle des Microjoints durch den Gasdruck des aus der Bearbeitungsdüse austretenden Schneidgases auf das Werkstückteil einwirkende Kraft des Schneidgases am Schnittende nur eine untergeordnete Rolle, da das Werkstückteil an dieser Stelle durch den Microjoint gehalten ist.

Bei einer Variante des weiter oben beschriebenen Verfahrens umfasst das Bearbeiten des Werkstücks ein thermisches Schneiden des Werkstücks mit einem Bearbeitungsstrahl, insbesondere mit einem Laserstrahl, wobei die minimale Breite des mindestens einen Microjoints in Abhängigkeit von einem Bearbeitungsparameter in Form eines beim Freischneiden des Werkstückteils vom Restwerkstück auf das Werkstückteil einwirkenden Gasdrucks eines aus einer Bearbeitungsdüse austretenden Schneidgases bestimmt wird.

Bei dieser Variante wirkt der Gasstrom typischerweise an einer von dem Microjoint beabstandeten Freischneideposition entlang der Außenkontur auf das Werkstückteil ein. Unter der Freischneideposition wird diejenige Position entlang der Außenkontur des Werkstückteils verstanden, an dem das Schnittende liegt. Nach dem Erreichen der Freischneideposition erfolgt in der Regel keine weitere schneidende Bearbeitung entlang der Außenkontur des Werkstückteils.

Wird der Microjoint an einer Stelle der Außenkontur gesetzt, die nicht der Freischneideposition / dem Schnittende entspricht, so wirkt in dem Moment, in dem die Außenkontur am Schnittende geschlossen wird, an dieser Freischneideposition der Gasdruck des Schneidgases auf das Werkstückteil ein. Je nachdem, wie das Werkstückteil relativ zu den unterstützenden Werkstückauflageelementen (Auflagestege, Auflageschlitten, ...) angeordnet ist, kann es Bereiche der Außenkontur geben, an denen der Gasdruck des Schneidgases an der Freischneideposition zu einem Kippen des Werkstückteils führt.

Zusätzlich zu dem Schneidgasdruck, der in einer von dem Microjoint beabstandeten Freischneideposition auf das Werkstückteil wirkt, kann ferner derjenige Schneidgasdruck zu berücksichtigen sein, der bei Positionierfahrten des Schneidkopfes oder während des Schneidens (nahe) benachbarter Konturen (insbesondere bei einer engen Schachtelung von Werkstückteilen) auf das freigeschnittene Werkstückteil wirkt. Unabhängig von der Positionierung des Microjoints (am Schnittende oder an einer vom Schnittende entfernten Position) kann deshalb die minimale Breite des Microjoints zusätzlich oder alternativ zu der oben beschriebenen Variante in Abhängigkeit von einem aufgrund einer über das Werkstückteil hinweg verlaufenden Positionierfahrt des Schneidkopfes auf das Werkstückteil wirkenden Schneidgasdruck und/oder von einem aufgrund des Schneidens einer benachbarten Kontur auf das Werkstückteil wirkenden Schneidgasdruck bestimmt werden.

Bei einer Weiterbildung wird eine minimale Breite des Microjoints bestimmt, bei der bei einem durch die Einwirkung des Gasdrucks auf das Werkstückteil bedingten Verkippen des Werkstückteils relativ zu dem Restwerkstück eine maximale Aufstehhöhe, mit der das Werkstückteil über das Restwerkstück übersteht, nicht überschritten wird. In diesem Fall ist die (minimale) Breite des Microjoints so groß, dass die Aufstehhöhe des kippenden Werkstückteils eine vorgegebene Maximalhöhe nicht übersteigt.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist die maximale Aufstehhöhe nicht größer als ein Abstand zwischen der Bearbeitungsdüse und dem Restwerkstück, wobei der Abstand bevorzugt bei weniger als 2 mm, besonders bevorzugt bei weniger als 1 mm liegt. Die minimale Breite des Microjoints wird in diesem Fall so bestimmt, dass eine Kollision des aufstehenden Werkstückteils mit der Bearbeitungsdüse des Laserschneidkopfs verhindert wird. Der Abstand wird typischerweise zwischen der Stirnseite der Bearbeitungsdüse und dem Restwerkstück bestimmt. Bei einer weiteren Variante umfasst das Bearbeiten des Werkstücks ein Verschieben des Restwerkstücks gemeinsam mit dem Werkstückteil entlang einer Werkstückauflage, wobei die minimale Breite des mindestens einen Microjoints in Abhängigkeit von mindestens einem Bearbeitungsparameter in Form einer Beschleunigung des Restwerkstücks beim Verschieben entlang mindestens einer Verschieberichtung bestimmt wird. Die Beschleunigung entlang einer jeweiligen Verschieberichtung entspricht typischerweise einem Achsparameter eines Antriebs einer Bearbeitungsmaschine, der dazu ausgebildet ist, das Restwerkstück gemeinsam mit dem Werkstückteil entlang der jeweiligen Achs- bzw. Verschieberichtung zu verschieben.

