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Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer Laserquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, mit einem Bearbeitungskopf, aus dem der Laserstrahl austritt, mit einer Bewegungseinheit zum linearen und rotativen Bewegen des Bearbeitungskopfs und mit einem Lichtleitkabel, das einenends an die Laserquelle und anderenends an die Bewegungseinheit angeschlossen ist, um im Laserbetrieb dem Bearbeitungskopf den Laserstrahl zuzuführen.
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Bei derartigen bekannten Laserbearbeitungsmaschinen durchläuft der über das Lichtleiterkabel zugeführte Laserstrahl die linear und rotativ bewegliche Bewegungseinheit und dann den an der Bewegungseinheit angebrachten Bearbeitungskopf, der den Laserstrahl auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Der Bearbeitungskopf kann mittels der Bewegungseinheit, die beispielsweise als eine mehrachsige Roboter- oder Handhabungskinematik ausgebildet ist, sowohl linear entlang der drei unabhängigen Koordinatenrichtungen (x-, y-, z- Richtung) als auch rotativ um typischerweise zwei senkrecht zueinander orientierte Rotationsachsen (B- und C-Achsen) bewegt werden, um den Laserstrahl beliebig dreidimensional zu orientieren.
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Da das Lichtleitkabel einenends an der Laserquelle und anderenends an der Bewegungseinheit angeschlossen ist, kann die für die dreidimensionale Werkstückbearbeitung erforderliche Abfolge an unterschiedlichen Bewegungen der Bewegungseinheit daher zur Folge haben, dass sich das Lichtleitkabel zunehmend aufwickelt und die Bewegungsfreiheit des an die Bewegungseinheit angebrachten Bearbeitungskopfes eingeschränkt wird. Insbesondere die rotative Bewegung der Bewegungseinheit kann zu Verzwirbelungen oder peitschenartigen Bewegungen des daran angeschlossenen Lichtleitkabels führen, was wiederum zu Beschädigungen am Lichtleitkabel und zu Bewegungsfehlern der Bewegungseinheit führen kann. Dadurch sind die freie Länge des Lichtleitkabels und damit auch die ausführbaren Orientierungswinkel bei der Ausführung der rotativen Bewegung limitiert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsmaschine anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere sollen peitschenartige Bewegungen des Lichtleitkabels sowie die Bewegungsfreiheit des Bearbeitungskopfes erhöht werden.
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Diese Aufgabe wird bei einer Laserbearbeitungsmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Bewegungseinheit eine linear bewegbare Lineareinheit und eine daran rotativ gelagerte Rotationseinheit aufweist, an welcher der Bearbeitungskopf befestigt ist, und dass das Lichtleitkabel mit der Lineareinheit verbunden ist.
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Erfindungsgemäß ist die lineare Bewegungen des Bearbeitungskopfes bewirkende Lineareinheit von der rotative Bewegungen des Bearbeitungskopfes bewirkenden Rotationseinheit mechanisch entkoppelt bzw. getrennt. Die Massenträgheiten der Lineareinheit kommen dann bei den rotativen Bewegungen der Rotationseinheit nicht zum Tragen. Durch die Entkopplung kann der Anteil an Maschinenkomponenten, der zur drehenden Bewegung des Bearbeitungskopfes erforderlich ist, hinsichtlich seines baulichen Ausmaßes auf die Komponenten der Rotationseinheit beschränkt und somit reduziert werden. Die Rotationseinheit kann im Vergleich zu bekannten Bewegungseinheiten, die vollständig die rotativen Bewegungen durchführen, kleiner dimensioniert werden. Dies führt ferner dazu, dass aus den Drehbewegungen der Rotationseinheit resultierende und von der Lineareinheit aufzunehmende Trägheitsmomente betragsmäßig reduziert sind. Somit kann wiederum auch die Lineareinheit baulich kleiner dimensioniert werden. Da die Lineareinheit erfindungsgemäß lediglich lineare Bewegungen ausführt, bleibt der Anschluss des Lichtleitkabels in jeder Bewegungssituation in seiner ursprünglichen Richtung orientiert. Dadurch werden Peitschenbewegungen des Lichtleitkabels erheblich reduziert oder vollständig verhindert.
