-
Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken, bei der der Brennfleck eines Laserstrahls über die zu bearbeitende Werkstückoberfläche bewegt werden soll. Für eine solche Bearbeitung, die insbesondere ein Schneiden von Werkstücken sein kann, sind hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten gewünscht, um die erforderliche Bearbeitungszeit zu verkürzen.
-
Dabei müssen bei der Ausbildung von Konturen, die mit dem Brennfleck am Werkstück abgefahren werden müssen, bei einer zumindest zweidimensionalen Bewegung eines so genannten Bearbeitungskopfs, der Träger von einen Laserstrahl führenden und ggf. auch formenden optischen Elementen ist, entsprechend mit bewegt werden. Insbesondere bei erheblichen Richtungswechseln der Vorschubachsrichtung, wie sie bei einer Konturbearbeitung auftreten, wirken sich die hohen Beschleunigungen in Verbindung mit der Masse eines Bearbeitungskopfes nachteilig aus, da hier eine aufwändige Kompensation gegen Schwingungen erforderlich ist. Die Masse bekannter Bearbeitungsköpfe liegt bei ca. 5 kg. Sie werden dabei mittels Antriebs- und Führungselementen bewegt und gehalten, deren Masse deutlich größer ist und im Bereich 300 Kg bis 600 kg liegen kann.
-
Häufig eingesetzte, üblicherweise als Scannerspiegel bezeichnete einen Laserstrahl reflektierende Elemente, können den Brennfleck zusätzlich zweidimensional auslenken. Der Laserstrahl trifft dabei aber abweichend von 90° auf die zu bearbeitende Oberfläche auf, was häufig nicht gewünscht ist. Eine entsprechende technische Lösung ist aus
DE 10 2008 027 524 für das Laserschneiden bekannt. Nachteilig dabei ist die aufwendige Synchronisation der erforderlichen Bewegungen der einzelnen Elemente (reflektierende Elemente, Schneiddüse). Die Antriebe für die Verschwenkung der reflektierenden Elemente erhöhen die Kosten, wie auch die erforderliche telezentrische Optik zur Fokussierung.
-
Aus der
DE 10 2004 058 263 A1 ist eine gattungsgemäße Einrichtung zur Führung eines Laserstrahls zur Bearbeitung bekannt. Dabei wird der Laserstrahl über zwei Schwenkspiegel auf ein Werkstück gerichtet. Die Schwenkspiegel können dabei um eine Rotationsachse gedreht und mit ihrem Abstand zueinander verändert werden.
-
Die
DE 100 10 574 A1 betrifft eine Strahlbearbeitungsmaschine bei der mindestens ein Strahlerzeugungskopf relativ zum Werkstück bewegt werden kann. Dies kann durch eine Positioniereinheit mit der er gedreht wird und einer weiteren Positioniereinheit mit der translatorisch bewegt wird, erreicht werden. In
US 4,160,894 A ist ebenfalls beschrieben, wie ein Laserstrahl mittels Spiegel, die gemeinsam um eine Achse gedreht werden können, auf ein Werkstück gerichtet werden kann. Der Abstand der Spiegel zueinander kann dabei mittels eines Spindelantriebs verändert werden.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine kostengünstige Vorrichtung vorzuschlagen, mit der eine Laserbearbeitung mit schnellen Wechseln der Vorschubachsrichtung bei der Bewegung des Brennflecks auf einem Werkstück möglich ist, und dabei die zu bewegenden Elemente und Teile der Vorrichtung eine geringe Eigenmasse aufweisen.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
-
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Brennfleck eines Laserstrahls mindestens zweidimensional bewegt werden. Diese Bewegung kann einer zweiten Vorschubbewegung, die ein- oder zweidimensional sein kann überlagert werden.
