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Die
Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines
Werkstücks
mittels eines Laserstrahls und insbesondere einen derartigen Laserbearbeitungskopf,
der zum Einsatz mit Scannersystemen, wie sie beispielsweise für das Remote-Schweißen eingesetzt
werden, geeignet ist.
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Die
Firma Kuka hat im September 2003 das sogenannte Roboscanverfahren
zur Werkstückbearbeitung
vorgestellt, bei dem ein standardmäßiger Laserschweißkopf mit
einer Fokussieroptik, die eine große Brennweite aufweist, durch
Schwenken des Roboterhandgelenks eine schnelle Bewegung des Laserbearbeitungspunktes,
also des Arbeitsfokus auf dem Werkstück erzeugt. Hierbei wird also
der Arbeitsfokus nicht nur durch das Verfahren der Roboterhand in
drei den Raum aufspannenden Richtungen erzielt, sondern auch durch
zusätzliches Schwenken
der Fokussieroptik mittels der Roboterhand.
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Damit
lassen sich wesentlich höhere
Positioniergeschwindigkeiten für
den Arbeitsfokus erreichen, als allein mit dem Verfahren der Roboterhand.
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Darüber hinaus
sind bereits Scanneroptiken für
Laserbearbeitungsköpfe
bekannt, mit deren Hilfe eine schnelle Bewegung des Arbeitsfokus
auf dem Werkstück
erreicht werden kann. Hierzu werden ein oder zwei Galvanospiegel,
also Spiegel die galvanisch verstellbar sind, eingesetzt, die den
parallelen Laserstrahl ablenken, sodass er eine nachgeschaltete
F-theta Scanneroptik in verschiedenen Positionen trifft, die den
Laserstrahl dann in den Arbeitsfokus auf dem Werkstück fokussiert.
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Darüber hinaus
beschreibt die
DE
102 30 960 A1 , die eine Laserbearbeitungsmaschine betrifft, das
bei Scannersystemen, die zum Beispiel zum Remote-Welding eingesetzt
werden vor den Ablenkspiegeln (Scannerspiegeln) eine verfahrbare
Optik angeordnet ist, über
welche die Fokuslage des von den Scannerspiegeln verschobenen Laserstrahls
variiert werden kann.
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Laserbearbeitungsköpfe, bei
denen Scannersysteme mit F-theta Scannerlinsen und Galvanospiegeln
eingesetzt werden sind aufgrund der verwendeten Bauelemente teuer.
Darüber
hinaus ist die Temperaturabführung
bei Galvanospiegeln schwierig, was zu einer Leistungsbegrenzung
führt.
Ebenso be grenzen Galvanospiegel den Strahldurchmesser des parallelen
Laserstrahlbündels,
was bei großen Fokussierbrennweiten
zu einer Beschränkung
des Abbildungsverhältnisses
führt.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen weiteren
Laserbearbeitungskopf, der insbesondere für den Einsatz in Scannersysteme
geeignet ist, bereitzustellen, der eine Scan- oder Abtastbewegung
des Arbeitsfokus auf einfache und kostengünstige Weise zuverlässig ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch den Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist also
bei einem Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse, durch das hindurch ein
Arbeitsstrahlengang für
den Laserstrahl von einem Laserstrahleinlass zu einer Auslassöffnung für den Laserstrahl
geführt
ist, und mit einer Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls
in einen Arbeitsfokus, der außerhalb
des Gehäuses
mit Abstand zur Auslassöffnung
liegt, vorgesehen, dass die Fokussieroptik zumindest einen ersten
abbildenden Spiegel aufweist, der den einfallenden Laserstrahl in
den Arbeitsfokus fokussiert und der um eine Drehachse drehbar ist,
die mit einer optischen Achse des einfallenden Arbeitsstrahlengangs
koaxial ist.