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Das Lichtleitkabel erstreckt sich dabei vorzugsweise über sämtliche Linearachsen des Maschinenaufbaus. Beispielsweise kann es sich um ein kartesisches XYZ-Grundachsensystem handeln, in dem das Lichtleitkabel in Schleppketten verlegt ist. Alle stark massenträgheitsbehafteten Komponenten des sich anschließenden funktionalen Aufbaus führen nur die linearen Bewegungen der Maschine aus. Damit wird deren Massenträgheit für die Orientierungsbewegungen nicht wirksam und die Antriebsstränge für die zwei not-wendigen Rotationsachsen, hier C und B, können entsprechend klein dimensioniert werden. Dies wird zunächst ermöglicht, indem über eine in den Linearachsen mitbewegte, jedoch nicht mitorientierte Anbindung des Lichtleitkabels mit integrierter Kollimationsfunktion, auf einen Freistrahlbereich übergegangen wird. Es werden auf diese Weise die geschilderten orientierungsbedingten Peitschenbewegungen des Lichtleitkabels umgangen. Der genannte Freistrahlbereich ist von einer Funktionseinheit umfasst, die selbst wiederum nur linear bewegt wird, die die mechanischen Orientierungsbewegungen über die entsprechenden Antriebsachsen der Rotationsachen (B- und C- Achsen) generiert und auch den Freistrahl durch die räumlich orientierenden Elemente und in die Bearbeitungsoptik führt. Die Orientierung erfolgt NC-gesteuert durch die Antriebe in der für die Bearbeitung erforderlichen Weise, natürlich im Verbund mit den ebenfalls bewegten Grundachsen. Am Abschluss dieser Funktionseinheit ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine (Schnellwechsel-)Schnittstelle vorhanden, an der der Kopf zur vorgesehenen Laserbearbeitung befestigt werden kann.
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Der Anschluss des Lichtleitkabels kann grundsätzlich starr oder in einer um die Kabellängsrichtung frei drehbaren Art und Weise erfolgen. Im letzteren Fall kann sich das Kabel selbsttätig zurück- oder nachdrehen, so dass Kabelverzwirbelungen weniger häufig bzw. gar nicht mehr auftreten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das erste Bauteil mittels eines an der Lineareinheit angebrachten ersten Drehantriebs und/oder das zweite Bauteil ist mittels eines an der Lineareinheit angebrachten zweiten Drehantriebs und eines Winkelgetriebes angetrieben. Die genannten Drehantriebe sind örtlich und funktional aus dem orientierende Bewegungen ausführenden Bereich des Bearbeitungswerkzeuges abgetrennt und treten damit nicht als bewegungsbehindernde Störkontur in Erscheinung. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung tritt nur der Bearbeitungskopf selbst mit der davorliegenden Strahlumlenkung als orientierendes Element in Erscheinung.
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Bevorzugt weisen die Lineareinheit und/oder die Rotationseinheit optische Elemente zur Ausrichtung und Formung des Laserstrahls, insbesondere transmissive Kollimationslinsen, Spiegel, Fokussierlinsen etc., auf. Vorteilhaft ist zum Einstellen des Laserstrahldurchmessers ein Teleskop mit mindestens einem entlang der ersten Achse verschiebbaren optischen Element vorgesehen. Weiter bevorzugt weisen zum Einstellen der Fokuslage des Laserstrahls die Lineareinheit und/oder die Rotationseinheit mindestens einen adaptiven Spiegel auf. Der adaptive Spiegel kann insbesondere aus einem wärmeleitfähigen, hochfesten Werkstoff gefertigt und mit einer hochreflektiven Beschichtung für Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 μm versehen sein. In der Ausführungsform, in der die optischen Elemente bzw. das Teleskop in der Lineareinheit und/oder Rotationseinheit angeordnet sind, wird ein besonders kompakter Aufbau erreicht. Dadurch, dass auch einfach aufgebaute Teleskope mit optisch guter Funktion eine beträchtliche Baulänge aufweisen, ergibt sich auf diese Weise ein Aufbau mit einer geringen Störkontur, bei dem die Bearbeitungsoptik am Werkstück leicht zugänglich ist. Des Weiteren wird auf diese Weise ein Aufbau mit einer vergleichsweise geringen Massenträgheit erreicht. Das Ausmaß der Schwingungsbewegungen ist vergleichsweise gering, so dass präzise Maschinenbewegungen und damit eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit bei gleichzeitig klein dimensionierten Antriebssystemen und einem Aufbau von vergleichsweise geringer Stabilität ermöglicht werden.
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Als optische Elemente können für das erste Teleskop beispielsweise abbildende adaptive oder nicht adaptive Spiegel mit aufweitenden oder fokussierenden Linsen kombiniert werden. Somit können gegebenenfalls thermisch bedingt auftretende optische Abweichungen bzw. Abbildungsfehler korrigiert bzw. kompensiert werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist ein transmissives, kollimierendes optisches Element mit einem adaptiven Umlenkspiegel, welcher in einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform den Laserstrahl um weniger als 45° umlenkt, kombiniert.
