DE4211305C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungs­ losen Erfassen von Daten einer thermischen Bearbeitungs­ maschine mit mindestens einem Bearbeitungswerkzeug und einem Werkstück, das an einen Wechselspannungsgenerator angeschlossen und mit einem Wechselspannungssignal be­ aufschlagt ist, der mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, die Feldveränderungen erfaßt nach DE-Patent 41 32 65.

Bei thermischen Bearbeitungsverfahren einschließlich der Lasertechnik müssen zur Erreichung optimaler Schnitt­ qualität vor Schneidbeginn und während des Schnittes die Abstände Unterkante Düsenspitze zur Werkstückober­ fläche konstant bleiben. Gleichzeitig besteht die For­ derung, daß der Bedienmann freie Sicht zum Bearbeitungs­ ort haben muß, um in Fehlerfällen, die nicht automatisch erkannt werden, manuell reagieren zu können. Desgleichen sind Anbauten im Bereich der Düsenspitzen hinderlich für das Schneiden nicht ebener Werkstücke, da die Schneidgeschwindigkeiten und zulässigen Blechschrägen beschränkt werden müssen.

Die Forderungen der Schneidanwendungstechnik können da­ her nur realisiert werden, wenn die Störkontur der Bren­ ner bzw. Schneidköpfe nicht durch Abtastorgane vergrö­ ßert werden.

Die kostengünstigsten Abstandsmeßmethoden sind kapazi­ tive Verfahren. Dabei ist bekannt, koaxial um die Düse angebaute Ringe als Sensierelement zu benutzen, um keine Richtungsabhängigkeit in der X-Y-Schneidebene zu erhal­ ten.

Weiterhin gibt es Signalauswertemethoden, die mit Schwing­ kreisen arbeiten, deren Frequenzverschiebung infolge Kapazitäts- bzw. Abstandsänderung der Sensierelemente zum Werkstück gemessen wird. Bei einem solchen Verfahren müssen dicht an der Düsenspitze LC-Glieder eingebaut werden, um die Mittenfrequenz des Schwingkreises kon­ stant zu halten.

Bei diesen schwingkreisgestützten Meßsystemen ist ein hoher technischer Aufwand notwendig, um LC-Glieder in Form von feinen, im Betrieb nicht beweglichen Draht­ windungen nahe der Düsenspitze zu positionieren (DE 27 47 539 C2, DE 28 29 851 A1). Besonders empfindlich reagieren solche Systeme mit Driften auf Temperaturein­ flüsse, so daß hier weiterer Aufwand für die Temperatur­ kompensation (EP 02 94 324 B1) aufgewendet werden muß. Übergangswiderstände sind bei solchen Methoden stark signalbeeinflussend, so daß Trennstellen im eigentlichen Sensierelement nicht erlaubt sind. Durch manuellen oder durch automatischen Düsenwechsel werden bei schwing­ kreisgestützten Systemen die zuverlässige Kontaktierung des Sensierelementes gestört, da aufgebrachte dünne Leitschichten auf dem keramischen Isolator zur Maschine beschädigt werden. Der Systemarbeitspunkt verschiebt sich bei Änderung der Zuleitungslänge und deren Kapa­ zität infolge von Temperatur- oder Vorformungseinfluß. Gleicher negativer Effekt wird durch in der Nähe befind­ liche Metallteile gebildet, da zusätzliche Parasitär­ kapazitäten entstehen. Durch all diese Effekte entsteht eine große Zahl von speziellen Abtastsystemen verbunden mit einer großen Teilevielfalt und Empfindlichkeit auf Toleranzen und Verschleißzustände, die im praktischen Betrieb auftreten. Es müssen stets teure Düsen mit be­ sonderer Oberflächengüte eingesetzt werden.

Desweiteren gibt es die Vorrichtung nach dem DE-Patent 41 32 651, die das Werkstück als Sender benutzt und das Sensierelement als Empfänger, wobei auftretende Phasenverschiebungen zwischen dem Sende- und Empfangssignal ein Maß für den Abstand sind.

