DE102012012780A1

DE102012012780A1 - Parellelkinematisches Spiegel-Ablenksystem mit doppelkardanischer Aufhängung

Info

Publication number: DE102012012780A1
Application number: DE102012012780.4A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Munsch; Jörg Wollnack; Marc Kirchhoff; Prof. Dr.-Ing. Emmelmann Claus
Original assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-01-02
Also published as: WO2014000883A1

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Spiegel-Ablenksystem (1) zum Ablenken eines Laserstrahls mit einem Spiegel (2), einer Aufhängungseinrichtung, um den Spiegel (2) um zwei zueinander senkrecht verlaufende Achsen (3, 4) schwenkbar zu halten, und einer Antriebseinrichtung, um den Spiegel bewegen zu können. Die Aufhängungseinrichtung weist einen ersten inneren Rahmen (5), in dem der Spiegel (2) um eine erste Achse (3) schwenkbar gehalten ist, und einen zweiten äußeren Rahmen (6) auf, in dem der erste innere Rahmen (5) um eine zweite Achse (4) schwenkbar gehalten ist. Die Antriebseinrichtung weist zwei Linearantriebe (9, 10) auf, die jeweils gelenkig mit dem Spiegel (2) gekoppelt sind, wobei die beiden Linearantriebe (9, 10) voneinander beabstandet sind, im Wesentlichen parallel verlaufen und separat ansteuerbar sind, um den Spiegel (2) in eine gewünschte Position schwenken zu können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mit Hilfe eines Lasers bzw. eines Laserstrahls. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Spiegel-Ablenksystem, das bei einer solchen Vorrichtung zur Anwendung kommt, und speziell auf ein parallelkinematisches Spiegel-Ablenksystem mit doppelkardanischer Aufhängung, das optional mit wirkstellennaher Messung der Spiegelposition ausgestaltet ist. Ein derartiges Spiegel-Ablenksystem ist normalerweise bewegbar im Strahlenweg eines Laserstrahls angeordnet, um den ”Brennfleck” des Laserstrahls mit möglichst hoher Geschwindigkeit und großer Präzision über ein zu bearbeitendes Werkstück führen zu können.
Die Produktivität bzw. der Wirkungsgrad einer Vorrichtung zur Laser Bearbeitung von Werkstücken bzw. Werkstückoberflächen wird maßgeblich durch die Leistung des Laserstrahls, durch die Bearbeitungsgeschwindigkeit, durch die Nebenzeiten und durch andere Faktoren bestimmt. Zur Erhöhung der Produktivität, und insbesondere zur Verminderung der Nebenzeiten, erfolgt die Laser-Bearbeitung von Werkstücken vorzugsweise über eine große Entfernung (d. h. > 0,1 m und vorzugsweise > 0,3 m) durch Verwendung von Spiegel-Ablenksystemen (sogenannte Scanner). Durch den großen Abstand zwischen dem Werkzeug (d. h. Vorrichtung zur Laser-Bearbeitung) und dem zu bearbeitenden Werkstück wird auch die Größe des maximalen Arbeitsfeldes beeinflusst, wobei grundsätzlich gilt: je größer der Abstand desto größer das Arbeitsfeld. Üblicherweise wird der mit Hilfe einer geeigneten Laserstrahlquelle erzeugte Laserstrahl durch einen oder mehrere bewegbare Spiegel abgelenkt und mit möglichst hoher Präzision auf die Wirkstelle des Werkstücks reflektiert, um dadurch bei der Bearbeitung des Werkstücks die erforderlichen Toleranzen einzuhalten.
Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Spiegel-Ablenksystems sind zum Beispiel das Remote-Laserschweißen, das Remote-Laserschneiden, die additive Fertigung mittels Laserstrahlschmelzen oder das Laserstrahlabtragen. Das erfindungsgemäße Spiegel-Ablenksystem kann aber allgemein auch bei anderen Anwendungen benutzt werden, bei denen ein Laserstrahl mit Hilfe von einem oder mehreren schwenkbaren Spiegeln abgelenkt wird.
Eine als Beispiel genannte Laser-Schweißanlage umfasst in der Regel einen Laser, ein Bewegungssystem und ein optisches System zur Führung des Laserstrahls. Mit Hilfe des Bewegungssystems wird der Laserstrahl über das Werkstück und/oder das Werkstück unter dem Laserstrahl bewegt. Üblicherweise wird der Laserstrahl nach Fokussierung mit Hilfe eines Spiegel-Ablenksystems auf einem vorbestimmten Pfad über das Werkstück bewegt, um beispielsweise eine Schweißnaht herzustellen. Hierfür werden normalerweise kipp- oder schwenkbare Spiegel verwendet, um den Laserstrahl über die variabel einstellbaren Winkelstellungen der Spiegel auf unterschiedliche Positionen bzw. entlang eines gewünschten Pfades auf das Werkstück reflektieren. Bei der oben genannten Remote-Bearbeitung können die Laser-Arbeitsköpfe, in denen sich jeweils ein Spiegel-Ablenksystem und beispielsweise das Austrittsende einer optischen Faser oder einer anderen Laserstrahl-Führungseinrichtung befindet, entweder ortsfest (sogenannte Großraum-Remote-Anlagen) oder an einer bewegbaren Mechanik (Linearachsen oder Roboter) montiert sein. Durch Montage der Laser-Arbeitsköpfe (auch als Laser-Scanner bezeichnet) an einer bewegbaren Mechanik kann das Arbeitsfeld der Schweißanlage erheblich erweitert werden. Häufig verwendete Strahlquellen beim Laserschweißen von Metallen sind Yb:YAG-Faserlaser, Nd:YAG-Laser, CO₂-Laser oder auch Diodenlaser.
