DE3212589A1 - Laserstrahl-bearbeitungsmaschine und verfahren zur laserstrahl-bearbeitung von werkstuecken - Google Patents
Laserstrahl-bearbeitungsmaschine und verfahren zur laserstrahl-bearbeitung von werkstueckenInfo
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Description
PATENTANWÄLTE
DlPL.-ING. BUSCHHOFF
DIP L.-IN G. HENNICKE ζ'
DlPL.-ING. BUSCHHOFF
DIP L.-IN G. HENNICKE ζ'
DlPL.-ING. VOLLBACH
5000 KÖLN 1
Rn,,. Nl.
Aa 276 I KÖLN, den 2.4.1982
billo anfjfilxiii /
Anm.: Amada Engineering & Service Co., Inc., 14646 Northern Street, La Mirada.
California 90638 (U.S.A.)
Titel: Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine und Verfahren zur Laserstrahl-Bearbeitung von Werkstücken
Die Erfindung betrifft eine Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine, mit der sich Werkstücke, insbesondere plattenförmige
Werkstücke, wie z.B. Metallbleche u.dgl., mittels Laserstrahlen eines Laser-Resonators in unterschiedlicher
Weise bearbeiten, z.B. schneiden und lochen lassen.
Es ist bekannt, für die Bearbeitung einer Vielzahl von metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen, wie Stahl
oder Eisen, Nickel, Kunststoff, Gummi und Glas Laserstrahlen einzusetzen. Die hierfür verwendeten Laserstrahl-Bearbeitungsmaschinen
weisen einen Laserstrahl-Generator zur Erzeugung des Laserstrahls sowie eine Laserstrahl-Schneidmaschine
auf, die mit einem Arbeltskopf versehen ist, um den vom Generator erzeugten Laserstrahl zu fokussieren und
auf das Werkstück zu führen. Die Laserstrahl-Schneidmaschine ist mit einem Werkstücktisch sowie mit einer am Werkstücktisch
angeordneten WerkstUck-Positionierungsvorrichtung versehen.
Bei den bekannten Maschinen der vorgenannten Art wurden der Laserstrahl-Generator und die Laserstrahl-Schneidmaschine
bisher stets als konstruktiv unabhängige Maschineneinrichtungen ausgeführt (vgl. US-PS 40 88 865). Hierbei
-y-c
mußte der vom Generator erzeugte Laserstrahl über ein verwickeltes
Spiegelsystem zu der Laserstrahl-Schneidmaschine geführt werden. Dabei kam es zu Abweichungen der optischen
Achse des Laserstrahls. Diese optischen Abweichungen sind auf die thermische Deformation des Spiegelsystems sowie
auf Vibrationen zwischen dem Laserstrahl-Generator und der Laserstrahl-Schneidmaschine zurückzuführen. Die Laserstrahl-Abweichungen
von der optischen Mittellage führen zu umständlichen und zeitaufwendigen Bedienungs- und Justierarbeiten am Spiegelsystem«
Um Erzeugnisse von komplizierter Form mit hoher Genauigkeit
und Feinbearbeitung herzustellen, mußte die WerkstUck-Positionierungsvorrichtung
nach Maßgabe des vorgegebenen Arbeitsablaufes exakt einjustiert werden· Die
Durchführung soloher genauen und verwickelten Justiervorgänge stellt für das Bedienungspersonal eine schwierige
Aufgabe dar. Ein weiterer Nachteil bestand darin, daß die Laserstrahl-Bearbeitungsmaschinen bisher nicht mit einer
Vorrichtung zur Maßstabsveränderung bzw, Maßstabserhöhung der zu schneidenden Form ausgestattet waren. Wenn eine
Maßstabsveränderung bzw. Maßstabserhöhung im Arbeitsablauf gefordert xirurde, mußte das Bedienungspersonal die
geometrischen Daten des zu schneidenden Werkstücks einer Steuervorrichtung aufgeben.