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Durch
den Einsatz eines abbildenden Spiegels, der um eine Drehachse drehbar
ist, lässt
es sich auf einfache Weise erreichen, dass der Arbeitsfokus eine
schnelle Scanbewegung über
das Werkstück ausführt, ohne
dass den Durchmesser des Laserlichtbündels zusätzlich begrenzende optische
Elemente erforderlich wären.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass aufgrund der Verwendung abbildender
Spiegel die Optik sehr leicht und kostengünstig gestaltet werden kann.
Auch Dispersionseffekte, wie sie bei transmissiven Optiken auftreten,
werden durch Spiegel ausgeschlossen. Ferner lässt sich ein Spiegel leicht schwenken,
da er nur ein kleines Trägheitsmoment besitzt.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Fokussieroptik einen weiteren abbildenden Spiegel aufweist,
der den einfallenden Laserstrahl kollimiert und auf den ersten abbildenden
Spiegel lenkt. Durch die Verwendung von zwei Spiegeln also durch
die Kombination eines Kollimatorspiegels mit einem Fokussierspiegel
lässt sich
praktisch jedes gewünschte
Abbildungsverhältnis
für die
Abbildung eines kleinen von einer Lichtleitfaser gelieferten Laserflecks
in den Arbeitsfokus einfach realisieren.
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Eine
auf der Verwendung von zwei Spiegeln aufbauende Weiterbildung der
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der weitere abbildende
Spiegel um eine Drehachse drehbar ist, die mit einer optischen Achse
des einfallenden Arbeitsstrahlengangs koaxial ist, und der erste
abbildende Spiegel bei einer Drehung des weiteren abbildenden Spiegels
um seine Drehachse eine Schwenkbewegung um diese Drehachse ausführt, die
der Schwenkbewegung der, bezogen auf den weiteren abbildenden Spiegel,
ausfallenden optischen Achse des Arbeitsstrahlengangs entspricht.
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Durch
die Kombination von zwei drehbaren Spiegeln lässt es sich erreichen, dass
nicht nur eine lineare Abtastung, sondern auch eine flächenmäßige Abtastung
des Werkstücks
mit dem Arbeitsfokus durchgeführt
werden kann.
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Bei
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Fokussieroptik ein Kollimatorobjektiv aufweist, das den Laserstrahl
kollimiert, und dass zwischen dem Kollimatorobjektiv und dem ersten
abbildenden Spiegel ein zerstreuendes Abbildungselement angeordnet
ist, das ein divergentes Laserstrahlbündel auf den ersten abbildenden Spiegel
lenkt, wobei der erste abbildende Spiegel gemeinsam mit dem zerstreuenden
Abbildungselement in Richtung des vom Kollimatorobjektiv ausgehenden parallelen
Laserstrahlbündels
linear verschiebbar ist. Hier lässt
sich also eine schwenkende Scanbewegung des Arbeitsfokus, die durch
Drehen des ersten abbildenden Spiegels erreicht wird, mit einer
linearen Abtastbewegung kombinieren, die durch eine Verschiebung
des ersten abbildenden Spiegels gemeinsam mit dem zerstreuenden
Abbildungselement entlang dem parallelen Laserlichtbündel erfolgt.
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Grundsätzlich ist
es denkbar, auch das Kollimatorobjektiv und das zerstreuende Abbildungselement
als Spiegel auszubilden, jedoch ist bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, dass das Kollimatorobjektiv und/oder das
zerstreuende Abbildungselement transmissive optische Elemente sind.
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Obwohl
aufgrund der durch die großen Brennweiten
ermöglichten
relativ großen
Arbeitsabstände
zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstückoberfläche kaum die Gefahr besteht,
dass Spritzer die Fokussieroptik treffen, ist es besonders vorteilhaft,
wenn die Fokussieroptik von einem Schutzglas abgeschlossen wird,
das zwischen dem ersten abbildenden Spiegel und dem Arbeitsfokus
angeordnet ist.