Die Werkstückauflage kann Werkstückauflageelemente beispielsweise Form von Kugeln, Bürsten oder dergleichen aufweisen, um die Reibung beim Verschieben des Restwerkstücks mit dem über den mindestens einen Microjoint angebundenen Werkstückteil entlang der Werkstückauflage zu reduzieren. In der Regel existieren zwischen den Werkstückauflageelementen entlang der Werkstückauflage Bereiche, in denen das Werkstück bzw. das durch den Microjoint gehaltene Werkstückteil nicht unterstützt wird. Beim Verschieben eines durch einen Microjoint gehaltenen Werkstückteils auf der Werkstückauflage, wie es bei Sheetmover-Maschinen (z.B. Stanz- oder Stanz-Laser-Kombinationsmaschinen) erfolgt, wirkt auf das Werkstückteil die Gewichtskraft in Z-Richtung, wenn das Werkstückteil einen nicht unterstützenden Bereich der Werkstückauflage überfährt. Zusätzlich wird das Werkstückteil in derX-Y-Ebene um den Microjoint gebogen. Die minimale Breite des Microjoints ist daher auch dadurch bedingt, dass die Biegung des Microjoints nicht so stark wird, dass das Werkstückteil unter oder über das Restwerkstück rutscht.

Bei einerweiteren Variante wird eine minimale Breite des Microjoints bestimmt, bei der beim Verschieben des Werkstückteils gemeinsam mit dem Restwerkstück eine Biegespannung an dem Microjoint eine maximale Biegespannung nicht überschreitet. Der Wert für die maximale Biegespannung wird typischerweise derart festgelegt, dass das Werkstückteil beim Verschieben entlang der Werkstückauflage nicht unter oder über das Restwerkstück rutscht.

Bevorzugt ist die maximale Biegespannung an dem Microjoint nicht größer als eine Steckgrenze des Materials des Werkstücks. Im Sinne dieser Anmeldung wird unter der Streckgrenze die 0,2%-Dehngrenze R _P o,2 (Elastizitätsgrenze) verstanden, da diese (im Gegensatz zur Streckgrenze) immer eindeutig aus dem Nennspannungs- Totaldehnungs-Diagramm ermittelt werden kann. Wird die Streckgrenze des Materials des Werkstücks überschritten, wird der Microjoint beim Biegen plastisch verformt, so dass das Werkstückteil typischerweise dauerhaft in einer relativ zum Restwerkstück verkippten Lage verbleibt.