-
Der Laserstrahl wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei reflektierenden Elementen auf eine zu bearbeitende Werkstückoberfläche nach zweifacher Reflexion gerichtet. Die beiden reflektierenden Elemente sind hierfür an zwei Trägerelementen befestigt und können um die optische Achse des auf das erste reflektierende Element auftreffenden Laserstrahls gedreht werden. Die beiden reflektierenden Elemente werden dabei mit dem gleichen Winkelbetrag um diese optische Achse gedreht.
-
Die beiden Trägerelemente sind auch mittels mindestens eines Führungsstabs miteinander verbunden. Der Führungsstab kann an einem der Trägerelemente in seiner Längsachsrichtung fixiert und am anderen Trägerelement in einer Längsführung, z. B. einer Kugelbuchse, gelagert sein. Dadurch kann der Abstand der reflektierenden Elemente in der Längsachsrichtung des Führungsstabes verändert werden.
-
Ein erstes Trägerelement kann so gelagert sein, dass es sich lediglich um die optische Achse des auf das erste reflektierende Element auftreffenden Laserstrahls drehen kann.
-
Das zweite Trägerelement kann mit mindestens einem direkt oder auch indirekt an diesem angreifenden Antrieb zwei- oder auch dreidimensional positioniert werden. Das mit ihm verbundene reflektierende Element wird entsprechend mit bewegt. Dadurch verändert sich zumindest der Abstand zwischen den reflektierenden Elementen. Die Rotationsachse B des zweiten Trägerelements ist immer senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtet. Die optischen Elemente sind mechanisch zwangsgekoppelt. Dies kann mit der Längsführung erreicht werden.
-
Mit mindestens einem Antrieb kann eine gemeinsame Rotation der reflektierenden Elemente mit dem jeweiligen Trägerelement und eine Abstandsänderung der reflektierenden Elemente zueinander erreicht werden. Bevorzugt ein oder ggf. auch mehrere solcher Antriebe können an der Vorrichtung vorhanden sein oder an dieser angreifen.
-
Bei gleichzeitiger Drehung und Veränderung des Abstandes der beiden reflektierenden Elemente zueinander kann die gewünschte zweidimensionale Bewegung des Brennflecks auf der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks erreicht werden (Polarkoordinatensystem).
-
Die Trägerelemente können in Form von Gehäusen ausgebildet sein. Dabei ist darauf zu achten, dass der auftreffende und reflektierte Laserstrahl ungestört ist. Dies kann mit entsprechenden Öffnungen oder auch Fenstern an den Trägerelementen erreicht werden.
-
Vorteilhaft ist es dabei, das erste Trägerelement mit seinem reflektierenden Element so auszubilden und zu halten, dass ausschließlich eine Drehbewegung um die optische Achse des auf dieses reflektierende Element auftreffenden Laserstrahls möglich ist.
-
Mit den beiden reflektierenden Elementen kann der Laserstrahl am jeweiligen reflektierenden Element durch die Reflexion um 90° umgelenkt werden.
-
Bei einem lediglich rotierenden und ansonsten fixiert gehaltenen ersten reflektierenden Element auf das der Laserstrahl auftrifft, ist es besonders günstig, wenn mindestens ein Antrieb am anderen Trägerelement des zweiten reflektierenden Elements angreift. Dies kann beispielsweise ein Doppelkreuzschlitten oder eine Tripodmechanik sein. Dieser Antrieb ist dann unabhängig zusätzlich mit einer geeigneten Einrichtung fixiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann allein oder auch als Zusatzachssystem in einer Bearbeitungsmaschine eingesetzt werden.
-
Mit einem Doppelkreuzschlitten oder einem analog wirkenden Antrieb ist eine zweidimensionale Bewegung des Brennflecks über die Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks möglich. Die reflektierenden Elemente können dabei starr an den Trägerelementen befestigt sein und keine Winkeländerungen an diesen vorgenommen werden, so dass der Laserstrahl mit konstantem Winkel während einer Bearbeitung über das Werkstück geführt wird. Bei der Drehbewegung können die beiden reflektierenden Elemente immer in der gleichen Ebene bewegt werden. Ihre reflektierenden Flächen sind immer parallel zueinander ausgerichtet.
