DE60311916T2 - Laserschneidgerät mit zwei Y-Achsantrieben - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft Werkzeugmaschinen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 (siehe beispielsweise JP-A-71214359).
- In Anlagen zum Laserschneiden oder für andere Bearbeitungen unter Einbeziehung von großen plattenartigen Werkstücken ist es üblich, das Werkstück auf einem Werkstücktisch zu lagern und eine Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück auszuführen. Obwohl der Werkstücktisch relativ zu dem Bearbeitungskopf bewegt werden kann, wird es im Allgemeinen bevorzugt, den Bearbeitungskopf an einer Tragstruktur über dem Werkstück anzubringen und die Tragstruktur mit dem daran angeordneten Bearbeitungskopf rechnergesteuert relativ zudem Werkstück sowohl in Richtung der X als auch der Y Achse zu bewegen. Normalerweise handelt es sich bei der Tragstruktur für den Bearbeitungskopf um eine Brücke, welche sich zwischen den seitlichen Schienen erstreckt und auf welchen sie relativ zu dem Werkstück in Richtung einer Achse bewegbar ist. Außerdem ist der Bearbeitungskopf im Allgemeinen derart an der Brücke gelagert, dass er längs der Brücke bewegbar ist, wodurch eine Relativbewegung des Bearbeitungskopfes sowohl in X Richtung als auch in Y Richtung ermöglicht wird.
- Es ist leicht einzusehen, dass die Brücke eine beträchtliche Konstruktion mit einer relativ großen Masse darstellt, so dass eine Bewegung der Brücke in Richtung einer Achse eine beträchtliche Kraft zur Überwindung der Trägheit und zum Bewirken einer fortgesetzten Bewegung erfordert. Die Kraft für die Bewegung in Querrichtung ist wesentlich geringer, weil der Bearbeitungskopf leichter ist und er sich längs der Brücke bewegt.
- Aufgrund der großen Masse und der Notwendigkeit die Bewegung der Brücke zu starten und anzuhalten kann das Schneiden von kleinen komplexen Konturen nicht so genau wie gewünscht erfolgen und die Kosten und der Verschleiß des Antriebssystems für die Brücke können die Wirtschaftlichkeit derjenigen Arten von Teilen negativ beeinflussen die in einer bestimmten Werkzeugmaschinenanlage zu bearbeitet sind und die klein und komplex ausgebildet sind.
-
DE 35 02 631 A1 ,JP 07 214 359 A JP 05 329676 A DE 35 02 631 A1 undJP 07 214 359 A - Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Betrieb der aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugmaschinen zu optimieren.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die vorstehend genannte Aufgabe durch eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
- Die Rechnersteuerung der genannten Werkzeugmaschine umfasst Mittel,
- – um zu bestimmen, ob eine gewünschte Länge, welche unter Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges in Richtung der Y-Achse zu bearbeiten ist, innerhalb oder außerhalb des Arbeitsbereichs der Bewegung der zweiten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel an den ersten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemitteln in Richtung der Y-Achse liegt und
- – um die gewünschte Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges in Richtung der Y-Achse mittels der dritten Antriebsmittel zur Bewegung der zweiten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel zu bewirken, sofern die gewünschte Länge, welche unter Bewegung in Richtung der Y-Achse zu bearbeiten ist, innerhalb des Arbeitsbereiches der Bewegung liegt oder
- – um die gewünschte Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges in Richtung der Y-Achse unter Betreiben der ersten Antriebsmittel zur Bewegung der Tragstruktur und unter Betreiben der dritten Antriebsmittel zum Bewegen der zweiten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel zu bewirken, sofern die gewünschte Länge, welche unter Bewegung in Richtung der Y-Achse zu bearbeiten ist, außerhalb des Arbeitsbereiches der Bewegung liegt.
- Im Allgemeinen ist die Tragstruktur ein Brückenelement, welches mit Abstand über dem Werkstücktisch angeordnet ist und quer zu dem Werkstücktisch verläuft, und das Bearbeitungswerkzeug ist für eine vertikale Bewegung in Richtung einer Z-Achse an den zweiten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemitteln gelagert. Die Werkzeugmaschine umfasst vierte Antriebsmittel zur Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges in Richtung der Z-Achse und die Rechnersteuerung bewirkt auch den Betrieb der vierten Antriebsmittel.