Bei einer weiteren Weiterbildung dieser Variante setzt sich die minimale Breite des Microjoints aus der minimalen Breite des Microjoints, bei der die maximale Biegespannung nicht überschritten wird, und aus einem Sicherheitsfaktor zusammen, wobei der Sicherheitsfaktor bevorzugt von der minimalen Breite des Microjoints abhängig ist, bei der die maximale Biegespannung nicht überschritten wird. Bei dieser Weiterbildung wird zu der berechneten minimalen Breite des Microjoints ein empirisch ermittelter Sicherheitsfaktor addiert, der den Einfluss äußerer Störgrößen, wie beispielsweise Erschütterungen beim Stanzprozess, Durchhang des Werkstückteils, Auslenkung des Werkstückteils beim Überfahren von Auflageelementen (z.B. Kugeln oder Bürsten) berücksichtigt. Außerdem kann durch den Sicherheitsfaktor die an der Ansatzposition des Microjoints auftretende Kerbwirkung aufgrund der sprunghaften Durchmesserreduzierung berücksichtigt werden, die zu einer Verringerung der maximal zulässigen Biegespannung führt. Der Sicherheitsfaktor ist dabei idealerweise von der berechneten Breite des Microjoints abhängig, d.h. es handelt sich nicht um einen Absolutwert. Auf diese Weise verändern sich die berechneten minimalen Microjoint-Breiten für die unterschiedlichen Werkstückteile eines Werkstücks relativ und nicht absolut, was verhindert, dass kleine Werkstückteile mit einem überdimensionierten Microjoint angebunden werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Ansatzposition eines Microjoints, durch den ein Werkstückteil mit einem Restwerkstück eines insbesondere plattenförmigen Werkstücks verbunden bleibt, umfassend: Bestimmen einer minimalen Breite des Microjoints bei mehreren verschiedenen Ansatzpositionen entlang einer Außenkontur des Werkstückteils, wobei die minimale Breite gemäß dem weiter oben beschriebenen Verfahren bestimmt wird, sowie Auswahlen derjenigen Ansatzposition entlang der Außenkontur für die Bearbeitung des Werkstücks, für welche die kleinste minimale Breite des Microjoints bestimmt wurde. Die weiter oben beschriebene Bestimmung der minimalen Breite des Microjoints wird in diesem Fall für unterschiedliche Ansatzpositionen entlang der Außenkontur durchgeführt, um zu ermitteln, an welcher Stelle bzw. an welcher Ansatzposition der Microjoint die kleinste Breite annehmen würde. Im Programmiersystem zum Erstellen des Steuerungsprogramms für die Bearbeitungsmaschine kann dann diese Stelle als Ansatzposition des Microjoints automatisch ausgewählt werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Bearbeiten eines insbesondere plattenförmigen Werkstücks, bei dem der mindestens eine Microjoint an einer Ansatzposition entlang einer Außenkontur des Werkstückteils gebildet wird, die gemäß dem weiter oben beschriebenen Verfahren zum Bestimmen der Ansatzposition bestimmt wurde. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird eine Ansatzposition entlang der Außenkontur gewählt, bei welcher der Microjoint eine minimale Breite aufweist.

Die Erfindung betrifft auch ein Com puterprogramm produkt, welches zur Durchführung aller Schritte der oben beschriebenen Verfahren ausgebildet ist, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage abläuft. Bei der Datenverarbeitungsanlage kann es sich insbesondere um ein Programmiersystem, d.h. um einen Computer zur Programmierung der Steuerprogramme für eine numerische Steuerungseinrichtung einer Bearbeitungsmaschine z.B. zum schneidenden Bearbeiten und/oder zum Transportieren eines Werkstücks oder einer maschinellen Anordnung mit einer solchen Bearbeitungsmaschine handeln. Läuft das Computerprogramm in dem Programmiersystem ab, so wird ein Bearbeitungsprogramm erzeugt, welches u.a. eine Abfolge von (Steuerungs-) Befehlen zum Bearbeiten des Werkstücks aufweist. Das so erzeugte Bearbeitungsprogramm kann anschließend von einer numerischen Steuerungseinrichtung der Bearbeitungsmaschine bzw. einer diese Bearbeitungsmaschine enthaltenden maschinellen Anordnung ausgeführt werden. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsmaschine in Form einer Laserschneidmaschine zum trennenden Bearbeiten eines plattenförmigen Werkstücks,

Fig. 2a, b schematische Darstellungen eines Werkstückteils, das über einen Microjoint mit einem Restwerkstück verbunden ist, beim Verkippen aufgrund eines Gasdrucks eines Schneidgases,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsmaschine in Form einer kombinierten Laser- und Stanzmaschine, sowie

Fig. 4a, b Darstellungen eines Werkstückteils, das über einen Microjoint mit einem Restwerkstück verbunden ist, beim Verschieben entlang einer Werkstückauflage.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt eine C02-Laserschneidmaschine 1 zum Laserschneiden mit einem CO2- Laserresonator 2, einem Laserbearbeitungskopf 4 und einer Werkstückauflage 5. Ein von dem Laserresonator 2 erzeugter Laserstrahl 6 wird mittels einer Strahlführung 3 von (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln zum Laserbearbeitungskopf 4 geführt und in diesem fokussiert sowie mit Hilfe von ebenfalls nicht bildlich dargestellten Spiegeln senkrecht zur Oberfläche 8a eines Werkstücks 8 ausgerichtet, d.h. die Strahlachse (optische Achse) des Laserstrahls 6 verläuft senkrecht zum Werkstück 8. Zum Laserschneiden des Werkstücks 8 wird mit dem Laserstrahl 6 zunächst ein gestochen, d.h. das Werkstück 8 wird an einer Stelle punktförmig aufgeschmolzen oder oxidiert und die hierbei entstehende Schmelze wird ausgeblasen. Nachfolgend wird der Laserstrahl 6 über das Werkstück 8 bewegt, so dass ein durchgängiger Schnittspalt 9 entsteht, an dem entlang der Laserstrahl 6 das Werkstück 8 durchtrennt.

