DE102005019756A1 - Device for treating cylindrical surfaces especially for bearing surfaces of cylindrical openings in combustion engine blocks passes laser beam through a beam shaper to give circular cross-section before diverting onto the surface - Google Patents

Device for treating cylindrical surfaces especially for bearing surfaces of cylindrical openings in combustion engine blocks passes laser beam through a beam shaper to give circular cross-section before diverting onto the surface Download PDF

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Abstract

A device for treating cylindrical surfaces (F), especially bearing surfaces of cylindrical openings in combustion engine blocks (M), comprises a rotating housing (8) with a drive (7) and containing rotationally fixed optics (14) directed so as to divert a laser beam (L) onto the surface to be treated. The laser beam is passed through a beam shaper (18) to produce a circular cross-section before passing to the diverting optics. An independent claim is also included for a method that uses the above device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Behandeln von zylindrisch geformten Flächen, insbesondere zum Behandeln der Laufbahnen der Zylinderöffnungen von Verbrennungsmotorblöcken, mittels eines Laserstrahls.The The invention relates to an apparatus and a method for treating of cylindrically shaped surfaces, in particular for treating the raceways of the cylinder openings of internal combustion engine blocks, by means of a laser beam.

Vorrichtungen und Verfahren der voranstehend angegebenen Art werden beispielsweise eingesetzt, um an Flächen, die im praktischen Einsatz einer Reibbelastung unterworfen sind, eine Schicht zu erzeugen, die auf Grund ihrer Oberflächenstruktur, ihres Gefüges oder ihrer Zusammensetzung eine besonders hohe Verschleißfestigkeit besitzt. Üblicherweise wird zu diesem Zweck ein Laserstrahl von hoher Energiedichte verwendet, der mittels geeigneter Umlenkspiegel auf die zu behandelnde Fläche gerichtet wird.devices and methods of the above-mentioned kind are, for example used to on surfaces, which are subjected in practice to a friction load, to create a layer that, due to its surface structure, its structure or their composition a particularly high resistance to wear has. Usually For this purpose, a laser beam of high energy density is used. directed by means of suitable deflecting mirror on the surface to be treated becomes.

Soll auf diese Weise eine bestimmte Oberflächenstruktur erzeugt werden, so wird, wie beispielsweise in der deutschen Patentschrift DE 197 11 232 C2 beschrieben, ein Laserstrahl so lange auf das die jeweilige Fläche tragende Grundmaterial gerichtet, bis die angestrebte Einebnung bzw. Aufrauung erreicht ist.If a particular surface structure is to be produced in this way, then, as for example in the German patent specification DE 197 11 232 C2 described, a laser beam as long directed to the respective surface bearing base material until the desired leveling or roughening is achieved.

Gemäß der Veröffentlichung EP 1 041 173 A1 der Europäischen Patentanmeldung 00 105 126.7 ist es zudem möglich, mit einem Laserstrahl den von ihm jeweils getroffenen Oberflächenabschnitt so weit aufzuschmelzen, dass gezielt eine Änderung des Gefüges herbeigeführt oder eine Änderung der Zusammensetzung des Grundmaterials durch Hinzufügen von härtesteigernden Elementen erfolgen kann.According to the publication EP 1 041 173 A1 European Patent Application 00 105 126.7 it is also possible to melt so far with a laser beam struck by him each surface portion that specifically causes a change in the structure or a change in the composition of the base material can be done by adding hardening elements.

Ein grundsätzliches Problem bei der Behandlung von größeren Oberflächen mittels eines Laserstrahls besteht darin, dass der Laserstrahl die zu bearbeitende Fläche in der Regel auf Grund der begrenzten verfügbaren Energie nicht vollständig erfassen kann, sondern dass die Bearbeitung abschnittsweise durchgeführt werden muss. Um dies zu bewerkstelligen, muss eine exakte Führung des Laserstrahls gewährleistet sein.One fundamental Problem in the treatment of larger surfaces by means of a laser beam is that the laser beam to be processed area usually due to the limited available energy does not fully capture can, but that the processing is carried out in sections got to. In order to accomplish this, an exact guidance of the Laser beam guaranteed be.

Zusätzlich erhöht werden die an die Strahlführung gestellten Anforderungen dadurch, dass auch die Intensität und die Intensitätsverteilung, mit der der Laserstrahl den jeweiligen Flächenabschnitt erfasst, exakt eingestellt und eingehalten werden müssen, um das jeweils gewünschte Arbeitsergebnis zu erzielen.In addition to be increased the to the beam guide requirements by the fact that the intensity and the Intensity distribution, with which the laser beam detects the respective surface section, exactly set and must be adhered to in order to achieve the desired work result achieve.

Ein typisches Anwendungsgebiet für Verfahren und Vorrichtungen der in Rede stehenden Art ist die Behandlung der Laufflächen der Zylinderöffnungen von Verbrennungsmotoren. Diese Flächen sind im praktischen Einsatz hohen Reibbelastungen auf Grund der Relativbewegungen ausgesetzt, die der sich in der Zylinderöffnung jeweils auf- und abbewegende Kolben ausführt.One typical application for Methods and devices of the type in question is the treatment the treads the cylinder openings of internal combustion engines. These surfaces are in practical use exposed to high frictional loads due to the relative movements, which is in the cylinder opening each up and down moving piston executes.

Um zylindrisch gekrümmte Flächen mit einem Laserstrahl zu bearbeiten, wird der Laserstrahl üblicherweise derart geführt, dass er koaxial zu einer mit der Krümmungsachse zusammenfallenden Drehachse einer Umlenkoptik in die jeweilige Zylinderöffnung einfällt. Bei einer ersten bekannten Vorrichtung der eingangs angegebenen Art trifft der Laserstrahl dann auf eine Umlenkeinrichtung, die in der Regel aus einem mit einem Linsensystem kombinierten Umlenkspiegel gebildet ist und den Laserstrahl in Richtung der zu behandelnden Fläche projiziert. Durch die Rotation der Umlenkoptik wird umlaufend jeweils ein Streifen der zu behandelnden Fläche mit dem Laserstrahl belichtet. Sobald die Bearbeitung des jeweiligen Streifenabschnitts der zu behandelnden Fläche abgeschlossen ist, wird die gesamte Optik in axialer Richtung verschoben und der an den zuvor bearbeiteten Streifen angrenzende Abschnitt bearbeitet. Alternativ ist es auch möglich, die Umlenkoptik kontinuierlich in axialer Richtung der jeweils bearbeiteten Öffnung zu bewegen, so dass der Laserstrahl in einem wendelförmigen Streifenverlauf über die zu bearbeitende Fläche geführt wird.Around cylindrically curved surfaces With a laser beam to edit, the laser beam is usually so led, that it is coaxial with a coincident with the axis of curvature Rotary axis of a deflection optics incident in the respective cylinder opening. at a first known device of the type specified the laser beam then hits a deflection device which is in the Usually from a combined with a lens system deflection mirror is formed and the laser beam in the direction of the treatment area projected. Due to the rotation of the deflection optics is circulating respectively exposed a strip of the surface to be treated with the laser beam. As soon as the processing of the respective strip section of treating area is completed, the entire optics is shifted in the axial direction and the portion adjacent to the previously processed strip processed. Alternatively, it is also possible, the deflection optics continuously to move in the axial direction of each processed opening, so that the laser beam in a helical Strip course over the surface to be processed guided becomes.

Der Vorteil der Rotation der Umlenkoptik besteht darin, dass deutlich geringere Massen beschleunigt und abgebremst werden müssen, höhere Drehzahlen realisiert werden können, der Wechsel von einem auf einen anderen Zylinder schneller erfolgen kann und mehrere Zylinder eines Blocks simultan bearbeitet werden können. Auch für die Verstellung der Optik in Achsrichtung können Stelleinrichtungen eingesetzt werden, die auf Grund der geringen bewegten Massen hinsichtlich ihrer Stellgenauigkeit optimiert sein können.Of the Advantage of the rotation of the deflection optics is that clearly lower masses must be accelerated and decelerated, higher speeds can be realized the change from one cylinder to another faster and several cylinders of a block can be processed simultaneously can. Also for the adjustment of the optics in the axial direction can be used adjusting devices due to the low moving masses in terms of their positioning accuracy can be optimized.