Eine Verbesserung der Qualität der Laser-Bearbeitung des Werkstücks kann allgemein erfolgen durch:

– den Einsatz von Laserstrahlquellen mit höherer Leistung,
– die Nutzung ultrakurzer Laserpulse,
– die Verringerung der Nebenzeiten,
– die Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit und der Bearbeitungsdynamik,
– die Vergrößerung des Arbeitsfeldes,
– die hochpräzise Positionierung des Laserstrahls,
– die Reduzierung oder Aufweitung des Fokusdurchmessers, und
– die Veränderung der Fokusgeometrie und damit der Intensitätsverteilung.

Bei der Laser-Bearbeitung von Werkstücken ist eine möglichst große Bearbeitungsentfernung (d. h. Abstand zwischen Bearbeitungsvorrichtung und Werkstück) von maßgeblicher Bedeutung, um das Arbeitsfeld zu vergrößern und um die Dynamik des Laser-Systems zu erhöhen, wodurch die Produktivität der Bearbeitung gesteigert wird. Bei einer Vergrößerung der Entfernung ist es notwendig, den Laserstrahl deutlich aufzuweiten, um damit die Brennweite zu erhöhen, und/oder den Fokusdurchmesser merklich zu verkleinern. Zum Ablenken eines aufgeweiteten Laserstrahls ist jedoch eine größere Spiegelapertur notwendig, wobei diese größeren Spiegelaperturen auch genutzt werden können, um höhere Laserstrahlleistungen einzusetzen, da durch die größeren Spiegelaperturen und durch den größeren Laserstrahldurchmesser eine bessere Verteilung der absorbierten Leistung aufgrund von Intensitätsreduzierung erreicht wird.
Durch eine größere Bearbeitungsentfernung kann außerdem eine höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht werden, da für einen bestimmten Verfahrweg des Laser-Brennpunkts kleinere Schwenkwinkel des Spiegel-Ablenksystems erforderlich sind. Gleichzeitig muss jedoch sichergestellt sein, dass eine hochpräzise Positionierung des Laserstrahls trotz der Verlängerung des Laserstrahlweges nach dem Strahlensatz gewährleistet ist.
Eine wesentliche Produktivitätssteigerung kann durch den Einsatz einer Echtzeit-Bearbeitung (On-the-fly) erreicht werden, wodurch Relativbewegungen zwischen dem Spiegel-Ablenksystem und dem zu bearbeitenden Werkstück ermöglicht werden. Hierfür muss für das Spiegel-Ablenksystem auf möglichst einfache Weise ein analytisches, inverses bzw. kinematisches Steuerungsmodell mathematisch beschreibbar sein, wodurch die regelungstechnische Umsetzung in dem Gesamtsystem ermöglicht bzw. vereinfacht wird.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausgestaltungen von Spiegel-Ablenksystemen bekannt. Beispielsweise arbeiten bekannte Galvanometer-Scanner mit zwei ablenkbaren Spiegeln, wobei durch eine rotatorische Bewegung eines ersten Spiegels die Bewegung in einer ersten Achse des Bearbeitungsfeldes realisiert wird, während die Bewegung in einer zweiten Achse durch eine rotatorische Bewegung des zweiten Spiegels realisiert wird. Bei diesen Galvanometer-Scannern führen allerdings die zunehmende Größe der Spiegelapertur, die daraus resultierenden erhöhten Trägheitsmomente und die allgemein eher geringen Kräfte der Galvanometer-Antriebe zu einer wesentlichen Verringerung der Geschwindigkeit des Spiegel-Ablenksystems, was wiederum zu hohen Dynamikverlusten führt.
Weiterhin sind Spiegel-Ablenksysteme bekannt, bei denen nur ein Spiegel (sogenannte Ein-Spiegel-Ablenksysteme oder Ein-Spiegel-Scanner) vorgesehen ist. Bei einem solchen Ein-Spiegel-Scanner, der mit einem exzentrisch gelagerten kinematischen System gekoppelt ist, ist eine mathematische Beschreibung in Echtzeit nicht oder nur mit einem extrem hohen Rechenaufwand möglich, da die mathematischen Beziehungen zwischen dem kinematischen System, der Spiegelbewegung und der Verlagerung des Laserstahls äußerst komplex sind. Dies hat zur Folge, dass auch die Auslegung einer Steuerung für diesen Typ von Scanner sehr komplex und rechenintensiv ist. Ferner können die geforderten dynamischen Kennwerte und die geforderte Genauigkeit aufgrund der Konstruktion der Lagerstellen nicht oder nur unzureichend erzielt werden.
Aus der DE 100 27 148 A1 ist eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines fokussierbaren Lasers bekannt, wobei die Vorrichtung eine Laserquelle und wenigstens einen im Laserweg des Lasers angeordneten beweglich verstellbaren Scannerspiegel aufweist.
Die DE 100 33 846 A1 offenbart eine Spiegelverstellvorrichtung für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, bei der ein Spiegel an einem festen Rahmen verstellbar befestigt ist und bei der zwischen dem Rahmen und dem Spiegel elektrische Linearmotoren für die Spiegelverstellung angeordnet sind, die über Stellelemente auf den Spiegel einwirken.
Die DE 10 2005 023 985 A1 beschreibt eine Scannervorrichtung für einen Leistungslaser zur Materialbearbeitung mit einer Abbildungsoptik, die einen um zwei Achsen schwenkbar gelagerten und von zwei Aktuatoren angetriebenen Ablenkspiegel aufweist, und mit der der Laserstrahl als Spot auf Bearbeitungsstellen von Werkstücken projizierbar ist, wobei zwischen den Aktuatoren und dem Ablenkspiegel Koppelmittel vorgesehen sind, die mit einem ersten Ende an den Aktuatoren und mit einem zweiten Ende an dem Ablenkspiegel schwenkbar gelagert sind, so dass die durch Massenträgheit auf die Schwenklagerung wirkenden Kräfte minimiert werden.
In der DE 10 2005 033 605 A1 ist ein Laserscanner für ein Remote-Schweißverfahren offenbart, der einen Lichtwellenleiter, eine erste Konvexlinse, eine Konkavlinse, eine Abbildungseinheit und einen Scannerspiegel aufweist, wobei der Scannerspiegel zur Verlagerung eines Fokuspunktes in zwei Richtungen ansteuerbar ist und wobei eine Vorrichtung zur Variation des Abstandes zwischen dem Scannerspiegel und dem Fokuspunkt vorgesehen ist. Dabei weist die Vorrichtung einen mit der Konkavlinse antriebsmäßig verbundenen Aktuator auf.
