DE102012209079B3

DE102012209079B3 - Verfahren zur Bearbeitung von stabartigen Werkstücken, Bearbeitungsmaschine und Abstützeinrichtung

Info

Publication number: DE102012209079B3
Application number: DE201210209079
Authority: DE
Inventors: Christian Boettcher; Werner Dilger
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2032-05-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines stabartigen Werkstücks (2) mittels eines aus einem Bearbeitungskopf austretenden thermischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere mittels eines Laserstrahls, umfassend: Einspannen des Werkstücks (2) an zwei entlang einer Vorschubrichtung (X) des Werkstücks beabstandeten Spanneinrichtungen, Abstützen des Werkstücks (2) mittels mindestens eines Stützelements (23), wobei das Stützelement (23) in Vorschubrichtung (X) nach den Spanneinrichtungen angeordnet ist, sowie Drehen des stabartigen Werkstücks (2) um seine Längsachse beim Bearbeiten des Werkstücks (2) mit dem Bearbeitungsstrahl an einer Bearbeitungsstelle. Bei dem Verfahren wird eine der Spanneinrichtungen oder das Stützelement (23) beweglich gelagert und führt während der Drehbewegung des Werkstücks (2) eine Ausgleichsbewegung in mindestens eine von der Vorschubrichtung (X) abweichende Richtung (Y, Z) aus. Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsmaschine sowie eine Abstützeinrichtung (29) mit mindestens einem beweglich gelagerten Stützelement (23).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines stabartigen Werkstücks mittels eines thermischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere mittels eines Laserstrahls, sowie eine Bearbeitungsmaschine, insbesondere eine Laserbearbeitungsmaschine, zum Bearbeiten von stabartigen Werkstücken. Die Erfindung betrifft auch eine Abstützeinrichtung zur Abstützung eines stabartigen Werkstücks an einer solchen Bearbeitungsmaschine.
Stabprofile mit großem Querschnitt sind sehr steif und in handelsüblicher Ausführung nach geltenden Normen ungerade. Für die Hersteller von stabartigen Bauteilen ist es interessant, solche ungeraden Profile ohne Einbußen bei der Konturgenauigkeit bearbeiten zu können. Die Herausforderung liegt bei der Bearbeitung stabartiger Werkstücke darin, die maßlichen Abweichungen bei der Bearbeitung gering zu halten und Schäden am Werkstück und der Bearbeitungsmaschine zu vermeiden.
Unter einem stabartigen Werkstück wird im Rahmen dieser Anmeldung ein länglicher Körper (ein längliches Werkstück) verstanden, dessen Länge in der Regel wesentlich größer als sein Querschnitt ist und der aus einem im Wesentlichen unflexiblen Material gefertigt ist. Stabartige Werkstücke können eine beliebige offene oder geschlossene Querschnittsform (auch Vollprofile) aufweisen, wobei Rund- und Rechteckrohre die gebräuchlichsten stabartigen Werkstücke darstellen.
1 zeigt eine als ”TruLaser Tube” bekannte Bearbeitungsanlage 1 zum Bearbeiten, genauer gesagt zum Laserschneiden von Rohren 2, die als Laserschneidanlage bezeichnet wird und zur Bearbeitung von stabartigen Werkstücken mit einer beliebigen Querschnittsform ausgebildet ist. Die gezeigte Laserschneidanlage 1 umfasst eine Zuführvorrichtung 3 zur Zufuhr eines zu schneidenden Werkstücks 2 zu der Bearbeitungsvorrichtung 4, die zum Laserschneiden von Werkstückteilen aus dem Werkstück 2 an der Bearbeitungsstelle F dient. Die Zuführvorrichtung ist auf der sog. „Rohteilseite” der Laserschneidanlage 1 angeordnet. Außerdem weist die Laserschneidanlage 1 eine Entladevorrichtung 5 zum Entladen der geschnittenen Werkstückteile auf, die sich auf der sog. „Gutteilseite” der Laserschneidanlage befindet. Alle wesentlichen Funktionen der Laserschneidanlage 1 werden mittels einer numerischen Steuerungsvorrichtung 6 gesteuert.
Die Zuführvorrichtung 3 umfasst eine als Werkstück-Bewegungseinrichtung dienende Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 sowie ein Maschinenbett 8 mit Führungsschienen 9 und eine Durchschiebeeinrichtung 10. Die Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 ist motorisch angetrieben in Vorschubrichtung 11 (welche der X-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems entspricht) auf den Führungsschienen 9 verfahrbar. An der einem zuzuführenden Rohr 2 zugewandten Seite weist die Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 eine Spanneinrichtung 12 auf, welche in Richtung des Doppelpfeils 13 gesteuert drehbar ist und das zugeführte Werkstück 2 von außen und/oder innen umfasst und ortsfest klemmt. Das zugeführte Werkstück 2 kann von mindestens einem in das Maschinenbett 8 integrierten Stützelement 14 abgestützt werden. Im Bereich der Bearbeitungsvorrichtung 4 wird das Werkstück 2 durch die Durchschiebeeinrichtung 10 geführt. Die Durchschiebeeinrichtung 10 weist ein Spannfutter 21 auf und ist so ausgelegt, dass das eingespannte Werkstück 2 in Vorschubrichtung 11 geführt, aber nicht ortsfest geklemmt ist. Das Werkstück 2 ist in der Durchschiebeeinrichtung 10 um die Drehachse 13 drehbar.
Die Bearbeitungsvorrichtung 4 umfasst eine Laserstrahlquelle 15 zum Erzeugen eines Laserstrahls 16, einen Bearbeitungskopf 17 und eine Strahlführung 18, die den Laserstrahl 16 von der Laserstrahlquelle 15 zum Bearbeitungskopf 17 führt. Der Laserstrahl 16 tritt aus dem Bearbeitungskopf 17 aus und wird an einer Bearbeitungsstelle F auf die Außenumfangsfläche des eingespannten Werkstücks 2 fokussiert. Auf der dem Maschinenbett 8 abgewandten Seite der Durchschiebeeinrichtung 10 ist die Entladevorrichtung 5 vorgesehen, die die aus dem Werkstück 2 geschnittenen Werkstückteile sowie das Restwerkstück aus der Laserschneidanlage 1 abführt.
Um die Produktivität der Laserschneidanlage 1 zu erhöhen, weist die in 1 gezeigte Laserschneidanlage 1 eine Beladevorrichtung 19 als Automatisierungskomponente auf, mit der ein Rohr 2 automatisch in eine Übergabeposition befördert und an die Zuführvorrichtung 3 der Laserschneidanlage 1 übergeben wird. Die maschinelle Anordnung aus Laserschneidanlage 1 und der Beladevorrichtung 19 wird als Fertigungszelle 20 bezeichnet.
Wenn das über die Beladevorrichtung 19 zugeführte stabartige Werkstück 2 in der Übergabeposition angeordnet ist, befindet sich die Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 zunächst in einer bearbeitungskopffernen Ausgangsstellung. Zur Werkstückbearbeitung verfährt die Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 aus ihrer Position mit geöffneter Spanneinrichtung 12 so weit in Richtung auf das zugeführte Werkstück 2 zu, bis das dem Bearbeitungskopf 17 abgewandte Ende des Werkstücks 2 innerhalb der Spanneinrichtung 12 zu liegen kommt. Die Spanneinrichtung 12 wird geschlossen und dadurch das Werkstück 2 an der Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 ortsfest geklemmt. Die Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 und das Werkstück 2 bewegen sich gemeinsam in Richtung auf den Bearbeitungskopf 17 zu. Dabei läuft das Werkstück 2 mit seinem dem Bearbeitungskopf 17 zugewandten Ende zunächst in die Durchschiebeeinrichtung 10 ein, wird gespannt und wird in Vorschubrichtung 11 durch die Durchschiebeeinrichtung 10 hindurch bewegt. Das Werkstück 2 wird in der Durchschiebeeinrichtung 10 in Vorschubrichtung 11 geführt, aber nicht ortsfest geklemmt, so dass es in der Durchschiebeeinrichtung 10 um die Drehachse 13 drehbar und in Längsrichtung verschiebbar ist. Das Werkstück 2 wird durch die Verfahrbewegung der Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 in Vorschubrichtung 11 gegenüber dem Bearbeitungskopf 17 in die gewünschte Bearbeitungsposition zugestellt.