Bei den herkömmlichen Laserstrahl-Bearbeitungsmaschinen
wurde bisher der Fokuspunkt des Laserstrahls unabhängig von der jeweiligen Dicke des Werkstücks so eingestellt,
daß er geringfügig unterhalb der Werkstückoberseite lag» Bei einer Änderung der Laserstrahl-Bearbeitungsbedingungen,
z.B. beim Übergang vom Schneidvorgang auf den Lochvorgang, war es infolgedessen äußerst schwierig, eine exakte Feinbearbeitung
zu erreichen«
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die vorgenannten Nachteile
und Unzulänglichkeiten der bekannten Laserstrahl-Be-
arbeitungsmaschinen und der Laserstrahl-Bearbeitungsmethoden,
vorzugsweise in ihrer Gesamtheit, zu beseitigen und die Bearbeitungsgenauigkeit zu erhöhen. Insbesondere ist
die Erfindung auf eine Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine gerichtet, mit der die genannten optischen Abweichungen
der Laserstrahlen von der optischen Mitte durch entsprechende konstruktive Ausgestaltung der Bearbeitungsmaschine
und möglichst auch die bisher erforderlichen verwickelten Spiegelsysteme eliminiert werden« Dabei soll zweckmäßig
auch der Bedienungsaufwand insbesondere in Bezug auf die Justierarbeiten herabgesetzt werden. Schließlich ist
die Erfindung auf ein Laser-Bearbeitungsverfahren gerichtet, mit dem sich auch bei Änderungen der Arbeitsbedingungen eine genaue Bearbeitung erreichen läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den einzelnen Ansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile und Wirkungen werden nachfolgend im Zusammenhang mit dem in der Zeichnung
dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine
in Seitenansicht;
Fig. 2 eine Draufsicht zu Fig. 1;
Fig. 3 die Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine nach den Fig. 1 und 2 in einer Stirnansicht;
Fig. 4 in einem Blockdiagramm eine Steuereinrichtung, die bevorzugt bei der erfindungsgemäßen Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine
Verwendung finden kann;
Fig. 5 in einem Teilschnitt durch ein Werkstück den
Arbeitsvorgang !beim Lochen dieses Werkstücks
mit Hilfe eines Laserstrahls?
Fig. 6a bis 6d schematisch verschiedene Formen eines im Werkstück hergestellten Loches bei unterschledlicher
Fokuslage des Laserstrahles?
Fig. 7a bis 7c schematisck eine Ansicht auf die
Schnittflächen, die sich beim Schneidvorgang mittels eines Laserstrahles bei unterschiedlicher
Fokuslage ergeben,,
Die in den Fig. 1 bis 5 dargestellte Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine
1 weist einen Laserstrahl-Generator 3 zur Erzeugung eines Laserstrahles LB sowie eine Laserstrahl-Schneidvorrichtung
5 aufβ Die Laserstrahl-Schneidvorrichtung 5 ist mit einem Unterbau 7 in Gestalt eines Grundrahmens
oder Maschinenbettes versehen, auf dem ein vertikaler Pfosten oder Ständer 9 feststehend angeordnet ist,
welcher einen in Horizontallage über dem Unterbau 7 angeordneten,
einseitig auskragenden Kopfbalken 11 od.dgl.
trägt. Am Unterbau 7 ist ein Werkstücktisch 13 angeordnet, auf dessen Oberseite das z.B. aus einem Metallblech bestehende,
mit Hilfe des Laserstrahles LB zu schneidende Werkstück W in Horizontallage gelegt wird. Der Kopfbalken
11 trägt an seinem vorderen Ende einen Bearbeitungskopf 15.
Zur Zuführung und Positionierung des Werkstücks B ist am
Unterbau 7 eine Werkstück-Positionierungsvorrichtung 17 gelagert. Die Werkstück-Positionierungsvorrichtung 17
weist in Richtung der Y-Achse 21 bewegliche Schlitten 19 und einen auf diesen Schlitten 19 in Richtung der X-Achse
271 also senkrecht zur Y-Achse 21 beweglichen Schlitten
23 auf, der mit mehreren Einspannvorrichtungen 35 für das Werkstück W versehen ist. Die Schlitten 19 sind auf einem
Schienenpaar 29 verschieblich gelagert, das sich in Rieh-
-r-q
tung der Y-Achse 21 erstreckt und auf der Oberseite des Werkstücktisches 13 befestigt ist. Die Schienen 29 verlaufen
parallel zueinander.