Die DE 10 2006 002 931 A1 zeigt eine Optikeinheit zum Laser-Remote-Schweißen, wobei der Bearbeitungsabstand mehr als 250 mm beträgt und wobei für ein Strahlparameterprodukt der Laserstrahlquelle von mehr als 16 mm mrad eine Sammellinse mit einem Durchmesser von über 60 mm vorhanden ist.
Die DE 202 12 115 U1 betrifft eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahls mit einem Ablenkspiegel, der um einen in seiner Spiegelfläche liegenden Drehfixpunkt allseitig verkippbar gelagert ist, und mit einem Antrieb zum Verkippen des Ablenkspiegels, der an einem Schwenkteil mit teilkugelförmiger Außenoberfläche angeordnet ist, um deren Kugelmittelpunkt das Schwenkteil in einer zumindest teilweise kalottenförmigen Lagerfläche allseitig drehbar gelagert ist, wobei der Antrieb mit dem Schwenkteil zusammenwirkt.
Die DE 101 30 199 A1 bezieht sich auf eine Scannervorrichtung für einen Leistungslaser zur Materialbearbeitung mit einer Abbildungsoptik, mittels der der über einen Lichtwellenleiter eingeführte Laserstrahl als Spot auf die Bearbeitungsstellen einer Bearbeitungsfläche projiziert wird. Die Abbildungsoptik hat eine Aufweitungsoptik mit einer ersten Linseneinheit sowie eine Fokussieroptik mit einer zweiten Linseneinheit. Um die Abdeckung größerer Bearbeitungsfelder bei einer hohen Fokussierbarkeit zu ermöglichen, ist die Abbildungsoptik der Scannervorrichtung in einem kardanisch aufgehängten Gestell angeordnet, innerhalb dessen der divergierende Laserstrahl mit mehrfacher Umlenkung in die erste Linseneinheit eingelenkt und der aufgeweitete Laserstrahl von der ersten Linseneinheit zu der zweiten Linseneinheit hin gerade durchgehend geführt ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Spiegel-Ablenksystem mit nur einem Spiegel (Ein-Spiegel-Ablenksystem) sowie ein kinematisches Bewegungssystem für ein solches Spiegel-Ablenksystem zur Verfügung zu stellen, mit Hilfe dessen eine hohe Präzision und Dynamik erreicht sowie gleichzeitig eine analytische mathematische Beschreibung ermöglicht wird. Es ist außerdem Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Laser-Bearbeitung von Werkstücken bzw. Werkstückoberflächen zur Verfügung zu stellen, bei der ein solches Spiegel-Ablenksystem zur Anwendung kommt.
Diese Aufgabe wird durch ein Spiegel-Ablenksystem mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 und durch eine Vorrichtung zur Laser-Bearbeitung mit den Merkmalen von Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
Durch das erfindungsgemäße Spiegel-Ablenksystem bzw. durch die zugehörige Laser-Bearbeitungsvorrichtung werden im Wesentlichen die folgenden Merkmale realisiert:

– Das Spiegel-Ablenksystem weist lediglich einen Spiegel auf (Ein-Spiegel-Scanner), wobei in dem Laser-Scanner natürlich weitere Ablenkspiegel vorgesehen sein können.
– Die Verstellung des Spiegels erfolgt über eine parallelkinematische Antriebseinrichtung, vorzugsweise mit Hilfe von Linearantrieben. Der Begriff ”Linearantrieb” umfasst aber auch Antriebe, bei denen eine rotatorische Antriebsbewegung durch ein geeignetes Getriebe in eine lineare Bewegung umgewandelt wird.
– Das Spiegel-Ablenksystem weist eine bewegliche Antriebslagerung mit vorzugsweise mindestens zwei Freiheitsgraden in der Achse der Linearbewegung auf.
– Der Spiegel ist vorzugsweise mittels einer doppelkardanischen Spiegellagerung gelagert. Der Begriff ”doppelkardanisch” ist hierbei so zu verstehen, dass auch funktions- bzw. wirkungsgleiche Lagerungen umfasst sind.
– Das Spiegel-Ablenksystem ist optional mit einer oder mehreren Messeinrichtungen zur wirkstellennahen Winkelmessung, d. h. zur Messung der Winkelstellung des Ablenkspiegels, gekoppelt.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Spiegel-Ablenksystems und insbesondere durch die doppelkardanische Aufhängung des Spiegels werden die folgenden Vorteile erreicht:

– Bei der doppelkardanischen Aufhängungskonstruktion können Lager verwendet werden, die nur einen rotatorischen Freiheitsgrad benötigen. Diese Lager können, im Vergleich zu Lagern mit zwei oder mehr Freiheitsgraden, mit höherer Steifigkeit und Präzision hergestellt und montiert werden, was zu einer signifikanten Verbesserung der Genauigkeit des Ablenksystems führt, da die bei der Erfindung verwendeten Lagerstellen deutlich kleinere Toleranzen aufweisen.
– Durch die Verwendung der doppelkardanischen Aufhängungskonstruktion des Spiegels kreuzen sich die beiden Drehachsen direkt auf der Mitte der Oberfläche des Ablenkspiegels. Damit ist die Mittellinie des Laserstrahls unabhängig vom Schwenkwinkel des Ablenkspiegels über den gesamten Strahlweg konstant. Insbesondere bleibt bei dieser Konstruktion auch der Auftreffpunkt des Laserstrahls auf dem Ablenkspiegel konstant, und zwar unabhängig vom Schwenkwinkel. Folglich lässt sich eine analytisch mathematische Beschreibung ableiten, die die Beziehung zwischen der Position des Spiegels, dem Laserfokus und den Antrieben ermöglicht. Im Ergebnis lässt sich mit Hilfe der vorliegenden Erfindung der Laserfokus (Brennpunkt) des Laserstrahls steuerungs- und regelungstechnisch mit sehr hoher Präzision auf definierten Bahnen auf dem Werkstück führen.