Ein ungerades stabartiges Werkstück 2 wird in der Dreh- und Vorschubeinrichtung (Vorschubstation) 7 und der Durchschiebeeinrichtung 10 der Laser-Bearbeitungsmaschine 1 zentrisch gespannt, d. h. das ungerade Werkstück 2 wird nur an zwei Stellen um eine Achse gedreht, welche die ideale Spannmitte darstellt. Bis auf einzelne singuläre Stellen, und zwar die Einspannstellen an der Spanneinrichtung 12 der Vorschubstation 7 und der Spanneinrichtung 21 der Durchschiebeeinrichtung 10, drehen sich einige oder alle restlichen Punkte des Werkstücks 2 exzentrisch um die ideale Spannmitten-Achse 22 (vgl. 2), deren Richtung mit der Vorschubrichtung 11 bzw. der X-Richtung übereinstimmt. Die Spanneinrichtungen 12, 21, die Unterstützungselemente 14 zwischen den Spanneinrichtungen 12, 21 sowie ein in 2 dargestelltes, auf der Gutteilseite angeordnetes, d. h. der Bearbeitungsstelle F in Vorschubrichtung 11 nachgeordnetes Stützelement 23 für das Rohr 2 sind jedoch auf die ideale Spannmitten-Achse 22 eingestellt. Dadurch ergeben sich bei der Bearbeitung ungerader Rohre mehrere Probleme:
Das Werkstück 2 weicht an der Bearbeitungsstelle F während der Bearbeitung in Y- und Z-Richtung des in 1 gezeigten XYZ-Koordinatensystems von der Ideallinie ab. Die Folge ist eine Konturabweichung der geschnittenen Kontur in Y- und Z-Richtung. Dies gilt besonders beim Schrägschnitt, bei dem der Bearbeitungskopf 17 nicht immer wie in 1 gezeigt in Z-Richtung ausgerichtet ist, sondern unter einem Winkel zur Z-Richtung verläuft und einen vergrößerten Abstand zur Spannstelle aufweist.
Die zusätzlich zur Vorschubstation 7 und zur Durchschiebeeinrichtung 10 vorhandenen Rohrunterstützungen 14, 23 auf der Rohteil- und/oder der Gutteilseite sind in Y- und Z-Richtung auf die ideale Spannmitten-Achse 22 ausgerichtet. Da sich das ungerade Werkstück 2 an diesen Stellen nicht zentrisch um die ideale Spannmitten-Achse 22 dreht, werden die Unterstützungen 14, 23 durch die überbestimmte Führung und Unterstützung des Werkstücks 2 hoch belastet. Bei einer kompletten Drehung des Werkstücks 2 wechselt die Belastung auf die Rohrunterstützungen 14, 23 von sehr hoch bis zur vollkommenen Entlastung.
Je nach Abarbeitungszustand, d. h. dem Abstand zwischen der Vorschubstation 7 und der Durchschiebeeinrichtung 10 sowie der Länge des Gutteils ändern sich die Stütz- und Haltekräfte in den beiden Spanneinrichtungen 12, 21 erheblich. In der Folge können die Spannkräfte deutlich überschritten werden. Damit kommt es zu einer Abweichung des Werkstücks 2 von der Spannmitten-Achse 22.
Zudem kann das ungerade stabartige Werkstück 2 bei der Erstspannung ggf. unter einem von der idealen Richtung abweichenden Winkel α eingespannt werden (vgl. 2). Mit zunehmender Abarbeitung des Werkstücks 2, d. h. mit Verkürzung des Abstands zwischen Vorschubstation 7 und Durchschiebeeinrichtung 10, verändert sich der Einspannwinkel α. Die daraus resultierende Krafteinwirkung auf das Werkstück 2 kann dazu führen, dass sich das Werkstück 2 in X-Richtung aus der gewünschten Spannstelle heraus verschiebt. Dadurch können bei der Bearbeitung Maßabweichungen auch in X-Richtung auftreten.
Es sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die beschriebenen Probleme zu verringern. So können z. B. maßliche Abweichungen der geschnittenen Konturen klein gehalten werden, indem der Abstand in X-Richtung zwischen der Bearbeitungsstelle F und der Spanneinrichtung 21 an der Durchschiebeeinrichtung 10 möglichst gering gewählt wird.
Aus der JP2010-110775 A ist es bekannt, zum Vermindern von Vibrationen an einem rohrförmigen Werkstück in einer Laser-Rohrbearbeitungsanlage zur Abstützung des rohrförmigen Werkstücks eine langgestreckte Werkstückauflage mit mehreren halbzylinderförmigen Stützelementen vorzusehen.
Für Drehmaschinen ist es bekannt, den Rundlauf eines Werkstücks bei der Bearbeitung zu verbessern. Beispielsweise ist es aus der DE 10 2006 035 164 B4 bekannt, den Taumelschlag bzw. eine drehpositionsabhängige Fehllage eines einseitig in einer Spindel eingespannten Werkstücks zu messen und daraus Stellgrößen für eine dynamische Verstellung der Spindel-Drehachse zu ermitteln, um den Taumelschlag zu kompensieren. Die dynamische Verstellung kann hierbei insbesondere auf eine solche Weise erfolgen, dass der Drehbewegung der Arbeitsspindel eine Taumelbewegung überlagert wird.
Aus DE 10 2005 007 038 B4 ist eine ähnliche Vorrichtung mit einem Werkstückspindelstock bekannt geworden, wobei mit Stellantrieben, die auf eine Spanneinrichtung wirken, die Spanneinrichtung motorisch ausrichtbar ist, um die Exzentrizität eines einseitig eingespannten Werkstücks aufzuheben.
Aus DE 39 290 10 A1 ist es bekannt, den Rund-/Planlauf eines einseitig eingespannten Werkstücks an einer Drehmaschine zu erreichen, indem elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigbare Stellelemente auf den Spannkörper und/oder auf einzelne Spannbacken einwirken.
Aus DE 10 2007 020 633 B4 , EP 1 575 739 B1 und WO 2010/018409 A2 sind Spannvorrichtungen für längliche Werkstücke bekannt, die mit Hilfe von Stellmitteln eine Justierung des Werkstücks im eingespannten Zustand erlauben: In der DE10 2007 020 633 B4 ist ein Antriebskörper des Spannfutters relativ zu einem Grundkörper verschwenkbar gelagert, in der EP 1 575 739 B1 weist das Spannfutter zwei voneinander beabstandete justierbare Spanneinheiten zur definierten Verstellung in Radialrichtung sowie zwei axial versetzte Messaufnehmer auf, um geeignete Stellgrößen für den Rundlauf eines rotierend antreibbaren Teils zu berechnen. In der WO 2010/018409 A2 kann das Spannfutter als Ganzes gegenüber einer Trägerplatte radial bewegt und verkippt werden, um sicherzustellen, dass ein eingespanntes Objekt an einer Bearbeitungsposition – aber nicht notwendiger Weise an dem Spannfutter – zentriert ist.
In der US 6 335 508 B1 ist ein Handhabungssystem für Rohre beschrieben, welches lange Rohre mit stark unterschiedlichen Rohrdurchmessern aufnehmen kann. Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein erstes Paar von Rohrgreifern an einer ersten Seite eines Laserschneidkopfs und ein zweites Paar von Rohrhaltern ist an einer zweiten Seite des Laserschneidkopfs angeordnet. Die Rohrgreifer und die Rohrhalter können gemeinsam mit dem Laserschneidkopf entlang des Rohres bewegt werden, wobei sie ihre jeweiligen Positionen an der ersten und zweiten Seite des Laserschneidkopfs beibehalten.
In der JP 2012 076 142 A wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schneiden von langen Werkstücken mittels eines Laserstrahls beschrieben. Die Vorrichtung weist zwei in Längsrichtung des langen Werkstücks verschiebbare Stützelemente auf, an denen das Werkstück während des Schneidens bzw. nach dem Schneiden abstützbar ist.
Die WO 2011/023128 A1 beschreibt eine Rohrschneidemaschine mit einer doppelten Rohr-Abstützung. Ein erstes, ortsfestes Spannfutter und ein zweites Spannfutter. rotieren synchron und sind exakt zentriert. Wenn sich das zweite Spannfutter entlang des Rohres vor und zurück bewegt, spannen das erste und zweite Spannfutter das zu schneidende Rohr abwechselnd ein.
In der EP 1 002 622 B1 der Anmelderin ist eine Abstützeinrichtung für ein stangenartiges Werkstück mit mindestens einem Stützkörper beschrieben, der eine Aufnahme für das Werkstück aufweist, an deren Wandung das Werkstück in radialer Richtung abgestützt ist. Der Stützkörper ist mehrteilig ausgebildet mit wenigstens zwei Stützkörperteilen, die in radialer Richtung des Werkstücks (horizontal bzw. vertikal) relativ zueinander beweglich sind und mit Aufnahmeteilen, welche die Aufnahme für das Werkstück ausbilden.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Bearbeitungsmaschine zum thermischen Bearbeiten eines stabartigen Werkstücks sowie eine Abstützeinrichtung für eine solche Bearbeitungsmaschine dahingehend weiterzubilden, dass die Bearbeitung des stabartigen Werkstücks mit erhöhter Genauigkeit erfolgen kann.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum thermischen Bearbeiten, insbesondere zum Schneiden, eines stabartigen Werkstücks mittels eines thermischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere mittels eines Laserstrahls, umfassend: Einspannen des Werkstücks an zwei entlang einer Vorschubrichtung des Werkstücks beabstandeten Spanneinrichtungen, Abstützen des Werkstücks mittels mindestens eines Stützelements an mindestens einer in Vorschubrichtung nach den Spanneinrichtungen befindlichen Stelle, sowie Drehen des stabartigen Werkstücks um seine Längsachse beim Bearbeiten des Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl. Bei dem Verfahren wird entweder eine der Spanneinrichtungen oder das Stützelement beweglich gelagert und führt während der Drehbewegung des Werkstücks eine Ausgleichsbewegung in mindestens einer von der Vorschubrichtung abweichenden Richtung aus.
