DE102007023485A1

DE102007023485A1 - Vorrichtung zur Verstellung eines Umlenkspiegels für einen Laserstrahl

Info

Publication number: DE102007023485A1
Application number: DE200710023485
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Schramm; Claudia Dipl.-Ing. John; Elke Dipl.-Ing. Heinig
Original assignee: INST INNOVATIVE TECHNOLOGIEN T; Institut fuer Innovative Technologien Technologietransfer Ausbildung und Berufsbegleitende Weiterbildung ITW eV
Current assignee: INST INNOVATIVE TECHNOLOGIEN T; Institut fuer Innovative Technologien Technologietransfer Ausbildung und Berufsbegleitende Weiterbildung ITW eV
Priority date: 2007-05-19
Filing date: 2007-05-19
Publication date: 2008-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung eines Umlenkspiegels für einen Laserstrahl, insbesondere für Laserbearbeitungsmaschinen, wobei die räumliche Ausrichtung des Umlenkspiegels mittels eines zugeordneten elektrischen Direktantriebs veränderbar ist. Es wird die Aufgabe gelöst, eine solche Vorrichtung zu schaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist und in jedem Betriebszustand eine schnelle und exakte Positionierung des Umlenkspiegels für den Laserstrahl ermöglicht. Dies wird erreicht, indem zwei voneinander unabhängige elektrische Direktantriebe vorgesehen sind, die mit mindestens einem gekrümmten Grundkörper (3; 4; 7) ausgestaltet sind, der über ein Gestell (2) an der Bearbeitungsmaschine abgestützt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung eines Umlenkspiegels für einen Laserstrahl, insbesondere für Laserbearbeitungsmaschinen, bestehend aus einem Umlenkspiegel und mindestens einem elektrischen Direktantrieb, wobei die räumliche Ausrichtung des Umlenkspiegels mittels des elektrischen Direktantriebs veränderbar ist.
Laser werden auf dem Gebiet der Materialbearbeitung beispielsweise für generative Fertigungsmethoden wie die Stereolithographie oder das Lasersintern sowie zum Schneiden und Schweißen von Werkstücken genutzt. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung und Anwendung der hierfür eingesetzten Laserbearbeitungsmaschinen muss das jeweils zu bearbeitende Objekt exakt mit dem Laserstrahl beaufschlagt werden. Dies kann erreicht werden, indem der Laser gegenüber dem zu bearbeitenden Objekt bewegt wird. Hierfür ist jedoch genügend freier Bauraum zwischen Laser und Bearbeitungsobjekt notwendig, der zumindest bei großen Bauteilen und komplizierten Konturen oftmals nicht verfügbar ist. Deshalb werden diesbezügliche Anlagen zunehmend mit Vorrichtungen ausgestattet, bei denen der Laser in einer definierten Lage fest fixiert und der Laserstrahl unter Verwendung eines Umlenkspiegels bewegt wird.
DE 102 52 443 A1 beschreibt eine solche Vorrichtung, mit der eine Ablenkung eines Laserstrahls um zwei Schwenkachsen realisiert wird. Die Vorrichtung umfasst als wesentliche Bauteile ein drehbar um die erste Schwenkachse gelagertes Verbindungselement, einen am Umlenkspiegel und am Verbindungselement um jeweils parallel zur zweiten Schwenkachse verlaufende Achsen schwenkbar gelagerten Hebel sowie ein längs der ersten Schwenkachse verschiebbares Antriebselement. Diese Anordnung von mehreren miteinander verbundenen und aufeinander aufbauenden Bewegungselementen ermöglicht lediglich eine geringe Dynamik bei der Bewegung bzw. Positionierung des Umlenkspiegels. Weiterhin werden Fehler im Bewegungs- und Positionierungsprozess durch die Kopplung summiert, so dass eine exakte Ablenkung des Laserstrahls nur bedingt möglich ist.
Aus DE 10 2005 004 522 A1 ist eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahls bekannt, die einen Träger aufweist, auf dem ein Umlenkspiegel angeordnet werden kann und der mittels zweier Koppelglieder mit einem Gestell verbunden ist. Gegenüberliegend von den Gelenkanordnungen der Koppelglieder ist der Träger über eine kardanische Aufhängung am Gestell abgestützt. Diese Vorrichtung, die einen erheblichen Aufwand bezüglich Herstellung und Bauraum erfordert, schwingt aufgrund der zahlreichen und teilweise schweren Bauteile nach jeder Bewegung zunächst noch etwas nach, bevor der Umlenkspiegel seine Ruhestellung erreicht. Dadurch ergibt sich ein Zeitverzug im Betriebsablauf, der bei Nichtbeachtung Ungenauigkeiten in der Strahlführung bewirkt.
Das Schwingungsverhalten von Vorrichtungen zum Ablenken eines Laserstrahls kann grundsätzlich verbessert werden, sofern die Anzahl und/oder die Masse der für die Betätigung des Umlenkspiegels notwendigen Bauteile reduziert wird. Hierfür wurde bereits mehrfach vorgeschlagen, die Position des Umlenkspiegels durch unmittelbar zugeordnete elektromagnetische Bauteile zu verlagern. Diesbezügliche technische Lösungen sind aus DE 38 02 145 C1 , DE 196 06 334 C2 und EP 0 790 512 B1 bekannt. Allerdings sind diese Konstruktionen primär für kleine und leichte Umlenkspiegel konzipiert, so dass eine Anwendung für Laserbearbeitungsmaschinen mit zwangsläufig relativ schweren Umlenkspiegeln problematisch ist. Weiterhin beeinträchtigen die in den Anlenkpunkten auftretenden Reibungskräfte eine schnelle Änderung der Position des Umlenkspiegels.
