DE102005019422A1

DE102005019422A1 - Handführbare Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes

Info

Publication number: DE102005019422A1
Application number: DE102005019422A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr.-Ing. Schmid
Original assignee: MOBIL LASER TEC GmbH
Current assignee: MOBIL LASER TEC GmbH
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2005-11-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine handführbare Vorrichtung (1) zur Laserbearbeitung, welche durch ein Lichtleitkabel (2) mit einer nicht gezeigten Laserquelle verbunden ist. Die Vorrichtung (1) hat einen Laserkopf (3), der eine nicht dargestellte Fokussieroptik zum Fokussieren eines Laserstrahls (4) auf einer Werkstückoberfläche (5) eines Werkstücks (6) einschließt. Die Vorrichtung (1) hat eine zur Betätigung in Richtung der Druckkraft (7) ausgeführte Betätigungseinrichtung (8) zur Steuerung der auf das Werkstück (6) einwirkenden Leistungsdichte. Um dem Bediener ein Hilfsmittel zur Einstellung der Leistungsdichte zu geben, die eine weitgehend objektive Steuerung gestattet, ohne dass hierbei das individuelle Geschick des Bedieners für das Bearbeitungsergebnis im Vordergrund steht, hat die Vorrichtung (1) eine Einrichtung (9) zur haptischen Rückmeldung der eingebrachten und mittels der Betätigungseinrichtung (8) von dem Bediener eingestellten Leistungsdichte. Die Einrichtung (9) hat hierzu ein elastisch verformbares Element (10) mit einem federelastischen Abstandshalter (11), welcher der Druckkraftbetätigung entgegenwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine mit einer Laserquelle verbundene handführbare Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes mit einer Fokussieroptik zum Fokussieren eines Laserstrahls auf einer Werkstückoberfläche des Werkstückes, wobei die Vorrichtung mit einer Betätigungseinrichtung zur Steuerung der auf ein Werkstück einwirkenden Leistungsdichte ausgestattet ist.

Eine solche Laserbearbeitungsvorrichtung ist beispielsweise durch die DE 198 17 629 A1 bekannt, die zum Fügen oder Beschichten von Werkstücken vorgesehen ist. Die Vorrichtung hat dabei entweder eine eigene Laserquelle oder ist mittels eines flexiblen Lichtwellenleiters mit einer stationären Laserstrahlquelle koppelbar. Die Vorrichtung kann nach einer speziellen Ausführungsform mit Rollen, die motorisch antreibbar sind, ausgestattet sein, um so eine gleichmäßige Vorschubgeschwindigkeit zu erreichen. Andererseits besteht aber auch die Möglichkeit, die Vorrichtung von Hand über das Werkstück zu rollen. Über einen Drehgeber kann die Drehbewegung der Rollen erfasst werden und in ein Signal für den Bediener umgesetzt werden, so dass die Vorschubgeschwindigkeit konstant gehalten werden kann. Darüber hinaus kann auch die Laserleistung in Abhängigkeit von der erfassten Vorschubgeschwindigkeit mittels einer Steuereinheit eingestellt werden.

Die DE 101 26 034 C1 bezieht sich auch auf eine handführbare Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes, insbesondere zum Laserschweißen, mit einer Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls auf dem Werkstück, wobei die Vorrichtung eine entsprechend der gewünschten Vorschubgeschwindigkeit antreibbare Rolle aufweist, die gegen die Werkstückoberfläche des Werkstückes reibschlüssig anlegbar ist. Dabei ist die der Rolle aufgeprägte Solldrehzahl entsprechend der vom Bediener manuell auf die Werkstückoberfläche des Werkstückes ausgeübten Normalkraft veränderlich.

Die DE 39 06 336 A1 offenbart auch bereits eine Trennvorrichtung mit einer Laserstrahlquelle für insbesondere plattenförmige Werkstücke mit einer Führungsvorrichtung zum Überfahren des Werkstückes. Die Führungsvorrichtung kann mit wenigstens drei Rädern oder Rollen ausgestattet sein, die ihrerseits mit Antriebsmitteln verbunden sind, die einen sicheren Stand der Vorrichtung erlauben. Weiterhin können Sensoren zur Erfassung der Bewegung der Rollen vorgesehen werden, so dass mittels einer Steuereinheit komplizierte Schnitte auf einfache Weise erfasst und danach automatisch reproduziert werden.

Es sind auch Laserschweißvorrichtungen bekannt, deren Handbearbeitungskopf manuell mit nur einer Hand frei geführt werden kann. Dieser ist modular aufgebaut und besteht aus den Funktionselementen Düse, Sensorikhalterung, Abstandsregelung zur Einhaltung der Fokuslage, Weggeber für die Geschwindigkeitsmessung sowie einem Streustrahlungsschutz an der Bearbeitungsdüse.

