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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Laserstrahloptik in einer Roboterachse,
in deren Längsachse
ein erster Strahlengang eines ersten Laserarbeitsstrahls anzuordnen
ist, der werkstückseitig
in einen achsparallelen zweiten Strahlengang umlenkbar ist, und
in der ein dritter Strahlengang eines zweiten Laserarbeitsstrahls
achsparallel zum ersten Strahlengang des ersten Laserarbeitsstrahls
anzuordnen ist.
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Eine
Optik mit den vorgenannten Merkmalen ist aus der
EP-A-0 901 875 bekannt. Der
erste Laserarbeitsstrahl der bekannten Laserstrahloptik wird einer
Ausbaueinheit zugeleitet, die die Aufgabe hat, die erste Laserstrahlung
aus dem ersten Strahlengang in den dazu achsparallelen zweiten Strahlengang
umzulenken. Bei der bekannten Laserstrahloptik kann ein dritter
Strahlengang eines zweiten Laserarbeitsstrahls ausgebildet werden
und zwar so, daß er
parallel zum ersten Strahlengang des ersten Laserarbeitsstrahls
anzuordnen ist. Das ist jedoch nur dann möglich, wenn die Ausbaueinheit
zur Umlenkung des ersten Laserarbeitsstrahls ausgebaut ist. Denn
die Ausbaueinheit ragt in den zweiten bzw. auch in den dritten Strahlengang
hinein, weil diese beiden vorgenannten Strahlengänge miteinander fluchten. Wenn also
mit unterschiedlicher Laserarbeitsstrahlung gearbeitet werden soll,
beispielsweise mit einer CO
2-Laserstrahlung
oder einer Diodenlaserstrahlung, muß ein Umbau der Roboterachse
erfolgen, bei der die Ausbaueinheit entweder eingebaut oder ausgebaut wird.
Das ist aufwendig und bedarf anschließender Justierung. Außerdem kann
nicht mit zwei Laserarbeitsstrahlen gleichzeitig gearbeitet werden.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Laserstrahloptik mit den
eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß sie umbaufrei
für wechselweisen
Einsatz unterschiedlicher Laserarbeitsstrahlung geeignet ist, vor allem
aber auch für
den gleichzeitigen Einsatz zweier unterschiedlicher Laserarbeitsstrahlungen.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß in einem
der Strahlengänge
des ersten Laserarbeitsstrahls zwei davon zum Werkstück hin durchstrahlbare
optische Elemente aufeinanderfolgend angeordnet sind, die im Sinne
einer Kompensation eines Strahlenversatzes aufeinander abgestimmt
sind, und daß dem
zweiten der beiden optischen Elemente der zweite Laserarbeitsstrahl
zugeleitet und von diesem zum Werkstück hin reflektierbar ist.
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Für die Erfindung
ist von Bedeutung, daß die Laserstrahloptik
zwei Laserarbeitsstrahlen so zusammenzuführen erlaubt, daß beide
wechselweise oder gemeinsam die gewünschte Bearbeitung eines Werkstücks in einem
Arbeitsgang durchführen
können.
Dabei sollen die Laserarbeitsstrahlen jeweils auch unterschiedliche
Strahlung aufweisen können, also
solche, die unterschiedliche Strahlungsparameter haben. Die erste
Laserarbeitsstrahlung soll beispielsweise CO2-Strahlung
sein und die zweite Laserarbeitsstrahlung Nd:YAG-Strahlung. Es ist
darauf zu achten, daß die
Laserstrahloptik die beiden Strahlen fehlerfrei zu kombinieren vermag.
Das wird insbesondere dadurch erreicht, daß der erste Laserarbeitsstrahl
optische Elemente nacheinander durchläuft, die im Sinne einer Vermeidung
eines Strahlenversatzes miteinander abgestimmt sind. Infolgedessen
liegt die Kombinationsstelle der Laserstrahloptik konstruktiv fest.