Diese Vorrichtung mit einem Empfänger wird für ring- und plättchenförmige Sensierelemente eingesetzt. Hier­ bei treten keine Temperatureinflüsse und Driften bzw. Betriebspunktverschiebungen auf. Parasitärkapazitäten lassen sind per Offset mit ein und derselben elektro­ nischen Ausrüstung kompensieren. Gleiches gilt für die Änderung der Zuleitungslänge, die typischerweise bis 20 m unkritisch ist. Die Teilevielfalt ist nicht ge­ geben. Mit dem Verfahren nach dem DE-Patent 41 32 651 können somit wesentliche Verbesserungen gegen­ über dem Stand der Technik erzielt werden, wobei die Vergrößerung der Störkontur des Bearbeitungswerkzeuges noch nachteilig ist.

Weitere Schwierigkeiten bringen Zusatzsysteme für die Erkennung von Hindernissen bzw. abgekippten Bauteilen, da bei hohen Maschinengeschwindigkeiten und entsprechen­ den Bremszeiten Havariegefahr mit Beschädigungen oder zumindest mit Maschinenstillstandzeiten die Folge sind. Ferner stören große Schnittfugen, die signalverfälschend auf kleine Sensierelemente wirken.

Ausgehend von dem zuletzt genannten Stand der Technik nach der DE-PS 41 32 651, der im Oberbegriff des Hauptan­ spruches berücksichtigt ist, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die bei mannarmen Schneidanlagen ohne häufige Betriebs­ störungen eingesetzt werden kann.

Durch die Erfindung werden Anbauten im Düsenbereich des Bearbeitungswerkzeuges vermieden, weil die an sich be­ kannte Düse eines Autogen- oder Plasmabrenners oder ei­ nes Laserschneidkopfes ohne zusätzlich angebrachte Emp­ fangsteile der Empfänger ist. Dabei ist das als Werk­ stücksender-/Empfänger-Vorrichtung aufgebaute ther­ mische Bearbeitungswerkzeug aufgrund der Strommessung so robust, daß es im rauhen Schneidbetrieb keine Sonder­ behandlung braucht, da Übergangswiderstände nicht be­ rücksichtigt werden müssen. Dies führt einerseits dazu, daß die für eine "zuverlässige" Kontaktierung beim Stand der Technik aufgebrachte dünne Leitschicht entfallen kann, was die Handhabung erleichtert und die Sensierung verbessert und es andererseits erlaubt, mehrere, bei­ spielsweise zwei Teile des thermischen Bearbeitungswerk­ zeuges elektrisch leitend und mechanisch lösbar mitein­ ander zu verbinden. Durch diese Aufteilung des Sensier­ elementes in zwei oder mehrere Teile des Bearbeitungs­ werkzeuges ist es möglich, das der Düse nachfolgende Teil mit der Auswerteeinheit zu verbinden, so daß das "Verschleißteil" Düse frei ist von Anschlüssen und ein­ fach manuell oder automatisch ausgetauscht werden kann. Dies geht nur, wie bereits eingangs erläutert wurde, weil die Übergangswiderstände, wie sie z. B. die Ver­ schraubung der Düse mit dem nachfolgenden, elektrisch leitenden Teil darstellen, das Meßsignal nicht ver­ fälschen. Diese Übergangswiderstände können unberück­ sichtigt bleiben, weil sie die Signalamplitude reduz­ ieren, diese jedoch nicht ausgewertet wird. Die para­ sitären Kapazitäten infolge des Gewindes werden über den Nullabgleich des Sensors kompensiert.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, elek­ trisch leitende Teile des thermischen Bearbeitungswerk­ zeuges voneinander isoliert anzuordnen, beispielsweise durch das Anordnen von Isolatoren zwischen den Teilen, so daß jedes Teil ein Sensierelement bildet. Die ein­ zelnen Sensierelemente können bei Bedarf auch wieder aus mehreren lösbaren Teilen bestehen. Dies ist beson­ ders dann wichtig, wenn wie oben bereits beschrieben, ein Sensierelement aus einem Verschleißteil, z. B. der Düse besteht, welches gewechselt werden muß. Auf diese Weise kann der komplette Schneidbrenner oder der Laser­ schneidkopf als Multisensor ausgebildet werden, wobei die Teile über eine Umschalteinrichtung einzeln oder ge­ meinsam aktiv geschaltet werden können. In der Auswerte­ einheit erfolgt dabei eine automatische Anpassung an die aktiv geschalteten Teile des Bearbeitungswerkzeuges.