Die Schlitten 19 weisen ein Paar Schiebetische 31 auf, die über einen sich in Richtung der X-Achse 27 erstreckenden
Verbindungsträger 33 verbunden sind. An den Verbindungsträgern 33 sind Muttern 35 befestigt, die auf dem Gewindeabschnitt
einer Führungsspindel 37 od.dgl. sitzen. Die Führungsspindel 37 erstreckt sich in Richtung der Y-Achse
21; sie ist an einem Ende in einem Drehlager 39 gelagert, welches an der Unterseite des Kopfbalkens 11 befestigt
ist. Das andere Ende der Führungsspindel 37 1st mit einem Schlittenantrieb 41 verbunden. Der Schlittenantrieb 41
weist einen den Schlitten in Richtung der Y-Achse 21 bewegenden Antriebsmotor 43 auf, dessen Ausgangswelle über
ein Untersetzungsgetriebe 45 mit der Führungsspindel 37 antriebsmäßig verbunden ist. Die Schlitten 19 können daher
mit Hilfe des Schlittenantriebes 41 in Richtung der Y-Achse 21 in die Bearbeitungszone unterhalb des Bearbeitungskopfes
15 gefahren und aus der Bearbeitungszone zurückgefahren werden.
Der zweite Schlitten 23 ist auf einem Paar Schienen 47 verschiebbar gelagert, die an dem Verbindungsträger 33 angeordnet
sind, welcher die erstgenannten Schlitten 19 verbindet. Die Schienen 47 erstrecken eich in Richtung der
X-Achse 27, also senkrecht zur Y-Achse 21. Am zweiten
Schlitten 23 greift eine Gewindespindel 49 mit ihrem Gewindeabschnitt an. Das eine Ende der Gewindespindel 49
ist in einem Drehlager 51 gelagert, welches an dem einen Ende des Verbindungsträgers 33 befestigt ist, wie dies
Fig. 3 zeigt. Das andere Ende der Führungsspindel 49 ist mit einem zweiten Schlittenantrieb 53 verbunden, dessen
Antriebsmotor 55 den Schlitten 23 über ein Untersetzungsgetriebe 57 und die Führungsspindel 49 in Richtung der
X-Achse bewegt. Bei diesen Schlittenbewegungen werden die
Klemmvorrichtungen 25 mitgenommen,,
Mit der vorstehend beschriebenen Schlittenanordnung kann mit Hilfe der Schlittenantriebe 41 und 53 ein von den
Klemmvorrichtungen 25 gehaltenes Werkstück ¥ in die jeweilige Arbeitsposition unter den Bearbeitungskopf 15 gebracht
werden. Die Schlittenantriebe 41 und 53 werden von einer vorprogrammierten numerischen Steuerung gesteuert,
wie dies weiter unten noch ausgeführt wird. Das unterhalb des Bearbeitungskopfes 15 befindliche Werkstück W kann
automatisch geschnitten und gelocht werden·
Der Bearbeitungskopf 15 ist am vorderen freien Ende des Kopfbalkens 11 in Vertikalrichtung festgelegt. Der Bearbeitungskopf
15 weist ein Spiegelsystem 59, ein bewegliches Rohrelement 61 mit einer (nicht dargestellten) Sammellinse,
einen Justierantrieb 63 für das Rohrelement und eine Justiervorrichtung für das Rohrelement auf. In Horizontalrichtung
durch den Kopfbalken 11 erstreckt sich ein Rohr oder ein Kanal 65, welcher an das Spiegelsystem 59
angeschlossen ist. Der von dem Laser-Generator 3 erzeugte Laserstrahl LB wird, wie dies in der Zeichnung strichpunktiert
angedeutet ist, durch den Kanal 65 hindurch zu dem Spiegelsystem 59 geführt und dann von diesem um 90°
vertikal nach unten abgelenkte
Das Spiegelsystem 59 ist an der Unterseite mit dem feststehenden Rohrelement 67 verbunden« Das bewegliche Rohrelement
61 ist am unteren Ende des feststehenden Rohrelementes 67 in Vertikalrichtung teleskopartig beweglich angeordnet.
Der von dem Spiegelsystem 59 nach unten reflektierte Laserstrahl LB durchläuft die beiden Rohrelemente
67 und 61 und wird von der in dem beweglichen Rohrelement 61 befindlichen Sammellinse fokussiert. Die Sammellinse
ist mit dem Rohrelement 61 vertikal beweglich, um die Fokusposition des Laserstrahles LB zu verändern. Diese
Vertikalverstellung wird mit Hilfe der dem beweglichen
Rohrelement 61 zugeordneten Justiervorrichtung durchgeführt.
Letztere weist eine Mutter auf, die auf einem Gewindeabschnitt des beweglichen Rohrelementes 61 sitzt und
zweckmäßig mit einem Getriebe verbunden ist. Der dem beweglichen Rohrelement zugeordnete Justiermotor 63 wird
von der obengenannten vorprogrammierten numerischen Steuerung gesteuert.