- Wünschenswerterweise kann die Rechnersteuerung Mittel umfassen, um eine große Verlagerung der Tragstruktur in Richtung der Y-Achse zur Neupositionierung des Bearbeitungswerkzeuges relativ zu dem Werkstück zu bewirken, und um anschließend eine kleinere Verlagerung der zweiten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel in Richtung der Y-Achse zur Bearbeitung des Werkstückes in Richtung der Y-Achse zu bewirken.
- Das Bearbeitungswerkzeug kann ein Laserschneidkopf sein und das Bearbeitungswerkzeug ist wünschenswerterweise in einem Gehäuse angeordnet, welches die zweiten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel bereitstellt und welches an Führungen verschiebbar ist, die an einem Querachsengehäuse gelagert sind, welches die ersten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel bereitstellt und welches an der Tragstruktur in Richtung der X-Achse bewegbar ist.
- Kurzbeschreibung der beigefügten Zeichnungen
-
1 ist eine teilweise Draufsicht einer Laserschneidanlage mit einer Laserschneidanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche an der Brücke angebracht ist; -
2 ist eine perspektivische Ansicht der Laserschneidanordnung bei entferntem Gehäuse; -
3 ist eine Seitenansicht der an der Brücke angebrachten Laserschneidanordnung; -
4 ist eine Vorderansicht davon; -
5 ist eine Draufsicht davon; -
6 ist eine teilweise Explosionsdarstellung davon, welche die Hauptunteranordnungen zeigt; -
7 ist eine schematische Ansicht, welche die verschiedenen Bewegungsachsen zeigt; -
8 ist eine Darstellung des Lay-outs unterschiedlicher Teile an einem Werkstück und zeigt, welche mittels der kurzen Y-Achsenbewegung geschnitten werden können; und -
9 ist ein Ablaufdiagramm der Rechnersteuerung, welche die Y-Achsenbewegungen bestimmt, die zum Herstellen von Teilen aus einem Werkstück auszuführen sind. - Ausführliche Beschreibung der dargestellten Ausführungsform
- Wie in
1 zu sehen, wird eine Bearbeitungswerkzeuganordnung gemäß der vorliegenden Erfindung insgesamt mit dem Bezugszeichen10 bezeichnet und ist an der Brücke12 angebracht, welche zur Bewegung über einem Werkstückauflagetisch oder -bett (nicht dargestellt) an seitlichen Schienen14 (nur eine dargestellt) gelagert ist. Die Brücke12 ist durch den Motor16 an den seitlichen Schienen14 in Richtung der Y-Achse bewegbar. Die Bearbeitungswerkzeuganordnung10 ist durch den Motor18 längs der Brücke12 in Richtung der X-Achse bewegbar. Zwei zusätzliche Motoren20 und22 bewirken eine Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges (nicht dargestellt) in Richtung der Y-Achse und senkrecht in Richtung der Z-Achse, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird. - Wenden wir uns als nächstes den
2 bis6 zu, so besitzt die Brücke12 ein Paar von Führungen24 , auf welchen die Nutelemente26 des Querachsengehäuses28 zur Bewegung des Gehäuses28 längs der Brücke12 durch Betreiben des Motors18 sitzen. An dem Querachsengehäuse28 ist das Gehäuse der kurzen Achse angebracht, welches insgesamt mit dem Bezugszeichen30 bezeichnet wird und welches darauf angebrachte Zahnstangen32 aufweist. Die Antriebswelle34 wird von dem Motor20 angetrieben und besitzt zwei Ritzel36 , welche zum Bewirken der Bewegung des Gehäuses30 der kurzen Achse in Richtung der Y-Achse in die Zahnstangen32 eingreifen. Die Bewegung des Gehäuses30 wird durch die linearen Führungsanordnungen38 geführt. - Ein Laserstrahl wird zu dem Schneidkopf entlang der Brücke
