DE10215446A1

DE10215446A1 - Kombinierter Laserkopf für verschiedene Laserbearbeitungen

Info

Publication number: DE10215446A1
Application number: DE10215446A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Held; Winfried Rietz
Original assignee: Schuler Held Lasertechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Schuler Automation GmbH and Co KG
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2022-04-10
Also published as: DE10215446B4

Abstract

Bei einem für verschiedene Laserbearbeitungen dienenden Laserkopf sind alle Einzelkomponenten, die jeweils den Schweißbetrieb voneinander unterscheiden, bewegbar angeordnet und angetrieben. Die jeweils nur für den Schweißbetrieb bzw. nur für den Schneidbetrieb erforderlichen Komponenten (Linsen, Gasdüsen usw.) werden am Laserkopf gewechselt, ohne dass der Laserkopf eine Wartungsposition anfahren müsste. Damit werden Taktzeiten drastisch reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserkopf für Laserbearbeitungsmaschinen sowie eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem solchen Laserkopf.
Insbesondere in der Metallbearbeitung, jedoch auch auf anderen Gebieten der Fertigungstechnik, sind Laserbearbeitungsmaschinen in Gebrauch, die für das Laserschneiden oder das Laserschweißen eingerichtet sind. Die Einrichtung auf den jeweiligen Bearbeitungsvorgang erfolgt durch Montage eines entsprechenden Laserkopfs, der für das Laserschweißen oder für das Laserschneiden eingerichtet ist.

Dazu ist aus der US-PS 4,972,062 eine Laserbearbeitungsmaschine bekannt, die einen zentralen Laser zur Energieversorgung und mehrere Laserköpfe aufweist. Eine Lichtweiche lenkt den Laserstrahl jeweils zu dem zu aktivierenden Laserkopf. Als Laserköpfe können sowohl Schweißköpfe als auch Schneidköpfe vorgesehen werden.

Ein Laserschweißkopf weist einen Fokussierspiegel auf, der die Laserstrahlung auf dem Werkstück in einem Brennfleck konzentriert. Außerdem ist in der Regel ein Schutzgaszuführungsmittel, beispielsweise in Form eines von der Seite an den Brennfleck herangeführten Röhrchens vorgesehen, das Schutzgas unter geringem Druck auf die Werkstückoberfläche ausströmen lässt. Dagegen weist ein Laserschneidkopf in der Regel als Fokussiereinrichtung eine Linse auf, deren Brennweite in der Regel kürzer ist als die Brennweite der Fokussiereinrichtung einer Schweißeinrichtung. Außerdem ist konzentrisch zu der optischen Achse der Linse meist eine Düse angeordnet, um den Brennfleck mit einem scharfen Schneidgasstrahl zu beaufschlagen.

Ein Laserschneidkopf ist beispielsweise aus der US-PS 4,724,297 bekannt. Der Laserschneidkopf weist eine Düsenkammer auf, die lichteintrittsseitig durch eine Sammellinse geschlossen ist. Diese ist so angeordnet, dass der fokussierte Laserstrahl durch die Düsenöffnung tritt und der Brennpunkt des Laserstrahls sich unmittelbar an der Werkstückoberfläche ausbildet.

Das Umrüsten einer Laserbearbeitungsmaschine von einer Bearbeitungsart auf eine andere erfordert den Wechsel des Laserkopfs. Ein solcher Wechsel ist zeitraubend und vergrößert, wenn an einem Werkstück z. B. sowohl Schneid- als auch Schweißoperationen durchzuführen sind, die Taktzeit, weil Laserkopfwechselzeiten einzurechnen sind, oder der apparative Aufwand wird vergrößert, indem sowohl Laserschneidmaschinen als auch Laserschweißmaschinen vorzusehen sind.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Laserkopf zu schaffen, der den apparativen Aufwand vermindert bzw. die Bearbeitungszeit senkt.

Diese Aufgabe wird mit einem Laserkopf gemäß Anspruch 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Laserkopf weist eine Postioniereinrichtung auf, die Bearbeitungsspezifische Elemente bewegt, auswechselt oder umschaltet. Z. B. beeinflusst sie eine Fokussiereinrichtung, die in dem Lichtweg angeordnet ist und wenigstens zwei verschiedene Brennweiten einstellen kann. Damit lässt sich die Fokussiereinrichtung z. B. sowohl zum Schweißen als auch zum Schneiden einrichten, wobei zum Umschalten kein Laserkopfwechsel erforderlich ist. Mit dem Laserkopf können unterschiedliche Bearbeitungen am gleichen Werkstück durchgeführt werden, wobei keine Wechselzeiten für den Laserkopf eingeplant werden müssen. Auf diese Weise wird die Bearbeitungszeit gesenkt und der apparative Aufwand gering gehalten.

