DE19701516C1 - Einrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Einrichtung ist bereits aus der DE 35 23 887 C2 bekannt. Diese bekannte Einrichtung enthält einen ringförmigen Trägerteil, einen über Magnete am ringförmigen Trägerteil gehaltenen Bearbeitungskopf, und eine zwischen ringförmigem Trägerteil und Bearbeitungskopf liegen­ de Zentriereinrichtung zur Zentrierung von ringförmigem Trägerteil und Bearbeitungskopf zueinander.

Bei der bekannten Einrichtung liegen der ringförmige Trägerteil und der Bearbeitungskopf flächenmäßig aufeinander, wobei zwischen beiden eine zylindrische Zentrierung vorhanden ist. Zur zylindrischen Zentrierung ge­ hört ein umlaufender Bund, der bis zu einer vorbestimmten Höhe in eine Zentralbohrung des ringförmigen Trägerteils eingreift. Stößt im Falle einer Kollision der Bearbeitungskopf in seinem Spitzenbereich gegen eine Werkstückstruktur, so kann er sich leicht vom ringförmiger Trägerteil lö­ sen. Wirkt aber im Falle einer Kollision auf den Bearbeitungskopf eine seit­ liche Kraft im Bereich der Zentrierung, so ist ein Lösen des Bearbeitungs­ kopfs vom ringförmigen Trägerteil nicht mehr so ohne weiteres gewährlei­ stet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sich der Bearbeitungskopf auch noch bei kleinen seitlichen Kräften im Bereich der Zentrierung sicher vom ringförmigen Trägerteil löst.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Eine Einrichtung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Zentriereinrichtung mehrere Kugeln aufweist, die in Umfangsrichtung von ringförmigem Trägerteil und Bearbeitungskopf im Abstand voneinan­ der angeordnet sind.

Dabei können die Kugeln unter gleichmäßigen Winkelabständen zueinan­ der angeordnet sein.

Dadurch, daß sowohl der ringförmiger Trägerteil als auch der Bearbei­ tungkopf auf Kugeln liegen, die keine Radialverschiebung von ringförmi­ gem Trägerteil und Bearbeitungskopfzueinanderzulassen, lassen sie sich sehr leicht auch bei kleinen seitlichen Kräften im Bereich der Zentrierung voneinander trennen, so daß sich ein noch besserer Kollisionsschutz er­ gibt.

Dabei kann für jede der Kugeln jeweils eine kreisförmige Ausnehmung im ringförmigen Trägerteil und im Bearbeitungskopf vorhanden sein, um Ab­ schnitte der Kugeln aufzunehmen. Beispielsweise können die Kugeln alle im ringförmigen Trägerteil fest eingesetzt sein oder alle im Bearbeitungs­ kopf. Auf diese Weise wird vermieden, daß im Falle der Kollision bei Tren­ nung des Bearbeitungskopf vom ringförmigen Trägerteil Kugeln heraus­ fallen bzw. verlorengehen.

Nach einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Boden der jeweiligen kreisförmigen Ausnehmungen, die im Bearbeitungskopf und/oder im ringförmigen Trägerteil liegen, in seiner Höhe verstellbar. Hierdurch kann erreicht werden, daß der ringförmige Trägerteil und der Bearbeitungskopf relativ zueinander positionierbar sind, derart, daß zwi­ schen ihnen ein Spalt gewünschter Höhe verbleibt, so daß der Bearbei­ tungskopf im Falle der Kollision im Bereich der Zentrierung noch leichter vom ringförmigen Trägerteil abgelöst werden kann. Die Höhe des Spalts ist dabei durch Höheneinstellung des Bodens der kreisförmigen Ausnehmun­ gen wählbar.

Zu diesem Zweck können die kreisförmigen Ausnehmungen, die vorzugs­ weise als zylindrische Bohrungen ausgebildet sind, jeweils eine in ihrer Längsrichtung verschiebbare Hülse aufweisen. Durch Verschiebung der Hülse in Längsrichtung läßt sich somit die Kugel mehr oder weniger weit aus dem ringförmigen Trägerteil bzw. dem Bearbeitungskopf ausfahren, um eine Abstandsanpassung zwischen ringförmigem Trägerteil und Bear­ beitungskopf zu erreichen. Dabei kann jede der Hülsen über ein koaxiales Gewindeelement verschiebbar sein, etwa durch einen Gewindestift.

Die zwischen dem ringförmigen Trägerteil und dem Bearbeitungskopf lie­ genden Magnete sind vorzugsweise in einander gegenüberliegende Flä­ chen von ringförmigem Trägerteil und/oder Bearbeitungskopf eingelas­ sen. Dabei befinden sich die Magnete in Umfangsrichtung von ringförmi­ gem Trägerteil bzw. Bearbeitungskopf gesehen jeweils zwischen benach­ barten Kugeln. Befinden sich die Magnete im Bearbeitungskopf, wird durch sie der ringförmige Trägerteil, der aus metallischem Material be­ steht, gegen den Bearbeitungskopf gezogen, und umgekehrt.