An der Stirnseite des Unterbaus 7 ist eine Staubsammelvorrichtung 69 zur Beseitigung der Dämpfe oder Schlackenansammlungen
u.dgl. angeordnet.
Der Laserstrahl-Generator 3 weist einen Laserstrahl-Resonator 73 auf, der auf einem zweiten Unterbau 71 in Gestalt
eines Grundrahmens od.dgl. angeordnet ist. Der Unterbau 71 ist mit dem Unterbau 7 der Laserstrahl-Schneidvorrichtung
5 fest verbunden. Er ist hinter dem Ständer 9 an der Rückseite der Bearbeitungsvorrichtung 5 und ihres Unterbaus 7
mit Hilfe von Befestigungsmitteln angeschlossen. Hiermit wird erreicht, daß sich keine Lageverschiebung des Laserstrahl-Generators
3 gegenüber der eigentlichen Laserstrahl Bearbeitungsmaschine 5 einstellen kann. Die genannten Verbindungsmittel
weisen ein Verbindungsorgan 75 sowie ein langgestrecktes, stangenartiges Verbindungselement 77 auf.
Der Unterbau 71 ist mit mehreren Konsolen 79 od.dgl. und hiermit im Gewindeeingriff stehenden vertikalen Justierorganen
81 versehen, so daß er in Vertikalrichtung justiert werden kann.
Der Laserstrahl-Resonator 73 weist im oberen Bereich einen Auslaß 83 für den erzeugten Laserstrahl LB auf. Der
Laserstrahl-Auslaß 83 ist mit dem Kanal 65 des Kopfbalkens
11 verbunden und in Axialrichtung zu diesem ausgerichtet. Der Verbindungsbereich wird von einem Abdeckteil
85 abgedeckt. Der von dem Laserstrahl-Resonator 73 erzeugte Laserstrahl LB durchläuft den Kanal 65 in Horizontalrichtung
auf einer geraden Strecke, ohne daß hierbei
verwickelte Spiegelanordnungen !benötigt werden9 wie dies
bisher der Fall war.
An dem zweiten Unterbau 71 ist ein Paar Horizontal-Justiervorrichtungen
87 für die seitliche Justierung des Laserstrahl-Resonators 73 gegenüber dem Unterbau 7 der
Bearbeitungsvorrichtung angeordnet. Diese Justiervorrichtungen 87 sind zu beiden Seiten des zweiten Unterbaus 71
angeordnet und weisen jeweils ein in Richtung X-Achse 27 wirkendes Justierorgan 89 auf, welches im Gewindeeingriff
mit Seitenplatten des Unterbaus 71 steht. Außerdem weist die Justiervorrichtung 87 in Richtung der Y-Achse wirkende
Justierorgane 91 auf, die im Gewindeeingriff mit Endplatten des Unterbaus 71 stehen. Die Justierorgane für
die Horizontaljustierung sind am Laserstrahl-Resonator angeordnet. Mit Hilfe dieser Justierorgane 89 und 91 ist
eine Seitenjustierung des Laserstrahl-Resonators 73 in
Richtung der Y-Achse 21 und in Richtung der X-Achse 27 möglich. Auf diese Weise sind Laserstrahl-Abweichungen
von der axialen Mittellage zwischen dem Laserstrahl-Auslaß 83 und dem Kanal 85 korrigierbar.
Im folgenden wird das der Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine zugeordnete Servosystem mit dem In Richtung der Y-Achse
21 wirkenden Motor 43 und dem in Richtung der X-Achse 27 wirkenden Motor 55 zusammen mit der Steuereinrichtung
93 näher erläutert, die das Servosystem und das Ausgangsleistungsniveau des Laserstrahles in dem Laserstrahl-Resonator
73 steuert. Wie Fig. 4 zeigt, weist die Steuereinrichtung 93 eine Programmiervorrichtung 95, z.B„
einen Mikrocomputer, auf, der das Laserstrahl-Arbeitsprogramm auf der Grundlage der einer Dateneingabevorrichtung
97 eingegebenen Daten berechnet. Ferner ist die Steuereinrichtung 93 mit einer numerischen Steuerung 99 versehen,
die das Servosystem 101 sowie die vorgenannten Motoren 43 und 55 und die Ausgangsleistung des Laserstrahl-Resonators
73 steuert. Die Programmierungsvorrichtung 95
speichert die verschiedenen an der Dateneingabevorrichtung 97 eingegebenen Daten und berechnet das Laserstrahl-Arbeitsprogramm
auf der Grundlage dieser verschiedenen Daten. Die numerische Steuerung 99 steuert das Ausgangsniveau des
Laserstrahls in dem Laserstrahl-Resonator 73 und das Servosystem 101 nach Maßgabe des Laserstrahl-Bearbeitungsprogramms
der Programmierungsvorrichtung 95.
