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Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zum Fügen von Werkstücken mittels eines Laserstrahls unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffes, der in Form eines Drahtes mittels einer Zuführeinrichtung zugeführt wird, wobei der Draht auch als mechanisches Tastelement verwendet wird. Der Laserbearbeitungskopf bietet sich besonders für Anwendungen an, bei denen Drahtverschleiß, Durchbiegung des Drahts und Drahtdüsenverschleiß die Prozessergebnisse einschränken.
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Beim Fügen, z. B. Schweißen oder Löten, von Werkstücken (z. B. Blechen) mittels eines Laserstrahls ist wegen der geringen Ausdehnung des Laserspots die exakte Positionierung des Laserstrahls zur Fügestelle für einwandfreie Fügeergebnisse besonders wichtig. Aufgrund der Werkstücktoleranzen ist deshalb die Genauigkeit der Bahnprogrammierung eines robotergeführten Laserbearbeitungskopfes oft nicht ausreichend. In einem Ansatz zur Überwindung dieses Problems verfügt der Laserbearbeitungskopf über eine zusätzliche Schwenkachse (im Folgenden als „Zusatzachse“ bezeichnet), die optische Teile, Gehäuseteile sowie Kraft- oder Nahtsensoren trägt und von den Daten des Kraft- oder Nahtsensors angesteuert wird.
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Häufig ist der Nahtsensor ein in der Nahtfuge vorlaufendes mechanisches Abtastelement, das die Fügelinie direkt ermittelt. Damit das mechanische Tastelement der Fügelinie folgen kann, muss es die entsprechenden senkrecht zur Vorschubrichtung liegenden Bewegungsfreiheitsgrade aufweisen; außerdem muss das Tastelement mit der Zusatzachse verbunden und mit einer gewissen Kraft in die Nahtfuge gedrückt werden, damit es nicht zu leicht aus der Fuge herausspringt. Diese Vorgehensweise setzt natürlich voraus, dass ein entsprechender Fügestoß vorhanden ist, wie z. B. bei Kehlnähten, Bördelstoßnähten oder Überlapp-Verbindungen.
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Zu Beginn des Bearbeitungsprozesses muss eine Laserbearbeitungsoptik mit einem solchen mechanischen Tastelement an der Nahtfuge positioniert werden. Um dies zu ermöglichen, wird in Optik-Köpfen, die mit einer Zusatzachse versehenen sind, die Zusatzachse mechanisch vorgespannt oder mit einem motorischen Antrieb sowie einem Positionsgeber ausgerüstet, um die Zusatzachse ansteuern zu können und das mechanische Tastelement somit in eine gezielte Soll-Lage zu bringen, damit es dann in der Nahtfuge einrasten kann. Auch kann man mit dem Antrieb eine seitliche Kraft auf das Tastelement ausüben, was bei asymmetrischen Nahtfugen vorteilhaft ist. Die Ausrüstung solcher Optik-Köpfe mit einer mechanischen Zusatzachse ist jedoch mit einem erheblichen Aufwand verbunden und durch die mechanische Vorspanneinrichtung oder den elektrischen Antrieb wird der Optik-Kopf größer und schwerer, was sich negativ auf die dynamischen Eigenschaften bei der Prozessführung auswirkt. Weiterhin sind diese Köpfe darauf angewiesen, dass die Drahtspitzenposition am Wirkungsort des Laserprozesses, relativ zur Drahtdüse, konstant bleibt und die Drahtdüse wiederum relativ zum Laserspot eine definierte, konstante Position einnimmt. Deformationen des Drahtes oder der Drahtzuführeinrichtung oder Verschleißerscheinungen führen zu Abweichungen der relativen Position zwischen Drahtspitze und Laserspot, da die lateral ausgleichende Zusatzachse starr mit der Drahtzuführeinrichtung verbunden ist.
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Aus dem Stand der Technik sind Laserbearbeitungsköpfe zum Fügen von Werkstücken mittels eines Laserstrahls bekannt, bei denen ein Zusatzwerkstoff in Form eines Drahtes, der mittels einer Zuführeinrichtung zugeführt wird, als mechanisches Tastelement zur Nahtführung verwendet wird.
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DE 100 06 852 C5 offenbart eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstückteilen mittels eines Energiestrahls, insbesondere Laserstrahls, unter Verwendung eines Zusatzdrahtes, bei der der Zusatzdraht als mechanisches Tastelement zur Nahtführung verwendet wird. Der Zusatzdraht wird hier kraftschlüssig entlang des von den zu verbindenden Werkstückteilen definierten Fügestoßes geführt. Die kraftschlüssige Führung der Drahtspitze erfolgt z. B. über eine Feder oder über Sensoren, insbesondere Kraftmomentensensoren, und damit geregelt geführte Aktoren.