Um eine gleichmäßige Ausleuchtung des jeweils bearbeiteten Flächenabschnitts zu gewährleisten, wird der Laserstrahl bei den bekannten Vorrichtungen durch eine Blende geleitet. Die Öffnung dieser Blende ist dabei so eingestellt, dass die Randbereiche, in denen die Energiedichte des Laserstrahls geringer ist, abgeschirmt werden. Auf diese Weise gelangt nur noch die Strahlmitte, in der eine relativ gleichmäßige Energieverteilung vorliegt, zur Umlenkoptik.Around a uniform illumination of the respective processed surface section to ensure, the laser beam is in the known devices by a Guided aperture. The opening this aperture is adjusted so that the edge areas, in the energy density of the laser beam is lower, shielded become. In this way, only the beam center, in the a relatively uniform energy distribution present, to the deflection optics.

Dem durch den Einsatz der Blende erzielten Erfolg steht als wesentlicher Nachteil gegenüber, dass ein großer Teil der Gesamtenergie des Laserstrahls an der Blende verloren geht. Aus diesem Verlust resultiert ein relativ geringer Wirkungsgrad der bekannten Vorrichtungen.the The success achieved by using the bezel is more significant Disadvantage over that a large Part of the total energy of the laser beam is lost at the aperture. This loss results in a relatively low efficiency the known devices.

Weitere bekannte Instrumente zur Strahldrehung sind Spiegelkombinationen und so genannte Dove-Prismen. Diese zeichnen sich jedoch in der Regel durch eine hohe Justageempfindlichkeit aus, wodurch ein Einsatz in intensiv bewegten Konstruktionen erschwert wird.Further Known instruments for beam rotation are mirror combinations and so-called Dove prisms. These are however in the Usually characterized by a high adjustment sensitivity, which makes a use is made difficult in intensive moving constructions.

Eine andere Möglichkeit der Führung des Laserstrahls bei der Behandlung von zylindrischen Laufflächen ist aus der JP 56-05923, bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung zur Behandlung der Fläche von Bohrungen von Bauteilen, die in Bezug auf die Längsachse der Bohrung symmetrisch ausgebildet sind, wird der Laserstrahl über eine während der Bearbeitung stillstehende Umlenkoptik auf die zu behandelnde Fläche gelenkt, während das zylindrische Bauteil um eine achsparallel zur Längsachse der bearbeiteten Bohrung ausgerichtete Drehachse gedreht wird. Auf diese Weise kann das für die Führung des Laserstrahls auf eine maximale Ausbeute der Laserenergie optimiert werden.A different possibility the leadership of the laser beam in the treatment of cylindrical running surfaces from JP 56-05923, known. In this known device for Treatment of the area of holes of components that are in relation to the longitudinal axis the bore are formed symmetrically, the laser beam via a during the Machining stationary deflection optics directed to the surface to be treated, while the cylindrical member about an axis parallel to the longitudinal axis of machined bore aligned rotation axis is rotated. To this Way can that be for the leadership of the laser beam optimized for a maximum yield of laser energy become.

Um diese Möglichkeit auch bei der Bearbeitung von Zylinderflächen von Motorblöcken für Verbrennungsmotoren nutzen zu können, deren Massenverteilung in Bezug auf die Längsachse der Bohrung nicht symmetrisch ist, ist in der DE 197 11 232 C1 vorgeschlagen worden, die Unwuchten, die bei der Rotation der Motorblöcke um die hinsichtlich der Rotation stillstehende Umlenkoptik auftreten, durch Gegengewichte auszugleichen. Auf diese Weise soll trotz der bei der Rotation des Bauteils auftretenden großen Fliehkräfte ein ruhiges, störungsfreies Umlaufen des Bauteils während der Bearbeitung gewährleistet werden.To be able to use this possibility also in the processing of cylindrical surfaces of engine blocks for internal combustion engines, whose mass distribution is not symmetrical with respect to the longitudinal axis of the bore is in the DE 197 11 232 C1 has been proposed to compensate for imbalances, which occur during the rotation of the engine blocks to the stationary with respect to the rotation Umlenkoptik by counterweights. In this way, despite the large centrifugal forces occurring during the rotation of the component, a smooth, trouble-free circulation of the component during processing is to be ensured.

Die bei Vorrichtungen der in der DE 197 11 232 C1 beschriebenen Art hinsichtlich der Rotation stillstehender Umlenkoptik ermöglicht es, eine solche Vorrichtung drehzahlorientiert zu betreiben. Kann gleichzeitig der Tisch, auf dem der Motorblock aufgespannt ist, gehoben und gesenkt werden, so kann auf der zu bearbeitenden Zylinderoberfläche eine Wendelkontur abgefahren werden, deren Steigung von der axialen Ausdehnung des auf der Fläche abgebildeten Laserspots und dem angestrebten Überlapp der einzelnen Streifenabschnitte abhängt.The devices in the DE 197 11 232 C1 described type with respect to the rotation of stationary deflection optics makes it possible to operate such a device speed-oriented. If at the same time the table on which the engine block is mounted can be raised and lowered, then a spiral contour can be traced on the cylinder surface to be machined, the slope of which depends on the axial extent of the laser spot imaged on the surface and the desired overlap of the individual strip sections.

Den Vorteilen der bekannten, mit einer in Bezug auf die Rotation still stehenden Umlenkoptik ausgestatteten Vorrichtung steht als Nachteil gegenüber, dass für das Drehen des jeweils bearbeiteten Werkstücks aufwändige und leistungsstarke Antriebe benötigt werden. Diese müssen in der Lage sein, das jeweilige Werkstück mit hohen Drehzahlen um die durch die Position der Optik festgelegte Drehachse zu rotieren. Des Weiteren wird die Flexibilität der Anlage bzgl. Taktzeitanpassung und Werkstückkompatibilität bei einer solchen Anordnung deutlich eingeschränkt.The Advantages of the known, with a silent in relation to the rotation standing deflection optics equipped device is a disadvantage opposite that for the Turning the respective machined workpiece complex and powerful drives needed become. These must to be able to handle the respective workpiece at high speeds to rotate the axis of rotation defined by the position of the optics. Furthermore, the flexibility the plant regarding clock time adjustment and workpiece compatibility at a clearly limited such arrangement.

Ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit denen bei hohem Wirkungsgrad die Bearbeitung von zylindrisch geformten Flächen, insbesondere der Laufflächen von Zylinderöffnungen von Verbrennungsmotoren, möglich ist.outgoing from the above Prior art, the object of the invention was to provide a Device and to provide a method with which at high efficiency the machining of cylindrically shaped surfaces, in particular the running surfaces of cylinder openings of internal combustion engines, possible is.

In Bezug auf eine Vorrichtung zum Behandeln von zylindrisch geformten Flächen, insbesondere zum Behandeln der Laufbahnen der Zylinderöffnungen von Verbrennungsmotorblöcken, mittels eines Laserstrahls, mit einem drehbar gelagerten und durch einen Drehantrieb um eine Drehachse angetriebenen Gehäuse, in dem eine Umlenkoptik zum Umlenken des Laserstrahls aus einer in Längsrichtung des Gehäuses gerichteten Richtung in eine von dieser abweichenden, zu der zu bearbeitenden Fläche gerichteten Richtung drehfest befestigt ist, ist die voranstehend genannte Aufgabe dadurch gelöst worden, dass der Laserstrahl, bevor er auf die Umlenkoptik trifft, eine Strahlformungseinrichtung durchläuft, die ihn vorzugsweise zu einem Strahl mit im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt formt.In Referring to a device for treating cylindrically shaped surfaces, in particular for treating the raceways of the cylinder openings of internal combustion engine blocks, by means of a laser beam, with a rotatably mounted and through a rotary drive about a rotation axis driven housing, in a deflecting optics for deflecting the laser beam from a in longitudinal direction of the housing directed direction in a deviating from this, to the working surface directionally fixed direction is the above solved this task that the laser beam, before it hits the deflection optics, passes through a beam shaping device, which preferably to him forms a jet with a substantially circular cross-section.

