DE102013212652B4

DE102013212652B4 - Vorrichtung zum Betreiben einer Werkzeugmaschine und Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102013212652B4
Application number: DE102013212652.2A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Garn; Andreas Lenk; Martin Schröder
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2033-06-29
Also published as: WO2014206721A1; DE102013212652A1

Abstract

Vorrichtung zum Betreiben einer Werkzeugmaschine (1), wobei die Werkzeugmaschine (1) aufweist, – eine Rotationseinheit, die dazu ausgebildet ist ein Werkstück (10) um eine Rotationsachse (X) mit einem einstellbaren Drehzahlverlauf zu rotieren, – einen Ultrakurzpulslaser (12) zum Erzeugen von Laserpulsen (13), der so angeordnet ist, dass mittels der Laserpulse (13) Material des Werkstücks (10) abgetragen wird und – eine optische Einheit (15), die zwischen dem Ultrakurzpulslaser (12) und dem Werkstück (10) angeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, einen Brennpunkt (18) des jeweiligen Laserpulses (13) entlang einer zu der Rotationsachse (X) senkrechten ersten Scanachse mit einem einstellbaren ersten Scangeschwindigkeitsverlauf zu verschieben, – einen Sensor (25) zum Detektieren eines Auftreffpunktes (19) des jeweiligen Laserpulses (13) auf der Oberfläche des Werkstücks (10), wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist abhängig von einem Messsignal des Sensors (25) den Auftreffpunkt (19) des jeweiligen Laserpulses (13) auf der Oberfläche des Werkstücks (10) zu detektieren und abhängig von dem detektierten Auftreffpunkt (19) den Drehzahlverlauf und abhängig von dem Drehzahlverlauf und dem detektierten Auftreffpunkt (19) den ersten Scangeschwindigkeitsverlauf einzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft einerseits eine Vorrichtung zum Betreiben einer Werkzeugmaschine und andererseits eine korrespondierende Werkzeugmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks.
Bei vielen klassischen Verfahren zur Werkstückbearbeitung, wie beispielsweise beim Drehen, können nur rotationssymmetrische Werkzeuge hergestellt werden.
Die EP 0 048 487 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Codescheibe für optische Winkelschrittgeber, bei der die Codescheibe auf einer gelagerten Welle montiert wird und danach ein Codemuster mit einem Laserstrahlsender in die Oberfläche der Codescheibe eingebrannt wird.
Die US 6,469,729 B1 offenbart eine Lasermarkiervorrichtung bei der ein Lasermarkierer einen Laserstrahl einsetzt, einen optischen Scanner, der den Laserstrahl entlang eines optischen Pfandes scannt und ein optisches Element mit einer Variablen Brennweite.
Die EP 2 561 987 A2 offenbart ein Verfahren zum Gravieren eine Druckplatte, bei dem ein Spiegelsystem derart bewegt wird, dass ein Laserstrahl eines Lasers bei dem Abtrag einer ersten Schicht in im Wesentlichen parallelen ersten Zeilen über ein Gravurfeld bewegt wird.