Um die auf die Spanneinrichtungen bzw. die Spannfutter sowie die Stützelemente von Abstützeinrichtungen bei der Drehung des Werkstücks wirkenden Kräfte zu vermindern wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, bei der Drehbewegung eines ungeraden stabförmigen Werkstücks Ausgleichsbewegungen einzelner Spanneinrichtungen oder Stützelemente zuzulassen. Dies führt zu einer erhöhten Genauigkeit bei der Bearbeitung, da sich das Werkstück nicht undefiniert an den Einspannstellen und/oder den Unterstützungsstellen verschiebt.
Zum Erzeugen einer Ausgleichsbewegung auf der Rohteilseite wird das stabartige Werkstück von der näher an der Bearbeitungsstelle angeordneten Spanneinrichtung zentrisch eingespannt und auf der Gutteilseite an mindestens einem Stützelement, z. B. an einer Formrolle, abgestützt. Die Abstützung erfolgt derart, dass die Einspannstelle des in der Spanneinrichtung zentrisch gespannten Werkstücks und die Lage des Zentrums des Werkstücks an der Unterstützungsstelle (bezogen auf eine Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung) dieselben Koordinaten (entsprechend der idealen Spannmitte) aufweisen. An der weiteren Spanneinrichtung, welche in der Regel an einer Dreh- und Vorschubeinrichtung gebildet ist, wird eine Ausgleichsbewegung zugelassen, um eine überbestimmte Lagerung des ungeraden, steifen Werkstücks zu vermeiden. Die Einspannstelle bzw. die Spanneinrichtung an der Dreh- und Vorschubeinrichtung kann hierbei eine exzentrische und/oder taumelnde Bewegung ausführen. Die Ausgleichsbewegung kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden.
In einer Variante wird die beweglich gelagerte Spanneinrichtung gelenkig gelagert, wobei der Drehpunkt der Lagerung außerhalb der Spannebene Liegt. Als Gelenk kann beispielsweise ein Kugellager als gelenkige Aufhängung dienen. In diesem Fall erfolgt die Ausgleichsbewegung nicht nur in einer Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung, sondern weist auch eine Bewegungs-Komponente in Vorschubrichtung auf, die steuerungstechnisch kompensiert werden kann. Durch die gelenkige Lagerung kann der Winkel bzw. die Ausrichtung der Spanneinrichtung (des Spannfutters) relativ zur Vorschubrichtung während der Drehbewegung des Werkstücks verändert werden.
In einer weiteren Variante wird die beweglich gelagerte Spanneinrichtung in einer Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung verschiebbar gelagert. In diesem Fall kann die Spanneinheit an der Dreh- und Vorschubeinrichtung beispielsweise in zwei zueinander senkrechten Richtungen (Y, Z) verfahrbar sein, z. B. indem die Spanneinheit in einem Rahmen bzw. Träger der Dreh- und Vorschubeinrichtung verfahrbar gelagert ist, um einen Momenten-Ausgleich in der Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung zu bewirken. Der Momenten-Ausgleich in Y-Richtung kann ohne das Vorsehen eines Antriebs erfolgen, der Momenten-Ausgleich in Z-Richtung erfolgt motorisch, d. h. mit Hilfe eines Antriebs, da die Gewichtskraft des Werkstücks und der Spanntechnik ausgeglichen werden muss.
Um die Krafteinwirkung auf das Werkstück zu vermindern, die aus dem sich mit zunehmender Abarbeitung verändernden Einspannwinkel resultiert, kann die Spanneinrichtung in einer weiteren Variante des Verfahrens gelenkig so gelagert werden, dass sich ein bzw. der Drehpunkt der Lagerung in der Ebene der Spannstelle (Spannebene) befindet. Durch diese gelenkige Lagerung können sich die Spannbacken der Spanneinrichtung nahezu kraftfrei auf den veränderlichen Einspannwinkel des Werkstücks an der Spannstelle einstellen.
Insbesondere kann die gelenkige Lagerung der Spanneinrichtung, die zur Anpassung an den veränderlichen Einspannwinkel dient, mit einer gelenkigen und/oder verschiebbaren Lagerung der Spanneinrichtung zur Anpassung an die exzentrische Bewegung kombiniert werden. Beispielsweise kann eine gelenkige Lagerung der Spanneinrichtung mit Hilfe von zwei Gelenken erfolgen, von denen eines einen Drehpunkt in der Spannebene und ein weiteres einen Drehpunkt außerhalb der Spannebene aufweist. Auf diese Weise kann die Spanneinheit an der Dreh- und Vorschubeinrichtung sowohl der taumelnden Bewegung des Werkstücks als auch der Änderung des Einspannwinkels folgen.
Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das stabartige Werkstück von der Spanneinrichtung, welche weiter entfernt zur Bearbeitungsstelle angeordnet, d. h. in der Regel an der Dreh- und Vorschubeinrichtung gebildet ist, zentrisch eingespannt und auf der Gutteilseite an mindestens einem Stützelement, z. B. an einer Formrolle, abgestützt. Die Abstützung erfolgt derart, dass die Einspannstelle des in der Spanneinrichtung zentrisch gespannten Werkstücks und die Lage des Zentrums des Werkstücks an der Unterstützungsstelle (bezogen auf eine Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung) dieselben Koordinaten (entsprechend der idealen Spannmitte) aufweisen. An der weiteren Spanneinrichtung, welche näher zur Bearbeitungsstelle angeordnet, d. h. in der Regel an der Durchschiebeeinrichtung gebildet ist, wird eine Ausgleichsbewegung zugelassen.
Bei dieser Verfahrensvariante wird bevorzugt die Ausgleichsbewegung der Spanneinrichtung in der Durchschiebeeinrichtung und/oder die Auslenkung des Werkstücks an der Bearbeitungsstelle gemessen und anhand des Messergebnisses die Position des Bearbeitungskopfs in einer Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung geregelt. Durch Nachführen des Bearbeitungskopfs wird die Ausgleichsbewegung bzw. die Auslenkung kompensiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgeführt werden, dass zu Beginn der Werkstückbearbeitung, wenn die Länge des eingespannten Werkstücks auf der Rohteilseite der Schneidanlage größer ist als auf der Gutteilseite, eine Ausgleichsbewegung am Stützelement zugelassen wird. Dabei ist wird die Beweglichkeit der Spanneinrichtungen unterdrückt. Die Spanneinrichtung der Dreh- und Vorschubeinrichtung wird fest auf die ideale Spannmitte ausgerichtet. Bei zunehmender Abarbeitung des Werkstücks, d. h. wenn dessen Länge auf der Gutteilseite größer ist als auf der Rohteilseite, wechselt die Beweglichkeit zur Spanneinheit an der Dreh- und Vorschubstation, d. h. diese Spanneinheit dreht sich exzentrisch um die Spannmitte. Das Stützelement ist auf die ideale Spannmitte ausgerichtet.
Zum Erzeugen einer Ausgleichsbewegung auf der Gutteilseite, typischer Weise zu Beginn der Werkstückbearbeitung (s. o.) wird das Werkstück während der Drehbewegung an den beiden Spanneinrichtungen zentrisch in Bezug auf eine (gemeinsame) Spannmitte eingespannt. Typischer Weise werden bei dieser Variante die beiden Spannfutter so eingestellt, dass die Koordinaten der beiden Einspannstellen in einer Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung übereinstimmen und die Spannmitte bilden. Bei einer solchen Einspannung führt das steife Werkstück auf der Gutteilseite eine exzentrische Bewegung um die (ideale) Spannmitte aus.
Um die Kräfte auf die Stützelemente der Gutteilseite zu verringern, welche das Werkstück in Vorschubrichtung führen sollen, sind diese derart ausgebildet, dass sie in mindestens einer von der Vorschubrichtung abweichenden Richtung eine Ausgleichsbewegung ausführen können. Ist das Stützelement drehbar gelagert, kann die Ausgleichsbewegung insbesondere in Richtung der Drehachse des Stützelements erfolgen.