Zusätzlich zu den der Dateneingabevorrichtung 97 zugeführten Daten werden weitere Daten, insbesondere Profil- bzw.
Formgebungsdaten über eine Formgebungsvorrichtung 103 und eine Lese- oder Abtastvorrichtung 105 der Programmierungsvorrichtung 95 zugeführt. Die Vorrichtung 103 verwendet
einen Fühler oder ein Tastorgan od.dgl., um eine Aufzeichnung oder Abbildung nachzuzeichnen bzw. abzutasten, welche
die zu bearbeitende Formgebung oder aber die Form eines Musterstücks zeigt, wodurch die Koordinaten-Daten der abgebildeten
Form auf der X-Achse und der Y-Achse erhalten werden. Die Lesevorrichtung 105 liest die verschiedenen
Daten des Laserstrahl-Bearbeitungeprogramms ab und führt sie der Programmierungsvorrichtung 95 zu· Die Dateneingabevorrichtung
97 umfaßt eine Dateneingabe 107 für die Einstellung der Dickendaten des zu bearbeitenden plattenförmigen
Werkstücks W, eine Dateneingabe 109 für die Einstellung der Werkstoffdaten des Werkstücks W, eine Dateneingabe
111 für die Einstellung des Jeweiligen Multiplikationsfaktors,
um welchen die zu bearbeitende Form vergrößert oder verkleinert werden soll; eine Dateneingabe
113 für die Einstellung der Daten für die Anfangspositionierung des Werkstücks und schließlich eine Bearbeitungszustands-Dateneinstellvorrichtung
115 für die Zuführung von Daten, welche die Relation zwischen dem Ausgangs-Lei stungsniveau des Laserstrahls in dem Laserstrahl-Resonator
73 und der Bearbeitungsgeschwindigkeit am Werkstück W entsprechen. Das von der Programmierungsvorrichtung
95 berechnete Laserstrahl-Arbeitsprogramm kann einem
geeigneten Speicher 117, z.B. einer magnetischen Aufzeich-
nungsscheibe od.dgl., zugeführt werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Steuereinrichtung 93 berechnet demgemäß die Programmierungsvorrichtmig 95 das Laserstrahl-Arbeit
sprogramm auf der Grundlage der über die Dateneingabevorrichtung 97» die Pormgebungs- oder Kopiervorrichtung
103 und die Lese- oder Abtastvorrichtung 105 zugeführten Daten, wobei das berechnete Programm der numerischen
Steuerung 99 zugeführt wird« Im Ergebnis wird der Laserstrahl-Resonator 73 und das Servosystem 101 der Laser
strahl-Bearbeitungsmaschine 1 nach Maßgabe des errechneten
Laserstrahl-Bearbeitungsprogrammes gesteuert. Wenn durch Einstellen der Multiplikationsfaktor-Dateneinstellvorrichtung
111 der Multiplikationsfaktor der auf der Zeichnung od.dgl. aufgezeichneten Figur eingegeben wird,
so wird ein Laserstrahl-Bearbeitungsprogramm dieser analogen Figur bzw. Form durchgeführt.
Bei Durchführung des Laserstrahl-Arbeitsprogramms durch die Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine 1 ist es wichtig,
daß der Brennpunkt, also die Fokusposition des Laserstrahles LB nach Maßgabe der Dicke des Werkstücks W einjustiert
wird. Ferner ist ein Einjustieren der Fokusposition auch ohne Dickenänderung des Werkstückes W in Abhängigkeit von
den Arbeitsbedingungen der Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine wichtig.