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Aus
DE 10 2006 056 252 B4 ist eine Vorrichtung zur Führung eines Energiestrahls entlang eines Stoßes zweier mittels eines Energiestrahls zu verbindenden Werkstücken bekannt. Die Vorrichtung weist dazu einen Sensor an der Zuführeinrichtung auf, der die Lage eines Stoßes relativ zu dem Tastelement detektiert, und verfügt über eine Regelungseinrichtung und einen an das Tastelement abgestützten Aktor. Das Tastelement ist über den Aktor mit der Leiteinrichtung verbunden, und die Regelungseinrichtung steuert den Aktor in Abhängigkeit der detektierten Lage des Stoßes relativ zum Tastelement so an, dass der Wirkpunkt des Energiestrahls an einer gewünschten Position am Stoß anliegt. Die Lage des Energiestrahls wird somit nicht vom Tastelement beeinflusst.
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Ferner sind Scanner-Optiken mit Ablenkungseinheiten für Laser bekannt, die durch Verstellen der Ablenkungseinheiten eine Positionierung des Laserbearbeitungsstrahls ermöglichen. Als Ablenkungseinheiten werden üblicherweise Spiegel eingesetzt. Die seitliche Lageadaption des Laserstrahls wird vorzugsweise mittels eines Umlenkspiegels realisiert, der um die Achse des darauf einfallenden Laserstrahls schwenkbar ist. Bei Anwendungen, in denen relativ dicke Schweiß- bzw. Lötnähte gefordert sind, wird der Energiestrahl üblicherweise oszilliert.
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In
EP 1762328 B1 ist ein Verfahren zur Positionierung eines Laserstrahls zur Fügestelle beschrieben. Zur Strahlführung ist hier der mechanische Taster über ein Rotationsmodul an ein Strahlumlenkmodul gekoppelt. Das Rotationsmodul hat einen elastischen Energiespeicher in Gestalt zweier Spiralfedern, in dem das Strahlumlenkmodul mit Hilfe sogenannter Mitnehmer eingreift. Im Falle eines ausgeschwenkten Strahlumlenkmoduls wirken über das Rotationsmodul Rückstellkräfte, die das Strahlumlenkmodul wieder in eine Ruheposition bringen, nämlich dann, wenn auf den mechanischen Taster keine äußeren Kräfte wirken. Das Rotationsmodul ist damit zweiteilig ausgestaltet, wobei die erste Feder in die eine Auslenkungsrichtung und die zweite Feder in die andere Auslenkungsrichtung wirkt.
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Bei taktilen Systemen mit Zusatzachse erfolgt das Antasten aufgrund der großen bewegten Massen langsam. Die kraftschlüssige Führung des Zusatzdrahtes erhöht weiterhin den Verschleiß im Drahtzuführkanal und erhöht darüber hinaus die Anforderungen an die durch das Drahtfördersystem aufzubringende und zur Förderung des Zusatzdrahtes auf diesen zu übertragende Kraft. Bei sehr dünnem und/oder weichem Zusatzdraht biegt sich der Draht aufgrund der kraftschlüssigen Führung infolge Drahtdralls weiterhin sehr stark durch und reagiert empfindlich auf Kraftschwankungen. Daraus resultieren eine Fehlpositionierung des Laserstrahls und eine mangelhafte Nahtführgüte, insbesondere bei weichen Zusatzwerkstoffen wie Aluminium. Mitunter kann eine Überlast auch zum Abknicken des Zusatzdrahtes führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserbearbeitungskopf der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der die Nahtführgüte, insbesondere bei weichen Zusatzwerkstoffen, dadurch erhöht wird, dass die negativen Auswirkungen von Drahtverschleiß, Durchbiegung des Drahtes und Verschleiß der Drahtdüse kompensiert werden und die sich für den Einsatz in Schweiß- und Lötapplikationen eignet, für die die bisher bekannte taktile Nahtführung mit Zusatzachse zu langsam ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 11.
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Der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf umfasst ein Drahtführmodul mit einer Drahtzuführeinrichtung, einen Drahtführmodul-Antrieb, eine Lichtquelle, ein optisches Sensormodul und eine Strahlführungseinrichtung, aufweisend einen Scannerspiegel und einen Scanner-Antrieb. Der Scannerspiegel ist mittels des Scannerspiegel- Antriebs derart um eine Achse drehbar, dass die genaue Auftreffposition des Laserspots auf das Werkstück mit der Stellung des Scannerspiegels variiert. Es ist vorgesehen, den von dem Scannerspiegel reflektierten Laserstrahl vor dem Auftreffen auf die Werkstückoberfläche mittels einer Fokussiereinrichtung (z. B. Linse) zu fokussieren.