Bei der Ausgleichsbewegung wird typischer Weise das Stützelement gegen eine zur Spannmitte hin gerichtete Rückstellkraft verschoben, d. h. das Stützelement führt Ausgleichsbewegungen um die Spannmitte aus. Die Rückstellkraft auf das Stützelement kann beispielsweise durch die Verwendung von Federn erfolgen, welche das Spannelement bei einer Auslenkung aus seiner der (idealen) Spannmitte entsprechenden Mittenstellung in diese Stellung zurück bewegen sollen. Beispielsweise kann bei einem drehbar gelagerten Stützelement dieses entlang der (positiven und negativen) Achsrichtung der Drehachse gegen eine zur Spannmitte hin gerichtete Rückstellkraft verschoben werden.
Bei einer weiteren Variante wird das Stützelement in Schwerkraftrichtung verschiebbar gelagert und führt bei der Drehbewegung bezogen auf die Spannmitte eine Ausgleichsbewegung sowohl nach oben als auch nach unten aus. Das bzw. die Stützelemente werden für die Unterstützung des Werkstücks so positioniert, dass das Werkstück auch in Schwerkraftrichtung an der (idealen) Spannmitte positioniert ist. Übt das Werkstück auf das Stützelement bei der exzentrischen Bewegung eine Überlast aus, kann diese dadurch kompensiert werden, dass das Stützelement nach unten verschoben wird.
Um das Werkstück bei der exzentrischen Bewegung nach oben über die Spannmitte hinaus abzustützen und somit die Führung des Werkstücks beizubehalten, ist es erforderlich, dass das Stützelement immer in Kontakt mit der Werkstückunterseite bleibt. Dies kann erreicht werden, indem das Stützelement federnd gelagert wird, wobei die Federkraft so gewählt wird, dass auf das an der Stützstelle unterstützte Werkstück eine verhältnismäßig geringe zusätzliche Stützkraft ausgeübt wird, so dass dieses bei einer Lagerung in der idealen Spannmitte nicht durch die zusätzliche Stützkraft ungewollt an der Unterstützungsstelle nach oben verschoben wird. Bei der exzentrischen Bewegung des Werkstücks führt die zusätzliche Stützkraft dazu, dass das Stützelement dem Werkstück nachgeführt wird.
Das Stützelement kann z. B. mittels eines Pneumatik-Zylinders dem Werkstück bei seiner Aufwärtsbewegung über die Spannmitte hinaus nachgeführt werden. Die Kraft, welche der Pneumatik-Zylinder oder die Feder auf das Werkstück ausübt, kann beispielsweise in Abhängigkeit vom Werkstücktyp, insbesondere vom Gewicht des Werkstücks eingestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine, insbesondere eine Laserbearbeitungsmaschine, zum thermischen Bearbeiten, insbesondere zum Schneiden von stabartigen Werkstücken, umfassend: einen Bearbeitungskopf, insbesondere einen Laserbearbeitungskopf, zum thermischen Bearbeiten des Werkstücks an einer Bearbeitungsstelle, eine gesteuert betätigbare Dreh- und Vorschubeinrichtung für das Werkstück, welche mindestens eine um die Längsachse des Werkstücks gesteuert angetrieben drehbare Spanneinrichtung aufweist, eine Durchschiebeeinrichtung zum Führen des Werkstücks bei einer Bewegung in Vorschubrichtung, welche mindestens eine Spanneinrichtung aufweist, sowie eine Abstützeinrichtung für das Werkstück mit wenigstens einem Stützelement, das in Vorschubrichtung nach der Dreh- und Vorschubeinrichtung und nach der Durchschiebeeinrichtung angeordnet ist. Mindestens eine der Spanneinrichtungen ist in mindestens einer von der Vorschubrichtung des Werkstücks abweichenden Richtung bewegbar und/oder das Stützelement ist in einer von der Vorschubrichtung und der Schwerkraftrichtung abweichenden Richtung bewegbar bzw. verschiebbar.
Wie weiter oben dargestellt wurde, kann durch die Bewegung einer Spanneinrichtung bzw. die Verschiebung des Stützelements während der Drehbewegung des Werkstücks eine Ausgleichsbewegung erfolgen, welche es ermöglicht, ein steifes, ungerades Werkstück an drei in Werkstücklängsrichtung (entsprechend der Vorschubrichtung) beabstandeten Positionen zu lagern, ohne dass hierbei zu große Lagerkräfte auftreten. Die Ausgleichsbewegung der Spanneinrichtungen und/oder des Stützelements wird hierbei nur zugelassen, aber nicht gesteuert.
Wie weiter oben dargestellt wurde, kann zur Erzeugung einer Ausgleichsbewegung eine Spanneinrichtung über mindestens ein Gelenk (d. h. eine sphärische Lagerung) gelenkig gelagert sein. Eine solche gelenkige Lagerung der Spanneinrichtung wird typischer Weise an der Dreh- und Vorschubeinrichtung vorgenommen, ist aber auch an der Durchschiebeeinrichtung möglich.
Auch kann mindestens eine der Spanneinrichtungen in einer Richtung oder in zwei oder mehr nicht notwendiger Weise zueinander orthogonalen Richtungen in einer Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung verfahrbar aufgebaut sein. Die Nachführung der exzentrischen Bewegung des Werkstücks erfolgt über einen motorischen Momentenausgleich. Für die Verschiebung in Z-Richtung ist ein motorischer Antrieb erforderlich, für die Verschiebung in Y-Richtung kann auf einen motorischen/elektrischen Antrieb verzichtet werden. Ein elektrischer Antrieb ist günstig, weil damit das Gewicht der Spanneinrichtung und des Werkstücks bestimmt und ausgeglichen werden kann.
Es versteht sich, dass für die Bearbeitung von labilen Werkstücken auf die Ausgleichsbewegung verzichtet werden kann, d. h. die Spanneinrichtungen können so positioniert und ausgerichtet werden, dass das Werkstück zunächst zentrisch zur (idealen) Spannmitte eingespannt wird und die Ausgleichsbewegung bei der Drehbewegung des Werkstücks unterdrückt wird, indem geeignete Sperrelemente vorgesehen werden, welche die Ausgleichsbewegung verhindern.
In einer Weiterbildung können die Spannbacken der Spanneinrichtungen einen Grundkörper sowie einen an dem Grundkörper elastisch gelagerten Kontaktbereich (auch Gripeinsatz genannt) mit einer Kontaktfläche zur Anlage an dem Werkstück aufweisen. Hierbei ist insbesondere eine elastische Lagerung des Kontaktbereichs günstig, die sowohl eine Nachgiebigkeit in Axial- bzw. Längsrichtung des Werkstücks (d. h. in Richtung der Spannmitten-Achse) als auch in der Neigung zur Längsachse aufweist, ohne dass sich dies nachteilig (z. B. durch Schwingungen) auf die Vorschubbewegung auswirkt. Durch eine solche elastische Lagerung können die Winkeländerungen des Werkstücks an der Einspannstelle ausgeglichen werden, die auftreten, wenn mit zunehmendem Bearbeitungsfortschritt der Abstand zwischen den Spanneinrichtungen abnimmt.
Der Kontaktbereich kann mit dem Grundkörper über ein Festkörpergelenk verbunden sein. Das Festkörpergelenk ist ausgebildet, eine Verkippung und/oder Verschiebung des Kontaktbereichs relativ zum Grundkörper zu bewirken, beispielsweise um (kleine) Winkelfehler auszugleichen. Das Festkörpergelenk bzw. die Stege des Festkörpergelenks sind hierbei insbesondere so dimensioniert und ihre mechanischen Eigenschaften (Biegesteifigkeit etc.) sind so gewählt, dass Eigenschwingungen des Festkörpergelenks bei der Vorschubbewegung weitestgehend vermieden werden können.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist an dem Grundkörper mindestens ein Anschlag zur Begrenzung des Bewegungsweges des Kontaktbereichs bei der Verkippung und/oder Verschiebung angebracht. Der Anschlag verhindert eine übermäßige Beanspruchung des Festkörpergelenks, was zu einer Erhöhung der Lebensdauer des Festkörpergelenks führt. Es versteht sich, dass entsprechende Anschläge bzw. Anschlagsflächen nicht nur an dem Grundkörper, sondern auch an dem Kontaktbereich vorgesehen werden können. Die Spanneinrichtung bzw. der Grundkörper kann hierbei mindestens einen Anschlag zur Begrenzung des Bewegungswegs des Kontaktbereichs in Werkstücklängsrichtung (entlang der Spannmitten-Achse) sowie mindestens einen weiteren Anschlag zur Begrenzung des Bewegungswegs des Kontaktbereichs senkrecht zur Werkstücklängsrichtung (in radialer Richtung bzw. entgegen der Spannrichtung) aufweisen.