Die Spiegelverstellvorrichtung für Laserbearbeitungsmaschinen gemäß DE 100 33 846 A1 weist einen festen Rahmen auf, an dem ein Umlenkspiegel für den Laserstrahl verstellbar befestigt ist. Zwischen dem Rahmen und dem Spiegel sind elektrische Linearmotoren angeordnet, die über Stellelemente auf den Umlenkspiegel einwirken. Somit kann eine exakte Einstellung des Umlenkspiegels auf eine jeweils gewünschte Position erzielt werden. Nachteilig ist jedoch der erhebliche Bauteilaufwand mit Stellstangen, Kugelgelenken und weiteren Verbindungselementen, die ausgehend von den Linearmotoren mit dem Umlenkspiegel in Wirkverbindung gebracht werden müssen. Diese zahlreichen Bauteile erfordern ausreichende Einstellzeiten, um alle Einzelteile in eine für die jeweils angestrebte Spiegelposition optimale Lage zu verlagern. Dies ist nachteilig für eine grundsätzlich angestrebte schnelle Änderung der Position des Umlenkspiegels.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verstellung eines Umlenkspiegels mittels elektrischer Direktantriebe zu schaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist und in jedem Betriebszustand eine schnelle und exakte Positionierung des Umlenkspiegels für den Laserstrahl ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem zwei voneinander unabhängige elektrische Direktantriebe vorgesehen sind, die mit mindestens einem gekrümmten Grundkörper ausgestaltet sind, der über ein Gestell an der Bearbeitungsmaschine abgestützt ist. In einer bevorzugten Ausführung weist der elektrische Direktantrieb zwei separate Grundkörper auf, die übereinander und um 90° zueinander versetzt angeordnet sind und jeweils eine zylindermantelsegmentförmige Kontur aufweisen. Alternativ wird vorgeschlagen, dass für den elektrischen Direktantrieb lediglich ein gekrümmter Grundkörper verwendet wird, der dann eine kugelmantelsegmentförmige Kontur aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, deren technische Merkmale im Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verstellung eines Umlenkspiegels für einen Laserstrahl weist einen einfachen Aufbau auf. Da als Verbindungselemente zwischen den elektrischen Direktantrieben ausschließlich starre Bauteile verwendet werden, ist in jedem Betriebszustand eine schnelle und exakte Positionierung des Umlenkspiegels möglich. Gegenüber den bisher bekannten technischen Lösungen wird somit ein besseres dynamisches Verhalten und eine noch bessere Genauigkeit erreicht.
Diese Vorrichtung ist für verschiedenartige Anwendungen geeignet, bei denen ein Laserstrahl über eine Fläche bewegt wird. Eine bevorzugte Anwendung sind Bearbeitungsmaschinen, beispielsweise für Laserschweißen oder Laserschneiden, bei denen die räumliche Ausrichtung eines Umlenkspiegels für den Laserstrahl verändert werden muss.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
1 den grundsätzlichen Aufbau einer ersten Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
2 den grundsätzlichen Aufbau einer zweiten Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung ist zur Verstellung eines Umlenkspiegels 1 für einen Laserstrahl konzipiert. Hierbei ist ein elektrischer Direktantrieb für den Umlenkspiegel 1 mit mindestens einem gekrümmten Grundkörper ausgestaltet, der über ein Gestell 2 an einer nicht näher dargestellten Bearbeitungsmaschine abgestützt ist.
Bei der in 1 dargestellten Ausführung weist der elektrische Direktantrieb zwei separate Grundkörper 3 und 4 auf, die übereinander angeordnet sind. Zwischen den Grundkörpern 3 und 4 ist eine starre Baugruppe 5 angeordnet, die funktionell als Abstands- und Verbindungselement ausgelegt ist. Ebenso können die beiden Grundkörper 3 und 4 auch unmittelbar übereinander (also ohne Abstand) angeordnet werden. Unabhängig von der diesbezüglich konkreten Ausführung ist am unteren Grundkörper 4 ein Trägerelement 6 für den Umlenkspiegel 1 angeordnet.
Die zwei separaten Grundkörper 3 und 4 können unterschiedlich zueinander ausgerichtet werden. Eine besonders vorteilhafte und in der Zeichnung dargestellte Variante sieht vor, dass die Grundkörper 3 und 4 um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Weiterhin weisen die Grundkörper 3 und 4 vorzugsweise eine zylindermantelsegmentförmige Kontur auf. Hierbei sind die separaten Grundkörper 3 und 4 mit jeweils unterschiedlichen Radien ausgestaltet. Somit wird erreicht, dass der Laserstrahl auf den Spiegelmittelpunkt auftrifft, so dass folglich die Spiegelfläche lediglich um diesen Mittelpunkt gedreht werden muss.
Bei der in 2 dargestellten Ausführung weist der elektrische Direktantrieb lediglich einen Grundkörper 7 auf. Dieser Grundkörper 7 ist mit einer kugelmantelsegmentförmigen Kontur ausgestaltet. Unmittelbar am unteren Bereich des Grundkörpers 7 ist ein Trägerelement 8 für den Umlenkspiegel 1 angeordnet. Bei dieser Ausführung trifft der Laserstrahl ebenfalls exakt auf den Spiegelmittelpunkt auf, so dass auch hier lediglich die Spiegelfläche um diesen Mittelpunkt gedreht werden muss.
Der Grundkörper 7 ist innerhalb einer Baugruppe 9 angeordnet, die als Umhüllung ausgelegt ist. Hierbei ist die Innenkontur der Baugruppe 9 kongruent zur Außenkontur des Grundkörpers 7. Der Grundkörper 7 und die Baugruppe 9 können funktionell in Wirkverbindung gebracht werden, indem der Grundkörper 7 als Läufer und die Baugruppe 9 als Stator des elektrischen Direktantriebs ausgestaltet werden.
Bei Anwendung der Vorrichtung trifft ein Laserstrahl zunächst auf die Oberfläche des Umlenkspiegels 1. Dieser Laserstrahl wird durch eine in Abhängigkeit der konkreten Arbeitsaufgabe spezifische räumliche Ausrichtung des Umlenkspiegels 1 von der Spiegeloberfläche auf das jeweils zu bearbeitende Objekt reflektiert. Die für die räumliche Ausrichtung des Umlenkspiegels 1 notwendigen Bewegungen der elektrischen Direktantriebe werden durch kombinierte bogenförmige Bewegungen der Grundkörper 3 und 4 (1) oder durch eine sphärische Bewegung des Grundkörpers 7 (2) realisiert.