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Erfindungsgemäß ist das Drahtführmodul mittels eines Drahtführmodul-Antriebs oder einer federnden Einheit um eine und/oder entlang einer lateralen Bewegungsachse bewegbar, wobei das Drahtführmodul in Querrichtung zur Naht und/oder parallel zur Strahlrichtung beweglich ist, und der Laserbearbeitungskopf weist ferner eine Lichtquelle und ein optisches Sensormodul zum Erfassen der Lage der Drahtspitze auf.
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Mit Hilfe des am Laserbearbeitungskopf angeordneten Drahtführmodul-Antriebs oder einer federnden Einrichtung ist das Drahtführmodul schnell in Querrichtung zum Fügestoß und ggf. parallel zur Strahlrichtung positionierbar. Der Draht wird mittels Antrieb des die Zuführeinrichtung positionierenden Drahtführmoduls in die Antastlage gebracht oder liegt vorgespannt an einem linken, rechten oder stabilen mittleren Anschlag. Der Laserbearbeitungskopf wird relativ zum Stoß so positioniert, dass eine Antastbewegung erfolgen kann. Die durch den Antrieb des Drahtführmoduls ausgeführte laterale (ggf. auch axiale) Auslenkbewegung erfasst den Stoß und die Zuführeinrichtung lenkt aus. Wahlweise wirkt die Auslenkbewegung durch einen Roboter während des Anfahrens der Nahtstartposition direkt an der Federvorspannung.
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Der Laserbearbeitungskopf weist ferner ein optisches Sensormodul, das z. B. als Bildsensor ausgebildet ist, und eine Lichtquelle, die bevorzugt nach dem Lichtschnittprinzip arbeitet, auf. Alternativ kann vorgesehen sein, anstatt einer Lichtschnittlinie einfaches Auflicht oder strukturiertes Licht zu verwenden.
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Die Lichtquelle erzeugt eine auf den Draht projizierte Lichtschnittlinie. Die Lage der Drahtspitze wird von dem optischen Sensormodul, welches nach dem Lichtschnittprinzip arbeitet, erfasst. Durch Kalibration des Sensormoduls und vorangegangene Erfassen der Spotlage in Abhängigkeit der Stellwerte des Scannerantriebs ist es dem optischen Sensormodul möglich, die Lage des Laserspots relativ zu der Drahtspitze zu ermitteln. Anhand dieser Lagen werden eine Korrektur und eine eingestellte Laserspotlage berechnet. Ein schneller Scanner-Antrieb und/oder ein Autofokusmodul werden daraufhin mit Hilfe einer Steuereinrichtung derart angesteuert, dass der Laserspot auf die eingestellte Laserspotlage positioniert wird.
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Es ist zweckmäßig, dass die eingestellte Laserspotlage mit der Lage der Drahtspitze übereinstimmt. Es kann alternativ vorgesehen sein, zu der eingestellten Laserspotlage einen Versatz (Offset) zu addieren. Es ist weiterhin vorgesehen, dass der Spot im Bearbeitungsprozess derart geregelt wird, dass er dauernd auf die eingestellte Laserspotlage positioniert wird.