Dementsprechend ist die voranstehend genannte Aufgabe auch durch ein Verfahren zum Behandeln von zylindrisch geformten Flächen, insbesondere zum Behandeln der Laufbahnen der Zylinderöffnung von Verbrennungsmotorblöcken, mittels eines Laserstrahls, bei dem der Laserstrahl mit Hilfe einer Umlenkoptik aus einer in Längsrichtung der zu bearbeitenden Fläche gerichteten Richtung in eine von dieser abweichende, zu der zu bearbeitenden Fläche gerichtete Richtung umgelenkt wird, wobei eine Relativbewegung zwischen der zu bearbeitenden Fläche und der Umlenkoptik dadurch erzeugt wird, dass die Umlenkoptik um eine Drehachse gedreht wird, dadurch gelöst worden, dass der Laserstrahl zu einem Strahl umgeformt wird, der einen kreisrunden Querschnitt aufweist.Accordingly is the above object also by a method for Treatment of cylindrically shaped surfaces, in particular for treatment the raceways of the cylinder opening of internal combustion engine blocks, by means of a laser beam, in which the laser beam with the aid of a Deflection optics from a longitudinal direction the surface to be processed directed direction in a deviating from this, directed to the surface to be machined Direction is deflected, with a relative movement between the to be machined surface and the deflection optics is generated by the deflection optics a rotation axis is rotated, thereby solved that the laser beam is formed into a jet having a circular cross-section having.

Wird zur Erzeugung des Laserstrahls eine Laserstrahlquelle, beispielsweise ein Excimer-Laser, eingesetzt, die konstruktionsbedingt einen Stahl mit nicht rundem Querschnitt erzeugt, so führt die Rotation der Umlenkoptik zu einer Änderung der Strahllage auf der zu bearbeitenden Oberfläche in Abhängigkeit vom Drehwinkel mit der Folge, dass die Energieausbringung und die Orientierung des jeweils vom Laserstrahl erfassten Oberflächenabschnitts nicht konstant sind. Dies kann in an sich bekannter Weise dadurch verhindert werden, dass in den Strahlenweg vor die Umlenkoptik eine Blende gesetzt wird, die sich mit der Umlenkoptik um eine gemeinsame Drehachse dreht.Becomes for generating the laser beam, a laser beam source, for example an excimer laser used, the design of a steel produced with non-round cross-section, so the rotation of the deflection optics leads to a change the beam position on the surface to be processed in dependence on the angle of rotation the consequence that the energy output and the orientation of the each captured by the laser beam surface portion is not constant are. This can be prevented in a conventional manner, that placed in the beam path in front of the deflection optics, a diaphragm is, which deals with the deflection optics about a common axis of rotation rotates.

Indem die erforderlichenfalls vorhandene Blende und die Umlenkoptik durch einen im Querschnitt kreisrunden, Laserstrahl beleuchtet werden, wird ein optimierter Wirkungsgrad erzielt. Dies wird durch ein abbildendes Strahlführungssystem erreicht, das in Verbindung mit den im Gehäuse rotierenden Bauelementen "erforderlichenfalls vorhandene Blende" und "Umlenkoptik" die Erzeugung eines um die Zylindermittenachse rotierenden, jedoch geometrisch konstanten Feldes erlaubt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sich die optischen Prozessparameter bei der Bearbeitung der jeweiligen Zylinderfläche nicht ändern.By having existing if necessary Aperture and the deflection optics are illuminated by a circular cross-section, laser beam, an optimized efficiency is achieved. This is achieved by means of an imaging beam guidance system which, in conjunction with the components "if necessary existing diaphragm" and "deflection optics" rotating in the housing, permits the generation of a field which rotates about the cylinder center axis but is geometrically constant. In this way, it is ensured that the optical process parameters do not change during the machining of the respective cylinder surface.

Bevorzugt wird dazu der Laserstrahl in der Strahlformungseinrichtung so umgeformt, dass er ein Feld mit definierter, d.h. vorbestimmter Energieverteilung, abbildet. Abhängig vom jeweiligen Einsatzzweck kann dazu die Strahlformungsoptik den Laserstrahl so umformen, dass er eine Energieverteilung besitzt, die in bestimmten Bereichen des vom Laserstrahl jeweils erfassten Abschnitts der zu bearbeitenden Oberfläche eine gezielt erhöhte Intensität besitzt. Abhängig von der jeweiligen Bearbeitungsaufgabe kann es jedoch auch zweckmäßig sein, den Laserstrahl so umzuformen, dass er eine homogene Energieverteilung aufweist.Prefers For this purpose, the laser beam in the beam shaping device is reshaped, that he has a field with defined, i. predetermined energy distribution, maps. Dependent For this purpose, the beam-shaping optics can Reshape the laser beam so that it has an energy distribution, in certain areas of each of the laser beam detected Section of the surface to be machined has a deliberately increased intensity. Depending on however, it may also be appropriate for the respective processing task To transform the laser beam so that it has a homogeneous energy distribution having.

Im Fall, dass eine einen im Querschnitt nicht runden Laserstrahl erzeugende Laserquelle eingesetzt wird, formt die erfindungsgemäß eingesetzte Strahlformungseinrichtung im Gegensatz zu den konventionellen Zylinderlinsen-Arrays ein rundes Feld, so dass insbesondere in Kombination mit einer quadratischen Blende die Verluste minimiert sind, die durch den an der Blende ausgeblendeten Anteil der Querschnittsfläche des Laserstrahls entstehen. Bei einer mechanischen Kopplung dieser Blende mit dem Gehäuse rotiert die Blende im runden Feld mit derselben Rotationsgeschwindigkeit wie das Gehäuse selbst. Da bei diesem Konzept das runde Feld nicht direkt auf der Zylinderoberfläche, sondern auf einer Blende erzeugt wird und seine Lage unverändert bleibt, übernimmt die ebenfalls im Gehäuse integrierte Umlenkoptik die Projektion der Blende auf die Zylinderoberfläche.in the Case that a laser beam generating a non-circular cross-section Laser source is used, forms the inventively used beam shaping device in contrast to the conventional cylindrical lens arrays a round field, so especially in combination with a square aperture the losses are minimized by the hidden at the aperture Proportion of cross-sectional area of the laser beam. In a mechanical coupling of this Cover with the housing rotates the aperture in the round field at the same rotation speed like the case itself. Because with this concept the round field is not directly on the Cylinder surface but on a screen is generated and its location remains unchanged, takes over which also in the housing Integrated deflection optics, the projection of the aperture on the cylinder surface.

Indem zudem gemäß der Erfindung die erforderlichenfalls vorhandene Blende und die Umlenkoptik gemeinsam um eine Drehachse gedreht werden, wird erreicht, dass sich die Blendenöffnung immer in einer optimalen Position zur Umlenkoptik befindet.By doing also according to the invention the existing existing aperture and the deflection optics together to be rotated about a rotation axis, it is achieved that the aperture always is in an optimal position to the deflection optics.

Gleichzeitig sind bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die im Betrieb bewegten Massen drastisch gegenüber den Vorrichtungen reduziert, bei denen die Umlenkoptik während der Bearbeitung stillsteht, während das Werkstück gedreht wird. Auf Grund der geringen bewegten Massen können die Umlenkoptik, eine gegebenenfalls vorhandene Umlenkeinrichtung und die ebenso erforderlichenfalls vorhandene Blende mit höheren Drehzahlen rotieren, wodurch auch höhere Repetitionsraten ermöglicht werden. Die beim Stand der Technik, bei dem die Werkstücke gedreht werden, erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen sind in diesem Maße nicht mehr erforderlich. Aufgrund der wesentlich kleineren Abmessungen und geringeren bewegten Massen können einfache und effektive Sicherheitselemente integriert werden.simultaneously are in a device according to the invention drastically reduces the masses moving in the operation, where the deflection optics during the editing while resting the workpiece is turned. Due to the low moving masses, the deflection optics, an optional deflection and the like If necessary, rotate existing aperture at higher speeds, thereby also higher Repetition rates are possible. Those in the prior art, in which the workpieces are rotated, required Safety precautions are no longer required to this extent. Due to the much smaller dimensions and lower moving Masses can Simple and effective security elements are integrated.