1: Umlenkspiegel
2: Gestell
3: Grundkörper erster elektrischer Direktantrieb
4: Grundkörper zweiter elektrischer Direktantrieb
5: Baugruppe für Abstand und Verbindung der Grundkörper 3 und 4
6: Trägerelement für Umlenkspiegel
7: Grundkörper kombinierter elektrischer Direktantrieb
8: Trägerelement für Umlenkspiegel
9: Baugruppe für Umhüllung des Grundkörpers 7

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10252443 A1 [0003]
- DE 102005004522 A1 [0004]
- DE 3802145 C1 [0005]
- DE 19606334 C2 [0005]
- EP 0790512 B1 [0005]
- DE 10033846 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Verstellung eines Umlenkspiegels für einen Laserstrahl, insbesondere für Laserbearbeitungsmaschinen, wobei die räumliche Ausrichtung des Umlenkspiegels mittels eines zugeordneten elektrischen Direktantriebs veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei voneinander unabhängige elektrische Direktantriebe vorgesehen sind, die mit mindestens einem gekrümmten Grundkörper (3; 4; 7) ausgestaltet sind, der über ein Gestell (2) an der Bearbeitungsmaschine abgestützt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Direktantrieb zwei separate Grundkörper (3; 4) aufweist, die übereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die separaten Grundkörper (3; 4) unmittelbar übereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den separaten Grundkörpern (3; 4) ausschließlich starre, als Abstands- und Verbindungselement (5) ausgelegte Bauteile angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die separaten Grundkörper (3; 4) um 90° zueinander versetzt angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar am unteren Grundkörper (4) ein Trägerelement (6) für den Umlenkspiegel (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die separaten Grundkörper (3; 4) jeweils eine zylindermantelsegmentförmige Kontur aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die separaten Grundkörper (3; 4) mit jeweils unterschiedlichen Radien ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (7) eine kugelmantelsegmentförmige Kontur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (7) innerhalb einer als Umhüllung (9) ausgelegten Baugruppe angeordnet ist, deren Innenkontur kongruent ist zur Außenkontur des Grundkörpers (7).
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (7) als Läufer und die als Umhüllung (9) zugeordnete Baugruppe als Stator des elektrischen Direktantriebs ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar am unteren Bereich des Grundkörpers (7) ein Trägerelement (8) für den Umlenkspiegel (1) angeordnet ist.