12 mittels eines Strahlführungssystems gebracht, welches einen Balg (nicht dargestellt) umfasst, in welchem er abgeschirmt ist. Der Strahl wird durch den Brückenspiegel42 in einen Strahl-umlenker gerichtet, welcher insgesamt mit dem Bezugszeichen44 bezeichnet ist und welcher ein Spiegelpaar (nicht dargestellt) aufweist, das den Strahl zunächst nach oben und dann nach unten zu einer Fokussierlinse (nicht dargestellt) in dem Laserschneidkopf leitet, welcher insgesamt mit dem Bezugszeichen46 bezeichnet ist. Der Balg47 schirmt den Laserstrahl zwischen dem Brückenspiegel42 auf dem Querachsengehäuse28 und dem Laserschneidkopf46 ab, der an dem Gehäuse30 der kurzen Achse gelagert ist. Der Laserschneidkopf46 ist mittels des Motors22 zum Fokussieren des Laserstrahls auf das Werkstück in senkrechter Richtung bewegbar. - Im Betrieb der Werkzeugmaschine ist die Rechnersteuerung
60 so programmiert, dass sie die Antriebsmotoren derart betreibt, dass die gewünschte Bewegung des Laserschneidkopfs46 relativ zu dem Werkstück erzeugt wird. Wie üblich, bewegt der Motor16 die Brücke12 in Richtung der Y-Achse und der Motor18 bewegt die Bearbeitungswerkzeuganordnung in Richtung der X-Achse. Der Motor22 bewegt den Schneidkopf46 in senkrechter Richtung (Z-Achse), um den Laserstrahl zu fokussieren. - Die Rechnersteuerung
60 kann auch den Antriebsmotor20 aktivieren, um das Gehäuse30 der kurzen Achse in Richtung der Y-Achse relativ zu dem Querachsengehäuse28 zu bewegen. Wenn nur eine kurze Y-Achsenbewegung zum Schneiden erforderlich ist, kann daher diese Bewegung durch die Relativbewegung nur des Gehäuses30 der kurzen Achse bewirkt werden, und diese Bewegung ist aufgrund der großen Trägheit der gesamten Brücke12 schneller. Da eine geringere Masse bewegt werden muss, sorgt die Bewegung des Gehäuses30 der kurzen Achse auch eher für eine bessere Schneidqualität bei komplexen Konturen. Falls eine große Verlagerung längs der Y-Achse zur Neupositionierung des Laserschneidkopfes46 relativ zu dem Werkstück erforderlich ist, oder wenn die Schnittlänge den Bewegungsbereich des Gehäuses30 der kurzen Achse überschreitet, aktiviert die Rechnersteuerung60 den Motor16 zum Bewegen der Brücke12 . Eventuell können beide Y-Achsantriebe simultan betrieben werden. - Wenden wir uns nun
8 zu, so ist in dieser ein Werkstück62 dargestellt, auf welchem 23 Formen von auszuschneidenden Teilen angeordnet sind, die mit den Bezugszeichen1 bis9 entweder einzeln oder – wie durch die gestrichelte Linie darge stellt – in Gruppen bezeichnet werden. Die Pfeile geben den Verfahrbereich des Gehäuses der kurzen Achse relativ zu dem Querachsengehäuse28 an. Wie zu sehen ist, können die Ausschnitte1 bis5 ,7 und9 unter Nutzung der Y-Achsenbewegung alleine des Gehäuses30 der kurzen Achse erstellt werden. Die Ausschnitte6 und8 überschreiten die Verfahrlänge des Gehäuses30 der kurzen Achse und erfordern den Einsatz des Brückenantriebsmotors16 entweder für die gesamte Bewegung in Richtung der Y-Achse oder zur Neupositionierung der Brücke12 für ein weiteres Schneiden unter Bewegung des Gehäuses30 der kurzen Achse. - Wie in
9 zu sehen ist, wählt ein Rechnerprogramm zum Optimieren des Schneidvorgangs die geeignete Bewegung der Y-Achseneinrichtung für die zu erstellenden Schnittkonturen derart aus, dass die Nutzung der Bewegung, die von dem Gehäuse30 der kurzen Achse bereitgestellt wird maximiert wird. Im Allgemeinen wird das Lay-out der Teile auf dem Werkstück off-line mittels einer CAD-Software erstellt und das Layout-Programm wird anschließend auf den Rechner der Werkzeugmaschine übertragen. - Wie vorstehend angegeben, kann die gesamte Bearbeitungswerkzeuganordnung, falls gewünscht, von einem Schutzgehäuse umschlossen werden. Die Energieversorgungskabel für die verschiedenen Motoren werden im Allgemeinen derart an der Brücke gelagert, dass sich die Bearbeitungswerkzeuganordnung längs der Brücke vor und zurück bewegen kann. Gleiches gilt für die Leitungen zur Zufuhr von Schneid- oder Schutzgas zu dem Laserschneidkopf.