Die Positioniereinrichtung kann ausschließlich oder ergänzend auch auf andere bearbeitungsspezifische Elemente des Laserkopfs einwirken und beispielsweise Teile wie Gasführungselemente, Abstandssensoren und dergleichen von einer Aktivposition in eine Passivposition bewegen, um sie nur dann an ihren Arbeitsort heranzuführen, wenn sie für die spezielle Bearbeitung auch benötigt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Fokussiereinrichtung so ausgebildet, dass die Position des Brennpunkts bei beiden Laserkopfeinstellungen, d. h. sowohl in der Einstellung zum Schneiden als auch in der Einstellung für das Schweißen, ungefähr die gleiche ist. Damit kann der Abstand des Laserkopfs von dem Werkstück beim Schneiden und beim Schweißen jeweils gleich eingestellt werden.

Die Fokussiereinrichtung enthält wenigstens zwei Fokussierelemente, wobei bei einer ersten Ausführungsform in jeder Betriebsart lediglich ein Fokussierelement in den Lichtweg überführt ist, während das andere Fokussierelement in Ruheposition außerhalb des Lichtwegs verharrt. Der Wechsel der Fokussierelemente erfolgt durch ein oder mehrere Antriebseinrichtungen. Bei einer kompakten Bauform ist jedem Fokussierelement sein eigener Antrieb zugeordnet. Es können jedoch auch beide von einer einzigen Antriebseinrichtung in Arbeits- und Ruheposition überführt werden.

Die Fokussierelemente können sowohl Spiegel als auch Linsen sein. Spiegel zeichnen sich durch geringe Leistungsverluste aus, während Linsen einen geraden Strahlengang ohne Umlenkungen gestatten.

Die Ruheposition jedes Fokussierelements ist bei einer kompakten Ausführungsform innerhalb des Laserkopfs in einer Aufnahmekammer angeordnet. Das Fokussierelement wird von der Antriebseinrichtung in die Aufnahmekammer verbracht, wenn es aus dem Lichtweg herausgeführt ist. Soll es aktiviert werden, wird es von der Antriebseinrichtung wieder in den Lichtweg überführt. Die Überführungsbewegung ist vorzugsweise eine Linearbewegung. Es ergeben sich somit einfache Antriebseinrichtungen. Alternativ kann das Fokussierelement auch in den Lichtweg geschwenkt werden.

Darüber hinaus ist es möglich, zwei Fokussierelemente vorzusehen, von denen für die kürzere Brennweite beide in dem Lichtweg stehen, während zur Einstellung der längeren Brennweite lediglich eines der beiden Fokussierelemente in dem Lichtweg verbleibt. Die Antriebseinrichtung bewegt hier lediglich eines der Fokussierelemente. Dies hat den Vorteil, dass lediglich eines der beiden Elemente bewegt werden muss. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Brennpunkt, wenn es gewünscht ist, bei der längeren Brennweite von dem Laserkopf weiter entfernt liegen kann.

Schließlich ist es möglich, eine Fokussiereinrichtung mit zwei Fokussierelementen vorzusehen, die in beiden Betriebsarten (Schneiden und Schweißen) jeweils beide in dem Lichtweg angeordnet sind. Die Verstellung der Brennweite kann durch Abstandsänderung der Fokussierelemente erfolgen. Beispielsweise kann dazu lediglich eines der beiden Fokussierelemente in Richtung der optischen Achse bewegbar sein. Dabei verlagert sich allerdings der Brennpunkt. Ist eine Brennpunktverlagerung nicht gewünscht, ist es vorteilhaft beide Fokussierelemente zur Einstellung der gewünschten Brennweite aufeinander zu bzw. voneinander weg zu bewegen. Dies kann durch gesonderte Antriebe oder bei einer besonders einfachen Ausführungsform durch direkte Druckluftbeaufschlagung der Fokussierelemente (Linsen) erfolgen.