In einer Weiterbildung ist das Stützelement gegen eine zur Spannmitte hin gerichtete Rückstellkraft, insbesondere gegen eine Federkraft, verschiebbar gelagert, um das Stützelement in eine Mittenstellung zu bewegen, in der das Zentrum des Werkstücks mit der entsprechenden Koordinate der Spannmitte übereinstimmt. Vorzugsweise kann die federnde Lagerung durch ein oder mehrere Sperrelemente fixiert, also unterdrückt, werden. Ist das Stützelement um eine Drehachse drehbar gelagert, kann die Rückstellkraft z. B. in Richtung der Drehachse zur Spannmitte hin wirken.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Stützelement an einem in Schwerkraftrichtung verschiebbaren Führungselement federnd gelagert, welches zum Erzeugen einer Stützkraft auf das Werkstück bei einer Bewegung des Werkstücks nach oben über die Spannmitte hinaus ausgelegt ist, wobei bevorzugt eine Stützkraft der federnden Lagerung des Führungselements auf das Werkstück in Abhängigkeit vom Werkstück, insbesondere vom Gewicht des Werkstücks, einstellbar ist. Um das Werkstück auch bei seiner Bewegung über die Spannmitte hinaus abzustützen, übt das federnd gelagerte Führungselement auf das in der Spannmitte positionierte Werkstück eine Kraft aus, die allerdings nicht so groß ist, dass das in der Spannmitte positionierte Werkstück durch diese Stützkraft nach oben verschoben wird. Die (zusätzliche) Stützkraft der federnden Lagerung ist aber groß genug, um das Stützelement bei der Bewegung des Werkstücks nach oben nachzuführen und um das Werkstück bei dieser Bewegung abzustützen. Ein geeigneter Betrag für die Stützkraft der federnden Lagerung hängt vom jeweils bearbeiteten Werkstück – insbesondere von dessen Gewicht und von dessen Durchmesser – ab und kann vor oder während der Bearbeitung eingestellt werden.
In einer Weiterbildung umfasst die Bearbeitungsmaschine eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Auslenkung der an der Durchschiebeeinrichtung angebrachten Spanneinrichtung in der mindestens einen von der Vorschubrichtung des Werkstücks abweichenden Richtung und/oder eine Messeinrichtung zur Bestimmung von Abweichungen des Werkstücks von der Spannmitte an der Bearbeitungsstelle bzw. der Auslenkung des Werkstücks an der Bearbeitungsstelle. Bei der letztgenannten Messeinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Schnittbildsensor handeln, durch den Abweichungen des Werkstücks von der idealen Spannmitte (d. h. in Y-Richtung und/oder in Z-Richtung) an der Bearbeitungsstelle ermittelt werden können. Alternativ oder ergänzend kann die Abweichung des Werkstücks in Höhenrichtung (Z-Richtung) von der idealen Spannmitte mit Hilfe einer Abstandsregelung des Bearbeitungskopfs gemessen werden. Mittels der erstgenannten Messeinrichtung, typischer Weise einer Wegmesseinrichtung, kann eine Auslenkung der Spanneinrichtung (Abweichung von der Spannmitte) bei der Ausgleichsbewegung gemessen werden.
Mittels der so erhaltenen Messergebnisse wird die Position des Bearbeitungskopfs senkrecht zur Vorschubrichtung (d. h. in Y- und/oder Z-Richtung) geregelt verfahren. Dies stellt eine genaue Werkstückbearbeitung auch dann sicher, wenn eine Ausgleichsbewegung der Spanneinrichtung in der Durchschiebeeinrichtung zugelassen wird, die eine Bewegung des Werkstücks an der benachbarten Bearbeitungsstelle bedingt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Abstützeinrichtung zur Abstützung eines Werkstücks an einer Bearbeitungsmaschine wie oben beschrieben, umfassend: wenigstens ein Stützelement, das eine Aufnahme für das Werkstück aufweist, an deren Wandung das Werkstück radial abgestützt ist. Um Ausgleichsbewegungen zuzulassen, ist das Stützelement zumindest in einer von der Schwerkraftrichtung und von der Vorschubrichtung des Werkstücks abweichenden Richtung verschiebbar gelagert. Das Stützelement kann hierbei als drehsymmetrische Stützrolle ausgebildet sein, deren Wandung einen konstanten Radius aufweist, der größer oder gleich dem Radius des Umkreises des Werkstücks ist. Alternativ kann die Aufnahme des Stützelements auch eine Wandung mit in Umfangsrichtung veränderlichem Radius aufweisen. In diesem Fall wird das Stützelement bei der Bearbeitung eines Werkstücks in einem vorgegebenen Winkel zur Drehachse zugestellt und dieser Winkel wird während der Bearbeitung des Werkstücks. nicht mehr verändert.
Bei einer Ausführungsform ist das Stützelement gegen eine zu einer Spannmitte hin gerichtete Rückstellkraft verschiebbar gelagert. Ist das Stützelement um eine Drehachse drehbar gelagert, kann das Stützelement insbesondere in Richtung der Drehachse gegen eine zu einer Spannmitte hin gerichtete Rückstellkraft verschiebbar gelagert. sein Die Rückstellkraft kann insbesondere durch Federelemente (Schrauben-, Luft-, Gas-, ...)Feder) aufgebracht werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Abstützeinrichtung zusätzlich einen Hub-Zylinder, insbesondere einen Pneumatik-Zylinder, zum Verschieben des Stützelements in Schwerkraftrichtung. Das Stützelement ist in diesem Fall an der Kolbenstange des Hub-Zylinders angebracht, um eine Überlast bei der exzentrischen Bewegung des Werkstücks bei der Drehbewegung aufzunehmen.
Bei einer Weiterbildung ist das Stützelement an einer Kolbenstange des Hub-Zylinders federnd gelagert. Die federnde Lagerung kann beispielsweise durch das Vorsehen eines weiteren Hubzylinders an der Kolbenstange oder durch eine (Schrauben-, Luft-, Gas-, ...)Feder erfolgen. Durch die federnde Lagerung kann eine zusätzliche Stützkraft auf das Werkstück ausgeübt werden, welche es ermöglicht, das Werkstück auch bei seiner Bewegung nach oben über die ideale Spannmitte hinaus abzustützen bzw. die Führung des Werkstücks bei dieser Bewegung beizubehalten. Die zusätzliche Stützkraft der federnden Lagerung ist hierbei typischer Weise deutlich geringer als die Stützkraft, welche durch den Hub-Zylinder aufgebracht wird. Die zusätzliche Stützkraft der federnden Lagerung z. B. an dem weiteren Hub-Zylinder kann ggf. auf Basis der Werkstückdaten manuell oder geregelt einstellbar sein.
Es versteht sich, dass die Ausgleichsbewegung des Stützelements bei labilen Werkstücken nicht erforderlich ist und daher unterdrückt werden kann. Zu diesem Zweck kann das Stützelement bzw. die Formrolle in ihrer Mittenstellung fixiert werden und auch die Bewegung in Höhenrichtung kann z. B. durch Blockieren der Hub-Zylinder unterbunden werden.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsmaschine,
2 eine schematische Darstellung eines stabartigen Werkstücks, welches an zwei Stellen entlang seiner Längsachse zentrisch gespannt ist und eine exzentrische Drehung an einem Stützelement ausführt,
3 eine Schnittdarstellung einer Stützrolle für das Werkstück, welche in Richtung ihrer Drehachse gegen eine Federkraft verschiebbar gelagert ist,
4a, b Darstellungen einer Abstützeinrichtung mit zwei Pneumatik-Zylindern zur federnden Lagerung des Werkstücks,
5 eine Darstellung eines stabartigen Werkstücks, welches zentrisch an einer Durchschiebeeinheit gespannt ist, von einem Stützelement zentrisch abgestützt wird und eine exzentrische Drehung an der Dreh- und Vorschubstation ausführt,
6 eine Darstellung einer gelenkig gelagerten Spanneinrichtung für das Werkstück mit einem Drehpunkt außerhalb der Spannebene,
7 eine Darstellung einer in zwei Richtungen verschiebbar gelagerten Spanneinrichtung für das Werkstück,
8 eine Darstellung einer gelenkig gelagerten Spanneinrichtung für das Werkstück mit einem Drehpunkt in der Spannebene,
9 eine Darstellung einer an zwei Gelenken gelenkig gelagerten Spanneinrichtung, sowie
10 eine Darstellung eines Gripeinsatzes für eine Spannbacke der Spanneinrichtung mit einem über ein Festkörpergelenk elastisch gelagerten Kontaktbereich zur Anlage an dem Werkstück.