Die aktiv geschalteten Teile des Laserschneidkopfes oder des Schneidbrenners können zu unterschiedlichen elek­ trischen Funktionen für die Bearbeitungsmaschine heran­ gezogen werden, wie Abstandsmessung, Havarieerkennung, Fernhavarieerkennung etc. oder für zusätzliche mecha­ nische Funktionen, wie Schutz des Laserschneidkopfes oder des Schneidbrenners gegen vom Werkstück rückge­ strahlte Energie aus dem eigentlichen Schneidprozeß.

So kann der Schutz gegen rückgestrahlte Energie bei­ spielsweise durch größeren oder zumindest gleichen Durchmesser des oberen Teils des unteren Sensierele­ nentes wie die weiter oben liegenden Brennerteile bzw. Schneidkopfteile und/oder geeignete Materialwahl mit großem Reflektionskoeffizienten für die betreffende Wellenlänge erreicht werden, während die Abstandsmessung mit der Düse/dem Schutz als Empfänger realisiert wird und das der Düse/dem Schutz nachfolgende Teil mit größerem Erfassungsbereich für die Havarieerkennung eingesetzt wird. Aufgrund des größeren Erfassungs­ bereiches des nachfolgenden Teiles kann die Düse vor Havarie z. B. mit abgekippten Bauteilen sicher geschützt werden.

Isolierte Teile und elektrisch miteinander verbundene Teile können gleichzeitig Bestandteil eines Bearbeitungs­ werkzeuges sein, wobei Teile des Laserschneidkopfes je nach technologischer Erfordernis für eine Funktion elek­ trisch verbunden werden und so ein Sensierelement mit größerer Integrationswirkung bilden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Bearbeitungswerkzeug mit zwei elektrisch leitenden Teilen die lösbar miteinander ver­ bunden sind.

Fig. 2 ein Bearbeitungswerkzeug mit zwei elektrisch leitenden Teilen die über einen Isolator lös­ bar verbunden sind.

In den Figuren ist ein Bearbeitungswerkzeug für eine technische Bearbeitungsmaschine dargestellt und mit 10 bezeichnet. Das Bearbeitungswerkzeug kann beispiels­ weise ein Plasma- oder Autogenschneidbrenner oder ein Laserschneidkopf sein, deren Aufbau und Funktion an sich bekannt sind und daher nicht näher beschrieben werden müssen. Bestandteil des Bearbeitungswerkzeuges 10 ist die Brennerdüse 11, die mechanisch lösbar über ein Gewinde oder eine vergleichbare Verbindung an dem zum Werkstück 12 weisenden Brennerkopf befestigt ist.

Zur Erreichung optimaler Schnittqualität ist es bei thermischen Bearbeitungsverfahren einschließlich der Lasertechnik erforderlich, vor Schneidbeginn und wäh­ rend des Schnittes die Abstände von der Unterkante der Düse 11 zur Oberfläche des Werkstückes 12 konstant zu halten. In dem DE-Patent 41 32 651 wird hierzu das Werkstück 12 als Sender benutzt und das Sen­ sierelement als Empfänger, wobei auftretende Phasenver­ schiebungen zwischen dem Sende- und Empfangssignal ein Maß für den Abstand sind.

Die Erfindung macht von dem im Hauptpatent beschriebenen Sensierverfahren gebrauch, wobei gemäß der Erfindung der Empfänger die Düse 11, das Bearbeitungswerkzeug 10 und/oder Teile 13, 14 des thermischen Bearbeitungswerk­ zeuges sind. In Fig. 1 ist eine elektrisch leitende Düse 11 mit einem elektrisch leitenden Teil 13 mechanisch lösbar verbunden. An dem Teil 13 ist über Anschluß 15 und die geschirmte Meßleitung 26 die Auswerteeinheit 16 angeschlossen. Die geschirmte Meßleitung 26 kann auch koaxial zum Schneidsauerstoffkanal bzw. zur Werkzeug­ mittelachse geführt werden.

Da der Aufbau und die Funktion der Auswerteeinheit im DE- Patent 41 32 651 näher beschrieben ist bedarf es hierzu keinerlei Ausführungen.

Über einen Isolator 17 ist die Düse 11 und das Teil 13 gegenüber den verbleibenden Teilen des Bearbeitungswerk­ zeuges isoliert. Durch die Verbindung der Auswerteein­ heit 16 mit dem Teil 13 und die elektrisch leitende Ver­ bindung des Teiles 13 mit der Düse 11 ist ein einfacher manueller oder automatischer Düsenwechsel möglich, da keine Anschlüsse an der Düse vorhanden sind. Hinzu kommt, daß durch das im Hauptpatent beschriebene Sensierver­ fahren nach einem Düsenwechsel ohne Justierarbeiten wei­ tergearbeitet werden kann, da die auftretenden Übergangs­ widerstände die auszuwertenden Phasenverschiebungen zwischen Sende- und Empfängersignal nicht verändern.