Dabei können auch die Magnete in ihrer Höhe verstellbar sein, um eine be­ stimmte Haftkraft zwischen Bearbeitungskopf und ringförmigem Träger­ teil einzustellen. Diese Haftkraft kann in Übereinstimmung mit der Spalthöhe zwischen ringförmigem Trägerteil und Bearbeitungskopf ge­ wählt werden. So läßt sich die Haftkraft der Magnete durch Höhenverstel­ lung z. B. so einstellen, daß dadurch ein leichteres Ablösen des Bearbei­ tungskopfs vom ringförmigen Trägerteil im Falle einer Kollision im Bereich der Zentrierung möglich ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann jeder Magnet in ei­ nem zylindrischen Topf liegen, der in eine zylindrische Öffnung im ringför­ migen Trägerteil oder im Bearbeitungskopf einschraubbar ist. Dabei kann der Topf an seinem äußeren Umfangsbereich ein Gewinde aufweisen, das in eine Gewindebohrung einschraubbar ist. Alternativ kann aber auch am Boden des Topfes ein Gewindestift angebracht sein, der sich in eine ent­ sprechende Gewindebohrung einschrauben läßt.

Nach einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann sich eine Um­ fangsmanschette zwischen ringförmigem Trägerteil und Bearbeitungs­ kopf befinden. Diese Umfangsmanschette ist in ihren Randbereichen am ringförmigen Trägerteil bzw. Bearbeitungskopf befestigt und deckt somit den Spalt zwischen ringförmigem Trägerteil und Bearbeitungskopf ab. Im Falle einer Kollision kann durch sie verhindert werden, daß sich der Bear­ beitungskopf vollständig vom ringförmigen Trägerteil löst. Sie verhindert darüber hinaus ein Verschmutzen der sich gegenüberliegenden Flächen von ringförmigem Trägerteil und Bearbeitungskopf im voneinander ge­ trennten Zustand.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher beschrieben.

Die erfindungsgemäße Einrichtung enthält als ringförmigen Trägerteil 1 eine ringförmige Platte, die eine Zentralbohrung 2 aufweist. Diese ringför­ mige Platte 1 wird in geeigneter Weise an einer Lasereinrichtung aus­ gangsseitig befestigt, die einen Laserstrahl aussendet, welcher die Zen­ tralbohrung 2 durchsetzt. Der Laserstrahl läuft dann entlang der Mittel­ achse 3 der Zentralbohrung 2.

Über eine magnetische Kopplungseinrichtung und eine Zentriereinrich­ tung ist strahlausgangsseitig an der ringförmigen Trägerplatte 1 ein La­ serbearbeitungskopf 4 befestigt. Dieser Bearbeitungskopf 4 ist als Düse ausgebildet und trägt an der Düsenspitze eine Sensorelektrode 5 zur Mes­ sung des Abstands zwischen dem Bearbeitungskopf 4 und einem zu bear­ beitenden und nicht dargestellten Werkstück, wobei die Messung auf ka­ pazitivem Wege erfolgt. Innerhalb des Bearbeitungskopfs 4 können sich ei­ ne Fokussierungsoptik 6 für den Laserstrahl und ein Schutzglas 6a befin­ den, wobei der Laserstrahl nach Durchlaufen durch die Fokussierungsop­ tik 6 und das Schutzglas 6a den Bearbeitungskopf 4 über die Sensorelek­ trode 5 verläßt.

Die einander gegenüberliegenden Seiten von ringförmigem Trägerteil 1 und Bearbeitungskopf 4 sind flache und planparallel Seiten. Dabei sind in der dem Bearbeitungskopf 4 zugewandten Seite des ringförmigen Träger­ teils 1 mehrere Ausnehmungen 7 vorhanden, die in Form zylindrischer Bohrungen ausgebildet sind. Die Längsrichtung der Bohrungen 7 verläuft parallel zur Mittelachse 3. Insgesamt befinden sich in Umfangsrichtung des ringförmigen Trägerteils 1 gesehen drei solche Ausnehmungen 7 im Trägerteil 1 unter gleichen Winkelabständen von 120° zueinander. Es handelt sich hier um Sacklochbohrungen.

In jeder dieser Sacklochbohrungen 7 befindet sich eine Kugel 8, beispiels­ weise aus gehärtetem Stahl. Dabei ist jede der Kugeln 8 fest in eine der Ausnehmungen 7 eingesetzt. Mit anderen Worten sind die Kugeln 8 fest mit dem ringförmigen Trägerteil 1 verbunden und stehen über die den Be­ arbeitungskopf 4 zugewandte Fläche des Trägerteils 1 hinaus.