Ferner sind durch die DE 195 19 150 A1 auch ein Laserstrahlgerät mit einem von dem Werkstück beaufschlagbaren Abstandhalter bekannt, um so einen bestimmten Mindestabstand zuverlässig einhalten zu können. Außerdem kann gemäß der DE 196 15 633 C1 auch ein Gas auf die Bearbeitungsstelle geleitet werden, dessen Druck- oder Strömungskenngrößen bei abgedichtet auf dem Werkstück aufgesetzten Abstandhalter gemessen werden, um so eine unzureichende Abdichtung erkennen zu können.

In der Praxis hat es sich gezeigt, dass die alleinige Konstanthaltung der Parametereinstellungen aufgrund von Veränderungen der Beschaffenheit des Werkstückes oder des Werkstoffes infolge von Inhomogenitäten, Modifikationen oder Verschmutzungen oftmals nicht zielführend sind. Daher wird es in vielen Fällen erforderlich, die Leistungsdichte und damit den Prozess während der Bearbeitung zu variieren. Dies ist durch eine Änderung der zugeführten Leistung möglich.

Als nachteilig erweist es sich bei allen bisher bekannten Vorrichtungen, dass die Änderungen der Leistungsdichte eine Variation des Abstandes bedingt, deren praktische Umsetzung von dem Geschick des Bedieners abhängt. Sofern also unterschiedliche Leistungsdichten erforderlich werden, sind die erzielbaren Ergebnisse daher nicht zuverlässig reproduzierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, dem Bediener ein Hilfsmittel zur Einstellung der Leistungsdichte zu geben, das eine weitgehend objektive Steuerung der Leistungsdichte gestattet, ohne dass hierbei das individuelle Geschick des Bedieners für das Bearbeitungsergebnis ausschlaggebend ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also bei einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eine Einrichtung zur haptischen Rückmeldung der eingebrachten und mittels der Betätigungseinrichtung von dem Bediener eingestellten, insbesondere abweichenden Leistungsdichte vorgesehen.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass dann zugleich eine hohe Flexibilität bei der Laserbearbeitung sowie reproduzierbare Bearbeitungsergebnisse erzielt werden, wenn der Bediener als Bestandteil eines Regelkreises in der Prozess derart eingebunden wird, dass dem Bediener aufgrund der von ihm selbst gesteuerten Leistungsdichte die Auswirkungen auf den Prozess in Form von eindeutig identifizierbaren haptischen Rückmeldungen zur Verfügung stehen. Ausgehend von einem eingestellten Wert zu Beginn der Bearbeitung führt daher die Änderung der Leistungsdichte mittels der Betätigungseinrichtung zu einer eindeutigen für den Bediener wahrnehmbaren haptischen Rückmeldung. Im Zusammenwirken mit der akustisch und visuell wahrnehmbaren Veränderung des Bearbeitungsprozesses kann daher die jeweils optimale Leistungsdichte durch den Bediener eingestellt werden. Der Bediener ist dadurch jederzeit in der Lage, den Prozess nach seinem Wunsch zu gestalten, ohne dass dieser sich dabei allein auf sein persönliches Geschick verlassen müsste.

Dabei erweist es sich in der Praxis als besonders zweckmäßig, wenn zu Beginn des Bearbeitungsprozesses mittels der Betätigungseinrichtung ein für die Werkstückbearbeitung geeigneter Sollwert einstellbar ist, so dass die haptische Rückmeldung dem Bediener in erster Linie einen Aufschluss über die jeweilige Abweichung von dem Sollwert gibt, wobei der absolute Wert der Leistungsdichte lediglich von nachrangiger Bedeutung ist. Die einstellbare Abweichung kann dabei sowohl zu einer Steigerung als auch zu einer Reduzierung der Leistungsdichte führen.

Dabei ist es zur Einstellung der Leistungsdichte besonders vorteilhaft, wenn mittels der Betätigungseinrichtung die mittels der Laserquelle zugeführte Laserleistung steuerbar ist, um so die von der Laserquelle abgegebene Leistung an die an der Werkstückoberfläche des Werkstückes erforderliche Leistungsdichte anpassen zu können.

Eine andere ebenfalls besonders Erfolg versprechende Ausgestaltung wird auch dann erreicht, wenn mittels der Betätigungseinrichtung die Brennfleckgröße des Laserstrahls auf einer Werkstückoberfläche steuerbar ist, so dass eine Änderung der Leistungsdichte ohne praxisrelevante Verzögerung schnell und zuverlässig eingestellt werden kann.