Es ist nicht erforderlich, andere optische Maßnahmen zu treffen, um den
Strahlenversatz auszugleichen. Zur Durchführung ausgleichender Maßnahmen
müßten sonst
Bauelemente eingebaut werden, die dort nachgeordnet werden müßten, wo
in der Roboterachse kein Platz ist.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Laserstrahloptik zeichnet sich dadurch
aus, daß das
erste optische Element eine strahlendurchlässige Kompensationsplatte ist,
daß das
zweite optische Element eine ebenfalls strahlendurchlässige, jedoch
den zweiten Laserarbeitsstrahl reflektierende Reflektorplatte ist,
und daß die
Eingangssymmetrieachse der Kompensationsplatte und die Ausgangssymmetrieachse
der Reflektorplatte fluchten. Damit kann der Strahlenversatz durch
zwei Platten kompensiert werden, deren Brechungseigenschaften identisch
sind und die in Bezug aufeinander kompensatorisch wirken, was den
Strahlenversatz betrifft.
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Dabei
ist zu bevorzugen, daß die
beiden optischen Elemente in einem einen Strahlenversatz kompensierenden
Winkel zueinander angeordnet sind.
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Anstelle
von Platten können
alle optisch wirksamen Bauelemente eingesetzt werden, mit denen ein
Strahlenversatz ausgeschaltet werden kann. In dieser Hinsicht kann
es zweckmäßig sein,
die Laserstrahloptik so auszubilden, daß zumindest ein optisches Element
aus zwei, sich optisch plattenartig verhaltenden Prismen besteht.
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Wenn
die beiden optischen Elemente für CO2-Strahlung durchlässig sind, können übliche Plattenwerkstoffe
eingesetzt werden, die bezüglich
der 10,6 μm-Strahlung
eines CO2-Lasers wohl erforscht und bewährt sind,
zum Beispiel Zink-Selenid.
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Es
ist dann vorteilhaft und notwendig, die Laseroptik so auszubilden,
daß das
zweite optische Element für
Nd:YAG-Strahlung
hochreflektierend ist.
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Um
einen weitgehend verlustfreien Strahlungsdurchgang zu erreichen,
kann die Laseroptik so ausgebildet werden, daß die beiden optischen Elemente
jeweils strahleneintrittseitig und strahlenaustrittseitig antireflektierend
beschichtet sind. Antireflektierende Beschichtung vermeidet Strahlungsverluste
an den Ein- und Austrittsflächen
der optischen Elemente.
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Die
Laseroptik kann ferner so ausgebildet werden, daß das zweite optische Element
auf einer dem zweiten Laserarbeitsstrahl zugewandten Reflektorfläche diesen
hochreflektierend beschichtet ist. Eine derartige hochreflektierende
Beschichtung ist insbesondere dann erforderlich, wenn Strahlungsverluste
des zweiten Laserstrahls vermieden werden sollen. Solche Strahlungsverluste
wären insbesondere
zu erwarten, wenn das zweite optische Element strahlungsdurchlässig wäre, wenn
auch nur für
eine Strahlung anderer Wellenlänge.
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Eine
zweckmäßige Ausgestaltung
der Laseroptik wird dadurch erreicht, daß für die Zuleitung des zweiten
Laserarbeitsstrahls zum zweiten optischen Element ein dessen Reflektorfläche paralleler
Umlenkspiegel vorhanden ist. Es wird eine zum zweiten Strahlengang
rechtwinklige Umlenkung des zweiten Laserstrahls erreicht.
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Eine
konstruktiv besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Laseroptik
kann dadurch erreicht werden, daß die beiden optischen Elemente
und bedarfsweise ein Umlenkspiegel in einem einzigen Gehäuse angeordnet
sind. Damit ergibt sich eine Baueinheit, die eine feste Zuordnung
der optischen Elemente zueinander gewährleistet, unabhängig vom Zusammenbau
dieser Baueinheit mit der Roboterachse. Das Gehäuse kann robust sein, so daß die Ausbildung
und Funktion der beiden optischen Elemente nicht gefährdet ist,
insbesondere nicht beim Zusammenbau des Gehäuses mit der Roboterachse.
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In
Anpassung an die wichtigsten Ausgestaltungsmerkmale der Laseroptik
kann diese so ausgebildet werden, daß ein einen Strahlenausgang
aufweisendes Gehäuse
an einer werkstückseitigen Stirnwand
der Roboterachse angebracht ist und werkstückabgewendet einen ersten Strahleneingang des
ersten Laserarbeitsstrahls und einen zweiten Strahleneingang des
zweiten Laserarbeitsstrahls aufweist. Damit wird eine einfache und
zuverlässige Befestigung
des Gehäuses
erreicht sowie eine zutreffende Zuordnung der Strahleneingänge zu den Strahlengängen.