Bei der in 2 dargestellten Lagerung des stabartigen Werkstücks 2 wird das Werkstück 2 an einer ersten Spannstelle S1 von den (in 2 nicht gezeigten) Spannbacken der Spanneinrichtung 12 der Vorschubstation 7 gespannt und geklemmt und an einer zweiten Spannstelle S2 von den (nicht gezeigten) Spannbacken der Spanneinrichtung 21 der Durchschiebeeinrichtung 10 gespannt und geführt. Bei der Bearbeitung dreht sich das Werkstück 2 auf der Gutteilseite und zwischen den Spanneinrichtungen 12, 21 an mehreren Stellen exzentrisch um die ideale Spannmitten-Achse, welche in 2 durch eine gestrichelte Linie 22 dargestellt ist.
Auf der Gutteilseite wird das Werkstück 2 von mindestens einer als Stützelement 23 dienenden Formrolle an einer Abstützstelle L1 abgestützt bzw. gelagert. Um die auf das Stützelement 23 wirkenden Lagerkräfte bei der exzentrischen Bewegung des ungeraden stabförmigen Werkstücks 2 zu vermindern, wird während der Drehbewegung des Werkstücks 2 um seine Längsachse eine Ausgleichsbewegung der als Stützelement 23 dienenden Formrolle zugelassen, welche nachfolgend anhand von 3 und 4a, b näher beschrieben wird.
Die in 3 dargestellte Formrolle 23 weist eine Drehachse 24 auf, deren Achsrichtung mit der Y-Richtung des XYZ-Koordinatensystems von 2 übereinstimmt und die in seitlichen Führungen für die Formrolle 23 drehbar gelagert ist. Die Formrolle 23 weist eine hohlkehlenartige Aufnahme 25 für das Werkstück 2 auf, an deren Wandung 26 das Werkstück 2 radial abgestützt wird. Bei der in 3 gezeigten Darstellung ist die Formrolle 23 so positioniert, dass die Spannmitte M mit dem Querschnitts-Zentrum Y₀, Z₀ des Werkstücks 2 übereinstimmt. Die Spannmitte M stimmt hierbei mit den Koordinaten der zentrischen Einspannung des Werkstücks 2 in den beiden Spannfuttern 12, 21 von 2 überein.
Wie in 3 angedeutet ist, ist die Formrolle 23 in Achsrichtung Y der Drehachse 24 verschiebbar geführt bzw. verschiebbar gelagert, um in dieser Richtung bei der exzentrischen Bewegung des Werkstücks 2 eine Ausgleichsbewegung auszuführen. Zwei zwischen der Formrolle 23 und den seitlichen Lagern der Formrolle 23 vorgesehene Federelemente 27, 28 erzeugen eine Rückstellkraft auf die Formrolle 23, sofern diese in Y-Richtung aus der in 3 dargestellten Mittenstellung abweicht, in welcher die Mitte der Formrolle 23 in Y-Richtung mit der entsprechenden Koordinate Y₀ der (idealen) Spannmitte M bzw. des Querschnitt-Zentrums des Werkstücks 2 übereinstimmt. Durch die Rückstellkraft der Federelemente 27, 28 ist sichergestellt, dass die Formrolle 23 nach dem Abschluss der Ausgleichsbewegung bzw. nach dem Abschluss der Bearbeitung des Werkstücks 2 in die Mittenstellung zurückkehrt.
Wie in 4a, b zu erkennen ist, kann die Formrolle 23 auch in Schwerkraftrichtung (Z-Richtung) Ausgleichsbewegungen ausführen. Eine Abstützeinrichtung 29 für die Formrolle 23 weist zu diesem Zweck einen ersten pneumatischer Hub-Zylinder 30 auf, an dessen Kolbenstange 31 ein zweiter pneumatischer Hub-Zylinder 32 angebracht ist. Ein G-förmiger Teil der Kolbenstange 33 des zweiten Pneumatik-Zylinders 32 dient als seitliche Lagerung für die Drehachse 24 der Formrolle 23.
In Schwerkraftrichtung Z wird die Formrolle 23 vor der Drehbewegung so positioniert, dass das Werkstück 2 mit seinem Querschnitt-Zentrum Y₀, Z₄ in der idealen Spannmitte M angeordnet ist. Eine mögliche Überlast bei der Drehbewegung wird hierbei durch den ersten Hub-Zylinder 30 aufgenommen. Um das stabartige Werkstück 2 auch bei einer Bewegung nach oben, d. h. in Schwerkraftrichtung Z über die ideale Spannmitte M hinaus abzustützen und so die (Seiten-)Führung des Werkstücks 2 während der gesamten Drehbewegung beizubehalten, wird die Formrolle 23 bei Entlastung mit Hilfe des zweiten Hub-Zylinders 32 in Z-Richtung über die Spannmitte M hinaus angehoben. Alternativ oder zusätzlich kann an Stelle des zweiten Hub-Zylinders 32 eine federnde Lagerung der Formrolle 23 an der Kolbenstange 31 des ersten Hub-Zylinders 30 auch auf andere Weise, z. B. über eine (Schrauben-)Feder erfolgen.
Der zweite Hub-Zylinder 32 (bzw. die Feder) erzeugt eine deutlich kleinere Stützkraft als der erste Hub-Zylinder 30. Die zusätzliche Stützkraft des zweiten Hub-Zylinders 32 ermöglicht es, das Gewicht des Werkstücks 2 auch bei der Bewegung nach oben über die Spannmitte M hinaus zu unterstützen, so dass das Werkstück 2 auch bei der exzentrischen Bewegung nach oben immer in Kontakt mit der kreisförmigen Wandung 26 der Formrolle 23 bleibt, die als Führungsfläche für das Werkstück 2 dient. Die Stützkraft des zweiten Hub-Zylinders 32 kann gegebenenfalls variabel auf Grundlage der Werkstückdaten, insbesondere des Gewichts, des Durchmessers, der Steifigkeit, etc. des Werkstücks 2 einstellbar sein. Es versteht sich, dass auch bei der Verwendung anderer elastischer Elemente zur Lagerung der Formrolle 23, beispielsweise bei der Verwendung einer Spann-Feder, die Stützkraft, die auf das Werkstück 2 ausgeübt wird, in Abhängigkeit von den Daten des Werkstücks 2 eingestellt werden kann. Der Druck im zweiten Hub-Zylinder 32 (bzw. ggf. die Vorspannung der Spann-Feder) können insbesondere in Abhängigkeit vom Werkstückgewicht eingestellt werden.
Für die Bearbeitung von labilen Werkstücken, welche keine zu großen Kräfte auf die Lager der Formrolle 23 ausüben, kann die Formrolle 23 in Y-Richtung in der Mittenstellung, bei welcher diese zentrisch zwischen den seitlichen Lagern angeordnet ist, z. B. mit Hilfe eines Fixierstifts oder dergleichen fixiert werden. Außerdem kann die Zusatzbewegung in Z-Richtung unterdrückt werden, indem die Hub-Zylinder 30, 32 in einer vorgegebenen Position in Schwerkraftrichtung Z fixiert werden, bei welcher das Querschnitts-Zentrum des Werkstücks 2 in der Z-Koordinate Z₀ typischer Weise mit der Z-Koordinate der Spannmitte M übereinstimmt.
Bei einer nachfolgend anhand der 5 bis 9 beschriebenen Variante der Werkstückbearbeitung wird das stabartige Werkstück 2 nur an der zweiten Spannstelle S2 am Spannfutter 21 der Durchschiebeeinrichtung 10 auf der idealen Spannmitten-Achse 22 zentrisch gespannt. Auf der Gutteilseite wird das Werkstück 2 von einer Rohrunterstützung in Form einer Formrolle 23 unterstützt, so dass dessen Querschnitt-Zentrum Y₀, Z₀ an der Abstützstelle L1 mit der idealen Spannmitte M übereinstimmt (vgl. 3). Da das steife Werkstück 2 bereits an zwei Punkten S2, L1 entlang seiner Längsachse gelagert bzw. unterstützt wird, wird zur Verringerung von aufgrund einer überbestimmten Lagerung (an drei Punkten) auftretenden Kräfte an der Spannstelle S1 des Spannfutters 12 der Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 eine Ausgleichsbewegung zugelassen, derart, dass die Spannstelle S1 am Spannfutter 12 der Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 bei der Drehbewegung des Werkstücks 2 eine exzentrische und taumelnde Bewegung ausführen kann.
Die Bewegungsmöglichkeit der Spanneinrichtung bzw. des Spannfutters 12 kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Bei einem in 6 gezeigten Beispiel wird das Spannfutter 12 an der Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 gelenkig gelagert, und zwar mit Hilfe einer gelenkigen Aufhängung, welche ein in 6 angedeutetes Pendelkugellager verwendet, das einen Drehpunkt 34a der gelenkigen Aufhängung aufweist, welcher außerhalb der Spannebene SE verläuft, in der die Kontaktpunkte zwischen dem Werkstück 2 und den Spannbacken 12a, 12b des Spannfutters 12 liegen. Dies ermöglicht eine Verkippung des Spannfutters 12 unter einem Winkel α zur Vorschubrichtung X. Es versteht sich, das aufgrund der Verwendung des Pendelkugellagers eine Verkippung des Spannfutters 12 nicht nur wie in 6 gezeigt in der X-Z-Ebene erfolgen kann, sondern in einer beliebigen, die X-Achse enthaltenden Ebene.
