DE10027148A1 - Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines fokussierbaren Lasers - Google Patents
Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines fokussierbaren LasersInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines fokussierbaren Lasers, mit einer Laserquelle und wenigstens einem im Strahlweg des Lasers angeordneten Spiegel. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass im Strahlweg ein beweglich verstellbarer Scannerspiegel (10) angeordnet ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines
fokussierbaren Lasers mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Es ist bekannt, dass zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines fokussierbaren Lasers
im Strahlenweg eines Laserstrahls einem schwenkbar angeordneten Scannerspiegel ein
durch piezoelektrische Stellelemente deformierbarer Spiegel vorzuschalten ist. Derartige
Anordnungen werden dort eingesetzt, wo der Brennfleck des Lasers mit hoher
Geschwindigkeit über das zu bearbeitende Werkstück geführt werden soll. Da bei derartig
hohen Geschwindigkeiten auch hohe Beschleunigungen auftreten, lassen sich solche
Systeme nicht mit einem bewegten Werkstück realisieren, da sonst geringe
Bearbeitungsgeschwindigkeiten, Abweichungen der Bearbeitungsgeschwindigkeit und
Ungenauigkeiten in der Relativbewegung auftreten würden.
Dementsprechend erfolgt bei derartigen, scannenden Systemen die Brennfleckpositionierung
durch Kippbewegung eines Spiegels. Durch zwei Kippachsen des Spiegels ist eine
zweidimensionale Bewegung des Brennflecks möglich. Dieses führt dazu, dass sich der
Brennfleck nicht exakt in einer Ebene, sondern auf der Oberfläche eines Toroids bewegt,
was bei einem ebenen Werkstück zu Abweichungen der Lage des Brennflecks von der
optimalen Bearbeitungsposition führt.
Aus der DE-A 44 24 492 ist eine Anordnung zur Werkstückbearbeitung mittels eines
fokussierbaren Lasers bekannt, bei dem die Einstellung des Brennflecks des Lasers in
Abhängigkeit von der Geometrie der Werkstückoberfläche erfolgt. Dabei ist der
Fokussierlinse ein über eine elektronische Regeleinrichtung ansteuerbarer, deformierbarer
Spiegel vorgeordnet, dessen Krümmung in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der
wenigstens einen Schwenkachse des Scannerspiegels und der jeweiligen Position des
Brennflecks auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks veränderbar ist.
Aus der DE-A 42 17 705 ist bekannt, die deformierbaren Spiegel durch piezoelektrische
Stellelemente zu verstellen.
Der Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass die schwenkbaren Scannerspiegel
in Verbindung mit den entsprechenden Fokussierlinsen eine aufwendige Konstruktion
hinsichtlich ihrer Lagerung und ihrer Verstellbarkeit benötigen. Deswegen sind diese
Vorrichtungen aufgrund ihrer großen Baugröße nicht für den Einsatz von robotergeführten
Remotelaserschweißköpfen geeignet. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass diese
Vorrichtungen nicht die Vorgaben an die heutig zu erwartenden
Laserschweißgeschwindigkeiten und -genauigkeiten in allen Punkten erfüllen. Außerdem ist
es schwierig, mit diesen Anlagen ein Schweißen von spaltbehafteten Fügestellen
durchzuführen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines
Werkstückes mittels eines fokussierbaren Lasers zu entwickeln, die den Einsatz in
robotergeführten Remotelaserschweißköpfen durch Reduzierung des Bauraumes und des
Gewichtes bei gleichzeitiger Erhöhung der Schweißgenauigkeit und der
Schweißgeschwindigkeit ermöglicht, mit der eine Verbesserung des Schweißens von
spaltbehafteten Fügestellen erfolgen kann und dessen Laserstrahl dreidimensional
verstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines
fokussierbaren Lasers mit den in dem Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch,
dass ein beweglich aufgehängter, verstellbarer Scannerspiegel vorgesehen ist, dem
vorzugsweise ein verstellbarer, adaptiver Fokussierspiegel, ein Umlenkspiegel, ein
verstellbarer Spiegel und eine Lasererzeugungsquelle vorgeschaltet sind, wird einerseits
erreicht, dass durch die bewegliche Aufhängung des Scannerspiegels die zu bewegende