Im Ergebnis ermöglicht es die Erfindung somit, bei vermindertem technischen Aufwand und erhöhter Flexibilität Oberflächen mit einem Laserstrahl zu bearbeiten. Die Integration von redundanten Systemen wird durch die Erfindung unterstützt. Dabei arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung praktisch unabhängig von der Beleuchtungsoptik. Dies bedeutet, dass mit der Beleuchtungsoptik ein quadratisches Feld in der Blendenebene erzeugt und die Blende selbst rund ausgeführt werden kann. Aufgrund ihrer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch dann noch besser als konventionelle Vorrichtungen dieser Art, bei denen ein rechteckiges Feld und eine rechteckige Blende miteinander kombiniert werden.in the Result enabled it the invention thus, with reduced technical complexity and increased flexibility surfaces to work with a laser beam. The integration of redundant Systems are supported by the invention. In this case, the device according to the invention operates practically independent from the illumination optics. This means that with the lighting optics creates a square field in the aperture plane and the aperture even running around can be. Due to its inventive design, the efficiency the device according to the invention even better than conventional devices of this type, where a rectangular box and a rectangular panel with each other be combined.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erforderlichenfalls vorhandene Blende eine rechtwinklige, insbesondere quadratische Blendenöffnung auf. Bei einer derartigen Formgebung der Blendenöffnung lässt sich auf einfache Weise eine gleichmäßige Überdeckung der streifenförmigen Bereiche sicherstellen, in denen der Laserstrahl die zu behandelnde Fläche überfährt.According to one first advantageous embodiment of the invention, if necessary existing aperture a right-angled, in particular square aperture on. With such a shaping of the aperture can be in a simple manner a uniform coverage the strip-shaped Ensure areas in which the laser beam is the one to be treated Surface overrun.

Basierend auf einer rechtwinkligen, insbesondere quadratischen Blendenöffnung kann der Verlust an Laserstrahlenergie an der Blende zusätzlich dadurch minimiert werden, dass die Blende eine Blendenöffnung mit einer polygonen Form aufweist. Diese kann beispielsweise dadurch gebildet sein, dass bei einer in der Grundform rechtwinkligen Blendenöffnung die Eckbereiche durch kurze Seitenstücke abgeschrägt sind. Die Anschrägungen in den Eckbereichen ermöglichen es, den von der Blendenöffnung überstrichenen Bereich noch enger an die Querschnittsform des auf die Blende treffenden Laserstrahls anzupassen.Based on a rectangular, in particular square aperture can the loss of laser beam energy at the diaphragm thereby additionally be minimized that the aperture has a polygonal aperture Form has. This can for example be formed by that at a rectangular in the basic form aperture Corner areas through short side pieces bevelled are. The chamfers in the corner areas it, the one swept from the aperture Area even closer to the cross-sectional shape of the striking on the panel To adapt to laser beam.

Abhängig von der Querschnittsform des von der Laserquelle erzeugten Laserstrahls weiter verbessert werden kann die Anpassung der Blendenöffnung an die Querschnittsform des Laserstrahls und damit auch die Energieausbeute dadurch, dass die Blendenöffnung vieleckig oder vollständig rund ausgebildet ist.Depending on the cross-sectional shape of the laser beam generated by the laser source can be further improved, the adjustment of the aperture the cross-sectional shape of the laser beam and thus the energy yield in that the aperture polygonal or complete is designed around.

Die Umlenkung des Laserstrahls in Richtung der zu bearbeitenden Fläche erfolgt vorteilhafterweise über ein monolithisches System, das beispielsweise aus einem Prisma und einer plankonvexen sphärischen Linse zusammengesetzt ist. Diese Variante bietet den Vorteil, dass der Fokus der Umlenkoptik zwischen dem Prisma und der zu bearbeitenden Fläche liegt. Auf diese Weise ist die Belastung des Prismas lediglich durch den Querschnitt des eintretenden Strahlbündels gegeben.The deflection of the laser beam in the direction of the surface to be machined advantageously takes place via a monolithic system composed of, for example, a prism and a plano-convex spherical lens. This variant offers the advantage that the focus of the deflection optics is between the prism and the surface to be machined. In this way, the load of the prism is given only by the cross section of the incoming beam.

Alternativ zu einem monolithischen System kann jedoch auch eine Kombination aus einem Umlenkspiegel und einer Linse oder mehreren Linsen als Umlenkoptik verwendet werden, wobei hier die Lage des Linsenfokus unter Berücksichtigung der Zerstörschwelle der Umlenkeinheit gewählt werden sollte.alternative however, a combination can also be used for a monolithic system from a deflection mirror and a lens or a plurality of lenses as deflection optics taking into account the position of the lens focus under consideration the damage threshold the deflection unit selected should be.

Um eine weitestgehende Entkopplung der Bewegung von Blende und Umlenksystem von den anderen für die Führung und Umformung des Laserstrahls eingesetzten optischen Elementen sicherzustellen, ist es günstig, wenn die Strahlformungseinrichtung außerhalb des Gehäuses drehfest angeordnet ist. Dabei formt sie den Laserstrahl derart um, dass er als statisches Beleuchtungsfeld auf die Blende trifft.Around a far-reaching decoupling of the movement of the aperture and deflection system from the others for the leadership and reshaping the laser beam used optical elements to ensure it is convenient when the beam shaping device rotatably outside the housing is arranged. It transforms the laser beam in such a way that he hits the screen as a static lighting field.

Der Durchmesser des Querschnitts des durch den Laserstrahl nach dem Verlassen der Beleuchtungsoptik ausgeleuchteten Beleuchtungsfeldes ist bevorzugt so bemessen, dass er die größte Diagonale der Blendenöffnung ausleuchtet. Dazu kann der Querschnittsdurchmesser so eingestellt werden, dass er im Wesentlichen gleich der größten Diagonalen der Blendenöffnung ist, wobei erforderlichenfalls ein geringes Übermaß gewählt wird, um auch im Fall von Toleranzen stets die sichere Ausleuchtung der Blendenöffnung zu gewährleisten. Indem der Durchmesser des Laserstrahlquerschnitts auf die größte Diagonale der Blendenöffnung abgestimmt ist, ist auch bei einer viereckigen, rechtwinkligen, insbesondere quadratischen Ausbildung der Blendenöffnung der "verlorene" Anteil an Laserstrahl-Energie auf ein Minimum reduziert. Die auf diese Weise bereits gegenüber dem Stand der Technik erzielte Verbesserung des Wirkungsgrades kann dadurch weiter optimiert werden, dass die Eckbereiche der Blendenöffnung gekappt werden, indem die Blende eine Blendenöffnung mit einer rechtwinkligen Grundform aufweist, deren Eckbereiche durch kurze Seitenstücke abgeschrägt ausgebildet sind. Auf diese Weise kann ein noch engerer Durchmesser des vom Laserstrahl erzeugten Beleuchtungsfeldes hergestellt und der an der Blende "verlorene" Anteil an Laserstrahlenergie weiter minimiert werden. Die Kappung der Eckbereiche der Blendenöffnung sollte dabei zweckmäßigerweise so auf die Form der Blendenöffnung abgestimmt werden, dass nach wie vor eine einwandfreie, klar definierte und gleichmäßige Abdeckung des jeweils auf der bearbeiteten Fläche belichteten Streifens erzielt wird.Of the Diameter of the cross section of the laser beam after the Leaving the illumination optics illuminated illumination field is preferably sized to illuminate the largest diagonal of the aperture. For this purpose, the cross-sectional diameter can be adjusted so that it is essentially equal to the largest diagonal the aperture is, if necessary, a slight oversize is chosen, even in the case of Tolerances always the safe illumination of the aperture guarantee. By the diameter of the laser beam cross section on the largest diagonal the aperture is tuned even with a quadrangular, rectangular, in particular square shape of the aperture of the "lost" proportion of laser beam energy reduced to a minimum. Which in this way already opposite the Prior art achieved improvement in the efficiency can be further optimized that the corner areas of the aperture cut By making the aperture an aperture with a rectangular basic shape has, whose corner regions bevelled by short side pieces are. In this way, an even narrower diameter of the Laser beam generated lighting field produced and the on the aperture "lost" proportion of laser beam energy be further minimized. The capping of the corner areas of the aperture should be expediently so on the shape of the aperture be tuned that remains a flawless, well-defined and even coverage scored in each case on the machined surface exposed strip becomes.