Bei einem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Spanneinheit 12 in der Vorschubstation 7 in Y- und Z-Richtung mittels eines jeweiligen Antriebs 35a, 35b verschiebbar. Die Nachführung der Spanneinheit 12 bei der exzentrischen Bewegung des Werkstücks 2 erfolgt über einen motorischen Momenten-Ausgleich in Z-Richtung sowie über einen motorischen Momentenausgleich in Y-Richtung. Der Momentenausgleich in Y-Richtung muss nicht notwendiger Weise motorisch erfolgen. Durch die Trennung zwischen Spannkrafterzeugung mit Hilfe der Spanneinheit 12 und Ausgleichsbewegung durch Verschieben der Spanneinheit 12 in der als Träger dienenden Vorschubstation 7 bleibt die Spannkraft der Spanneinheit 12 bzw. der Spannbacken 12a–d jederzeit erhalten.
Bei der Bearbeitung labiler Werkstücke wird die Spanneinheit 12 von 7 auf die ideale Spannmitte M eingestellt, welche mit dem Querschnitts-Zentrum Y₀, Z₀ des (in 7 nicht dargestellten) Werkstücks übereinstimmt und die Nachführung der exzentrischen Bewegung wird unterdrückt. Entsprechend wird bei der Bearbeitung labiler Werkstücke die gelenkig gelagerte Spanneinheit 12 von 6 parallel zur X-Richtung ausgerichtet und in dieser Ausrichtung fixiert.
Um die Krafteinwirkung auf das Werkstück 2 zu vermindern, die aus dem sich mit zunehmender Abarbeitung verändernden Einspannwinkel α resultiert, kann die Spanneinrichtung 12 alternativ gelenkig so gelagert werden, dass sich der Drehpunkt 34b in der Ebene der Spannstelle (Spanebene SE), d. h. in der Ebene der Kontaktstellen zwischen den Spannbacken 12a, 12b und dem Werkstück 2, befindet, wie dies in 8 gezeigt ist. Durch diese sphärische Lagerung mittels eines Gelenks 36b können sich die Spannbacken 12a, 12b nahezu kraftfrei auf den veränderlichen Winkel α des Werkstücks 2 an der Spannstelle bzw. in der Spannebene SE einstellen.
Es versteht sich, dass gegebenenfalls die Spanneinheit 12 sowohl verschoben als auch verschwenkt werden kann, um bei der Drehbewegung eines steifen Werkstücks 2 sowohl eine exzentrische als auch eine taumelnde Bewegung auszuführen. Dazu wird beispielsweise, wie es in 9 dargestellt ist, die sphärische Lagerung der Spanneinrichtung 12 mittels des Gelenks 36b, die zur Anpassung an den veränderlichen Einspannwinkel α dient, mit einer gelenkigen Lagerung der Spanneinrichtung 12 zur Anpassung an die exzentrische Bewegung kombiniert. Bei der in 9 gezeigten Lagerung der Spanneinrichtung 12 wird die in 6 gezeigte Lagerung um einen Drehpunkt 34a, der zur Spannebene SE beabstandet ist, mit der in 8 gezeigten Lagerung um einen Drehpunkt 34b kombiniert, der in der Spannebene SE liegt. Um eine solche Lagerung der Spanneinrichtung 12 an der Dreh- und Vorschubstation 7 zu ermöglichen, ist ein Lagerteil 7a vorgesehen, welches die Verbindung zur Spanneinrichtung 12 herstellt. Das weitere Gelenk 36a ermöglicht hierbei eine Drehbewegung um den zur Spannebene SE beabstandeten Drehpunkt 34a mit einem Schwenkwinkel β, um eine Anpassung an die exzentrische Bewegung des Werkstücks 2 vorzunehmen.
Die Steuerungsvorrichtung 6 der Laserbearbeitungsmaschine 1 kann so ausgebildet sein, dass sie in Abhängigkeit vom Abarbeitungszustand des Werkstücks 2 steuert, ob eine Ausgleichsbewegung der Spanneinrichtung 12 der Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 oder eine Ausgleichsbewegung des Stützelements 23 zugelassen wird. Dabei gibt die Steuerungsvorrichtung 6 zu Beginn der Bearbeitung die Beweglichkeit des Stützelements 23 frei, während die Spanneinrichtung 12 der Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 fest auf die ideale Spannmitte ausgerichtet ist. Bei einem bestimmten Abarbeitungszustand des Werkstücks 2, d. h. wenn eine bestimmte Länge des Werkstücks die Durchschiebeeinrichtung 10 durchlaufen hat, oder nach einem Befehl des Maschinenbedieners, veranlasst die Steuerungsvorrichtung 6 die feste Ausrichtung des Stützelements 23 auf die ideale Spannmitte und gibt die Beweglichkeit der Spanneinrichtung 12 der Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 für die Ausgleichsbewegung frei.
Die Laserbearbeitungsmaschine 1 kann alternativ oder ergänzend eine beweglich gelagerte Spanneinrichtung 21 in der Durchschiebeeinrichtung 10 aufweisen. Dies ermöglicht eine Ausgleichsbewegung der Spanneinrichtung 21 während der Bearbeitung des Werkstücks 2. Das Werkstück 2 wird dabei in der Spanneinrichtung 12 der Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 zentrisch gespannt und von dem Stützelement 23 auf der Spannmitte gestützt.
Da durch die Ausgleichsbewegung der Spanneinrichtung 21 auch eine Bewegung des Werkstücks 2 an der benachbarten Bearbeitungsstelle F erfolgt, muss für eine genaue Bearbeitung des Werkstücks 2 die Ausgleichsbewegung der Spanneinrichtung 21 und/oder die Auslenkung des Werkstücks 2 an der Bearbeitungsstelle F gemessen werden. Dazu ist beispielhaft an der in 1 gezeigten Bearbeitungsanlage 1 eine Messeinrichtung 37 in Form eines in den Bearbeitungskopf 17 integrierten Schnittbildsensors (z. B. mit einer (CCD-)Kamera) vorgesehen, welche an der Bearbeitungsstelle F Abweichungen des Werkstücks in Y- und Z-Richtung von der idealen Position ermittelt, bei der das Querschnittszentrum X₀, Y₀ mit der (idealen) Spannmitte M auf der Spannmitten-Achse 22 übereinstimmt. Alternativ oder zusätzlich kann eine weitere Messeinrichtung 37a an der Durchschiebeeinrichtung 10 vorgesehen sein (vgl. 1), welche die Auslenkung der Spanneinrichtung 21 detektiert, wenn diese z. B. analog zu 7 verschiebbar gelagert ist. Die Messeinrichtung 37a kann insbesondere als (optische, mechanische, ...) Wegmesseinrichtung ausgebildet sein, um eine Relativbewegung zwischen der Spanneinrichtung 21 und der Durchschiebeeinrichtung 10 und insbesondere eine Abweichung der Lage der Spanneinrichtung 21 von der Spannmitte Y₀, Z₀ zu detektieren. Das mit der Messeinrichtung 37 bzw. 37a ermittelte Messergebnis dient als Regelgröße für die Verstellung des Schneidkopfs 17 in Y- und Z-Richtung, um Abweichungen des Querschnitts-Zentrums Y₀, Z₀ des Werkstücks 2 von der (idealen) Spannmitte M an der Bearbeitungsstelle F zu kompensieren.
In 10 ist ein Gripeinsatz 37 dargestellt, der an mindestens einer Spannbacke 12a–d einer der Spanneinrichtungen 12, 21 zur Kontaktierung des Werkstücks 2 angebracht werden kann. Der Gripeinsatz 37 ist mit einer jeweiligen Spannbacke 12a–d über eine Schraubverbindung verbunden und weist zu diesem Zweck Gewindelöcher 38 auf, welche in einen Grundkörper 41 des Gripeinsatzes 37 eingebracht sind. Der Gripeinsatz 37, genauer gesagt der Grundkörper 41 bildet mit der jeweiligen Spannbacke 12a–d eine bauliche Einheit.