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Das Teleskop ist in einer bevorzugten Ausführungsform als afokales Teleskop ausgebildet, so dass manuell oder automatisiert einstellbare Strahldurchmesser des Laserstrahles erzeugt werden können, die eine sehr geringe Divergenz aufweisen. Dieses Teleskop dient der separaten, nicht von Sekundäreffekten behafteten Möglichkeit, Fokusdurchmesser und Rayleighlänge im Fokus für die Laserbearbeitung einzustellen. Dies dient der Anpassung der Anlage an Schneid- bzw. Schweißaufgaben unter Einsparung einer Vielzahl von Bearbeitungsoptiken unterschiedlicher Brennweite.
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Der Laserstrahl verläuft konzentrisch zu einer ersten und/oder einer zweiten mechanischen Orientierungsachse und ist unmittelbar oder mittelbar von einem vorzugsweise rohrförmigen Bauteil mit Strahldurchlass umfasst, das die Antriebsbewegung der beiden Orientierungsachsen an die in Strahlrichtung weiter vorne befindlichen optischen Elemente überträgt.
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Das Teleskop kann in seinen optischen Funktionselementen ganz vor oder nach diesem angetriebenen Durchlassbauteil angeordnet sein, oder sich in seiner Funktion über dieses hinweg erstrecken in der Weise, dass einzelne optische Elemente davor, einzelne optische Elemente im Inneren und einzelne optische Elemente danach angeordnet sind.
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Durch die geschilderte Aufbauweise können sowohl der Laserstrahl als auch die Antriebsbewegung in eine zweite Orientierungsachse gerichtet werden. Die beiden Orientierungsachsen schneiden sich in einem Punkt. Ausgangsseitig zur zweiten Orientierungsachse befindet sich eine Schnittstelle zur Ankopplung der Bearbeitungsoptik. In Letzterer wird der Strahl ein weiteres Mal umgelenkt und im Arbeitsbrennpunkt fokussiert. Die Verstellung der Lage des Arbeitsbrennpunktes in Strahlrichtung kann durch ein zweites Teleskop erfolgen, oder aber über einen adaptiven Umlenkspiegel, der vorzugsweise zugleich den Strahl in die zweite Orientierungsachse lenkt und ggf. im Schnittpunkt beider Orientierungsachsen angeordnet ist.
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In einer Ausführungsform ist das afokale Teleskop sowohl in die transmissive Kollimationsoptik, die in diesem Falle in Strahlrichtung {manuell oder automatisiert} verschiebbar ist, als auch in die adaptive Optik, die in diesem Fall neben der Fokusverstellung auch die Divergenzanpassung der eingesparten zweiten Teleskopoptik übernimmt, integriert. Der Freistrahlbereich geringster Divergenz ist dann nicht existent, bzw. auf einen singulären Punkt beschränkt. Das Teleskop erstreckt sich virtuell zwischen der Ein- und Ausgangsseite der Funktionseinheit zur Erzeugung der Orientierungsbewegungen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Die Figuren der Zeichnung zeigen den erfindungsgemäßen Gegenstand stark schematisiert und sind nicht maßstäblich zu verstehen.
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Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
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3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform.
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In der folgenden Beschreibung der Zeichnung werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
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In 1 ist eine Laserbearbeitungsmaschine 1 dargestellt, die eine Laserquelle 2, ein Lichtleitkabel 3, eine Bewegungseinheit 4 und einen Bearbeitungskopf 5 umfasst. Die Bewegungseinheit 4 weist eine in der x-, y- und z-Richtung linear bewegbare Lineareinheit 6 und eine an der Lineareinheit 6 rotativ gelagerte Rotationseinheit 7 mit einem um eine erste Achse C rotierbaren ersten Bauteil 8 in Form eines Außenrohrs und mit einem um eine zweite Achse B rotierbaren zweiten Bauteil 9 auf. Das Außenrohr 8 ist mittels eines oberen und eines unteren Lagers 10 rotativ an der Lineareinheit 6 gelagert. Das zweite Bauteil 9 ist über ein weiteres Lager 11 gegenüber dem Außenrohr 8 um die zweite Achse B drehbar gelagert. Der Bearbeitungskopf 5 ist an dem zweiten Bauteil 9 befestigt.