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Der
oder die Spiegel weist oder weisen eine rotationssymmetrische Spiegelfläche auf,
wobei die Rotationssymmetrieachse des oder der Spiegel mit der optischen
Achse des jeweiligen einfallenden Arbeitsstrahlengangs einen Winkel
einschließt,
der größer als
0° und kleiner
als 90°,
vorzugsweise größer als
20° und
kleiner als 80°,
besonders bevorzugt größer als
40° und
kleiner als 50°,
insbesondere etwa gleich 45° ist.
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Robuste
und zuverlässige
Spiegel werden erhalten, wenn die Spiegel aus Metall gefräst werden,
wobei vorzugsweise aus Gewichtsgründen Aluminium verwendet wird.
Der bzw. die Spiegel sind zweckmäßigerweise
mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen.
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Die
Verwendung von Metall, insbesondere Aluminium hat darüber hinaus
den Vorteil, dass sich der Spiegel gut mit Luft kühlen lässt. Für eine derartige
Luftkühlung
können
gegebenenfalls entsprechende Formen des Spiegelkörpers gewählt werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
stark vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
stark vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, und
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3 eine
stark vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In
den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende
Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
schematisch ein Laserbearbeitungskopf 10 zur Bearbeitung
eines Werkstücks 11 mittels
eines Laserstrahls 12 dargestellt, der ein Gehäuse 13 aufweist,
durch das hindurch ein Arbeitsstrahlengang 14 für den Laserstrahl 12 hindurchgeführt ist.
Der Arbeitsstrahlengang erstreckt sich dabei von einem Laserstrahleinlass 15,
der beispielsweise von einer Lichtaustrittsfläche einer optischen Lichtleitfaser 16 gebildet
ist, über
einen ersten abbildenden Spiegel 17 einer Fokussieroptik 7 durch
eine Auslassöffnung 18 hindurch
zum Arbeitsfokus 19, der auf der Oberfläche des Werkstücks 11 zur
Bearbeitung des Werkstücks
verschoben wird. Vorteilhafterweise ist die Auslassöffnung 18 von
einem Schutzglas 20 abgeschlossen, dass das Eindringen
von Verunreinigungen, insbesondere von Spritzern, Schweißrauch und
Dämpfen
aus der Wechselwirkungszone zwischen Arbeitsfokus 19 und
Werkstück 11 verhindert.
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Der
erste abbildende Spiegel 17, der bei dem Ausführungsbeispiel
nach 1 gleichzeitig als Kollimator- und Fokussierspiegel
dient, ist um eine Drehachse 21 drehbar gelagert, die mit
der optischen Achse 22 des einfallenden Arbeitstrahlengangs 14' coaxial ist.
Wird der erste abbildende Spiegel 17 um seine Drehachse 21 gedreht,
so führt
der ausfallende Arbeitsstrahlengang 14'' mit
seiner optischen Achse 23 eine Schwenkbewegung durch, die
eine schnelle Positionierung des Arbeitsfokus 19 auf der
Oberfläche
des Werkstücks 11 ermöglicht.
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Da
der erste abbildende Spiegel 17 zusammen mit den mit ihm
gemeinsam zu drehenden bzw. schwenkenden Elementen nur ein kleines
Trägheitsmoment
besitzt, lässt
sich eine präzise
und schnelle Positionierung des Laserfokus 19 auf der Oberfläche des
Werkstücks 11 erreichen.
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Das
Schutzglas 20 kann dabei so ausgebildet sein, dass es der
Schwenkbewegung des ausfallenden Arbeitsstrahlengangs 14'' nicht folgt. Es ist aber auch
möglich,
das Schutzglas 20 so anzuordnen, dass es gemeinsam mit
dem ersten abbildenden Spiegel 17 bewegt wird, also gemeinsam
mit dem ausfallenden Strahlengang 14'' eine
Schwenkbewegung um die Drehachse 21 des ersten abbildenden Spiegels 17 ausführt.