Eine weitere besonders praxisgerechte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass im Strahlenweg des Laserstrahls vor der Umlenkoptik eine lichtdurchlässige und drehfest mit dem Gehäuse verbundene Umlenkeinheit mit planparallel zueinander und schräg zur Längsachse des Gehäuses angeordneten Durchtrittsflächen für den Laserstrahl angeordnet ist. Ist eine Blende vorhanden, so wird diese Umlenkeinheit Zweckmäßigerweise so angeordnet, dass die Umlenkeinrichtung zwischen der Blende und der Umlenkoptik angeordnet ist. Dazu kann es vorteilhaft sein, Blende, Umlenkeinheit und die Umlenkoptik gemeinsam in einem Gehäuse zu positionieren.A see further particularly practical embodiment of the invention vor, that in the beam path of the laser beam in front of the deflection optics translucent and rotatably with the housing connected deflection unit with plane-parallel to each other and obliquely to the longitudinal axis of the housing arranged passage surfaces for the Laser beam is arranged. If there is an aperture, it will be Diverter Conveniently arranged so that the deflection between the aperture and the deflecting optics is arranged. For this it may be advantageous, aperture, Position the deflection unit and the deflection optics together in a housing.

Eine besonders einfache Bauform dieser Umlenkeinheit ergibt sich dabei dann, wenn die Umlenkeinheit als Platte ausgebildet ist. Beim Durchtritt durch die Umlenkeinheit wird der Laserstrahl transversal versetzt, so dass seine Längsachse nach dem Verlassen der Platte gegenüber der Längsachse des Gehäuses versetzt verläuft. Das Maß des Versatzes ist dabei abhängig von dem Winkel, unter dem das Umlenkelement gegenüber der Längsachse des Gehäuses schräg angeordnet ist, und der Dicke der betreffenden Umlenkeinheit. Die Verwendung einer solchen Umlenkeinheit hat den Vorteil, dass trotz der rotierenden Bewegung die Umlenkoptik mit größerem Abstand von der zu behandelnden Fläche angeordnet werden kann. Auf diese Weise lässt sich insbesondere bei der Bearbeitung von Innenflächen von Zylinderbohrungen mit kleinen Durchmessern ein maximaler Abstand zwischen der Umlenkoptik und dem jeweils bearbeiteten Flächenabschnitt herstellen. Abhängig von den räumlichen Gegebenheiten kann dies zweckmäßig sein, um eine übermäßige Verschmutzung der Umlenkoptik zu vermeiden. Diese Verschmutzung ist eine Folge der Ablation von Partikeln von der zu bearbeitenden Fläche und des daraus resultierenden, gegen die Umlenkoptik gerichteten Partikelstroms. Die Ablationsprodukte bewegen sich auf der einen Seite mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die Umlenkoptik zu. Andererseits kühlen sie jedoch auch relativ schnell ab. Indem der Laserstrahl durch die Umlenkeinheit in erfindungsgemäßer Weise umgelenkt wird und die Umlenkoptik mit entsprechend größerem Abstand zum jeweils bearbeiteten Flächenabschnitt angeordnet werden kann, ist somit eine möglichst große Distanz zwischen der letzten optisch wirksamen Oberfläche der Umlenkeinheit und der bearbeiteten Oberfläche hergestellt.A particularly simple design of this deflection results in the process when the deflection unit is designed as a plate. When passing through the deflecting unit, the laser beam is transversely offset, so that its longitudinal axis offset after leaving the plate relative to the longitudinal axis of the housing runs. The measure of Offset is dependent from the angle at which the deflecting element against the longitudinal axis of the housing aslant is arranged, and the thickness of the respective deflection unit. The Use of such a deflection unit has the advantage that despite the rotating movement the deflection optics at a greater distance from the treated area can be arranged. In this way, especially in the Processing of interior surfaces of cylinder bores with small diameters a maximum distance between the deflection optics and the respectively processed surface section produce. Dependent from the spatial Circumstances, this may be appropriate excessive pollution to avoid the deflection optics. This pollution is a consequence Ablation of particles from the surface to be machined and the resulting, directed against the deflection optics particle flow. The ablation products move very much on one side high speed on the deflection optics too. On the other hand, they cool but also relatively fast. By the laser beam through the Deflection unit in accordance with the invention is deflected and the deflection optics with a correspondingly greater distance to each processed surface section can be arranged, is thus the largest possible distance between the last optically effective surface the deflection unit and the machined surface.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer zwei Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:following the invention is based on a two embodiments performing Drawing closer explained. Each show schematically:

1 eine Vorrichtung zum Laserbelichten der Laufflächen von Zylinderöffnungen eines Verbrennungsmotors in einer teilweise längsgeschnittenen Ansicht; 1 a device for laser-illuminating the running surfaces of cylinder openings of a Ver internal combustion engine in a partially cutaway view;

2 die in 1 dargestellte Vorrichtung in einem Querschnitt entlang der in 1 angegebenen Schnittlinie A-A; 2 in the 1 shown device in a cross section along in 1 specified section line AA;

3 die in 1 dargestellte Vorrichtung in einem Querschnitt entlang der in 1 angegebenen Schnittlinie B-B; 3 in the 1 shown device in a cross section along in 1 indicated section line BB;

4 eine zweite Vorrichtung zum Laserbelichten der Laufflächen von Zylinderöffnungen eines Verbrennungsmotors in einer teilweise längsgeschnittenen Ansicht; 4 a second apparatus for laser-illuminating the treads of cylinder openings of an internal combustion engine in a partially longitudinally sectioned view;

5 die in 4 dargestellte Vorrichtung in einem Querschnitt entlang der in 4 angegebenen Schnittlinie A-A; 5 in the 4 shown device in a cross section along in 4 specified section line AA;

6 die in 4 dargestellte Vorrichtung in einem Querschnitt entlang der in 4 angegebenen Schnittlinie B-B. 6 in the 4 shown device in a cross section along in 4 specified section line BB.

Die in den 1 bis 3 dargestellte Vorrichtung 1 zum Laserbelichten weist einen Laser 2 auf, bei dem es sich beispielsweise um einen so genannten "Excimer-Laser" an sich bekannter Bauart handeln kann. Der vom Laser 2 erzeugte Laserstrahl L wird über ein optisches Führungssystem 3 zu einem Umlenkspiegel 4 geleitet, durch das der Laserstrahl L mit seiner Mittelachse LM in eine parallel zu der jeweils zu bearbeitenden Oberfläche F ausgerichtete Richtung umgelenkt wird. Das Führungssystem 3 mit dem Umlenkspiegel 4 ist mit Abstand oberhalb eines weiter nicht dargestellten Spanntischs einer ebenfalls nicht dargestellten Spanneinrichtung angeordnet, auf dem der zu bearbeitende Motorblock M befestigt ist, von dem in den Figuren jeweils nur ein kleiner Ausschnitt dargestellt ist. Bei dem Motorblock M kann es sich beispielsweise um einen sechszylindrigen Motorblock für einen PKW-Verbrennungsmotor handeln.The in the 1 to 3 illustrated device 1 for laser imaging has a laser 2 which may, for example, be a so-called "excimer laser" of a type known per se. The one from the laser 2 generated laser beam L is via an optical guidance system 3 to a deflecting mirror 4 passed, by which the laser beam L is deflected with its central axis L M in a direction parallel to the respective surface F to be processed. The leadership system 3 with the deflection mirror 4 is arranged at a distance above a further not shown clamping table of a clamping device, also not shown, on which the motor block M to be machined is fixed, of which in the figures only a small portion is shown. The engine block M may, for example, be a six-cylinder engine block for a passenger car internal combustion engine.

Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 einen Dreh- und Stellantrieb 7, an dessen Abtriebsseite ein rohrförmiges, in Richtung des Motorblocks M gerichtetes Gehäuse 8 befestigt ist. Mittels des Dreh- und Stellantriebs 7 kann das Gehäuse 8 mit den in ihm jeweils enthaltenen Elementen um eine Drehachse D gedreht und längs der Drehachse D verstellt werden.Furthermore, the device comprises 1 a rotary and actuator 7 , on whose output side a tubular, directed in the direction of the engine block M housing 8th is attached. By means of the rotary and actuator 7 can the case 8th with the elements contained in it in each case about a rotation axis D rotated and adjusted along the axis of rotation D.