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Die Laserquelle 2 dient zum Erzeugen eines Laserstrahls 12 und ist beispielsweise als Festkörperlaser (YAG-Laser) ausgebildet. Das Lichtleitkabel 3 ist einenends an die Laserquelle 2 und anderenends an die Lineareinheit 6 angeschlossen bzw. mit der Lineareinheit 6 verbunden, um den Laserstrahl 12 der Lineareinheit 6 zuzuführen. Die Anbindung des Lichtleitkabels 3 an die Lineareinheit 6 kann starr oder frei drehbar um die Kabellängsrichtung erfolgen. Der aus dem Lichtleitkabel 3 austretende Laserstrahl 12 tritt in die Lineareinheit 6 ein und durchläuft die Lineareinheit 6 entlang der ersten Achse C. Anschließend tritt der Laserstrahl 12 in die Rotationseinheit 7 ein, wo er in Richtung der zweiten Achse B umgelenkt wird und in den Bearbeitungskopf 5 eintritt. Dort wird der Laserstrahl 12 erneut umgelenkt und dann fokussiert, um zur Bearbeitung (Laserschneiden, Laserschweißen) eines Werkstücks 13 aus dem Bearbeitungskopf 5 wieder auszutreten.
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Durch Rotieren des Bearbeitungskopfes 5 um die erste und zweite Achse C, B mittels der Rotationseinheit 7 kann die Strahlachse A des austretenden Laserstrahls 12 in jedwede Raumrichtung ausgerichtet werden. Durch das gegebenenfalls überlagerte lineare Verfahren des Bearbeitungskopfes 5 mittels der Lineareinheit 6 kann der Laserstrahl 12, insbesondere der Fokus F des Laserstrahls 12, in jedwede Position des Arbeitsraumes der Laserbearbeitungsmaschine 1 verfahren werden.
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Um die unabhängigen rotativen Bewegungen um die erste und zweite Achse C, B zu ermöglichen, sind ein erster Motor 14 zum Drehen des Außenrohrs 8 um die erste Achse C und ein zweiter Motor 15 zum Drehen des zweiten Bauteils 9 um die zweite Achse B vorgesehen. Die beiden Motoren 14, 15 sind jeweils an der Lineareinheit 6 befestigt und einzeln ansteuerbar. Um die Drehbewegung des zweiten Motors 15 auf das zweite Bauteil 9 zu übertragen, ist ein Antriebsmittel in Form eines Innenrohres 16 vorgesehen, das koaxial im Außenrohr 8 um die erste Achse C gelagert und sowohl mit dem zweiten Motor 15 als auch mit dem zweiten Bauteil 9 der Rotationseinheit 7 mechanisch (z. B. über miteinander kämmende Kegelzahnräder) drehgekoppelt ist. Das Innenrohr 16 ist an seinem über das Außenrohr 8 hochstehenden oberen Ende über ein oberes Lager 17 an der Lineareinheit 6 und an seinem unteren Ende über ein unteres Lager 18 in dem Außenrohr 8 drehbeweglich gelagert. Das Antriebsrohr 16 und das zweite Bauteil 9 bilden zusammen ein Winkelgetriebe 19, durch das der Bearbeitungskopf 5 um die rechtwinklig zur ersten Achse C verlaufende zweite Achse B gedreht werden kann.
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Drehen sich die Außen- und Innenrohre 8, 16 mit gleicher Drehzahl, dreht sich der Bearbeitungskopf 5 mit der entsprechenden Drehzahl um die erste Achse C. Drehen sich die Außen- und Innenrohre 8, 16 mit unterschiedlichen Drehzahlen, so wird der Bearbeitungskopf 5 entsprechend der Drehzahldifferenz um die zweite Achse B rotiert. Diese Rotation um die zweite Achse B kann der Rotation um die erste Achse C überlagert werden. Die lineare und/oder rotative Bewegung des Bearbeitungskopfes 5 mittels der Linear- und/oder Rotationseinheiten 6, 7 erfolgt NC-gesteuert über eine NC-Steuerungseinheit (nicht gezeigt), welche die hier nicht gezeigten Antriebe der Lineareinheit 6 und die Motoren 14, 15 entsprechend ansteuert.