In der dem ringförmigen Trägerteil 1 zugewandten ebenen Fläche des Bear­ beitungskopfs 4 befinden sich ebenfalls Bohrungen 9, die mit den Bohrun­ gen 7 fluchten und parallel zur Mittelachse 3 liegen. Jeder Bohrung 7 liegt somit eine Bohrung 9 gegenüber, so daß auch im Bearbeitungskopf 4 in dessen Umfangsrichtung gesehen drei im Winkelabstand von 120° zuein­ ander angeordnete Bohrungen 9 vorhanden sind. In jeder der Bohrungen 9 befindet sich eine passend eingelegte Hülse 10, die in Längsrichtung der Bohrung 9 verschiebbar ist. In Verlängerung einer jeden Bohrung befindet sich im Bearbeitungskopf 4 eine Gewindebohrung 11, in die ein Gewinde­ stift 12 eingeschraubt ist. Auf der oberen Fläche des Gewindestifts 12 liegt die in der jeweiligen Bohrung 9 vorhandene Hülse 10 auf, so daß sich durch die Schraubstellung des Gewindestifts 11 die Höhe der Hülse 10 in der Bohrung 9 einstellen läßt. Der Gewindestift 12 kann dabei einen stirn­ seitigen Schlitz aufweisen, um durch die Hülse 10 hindurch betätigt wer­ den zu können.

Mit Hilfe der Kugeln 8 und der in den Bohrungen 9 liegenden Hülsen 10 lassen sich der ringförmige Trägerteil 1 und der Bearbeitungskopf 4 relativ zueinander zentrieren, derart, daß die Mittellinie der Fokussierungsoptik 6 und die Mittellinie der Zentralbohrung 2 miteinander fluchten. Um einen Spalt 13 zwischen dem ringförmigen Trägerteil 1 und dem Bearbeitungs­ kopf 4 einstellen zu können, werden die Gewindestifte 12 entsprechend verstellt, so daß die gewünschte Spalthöhe erhalten wird, wenn die Kugeln 8 auf den oberen Stirnseiten der Hülsen 10 zu liegen kommen. Nach erfolg­ ter Einstellung der Gewindestifte 12 können diese dauerhaft fixiert wer­ den.

In der zum ringförmigen Trägerteil 1 weisenden ebenen Fläche des Bear­ beitungskopfs 4 befinden sich ebenfalls Magnete 14, mit deren Hilfe der Bearbeitungskopf 4 gegen den ringförmigen Trägerteil 1 gezogen wird. Letzterer kann dabei aus Stahl oder einem anderen geeigneten Metall be­ stehen.

Jeder der Magnete ist in eine entsprechende Öffnung 15 in der zum ringför­ migen Trägerteil 1 weisenden Oberfläche des Bearbeitungskopfs 4 einge­ lassen und kann in dieser Öffnung in einer Richtung verschoben werden, die parallel zur Mittelachse 3 verläuft.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jeder Magnet 14 in einem zylin­ drischen Topf 16 gelagert, der in der ebenfalls zylindrisch ausgebildeten Öffnung 15 in Längsrichtung der Mittelachse 3 verschoben werden kann. Dazu ist an der unteren Bodenseite des Topfes 16 ein Gewindestift 17 befe­ stigt, der in eine entsprechende Gewindebohrung 18 einschraubbar ist. Durch die Höhenverstellung der Magnete 14 kann somit die Haftkraft zwi­ schen Bearbeitungskopf 4 und ringförmigem Trägerteil 1 auf einen ge­ wünschten Wert eingestellt werden. In Umfangsrichtung des Bearbei­ tungskopfs 4 sind mehrere solcher Magnete 14 vorhanden, beispielsweise drei, wobei jeweils einer zwischen zwei der Kugeln 8 zu liegen kommt.

Nicht zuletzt befindet sich an der Umfangsseite von ringförmigem Träger­ teil 1 und Bearbeitungskopf 4 im Bereich des Spalts 13 eine Umfangsman­ schette 19. Diese Manschette 19 ist mit ihrem oberen Rand am ringförmi­ gen Trägerteil 1 befestigt und mit ihrem unteren Rand am Bearbeitungs­ kopf 4. Hierzu sind entsprechende ringförmige Klemmelemente 20 und 21 vorhanden, die auf den Bearbeitungskopf 4 bzw. auf den ringförmigen Trä­ gerteil 1 aufgesetzt bzw. aufgeschraubt werden können. Durch die Man­ schette 19 wird erreicht, daß im Falle einer Trennung des Bearbeitungs­ kopfs 4 vom ringförmigen Trägerteil 1 eine Verschmutzung der Magnete und der Kugeln 14 bzw. 8 vermieden wird. Darüber hinaus kann der Bear­ beitungskopf 4 nicht vollständig vom ringförmigen Trägerteil 1 abfallen, da er hieran durch die Manschette 19 gehindert wird. Die Gefahr einer grö­ ßeren Beschädigung des Bearbeitungskopfs 4 wird somit vermieden.