Die CN 201295822Y offenbart eine Lasermicroschneidevorrichtung für dünnwandige Röhren aufweisend einen Festkörperlaser, ein Kollimier- und Strahlausweitesystem, eine Blende, eine XY-Strahlpositioniervorrichtung, einen telezentrischen Scanspiegel, ein CCD, ein Computerkontrollsystem, einen Rotationsmotor und einen Werkstückhalter.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es einerseits eine Vorrichtung zum Betreiben einer Werkzeugmaschine und andererseits eine korrespondierende Werkzeugmaschine zu schaffen, die jeweils dazu beiträgt, dass sowohl rotationssymmetrische als auch nicht rotationssymmetrische Bauteile hergestellt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Vorrichtung zum Betreiben einer Werkzeugmaschine und andererseits durch eine korrespondierende Werkzeugmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks, die die Vorrichtung aufweist. Die Werkzeugmaschine weist eine Rotationseinheit auf, die dazu ausgebildet ist ein Werkstück um eine Rotationsachse mit einem einstellbaren Drehzahlverlauf zu rotieren. Die Werkzeugmaschine weist einen Ultrakurzpulslaser zum Erzeugen von Laserpulsen auf, der so angeordnet ist, dass mittels der Laserpulse Material des Werkstücks abgetragen wird. Die Werkzeugmaschine weist eine optische Einheit auf, die zwischen dem Ultrakurzpulslaser und dem Werkstück angeordnet ist und die dazu ausgebildet ist einen Brennpunkt des jeweiligen Laserpulses entlang einer zu der Rotationsachse senkrechten ersten Scanachse mit einem einstellbaren ersten Scangeschwindigkeitsverlauf zu verschieben. Die Werkzeugmaschine weist einen Sensor auf zum Detektieren eines Auftreffpunktes des jeweiligen Laserpulses auf der Oberfläche des Werkstücks. Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet abhängig von einem Messsignal des Sensors den Auftreffpunkt des jeweiligen Laserpulses auf der Oberfläche des Werkstücks zu detektieren und abhängig von dem detektierten Auftreffpunkt den Drehzahlverlauf einzustellen und abhängig von dem Drehzahlverlauf und dem detektierten Auftreffpunkt den ersten Scangeschwindigkeitsverlauf einzustellen.
Der Sensor umfasst hierfür insbesondere einen Pyrometer und/oder einen Lichtintensitätssensor. Mittels des Sensors kann somit insbesondere eine Reflexion des Auftreffpunktes auf einer Sensorfläche und/oder eine Abschattung der Laserpulse durch das Werkstück detektiert werden und somit der Auftreffpunkt ermittelt werden.
Durch die Verwendung eines derartigen Sensors kann der Drehzahlverlauf und der erste Scangeschwindigkeitsverlauf eingestellt werden, beziehungsweise angepasst werden. Hierdurch kann eine Fehlerkorrektur beziehungsweise eine Nachführung des Laserpulses durchgeführt werden, wodurch eine hochgenaue Herstellung verschiedenster Geometrien ermöglicht wird. Ein derartiger Fehler ist beispielsweise ein Rundlauffehler bei nicht rotationssymmetrischen Bauteilen.
Mittels Laserpulsen eines Ultrakurzpulslasers kann ein sehr guter Materialabtrag erreicht werden. Beim Auftreffen der Laserpulse auf das Werkstück entsteht ein Kaltmaterialabtrag, bei dem das abzutragende Material direkt von einem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand übergeht.
Indem der Drehzahlverlauf eingestellt wird und abhängig von dem Drehzahlverlauf der erste Scangeschwindigkeitsverlauf eingestellt wird, kann die Scangeschwindigkeit also die Bewegung der Laserpulse entlang der Scanachse, auf den Drehzahlverlauf abgestimmt werden, insbesondere synchronisiert werden. Der Drehzahlverlauf und/oder der erste Scangeschwindigkeitsverlauf werden beispielsweise abhängig von Geometriedaten einer vorgegebenen Geometrie eingestellt.
Somit ist es einfach möglich viele verschiedene Bauteile aus dem Werkstück zu fertigen, wie beispielsweise rotationssymmetrische und/oder nicht rotationssymmetrische Bauteile. Weiterhin ist hierdurch auch eine partielle Bearbeitung des rotierenden Werkstücks möglich, wie zum Beispiel ein Laserwuchten rotierender Bauteile, beziehungsweise eine Erzeugung von Flächen und/oder Zylindern in einem Arbeitsgang durch eine Kombination von einer Fräs- und Drehbearbeitung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Scangeschwindigkeitsverlauf periodisch mit einer einstellbaren ersten Scanfrequenz. Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet abhängig von dem Drehzahlverlauf die erste Scanfrequenz einzustellen.