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Bei der in 1 dargestellten Laserbearbeitungsmaschine 1 ist die Lineareinheit 6 von der Rotationseinheit 7 insofern entkoppelt, als dass beide Einheiten 6, 7 nicht starr miteinander verbunden sondern drehbeweglich zueinander gelagert sind. Das heißt, die Lineareinheit 6 sowie an ihr befestigte Komponenten (beispielsweise die Statoren der Motoren 14, 15) werden zur Werkstückbearbeitung nur linear und nicht rotativ bewegt. Die Rotationseinheit 7 sowie der an ihr befestigte Bearbeitungskopf 5 werden hingegen auch rotativ bewegt. Diese Entkopplung erlaubt es vorteilhafter Weise, die für die rotative Bewegung des Bearbeitungskopfes 5 erforderlichen Komponenten kleiner zu dimensionieren als in dem Falle, dass die Lineareinheit 6 und die Rotationseinheit 7 starr miteinander verbunden bzw. als einstückige Bewegungseinheit ausgebildet wären. Durch die kleinere Dimensionierung sind auch die aus den Drehbewegungen resultierenden und auf die lagernde Lineareinheit 6 einwirkenden Trägheitsmomente verringert, sodass auch die Lineareinheit 6 kleiner dimensioniert werden kann. Weil die Lineareinheit 6 lediglich lineare Bewegungen ausführt, besteht ein weiterer Vorteil der Entkopplung darin, dass der Anschluss des Lichtleitkabels 3 an die Lineareinheit 6 stets in derselben (hier vertikalen) Richtung ausgerichtet bleibt und somit Peitschbewegungen des Lichtleitkabels 3 erheblich reduziert oder vollständig verhindert werden können.
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Im Bereich des Anschlusses des Lichtleitkabels 3 weist die Lineareinheit 6 eine transmissive Kollimationslinse 20 auf, die den aus dem Lichtleitkabel 3 divergent in die Lineareinheit 6 eintretenden Laserstrahl 12 kollimiert. Der kollimierte Laserstrahl 12 durchläuft das Innenrohr 16 in Richtung der Achse C und trifft im Schnittpunkt S der rechtwinklig zueinander ausgerichteten Achsen B, C auf einen adaptiven Spiegel 21, der in dem über das Innenrohr 16 überstehenden unteren Ende des Außenrohrs 8 angeordnet ist und den Laserstrahls 12 in Richtung der Achse B in das zweite Bauteil 9 und weiter in den Bearbeitungskopf 5 umlenkt. Im Bearbeitungskopf 5 wird der Laserstrahls 12 über einen weiteren Spiegel 22 in Richtung der Achse A umgelenkt und über eine transmissive Fokussierlinse 23 fokussiert (Fokus F).
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Die Kollimationslinse 20 kann entlang der ersten Achse C verfahren werden, um einen vorbestimmten Laserstrahldurchmesser einzustellen, und bildet in der Bewegungseinheit 4 zusammen mit der Fokussierlinse 23 ein Teleskop. Der adaptive Spiegel 21, dessen Krümmung gezielt variiert werden kann, dient dem Einstellen einer vorbestimmten Lage des Fokus F des Laserstrahls 12 und kann neben dieser Fokusverstellung auch zur Anpassung von auftretenden Strahldivergenzen eingesetzt werden.
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Von der Laserbearbeitungsmaschine der 1 unterscheidet sich die in 2 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 darin, dass hier das Lichtleitkabel 3 über eine Anschlusseinheit 24 an die Lineareinheit 6 angeschlossen ist. Die Kollimationslinse 20 ist dabei in die Anschlusseinheit 24 integriert, die ihrerseits an der Lineareinheit 6 befestigt ist. Zur Umlenkung des aus der Anschlusseinheit 24 austretenden kollimierten Laserstrahls 12 in Richtung der ersten Achse C ist ein zusätzlicher adaptiver Spiegel 25 im Schnittpunkt K der ersten Achse C mit der Eintrittsstrahlachse D angeordnet. Im Strahlengang vor dem Innenrohr 16 ist weiterhin eine transmissive bikonkave Linse 26 kollinear zur ersten Achse C angeordnet.
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Von der Laserbearbeitungsmaschine der 2 unterscheidet sich die in 3 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 darin, dass hier anstelle der bikonkaven Linse 26 eine transmissive bikonvexe Linse 27 vorgesehen ist. Ferner sind anstelle des im Schnittpunkt S der ersten und zweiten Achse C, B angeordneten adaptiven Spiegels 21 in der 3 zwei adaptive Spiegel 28, 29 an dem Außenrohr 8 angeordnet, die derart ausgerichtet sind, dass der auf den ersten Spiegel 28 auftreffende Laserstrahl 12 auf den zweiten Spiegel 29 umgelenkt und von diesem in Richtung der zweiten Achse B umgelenkt wird.