- Es ist ersichtlich, dass das Hinzufügen des zweiten Antriebes in Richtung der Y-Achse deutliche Vorteile für die Bearbeitungszeit, die Schneidqualität und den Verschleiß der größeren Maschinenteile mit sich bringt. Die Brücke ist typischerweise eine beträchtliche Konstruktion, die einen relativ leistungsstarken Motor benötigt, um ihre Bewegung längs des Werkstücktisches zu bewirken. Im Gegensatz dazu kann ein kleines Gehäuse, das den Laserschneidkopf beinhaltet, relativ leicht sein und bei relativ kleiner zu überwindender Trägheit sehr schnell bewegt werden. Infolgedessen ist der unter Bewegung des kleinen Gehäuses ausgeführte Schneidvorgang genauer, insbesondere im Falle von Richtungsänderungen. Die Rechnersteuerungssoftware kann auf einfache Art und Weise den Schneidablauf steuern und die Bewegung in Richtung der X und Y Achsen aufeinander abstimmen sowie die Überlagerung der zwei möglichen Bewegungen in Richtung der Z-Achse bewerkstelligen, um das Werkstück bestmöglich zu bearbeiten.
- Bei einer handelsüblichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Bewegungsbereich des Gehäuses der kurzen Achse 100 mm, aber längere Bereiche können ohne weiteres bereitgestellt werden.
- Die Software wertet normalerweise innerhalb des numerischen Steuerungsprogramms sämtliche Schnitte einschließlich Absolutposition, gegenseitige Relativposition und Gesamtgröße jedes Teils aus. Die Gesamtgröße bestimmt, welche Schnitte in den Arbeitsbereich der kurzen Achsbewegung passen; die gegenseitige Relativposition der Konturen definiert, wie viele aufeinander folgende Teile mit der kurzen Achsbewegung ohne Bewegung der gesamten Brücke geschnitten werden können, und die Absolutposition definiert die Grundposition der Brücke zu Beginn eines jeden Vorgangs.
- Mit diesen Informationen ausgestattet positioniert die Maschinensteuerung beide Achsen während der Bewegung zu dem nächsten Schnitt. Die Brücke wird so angeordnet, dass die maximal mögliche Anzahl an Schnitten mittels der kurzen Achsbewegung ohne Bewegung der Brücke erreicht werden kann. Wenn das Programm feststellt, dass die Kontur eines Teiles aus diesem Rahmen herausfällt, bewegt sich die Brücke in eine neue Grundposition für die nächste Schnittserie, welche nur die Bewegung des Gehäuses der kurzen Achse nutzt. Demnach optimiert die Software den Prozess durch Minimierung der Bewegungen der Brücke und des erforderlichen Schneidens unter Bewegung der Brücke und durch gleichzeitige Maximierung des Schneidens, das unter Bewegung des Gehäuses der kurzen Achse erfolgt. Falls eine Kontur eine Länge aufweist, welche den Arbeitsbereich der Bewegung des Gehäuses der kurzen Achse überschreitet, gibt es verschiedene Möglichkeiten:
- – die Kontur des Teiles kann vollständig unter Verwendung der Brückenbewegung geschnitten werden.
- – die große Kontur kann in verschiedene kleinere Segmente aufgeteilt werden, welche unter Verwendung der kurzen Achsbewegung bei periodischer Bewegung der Brücke geschnitten werden.
- – Offensichtlich besteht eine andere mögliche Lösung darin, die Teile auf dem Werkstück derart neu zu orientieren, dass die Länge in Richtung der Achse wie vorstehend angegeben innerhalb des Bewegungsbereichs des Gehäuses der kurzen Achse liegt.
- Aus der vorstehenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Figuren ist somit ersichtlich, dass es sich bei der Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung um eine Werkzeugmaschine handelt, welche eine relativ schnelle Bearbeitung ermöglicht, indem die erforderliche Bewegung der großen Brücke, an welcher das Bearbeitungswerkzeug gelagert ist, minimiert wird. Da das Bearbeitungswerkzeug in Richtung einer Achse sehr schnell bewegt werden kann und eine relativ geringe Masse bewegt werden muss, kann darüber hinaus beim Schneiden von komplexen Konturen der Schneidvorgang genauer sein. Die Reduzierung der Bewegung der Brücke sorgt auch für eine langlebigere Anlage und reduziert die Betriebskosten.