In Fig. 2 ist die elektrisch leitende Düse 11 über einen Isolator 18 mit einem weiteren elektrisch leiten­ den Teil 14 mechanisch lösbar verbunden, das seinerseits über einen Isolator 19 gegenüber den verbleibenden Teilen 20 des thermischen Bearbeitungswerkzeuges 10 isoliert ist. Teil 14 und Düse 11 sind über die Anschlüsse 21, 22 und die geschirmten Meßleitungen 27, 28 an eine elek­ trische Umschaltung 23 angeschlossen und wirken so als Sensierelemente bzw. Empfänger einzeln oder gemeinsam.

Dabei ist es selbstverständlich auch möglich, der Düse 11 ein mit ihr elektrisch leitend verbundenes Teil 13 zuzuordnen, um die im Zusammenhang mit Fig. 1 be­ schriebenen Vorteile bei einem Düsenwechsel beizube­ halten.

In der Auswerteeinheit 16 ist eine automatische An­ passung 24 an die aktiv geschalteten Teile 11, 14 des Bearbeitungswerkzeuges 10 vorgesehen. Die automatische Anpassung 24 besteht aus einer Verstärkungsanpassung an die geometrischen und physikalischen Umgebungsverhält­ nisse und bewirkt einen weiterverarbeitbaren Nutzsi­ gnalbereich. Die aktiv geschalteten Teile 11, 13, 14 des Bearbeitungswerkzeuges 10 werden zu unterschied­ lichen elektrischen Funktionen für die Gesamtschneid­ maschine herangezogen wie Abstand, Havarie, Fernhavarie, etc. oder für zusätzliche mechanische Funktionen, wie Schutz des Bearbeitungswerkzeuges gegen vom Werkstück 12 rückgestrahlte Energie aus dem eigentlichen Schneidprozeß.

So hat beispielsweise Teil 14 einen größeren Erfassungs­ bereich wie die im Durchmesser schmälere Düse 11 (Fig. 2) und erkennt daher z. B. gekippte Bauteile bevor diese mit der Düse 11 kollidieren können. Selbstverständlich können die isolierten Teile 11, 13, 14 des Bearbeitungs­ werkzeuges 10 je nach technologischem Erfordernis für eine Funktion elektrisch verbunden werden und so ein Sensierelement mit größerer Integrationswirkung bilden. Hierdurch werden kleine Störungen im Erfassungsbereich gemittelt und aufgrund der Größenverhältnisse schein­ bar ausgeblendet.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen von Daten einer thermischen Bearbeitungsmaschine mit mindestens einem Bearbeitungswerkzeug und einem Werkstück, das an einen Wechselspannungsgenerator angeschlossen und mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt ist, wodurch es als Sender wirkt und dem Werkstück gegen­ überliegend ein Empfänger angeordnet ist, der mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, die Feldver­ änderungen erfaßt, nach DE-Patent 41 32 651, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger mindestens ein elektrisch von der Bearbeitungsmaschine isoliertes Teil (11, 13, 14) des Bearbeitungswerkzeuges (10) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch von der Bearbeitungsmaschine isolierte Teil die Düse (11) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch von der Bearbeitungsmaschine isolierte Teil der Brenner (10) ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Teile (11, 13) lösbar und elek­ trisch leitend miteinander verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das eine elektrisch von der Bearbeitungsmaschine isolierte Teil die Düse (11) ist und das andere Teil (13) mit der Auswerteeinheit (16) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Teile (11, 14) elektrisch leitend sind und über einen Isolator (18) miteinander ver­ bunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerteeinheit (16) eine elektrische Um­ schalteinrichtung (23) zugeordnet ist, mittels der die einzelnen Teile (11, 14) des Bearbeitungswerk­ zeuges (10) einzeln oder gemeinsam aktiv schaltbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (16) eine Anpasschaltung aufweist, mittels der die Auswerteeinheit (16) auf die aktiv geschalteten Teile (11, 14) einstellbar ist.