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In
besonderer Weise kann die Laserstrahloptik dahingehend ausgebildet
werden, daß an
das Gehäuse
im Bereich seines ersten Strahleneingangs ein Strahlenversatzmodul
angebaut ist, der im Bereich des ersten Strahlengangs einen ersten
Versatzspiegel und zu Beginn des zweiten Strahlengangs einen zweiten
Versatzspiegel aufweist. Die Umlenkung des ersten Laserarbeitsstrahls
erfolgt infolgedessen mit einem besonderen Bauteil, das speziell
auf seine Umlenk- bzw. Versatzaufgabe ausgebildet ist und zusätzlich mit
dem Gehäuse
zusammengebaut werden kann, das die beiden optischen Elemente aufweist.
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Eine
besondere Ausbildung der Laserstrahloptik ist dahingehend möglich, daß das Gehäuse im Bereich
des zweiten Strahlengangs einen Einbaueinschnitt hat, in den ein
die optischen Elemente aufweisender Elemententräger eingebaut ist. Der Elemententräger läßt insbesondere
eine zutreffende Anordnung der optischen Elemente in Bezug aufeinander erreichen.
Das Gehäuse
kann im übrigen
unabhängig
vom Elemententräger
ausgebildet werden und braucht lediglich im Bereich eines Zusammenbaus mit
diesem Elemententräger
genau genug ausgebildet zu werden, um den optischen Anforderungen
an eine Vermeidung des Strahlenversatzes zu genügen.
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Die
Laserstrahloptik kann desweiteren dahingehend verbessert werden,
daß der
dem zweiten optischen Element optisch vorgeordnete Umlenkspiegel
an einer Gehäuseaußenwand
festgelegt ist, die einer werkstückseitigen
Wand des Einbaueinschnitts parallel ist. Die Gehäuseaußenwand und die Wand des Einbauabschnittes
können
hochgenau parallel gefertigt werden. Das ist für die optische Präzision der
Strahlenkombination von Vorteil.
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Um
die Laserstrahloptik dafür
geeignet zu machen, daß sie
in einer solchen Roboterachse angewendet werden kann, der weitere
Achsen einer Rototerhand nachgeordnet sind, kann diese Laserstrahloptik
so ausgebildet werden, daß der
zweite Strahlengang und ein am reflektierenden optischen Element
beginnender vierter, beiden Laserarbeitsstrahlen gemeinsamer Strahlengang
in einer von der Längsachse
der Roboterachse und von einer dazu senkrechten Schwenkachse einer
weiteren Roboterachse gebildeten Ebene mit einem vorbestimmten Abstand
von der Längsachse
der Roboterachse angeordnet sind. Infolgedessen kann sich der beiden Arbeitsstrahlen
gemeinsame Strahlengang in der Nähe
eines Außenumfangs
der Roboterachse befinden, in deren Längsachse können für nachfolgende Achsen notwendige
Bauteile angeordnet werden und es ist nur ein einziger Spiegel zur
Strahlenumlenkung in die Schwenkachse der weiteren Roboterachse notwendig.
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Die
Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert. Es
zeigt:
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1 eine schematische Darstellung
eines Knickarmroboters,
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2 eine Unteransicht einer
Roboterachse, an der werkstückseitig
zwei weitere Handachsen angeordnet sind, mit teilweisen Schnittdarstellungen,
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3 eine vereinfachte Seitendarstellung der
Roboterachse der 2 mit
Schnittdetails,
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3a eine vergrößerte Detaildarstellung
A der 3,
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4,5 schematisierte Strahlengänge in Roboterachsen
und
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4a das Detail B der 4.
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Der
in 1 schematisch dargestellte
Knickarmroboter ist so ausgebildet, daß er in allen Richtungen kartesischer
Koordinaten x, y und z die erforderlichen Bewegungen im Rahmen der
Reichweiten seiner Achsen 37,38,39,10,35 und 36 ausführen kann. Sämtliche
vorgenannten Achsen sind Drehachsen, deren Drehverstellung durch
Motorkraft erfolgt. 2 zeigt
schematisch die Anordnung eines Antriebsmotors 37 für die Roboterachse 10.