Der Gripeinsatz 37 weist einen Kontaktbereich 39 mit einer sägezahnartigen Kontaktfläche 39a zur Anlage an dem Werkstück 2 auf, wobei der Kontaktbereich 39 über ein biegeelastisches Festkörpergelenk 40 mit dem Grundkörper 41 verbunden ist. Das Festkörpergelenk 40 weist zwei schmale Verbindungsstege 43 auf, die jeweils ausgehend von dem Grundkörper 41 in einer Aussparung des Grundkörpers 41 verlaufen und an jeweils einem Ende mit dem Kontaktbereich 39 verbunden sind. Durch das biegeelastische Festkörpergelenk 40 ist der Kontaktbereich 39 an dem Grundkörper 41 elastisch gelagert und relativ zu diesem verschiebbar, und zwar in X-Richtung, welche der Axialrichtung (Vorschubrichtung X) des Werkstücks 2 entspricht, sowie in eine dazu senkrechte Richtung (Z-Richtung). Durch das Festkörpergelenk 40 ist der Kontaktbereich 39 insbesondere auch in der XZ-Ebene verschiebbar. Sowohl der Kontaktbereich 39 als auch der Grundkörper 41 weisen Anschläge bzw. Anlageflächen 46a, 46b, 48a, 48b zur Begrenzung der Bewegung der Kontaktfläche 39 in X-Richtung sowie in Z-Richtung auf. Zusätzlich sind an dem Grundkörper 41, genauer gesagt am Boden der Aussparung, halbkugelförmige Anschläge 47 bzw. Stützflächen gebildet, an denen ein jeweiliger U-förmiger Steg 43 des Festköpergelenks 40 bei der Bewegung des Kontaktbereichs 39 in Z-Richtung zur Anlage kommt.
Durch das Festkörpergelenk 40 wird somit eine Verkippung des Kontaktbereichs 39 relativ zum Grundkörper 41 ermöglicht, um Änderungen des Einspannwinkels auszugleichen, welche mit zunehmender Bearbeitungsdauer, d. h. bei geringer werdendem Abstand zwischen der Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 und der Durchschiebeeinrichtung 10 auftreten können.

Claims

Verfahren zum thermischen Bearbeiten eines stabartigen Werkstücks (2) mittels eines aus einem Bearbeitungskopf (17) austretenden thermischen Bearbeitungsstrahls, umfassend: Einspannen des Werkstücks (2) an zwei entlang einer Vorschubrichtung (X) des Werkstücks beabstandeten Spanneinrichtungen (12, 21), Abstützen des Werkstücks (2) mittels mindestens eines Stützelements (23), wobei das Stützelement (23) in Vorschubrichtung (X) nach den Spanneinrichtungen (12, 21) angeordnet ist, sowie Drehen des stabartigen Werkstücks (2) um seine Längsachse beim Bearbeiten des Werkstücks (2) mit dem Bearbeitungsstrahl an einer Bearbeitungsstelle (F), dadurch gekennzeichnet, dass eine der Spanneinrichtungen (12, 21) oder das Stützelement (23) beweglich gelagert wird und bei der Drehbewegung des Werkstücks (2) eine Ausgleichsbewegung in mindestens eine von der Vorschubrichtung (X) abweichende Richtung (Y, Z) ausführt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die beweglich gelagerte Spanneinrichtung (12, 21) gelenkig gelagert wird, wobei ein Drehpunkt (34a) der Lagerung außerhalb einer Spannebene (SE) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die beweglich gelagerte Spanneinrichtung (12, 21) in einer Ebene (Y, Z) senkrecht zur Vorschubrichtung (X) verschiebbar gelagert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die beweglich gelagerte Spanneinrichtung (12, 21) gelenkig gelagert wird, wobei ein Drehpunkt (34b) der Lagerung in der Spannebene (SE) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Auslenkung der Spanneinrichtung (21) und/oder eine Auslenkung des Werkstücks (2) an der Bearbeitungsstelle (F) gemessen und anhand des Messergebnisses die Position des Bearbeitungskopfes (17) in einer Ebene (Y, Z) senkrecht zur Vorschubrichtung (X) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Stützelement (23) bei der Ausgleichsbewegung gegen eine zu einer Spannmitte (M) hin gerichtete Rückstellkraft verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, bei dem das Stützelement (23) in Schwerkraftrichtung (Z) verschiebbar gelagert wird und bei der Drehbewegung bezogen auf die Spannmitte (M) eine Ausgleichsbewegung sowohl nach oben als auch nach unten ausführt.
Bearbeitungsmaschine (1) zum thermischen Bearbeiten von stabartigen Werkstücken (2), umfassend: einen Bearbeitungskopf zum thermischen Bearbeiten des Werkstücks (2) an einer Bearbeitungsstelle (F), eine gesteuert betätigbare Dreh- und Vorschubeinrichtung (7) für das Werkstück (2), welche mindestens eine um die Längsachse des Werkstücks (2) gesteuert angetriebene drehbare Spanneinrichtung (12) für das Werkstück (2) aufweist, eine Durchschiebeeinrichtung (10) zum Führen des Werkstücks (2) bei einer Bewegung in Vorschubrichtung (X), welche mindestens eine Spanneinrichtung (21) für das Werkstück (2) aufweist, sowie eine Abstützeinrichtung (29) für das Werkstück (2) mit wenigstens einem Stützelement (23), das in Vorschubrichtung (X) nach der Dreh- und Vorschubeinrichtung (7) und nach der Durchschiebeeinrichtung (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Spanneinrichtungen (12, 21) in mindestens einer von der Vorschubrichtung (X) des Werkstücks (2) abweichenden Richtung (Y, Z) bewegbar ist und/oder dass das Stützelement (23) in mindestens einer von der Vorschubrichtung (X) und von der Schwerkraftrichtung (Z) abweichenden Richtung (Y) bewegbar ist.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 8, bei welcher mindestens eine der Spanneinrichtungen (12, 21) über mindestens ein Gelenk (36a, 36b) mit der Dreh- und Vorschubeinrichtung (7) oder mit der Durchschiebeeinrichtung (10) verbunden ist.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 8 oder 9, weiter umfassend: mindestens einen Antrieb (35a, 35b) zur Verschiebung mindestens einer der Spanneinrichtungen (12, 21) in mindestens einer Richtung (Y, Z) senkrecht zur Vorschubrichtung (X).
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei welcher mindestens eine Spannbacke (12a–12d) einer der Spanneinrichtungen (12, 21) einen Grundkörper (41) sowie einen an dem Grundkörper (41) elastisch gelagerten Kontaktbereich (39) mit einer Kontaktfläche (39a) zur Anlage an dem Werkstück (2) aufweist.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 11, bei welcher der Kontaktbereich (39) mit dem Grundkörper (41) über ein Festkörpergelenk (40) verbunden ist.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 12, bei welcher an dem Grundkörper (41) mindestens ein Anschlag (46a, 47, 48a) zur Begrenzung des Bewegungsweges des Kontaktbereichs (39) angebracht ist.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der das Stützelement (23) um eine Drehachse (24) drehbar gelagert und in Richtung (Y) seiner Drehachse (24) gegen eine zur Spannmitte (M) hin gerichtete Rückstellkraft verschiebbar gelagert ist.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei welcher das Stützelement (23) an einem in Schwerkraftrichtung (Z) verschiebbaren Führungselement (33) federnd gelagert ist, welches zum Erzeugen einer Stützkraft auf das Werkstück (2) bei einer Bewegung des Werkstücks (2) nach oben über die Spannmitte (M) hinaus ausgelegt ist, wobei bevorzugt eine Stützkraft der federnden Lagerung des Führungselements (32) auf das Werkstück (2) in Abhängigkeit vom Werkstück (2) einstellbar ist.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 15, weiter umfassend: eine Messeinrichtung (37) zur Bestimmung von Abweichungen des Werkstücks (2) von der Spannmitte (M) an der Bearbeitungsstelle (F).
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 16, weiter umfassend: eine Messeinrichtung (37a) zur Bestimmung der Auslenkung der an der Durchschiebeeinrichtung (10) angebrachten Spanneinrichtung (21) in der mindestens einen von der Vorschubrichtung (X) des Werkstücks (2) abweichenden Richtung (Y, Z).
Abstützeinrichtung (29) zur Abstützung eines Werkstücks (2) an einer Bearbeitungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 17, umfassend: wenigstens ein bewegbar gelagertes Stützelement (23), das eine Aufnahme (25) für das Werkstück (2) aufweist, an deren Wandung (26) das Werkstück (2) radial abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (23) in einer von der Schwerkraftrichtung (Z) und von der Vorschubrichtung (X) des Werkstücks (2) abweichenden Richtung (Y) verschiebbar gelagert ist.
Abstützeinrichtung nach Anspruch 18, bei welcher das Stützelement (23) gegen eine zu einer Spannmitte (M) hin gerichtete Rückstellkraft verschiebbar gelagert ist.
Abstützeinrichtung nach Anspruch 19, weiter umfassend: mindestens ein Federelement (27, 28) zur Erzeugung der Rückstellkraft.
Abstützeinrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, weiter umfassend: einen Hub-Zylinder (30) zum Verschieben des Stützelements (23) in Schwerkraftrichtung (Z).
Abstützeinrichtung nach Anspruch 21, bei welcher das Stützelement (23) an einer Kolbenstange (31) des Hub-Zylinders (30) federnd gelagert ist.