Es ist möglich, die Antriebseinrichtung fest mit einem Fokussierelement oder mit beiden Fokussierelementen zu koppeln, um diese zu verstellen. Darüber hinaus ist es möglich, die Antriebseinrichtung mit einer Greifereinrichtung zu koppeln, die das betreffende Fokussierelement aus dem Strahlengang herausführt und beispielsweise in einer Ruheposition außen an dem Laserkopf oder an einer anderen Stelle der Laserbearbeitungsmaschine ablegt. Letzteres ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Antriebseinrichtung nicht fest mit dem Laserkopf verbunden ist, sondern durch eine separate Positioniereinrichtung von dem Laserkopf getrennt bewegt werden kann. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Greifereinrichtung ohne Verstellung des Laserkopfs zu dem Laserkopf zu bewegen, um dort das Fokussierelement aufzunehmen und dieses an eine Ruheposition zu verfahren. Außerdem kann die Greifereinrichtung sonstige Elemente, die nur beim Schweißen oder nur beim Schneiden benötigt werden, wechseln und von einer Ruheposition in eine Arbeitsposition an dem Laserkopf überführen und umgekehrt. Beispielsweise kann die zum Laserschneiden erforderliche Gasdüse an dem Laserkopf zwischen einer Arbeitsposition und einer Ruheposition bewegbar gelagert sein. Die Gasdüse kann außerdem Teil eines Wechselobjektivs sein und mit diesem von der Greifereinrichtung gewechselt werden. Zur Verbindung mit dem übrigen Laserkopf kann beispielsweise ein Schnellverschluss, ein Bayonettverschluss oder eine anderweitige Verbindung vorgesehen sein.

Eine Zentriereinrichtung für das bewegliche Fokussierelement und/oder andere jeweils nur bei einer der beiden Bearbeitungsoperationen (Schneiden, Schweißen) erforderlichen Elemente erleichtert, wenn sie zwischen den Wechselelementen und dem Laserkopf angeordnet ist, die Positionierung und in Arbeitsposition und gestattet somit eine präzise Funktion.

Zu den beweglichen Elementen des Laserkopfs die zwischen einer Ruheposition, in der sie inaktiv sind, und einer Arbeitsposition, in der aktiv sind, bewegbar sind, können außer dem Fokussierelement und der Gasdüse auch eine Abstandssensoreinrichtung gehören, die beispielsweise den Abstand zwischen der Gasdüse und dem Werkstück durch kapazitive Abstandsüberwachung konstant hält.