Der Stellmotor 37 wird, wie auch die Stellmotoren der anderen Drehachsen,
von einer nicht näher
erläuterten
Bahnsteuerung so beaufschlagt, daß er die gewünschten Achsendrehbewegungen
veranlaßt.
Der Roboter soll für
die 3-D-Bearbeitung von Werkstücken
mit Laserstrahlung eingesetzt werden, wozu er eine spezielle Roboterhand
hat, die in den 2,3 dargestellt ist. Diese
Roboterhand besteht im wesentlichen aus der roboterseitigen Roboterachse 10 und
zwei baulich miteinander kombinierten Handachsen 35,36.
Die Achse 36 ist mit Hilfe von Drehlagern 40 um
ihre Längsachse
drehbar, was durch den Doppelpfeil 36' in 1 angedeutet
ist. In dieser Achse 36 befindet sich eine Fokussieroptik 41,
mit der zwei Laserarbeitsstrahlen 13,16 auf ein
Werkstück
fokussiert werden können.
Die Handachse 35 ist um eine Schwenkachse 34 schwenkbar,
die von einem Drehlager 42 gebildet ist. Die Doppelpfeile 35' in den 1 und 3 kennzeichnen die infolgedessen vorhandene
Drehverstellbarkeit der Handachse 35, so daß die Handachse 36 in
die in 3 dargestellten
Stellungen gelangen kann. Die Handachse 35 ist im übrigen fest von
der Roboterachse 10 gehalten, die werkstückseitig
eine Stirnwand 24 für
diese Befestigung aufweist.
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Die
Roboterachse 10 besteht entsprechend den 2,3 im
wesentlichen aus einem Rohrgehäuse 43,
das an seinem der Stirnwand 24 gegenüberliegenden Ende an ein Getriebegehäuse 44 des
Motors 37 angebaut ist. Das Getriebegehäuse 44 hat Anbauflansche 45 für einen
in 1 schematisch dargestellten
ersten Laser 46. Die von diesem Laser 46 erzeugte
Laserstrahlung wird durch eine Laserstrahlungszuleitung 47 und
einen in 2 angedeuteten Stahlungseingang 48 in
einen ersten Strahlengang 12 gebracht, der mit einer Längsachse 11 der
Roboterachse 10 gleichachsig ist. Des weiteren ist ein nicht
dargestellter zweiter Laser vorhanden, dessen Laserstrahlung mit
einer weiteren Laserstrahlungszuleitung 49 in einen dritten
Stahlengang 15 gebracht wird, der sich innerhalb des Rohrgehäuses 43 parallel
zum ersten Strahlengang 12 befindet. Während der erste Laser 46 beispielsweise
ein CO2-Laser ist, ist der zweite Laser
beispielsweise ein Nd:YAG-Laser, so daß die beiden von den Lasern
erzeugten Laserarbeitsstrahlen 13,16 entsprechend
unterschiedliche Wellenlängen
haben. Der Laser 46 ist beispielsweise mit einer Leistung
von 300 Watt bei einer Strahlqualität von k = 0,7 ausgestattet,
während
der nicht dargestellte Nd:YAG-Laser eine Leistung von 200 Watt hat.
Die Zuleitung der Laserstrahlung des zweiten Laserarbeitsstrahls 16 erfolgt
beispielsweise mit einer flexiblen Zuleitung in Gestalt einer Glasfaserleitung
zu einem Anschlußelement 50 oder
auch Getriebegehäuse 44.