Wenn die Laserstrahlen LB zur Durchführung einer Bohrung oder zum Schneiden des Werkstücks auf dieses auftreffen,
so ist es erforderlich, daß die auf den Bearbeitungspunkt fallende Strahlungsenergie wirksam absorbiert wird, um die
Auswirkungen der Wärmeentwicklung im Nachbarbereich des eigentlichen Bearbeitungspunktes zu verringern. Bei übermäßig
großer Wärmeeinwirkung auf den Umgebungsbereich der eigentlichen Bearbeitungsstelle stellen sich übermäßige
Erweiterungen des gebohrten Loches oder der geschnittenen Nut ein. Es ist daher angebracht, den Laserstrahl LB bei
der Durchführung des Arbeitsprozesses auf einen möglichst kleinen Punkt zu fokussieren, um hier eine wirksame Bestrahlung
des Arbeitspunktes mit hoher Energiedichte des Laserstrahles zu erzielen. Allerdings ändert sich der Absorptionsfaktor
der Laserstrahlen LB an der Oberfläche des Werkstücks W in weiten Grenzen in Abhängigkeit von
der Oberflächentemperatur und dem Zustand des Werkstücks W.
Die genannte Oberflächentemperatur während der Zeitspanne des Durchlochens ist niedrig, wenn das Werkstück W zunächst
durchstochen und dann geschnitten wird. Während der Zeitspanne des Schneidens befindet sich die Oberflächentemperatur
auf einem hohen Temperaturniveau, was auf den kontinuierlichen Strahleneinfall der Laserstrahlen LB zurückzuführen
ist. Die Oberflächenform, auf die die Laserstrahlen LB auftreffen sind ebenfalls verhältnismäßig
großen Änderungen unterworfen, so daß große Unterschiede in der Form während der Zeitspanne des Durchstechens und
der Zeitspanne des Schneidens und damit auch große Unterschiede im Absorptionsfaktor und in den thermischen Einwirkungen
an dem Werkstückteil vorliegen. Der Laserstrahl-Bearbeitungsvorgang läßt sich infolgedessen wesentlich
wirksamer durchführen, wenn die Fokusposition der Laserstrahlen LB beim Lochen bzw. Durchstechen und beim Schneiden
des Werkstücks unterschiedlich eingestellt werden.
Im folgenden wird dies für einen Arbeitszustand näher erläutert,
bei welchem das Werkstück W etwa bis zur Mitte gelocht ist. Fig. 5 zeigt diese Verhältnisse in einem Diagramm
für den Fall, daß die Fokusposition 0 der Laserstrahlen von der Oberfläche SQ des Werkstücks W in eine
tiefere Position verschoben wird, in der sich der Brennpunkt etwa auf ein Drittel der Plattendicke D befindet.
Die Fokusposition 0 befindet sich zu nahe an der Werkstück Oberseite Sq. Wenn der Arbeitsvorgang bis unter die Fokusposition
0 fortschreitet, so werden die Laserstrahlen LB
auf die Umgebungsbereiche, also auf andere als die vorgeschriebenen
Werkstückbereiche abgestrahlt, und zwar aufgrund des von der bearbeiteten Flächenstelle S^ abgestrahlten
und reflektierten Lichtes L^· Dies führt zu einer Aufweitung des Lochdurchmessers·
Im folgenden werden die Ergebnisse einer Testreihe mit
unterschiedlicher Lage der Fokusposition O der Laserstrahlen LB erläutert. Die Fig. 6a, 6b, 6c und 6d zeigen
hierbei schematisch Querschnittibereiche von Test-Werkstücken,
die mit unterschiedlicher Fokusposition 0 der Laserstrahlen gelocht wurden. Hierbei wurden als Werkstück
W Stahlplatten mit einer Dicke von 6 mm verwendet.
Bei dem in Fig. 6a gezeigten Test wurde der Laserstrahl so eingestellt, daß sich seine Fokusposition etwa 4 mm
unterhalb der Oberseite der Stahlplatte befand. Es wurde hierbei von den Laserstrahlen ein Loch geschnitten, welches
mehr oder weniger dem Solldurchmesser R (1 mm) entspricht. Die Fokusposition 0 befand sich bei diesem Versuch
also um etwa 2/3 der Plattendecke unterhalb der Oberseite des Werkstücks W.
Bei den in den Fig. 6b, 6c und 6d wiedergegebenen Versuchsergebniasen
befand sich die Fokusposition 0 in einer Tiefe von 1 mm, 2 mm und 5,5 mm unterhalb der Werkstückoberseite.
In allen diesen Fällen ergaben sich im oberen Bereich erhebliche Aufweitungen der Löcher, wobei die
Lochdurchmesser an der Oberseite 3 bis 5 mm betrugen. An der Unterseite des Werkstücks W stellte sich aufgrund
der hohen geschmolzenen Metallmenge ein übermäßig stark ausgeprägter Grat X ein.