Hierdurch ist es besonders einfach möglich den ersten Scangeschwindigkeitsverlauf und den Drehzahlverlauf aneinander anzupassen, insbesondere zu synchronisieren. Beispielsweise wird die erste Scanfrequenz eingestellt, indem eine Drehfrequenz des Drehzahlverlaufs mit einer vorgegebenen und/oder einstellbaren Konstante multipliziert wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die optische Einheit zusätzlich dazu ausgebildet den Brennpunkt des jeweiligen Laserpulses entlang einer zu der Rotationsachse und der ersten Scanachse senkrechten zweiten Scanachse mit einem einstellbaren zweiten Scangeschwindigkeitsverlauf zu verschieben. Die Vorrichtung ist zusätzlich dazu ausgebildet abhängig von dem Drehzahlverlauf den zweiten Scangeschwindigkeitsverlauf einzustellen.
Hierdurch ist eine Bearbeitung in zwei Dimensionen gleichzeitig möglich, also innerhalb der Ebene die von der ersten und der zweiten Scanachse aufgespannt wird. Hierdurch können sehr einfach sehr viele verschiedene Bauteile hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der zweite Scangeschwindigkeitsverlauf periodisch mit einer einstellbaren zweiten Scanfrequenz und die Vorrichtung ist dazu ausgebildet abhängig von dem Drehzahlverlauf die zweite Scanfrequenz einzustellen.
Hierdurch ist es besonders einfach möglich den zweiten Scangeschwindigkeitsverlauf und den Drehzahlverlauf aneinander anzupassen, insbesondere zu synchronisieren. Beispielsweise wird die zweite Scanfrequenz eingestellt, indem eine Drehfrequenz des Drehzahlverlaufs mit einer vorgegebenen und/oder einstellbaren Konstante multipliziert wird.
Die optische Einheit ist beispielsweise zusätzlich dazu ausgebildet den Brennpunkt des jeweiligen Laserpulses entlang der Rotationsachse mit einem einstellbaren dritten Scangeschwindigkeitsverlauf zu verschieben. Die Vorrichtung ist hierfür beispielsweise zusätzlich dazu ausgebildet abhängig von dem Drehzahlverlauf den dritten Scangeschwindigkeitsverlauf einzustellen. Der dritte Scangeschwindigkeitsverlauf ist beispielsweise periodisch mit einer einstellbaren dritten Scanfrequenz und die Vorrichtung ist dazu ausgebildet abhängig von dem Drehzahlverlauf die dritte Scanfrequenz einzustellen.
Hierdurch ist eine Bearbeitung in drei Dimensionen gleichzeitig möglich, also innerhalb des Koordinatensystems, das von der Rotationsachse, der ersten und der zweiten Scanachse aufgespannt wird. Hierdurch können sehr einfach sehr viele verschiedene Bauteile hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die optische Einheit einen Galvanometerscanner. Mittels eines Galvanometerscanners kann der Brennpunkt schnell und präzise entlang der ersten und/oder der zweiten Scanachse und/oder der Rotationsachse verschoben werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Werkzeugmaschine ein Objektiv auf, das zwischen der optischen Einheit und dem Werkstück angeordnet ist zum Bündeln der Laserpulse in dem jeweiligen Brennpunkt.