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Unteransprüchen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
Fig. 1 eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem kombinierten Laserkopf,
Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform der Laserbearbeitungsmaschine,
Fig. 3 den Laserkopf der Laserbearbeitungsmaschine nach Fig. 1 und 2,
Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform des Laserkopfs in längsgeschnittener Darstellung,
Fig. 5 eine weitere abgewandelte Ausführungsform des Laserkopfs in längsgeschnittener Prinzipdarstellung,
Fig. 6 den Strahlengang des Laserkopfs nach Fig. 5 Fig. 7 eine weitere Ausführungsform des Laserkopfs in längsgeschnittener Prinzipdarstellung,
Fig. 8 den Strahlengang des Laserkopfs nach Fig. 7 in Schneidposition,
Fig. 9 den Strahlengang des Laserkopfs nach Fig. 7 in Schweißposition und
Fig. 10 eine abgewandelte Ausführungsform des Laserkopfs in längsgeschnittener Prinzipdarstellung.
In Fig. 1 ist eine Laserbearbeitungsmaschine 1 veranschaulicht, die einen im Raum bewegbaren Arm 2 aufweist, der einen Laserkopf 3 trägt. Der Arm 2 ist so bewegbar, dass der Laserkopf 3 innerhalb eines gewünschten Arbeitsvolumens bewegt und in jede gewünschte Ausrichtung überführbar ist. Beispielsweise ist der Arm 2 somit axial um eine Drehachse 4 schwenkbar sowie axial zu dieser (vertikal) bewegbar. Zusätzlich kann der Arm 2 in Radialrichtung 5 verfahrbar (verlängerbar, verkürzbar) sein, während sein Ende eine zweiachsige Verstelleinrichtung 6 (Achsen 7, 8) trägt. Die Achsen 7, 8 sind vorzugsweise rechtwinklig zueinander angeordnet und gestatten eine Verschwenkung des Laserkopfs 3.
Der Laserkopf 3 ist beispielsweise über ein flexibles Lichtleitmittel 9 an einen Laser 10 geeigneter Leistung, beispielsweise einen Nd-YAG-Laser angeschlossen.
An Stelle eines flexiblen Lichtleitmittels 9 kann, wie Fig. 2 veranschaulicht, bei einer alternativen Ausführungsform der Laserbearbeitungsmaschine 1 auch eine Spiegelstrecke vorgesehen sein. Diese weist mehrere Spiegel 11, 12, 13 auf, die den Laserstrahl des Lasers 10 in jeder Position des Laserkopfs 3 in den Laserkopf 3 einkuppeln.
Der Laserkopf 3 ist ein kombinierter Schweiß- und Schneidkopf. Sein Aufbau ergibt sich aus Fig. 2, sowie insbesondere aus Fig. 3:
In Fig. 3 ist der Laserkopf 3 längsgeschnitten veranschaulicht. Er weist ein Gehäuse 14 mit einem rohrförmigen Ansatz 15 auf, an dessen Öffnung 17 ein Lichtweg 18 seinen Anfang nimmt. Der Lichtweg 18 erstreckt sich gerade durch das Gehäuse 14 hindurch bis zu einer Gasaustrittsdüse 19. Diese weist eine Düsenöffnung 20 auf, die konzentrisch zu einer optischen Achse 21 angeordnet ist. Die optische Achse 21 wird von einer Fokussiereinrichtung 22 festgelegt, zu der zwei Fokussierelemente gehören. Diese werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Linse 23 und eine Linse 24 gebildet. Die Linse 23 definiert mit der Gasaustrittsdüse 19 eine Düsenkammer 25, die über eine Gaszuleitung 26 mit Gas, z. B. Schneidgas, beaufschlagbar ist.
Die Linse 23 ist gasdicht und ortsfest in das Gehäuse 14 eingesetzt. Die Linse 24 ist hingegen in einem Schlitten 27 gehalten, der quer zu dem Lichtweg 18 bzw. der optischen Achse 21 bewegbar ist. Er weist eine zentrale Öffnung 28 auf, in der die Linse 24 gehalten ist. Der Durchmesser der Öffnung 28 und der Linse 24 ist größer als der des gestrichelt dargestellten Laserstrahls 29.
Der Schlitten 27 ist mittels einer Antriebseinrichtung 30 aus dem Strahlengang und somit aus dem Lichtweg 18 heraus verfahrbar. Die Antriebseinrichtung 30 ist beispielsweise ein Pneumatikzylinder, der eine erste Betriebssposition I einstellen kann, in der die Linse 24 in dem Lichtweg 18 angeordnet ist. Außerdem kann er eine zweite in Fig. 3 strickpunktierte Position II einstellen, in der der Lichtweg 18 freigegeben ist.
Die Gasaustrittsdüse 19 ist axial zu der optischen Achse 21 verstellbar gehalten. Dazu ist sie beispielsweise auf ein Außengewinde 31 des Gehäuses 14 geschraubt. Eine Drehbewegung der Gasaustrittsdüse verstellt diese somit in Axialrichtung. Um eine Drehbewegung zu bewirken kann ein Verstellmotor 32 vorgesehen sein, der beispielsweise über ein Ritzel 33 mit der Außenverzahnung der Gasaustrittsdüse 19 kämmt.