Die Flg. 7a, 7b und 7c zeigen schematisch Querschnitte
von VersuchswerkotUcken, die mit unterschiedlicher Fokusposition 0 der Laserstrahlen einem Schneidvorgang unterworfen
wurden. Dabei wurde das im Zusammenhang mit den
6a bis 6d erwähnte Werkstück W dem Test unterworfen.
Im Falle der FIg, 7a lag die Fokusposition 0 etwa 2 mm
unterhalb der Werkstück-Oberseite. Dabei wurde eine weitgehend saubere Schnittfläche erhalten. Die Fokusposition
0 befand sich hier also um 1/3 der Plattendicke unterhalb der Oberseite des Werkstücks W.
Bei den in den Fig. 7b und 7c gezeigten Versuchen befand
sich die Fokusposition bei 0 mm und bei 4 mm unterhalb der Werkstückoberfläche. Hier stellten sich in Nähe der
Werkstückunterseite starke Riefen und Schlieren an den
Schnittflächen mit einer erheblichen Ansammlung von Gekrätz ein. Außerdem kam es zu einer erheblichen Schnitterweiterung·
Aus den vorstehend beschriebenen experimentellen Versuchen ergibt sich, daß günstigste Bearbeitungsverhältnisse vorliegen,
wenn beim Durchstechen bzw. beim Durchlochen des Werkstücks die Fokusposition bzw. der Brennpunkt 0 der
Laserstrahlen LB sich in einer Tiefe von etwa 2/3 der Plattendicke unterhalb der Plattenoberfläche SQ des Werkstücks
befindet, und wenn bei der Durchführung des Schneidvorgangs die Fokusposition 0 in einer Tiefe von etwa 1/3
der Plattendicke, gemessen von der Oberseite des Werkstücks W, gehalten wird.
Zusätzlich zu der Justierung der Fokusposition 0 nach Maßgabe der Plattendicke der verschiedenen Werkstücke W empfiehlt
es sich, die Fokusposition 0 der Laserstrahlen LB auch in Abhängigkeit von den Bearbeitungsbedingungen einzustellen,
indem das die Sammellinse aufweisende bewegliche Rohrelement 61 mit Hilfe des Justiermotors 63 in Vertikalrichtung
verstellt wird. Auf diese Weise läßt sich eine genauere Bearbeitung des Werkstücks durchführen.
Die Erfindung ist nioht auf das oben beschriebene bevor-
zugte Ausfuhrungsbeispiel beschränkt. Dieses läßt sich in verschiedener Hinsicht ändern, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen.
Claims (15)
1.) Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine mit einer Laserstrahl-Schneidvorrichtung
zur Fokussierung des Laserstrahles und einem Laserstrahl-Generator zur Erzeugung
des Laserstrahles und zur Zuführung desselben zu der Laserstrahl-Schneidvorrichtung, dadurch gekennzeichnet,
daß die Laserstrahl-Schneidvorrichtung (5) und der Laserstrahl-Generator (3) über eine Befestigungsvorrichtung
(75, 77) zu einer Konstruktionseinheit verbunden sind.
2. Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahl-Schneidvorrichtung
(5) und der Laserstrahl-Generator (3) jeweils einen Unterbau (7, 71), z.B. einen Grundrahmen od.dgl.,
aufweisen, wobei der Unterbau (7) der Laserstrahl-Schneidvorrichtung (5) einen, vorzugsweise an einem
Ständer (9) angeordneten Kopfbalken (11) mit einer
Spiegelvorrichtung (59) und einer Sammellinse trägt, während der Unterbau (71) des Laserstrahl-Generators
(3) einen den Laserstrahl erzeugenden Laserstrahl-Resonator (73) trägt.
3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbau (7) der Laserstrahl-Schneidvorrichtung
(5) und der Unterbau (71) des Laserstrahl-Resonators (73) über die Befestigungsvorrichtung (75, 77) verbunden
sind.
4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Befestigungsvorrichtung ein Verbindungsglied (75) und ein längliches Verbindungsorgan
(77) aufweist.
- υ
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Unterbau (71) des Laserstrahl-Resonators (73) an der den Ständer (9) des Kopfbalkens
(11) aufweisenden Seite des Unterbaus (7) der Laserstrahl-Schneidvorrichtung (5) angeschlossen ist.