Sowohl das Einstechen als auch das Laserschneiden können durch Hinzufügen eines Gases unterstützt werden. Als Schneidgase 10 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 8 gestellt werden. Entstehende Partikel und Gase können mithilfe einer Absaugeinrichtung 11 aus einer Absaugkammer 12 abgesaugt werden. Eine schematisch dargestellte programmierbare numerische Steuerungseinrichtung 13 steuert alle wesentlichen Funktionen der Laserschneidmaschine 1, beispielsweise die Bewegung des Laserbearbeitungskopfs 4, wenn auf dieser ein Bearbeitungsprogramm ausgeführt wird.

Fig. 2a, b zeigen das trennende Bearbeiten des Werkstücks 8, genauer gesagt ein rechteckiges Werkstückteil 14, welches entlang einer Schnittkontur 9 von einem Restwerkstück 15 (Restgitter) getrennt wird. Beim trennenden Bearbeiten bleibt das Werkstückteil 14 an seiner Außenkontur P über einen Microjoint 17 mit dem Restwerkstück 15 verbunden. Bei dem in Fig. 2a, b gezeigten Beispiel befindet sich der Microjoint 17 an einer Microjoint-Position m entlang der Außenkontur P in der XY-Ebene (der Werkstückebene), die nicht einer Freischneideposition f entlang der Außenkontur P entspricht, welche das Schnittende beim trennenden Bearbeiten entlang der Schnittkontur 9 bildet. In dem Moment, in dem die Schnittkontur 9 an der Freischneideposition f geschlossen wird, wirkt auf das Werkstückteil 14 ein Gasdruck p des Schneidgases 10 ein, welches aus einer Bearbeitungsdüse 18 der Laserschneidmaschine 1 austritt (vgl. Fig. 2b). Wird ein Laserschneidkopf 4 bzw. die aktive, mit Druck beaufschlagte Fläche der Schneidgasdüse 18 (vgl. Fig. 2b) nochmals über einen Bereich des mit einem Microjoint 17 angebundenen Werkstückteils 14 bewegt, sollte der Microjoint 17 genau in diesem Bereich das Werkstückteil 14 anbinden. Auf diese Weise hat die durch den Gasdruck p eingeleitete Kraft den kleinsten Hebel zum Microjoint 17 und erzeugt somit auch die geringsten Spannungen.

Je nachdem, wie das Werkstückteil 14 relativ zu den unterstützenden Werkstückauflageelementen 5 angeordnet ist, kann es Bereiche entlang der Schnittkontur 9 bzw. entlang der Außenkontur P des Werkstückteils 14 geben, an denen der Gasdruck p des Schneidgases 10 an der Freischneideposition f zu einem Kippen des Werkstückteils 14 relativ zum Restwerkstück 15 führt.

In diesem Fall darf die Breite BMJ des Microjoints 17 eine minimale Breite BMJ, min nicht unterschreiten, bei der die Aufstehhöhe des kippenden Werkstückteils 14 eine in Fig. 2b gezeigte vorgegebene maximale Aufstehhöhe hmax erreicht. Die maximale Aufstehhöhe hmax stimmt bei dem in Fig. 2a, b gezeigten Beispiel mit dem Abstand A zwischen der Bearbeitungsdüse 18 und dem Restwerkstück 15 bzw. dem Werkstück 8 überein. Durch diese Festlegung der maximalen Aufstehhöhe hmax kann eine Kollision des aufstehenden Werkstückteils 14 mit der Bearbeitungsdüse 18 des Laserschneidkopfs 4 verhindert werden. Der Abstand A zwischen der Stirnseite der Bearbeitungsdüse 18 und der Oberseite 8a des Werkstücks 8 liegt im gezeigten Beispiel bei weniger als ca. 2 mm, in der Regel bei 1 mm oder weniger.

Die Berechnung bzw. die Bestimmung der minimalen Microjoint-Breite BMJ, min, die nicht unterschritten werden darf, um eine Kollision des aufstehenden Werkstückteils 14 mit der Bearbeitungsdüse 18 zu verhindern, wird bei dem in Fig. 2a, b gezeigten Beispiel wie nachfolgend beschrieben durchgeführt:

Als Auflagestegkonfiguration S wird die Menge aller Punkte in derXY-Ebene bezeichnet, die durch die Spitzen der Auflagestege 5 gegeben sind, die in Fig. 2a durch in X-Richtung verlaufende gepunktete Linien dargestellt sind. Gegeben sind weiterhin die zu schneidende Außenkontur P des Werkstückteil 14, die Microjoint- Position m und die Freischneideposition f entlang der zu schneidenden Außenkontur P.