Durch die Verwendung eines Objektivs ist es auf einfache Weise möglich den Brennpunkt zu erzeugen. Somit lassen sich auf einfache Weise die Laserpulse in einem Brennpunkt bündeln.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Objektiv ein Planfeldobjektiv. Ein Planfeldobjektiv, welches auch F-Theta-Objektiv genannt wird, ermöglicht, dass der Brennpunkt mittels der optischen Einheit entlang einer Gerade verschoben werden kann. Hiermit lässt sich besonders einfach der Brennpunkt entlang der ersten und/oder zweiten Scanachse und/oder der Rotationsachse verschieben.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt die Pulsdauer der Laserpulse zwischen 0,1 ps und 1 ps. Hierdurch ist gegebenenfalls ein sehr guter Materialabtrag möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Werkzeugmaschine mit einer Steuervorrichtung,
2 die Werkzeugmaschine mit einem Sensor zur Detektion eines Auftreffpunktes,
3 eine Verschiebung eines Brennpunktes entlang einer erste Achse und
4 eine Verschiebung des Brennpunktes entlang einer zweiten Achse.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt eine Werkzeugmaschine 1. Die Werkzeugmaschine 1 weist einen Ultrakurzpulslaser 12 auf. Der Leistungsbereich des Ultrakurzpulslasers 12 liegt beispielsweise zwischen 5 W und 20 W.
Der Ultrakurzpulslaser 12 sendet Laserpulse 13 aus. Die Laserpulse 13 weisen beispielsweise eine Pulsdauer zwischen 0,1 ps und 1 ps auf. Die Pulsfolgefrequenz der Laserpulse 13 liegt beispielsweise zwischen 0,5 MHz und 2 MHz.
Die Laserpulse 13 treffen auf eine optische Einheit 15 auf. Die optische Einheit 15 umfasst beispielsweise einen Galvanometerscanner. Die optische Einheit 15 spiegelt die Laserpulse 13 in Richtung eines Objektivs 20.
Das Objektiv 20 bündelt die Laserpulse 13 in einem jeweiligen Brennpunkt 18. Das Objektiv 20 weist hierfür beispielsweise eine oder mehrere Linsen auf. Beispielsweise umfasst das Objektiv 20 ein Planfeldobjektiv, oder auch F-Theta-Objektiv, mittels dessen der Brennpunkt 18 auf einer Geraden verschiebbar ist.
Die Laserpulse 13 treffen in einem Auftreffpunkt 19 auf der Oberfläche eines Werkstücks 10 auf. Der Auftreffpunkt 19 entspricht beispielsweise dem Brennpunkt 18. Alternativ unterscheidet sich der Auftreffpunkt 19 von dem Brennpunkt 18.
Mittels einer nicht gezeigten Rotationseinheit lässt sich das Werkstück 10 um eine Rotationsachse X mit einem Rotationswinkel φ mit einem einstellbaren Drehzahlverlauf rotieren, beispielsweise mit einer einstellbaren Drehfrequenz.
Die optische Einheit 15 ist dazu ausgebildet den Brennpunkt 18 entlang einer zu der Rotationsachse X senkrechten ersten Scanachse mit einem einstellbaren ersten Scangeschwindigkeitsverlauf zu verschieben. Der erste Scangeschwindigkeitsverlauf ist beispielsweise periodisch mit einer einstellbaren ersten Scanfrequenz. Die erste Scanachse ist beispielsweise eine Achse Y, die zu der Rotationsachse X senkrecht ist (siehe 3). Alternativ ist die erste Scanachse beispielsweise eine Achse Z die zu der Achse Y und der Rotationsachse X senkrecht ist (siehe 4). Ist die Scanachse die Achse Y, so lässt sich durch ein Verschieben des Brennpunktes 18 entlang der Achse Y insbesondere eine Intensität der Laserpulse 13 im Auftreffpunkt 19 auf der Oberfläche des Werkstücks 10 einstellen. Ist die Scanachse die Achse Z, so lässt sich durch ein Verschieben des Brennpunktes 18 entlang der Achse Z insbesondere der Auftreffpunkt 19 auf der Oberfläche des Werkstücks 10 entlang der Achse Z einstellen.