-
Ist aber eine zusätzliche Bewegung in eine dritte um 90° geneigte Achsrichtung, die in der Regel als z-Achsrichtung bezeichnet wird, gewünscht, kann die Vorrichtung entsprechend modifiziert werden.
-
Das Trägerelement des zweiten reflektierenden Elements kann hierfür direkt oder indirekt entlang der Längsachse des auf die Werkstückoberfläche gerichteten Laserstrahls bewegt werden. Dabei sind die beiden reflektierenden Elemente und der Führungsstab sowie die Längsführung senkrecht zur Längsachse des auf die Werkstückoberfläche gerichteten Laserstrahls schwenkbar gelagert.
-
Das zweite Trägerelement kann dafür in z-Achsrichtung in Richtung auf eine zu bearbeitende Oberfläche hin oder ggf. davon weg bewegt werden. Dies ist insbesondere günstig, wenn ein Werkstück mit einer Oberflächenkontur bearbeitet oder Unebenheiten der Werkstückoberfläche ausgeglichen werden sollen.
-
Dabei kann es vorteilhaft sein, einen Abstandssensor vorzusehen, der den Abstand zur zu bearbeitenden Oberfläche bestimmt. Insbesondere beim Laserschneiden kann so gesichert werden, dass der Abstand einer Schneiddüse zur Oberfläche in einem günstigen Bereich gehalten werden kann.
-
In diesem Fall ist es weiter vorteilhaft, wenn an den reflektierenden Elementen jeweils ein Drehantrieb angreift, mit dem diese parallel zueinander um einen Winkel verschwenkbar sind. Die reflektierenden Elemente sollten dabei mit einem jeweils gleichen Winkel verschwenkt werden, der dem 0,5-fachen des Winkels entspricht, mit dem der Führungsstab abweichend zu 90° zur Längsachse des auf die Werkstückoberfläche gerichteten Laserstrahls zum jeweiligen Zeitpunkt ausgerichtet ist. Dadurch ist es möglich einen mit einem Winkel von 90° in Bezug zur Werkstückoberfläche in die Vorrichtung einfallenden Laserstrahl wieder mit einem Winkel von 90° auf eine Werkstückoberfläche zu richten. Der Brennfleck kann dabei bei der Bearbeitung nachgeführt werden.
-
Für das Verschwenken kann als Antrieb ein Zahnrad-, Riemen- oder Reibradgetriebe eingesetzt werden, wobei jeweils ein Rad mit einer Drehwelle des jeweiligen reflektierenden Elements fest verbunden und im jeweiligen Trägerelement drehbar gelagert sein kann. Dabei kann ein Rad fest mit der Führungsstange und das andere Rad mit der Längsführung der Führungsstange verbunden sein. Für die Lagerung kann eine Welle im jeweiligen Trägerelement genutzt werden. Mit der Dimensionierung der Räder solcher Getriebe kann das für das Verschwenken der reflektierenden Elemente gewünschte Übersetzungsverhältnis eingehalten werden. Der jeweilige Antrieb zum Verschwenken der reflektierenden Elemente benötigt keinen eigenen Antrieb.
-
Für eine synchrone Verschwenkung der beiden reflektierenden Elemente sind diese bevorzugt mit Wellen im jeweiligen Trägerelement drehbar gelagert. An den Wellen kann ein diese antreibendes Element mit einem Durchmesser D angreifen. Zusätzlich kann im jeweiligen Trägerelement eine weitere parallel zu den an den reflektierenden Elementen angreifenden Wellen ausgerichtete Welle angebracht sein, mit der eine Schubstange gelagert ist. Ein weiteres Antriebselement mit dem Durchmesser D/2 kann auf der Schubstange mit der Welle fest verbunden sein. Die beiden Antriebselemente können mit einem außen an ihnen anliegenden Riemen verbunden sein, so dass bei einer Auslenkung des zweiten Trägerelementes in z-Achsrichtung die jeweilige Verschwenkung der beiden reflektierenden Elemente mit einem Übersetzungsverhältnis von 2:1 unter Berücksichtung der Auslenkung des zweiten Trägerelements in z-Achsrichtung eingehalten werden kann.