Der in Fig. 2a schraffierte Bereich I stellt die Schnittmenge des Inneren der Außenkontur P mit der Auflagestegkonfiguration S, vereinigt mit der Microjoint- Position m, dar. Das strichpunktiert dargestellte Auflagepolygon A stellt die konvexe Hülle von I dar. D bezeichnet diejenige Seite des Auflagepolygons A, welche am nächsten zur Freischneideposition f angeordnet ist. Der Abstand zwischen der Seite D und der Freischneideposition f wird mit d bezeichnet. Der Abstand zwischen einer Position q, welche auf der anderen Seite von D bezüglich der Freischneideposition f liegt und den größten Abstand zu D hat, wird mit e bezeichnet. Die an der Freischneideposition f auf das Innere der Außenkontur P wirkende Kraft, die durch den Gasdruck p des aus der Bearbeitungsdüse 18 austretenden Schneidgases 10 entsteht, wird nachfolgend mit F bezeichnet.

Anhand der oben beschriebenen Größen kann die minimale Breite BBj.min des Microjoints 17 bestimmt werden: Wirkt die weiter oben beschriebene, durch den Gasdruck p hervorgerufene Kraft F auf das freigeschnittene Werkstückteil 14, so verkippt dieses um die Achse D.

In erster Näherung ist der Verkippwinkel a des Werkstückteils 14 um die Achse D direkt proportional zu F ^* d, so dass mit einer materialabhängigen Konstante co gilt, dass der maximale Verkippwinkel a _ma x in Grad W(P,S,f,m) = max(90; co ^* F ^* d) beträgt.

Experimentell wurde außerdem ermittelt, dass 1/ a direkt proportional zur dritten Potenz der Breite BMJ des Microjoints 17 an der Microjoint-Position m ist. Damit gilt für eine materialabhängige Konstante c:

W (P.S.f.m) = max (90; c ^* F ^* d/B _Mj ³ ), wobei BMJ die Breite des Microjoints 17 im Punkt m bezeichnet. Zu einem gegebenen Verkippwinkel a soll erfindungsgemäß sichergestellt werden, dass die Aufstehhöhe

H (P, a) = sin(a) e kleiner ist als ein vorgegebener Wert hmax, der als maximale Verkipphöhe erlaubt ist, dass also gilt

H (P, ö) < hmax.

Diese Bedingung ist erfüllt, wenn sin(a) e < hmax, also (sin(W(P,S,p,m)) e < hmax , also (sin(max(90; c ^* F*d/BMJ ³ )) e < hmax .

Ist e < hmax, kann also das Werkstückteil 14 grundsätzlich zu hoch aufstehen, ergibt sich somit als Bedingung: sin(c*F*d/BMj ³ ) < hMax/ e, was genau dann gilt, wenn c* F*d/BMj ³ < arcsin(hMax/e), was genau dann gilt, wenn

Durch diese Ungleichung ist die Breite BMJ des Microjoints 17 und somit auch die minimale Breite BMJ, min des Microjoints 17 festgelegt.

Die minimale Breite BMJ, min des Microjoints 17, die auf die weiter oben beschriebene Weise bestimmt wurde, wird in einem Programmiersystem für die Erstellung eines Steuerungsprogramms zum Bearbeiten des Werkstücks 8 verwendet, um ein Bearbeitungsprogramm zu erzeugen, welches auf der numerischen Steuerungseinrichtung 13 beim Bearbeiten des Werkstücks 8 abläuft. Die minimale Breite Bivij.min des Microjoints 17 kann nicht nur in Abhängigkeit vom Schneidgasdruck p als Bearbeitungsparameter bestimmt werden, sondern auch in Abhängigkeit von anderen Bearbeitungsparametern, welche beim Bearbeiten des Werkstücks 8 eine relative Lage des Werkstückteils 14 zum Restwerkstück 15 beeinflussen. Dies ist beispielsweise bei der Manipulation, genauer gesagt beim Verschieben eines Werkstücks 8 der Fall, wie dies nachfolgend anhand einer kombinierten Laser- und Stanzmaschine 20 beschrieben wird, welche in Fig. 3 dargestellt ist.