Alternativ oder zusätzlich ist die optische Einheit 15 dazu ausgebildet, den Brennpunkt 18 entlang einer zu der Rotationsachse X und zu der ersten Scanachse senkrechten zweiten Scanachse mit einem einstellbaren zweiten Scangeschwindigkeitsverlauf zu verschieben. Der zweite Scangeschwindigkeitsverlauf ist beispielsweise periodisch mit einer einstellbaren zweiten Scanfrequenz. Die zweite Scanachse ist beispielsweise die Achse Z, falls die erste Scanachse die Achse Y ist und/oder die Achse Y, falls die erste Scanachse die Achse Z ist.
Alternativ oder zusätzlich ist die optische Einheit 15 dazu ausgebildet, den Brennpunkt 18 entlang der Rotationsachse X mit einem einstellbaren dritten Scangeschwindigkeitsverlauf zu verschieben. Der dritte Scangeschwindigkeitsverlauf ist beispielsweise periodisch mit einer einstellbaren dritten Scanfrequenz.
Auf diese Weise kann auf einfache Art Material von dem Werkstück 10 abgetragen werden, beispielsweise um eine vorgegebene Geometrie einzustellen.
Die Werkzeugmaschine 1 weist beispielsweise, wie in 2 zu sehen ist, einen Sensor 25 auf zum Detektieren des Auftreffpunktes 19. Der Sensor 25 umfasst beispielsweise einen Pyrometer und/oder einen Lichtintensitätssensor. Mittels des Sensors 25 kann beispielsweise eine Reflexion 27 des Auftreffpunktes 19 und/oder eine Abschattung 29 des Auftreffpunktes 19 durch das Werkstück 10 erfasst werden.
Die Werkzeugmaschine 1 weist zusätzlich eine Steuervorrichtung 5 auf. Die Steuervorrichtung 5 kann auch als Vorrichtung zum Betreiben einer Werkzeugmaschine bezeichnet werden.
Die Steuervorrichtung 5 ist dazu ausgebildet den Drehzahlverlauf einzustellen und abhängig von dem Drehzahlverlauf den ersten Scangeschwindigkeitsverlauf und/oder den zweiten Scangeschwindigkeitsverlauf und/oder den dritten Scangeschwindigkeitsverlauf einzustellen. Beispielsweise ist die Steuervorrichtung 5 dazu ausgebildet den ersten Scangeschwindigkeitsverlauf und/oder den zweiten Scangeschwindigkeitsverlauf und/oder den dritten Scangeschwindigkeitsverlauf und/oder den Drehzahlverlauf abhängig von Geometriedaten einer vorgegebenen Geometrie einzustellen. Beispielsweise ist die Steuervorrichtung 5 dazu ausgebildet abhängig von dem Drehzahlverlauf die erste und/oder zweite und/oder dritte Scanfrequenz einzustellen, beispielsweise indem eine Drehfrequenz des Drehzahlverlaufs jeweils mit einer vorgegebenen und/oder einstellbaren Konstante multipliziert wird.
Alternativ oder zusätzlich ist die Steuervorrichtung 5 dazu ausgebildet den Auftreffpunkt 19 des jeweiligen Laserpulses 13 auf der Oberfläche des Werkstücks 10 abhängig von einem Messsignal des Sensors 25 zu detektieren und abhängig von dem detektierten Auftreffpunkt 19 den Drehzahlverlauf und/oder den ersten Scangeschwindigkeitsverlauf und/oder den zweiten Scangeschwindigkeitsverlauf und/oder den dritten Scangeschwindigkeitsverlauf einzustellen.
Auf diese Weise können mittels der Werkzeugmaschine 1 auf einfache Weise viele verschiedene Bauteile aus dem Werkstück 10 gefertigt werden, wie beispielsweise rotationssymmetrische und/oder nicht rotationssymmetrische Bauteile.