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Damit
die Laserarbeitsstrahlen 13,16 einem Werkstück 18 in
gewünschter
Weise raumsparend zugeführt
werden können,
müssen
sie in vorbestimmter Weise kombiniert werden können. Diese Kombination erfolgt
in erster Linie mit einer der Stirnwand 24 nahen Laserstrahloptik,
die in einem Gehäuse 22 untergebracht
ist. Das Gehäuse 22 ist
an der Stirnwand 24 mit Befestigungsstellen 22' befestigt und
hat hier einen Strahlenausgang 23, der in einen Strahlendurchtritt 24' der Stirnwand 24 mündet. Dem Strahlenausgang 23 gegenüberliegend,
also werkstückabgewendet
trägt das
Gehäuse 22 ein
Strahlenversatzmodul 27. Dieses Modul 27 hat einen
ersten Versatzspiegel 28, der im ersten Strahlengang 12 des
ersten Laserarbeitsstrahls 13 angeordnet ist, so daß dieser
Laserarbeitsstrahl 13 auf den Versatzspiegel 28 trifft
und vertikal zum ersten Strahlengang 12 umgelenkt wird.
Infolge dieser Umlenkung trifft der erste Laserarbeitsstrahl 13 auf
einen zweiten Versatzspiegel 29, mit dem der erste Laserarbeitsstrahl 13 in
einen zweiten Strahlengang 14 umgelenkt wird. Durch den
zweiten Strahlengang 14 gelangt der erste Laserarbeitsstrahl 13 in
das Gehäuse 22 bis
zu dessen Strahlenausgang 23.
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Der
dritte Strahlengang 14 für den zweiten Laserarbeitsstrahl 16 fluchtet
mit einem zweiten Strahleneingang 26 des Gehäuses 22.
Der zweite Laserarbeitsstrahl 16 trifft auf einen Umlenkspiegel 22,
von dem aus er senkrecht zur Längsachse 11 umgelenkt
wird und auf eine Reflektorfläche 20' einer Reflektorplatte 20 trifft,
welche den zweiten Laserarbeitsstrahl 17 erneut rechtwinklig
umlenkt, nämlich
in einen vierten Strahlengang 33.
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Die
Reflektorplatte 20 dient außer der Umlenkung des zweiten
Laserarbeitsstrahls 16 auch einem Strahlendurchtritt des
ersten Laserarbeitsstrahls 13. Dieser durchläuft auf
seinem Weg über
den zweiten Strahlengang 40 zum beiden Laserstrahlen 13,16 gemeinsamen
Strahlengang 33 zwei in Strahlungsrichtung aufeinanderfolgend
angeordnete optische Elemente, nämlich
zunächst
eine Kompensationsplatte 19 und dann die Reflektorplatte 20.
Die Kompensationsplatte 19 hat Brechungseigenschaften, aufgrund
der ein Strahlenversatz 17 entsteht. Die Reflektorplatte 20 hat
ebenfalls Brechungseigenschaften, die einen entgegengesetzten, nicht
näher bezeichneten
Strahlenversatz zur Folge haben. Beide Platten 19,20 sind
so ausgebildet und angeordnet, daß die Eingangssymmetrieachse 19 der
Kompensationsplatte 19 und die Ausgangssymmetrieachse 20'' der Reflektorplatte 20 fluchten.
Infolgedessen wird der Strahlenversatz 17 im Bezug auf
eine Strahlenaustrittsstelle 20''' der Reflektorplatte 20 kompensiert.
Der Einbau der Kompensationsplatte 19 bewirkt, daß der die
Reflektorplatte 20 verlassende Laserarbeitsstrahl 13 genau
an einer vorbestimmten Strahlaustrittsstelle 20''' erfolgt.
Diese Strahlaustrittsstelle 20''' kann genau
mit der Reflektionsstelle zusammenfallen, die zur Reflektion des
Laserarbeitsstrahls 16 auf der Reflektorfläche 20' vorbestimmt
ist. Es ergibt sich damit die in 4 dargestellte
Möglichkeit,
die Arbeitsstrahlen 13,16 koaxial anzuwenden, ohne
im Bereich der Laserstrahloptik im Hinblick auf einen Strahlenversatz 17 besondere
bauliche oder sonstige Justiermaßnahmen durchführen zu
müssen.
Vielmehr kann die Laseroptik als Baueinheit ausgebildet werden,
die mit hoher Präzision
wirkt.
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Das
Gehäuse 22 ist
mit einem in der Darstellungsebene der 3a ersichtlichen Einbaueinschnitt 30 versehen.