6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5# dadurch gekennzeichnet,
daß die Achse des Laserstrahl-Auslasses
(83) des Laserstrahl-Resonators (73) mit der Achse eines am Kopfbalken (11) angeordneten Kanals (65) fluchtet,
derart, daß der erzeugte Laserstrahl (LB) auf einer geraden Strecke auf die Spiegelvorrichtung (59)
trifft.
7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Laserstrahl-Auslaß (83) mit dem Kanal (65) horizontal angeordnet ist.
8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 "bis 7„ gekennzeichnet
durch eine an dem Unterbau (71) des Laserstrahl-Resonators (73) angeordnete Horizontal-Justiervorrichtung
(87) zur Seitenjustierung des Laserstrahl-Resonators (73) gegenüber der Laserstrahl-Schneidvorrichtung
(5).
9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
mit Hilfe der Horizontal-Justiervorrichtung (87) der Laserstrahl-Resonator (73) gegenüber dem Unterbau (7)
der Laserstrahl-Schneidvorrichtung (5) in Richtung der Y-Achse (21) und senkrecht hierzu in Richtung der
X-Achse (27) justierbar ist.
10. Maschine nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet,
daß die Horizontal-Justiervorrichtung (87) mindestens ein die Justierung in Richtung der X-Achse
(27) bewirkendes Justierorgan (89) aufweist, das in Gewindeverbindung mit Seitenplatten des Unterbaus (71)
des Laserstrahl-Resonators (73) steht, und daß sie ferner mit mindestens einem die Justierung in Richtung
der Y-Achse (21) bewirkenden Justierorgan (91) versehen ist, welches in Schraubverbindung mit Endplatten
dieses Unterbaus (71) steht.
11. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß eine am Unterbau (7) der Laserstrahl-Schneidvorrichtung (5) angeordnete
WerkstUck-Posltlonierungsvorrlchtung (17) zur Zu- und Abführung eines Werkstücks (W) zu bzw. von der Bearbeitungszone
unterhalb der Sammellinse vorgesehen ist, und daß die Werkstück-Positionierungsvorrichtung (17)
zwei Schlitten (19, 23) mit jeweils eigenem Schlittenantrieb (43» 53) aufweist, von denen der eine Schlitten
(19) in Richtung der Y-Achse (21) verschieblich auf einem Arbeitstisch des Unterbaus (7) gelagert ist,
während der andere Schlitten (23) auf dem erstgenannten Schlitten (19) senkrecht zu diesem Schlitten in
Richtung der X-Achse (27) verschieblich gelagert ist und eine Einspannvorrichtung (25) aufweist.
12. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Steuereinrichtung
(93) zur Berechnung des Laser-Arbeitsprogrammes aus den verschiedenen Daten einer Dateneingabevorrichtung
(97) sowie mit einem programmgesteuerten Servosystem (101) zur Steuerung der Werkstück-Positionierungsvorrichtung
(17) nach Maßgabe des Laser-Arbeitsprogramms versehen ist.
13. Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dateneingabevorrichtung (97) eine Dateneingabe (107)
für die Einstellung der Werkstück-Plattendicke, eine weitere Dateneingabe (109) für die Einstellung der
Werkstoffdaten des Werkstücks (W), ferner eine Eingabe
(111) für die Einstellung des Multiplikationsfaktors
sowie eine Eingabe (113) für die Einstellung der
Daten fUr die Anfangspositionierung des Werkstücks (W) aufweist, und daß die Steuereinrichtung (93) mit
einer Programmiervorrichtung (95) und einer numerischen Steuerung (99) versehen ist.
14. Maschine nach Anspruch 12 oder 13» dadurch gekennzeichnet,
daß eine Foragebungavorrichtung (103) zur
Zuführung der Profildaten (Schablonendaten u.dgl.) zu der Steuereinrichtung (93) vorgesehen ist.
15. Verfahren zur Laserstrahl-Bearbeitung von Werkstücken mittels einer Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine, insbesondere
einer solchen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, die eine Sammellinse aufweist,
welche mit ihrem Rohrglied zur Änderung der Fokusposition mittels einer Justiervorrichtung verstellbar
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokusposition (0) bei der Lochung des Werkstücks (W) auf etwa
2/3 der Werkstückdicke, gemessen von der Werkstückoberseite, und bei der Schneidarbeit auf etwa 1/3
der Werkstückdicke, gemessen von der Werkstückoberseite eingestellt wird«,
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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8364 | No opposition during term of opposition |