Masse verringert wird, und andererseits wird durch den Scannerspiegel eine
zweidimensionale Verstellung des Laserstrahles ermöglicht. Durch die Verringerung der zu
bewegenden Masse des Scannerspiegels erfolgt eine verbesserte Einstellbarkeit des
Laserstrahles am Werkstück, wodurch die Schweißgenauigkeit und die
Schweißgeschwindigkeit gesteigert werden kann. Die Verringerung der Masse und der
benötigten Baugröße, die auch auf die Anordnung des verstellbaren Spiegels und des
verstellbaren, adaptiven Fokussierspiegels zurückzuführen sind, ermöglicht den Einsatz der
erfindungsgemäßen Vorrichtung in robotergeführten Remotelaserschweißköpfen. Durch
Anordnung eines verstellbaren, adaptiven Fokussierspiegels erfolgt in Verbindung mit dem
beweglich aufgehängten, verstellbaren Scannerspiegel eine dreidimensionale Verstellung
des Laserstrahles auf dem Werkstück.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dem Spiegel zur Verstellung ein
piezoelektrisches Steuerelement zugeordnet. Das hat zur Folge, dass der
zweidimensionalen Verstellung des Scannerspiegels eine zusätzliche hochfrequente
Bewegung überlagert werden kann. Damit wird eine zusätzliche Bewegung des
Laserstrahles auf dem Werkstück erreicht. Diese zusätzliche Bewegung wird insbesondere
zum besseren Schweißen von spaltbehafteten Fügestellen angewendet.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den
Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen
Zeichnung, die die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes
mittels eines fokussierbaren Lasers zeigt, näher erläutert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines
fokussierbaren Lasers besteht aus einem beweglich verstellbaren Scannerspiegel 10, dem
ein verstellbarer, adaptiver Fokussierspiegel 12, ein Umlenkspiegel 16, ein verstellbarer
Spiegel 18 und eine Lasererzeugungsquelle 22 vorgeschaltet sind. Der Spiegel 18, der als
ebener Spiegel ausgebildet ist, wird durch ein unmittelbar an den Spiegel 18 angeordnetes,
piezoelektrisches Steuerelement 20 verstellt. Dabei erfolgt die Verstellung des Spiegels 18
durch Kippen des Spiegels 18 um die x-Achse und/oder um die y-Achse. Die Einstellung des
Spiegels 18, durch entsprechende Winkelveränderung beim Kippen des Spiegels 18, wird
durch mehrere einzelne Piezoelemente erreicht, die durch eine hochfrequente Spannung
angesteuert werden und dadurch eine entsprechende Verstellung des Spiegels 18 bewirken.
Durch die Anordnung von mehreren Piezoelementen und deren separate Ansteuerung lässt
sich der Spiegel 18 entsprechend den Erfordernissen verstellen. Durch die hochfrequente
Spannung wird dem Laserstrahl eine hochfrequente Zusatzbewegung in x-Richtung und in
y-Richtung überlagert. Die Zusatzbewegung wird durch die entsprechenden Spiegel auf das
Werkstück übertragen und bewirkt auf dem Werkstück ein besseres Schweißen von
spaltbehafteten Fügestellen. Diese Zusatzbewegung des Laserstrahles besitzt aber nur eine
geringfügige Größe.
Der durch den Spiegel 18 mit einer hochfrequenten Zusatzbewegung überlagerte
Laserstrahl wird über einen Umlenkspiegel 16 auf einen adaptiven Fokussierspiegel 12
geleitet. Der adaptiven Fokussierspiegel 12 ist als eine flexible Membran ausgebildet,
dessen Krümmungsradius durch ein piezoelektrisches Steuerelement 14 verstellt wird. Das
Piezoelement wirkt direkt auf die flexible Membran und bewirkt durch eine entsprechende
Steuerspannung eine Änderung des Krümmungsradius des adaptiven Fokussierspiegels 12.
Die Änderung des Krümmungsradius des adaptiven Fokussierspiegels 12 hat eine
Verstellung des Fokussierpunktes des Laserstrahles in z-Richtung (Höhenverstellung) auf
dem Werkstück zur Folge. Damit lassen sich sowohl unterschiedliche Werkstückdicken
bearbeiten als auch die Abweichungen der Lage des Brennfleckes des Laserstrahles von
der exakten Ebene, die beim Kippen des Scannerspiegels 10 zwangsläufig entstehen,
ausgleichen. Somit erfolgt die Verstellung des adaptiven Fokussierspiegels 12 in
Abhängigkeit von der Werkstückoberfläche und der Verstellung des Scannerspiegels 10
beim Schweißvorgang. Die flexible Membran des adaptiven Fokussierspiegels 12 ist ein für
die Laserwellenlänge hochreflektierender Spiegel.