– Mit Hilfe der mathematischen Beschreibung lässt sich wiederum eine Echtzeitsteuerung des erfindungsgemäßen Spiegel-Ablenksystems realisieren, wodurch die Gesamtdynamik des Systems verbessert werden kann. Außerdem kann die Beherrschbarkeit des Ablenksystems wesentlich verbessert werden.
– Durch die wirkstellennahe Messung der Spiegelposition (d. h. an oder um die Lagerstellen der doppelkardanischen Aufhängung des Spiegels) lässt sich mit sehr hoher Genauigkeit die Position des Spiegels im Raum bestimmen. Diese Positionsdaten können für die Steuerung und Regelung der Antriebseinrichtung verwendet werden.

Das Spiegel-Ablenksystem der vorliegenden Erfindung wird zur Ablenkung eines Laserstrahls verwendet, der wiederum beispielsweise bei einer Vorrichtung zur Laser-Bearbeitung von Werkstücken oder bei einer ähnlichen Vorrichtung Anwendung findet. Vorzugsweise ist das Spiegel-Ablenksystem Bestandteil eines Laser-Scanners. Wie vorstehend erläutert, weist das Spiegel-Ablenksystem lediglich einen beweglichen Spiegel auf, der mittels einer Antriebseinrichtung so bewegt werden kann, dass ein von einer Laserstrahlquelle erzeugter Laserstrahl mittels dieses schwenkbaren Spiegels so reflektiert und umgelenkt werden kann, dass der reflektierte bzw. umgelenkte Laserstrahl mit hoher Präzision und Geschwindigkeit in einer gewünschten Richtung auf ein Werkstück gelenkt werden kann.
Das erfindungsgemäße Spiegel-Ablenksystem weist einen Spiegel auf, der durch eine doppelkardanische Aufhängungseinrichtung bewegbar gehalten ist. Bei dieser Aufhängungseinrichtung ist der Spiegel unabhängig um zwei zueinander im Wesentlichen senkrecht verlaufende Achsen schwenkbar gehalten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Aufhängungseinrichtung einen ersten inneren Rahmen, in dem der Spiegel um eine erste Achse schwenkbar gehalten ist, und einen zweiten äußeren Rahmen oder Basis auf, in dem der erste Rahmen um eine zweite Achse schwenkbar gehalten ist. Der zweite Rahmen ist vorzugsweise feststehend. Der zweite Rahmen kann aber auch durch ein bzw. zwei feststehende Lager gebildet sein, um die zweite Achse zu halten. Die erste und die zweite Achse verlaufen im Wesentlichen senkrecht zueinander.
Das erfindungsgemäße Spiegel-Ablenksystem weist außerdem eine Antriebseinrichtung auf, um den Spiegel bewegen zu können. Diese Antriebseinrichtung umfasst vorzugsweise zwei Linearantriebe, die voneinander beabstandet sind und im Wesentlichen parallel verlaufen. Die Linearantriebe sind vorzugsweise als Linearmotoren ausgestaltet und haben jeweils ein erstes und ein zweites Ende, an denen jeweils ein Gelenkteil vorgesehen ist. Das erste Ende von jedem der beiden Linearantriebe ist jeweils an einem ersten Gelenkpunkt gelenkig mit einem zugehörigen feststehenden Lager (Basis) gekoppelt, und das zweite Ende von jedem der beiden Linearantriebe ist jeweils an einem zweiten Gelenkpunkt gelenkig mit dem Spiegel gekoppelt. Die beiden zweiten Gelenkpunkte der beiden Linearantriebe sind an der der reflektierenden Spiegelfläche gegenüberliegenden Seite des Spiegels (Rückseite des Spiegels) vorgesehen. Das erste Ende von jedem der beiden Linearantriebe ist jeweils gelenkig mit dem feststehenden Lager (Basis) gekoppelt, an dem auch der zweite äußere Rahmen angebracht ist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Gelenkpunkt kann statt eines Linearantriebs auch jeweils eine Stange vorgesehen sein, wobei der zweite Gelenkpunkt, statt mit einem feststehenden Lager, mit einem Linearantrieb gekoppelt sein kann. Eine solche Lösung ist bevorzugt, da die Summe der zu bewegenden Massen verringert wird.
Die beiden zweiten Gelenkpunkte sind an Stellen an der Rückseite des Spiegels vorgesehen, die sich beispielsweise auf einer Diagonalen zwischen der ersten und der zweiten Schwenkachse sowie an gegenüberliegenden Seiten des Schnittpunkts der ersten und der zweiten Schwenkachse befinden. Die beiden zweiten Gelenkpunkte können aber auch an anderen Stellen an der Rückseite des Spiegels vorgesehen sein. So können die beiden zweiten Gelenkpunkte beispielsweise an der unteren, der oberen oder an einer der beiden Seitenkanten des Spiegels vorgesehen sein. Der Spiegel ist üblicherweise rechteckig oder quadratisch; allerdings kann der Spiegel auch rund sein oder zumindest abgerundete Ecken haben. Die beiden ersten und die beiden zweiten Gelenkpunkte können vorzugsweise durch Kardankreuzgelenke gebildet sein, wobei aber auch andere Arten von Gelenken verwendet werden können, die dem Fachmann bekannt sind.