Die als Laser- und Stanzmaschine ausgebildete Werkzeugmaschine 20 weist als Bearbeitungswerkzeuge zum trennenden Bearbeiten eines plattenförmigen Werk stücks 8 in Form eines Bleches einen herkömmlichen Stanzkopf 21 mit Stanzstempel 21a und einen Laserbearbeitungskopf 4 auf. Das zu bearbeitende Werkstück 8 lagert während der Werkstückbearbeitung auf einer Werkstückauflage 5 in Form eines Bearbeitungstisches. Mittels einer herkömmlichen Halteeinrichtung 22, welche Klemmen 23 zum Festhalten des Werkstücks 8 aufweist, kann das Werkstück 8 gegenüber dem Stanzstempel 21a und dem Laserbearbeitungskopf 4 in derX- Richtung der Werkstückebene (XY-Ebene eines XYZ-Koordinatensystems) mittels eines durch einen Pfeil angegedeuteten konventionellen Linearantriebs 23a verschoben werden. In der Y-Richtung der Werkstückebene kann das Werkstück 8 bewegt werden, indem die Werkstückauflage 5 zusammen mit der Halteeinrichtung 22 relativ zu einer Unterlage 24, auf welcher die Werkstückauflage 5 gelagert ist, mittels eines durch einen Pfeil angedeuteten, herkömmlichen Linearantriebs 23b verschoben wird.

Das Werkstück 8 lässt sich auf diese Weise in X- und Y-Richtung gegenüber dem Stanzstempel 21a und dem Laserbearbeitungskopf 4 verschieben, so dass der jeweils zu bearbeitende Bereich des Werkstücks 8 in einem ortsfesten Bearbeitungsbereich 25 des Stanzstempels 21a bzw. einem ortsfesten Bearbeitungsbereich 26 des Laserbearbeitungskopfs 4 positioniert werden kann. Im Bearbeitungsbereich 25 des Stanzstempels 21 ist eine (auswechselbare) Stanzmatrize 27 positioniert, die eine Öffnung 27a zum Eingriff für den (ebenfalls auswechselbaren) Stanzstempel 21a aufweist. Entsprechend ist in dem ortsfesten Bearbeitungsbereich 26 des Laserbearbeitungskopfs 4 eine Lasermatrize 28 angeordnet, welche als Öffnungsbegrenzung für eine im Wesentlichen kreisförmige Absaugöffnung 26a in der Werkstückauflage 5 dient. Der Teilbereich der Werkstückauflage 5 in X-Richtung, an dem die Bearbeitungsbereiche 25, 26 gebildet sind, ist hierbei ortsfest und wird nicht in Y-Richtung relativ zur Unterlage 24 verschoben. Der Laserbearbeitungskopf 4 kann hierbei eine Bewegung in X- und Y- Richtung ausführen, welche durch die Absaugöffnung 26a begrenzt ist. Die in Fig. 3 gezeigte Werkzeugmaschine 20 weist auch eine Steuerungseinrichtung 13 auf, die zur Steuerung der Linearantriebe 23a, 23b in X-Richtung bzw. in Y-Richtung der Werkzeugmaschine 20 dient.

Fig. 4a, b zeigen ein Werkstückteil 14, welches über einen Microjoint 17 an einem Restwerkstück 15 gehalten wird. Beim Verschieben des durch den Microjoint 17 gehaltenen Werkstückteils 14 auf bzw. entlang der Werkstückauflage 5 in X-Richtung wirkt auf das Werkstückteil 14 die Gewichtskraft FG in Z-Richtung, wenn das Werkstückteil 14 einen nicht unterstützten Bereich der Werkstückauflage 5 überfährt. Zusätzlich wird das Werkstückteil 14 in derXY-Ebene um den Microjoint 17 gebogen. Die minimale Breite BBj.min des Microjoints 17 ist daher auch dadurch bedingt, dass die Biegung nicht so stark wird, dass das Werkstückteil 14 unter oder über das Restwerkstück 15 rutscht.

Die Berechnung der minimalen Microjoint-Breite BBj.min ist von der Position m des Microjoints am Werkstückteil 14 abhängig:

Vorteilhaft ist der Microjoint 17 an einer Stelle (Microjoint-Position bzw.