Der durch den adaptiven Fokussierspiegel 12 in seinem Fokussierpunkt veränderte
Laserstrahl trifft auf den als ebenen Umlenkspiegel ausgebildeten Scannerspiegel 10. Der
Scannerspiegel 10 ist beweglich, beispielsweise kardanisch, aufgehängt und zusätzlich
zweidimensional in x-Richtung und in y-Richtung verstellbar. Durch die Verstellung des
Scannerspiegels in x-Richtung und in y-Richtung lässt sich der Fokussierpunkt des
Laserstrahles auf der Werkstückoberfläche exakt einstellen. Die Kippbewegung des
Scannerspiegels ermöglicht, eine hohe Schweißgeschwindigkeit auf der
Werkstückoberfläche. Durch die Überlagerung der Verstellung des Spiegels 18 mit der
Verstellung des adaptiven Spiegels 12 und der Verstellung des Scannerspiegels 10 wird
beim Schweißen immer ein optimaler Brennpunkt auf der Werkstückoberfläche
entsprechend den eingestellten Bedingungen erzeugt. Durch die Anordnung der
piezoelektrischen Steuerelemente 14 und 20 an dem adaptiven Fokussierspiegel 12 und an
dem Spiegel 18 können Änderungen des Fokussierpunktes des Laserstrahles auf dem zu
bearbeitenden Werkstück sehr schnell in drei Dimensionen (in x-Richtung, in y-Richtung und
z-Richtung) durchgeführt werden.
Durch den Einsatz des beweglich verstellbaren Scannerspiegels 10 in Verbindung mit dem
piezoelektrisch verstellbaren, adaptiven Fokussierspiegel und dem piezoelektrisch
verstellbaren Spiegel 18 sowie mit dem Umlenkspiegel 16 wird die Masse und der Bauraum
der Vorrichtung gegenüber dem bekannten Stand der Technik erheblich verringert, so dass
die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem robotergeführten Remotelaserschweißkopf
eingesetzt werden kann. Dadurch wird der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wesentlich erweitert. Gleichzeitig wird durch die Verringerung der zu
bewegenden Masse die Schweißgenauigkeit verbessert und die Schweißgeschwindigkeit
erhöht.
Als Laser für die durchzuführenden Schweißarbeiten wird ein CO2- oder ein Nd:YAG-Laser
verwendet.
10
Scannerspiegel
12
adaptiver Fokussierspiegel
14
piezoelektrisches Steuerelement
16
Umlenkspiegel
18
Spiegel
20
piezoelektrisches Steuerelement
22
Lasererzeugungsquelle
Claims (17)
1. Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines fokussierbaren
Lasers, mit einer Laserquelle und wenigstens einem im Strahlweg des Lasers
angeordneten Spiegel, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlweg ein beweglich
verstellbarer Scannerspiegel (10) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem beweglich
verstellbaren Scannerspiegel (10) im Strahlweg des Lasers ein verstellbarer,
adaptiver Fokussierspiegel (12), ein Umlenkspiegel (16) und ein verstellbarer
Spiegel (18) vorgeschaltet sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der beweglich verstellbare Scannerspiegel (10), der
verstellbare, adaptive Fokussierspiegel (12), der Umlenkspiegel (16), der
verstellbare Spiegel (18) und die Lasererzeugungsquelle (22) in einem
robotergeführten Remotelaserschweißkopf angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass dem Spiegel (18) zur Verstellung ein piezoelektrisches
Steuerelement (20) zugeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Steuerelement (20) aus mehreren
einzelnen Piezoelementen besteht.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Steuerelement (20) des Spiegels (18)
durch hochfrequente Spannung verstellt wird.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Spiegel (18) ein ebener Spiegel ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Spiegel (18) um die x-Achse und um die y-Achse
verstellbar angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass dem adaptiven Fokussierspiegel (12) zur Verstellung ein
piezoelektrisches Steuerelement (14) zugeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der adaptive Fokussierspiegel (12) eine flexible Membran
ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der adaptive Fokussierspiegel (12) ein für Laser
hochreflektierender Spiegel ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verstellung des adaptiven Fokussierspiegels (12) in
Abhängigkeit von der Werkstückoberfläche und der Verstellung des
Scannerspiegels (10) erfolgt.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der beweglich verstellbare Scannerspiegel (10) zusätzlich
zweidimensional verstellbar angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verstellung des Spiegels (18) mit der Verstellung des
adaptiven Fokussierspiegels (12) und des Scannerspiegels (10) überlagert wird.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der beweglich verstellbare Scannerspiegel (10) ein ebener
Umlenkspiegel ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Laser ein CO2-Laser ist.
17. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein
Nd:YAG-Laser ist.
Priority Applications (1)
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DE10027148A DE10027148A1 (de) | 2000-05-31 | 2000-05-31 | Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines fokussierbaren Lasers |
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Publications (1)
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