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Um
gegebenenfalls eine Drehbewegung des Gehäuses 13 relativ zur
Lichtleitfaser 16 zu ermöglichen, ohne dass diese Torsionskräften ausgesetzt wird,
kann zwischen dem Gehäuse 13 und
dem Ende der Lichtleitfaser 16 ein entsprechendes Drehlager 24 vorgesehen
sein.
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Der
erste abbildende Spiegel 17 weist eine rotationssymmetrische
Fläche
auf, die nicht unbedingt sphärisch
sein muss und deren Rotationssymmetrieachse 25 sowohl mit
der optischen Achse 22 des einfallenden Arbeitsstrahlengangs 14' als auch mit
der optischen Achse 23 des ausfallenden Arbeitstrahlengangs 14'' einen Winkel einschließt, der
größer als
0° aber
kleiner als 90° ist.
Dieser Winkel beträgt
im dargestellten Ausführungsbeispiel
45°, sodass
der erste abbildende Spiegel 17 eine Ablenkung des Arbeitsstrahlengangs 14 um
90° bewirkt.
Der Winkel kann aber auch je nach Geometrie des Laserbearbeitungskopfes 10 und
dem beabsichtigten Einsatz in der Werkstückbearbeitung kleiner oder
größer gewählt werden.
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Die
rotationssymmetrische Fläche
des ersten abbildenden Spiegels 17 muss je nach den gewünschten
optischen Abbildungseigenschaften berechnet werden, um die benötigten Abbildungsverhältnisse
und freien Strahllängen
zu erhalten.
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Geht
man beispielsweise von einer Lichtleitfaser 16 mit einem
Kerndurchmesser von 150 μm und
einem Abstand zwischen ersten abbildendem Spiegel 17 und
Arbeitsfokus 19 von 1.000 mm aus und benötigt man
einen Arbeitsfokus mit einem Durchmesser von 600 μm, so ergibt
sich aus dem geforderten Abbildungsverhältnis β = 4 eine Brennweite des abbildenden
Spiegels 17 von 200 mm, was einen Abstand zwischen Lichtaustrittsfläche der
Lichtleitfaser 16 und erstem abbildendem Spiegel 17 von
250 mm ergibt. Bei einer numerischen Apertur der aus der Lichtleitphaser 16 austretenden
Laserstrahlung von ca. 180 mrad lässt sich dann die Apertur des
ersten abbildenden Spiegels 17 berechnen, die dann einen
Durchmesser von ca. 100 mm besitzt.
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Im
Gegensatz zu Quarzlinsen mit derartig großen Durchmessern lassen sich
Spiegel relativ einfach herstellen. Insbesondere wird der erste
abbildende Spiegel 17 als Metallspiegel, insbesondere als Aluminiumspiegel
durch Fräsen
der rotationssymmetrischen Spiegelfläche hergestellt. Die Spiegelfläche wird
dabei vorzugsweise mit einer hoch-reflektierenden Beschichtung versehen.
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Die
Verwendung von Metall, insbesondere von Aluminium hat den Vorteil,
dass der Spiegel gut mit Luft kühlbar
ist, wobei er auf seiner Rückseite
gegebenenfalls mit entsprechenden Kühlrippen versehen werden kann.