Dieser Einbaueinschnitt 30 ist V-förmig und hat einen Spitzenwinkel α. Dieser
Winkel ist vorzugsweise ein rechter. In den Einbaueinschnitt 30 kann
ein Elemententräger 31 eingebaut sein,
der die beiden Platten 19,20 trägt. Diese
beiden Platten 19,20 sind ebenfalls in einem rechten
Winkel angeordnet, so daß sich
ein mechanisch vorteilhafter, nämlich
präziser
Zusammenbau des Elemententrägers 31 mit
dem Einbaueinschnitt 30 des Gehäuses 22 ergibt. Mit
diesem Zusammenbau wird dazu beigetragen, daß sich die Brechungseigenschaften der
Platten 19,20 möglichst genau kompensieren. Weitere
Voraussetzungen dafür
sind, daß die
Platten 19,20 gleiche Brechungseigenschaften aufweisen, bei
gleichem Werkstoff insbesondere gleich dick sind.
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Damit
die Ausgangssymmetrieachse 20'' und
die Mitte des auf die Reflektorfläche 20' fallenden zweiten Laserarbeitsstrahls 16 identisch
sind bzw. zusammenfallen, muß auch
der Umlenkspiegel 21 präzise
angeordnet sein. Dies wird dadurch erreicht, daß der Umlenkspiegel an einer
Gehäuseaußenwand 32 festgelegt
ist, die einer werkstückseitigen Wand 30' des Einbaueinschnittes 30 parallel
ist. Beide Wände 30',32 können exakt
parallel hergestellt werden, um den Genauigkeitsanforderungen zu
genügen.
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Die
Laserstrahloptik soll möglichst
verlustfrei ausgebildet sein. Für
die beiden Platten 19,20 wird beispielsweise Zink-Selenid
vorgesehen. Außerdem kann
mit Beschichtungen erreicht werden, daß die Laserstrahloptik möglichst
wenig optische Verluste hat. Beispielsweise kann jede Plattenseite
der Platten 19,20 antireflektierend beschichtet
sein. Das gelingt beispielsweise mit einer dielektrischen Schicht, die
aus zwei Schichten mit je unterschiedlichem Brechungsindex aus der
Reihe der Fluoride BaF2, MgF2, oder
YbM3 besteht. Die Reflektorfläche 20' der Reflektorplatte 20 muß für die Strahlung
des zweiten Laserarbeitsstrahls 16 hingegen möglichst
gut reflektieren, was durch eine hochreflektierende Beschichtung erreicht
werden kann. Eine solche Beschichtung wurde mit mehr als fünf Schichten
aus den vorgenannten Stoffen erreicht, so daß sie für CO2-Strahlung
antireflektierend, für
Nd:YAG-Strahlung
hingegen hochreflektierend war.
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Der
vierte Strahlengang 33, der für beide Laserarbeitsstrahlen 13,16 gemeinsam
ist, führt
durch die Stirnwand 24 zu der Achse 35. Hier ist
ein Umlenkprisma 35'' im Bereich
der Schwenkachse 34 mit Abstand 66 zu einer Symmetrieachse
eines mit der Handachse 36 drehbaren Fokussierspiegels 41 angeordnet,
so daß die
Laserarbeitsstrahlen 13,16 zum Fokussierspiegel 41 umgelenkt
werden.
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Ein
Vergleich der 4,5 zeigt, daß die Laserarbeitsstrahlen 13,16 im
gemeinsamen vierten Strahlengang 33 nicht notwendigerweise
gleichachsig angeordnet sein müssen.
Es ist vielmehr auch eine Parallelachsigkeit denkbar. Während bei
gleichachsigen Laserarbeitsstrahlen 13,16 eine
gleichzeitige und/oder taktweise aufeinanderfolgende Bearbeitung
des Werkstücks 18 erfolgen
kann, indem beispielsweise eine Schneidstelle 52 und eine
Schweißstelle 53 ausgebildet
werden, läßt sich
bei Parallelachsigkeit erreichen, daß in vorbestimmtem Abstand voneinander
angeordnete Bearbeitungsstellen 54 oder 55 gleichzeitig
und/oder taktweise nacheinander bearbeitet werden können. In
allen Fällen
ist die Ausbildung einer Laserstrahloptik vorteilhaft, die aufgrund
der vorbeschriebenen Konstruktionen justierunempfindlich ist.