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Durch die Einführung des Drahtführmodul-Antriebs ergeben sich mehrere Vorteile. Das Positionieren des Drahtführmoduls geht aufgrund der geringeren bewegten Massen schneller als das der gesamten Zusatzachse, da die Strahlführungs- und Gehäuseteile nicht mitbewegt werden müssen. Da die Positionierung des Drahtführmoduls schnell und präzise regelbar ist, lassen sich die relativen Lagen von der Drahtspitze und dem Laserspot schnell korrigieren bzw. variieren. Weiterhin ist die Positionierung am Start genauer als mit Zusatzachse und das Antasten geht viel schneller; dadurch ist bspw. eine Antastzeit im Bereich von 20 ms bis 100 ms möglich. Durch das Erfassen der Drahtspitzenlage und das Ausregeln auf die Antastposition kann das übliche Antastlagenspiel entfallen. Der Verzicht auf eine Zusatzachse ist ferner vorteilhaft bezüglich der Kosten des Laserbearbeitungskopfes. Der Bildsensor kann gleichzeitig als Sensor für ein Qualitätssicherungssystem genutzt werden, sodass die Integration einer zusätzlichen Kamera entfallen kann.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die negativen Auswirkungen von Durchbiegung des Drahtes und/oder Verschleiß der Drahtdüse kompensiert werden und damit unerheblich sind. Weiterhin ist die Lage des Laserspots relativ zur Lage der Drahtspitze schnell und präzise regelbar. Dadurch wird eine erhöhte Nahtführgüte, insbesondere bei weichen Zusatzwerkstoffen, erreicht und es kann damit eine gezielte Prozessbeeinflussung durch Verändern der lateralen Offsets oder örtliche Modulation vorgenommen werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Abweichung der Lage des Laserspots von einer Symmetrieachse der Zuführeinrichtung ermittelt und dafür benutzt, die Deformation des Drahtes und den Verschleiß der Düse zu überwachen. Zweckmäßigerweise sind hierfür durch passende Geber die Position und die Ausrichtung der Zuführeinrichtung bekannt. Beim Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes dieser Abweichung wird optional ein Alarm ausgelöst.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, den Anfang und/oder das Ende der Naht mit Hilfe des optischen Sensors zu erfassen. Dadurch besteht die Möglichkeit, Prozesseinstellungen wie z. B. den Drahtvorschub, die Laserleistung, die Laserspotposition und/oder die Laserspotmodulation an diesen Stellen anzupassen.
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Es ist ferner vorteilhaft, die laterale Stoßposition vor dem Erreichen der Endposition des Drahtes im Stoß infolge der Zustellbewegung durch den Bildsensor zu erfassen. In Abhängigkeit davon wird die Drahtpositionierung entweder gedämpft, wodurch ein Abknicken des Drahtes verhindert wird, oder beschleunigt, wodurch eine Zeiteinsparung erreicht wird.
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In einer Ausführungsform des Laserbearbeitungskopfes ist die Zuführeinrichtung federnd am Drahtführmodul gelagert oder das Drahtführmodul durch eine federnde Einrichtung am Grundkörper des Laserbearbeitungskopfs gelagert.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Drahtführmodul einen Kraftsensor auf, mittels dem eine auf den Draht in Querrichtung zur Naht wirkende Kraft messbar ist. Bevorzugt ist in dieser Ausführungsform die Auslenkbewegung des Drahtführmoduls mittels des Drahtführmodul-Antriebs in der Art regelbar, dass die auf den Draht in Querrichtung zur Naht wirkende Kraft innerhalb eines vorgegebenen Kraftbereichs liegt. Dadurch werden die Auslenkbewegung des Drahtführmoduls und/oder die Deformation des Drahtes begrenzt.
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Bevorzugt sind in einer Ausgestaltung des Laserbearbeitungskopfes die Lichtquelle und das optische Sensormodul derart ausgebildet, dass die Lage der Drahtspitze und/oder die Lage des Fügestoßes mit einem Lichtschnitt oder einer strukturierten Beleuchtung erfassbar sind.
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Zur weiteren Ausgestaltung des Laserbearbeitungskopfes ist der Scanner-Antrieb ein Galvanometerantrieb oder ein Spiegeldirektantrieb. Alternativ wird statt der Speigelauslenkung eine laterale Verschiebung des fokussierenden Elements zur Spotpositionierung verwendet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Laserbearbeitungskopfes sind die Lichtquelle und das optische Sensormodul zusammen in einem gemeinsamen Modul angeordnet.
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Bevorzugt wird der Laserbearbeitungskopf derart verwendet, dass er starr an einer Führungsmaschine (z. B. eines Roboters) angeordnet ist. Der Laserbearbeitungskopf ist also ohne zusätzliche Schwenkachse ausgeführt. Die Funktion einer externen Zusatzachse wird durch den am Laserbearbeitungskopf angeordneten Drahtführmodul-Antrieb und den Scannerantrieb erfüllt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Scannerspiegel derart um zwei Bewegungsachsen beweglich oder ein weiterer einachsiger Scannerspiegel mit im wesentlichen orthogonaler Auslenkrichtung gegenüber dem ersten Scannerspiegel, dass die örtliche Positionierung und die Modulation des Laserspots in zwei Achsen ermöglicht werden. Alternativ können auch zwei einachsige Einzelspiegel verwendet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die laterale Bewegungsachse von federnder Einheit oder Drahtführmodulantrieb zur Überwachung der Auslenkung einen Wegsensor auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher veranschaulicht, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
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1 einen Querschnitt des Laserbearbeitungskopfes gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 einen Querschnitt des Laserbearbeitungskopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 eine Draufsicht auf das Drahtführmodul am Wirkungsort.