Nach der Erfindung ist es möglich, die Kopplung zwischen ringförmigem Trägerteil 1 und Bearbeitungskopf 4 so zu verändern, daß die Länge des Hebelarms bei der seitlichen Krafteinwirkung auf den Bearbeitungskopf 4 praktisch keinen großen Einfluß mehr auf das Ablösen des Bearbeitungs­ kopfs 4 vom ringförmigen Trägerteil 1 hat. Die Haftkraft zwischen Bearbei­ tungskopf 4 und ringförmigem Trägerteil 1 kann somit auf verschiedene Einsatzfelder abgestimmt werden, beispielsweise im Hinblick auf das Be­ schleunigungsvermögen bei Laserbearbeitungsmaschinen, auf zweidi­ mensionale oder dreidimensionale Anwendungen oder im Hinblick auf die Masse des Bearbeitungskopfs 4. Dabei besteht die Möglichkeit der stufen­ losen Einstellung der Haftkraft der Magnete 14 infolge der Möglichkeit ih­ rer Höhenverstellung. Vorzugsweise sind die Magnete 14 als Dauermagne­ te ausgebildet.

Das Ablösungsvermögen des Bearbeitungskopfs 4 vom ringförmigen Trä­ gerteil 1 kann auch dadurch variiert werden, daß die auf den Kugeln 8 zu liegen kommenden Hülsen 10 im Durchmesser unterschiedlich gewählt werden. Je nach Durchmesserwahl der Hülsen 10 kommt somit ein größe­ rer oder kleinerer Kugelabschnitt in den Hülsen zu liegen, was unter­ schiedliche seitliche Kräfte bei der Ablösung des Bearbeitungskopfs 4 vom ringförmigen Trägerteil 1 erfordert. Statt der unterschiedlichen Hülsen­ durchmesser können die Hülsen an ihrer zur Kugel 8 weisenden Stirnflä­ che auch unterschiedlich geneigte Innenanfasungen aufweisen, so daß auch dadurch die Kugeln mehr oder weniger weit in die Hülsen 10 eingrei­ fen.

Claims (14)

1. Einrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laser­ strahls, mit

• - einem ringförmigen Trägerteil (1),
• - einem über Magnete (14) am ringförmigen Trägerteil (1) gehaltenen Bearbeitungskopf (4), und
• - einer zwischen ringförmigem Trägerteil (1) und Bearbeitungskopf (4) liegenden Zentriereinrichtung zur Zentrierung von ringförmigem Träger­ teil (1) und Bearbeitungskopf (4) zueinander,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zentriereinrichtung mehrere Kugeln (8) aufweist, die in Umfangsrichtung von ringförmigem Trägerteil (1) und Bearbeitungskopf (4) im Abstand voneinander angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (8) unter gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jede der Kugeln (8) Jeweils eine kreisförmige Ausnehmung (7,9) imring­ förmigen Trägerteil (1) und im Bearbeitungskopf (4) vorhanden sind, um Abschnitte der Kugeln (8) aufzunehmen.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Boden der kreisförmigen Ausnehmungen (9, 7), die im Bearbeitungskopf (4) und/oder im ringförmigen Trägerteil (1) liegen, in seiner Höhe verstell­ bar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmigen Ausnehmungen (7, 9) als zylindrische Bohrungen aus­ gebildet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der zylindrischen Bohrung (9) eine in ihrer Längsrichtung verschiebba­ re Hülse (10) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (10) über ein koaxiales Gewindeelement (12) verschiebbar ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Kugel (8) in einer der für sie vorgesehenen Ausnehmun­ gen (7) fest eingesetzt ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Magnete (14) in einander gegenüberliegende Flächen von ringförmigem Trägerteil (1) und Bearbeitungskopf (4) eingelassen sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (14) in ihrer Höhe verstellbar sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnet (14) in einem zylindrischen Topf (16) liegt, der in eine zylindrische Öffnung (15) im ringförmigen Trägerteil oder im Bearbeitungskopf (4) ein­ schraubbar ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden des Topfes (16) ein Gewindestift (17) angebracht ist, der in eine Ge­ windebohrung (18) einschraubbar ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Umfangsmanschette (19) zwischen ringförmigem Trägerteil (1) und Bearbeitungskopf (4).