-
Am anderen Trägerelement kann an der im jeweiligen Trägerelement eine weitere parallel zu den an den reflektierenden Elementen angreifenden Welle ausgerichtete Welle die Längsführung für die Führungsstange befestigt sein. Damit kann eine veränderte Winkelausrichtung der Führungsstange im Verhältnis 2:1 für das Verschwenken dieses reflektierenden Elements genutzt werden.
-
Die Längsführung können Gleitlagerungen, bevorzugt Wälzlagerungen (Kugelbuchsen) aufweisen. Es besteht die Möglichkeit die beiden Trägerelemente mit zwei parallelen entsprechend fixierten und gelagerten Führungsstäben miteinander zu verbinden. Sie können so eine Doppelparallelführung bilden.
-
Ein Führungsstab kann einen Querschnitt mit einer Führungskontur aufweisen. An der Längsführung kann eine dazu komplementäre Führungskontur vorhanden sein. Beide Konturen können so eine Verdrehsicherung bilden. So kann beispielsweise außen am Führungsstab parallel zu seiner Längsachse eine Erhebung vorhanden sein, die dann in einer im Inneren der Längsführung ausgebildeten Nut geführt ist.
-
Bei der Erfindung besteht die Möglichkeit der Integration aller, auch der zu bewegenden Elemente innerhalb eines kompakten Bearbeitungskopfes. Sie kann als Zusatzachssystem neben dem Schneiden auch für das Laserstrahlschweißen eingesetzt werden. Am zweiten drehbaren Trägerelement kann eine Schneidgasdüse angebracht oder dieses in Form einer Schneidgasdüse ausgebildet sein. In diesem Fall kann eine Schneidgaszuführung angeschlossen sein.
-
Es besteht außerdem die Möglichkeit ein zusätzliches den auf die Oberfläche eines Werkstückes gerichteten Laserstrahl fokussierendes Element am zweiten Trägerelement vorzusehen. Dieses kann zusätzlich einen Abschluss eines Druckraumes einer Schneidgasdüse bilden, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schneiden von Werkstücken eingesetzt werden soll.
-
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden.
-
Dabei zeigen:
-
1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine zweidimensionale Bewegung des Brennflecks eines Laserstrahls in einer schematischen Schnittdarstellung;
-
2 das Beispiel nach 1 in perspektivischer Darstellung;
-
3 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine dreidimensionale Bewegung des Brennflecks eines Laserstrahls in einer schematischen Schnittdarstellung mit räumlichen Polarkoordinaten und
-
4 das Beispiel nach 3 in perspektivischer Darstellung mit den möglichen Freiheitsgraden.
-
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel wird ein Laserstrahl 1 vertikal von oben auf ein erstes reflektierendes Element 2 gerichtet. Die reflektierende Fläche dieses reflektierenden Elements 2 ist in einem Winkel von 45° in Bezug zur optischen Achse A des einfallenden Laserstrahls 1 geneigt. Dieser wird von dort auf ein zweites reflektierendes Element 3 gerichtet, dessen reflektierende Fläche ebenfalls in einem Winkel von 45° zur genannten optischen Achse bzw. zur optischen Achse B und parallel zur Fläche des ersten reflektierenden Elements 2 ausgerichtet ist. Beide reflektierenden Elemente 2 und 3 sind mit einem Trägerelement 2.1 und 3.1 fest verbunden.