Der Außendurchmesser DaG des rohrförmigen Gehäuses 8 ist um ein geeignetes Untermaß kleiner als der Durchmesser DiB der zu bearbeitenden Zylinderöffnung Z des Motorblocks M. Die Länge des Gehäuses 8 ist dabei so bemessen, dass das Gehäuse 8 mit seinem freien Endbereich in der Zylinderöffnung Z über die gesamte Höhe H bewegt werden kann, über die die Fläche F der Zylinderöffnung Z bearbeitet werden soll. Dabei ist das Gehäuse 8 in der Zylinderöffnung Z derart ausgerichtet, dass seine Drehachse D mit der zentralen Längsachse LZ der Zylinderöffnung Z zusammenfällt.The outer diameter D aG of the tubular housing 8th is smaller by a suitable undersize than the diameter D iB of the cylinder opening Z to be machined of the engine block M. The length of the housing 8th is dimensioned so that the housing 8th can be moved with its free end portion in the cylinder opening Z over the entire height H, via which the surface F of the cylinder opening Z is to be processed. Here is the case 8th aligned in the cylinder opening Z such that its axis of rotation D coincides with the central longitudinal axis L Z of the cylinder opening Z.

Das Gehäuse 8 weist an seiner oberen, dem Umlenkspiegel 4 zugeordneten Stirnseite eine Eintrittsöffnung 10 auf, durch die der Laserstrahl L in das Gehäuse 8 eintritt. Grundsätzlich kann unmittelbar in der Eintrittsöffnung 10 eine Blende angeordnet sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist jedoch erst kurz unterhalb der Eintrittsöffnung 10 im Gehäuse 8 eine Blende 11 positioniert, die drehfest mit dem Gehäuse 8 verbunden ist. Die Blendenöffnung 12 der Blende 11 ist quadratisch ausgebildet und derart ausgerichtet, dass ihr Mittelpunkt mit der Drehachse D des Gehäuses 8 zusammenfällt.The housing 8th indicates at its upper, the deflection mirror 4 associated end face an inlet opening 10 on, through which the laser beam L in the housing 8th entry. Basically, directly in the entrance opening 10 be arranged a diaphragm. In the embodiment shown, however, is only shortly below the inlet opening 10 in the case 8th a panel 11 positioned, rotatably with the housing 8th connected is. The aperture 12 the aperture 11 is square and aligned so that its center with the axis of rotation D of the housing 8th coincides.

Mit Abstand unterhalb der Blende 11 ist eine als planparallele Platte ausgebildete, lichtdurchlässige Umlenkeinheit 13 angeordnet, die ebenfalls drehfest mit dem Gehäuse 8 verbunden ist und unter einem Winkel β schräg zur Drehachse D angewinkelt gehalten ist. Der durch die Blendenöffnung 12 mit einer koaxial zur Drehachse D ausgerichteten Mittelachse LM tretende, auf die Umlenkeinheit 13 treffende Laserstrahl L wird beim Durchtritt durch die Umlenkeinheit 13 so umgelenkt, dass er beim Verlassen der Umlenkeinheit 13 mit seiner Mittelachse LM relativ zur Drehachse D versetzt, jedoch weiterhin achsparallel zur Drehachse D aus der Umlenkeinheit 13 austritt.At a distance below the aperture 11 is designed as a plane-parallel plate, translucent deflection 13 arranged, which also rotatably with the housing 8th is connected and at an angle β is held at an angle to the rotational axis D angled. The through the aperture 12 with a coaxial with the axis of rotation D aligned central axis L M passing, on the deflection 13 the incident laser beam L is passing through the deflection unit 13 so deflected that he leaves the diverter unit 13 offset with its central axis L M relative to the axis of rotation D, but still axially parallel to the axis of rotation D from the deflection 13 exit.

Weiter unterhalb unter der Umlenkeinheit 13 sitzt eine vorzugsweise monolithisch ausgebildete Umlenkoptik 14, die ebenfalls drehfest mit dem Gehäuse 8 verbunden ist. Die Umlenkoptik 14 ist durch einen Spiegel 15 und eine konvexe Linse 16 gebildet, deren Focus zwischen ihrer gewölbten Stirnseite und der zu bearbeitenden Fläche F liegt.Further below under the deflection unit 13 sits a preferably monolithically formed deflection optics 14 , which also rotatably with the housing 8th connected is. The deflection optics 14 is through a mirror 15 and a convex lens 16 formed, the focus between their curved end face and the surface to be machined F is located.

Benachbart zur Linse 16 ist in die Umfangswand des Gehäuses 8 eine Austrittsöffnung 17 eingeformt, durch die der von der Umlenkoptik 14 umgelenkte Laserstrahl L frei aus dem Gehäuse 8 austritt.Adjacent to the lens 16 is in the peripheral wall of the housing 8th an outlet opening 17 formed by the of the deflection optics 14 deflected laser beam L free from the housing 8th exit.

Unterhalb des Umlenkspiegels 4, jedoch vor dem Eintritt des Laserstrahls L in das Gehäuse 8, ist ortsfest eine Strahlformungseinrichtung 18 angeordnet, die den Laserstrahl L so umformt, dass er einen runden Querschnitt mit im Wesentlichen definierter Energieverteilung aufweist.Below the deflecting mirror 4 but before the laser beam L enters the housing 8th , is stationary a beam shaping device 18 arranged, which transforms the laser beam L so that it has a round cross section with a substantially defined energy distribution.

Die Lage der Umlenkoptik 14 und ihr Abbildungsverhalten sind so abgestimmt, dass der Bereich der stärksten Bündelung des Laserstrahls L bevorzugt im Bereich der Austrittsöffnung 17 liegt, durch die der Laserstrahl L das Gehäuse 8 verlässt, bevor er auf die zu bearbeitende Fläche F trifft. Dies ermöglicht es, die Weite der Ausrittsöffnung 17 auf ein Minimum zu reduzieren. Die derart eng begrenzte Durchtrittsöffnung 17 schützt die Umlenkoptik 14 zusätzlich vor den bei der Bearbeitung sich von der Fläche F lösenden Ablationsprodukten.The position of the deflection optics 14 and their imaging behavior are tuned so that the region of the strongest focusing of the laser beam L preferably in the region of the outlet opening 17 is located, through which the laser beam L, the housing 8th leaves before it hits the surface F to be processed. This allows the width of the exit opening 17 on to reduce a minimum. The so narrow passage opening 17 protects the deflection optics 14 additionally in front of the ablation products dissolving from the surface F during processing.

Die in den 4 bis 6 dargestellte Vorrichtung 100 zum Laserbelichten ist im Grundsatz genauso aufgebaut wie die zuvor beschriebene Vorrichtung 1, so dass in den 4 bis 6 für übereinstimmende Bauteile und Merkmale dieselben Bezugszeichen wie in den 1 bis 3 verwendet und nachfolgend nur die zwischen den Vorrichtungen 1 und 100 bestehenden Unterschiede beschrieben werden.The in the 4 to 6 illustrated device 100 for laser exposure is basically the same structure as the device described above 1 so that in the 4 to 6 for matching components and features the same reference numerals as in FIGS 1 to 3 used and subsequently only those between the devices 1 and 100 existing differences are described.

Bei der in den 4 bis 6 dargestellten Vorrichtung wird das Gehäuse 8 von einem Drehantrieb 107 getragen, der das Gehäuse 8 um die Drehachse D drehantreiben kann, im Gegensatz zum Dreh- und Stellantrieb 7 der Vorrichtung 1 jedoch nicht dazu geeignet ist, das Gehäuse 8 auch in axialer Richtung längs der Drehachse D zu bewegen. Um eine Relativbewegung zwischen dem Motorblock M und dem Gehäuse 8 der Vorrichtung 100 zu bewerkstelligen, ist der Motorblock M auf einem hier nicht dargestellten Hubtisch gespannt, der über einen entsprechenden Antrieb den Motorblock M anhebt und absenkt.In the in the 4 to 6 The device shown is the housing 8th from a rotary drive 107 worn, the housing 8th can rotate about the rotation axis D, in contrast to the rotary and actuator 7 the device 1 however, it is not suitable for the housing 8th also to move in the axial direction along the axis of rotation D. To a relative movement between the engine block M and the housing 8th the device 100 to accomplish, the engine block M is stretched on a lifting table, not shown here, which raises the engine block M via a corresponding drive and lowers.