Ansatzposition m) am Werkstückteil 14 angebracht, an der sich die Hauptträgheitsachse des Werkstückteils 14 mit der Außenkontur P schneidet (z.B. an einer Symmetrieachse des Werkstückteils 14 - abweichend von der in Fig. 4a, b gezeigten Darstellung). Auf diese Weise entfällt eine Torsionsbeanspruchung des Microjoints 17 durch die Gewichtskraft FG. Befindet sich der Microjoint 17 zusätzlich an einer Position m entlang der Außenkontur P, die sich durch Projektion des Schwerpunkts S des Werkstückteils 14 in Richtung der Relativbewegung zwischen Werkstückteil 14 und Werkstückauflage 5 ergibt, entfällt eine weitere Biegebelastung durch die Beschleunigungs- und Reibkraft in einer zweiten Achsrichtung. Zudem sollte der Microjoint 17 an demjenigen Schnittpunkt der Hauptträgheitsachse mit der Außenkontur P angebracht werden, der zum Schwerpunkt S des Werkstückteils 14 den kleinsten Abstand hat, oder in derjenigen Achsrichtung (X bzw. Y), in der auf das Werkstückteil 14 die größte Beschleunigung wirkt.

Für die nachfolgend beschriebene Auslegung der minimal notwendigen Microjoint- Breite BBj.min gelten folgende Annahmen:

• In Z-Richtung wirkt die Gewichtskraft FG des Werkstückteils 14, die am Massenmittelpunkt (Schwerpunkt S) angreift.

• In X- und Y-Richtung wirken eine (Achs-)Beschleunigung a _x , ay und eine Haftreibung auf den Microjoint 17

• Die Kräfte greifen am Schwerpunkt S an, dabei ist ein kleiner Hebel (= Abstand Schwerpunkt S - Ansatzposition m des Microjoints 17) günstig. Dies legt die bevorzugte Ansatzposition m des Microjoints 17 am Werkstückteil 14 fest.

• Der Microjoint 17 liegt auf einer der Hauptträgheitsachsen.

• Beim Laserschneiden wird der Microjoint 17 am Schnittende gesetzt, so dass der Gasdruck eine untergeordnete Rolle spielt und vernachlässigt werden kann.

Für die Berechnung der minimal notwendigen Microjoint-Breite BBj.min unter den obigen Annahmen werden folgende Größen benötigt:

• Geometrische Eigenschaften des Werkstückteils 14: o Schwerpunkt S des Werkstückteils 14 o Ansatzpunkt m des Microjoints 17: liegt optimaler Weise auf einer der Hauptträgheitsachsen des Werkstückteils 14, die einer jeweiligen Symmetrieachse des Werkstückteils 14 entsprechen (falls vorhanden)

• Materialeigenschaften: o Blechdicke d o zulässige Spannung B _ges o E-Modul o Dichte (Gewicht bzw. Masse m) o Reibwert bzw. Reibungskoeffizient m mit der Werkstückauflage 5

• Achsparameter der Werkzeugmaschine 20: o Beschleunigung ax, ay in X- und Y-Richtung

Der Microjoint 17 wird nachfolgend als Biegebalken angenommen, an dem die folgenden Momente wirken:

Moment in Schwerkraftrichtung (um die X-Achse):

Mx = FG * h _y mit F G = m*g

Moment in X- und Y-Richtung (um die Z-Achse):

Mz = {Fax + FR) * hy + ( ay+ R) * hx mit Fax ⁼ m * ax und F _ay = m * a _y und FR = FG * m, mit den nachfolgenden Bezeichnungen: m = Masse des Werkstückteils, g = Erdbeschleunigung, hx = Abstand Schwerpunkt S zum Ansatzpunkt m des Microjoints 17 in X-Richtung, h _y = Abstand Schwerpunkt S zum Ansatzpunkt m des Microjoints in Y-Richtung, a _x = Beschleunigung in X-Richtung, a _y = Beschleunigung in Y-Richtung, m = Reibungskoeffizient zwischen dem Material des Werkstückteils 14 und der Werkstückauflage 5.

Bei dem in Fig. 4a, b gezeigten Beispiel, bei dem das Werkstückteil 14 nur in X- Richtung verschoben wird, entfällt die Reibkraft FR in Y-Richtung. Das Moment um die Y-Achse entfällt aufgrund der Vereinfachung, dass der Microjoint 17 auf einer der Flauptträgheitsachsen liegt.