Folglich weist das Spiegel-Ablenksystem der vorliegenden Erfindung eine parallelkinematische Antriebseinrichtung für einen Ablenkspiegel auf, der durch eine doppelkardanische Aufhängung relativ zu einer feststehenden Basis bewegbar gehalten ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Spiegel-Ablenksystem der vorliegenden Erfindung außerdem mindestens eine Einrichtung zur Messung der Winkelposition des Spiegels auf. Diese mindestens eine Winkelmesseinrichtung umfasst vorzugsweise eine erste Winkelmesseinrichtung, die zwischen dem ersten inneren Rahmen und dem Spiegel sowie vorzugsweise an der ersten Schwenkachse (d. h. wirkstellennah) vorgesehen ist, um die Winkelposition des Spiegels relativ zum ersten inneren Rahmen zu erfassen. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine zweite Winkelmesseinrichtung zwischen dem ersten inneren Rahmen und dem zweiten äußeren Rahmen (bzw. der feststehenden Basis) und vorzugsweise an der zweiten Schwenkachse (d. h. wirkstellennah) vorgesehen, um die Winkelposition des ersten inneren Rahmens relativ zum zweiten äußeren Rahmen zu erfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die ausgestaltet ist, um die beiden Linearantriebe anzusteuern. Dazu ist jeder der beiden Linearantriebe mit der Steuereinrichtung elektrisch gekoppelt, um den beiden Linearantrieben entsprechende elektrische Signale zuzuführen, um die Linearantriebe auf gewünschte Weise zu verfahren. Die Linearantriebe haben vorzugsweise eine Ruhestellung (oder Null-Position), wobei sich der Spiegel, wenn sich beide Linearantriebe in der Ruheposition befinden, ebenfalls in seiner Ruheposition befindet, in der sich der Spiegel mit dem ersten Rahmen in Ausrichtung befindet und sich der erste Rahmen mit dem zweiten Rahmen in Ausrichtung befindet. Zum Verstellen des Spiegels werden den Linearantrieben jeweils elektrische Signale zugeführt, wodurch die Linearantriebe entweder ausgefahren (bzw. vorgefahren) oder eingefahren (bzw. zurückgefahren) werden. Theoretisch würde diese einfache Art der Steuerung ausreichen. Wenn jedoch eine genauere Steuerung bzw. Regelung erwünscht ist, müssen zusätzliche Messeinrichtungen vorgesehen sein, um die Position des Spiegels (und damit die Position des Laserstrahls) möglichst genau steuern zu können. Theoretisch kann die Ruheposition des Spiegels mittels eines Laserstrahls eingestellt werden, indem ein Laserstrahl auf den Spiegel geleitet und der reflektierte Strahl von einem Detektor erfasst wird. Vorzugsweise sind aber Einrichtungen zum Messen der Winkelposition des Spiegels vorgesehen. Diese Einrichtungen umfassen, wie vorstehend erläutert, vorzugsweise eine Einrichtung zum Messen der Winkelposition des Spiegels relativ zum inneren ersten Rahmen und/oder eine Einrichtung zum Messen der Winkelposition des inneren ersten Rahmens relativ zum äußeren zweiten Rahmen. Diese Messeinrichtungen sind vorzugsweise an der ersten und/oder an der zweiten Achse vorgesehen.
Es ist bevorzugt, dass die Einrichtung(en) zur Messung der Winkelposition des Spiegels bzw. des inneren Rahmens entsprechende elektrische Messsignale ausgeben, die der Steuereinrichtung zugeführt werden. Folglich kann die Ist-Stellung des Spiegels gemessen und in der Steuereinrichtung mit der Soll-Stellung verglichen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden der Steuereinrichtung Daten (Soll-Daten) zugeführt, durch die angegeben wird, wie der Spiegel über einen zeitlichen Verlauf verschwenkt werden soll, damit der Laserstrahl auf einem gewünschten Pfad über das zu bearbeitende Werkstück geführt wird. Diese Daten enthalten vorzugsweise Steuerdaten zum Ansteuern der beiden Linearantriebe als Funktion der Zeit. Mit Hilfe der Messdaten (Ist-Daten) von den Einrichtungen zum Messen der Winkelposition des Spiegels kann die aktuelle Position des Spiegels mit hoher Genauigkeit nachgeregelt werden, indem die Soll-Daten mit den Ist-Daten von den Messeinrichtungen verglichen werden.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
1 eine schematische Prinzip-Darstellung einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spiegel-Ablenksystems;
2 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der doppelkardanischen Aufhängungseinrichtung des erfindungsgemäßen Spiegel-Ablenksystems;
3 eine weitere perspektivische Darstellung der doppelkardanischen Aufhängungseinrichtung aus 2;
4 noch eine perspektivische Darstellung der doppelkardanischen Aufhängungseinrichtung aus 2;
5 eine perspektivische Darstellung einer Ausgestaltung des Spiegel-Ablenksystems mit der Aufhängungseinrichtung aus 2–4; und
5 eine perspektivische Darstellung einer Ausgestaltung des Spiegel-Ablenksystems auf Basis der Konstruktion aus 1.
In 1 ist das Spiegel-Ablenksystem 1 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Spiegel-Ablenksystem 1 weist einen Spiegel 2 auf, der durch eine Aufhängungseinrichtung unabhängig um zwei zueinander im Wesentlichen senkrecht verlaufende Achsen 3, 4 schwenkbar gehalten ist.
Bei der gezeigten Ausgestaltung weist die Aufhängungseinrichtung einen ersten inneren Rahmen 5, in dem der Spiegel 2 um die erste Achse 3 über Kugel- oder Wellenlager schwenkbar gehalten ist, und einen zweiten äußeren Rahmen 6 auf, in dem der erste Rahmen 5 um die zweite Achse 4 schwenkbar gehalten ist. Der zweite Rahmen 6 ist vorzugsweise feststehend. Der zweite Rahmen kann aber auch durch ein bzw. zwei feststehende Lager 7, 8 (Kugel- oder Wellenlager) gebildet sein, um die zweite Achse 4 zu halten. Die erste Achse 3 und die zweite Achse 4 verlaufen im Wesentlichen senkrecht zueinander.