Die Blende 111 der Vorrichtung 100 weist im Unterschied zur Blende 11 der Vorrichtung eine kreisrunde Blendenöffnung 112 auf, deren Durchmesser DB nur um ein geringes Untermaß kleiner ist als der Durchmesser DL des auf die Blende 111 treffenden Laserstrahls L.The aperture 111 the device 100 points in contrast to the aperture 11 the device has a circular aperture 112 on whose diameter D B is smaller by a small undersize than the diameter D L of the diaphragm 111 striking laser beam L.

In Strahlrichtung unterhalb der Blende 111 sitzt wie bei der Vorrichtung 1 eine plattenförmig ausgebildete Umlenkeinheit 113, die zu einem stärkeren Versatz im Vergleich zu der Umlenkeinrichtung 13 der Vorrichtung 1 führt. Dadurch ergibt sich ein größerer Abstand zwischen dem letzten optischen Element und der Bearbeitungsoberfläche.In the beam direction below the aperture 111 sits like the device 1 a plate-shaped deflecting unit 113 leading to a greater offset compared to the baffle 13 the device 1 leads. This results in a larger distance between the last optical element and the processing surface.

Bei der Vorrichtung 100 ist im unteren Abschnitt des Gehäuses 8, in dem die Umlenkoptik 14 angeordnet ist, in die Innenfläche der Umfangswand des Gehäuses 8 eine Ausnehmung 119 eingeformt. In diese Ausnehmung 119 ist die Umlenkoptik 14 mit ihrer der Umfangswand zugeordneten Seite gesetzt. Auf diese Weise ist bei der Vorrichtung 100 ein maximaler Abstand der Linse 16 der Umlenkeinheit 14 zu der zu bearbeitenden Fläche F hergestellt. Gleichzeitig ist die Umlenkeinheit 14 auf diese Weise so ausgerichtet, dass ihre Einfallfläche 14a mittig zur Mittelachse LM des Laserstrahls L ausgerichtet ist.In the device 100 is in the lower section of the case 8th in which the deflection optics 14 is disposed in the inner surface of the peripheral wall of the housing 8th a recess 119 formed. In this recess 119 is the deflection optics 14 set with their the peripheral wall side assigned. This way is in the device 100 a maximum distance of the lens 16 the deflection unit 14 made to the surface F to be processed. At the same time, the deflection unit 14 oriented in this way, that their incident surface 14a is aligned centrally to the central axis L M of the laser beam L.

Zur Belichtung der zu bearbeitenden Fläche F werden das Gehäuse 8 und die jeweilige Zylinderöffnung Z des Motorblocks M so zueinander positioniert, dass die Längsachse LZ der Zylinderöffnung Z mit der Drehachse D des Gehäuses 8 fluchtet. Anschließend wird das Gehäuse 8 bei der Vorrichtung 1 durch Absenken des Gehäuses 8 und bei der Vorrichtung 100 durch Anheben des Motorblocks M bis zur Anfangsposition der Bearbeitung in die Zylinderöffnung Z eingetaucht. Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird das Gehäuse 8 in Rotation um die Drehachse D versetzt. Der daraufhin in das Gehäuse 8 geleitete Laserstrahl L trifft zunächst auf die Blende 11 bzw. 111.For exposure of the surface F to be processed, the housing 8th and the respective cylinder opening Z of the engine block M positioned to each other so that the longitudinal axis L Z of the cylinder opening Z with the axis of rotation D of the housing 8th flees. Subsequently, the housing 8th at the device 1 by lowering the housing 8th and at the device 100 immersed by lifting the engine block M to the initial position of the machining in the cylinder port Z. By this time at the latest, the case 8th set in rotation about the axis of rotation D. The then in the housing 8th guided laser beam L strikes the aperture first 11 respectively. 111 ,

Bei der Vorrichtung 1 entspricht der Durchmesser des vom Laserstrahl L ausgeleuchteten Beleuchtungsfelds B der Diagonale der quadratischen Blendenöffnung 12, so dass die Größe der an der Blende 11 ausgeblendeten Randbereiche des Laserstrahls L auf ein Minimum reduziert ist. Der von der Blendenöffnung 12 in Folge der Drehung des Gehäuses 8 überstrichene Bereich ist in 3 durch eine gestrichelte Darstellung verschiedener Drehpositionen der Blendenöffnung 12 angedeutet. Der durch die Blendenöffnung 12 tretende Anteil des Laserstrahls L weist eine quadratische Querschnittsfläche auf.In the device 1 corresponds to the diameter of the illuminated by the laser beam L illumination field B of the diagonal of the square aperture 12 so that the size of the front panel 11 hidden edge portions of the laser beam L is reduced to a minimum. The one of the aperture 12 as a result of the rotation of the housing 8th swept area is in 3 by a dashed representation of different rotational positions of the aperture 12 indicated. The through the aperture 12 passing portion of the laser beam L has a square cross-sectional area.

Der durch die Blende 11 bzw. 111 tretende Laserstrahl L fällt durch die Eintrittsfläche 14a auf den Spiegel 15 der Umlenkoptik 14. Vom Spiegel 15 wird der Laserstrahl L in Richtung der zu bearbeitenden Fläche F projiziert und von der anschließend durchlaufenen Linse 16 so fokussiert, dass ein klar umrissener, eindeutig definierter Abschnitt vom auf die zu bearbeitende Fläche F fallenden Laserstrahl L ausgeleuchtet wird.The one through the aperture 11 respectively. 111 passing laser beam L falls through the entrance surface 14a on the mirror 15 the deflection optics 14 , From the mirror 15 the laser beam L is projected in the direction of the surface F to be processed and by the subsequently passed through lens 16 focused so that a clearly defined, clearly defined section of the incident on the surface F to be processed laser beam L is illuminated.

Nachdem der erste Umfangsstreifen der zu bearbeitenden Fläche F fertig bearbeitet ist, wird das Gehäuse 8 weiter in die Zylinderöffnung Z eingeschoben, bis die Umlenkoptik 14 relativ zur zu bearbeitenden Fläche F so positioniert ist, dass der an den ersten Streifen angrenzende Umfangsstreifen der Fläche F vom Laserstrahl L überstrichen wird. Alternativ zu einer schrittweisen Verstellung in axialer Richtung kann die Axialverstellung des Gehäuses 8 relativ zum Motorblock M auch kontinuierlich erfolgen, so dass der Laserstrahl L einen kontinuierlichen, wendelförmigen Streifenverlauf überstreicht.After the first circumferential strip of the surface F to be processed is finished, the housing becomes 8th further inserted into the cylinder opening Z until the deflection optics 14 is positioned relative to the surface F to be machined such that the circumferential strip of the surface F adjoining the first strip is swept by the laser beam L. Alternatively to a stepwise adjustment in the axial direction, the axial adjustment of the housing 8th also take place continuously relative to the engine block M, so that the laser beam L sweeps over a continuous, helical strip course.

Der Gefahr eines Austritt eines Laserstrahls aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 bzw. 100 kann dadurch begegnet werden, dass die jeweilige Vorrichtung innerhalb einer teleskopisch schließ- und öffenbaren, hier nicht dargestellten Umhausung betrieben wird.The risk of leakage of a laser beam from the device according to the invention 1 respectively. 100 can be countered that the respective device is operated within a telescopically closable and openable, not shown here Umhausung.