Claims (6)
- Werkzeugmaschine zum Bearbeiten von Werkstücken (
62 ) unter Bewegung eines Bearbeitungswerkzeuges (46 ) relativ zu dem Werkstück (62 ), welche umfasst: (a) einen Werkstücktisch mit X und Y Achsen, welcher dafür vorgesehen ist ein Werkstück (62 ) zu lagern; (b) eine Tragstruktur (12 ), welche quer über den Werkstücktisch in Richtung der X-Achse verläuft und die entlang der Y-Achse des Werkstücktisches bewegbar ist; (c) erste Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel (28 ), welche an der Tragstruktur (12 ) zur Bewegung entlang der Tragstruktur (12 ) in Richtung der X-Achse bewegbar angebracht sind; (d) zweite Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel (30 ), welche an den ersten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemitteln (28 ) zur Werkstückbearbeitung unter Bewegung in Richtung der Y-Achse relativ zu der Tragstruktur (12 ) innerhalb eines Arbeitsbereiches der Bewegung bewegbar angeordnet sind; (e) ein an den zweiten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemitteln (30 ) angebrachtes Bearbeitungswerkzeug (46 ); (f) erste Antriebsmittel (16 ) für die Tragstruktur (12 ), um die Tragstruktur (12 ) in Richtung der Y-Achse über den Werkstücktisch zu bewegen; (g) zweite Antriebsmittel (18 ) für die ersten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel (28 ), um die ersten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel (28 ) in Richtung der X-Achse entlang der Tragstruktur (12 ) zu bewegen; (h) dritte Antriebsmittel (20 ), um die zweiten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel (30 ) in Richtung der Y-Achse relativ zu den ersten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemitteln (28 ) zu bewegen; gekennzeichnet durch: (i) eine Rechnersteuerung (60 ) zum Betrieb der ersten Antriebsmittel (16 ) und der zweiten Antriebsmittel (18 ) zum Bewegen des Bearbeitungswerkzeuges (46 ) in Richtung der X und Y Achsen und zum Betrieb der dritten Antriebsmittel (20 ) für eine schnelle Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges (46 ) in Richtung der Y-Achse zur Bearbeitung eines auf dem Werkstücktisch gelagerten Werkstückes (62 ), wobei die Rechnersteuerung (60 ) Mittel umfasst, um zu bestimmen, ob eine gewünschte Länge, welche unter Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges (46 ) in Richtung der Y-Achse zu bearbeiten ist, innerhalb oder außerhalb des Arbeitsbereiches der Bewegung der zweiten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel (30 ) an den ersten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemitteln (28 ) in Richtung der Y-Achse liegt und um die gewünschte Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges (46 ) in Richtung der Y-Achse mittels der dritten Antriebsmittel (20 ) zur Bewegung der zweiten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel (30 ) zu bewirken, sofern die gewünschte Länge, welche unter Bewegung in Richtung der Y-Achse zu bearbeiten ist, innerhalb des Arbeitsbereiches der Bewegung liegt oder um die gewünschte Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges (46 ) in Richtung der Y-Achse unter Betreiben der ersten Antriebsmittel (16 ) zur Bewegung der Tragstruktur (12 ) und unter Betreiben der dritten Antriebsmittel (20 ) zum Bewegen der zweiten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel (30 ) zu bewirken, sofern die gewünschte Länge, welche unter Bewegung in Richtung der Y-Achse zu bearbeiten ist, außerhalb des Arbeitsbereiches der Bewegung liegt. - Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, wobei die Tragstruktur (
12 ) ein Brückenelement ist, welches mit Abstand über dem Werkstücktisch angeordnet ist und quer zu dem Werkstücktisch verläuft. - Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, wobei das Bearbeitungswerkzeug (
46 ) an den zweiten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemitteln (30 ) zur senkrechten Bewegung in Richtung einer Z-Achse gelagert ist und wobei die Werkzeugmaschine vierte Antriebsmittel (22 ) umfasst, um das Bearbeitungswerkzeug (46 ) in Richtung der Z-Achse zu bewegen, und wobei die Rechnersteuerung (60 ) auch den Betrieb der vierten Antriebsmittel (22 ) bewirkt. - Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, wobei die Rechnersteuerung (
60 ) Mittel umfasst, um eine große Verlagerung der Tragstruktur (12 ) in Richtung der Y-Achse zur Neupositionierung des Bearbeitungswerkzeuges (46 ) relativ zu dem Werkstück (42 ) zu bewirken und um anschließend eine kleinere Verlagerung der zweiten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel (30 ) in Richtung der Y-Achse zur Bearbeitung des Werkstückes (62 ) in Richtung der Y-Achse zu bewirken. - Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, wobei das Bearbeitungswerkzeug (
46 ) ein Laserschneidkopf ist. - Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, wobei das Bearbeitungswerkzeug (
46 ) in einem Gehäuse angeordnet ist, welches die zweiten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel (30 ) bereitstellt und an Führungen (38 ) verschiebbar ist, die an einem Querachsengehäuse gelagert sind welches die an der Tragstruktur (12 ) in Richtung der Y-Achse bewegbaren ersten Bearbeitungswerkzeug-Aufnahmemittel (28 ) bereitstellt.
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