Das erfindungsgemäße Spiegel-Ablenksystem 1 weist außerdem zwei Linearantriebe 9, 10 auf, um den Spiegel 2 bewegen zu können. Diese beiden Linearantriebe sind voneinander beabstandet und verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Die Linearantriebe sind vorzugsweise als Linearmotoren ausgestaltet und haben jeweils ein erstes 11 und ein zweites Ende 12, an denen jeweils ein Gelenkteil vorgesehen ist. Das erste Ende 11 von jedem der beiden Linearantriebe 9, 10 ist jeweils an einem ersten Gelenkpunkt 13 gelenkig mit einem zugehörigen feststehenden Lager 14 (Basis) gekoppelt, und das zweite Ende 12 von jedem der beiden Linearantriebe 9, 10 ist jeweils an einem zweiten Gelenkpunkt 15 gelenkig mit dem Spiegel 2 gekoppelt. Die beiden zweiten Gelenkpunkte 15 der beiden Linearantriebe 9, 10 sind an der der reflektierenden Spiegelfläche gegenüberliegenden Seite des Spiegels 2 (Rückseite des Spiegels) vorgesehen.
In der in 1 gezeigten Ausgestaltung sind die beiden zweiten Gelenkpunkte 15 an der unteren Seitenkante des Spiegels vorgesehen. Die beiden ersten und die beiden zweiten Gelenkpunkte 13, 15 der beiden Linearantriebe sind vorzugsweise durch Kugelgelenke oder Kardankreuzgelenke gebildet.
Das in 1 gezeigte Spiegel-Ablenksystem weist außerdem mindestens eine Einrichtung zur Messung der Winkelposition des Spiegels auf. Diese mindestens eine Winkelmesseinrichtung umfasst vorzugsweise eine erste Winkelmesseinrichtung 16, die zwischen dem ersten inneren Rahmen 5 und dem Spiegel 2 vorzugsweise an der ersten Schwenkachse 3 (bevorzugt an dem Lager der ersten Achse) vorgesehen ist, um die Winkelposition des Spiegels relativ zum ersten inneren Rahmen 5 zu erfassen. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine zweite Winkelmesseinrichtung 17 zwischen dem ersten inneren Rahmen 5 und dem zweiten äußeren Rahmen 6 (Basis) vorzugsweise an der zweiten Schwenkachse 4 vorgesehen, um die Winkelposition des ersten inneren Rahmens 5 relativ zum zweiten äußeren Rahmen 6 zu erfassen.
Aus 1 ist offensichtlich, dass die Linearantriebe 9, 10 hinsichtlich ihrer Länge verstellt werden können, was durch Pfeile dargestellt ist. Durch geeignete Ansteuerung der Linearantriebe können die Linearantriebe also verlängert bzw. verkürzt werden. Dadurch wird der Abstand zwischen dem ersten Gelenkpunkt 13 und dem zweiten Gelenkpunkt 15 entweder vergrößert oder verkleinert. In der in 1 gezeigten Ausgestaltung wird beispielsweise der Spiegel 2 um die zweite horizontale Achse 4 geschwenkt, wenn beide Linearantriebe gleichzeitig verlängert oder verkürzt werden. Eine Schwenkbewegung des Spiegels 2 um die erste vertikale Achse 3 erfolgt beispielsweise dann, wenn einer der Linearantriebe verlängert wird, während der andere Antrieb verkürzt wird, und umgekehrt. Ein Verschwenken des Spiegels 2 um beide Achsen 3, 4 wird durch kombinierte Verlängerung bzw. Verkürzung der Linearantriebe 9, 10 erreicht. Entscheidend bei der Ausgestaltung aus 1 ist die Tatsache, dass die ersten Gelenkpunkte 13 räumlich feststehend sind. Auf diese Weise lässt sich die Beziehung zwischen der Ansteuerung der Linearmotoren und der entsprechenden Winkelstellung des Spiegels durch ein relativ einfaches mathematisches Model umsetzen.
2, 3 und 4 zeigen perspektivische Darstellungen der beispielhaften doppelkardanischen Aufhängungseinrichtung des Spiegel-Ablenksystems 1 aus 1 aus verschiedenen Blickwinkeln. 2 zeigt die Rückseite des Spiegels 2, der über Kugel- oder Wellenlager 18, 19 an dem ersten inneren Rahmen 5 schwenkbar gelagert ist. Anstelle der Kugel- oder Wellenlager können aber auch andere Arten von Lagern verwendet werden, mit Hilfe derer der Spiegel beweglich gelagert ist; wichtig ist nur, dass der Spiegel beweglich gelagert ist. Eines dieser Kugellager 18, 19 ist mit einer Einrichtung zur Messung der Winkelposition des Spiegels 2 relativ zum inneren Rahmen 5 versehen. Die Messeinrichtung ist ein herkömmlicher Rotationssensor oder Winkelsensor. Die Signalleitungen können durch den ersten Rahmen 5 oder an der Außenseite des Rahmens geführt sein. Der erste Rahmen 5 ist durch Kugel- oder Wellenlager 20, 21 an einem zweiten äußeren Rahmen 6 schwenkbar gelagert. Eines dieser Kugellager 20, 21 ist mit einer Einrichtung zur Messung der Winkelposition des inneren Rahmens 5 relativ zum äußeren Rahmen 6 versehen. Diese Messeinrichtung ist ebenfalls ein herkömmlicher Rotationssensor oder Winkelsensor. Die Signalleitungen können durch den zweiten Rahmen 6 oder an der Außenseite dieses Rahmens geführt sein. Der zweite Rahmen 6 ist in dieser Ausgestaltung durch einen im Wesentlichen C-förmigen Haltearm gebildet, der mit einem Befestigungsabschnitt 22 versehen ist. Wie in 2 gezeigt, sind an der unteren Seite des Spiegels 2 zwei Befestigungsohren 23 vorgesehen, die zur Befestigung der zweiten Gelenke 15 dienen.
2 bis 4 zeigen eine Ausgestaltung, bei der die zweiten Gelenke 15 über eine Stange 24 mit den ersten Gelenken 13 gekoppelt sind. Bei einer Ausführung der Erfindung sind die ersten Gelenke 13 mit den Linearantrieben gekoppelt. Es ist allerdings bevorzugt (siehe 1) die Stangen 24 durch Linearantriebe 9, 10 zu ersetzen, wobei hierbei die ersten Gelenke 13 feststehend sind. Für diese zweite Ausgestaltung lässt sich ein relativ einfaches mathematisches Model erstellen, wodurch mit vertretbarem Rechenaufwand eine Echtzeitsteuerung des Spiegel-Ablenksystems realisiert werden kann.