11
Vorrichtung zum Laserbelichtencontraption for laser imaging
22
Laserlaser
33
optisches Führungssystemoptical guidance system
44
Umlenkspiegeldeflecting
77
Dreh- und Stellantriebrotary and actuator
88th
Gehäusecasing
1010
Eintrittsöffnunginlet opening
1111
Blendecover
1212
Blendenöffnungaperture
1313
UmlenkeinheitReturn unit
1414
Umlenkoptikdeflecting
14a14a
Einfallfläche der Umlenkoptik 14 Incidence surface of the deflection optics 14
1515
Spiegelmirror
1616
Linselens
1717
Austrittsöffnungoutlet opening
1818
StrahlformungseinrichtungBeamformer
100100
Vorrichtung zum Laserbelichtencontraption for laser imaging
107107
Drehantriebrotary drive
111111
Blendecover
112112
Blendenöffnungaperture
113113
UmlenkeinheitReturn unit
119119
Ausnehmungrecess
BB
Beleuchtungsfeldillumination field
DD
Drehachseaxis of rotation
DaG D aG
Außendurchmesser des rohrförmigen Gehäuses 8 Outer diameter of the tubular housing 8th
DiB D i
Durchmesser der zu bearbeitenden Zylinderöffnung Zdiameter the cylinder opening to be machined Z
DB D B
Durchmesser der Blendenöffnung 112 Diameter of the aperture 112
DL D L
Durchmesser des Laserstrahls Ldiameter of the laser beam L
FF
zu bearbeitende Flächeto working surface
HH
Höhe, über die die Fläche F der Zylinderöffnung ZHeight above the the area F the cylinder opening Z
bearbeitet werden sollprocessed shall be
LL
Laserstrahllaser beam
LM L M
Mittelachse des Laserstrahls Lcentral axis of the laser beam L
LZ L Z
Längsachse der Zylinderöffnung Zlongitudinal axis the cylinder opening Z
MM
Motorblockblock
ββ
Winkelangle
ZZ
Zylinderöffnungcylinder opening

Claims (19)

Vorrichtung zum Behandeln von zylindrisch geformten Flächen (F), insbesondere zum Behandeln der Laufbahnen der Zylinderöffnungen (Z) von Verbrennungsmotorblöcken (M), mittels eines Laserstrahls (L), mit einem drehbar gelagerten und durch einen Drehantrieb (7) um eine Drehachse (D) angetriebenen Gehäuse (8), in dem eine Umlenkoptik (14) zum Umlenken des Laserstrahls (L) aus einer in Längsrichtung des Gehäuses (8) gerichteten Richtung in eine von dieser abweichenden, zu der zu bearbeitenden Fläche (F) gerichteten Richtung drehfest befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L), bevor er auf die Umlenkoptik (14) trifft, eine Strahlformungseinrichtung (18) durchläuft, die ihn zu einem Strahl mit im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt formt.Apparatus for treating cylindrically shaped surfaces (F), in particular for treating the raceways of the cylinder openings (Z) of internal combustion engine blocks (M), by means of a laser beam (L), with a rotatably mounted and by a rotary drive ( 7 ) about a rotation axis (D) driven housing ( 8th ), in which a deflection optics ( 14 ) for deflecting the laser beam (L) from a longitudinal direction of the housing ( 8th ) directed direction in a deviating from this, in a direction directed to the surface to be machined (F) is rotationally fixed, characterized in that the laser beam (L), before being applied to the deflection optics ( 14 ), a beam-shaping device ( 18 ), which forms it into a jet of substantially circular cross-section. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Strahlformungseinrichtung (18) und der Umlenkoptik (14) eine Blende (11, 111) angeordnet ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that between the beam shaping device ( 18 ) and the deflection optics ( 14 ) an aperture ( 11 . 111 ) is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (11) eine rechtwinklige Blendenöffnung (12) aufweist.Device according to claim 2, characterized in that the diaphragm ( 11 ) a right-angled aperture ( 12 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung (12) quadratisch ist.Device according to claim 3, characterized in that the aperture ( 12 ) is square. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (11) eine Blendenöffnung (12) aufweist, die als Polygon ausgeführt ist.Device according to claim 2, characterized in that the diaphragm ( 11 ) an aperture ( 12 ), which is designed as a polygon. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (111) eine kreisrunde Blendenöffnung (112) aufweist.Device according to claim 1, characterized in that the diaphragm ( 111 ) a circular aperture ( 112 ) having. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinrichtung (18) außerhalb des Gehäuses (8) ortsfest angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam-shaping device ( 18 ) outside the housing ( 8th ) is arranged stationary. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinrichtung (18) den Laserstrahl (L) derart umformt, dass er als statisches Beleuchtungsfeld auf die Blende (11) trifft.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam-shaping device ( 18 ) transforms the laser beam (L) such that it acts as a static illumination field on the diaphragm ( 11 ) meets. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Laserstrahls (L) nach dem Verlassen der Strahlformungseinrichtung (18) derart bemessen ist, dass er die Blendenöffnung (12) vollständig ausleuchtet.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter of the laser beam (L) after leaving the beam shaping device ( 18 ) is dimensioned such that it the aperture ( 12 ) completely illuminates. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) rohrförmig ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the housing ( 8th ) is tubular. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (D) des Gehäuses (8) koaxial zur Längsachse (LZ) der Zylinderöffnung (Z) ausgerichtet ist.Apparatus according to claim 9, characterized in that the axis of rotation (D) of the housing ( 8th ) is aligned coaxially with the longitudinal axis (L Z ) of the cylinder opening (Z). Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Umlenkoptik (14) eine lichtdurchlässige und drehfest mit dem Gehäuse (8) verbundene Umlenkeinheit (13) mit planparallel zueinander und schräg zur Drehachse (D) des Gehäuses (8) angeordneten Durchtrittsflächen für den Laserstrahl (L) angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that in front of the deflection optics ( 14 ) a translucent and non-rotatable with the housing ( 8th ) connected deflection unit ( 13 ) with plane-parallel to each other and obliquely to the axis of rotation (D) of the housing ( 8th ) arranged passage surfaces for the laser beam (L) is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (13, 113) als Platte ausgebildet ist.Apparatus according to claim 12, characterized in that the deflection unit ( 13 . 113 ) when Plate is formed. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkoptik (14) einen Spiegel (15) zum Ablenken des Laserstrahls (L) in Richtung der jeweils zu bearbeitenden Fläche (F) aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection optics ( 14 ) a mirror ( 15 ) for deflecting the laser beam (L) in the direction of the respective surface to be machined (F). Verfahren zum Behandeln von zylindrisch geformten Flächen, insbesondere zum Behandeln der Laufbahnen der Zylinderöffnung (Z) von Verbrennungsmotorblöcken (M), mittels eines Laserstrahls (L), bei dem der Laserstrahl mit Hilfe einer Umlenkoptik (14) aus einer in Längsrichtung der zu bearbeitenden Fläche (F) gerichteten Richtung in eine von dieser abweichende, zu der zu bearbeitenden Fläche (F) gerichtete Richtung umgelenkt wird, wobei eine Relativbewegung zwischen der zu bearbeitenden Fläche (F) und der Umlenkoptik (14) dadurch erzeugt wird, dass die Umlenkoptik (14) um eine Drehachse (D) gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) zu einem Strahl (L) umgeformt wird, der einen kreisrunden Querschnitt in der Blendenebene aufweist.Method for treating cylindrically shaped surfaces, in particular for treating the raceways of the cylinder opening (Z) of internal combustion engine blocks (M), by means of a laser beam (L), in which the laser beam is deflected by means of a deflection optics ( 14 ) is deflected from a directed in the longitudinal direction of the surface to be machined surface (F) in a deviating from this, directed to the surface to be machined (F) direction, wherein a relative movement between the surface to be machined (F) and the deflection optics ( 14 ) is generated by the fact that the deflection optics ( 14 ) is rotated about a rotation axis (D), characterized in that the laser beam (L) to a beam (L) is formed, which has a circular cross-section in the diaphragm plane. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) derart umgeformt wird, dass er über seinen Querschnitt eine definierte Verteilung seiner Energiedichte aufweist.Method according to claim 15, characterized in that that the laser beam (L) is reshaped so that it over its Cross-section has a defined distribution of its energy density. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) nach der Umformung eine im Wesentlichen homogene Verteilung der Energiedichte aufweist.Method according to claim 16, characterized in that that the laser beam (L) after forming a substantially homogeneous distribution of energy density has. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) derart umgeformt wird, dass er bei seinem Auftreffen auf die Blende (14) ein statisches Beleuchtungsfeld bildet.A method according to claim 16 or 17, characterized in that the laser beam (L) is reshaped so that when it hits the diaphragm ( 14 ) forms a static illumination field. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) vor seinem Auftreffen auf die Umlenkoptik (14) derart umgelenkt wird, dass seine Mittelachse achsparallel zur Drehachse (D), jedoch versetzt zu dieser angeordnet ist.Method according to one of claims 15 to 18, characterized in that the laser beam (L) before its impact on the deflection optics ( 14 ) is deflected such that its central axis is arranged axially parallel to the axis of rotation (D), but offset from this.
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