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Wie in den 1 und 2 dargestellt, wird der Laserstrahl 2 mit Hilfe einer Strahlführungseinrichtung, bestehend aus dem Umlenkspiegel 3 und dem Scannerspiegel 4, durch den Laserbearbeitungskopf 1 geführt und mit Hilfe der Fokussierlinse 6 in dem Laserspot 21 gesammelt, vgl. 3. Der Scannerspiegel 4 ist mit Hilfe des Galvanometerantriebs 5 um eine Achse herum drehbar.
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Der Draht 11 wird kraftschlüssig entlang eines von einem Unterblech 19 und einem Oberblech 20 definierten Überlappstoßes geführt, wie in 3 dargestellt. Infolge von Drall und Durchbiegung des Drahtes sowie Verschleiß der Drahtdüse 17 weicht die Lage des Drahtes 11 von der Symmetrieachse des Drahtführmoduls und der Drahtdüse 18 ab.
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Die Lichtquelle 7 erzeugt die Lichtschnittlinie 15, die es dem optischen Sensormodul 8 erlaubt, die Lage der Drahtspitze 16 zu erfassen. Parallel dazu erfasst das optische Sensormodul 8 die Lage des Laserspots 21 online während des Bearbeitungsprozesses oder offline in einer Referenzmessung relativ zu der Drahtspitze. Anhand dieser Lagen werden die Korrektur 14 und die eingestellte Laserspotlage 13 berechnet. Der Galvanometerantrieb 5 wird daraufhin derart gesteuert, dass der Laserspot 21 auf die Drahtspitze positioniert wird. Alternativ kann vorgesehen sein, den Laserspot 21 mit einem definierten Versatz zur Lage der Drahtspitze zu positionieren oder den Spot örtlich zu modulieren.
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Die Lichtquelle 7 kann zusammen mit dem Bildsensor 8 in einem Modul verbaut sein, wie in 1 dargestellt. Die Lichtquelle 7 und der Bildsensor 8 können aber auch voneinander getrennt platziert sein, wie in 2 dargestellt. Bei Bedarf sind die Spiegel 3 und 4 in einem Wellenlängenbereich reflektierend und in einem anderen Wellenlängenbereich lichtdurchlässig.
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Das Drahtführmodul 10 weist eine laterale Bewegungsachse 12 auf und ist in 1 mit einer federnden Einheit 22 und in 2 mit einem eigenen Antrieb 9 ausgestattet. Dadurch kann das Drahtführmodul 10 schnell in Querrichtung y und ggf. in Strahlrichtung z in beiden Darstellungen den Fügestoßverlauf ausgleichen und in 2 zusätzlich im Stellbereich des Antriebs positioniert werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es ergibt sich eine ganze Reihe von weiteren denkbaren Funktionen der Prozessüberwachung und der Modulation des Strahls. Insbesondere kann das Objektiv 6 fest mit dem Drahtführmodul 10 oder indirekt mit der lateralen Bewegungsachse 12 verbunden sein, um den Laserstrahl 2 nachzufokussieren. Diese Funktion kann durch ein oder mehrere nicht dargestellte optische Elemente im Strahlengang erfolgen. Weiterhin ist es denkbar, dass anstelle eines Laserstrahls ein anderer Energiestrahl, z. B. ein Elektronenstrahl, zum Einsatz kommt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laserbearbeitungskopf
- 2
- Laserstrahl
- 3
- Umlenkspiegel
- 4
- Scannerspiegel
- 5
- Scanner-Antrieb/Galvanometerantrieb
- 6
- Fokussierlinse
- 7
- Lichtschnittlichtquelle / Strukturierte Beleuchtung
- 8
- optisches Sensormodul / Bildsensor
- 9
- Drahtführmodul-Antrieb
- 10
- Drahtführmodul
- 11
- Draht
- 12
- laterale Bewegungsachse
- 13
- eingestellte Laserspotlage
- 14
- Korrektur
- 15
- Lichtschnittlinie
- 16
- ermittelte Lage der Drahtspitze
- 17
- Zuführeinrichtung / Drahtdüse
- 18
- Symmetrieachse des Drahtführmoduls und der Drahtdüse
- 19
- Werkstück (Unterblech)
- 20
- Werkstück (Oberblech)
- 21
- Laserspot
- 22
- federnde Einheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10006852 C5 [0006]
- DE 102006056252 B4 [0007]
- EP 1762328 B1 [0009]