Bestimmung des Widerstandmoments Wx, Wy des Microjoints 17: Wz= Iz /(BMJ/2) mit /z=(d*E>Mj ³ )/12 (d=Werkstückdicke, BMJ = Microjoint-Breite)

Daraus lässt sich die Biegespannung B _ges am Microjoint 17 berechnen:

Bx = Mx/Wx Bz = Mz/Wz

Bges = Bx + Bz (vektorielle Addition)

Die Microjoint-Breite BBJ muss so gewählt werden, dass die Biegespannung B _ges höchstens so groß ist wie die Streckgrenze R _P o,2 für das Material des aktuell verschobenen Werkstücks 8:

Bges.max ^ R _P 0,2

Die minimale Microjoint-Breite BMj.minB berechnet sich dann für diesen vorgegebenen Grenzwert R _P o,2 der Spannung Bges.max wie folgt:

—b ± 'Jb ² — 4ac

B _{mj 1,2} — 2a mit und schließlich:

Bei der minimalen Microjoint-Breite BBj.minB handelt es sich um das Maximum der beiden Werte BMJ-I , BMJ2, weil der kleinere der beiden Werte aufgrund der bei der Berechnung verwendeten Wurzel stets negativ ist.

Zu der berechneten minimalen Microjoint-Breite BBj.minB kann ein empirisch ermittelter Sicherheitsfaktor ci addiert werden, der den Einfluss äußerer Störgrößen, wie beispielsweise Erschütterungen beim Stanzprozess, Durchhang des Werkstückteils 14, Auslenkung des Werkstückteils 14 beim Überfahren von Auflageelementen (z.B. Kugeln oder Bürsten) berücksichtigt., d.h. es gilt BBj.min =

BBJ.minB + C1 .

Außerdem kann durch den Sicherheitsfaktor ci die an der Ansatzposition m des Microjoints 17 auftretende Kerbwirkung aufgrund der sprunghaften Durchmesserreduzierung berücksichtigt werden, die zu einer Verringerung der maximal zulässigen Biegespannung Bges.max führt. Der Sicherheitsfaktor ci ist dabei idealerweise von der berechneten Microjoint-Breite abhängig (ci(BBj.minB)), d.h. es handelt sich nicht um einen Absolutwert. Auf diese Weise verändern sich die berechneten minimalen Microjoint-Breiten BBj.min für die unterschiedlichen Werkstückteile 14 einer Werkstücks 4 relativ und nicht absolut, was verhindert, dass kleine Werkstückteile 14 mit einem überdimensionierten Microjoint 17 angebunden werden.

Sowohl das in Zusammenhang mit Fig. 2a, b als auch das in Zusammenhang mit Fig. 4a, b beschriebene Verfahren zum Bestimmen der minimalen Breite BBj.min des Microjoints 17 wird typischerweise für mehrere verschiedene Ansatzpositionen m entlang der Außenkontur P des Werkstückteils 14 durchgeführt. Für die Bearbeitung des Werkstücks 8 wird diejenige Ansatzposition m entlang der Außenkontur P ausgewählt, für welche die kleinste minimale Breite BBj.min des Microjoints 17 bestimmt wurde. Bei der nachfolgenden Bearbeitung des Werkstücks 8 wird der mindestens eine Microjoint 17, durch den das Werkstückteil 14 mit dem Restwerkstück 15 verbunden bleibt, an der auf die oben beschriebene Weise ausgewählten Ansatzposition m und mit der auf die weiter oben beschriebene Weise bestimmten minimalen Breite BBj.min gebildet.

Die minimale Breite BBj.min sowie die Ansatzposition m des Microjoints 17 werden in einem Programmiersystem zur Erstellung eines Steuerungsprogramms bzw. zur Erstellung von Steuerungsbefehlen zum Bearbeiten des Werkstücks 8 verwendet. Das auf diese Weise erstellte Steuerungsprogramm wird von der Steuerungseinrichtung 13 beim Bearbeiten des Werkstücks 8 abgearbeitet. In dem Programmiersystem sind Werkstückinformationen sowie Bearbeitungsparameter für die Bearbeitung des Werkstücks 8 hinterlegt, die zur Bestimmung der minimalen Breite BBj.min des Microjoints 17 benötigt werden, beispielsweise der Schneidgasdruck p beim schneidenden Bearbeiten des Werkstücks 8 oder die Achsbeschleunigungen a _x , ay beim Verschieben des Werkstücks 8 entlang der Werkstückauflage 5. Es versteht sich, dass alternativ oder zusätzlich zu den weiter oben beschriebenen Bearbeitungsparametern andere Bearbeitungsparameter für die Bestimmung der minimalen Breite BBj.min des Microjoints 17 verwendet werden können, welche die relative Lage des über den (mindestens einen) Microjoint 17 mit dem Restwerkstück 15 verbundenen Werkstückteils 14 in Bezug auf das Restwerkstück 15 bzw. in Bezug auf die Werkstückauflage 5 beeinflussen.