3 zeigt eine seitliche perspektivische Darstellung des Spiegel-Ablenksystems aus 2, und 4 zeigt eine Vorderansicht dieses Systems. In 4 sind die am Spiegel 2 vorgesehenen Befestigungsohren 23 gut zu sehen, an denen die beiden zweiten Gelenke 15 befestigt sind. Die Gelenke 15 sind vorzugsweise als Kreuzgelenke bzw. Kardankreuzgelenke ausgebildet, deren erstes Gelenkteil mit dem Spiegel 2 bzw. mit den Befestigungsohren 23 verbunden ist und deren zweites Gelenkteil mit einer Stange 24 verbunden ist, deren Enden mit den ersten Gelenken 13 verbunden sind, die ebenfalls als Kreuzgelenke bzw. Kardankreuzgelenke ausgebildet sein können.
5 zeigt eine perspektivische Darstellung des Spiegel-Ablenksystems aus 2 bis 4 zusammen mit zwei beispielhaften Linearantrieben. In dieser Ausgestaltung sind die Linearantriebe in zugehörigen Boxen 25, 26 untergebracht, in denen sich vorzugsweise auch die Steuereinrichtungen für jeweiligen Linearantriebe befinden. An der Oberseite der Boxen sind Schlitze ausgebildet, durch die sich Kopplungsmittel erstrecken, an denen die ersten Gelenke 13 angebracht sind, die mit den Stangen 24 verbunden sind. Die Linearantriebe sind vorzugsweise Linearmotoren, können aber auch durch einen Schneckenantrieb oder Zahnstangenantrieb realisiert sein. An der Außenseite der Boxen 25, 26 sind Schnittstellen 27, 28 vorgesehen, die mit einer Rechnereinheit (nicht gezeigt) verbunden werden können, um den Steuereinrichtungen elektrische Signale zur Ansteuerung der Linearantriebe zuzuführen. Durch geeignete Ansteuerung der Linearantriebe werden die Linearantriebe und somit auch die mit Linearantrieben verbundenen Kopplungsmittel hin- und herbewegt. Es ist offensichtlich, dass durch die Hin- und Herbewegung der Linearantriebe auch die ersten Gelenke 13 auf linearen Pfaden hin- und herbewegt werden. Dadurch wiederum werden die Stangen 24, die zweiten Gelenke 15 und schließlich der Spiegel 2 entsprechend bewegt. Wie in 5 gezeigt, sind die Boxen 25, 26 in einer Halterung 29 befestigt. Die Halterung 29 ist an einer Montageplatte 30 befestigt, an der auch der Befestigungsabschnitt 22 des Schenkels 6 befestigt ist.
Aus 2 bis 5 ist offensichtlich, dass durch geeignete Verschiebung der beiden Linearantriebe der Spiegel 2 in eine beliebige Position geschwenkt werden kann. Werden die beiden Antriebe nach vorne (in 5 nach rechts/unten) bewegt, wird der Spiegel 2 im Gegenuhrzeigersinn um die zweite horizontale Achse 4 geschwenkt. Werden beispielsweise der eine Antrieb 9 nach hinten und der andere Antrieb 10 nach vorne verschoben, so wird der Spiegel um die erste vertikale Achse 3 verschwenkt. Durch kombinierte Bewegung der beiden Antriebe 9, 10 kann der Spiegel in jede gewünschte Position geschwenkt werden.
Die Ausgestaltung aus 5 zeichnet sich durch eine relativ einfache mechanische Konstruktion aus, hat aber den Nachteil, dass sich die Kinematik dieses System nicht optimal durch ein mathematisches Model darstellen lässt.
6 zeigt eine alternative bevorzugte Ausgestaltung des Spiegel-Ablenksystems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, das auf dem konstruktiven Prinzip basiert, das in 1 dargestellt ist. Wie bereits unter Bezugnahme auf 1 erläutert, lässt sich diese konstruktive Lösung (im Vergleich zur Lösung aus 5) durch ein einfacheres mathematisches Model darstellen.
Das Spiegel-Ablenksystem 1 aus 6 weist einen Spiegel 2 auf, der in einem ersten inneren Rahmen 5 um eine erste Achse mit Hilfe von Lagern 18, 19 schwenkbar gehalten ist, wobei der erste Rahmen wiederum in einem zweiten äußeren Rahmen 6 (der vorzugsweise die Form eines C-förmigen Bügels hat) um eine zweite Achse mit Hilfe von Lagern 20, 21 schwenkbar gehalten ist. Auch bei dieser Ausführung ist der zweite Rahmen 6 feststehend, und die erste Achse und die zweite Achse verlaufen im Wesentlichen senkrecht zueinander.
Das Spiegel-Ablenksystem aus 6 weist zwei Linearantriebe 9, 10 auf, um den Spiegel 2 bewegen zu können. Diese beiden Linearantriebe sind voneinander beabstandet und verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Die Linearantriebe sind vorzugsweise als Linearmotoren ausgestaltet und haben jeweils ein erstes, vom Spiegel beabstandetes Ende und ein zweites, zum Spiegel benachbartes Ende, an denen jeweils ein Gelenkteil vorgesehen ist. Das erste Ende von jedem der beiden Linearantriebe 9, 10 ist jeweils mit einem ersten Gelenkpunkt 13 versehen, der ausgestaltet ist, um gelenkig mit einem zugehörigen feststehenden Lager (Basis) gekoppelt zu werden, wie in 1 gezeigt. Das zweite Ende von jedem der beiden Linearantriebe 9, 10 ist jeweils an einem zweiten Gelenkpunkt 15 gelenkig mit dem Spiegel 2 gekoppelt. Die beiden zweiten Gelenkpunkte 15 der beiden Linearantriebe 9, 10 sind auch hier an der der reflektierenden Spiegelfläche gegenüberliegenden Seite des Spiegels 2 (Rückseite des Spiegels) vorgesehen.