Dabei ist nach einer besonders einfachen Abwandlung der vorliegenden Erfindung mittels der Betätigungseinrichtung zur Steuerung der Brennfleckgröße der Abstand der Vorrichtung gegenüber der Werkstückoberfläche einstellbar. Hierzu dient beispielsweise ein Abstandshalter, der mittels der Betätigungseinrichtung manuell oder auch motorisch verfahrbar oder verschwenkbar ausgeführt ist.

Eine andere ebenfalls besonders zweckmäßige Abwandlung wird hingegen dadurch erreicht, dass mittels der Betätigungseinrichtung eine Strahlformung des Laserstrahls durch eine Verschiebung einer Linsensanordnung steuerbar ist. Hierdurch wird eine Änderung der Brennfleckgröße unabhängig von dem Abstand der Vorrichtung gegenüber der Werkstückoberfläche erreicht. Die Gefahr, dass es aufgrund der Bewegung der Vorrichtung zu Abweichungen oder nachteiligen Einflüssen auf den Bearbeitungsprozess kommen könnte, ist dadurch ausgeschlossen.

Die Steuerung der auf das Werkstück einwirkenden Leistungsdichte kann schrittweise oder kontinuierlich erfolgen. Besonders zweckmäßig ist es hingegen, wenn die mittels der Betätigungseinrichtung eingebrachte Änderung der Leistungsdichte einen einstellbaren linearen oder progressiven Verlauf hat. Hierdurch kann nicht nur der Einstellbereich der Leistungsdichte, sondern insbesondere auch der Verlauf der Leistungsdichte zwischen den Extremlagen entsprechend den jeweiligen Einsatzbedingungen festgelegt werden, so dass optimale Bearbeitungsergebnisse erzielt werden können.

Die Betätigungseinrichtung kann aufgrund einer von dem Bediener eingebrachten Stellbewegung eine dementsprechend wegabhängige Steuerung der Leistungsdichte ermöglichen. Besonders zweckentsprechend ist es hingegen, wenn die Betätigungseinrichtung einen Sensor zu Erfassung der von dem Bediener vorzugsweise in Richtung der Werkstückoberfläche gerichteten Betätigungskraft aufweist. Hierdurch kann der Bediener die Betätigungseinrichtung bedienen, ohne hierzu die Handhabung der Vorrichtung, insbesondere seine Halteposi tion zu ändern. Der Bearbeitungsprozess lässt sich dadurch mit der gewohnten Zuverlässigkeit durchführen.

Als besonders Praxis gerecht erweist es sich zudem, wenn die Einrichtung zur haptischen Rückmeldung ein Element zur Erzeugung einer der Betätigung entgegenwirkenden Kraft hat. Hierdurch kann die Betätigungseinrichtung in einfacher Weise durch eine veränderte Anpresskraft der Vorrichtung gegenüber dem Werkstück bedient werden, um so die Handhabung der Vorrichtung weiter zu vereinfachen.