-
Die beiden Trägerelemente 2.1 und 3.1 sind wiederum mit einem Führungsstab 4 miteinander verbunden. So können die beiden Trägerelemente 2.1 und 3.1 mit ihren beiden reflektierenden Elementen 2 und 3 um die optische Achse des auf das erste reflektierende Element 2 einfallenden Laserstrahls 1 gemeinsam in der gleichen Ebene gedreht werden. Dadurch ist eine entsprechende einer Kreisbahn folgende Bewegung des Brennflecks auf dem zu bearbeitenden Werkstück möglich. Zur Erhöhung der Flexibilität dieser Bewegung kann aber auch der Abstand der beiden reflektierenden Elemente 2 und 3 verändert werden. Hierfür ist der Führungsstab 4 fest mit dem Trägerelement 3.1 verbunden. Die Verbindung mit dem anderen Trägerelement 2.1 erfolgt mittels der Längsführung 5, die am Trägerelement 2.1 vorhanden ist. Der Führungsstab 4 kann bei Einleitung einer entsprechenden Bewegung in der Längsführung 5 translatorisch verschoben werden. Da das Trägerelement 2.1 für das erste reflektierende Elemente in dieser Achsrichtung fixiert gehalten ist, wird lediglich das Trägerelement 3.1 mit seinem reflektierenden Element 3 entsprechend translatorisch bewegt und dadurch kann der Abstand zwischen den beiden reflektierenden Elemente 2 und 3 vergrößert oder verkleinert werden. Die rotierende und die translatorische Bewegung können dadurch überlagert werden, was die Flexibilität der Bewegung des Brennflecks des Laserstrahls 1 auf der Werkstückoberfläche erhöht.
-
Da lediglich die Masse des zweite reflektierenden Elements 3 mit seinem Trägerelement 3.1 und anteilig die Masse des Führungsstabes 4 sowie die Rotationsträgheit des Trägerelements 2.1 mit dem reflektierenden Element 2 bei der Bewegung berücksichtigt werden müssen, sind die bei der Bearbeitung auftretenden Kräfte und Momente klein.
-
Der erreichbare Arbeitsbereich 9 wird dabei vom Weg, der mit der translatorischen Bewegung und der Drehbewegung des Trägerelements 3.1 zurückgelegt werden kann, bestimmt. Dabei kann eine Optimierung unter Berücksichtigung der Eigenmassen und Trägheitsmomente, der zu bewegenden Elemente der Vorrichtung, vorgenommen werden.
-
Bei diesem Beispiel erfolgt die Rotationsbewegung der reflektierenden Elemente 2 und 3 in einer Ebene, so dass der Brennfleck lediglich zweidimensional bewegt werden kann.
-
Mit dem in den 3 und 4 gezeigten Beispiel ist eine dreidimensionale Bewegung des Brennflecks in Bezug zur Position eines Werkstücks möglich.
-
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel kann der Führungsstab 4 mittels einer festen Einspannung mit dem zweiten Trägerelement 3.1 verbunden sein.
-
Bei dem Beispiel nach 3 ist diese Verbindung aber mit einer Drehlagerung hergestellt. Dadurch kann das zweite Trägerelement 3.1 und demzufolge auch das an ihm befestigte reflektierende Element 3 in Bezug zur Längsachse des Führungsstabes 4 entlang der Achse B bewegt werden. Eine Rotationsbewegung um die Achse A ist weiter möglich.
-
Die am ersten Trägerelement 2.1 vorhandene Längsführung 5 ist entsprechend ebenfalls im Trägerelement 2.1 drehbar gelagert, so dass auch dort eine analoge Schwenkbewegung von Trägerelement 2.1 mit reflektierendem Element 2 in Bezug zur Längsachse des Führungsstabes 4 erfolgen kann.
-
Da es aber gewünscht sein kann, dass die Ausrichtung des Laserstrahls 1 nach den Reflexionen an den beiden reflektierenden Elementen 2 und 3 wieder parallel zur optischen Achse des auf das erste reflektierende Element 2 auftreffenden Laserstrahls 1 und/oder senkrecht zur Werkstückoberfläche sein soll, können die beiden reflektierenden Elemente 2 und 3 unter Berücksichtigung der Aussagen, die hierzu im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits gemacht worden sind, ebenfalls verschwenkt werden.