In der in 6 gezeigten Ausgestaltung sind die beiden zweiten Gelenkpunkte 15 an der rechten Seitenkante des Spiegels 2 vorgesehen, können aber auch an anderen Positionen an der Rückseite de Spiegels vorgesehen sein. Die beiden ersten und die beiden zweiten Gelenkpunkte 13, 15 der beiden Linearantriebe sind vorzugsweise durch Kugelgelenke, Kardankreuzgelenke oder andere geeignete Gelenke gebildet.
Das in 6 gezeigte Spiegel-Ablenksystem weist außerdem mindestens eine Einrichtung zur Messung der Winkelposition des Spiegels auf. Diese mindestens eine Winkelmesseinrichtung umfasst vorzugsweise eine erste Winkelmesseinrichtung, die zwischen dem ersten inneren Rahmen 5 und dem Spiegel 2 vorzugsweise an der ersten Schwenkachse (bevorzugt an einem der Lager 18, 19 der ersten Achse) vorgesehen ist, um die Winkelposition des Spiegels relativ zum ersten inneren Rahmen 5 zu erfassen. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine zweite Winkelmesseinrichtung zwischen dem ersten inneren Rahmen 5 und dem zweiten äußeren Rahmen 6 vorzugsweise an der zweiten Schwenkachse (bevorzugt an einem der Lage 20, 21 der zweiten Achse) vorgesehen, um die Winkelposition des ersten inneren Rahmens 5 relativ zum zweiten äußeren Rahmen 6 zu erfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10027148 A1 [0011]
DE 10033846 A1 [0012]
DE 102005023985 A1 [0013]
DE 102005033605 A1 [0014]
DE 102006002931 A1 [0015]
DE 20212115 U1 [0016]
DE 10130199 A1 [0017]

Claims

Spiegel-Ablenksystem (1) zum Ablenken eines Laserstrahls mit: einem Spiegel (2), einer Aufhängungseinrichtung, um den Spiegel (2) um zwei zueinander senkrecht verlaufende Achsen (3, 4) schwenkbar zu halten, wobei die Aufhängungseinrichtung einen ersten inneren Rahmen (5), in dem der Spiegel (2) um eine erste Achse (3) schwenkbar gehalten ist, und einen zweiten äußeren Rahmen (6) aufweist, in dem der erste innere Rahmen (5) um eine zweite Achse (4) schwenkbar gehalten ist, einer Antriebseinrichtung, um den Spiegel bewegen zu können, wobei die Antriebseinrichtung zwei Linearantriebe (9, 10) aufweist, die jeweils gelenkig mit dem Spiegel (2) gekoppelt sind, wobei die beiden Linearantriebe (9, 10) voneinander beabstandet sind, im Wesentlichen parallel verlaufen und separat ansteuerbar sind, um den Spiegel (2) in eine gewünschte Position schwenken zu können.
Spiegel-Ablenksystem (1) nach Anspruch 1, wobei jeder der beiden Linearantriebe (9, 10) ein erstes Ende (11) und ein zweites Ende (12) hat, an denen jeweils ein Gelenk (13, 15) vorgesehen ist.
Spiegel-Ablenksystem (1) nach Anspruch 2, wobei das erste Ende (11) von jedem der beiden Linearantriebe (9, 10) jeweils über ein erstes Gelenk (13) gelenkig mit einem feststehenden Lager (14) gekoppelt ist, und wobei das zweite Ende (12) von jedem der beiden Linearantriebe (9, 10) jeweils über ein zweites Gelenk (15) gelenkig mit dem Spiegel (2) gekoppelt ist.
Spiegel-Ablenksystem (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Gelenke (13, 15) Kugelgelenke oder Kreuzgelenke oder Kardankreuzgelenke sind.
Spiegel-Ablenksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linearantriebe (9, 10) über jeweilige Stangen (24) mit dem Spiegel (2) gekoppelt sind, wobei die Stangen über Gelenke (13, 15) mit dem Spiegel (2) bzw. mit den Linearantrieben gekoppelt sind.
Spiegel-Ablenksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linearantriebe als Linearmotoren ausgestaltet sind.
Spiegel-Ablenksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spiegel-Ablenksystem (1) mindestens eine Einrichtung zur Messung der Winkelposition des Spiegels aufweist.
Spiegel-Ablenksystem (1) nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine Winkelmesseinrichtung eine erste Winkelmesseinrichtung (16), die zwischen dem ersten inneren Rahmen (5) und dem Spiegel (2) vorgesehen ist, um die Winkelposition des Spiegels relativ zum ersten inneren Rahmen zu erfassen, und/oder eine zweite Winkelmesseinrichtung (17) aufweist, die zwischen dem ersten inneren Rahmen (5) und dem zweiten äußeren Rahmen (6) vorgesehen ist, um die Winkelposition des ersten inneren Rahmens relativ zum zweiten äußeren Rahmen zu erfassen.
Spiegel-Ablenksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, um die beiden Linearantriebe (9, 10) anzusteuern, um den Spiegel (2) in eine gewünschte Position zu bewegen.
Spiegel-Ablenksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Einrichtung zur Messung der Winkelposition des Spiegels (2) vorgesehen ist, wobei die mindestens eine Einrichtung zur Messung der Winkelposition des Spiegels elektrische Messsignale ausgibt, die einer Steuereinrichtung zugeführt werden, um die Position des Spiegels durch Vergleich mit Soll-Daten nachregeln zu können.
Vorrichtung zur Laser-Bearbeitung von Werkstücken, mit: einer Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, und einem Spiegel-Ablenksystem (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
Vorrichtung zur Laser-Bearbeitung von Werkstücken nach Anspruch 11, der der die Laserstrahlquelle und das Spiegel-Ablenksystem (1) in einem gemeinsamen Laserkopf enthalten sind.