Als Kühlluft,
die auch auf die Spiegelfläche
selbst geleitet werden kann, kann ein sogenannter Cross-Jet, also
ein quer zum Arbeitsstrahlengang 14 verlaufender Luftstrom
verwendet werden, der beispielsweise bei herkömmlichen Laserbearbeitungsköpfen eingesetzt
wird, um die dortigen Fokussieroptiken vor Verschmutzungen zu bewaren. Für die Kühlung des
Spiegels 17 ist jedoch kein Hochgeschwindigkeitsluftstrom
erforderlich, da wegen des großen
Abstandes zwischen Laserbearbeitungskopf 10 und Werkstück 11 praktisch
keine Spritzer aus der Wechselwirkungszone zwischen Arbeitsfokus 19 und
Werkstück 11 mehr
zu erwarten sind. Außerdem
ist die Fokussieroptik 7 des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes 10 bevorzugterweise
durch ein Schutzglas 20 abgeschlossen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 2 weist die Fokussieroptik 8 neben dem
ersten abbildenden Spiegel 17, der hier ein reiner Fokussierspiegel
ist, einen weiteren abbildenden Spiegel 26 auf, der als
Kollimatorspiegel dient und der um eine Drehachse 27 drehbar
ist, die mit der optischen Achse 22 des einfallenden Arbeitsstrahlengangs 14 koaxial
ist. Das einfallende divergente Laserlichtbündel wird von dem weiteren
abbildenden Spiegel 26 in ein Parallelstrahlbündel umgewandelt,
das auf den ersten abbildenden Spiegel 17, also auf den
Fokussierspiegel gelenkt wird, der das entlang dem Arbeitsstrahlengang 14''' einfallende
parallele Laserlicht in den Arbeitsfokus 19 fokussiert.
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Bei
beiden Spiegeln handelt es sich widerum wie oben bereits erläutert, um
Metallspiegel, die vorzugsweise aus Aluminium gefräst sind
und deren rotationssymmetrische Flächen entsprechend den gewünschten
Abbildungsverhältnissen
und Arbeitsweiten berechnet werden.
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Wie
beim ersten Ausführungsbeispiel
kann der Arbeitsfokus 19 eine Abtast- oder Scanbewegung über das in 2 nicht
dargestellte Werkstück 11 ausführen, wenn
der erste abbildende Spiegel 17, also der Fokussierspiegel
um seine Drehachse 21 gedreht wird.
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Die
Richtung dieser Schwenkbewegung lässt sich nun durch eine Drehung
des weiteren abbildenden Spiegels 26, also des Kollimatorspiegels einstellen,
sodass entsprechend der Reichweite der Schwenk- oder Abtastbewegung
des Arbeitsfokus 19 jeder beliebige Punkt in der Ebene
angesteuert werden kann.
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Bei
einer Drehbewegung des weiteren abbildenden Spiegels 26,
also des Kollimatorspiegels führt
der erste abbildende Spiegel gemeinsam mit der, bezogen auf den
weiteren abbildenden Spiegel 26 optischen Achse 28 des
ausfallenden Arbeitsstrahlengangs 14''', eine Schwenkbewegung
um die Drehachse 27 des weiteren abbildenden Spiegels 26 durch.
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Die
Größe des in
der Fläche
abtastbaren Bereichs hängt
dabei nicht nur von möglichen
Drehwinkeln des ersten abbildenden Spiegels 17 und dem
Arbeitsfokusabstand ab, sondern auch von dem Abstand zwischen den
beiden Spiegeln 17, 26, der den Radius des Kreises
bestimmt, auf dem sich der Arbeitsfokus 19 bei einer Drehung
des weiteren Spiegels 26 unter Beibehaltung der Drehstellung
des ersten abbildenden Spiegels 17 bewegt. Durch geeignete
Wahl des möglichen
Drehwinkel des ersten Spiegels 17, des Arbeitsfokusabstandes
und des Abstandes zwischen Spiegel lässt sich somit der Abtastbereich
des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes
optimieren.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird der erste abbildende Spiegel 17, wie anhand
von 1 erläutert als
kombinierter Kollimator- und Fokussierspiegel eingesetzt. Um eine
lineare Schiebung des ersten abbildenden Spiegels 17 in
Richtung der optischen Achse 23 des einfallenden Arbeitsstrahlengangs 14' zu ermöglichen,
ist zwischen den Laserstrahleinlass 15, also der Lichtaustrittsfläche der
Lichtleitfaser 16 und den ersten abbildenden Spiegel 17 nach
Art eines terrestrischen Fernrohrs ein Kollimatorobjektiv 30,
das den Laserstrahl 12 kollimiert und ein zerstreuendes
Abbildungselement 31 vorgesehen, dass das Parallellichtbündel vom
Kollimatorobjektiv 30 wieder in ein divergentes Laserstrahlbündel 12' umwandelt und
auf den ersten abbildenden Spiegel 17 lenkt.