-
Hierfür sind an beiden Trägerelementen 2.1 und 3.1 jeweils ein Antrieb 6 und 7 vorhanden. Beide Antriebe 6 und 7 haben das gleiche Übersetzungsverhältnis und können durch die relative Winkeländerung des Führungsstabes 4 die reflektierenden Elemente 2 und 3 ausrichten.
-
So kann jeweils ein Rad 6.1 und 7.1 mit dem jeweiligen Trägerelement 2.1 und 3.1 verbunden sein. Wird nun das zweite Trägerelement 3.1 mit einem hier nicht dargestellten Antrieb vertikal nach oben oder unten bewegt, kann die jeweilige Drehbewegung des Rades 6.1 und 7.1 auf das jeweils andere Rad 6.2 und 7.2 übertragen werden. Durch entsprechende Außendurchmesser kann ein Übersetzungsverhältnis von 0,5 eingehalten werden.
-
Die Räder 6.2 und 7.2 sind mit Drehwellen 2.2 und 3.2 verbunden, die wiederum an den Trägerelementen 2.1 und 3.1 drehbar gelagert sind. Die reflektierenden Elemente 2 und 3 sind fest mit der jeweiligen Drehwelle 2.2 und 3.2 verbunden, so dass sie um den jeweiligen gleichen Winkelbetrag mit paralleler Ausrichtung der reflektierenden Flächen zueinander verschwenkt werden können.
-
Bei den beiden in den 1 bis 4 gezeigten Beispielen kann zwischen den beiden Trägerelementen 2.1 und 2.3 ein Schutzelement (nicht dargestellt) vorhanden sein, durch das der Laserstrahl 1 vom ersten reflektierenden Element 2 auf das zweite reflektierende Element 3 gerichtet werden kann. Zur Kompensation der unterschiedlichen Abstände kann dieses Schutzelement in Form eines Teleskops ausgebildet sein. Ein Schutzelement kann auch ganz oder teilweise die Funktion des Führungsstabes 4 übernehmen.
-
Mit der in 4 gezeigten Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die nach den in den 1 und 2 gezeigten Beispielen ausgebildet sein kann, soll die dreidimensionale Bewegungsmöglichkeit des Brennflecks des Laserstrahls 1 verdeutlicht werden.
-
Mit den Pfeilen soll die erreichbare Dreh- und die translatorische Bewegung des zweiten Trägerelements 3.1 mit seinem reflektierenden Element 3 verdeutlicht werden. Da beide Bewegungen gleichzeitig durchgeführt werden können, kann mit dem Laserstrahl 1 für die Bearbeitung jede Position eines Arbeitsbereichs 9 erreicht werden. Dabei kann die Drehbewegung lediglich in einem begrenzten Winkelintervall durchgeführt werden. Eine Drehung um 360° ist dabei nicht erforderlich. In diesem Fall wäre das Erreichen des unmittelbar um die Drehachse der Vorrichtung liegenden Bereichs eines Werkstücks sogar nicht möglich. Der maximal nutzbare Arbeitsbereich 9 hat hierbei die geogeometrische Gestalt eines Kreisrings oder Kreisringsegments. Seine Größe kann durch den maximalen Winkelbereich bestimmt werden, in dem das zweite Trägerelement 3.1 zwischen jeweils zwei Umkehrpunkten gedreht und parallel zur Längsachse des Führungsstabes 4 translatorisch bewegt werden kann.
-
In nicht dargestellter Form kann ein externer Antrieb an das Trägerelement 3.1 angreifen, mit dem sowohl die Dreh-, wie auch die translatorische(n) Bewegungen an der Vorrichtung, durchgeführt werden.