Claims

Vorrichtung zum Betreiben einer Werkzeugmaschine (1), wobei die Werkzeugmaschine (1) aufweist, – eine Rotationseinheit, die dazu ausgebildet ist ein Werkstück (10) um eine Rotationsachse (X) mit einem einstellbaren Drehzahlverlauf zu rotieren, – einen Ultrakurzpulslaser (12) zum Erzeugen von Laserpulsen (13), der so angeordnet ist, dass mittels der Laserpulse (13) Material des Werkstücks (10) abgetragen wird und – eine optische Einheit (15), die zwischen dem Ultrakurzpulslaser (12) und dem Werkstück (10) angeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, einen Brennpunkt (18) des jeweiligen Laserpulses (13) entlang einer zu der Rotationsachse (X) senkrechten ersten Scanachse mit einem einstellbaren ersten Scangeschwindigkeitsverlauf zu verschieben, – einen Sensor (25) zum Detektieren eines Auftreffpunktes (19) des jeweiligen Laserpulses (13) auf der Oberfläche des Werkstücks (10), wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist abhängig von einem Messsignal des Sensors (25) den Auftreffpunkt (19) des jeweiligen Laserpulses (13) auf der Oberfläche des Werkstücks (10) zu detektieren und abhängig von dem detektierten Auftreffpunkt (19) den Drehzahlverlauf und abhängig von dem Drehzahlverlauf und dem detektierten Auftreffpunkt (19) den ersten Scangeschwindigkeitsverlauf einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Scangeschwindigkeitsverlauf periodisch ist mit einer einstellbaren ersten Scanfrequenz und die Vorrichtung dazu ausgebildet ist abhängig von dem Drehzahlverlauf die erste Scanfrequenz einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Einheit (15) zusätzlich dazu ausgebildet ist den Brennpunkt (18) des jeweiligen Laserpulses (13) entlang einer zu der Rotationsachse (X) und der erste Scanachse senkrechten zweiten Scanachse mit einem einstellbaren zweiten Scangeschwindigkeitsverlauf zu verschieben, wobei die Vorrichtung zusätzlich dazu ausgebildet ist abhängig von dem Drehzahlverlauf den zweiten Scangeschwindigkeitsverlauf einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der zweite Scangeschwindigkeitsverlauf periodisch ist mit einer einstellbaren zweiten Scanfrequenz und die Vorrichtung dazu ausgebildet ist abhängig von dem Drehzahlverlauf die zweite Scanfrequenz einzustellen.
Werkzeugmaschine (1) zum Bearbeiten eines Werkstücks (10), mit – einer Rotationseinheit, die dazu ausgebildet ist, das Werkstück (10) um eine Rotationsachse (X) mit einem einstellbaren Drehzahlverlauf zu rotieren, – einem Ultrakurzpulslaser (12) zum Erzeugen von Laserpulsen (13), der so angeordnet ist, dass mittels der Laserpulse (13) Material des Werkstücks (10) abgetragen wird, – einer optischen Einheit (15), die zwischen dem Ultrakurzpulslaser (12) und dem Werkstück (10) angeordnet ist, die dazu ausgebildet ist einen Brennpunkt (18) entlang einer zu der Rotationsachse (X) senkrechten ersten Scanachse mit einem einstellbaren ersten Scangeschwindigkeitsverlauf zu verschieben, – einen Sensor (25) zum Detektieren eines Auftreffpunktes (19) des jeweiligen Laserpulses (13) auf der Oberfläche des Werkstücks (10) und – einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Werkzeugmaschine (1) nach Anspruch 5, wobei die optische Einheit (15) einen Galvanometerscanner umfasst.
Werkzeugmaschine (1) nach Anspruch 5 oder 6, die ein Objektiv (20) aufweist, das zwischen der optischen Einheit (15) und dem Werkstück (10) angeordnet ist zum Bündeln der Laserpulse (13) in dem jeweiligen Brennpunkt (18).
Werkzeugmaschine (1) nach Anspruch 7, wobei das Objektiv (20) ein Planfeldobjektiv ist.
Werkzeugmaschine (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Pulsdauer der Laserpulse (13) zwischen 0,1 ps und 1 ps liegt.