Nach einer besonders einfachen Ausgestaltung hat die Einrichtung zur haptischen Rückmeldung ein gegen die Werkstückoberfläche anlegbares, elastisch verformbares Element, welches beispielsweise einen federelastischen Abstandshalter hat, so dass die gewünschte haptische Rückmeldung in einfacher Weise mittels mechanischer Bauelemente erreicht werden kann. Die Einrichtung lässt sich dadurch mit geringem Aufwand bei vorhandenen Einrichtungen nachrüsten.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Laserbearbeitung;
2 einen der in 1 gezeigten Vorrichtung zugrunde liegenden Regelkreis.
1 zeigt eine handführbare Vorrichtung 1 zur Laserbearbeitung, welche durch ein Lichtleitkabel 2 mit einer nicht gezeigten Laserquelle verbunden ist. Die Vorrichtung 1 hat einen Laserkopf 3, der eine nicht dargestellte Fokussieroptik zum Fokussieren eines Laserstrahls 4 auf einer Werkstückoberfläche 5 eines Werkstücks 6 einschließt. Die Vorrichtung 1 hat eine zur Betätigung in Richtung der Druckkraft 7 ausgeführte Betätigungseinrichtung 8 zur Steuerung der auf das Werkstück 6 einwirkenden Leistungsdichte. Mit der Betätigungseinrichtung 8 verbunden ist eine Einrichtung 9 zur haptischen Rückmeldung der eingebrachten und mittels der Betätigungseinrichtung 8 von dem Bediener eingestellten, insbesondere unterschiedlichen Leistungsdichte. Die Einrichtung 9 hat ein elastisch verformbares Element 10 mit einem federelastischen Abstandshalter 11, welcher der Druckkraftbetätigung entgegenwirkt. Aufgrund der Druckkraftbetätigung der Betätigungseinrichtung 8 verformt sich das elastisch verformbare Element 10 und nimmt dabei die gestrichelt dargestellte Position ein. Zugleich ändert sich der relative Arbeitsabstand z zwischen dem Laserkopf 3 und dem Werkstück 6, wodurch sich zugleich an der Werkstückoberfläche 5 des Werkstückes 6 eine größere Brennfleckgröße a einstellt, die eine geringere Leistungsdichte aufweist. Die erfindungsge mäße Vorrichtung 1 erlaubt dadurch eine bewusste Verstellung des Arbeitsabstandes z, die mit einer Veränderung der Brennfleckgröße a und der Leistungsdichte verbunden ist. Somit ist es zum einen möglich, dem Bediener einen Abstandhalter 11 zur Verfügung zustellen, der bei nur geringer Krafteinwirkung einen zuvor mittels eines Fixiermittels 12 eingestellten Abstandswert des Arbeitsabstandes z als Sollwert exakt einhält, andererseits aber auch bei der Notwendigkeit der Erhöhung oder Reduzierung der Leistungsdichte eine Variation mit haptischer Rückmeldung in Form einer in beliebiger Art proportionalen Kraft zulässt, ohne den Kontakt zum Werkstück 6 zu verlieren.
Ergänzend zeigt 2 einen der Vorrichtung 1 zugrunde liegenden Regelkreis. Ausgehend von der Zielsetzung der problemlosen Einflussnahme des Bedieners auf den Prozess durch die Steuerung der Leistungsdichte, bildet der Bediener ein wesentliches Element des Regelkreises. Hierzu hat der Bediener eine Betätigungseinrichtung 8, die beispielsweise entgegen einer Rückstellkraft oder durch einen Kraftsensor betätigbar ist, und die, ausgehend von einem Sollwert einer Steuerung der Leistungsdichte durch Änderung der zugeführten Laserleistung oder der Brennfleckgröße gestattet. Diese Änderung der Brennfleckgröße kann wahlweise durch eine Abstandsänderung oder eine Strahlformung erfolgen. Zugleich erfährt der Bediener eine haptische Rückmeldung seiner vorgenommenen Steuerung, die beispielsweise auf einer Federrückstellkraft beruht. Den Bearbeitungsprozess selbst überwacht der Bediener visuell oder akustisch, so dass die jeweils optimale Parametereinstellung mit reproduzierbarer Qualität erfolgt.

1: Vorrichtung
2: Lichtleitkabel
3: Laserkopf
4: Laserstrahl
5: Werkstückoberfläche
6: Werkstück
7: Druckkraft
8: Betätigungseinrichtung
9: Einrichtung
10: Element
11: Abstandshalter
12: Fixiermittel
a: Brennfleckgröße
z: Arbeitsabstand zwischen Laserkopf und Werkstück

Claims

Eine mit einer Laserquelle verbundene handführbare Vorrichtung (1) zur Laserbearbeitung eines Werkstückes (6) mit einer Fokussieroptik zum Fokussieren eines Laserstrahls (4) auf einer Werkstückoberfläche (5) des Werkstückes (6), wobei die Vorrichtung (1) mit einer Betätigungseinrichtung (8) zur Steuerung der auf ein Werkstück (6) einwirkenden Leistungsdichte ausgestattet ist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (9) zur haptischen Rückmeldung der eingebrachten und mittels der Betätigungseinrichtung (8) von dem Bediener eingestellten, insbesondere abweichenden Leistungsdichte.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Betätigungseinrichtung (8) ein für die Werkstückbearbeitung geeigneter Sollwert einstellbar ist.
Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Betätigungseinrichtung (8) die mittels der Laserquelle zugeführte Laserleistung steuerbar ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Betätigungseinrichtung (8) die Brennfleckgröße (a) des Laserstrahls (4) auf der Werkstückoberfläche (5) des Werkstückes (6) steuerbar ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Betätigungseinrichtung (8) zur Steuerung der Brennfleckgröße (a) der Abstand (z) der Vorrichtung (1) gegenüber der Werkstückoberfläche (5) einstellbar ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Betätigungseinrichtung (8) eine Strahlformung des Laserstrahls (4) durch eine Verschiebung einer Linsensanordnung steuerbar ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der Betätigungseinrichtung (8) eingebrachte Änderung der Leistungsdichte einen einstellbaren linearen oder progressiven Verlauf hat.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (8) einen Sensor zu Erfassung der von dem Bediener eingebrachten Betätigungskraft (Druckkraft 7) aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (9) zur haptischen Rückmeldung ein Element (10) zur Erzeugung einer der Betätigung entgegenwirkenden Kraft hat.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (9) zur haptischen Rückmeldung ein gegen die Werkstückoberfläche (5) anlegbares, elastisch verformbares Element (10) hat.