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Das
Kollimatorobjektiv 30 und das zerstreuende Abbildungselement 31 sind
dabei relativ zueinander verschiebbar angeordnet, wie das durch
die ineinander geführten
Haltehülsen 32 angedeutet
ist. Das Gehäuse 10 ist
entweder ebenfalls längenveränderlich
ausgeführt
oder weist eine Auslassöffnung 18 auf
die entsprechend der Länge
der Verschiebebewegung ausgebildet ist.
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Der
Abstand zwischen Kollimatorobjektiv 30 und Laserstrahleinlass 15 wird
dabei konstant gehalten und kann so gewählt werden, dass der erforderliche
Durchmesser des Kollimatorobjektivs 30 relativ klein gehalten
werden kann, was preiswerte Optiken ermöglicht.
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Auch
der Abstand zwischen zerstreuenden Abbildungselement 31 und
erstem abbildendem Spiegel 17 ist konstant.
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Aufgrund
der Linearverschiebung des ersten abbildenden Spiegels 17 lässt sich
die vom Arbeitsfokus aufgrund einer Drehbewegung des Spiegels 17 erhaltenen
Abtastlinie parallel zu sich selbst über eine Strecke verschieben,
die durch die Verschiebemöglichkeit
des Spiegels 17 gegenüber
dem Kollimatorobjektiv festgelegt wird. Innerhalb eines durch die mögliche Abtastbreite
und den Hub der Verschiebebewegung festgelegten Bereich lässt sich
somit jeder Punkt auf der Oberfläche
des Werkstücks 11 mit
dem Laserfokus 19 ansteuern.
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In 3 sind
Kollimatorobjektiv und zerstreuendes Abbildungselement als Linsen,
also als transmessive Optiken dargestellt. Es ist aber auch denkbar,
Kollimatorobjektiv und zerstreuendes Abbildungselement als Spiegeloptiken
auszuführen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
einen Laserbearbeitungskopf mit einer sehr leichten und kostengünstigen
Optik, die keinerlei Dispersionsdefekte liefert. Die Optik kann
dabei in Abhängigkeit vom
gewünschten
Arbeitsabstand und der zur Verfügung
stehenden Laserleistung fast beliebig frei gewählt werden. Da nur ein kleines
Trägheitsmoment vorliegt,
lässt sich
ein Schwenken durch die Roboterhand selbst oder durch externe Achsen
realisieren. Das Drehlager, das vorgesehen ist, um eine Torsion der
Lichtleitfaser 16 beim Drehen des ersten abbildenden Spiegels 17 zu
verhindern, kann auch zum Aufbau einer Lötoptik mit taktiler Nahtführung genutzt werden.
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Ferner
ermöglicht
es die Erfindung, die Prozesssensorik, die für die Überwachung des Bearbeitungsprozesses
während
der Bearbeitung vorgesehen ist weiterhin zu nutzen.
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Die
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wie sie in 3 dargestellt
ist, ermöglicht ebenfalls
einen sogenannten Lötkopf
mit taktiler Führung,
also ein Laserberabeitungskopf mit einem taktilen Fühler, der
zur Nachregelung der Position des Laserberabeitungskopf beispielsweise
eine Naht oder Rille zwischen zwei zuverbindenden Werkstücken abtastet
und so von dieser geführt
wird, und benötigt
bei der Verwendung von transmissiven Optiken nur solche mit kleinem
Durchmesser.