Die Gasaustrittsdüse ist im Verhältnis zu der Fokussiereinrichtung 22 so ausgebildet, dass ein sich ausbildender Brennpunkt 34 in oder unmittelbar unter der Düsenöffnung 20 vorhanden ist, wenn beide Linsen 23, 24 in dem Lichtweg 18 angeordnet sind. Ein unmittelbar unter der Düsenöffnung 20 platziertes Werkstück 35 wird somit an seiner Oberfläche von dem Brennpunkt 34 getroffen. Weiter ist die Düsenöffnung 20 wenigstens so groß bemessen, dass der Laserstrahl 29 die Gasaustrittsdüse 19 unabhängig von der Position der Linse 24 nicht berührt. Wird die Linse 24 aus dem Lichtweg 18 entfernt, verlagert sich der Brennpunkt 34 in eine größere Entfernung vor der Düsenöffnung 20, d. h. in Fig. 3 nach unten. Dieser Brennpunkt ist in Fig. 3 mit 34' bezeichnet.
Der insoweit beschriebene Laserkopf 3 arbeitet wie folgt:
Zum Laserschneiden nimmt der Laserkopf 3 die in Fig. 3 veranschaulichte Position ein. Die Antriebseinrichtung 30 positioniert die Linse 24 in dem Lichtweg 18. Der Laserstrahl 29 passiert nacheinander beide Sammellinsen 23, 24 und wird somit auf den Brennpunkt 34 fokussiert. Die Düsenkammer 25 ist mit Schneidgas unter hohem Druck, beispielsweise 20 bar, beaufschlagt. Ein aus der Düsenöffnung 20 austretender Gasstrahl bewirkt den Schnitt des von dem Laserstrahl 29, insbesondere in dem Brennpunkt 34, erhitzten Materials. Durch Führung des Laserkopfs 3 parallel zu der Oberfläche des Werkstücks 35 kann ein linienförmiger Schnitt bewirkt werden. Dabei ist es zweckmäßig, den Laserkopf 3 so zu führen, dass der Brennpunkt 34 an der Oberfläche des Werkstücks 35 gehalten wird. Dies kann durch einen nichtveranschaulichten kapazitiven Abstandssensor erfolgen, der die Kapazität zwischen der Gasaustrittsdüse 19 und dem Werkstück konstant hält. Zur Konstanthaltung kann die Gasaustrittsdüse 19 mit Hilfe des Verstellmotors 32 axial verstellt werden. Außerdem oder alternativ kann der Laserkopf 3 durch die Führungseinrichtungen der Laserbearbeitungsmaschine 1 nach Fig. 1 oder 2 parallel zu der Werkstückoberfläche geführt werden. Anstelle der Kapazitätsüberwachung zwischen der Gasaustrittsdüse 19 und dem Werkstück 35 kann auch ein gesonderter Abstandsfühler vorgesehen sein.
Soll der Laserkopf 3 als Schweißkopf dienen, wird die Antriebseinrichtung 30 so angesteuert, dass der Schlitten 27 in seine Position II überführt wird. Die Linse 24 wird somit aus dem Lichtweg 18 heraus genommen. Als Fokussiereinrichtung ist nun lediglich die Linse 23 wirksam, womit sich die Brennweite verlängert. Der Brennpunkt 34' ist weiter von dem Laserkopf 3 entfernt. Dank ausreichendem Durchmessers der Düsenöffnung 20 berührt der Laserstrahl 29 nach wie vor die Wandung der Düsenöffnung 20 nicht. Die Düsenkammer 25 kann in dieser Betriebsart mit einem Schutzgas beaufschlagt werden, allerdings mit wesentlich geringerem Druck von z. B. 2 bar. Der Laserkopf 3 wird dann so entlang der gewünschten Nahtkontur geführt, dass sein Brennpunkt 34' oder ein in der Nähe dieses Brennpunkts liegender Teil des Laserstrahls 29 auf die Oberfläche des Werkstücks 35 fällt.
Die Umschaltung von Schneidbetrieb auf Schweißbetrieb erfolgt im Grunde lediglich durch Verschieben der Linse 24 und Änderung der Gaszufuhr, der Gasart und/oder des Gasdrucks in der Gaszuleitung 26.
Anstelle der Gasaustrittsdüse 19 kann für den Schweißbetrieb auch eine anderweitige, nichtveranschaulichte Gaszuführungseinrichtung vorgesehen sein, die dem Brennpunkt 34' Schutzgas von der Seite her zuführt. Dazu kann an dem Laserkopf 3 ein beweglich gelagertes Rohr mit Gasaustrittsöffnung vorgesehen sein, das sich in Betriebsposition etwa parallel zu der optischen Achse 21 erstreckt und in der Nähe des Brennflecks oder Brennpunkts 34' einen zu dem Brennpunkt 34' hinweisenden Gasaustritt aufweist. Ein solches Rohr kann durch eine Schwenkeinrichtung oder eine Teleskopeinrichtung bei Nichtgebrauch aus dem Bereich der Gasaustrittsdüse 19 weg geschwenkt oder bewegt werden.
Fig. 4 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform des kombinierten Laserkopfs 3. Bei dieser Ausführungsform sind wiederum zwei Linsen 23, 24 vorgesehen, wobei diese jedoch nie gleichzeitig in dem Lichtweg 18 sind. Die Linse 24 ist, wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel, über den Schlitten 27 und die Antriebseinrichtung 30 quer zu dem Lichtweg 18 bewegbar. Zusätzlich ist die Linse 23 in einem Schlitten 36 gefasst, der eine Öffnung 37 zur Aufnahme der Linse aufweist und quer zu der optischen Achse 21 bewegbar gelagert ist. Zur Verschiebung des Schlittens 36 dient eine Antriebseinrichtung 38, deren Hub so groß ist, dass der Schlitten 36 ganz aus dem Lichtweg 18 herausgefahren werden kann. Die Antriebseinrichtungen 30, 38 sind in einem seitlichen Fortsatz 39 des Gehäuses 14 untergebracht. Der sich seitlich unmittelbar an den Lichtweg 18 anschließende Teil des Innenraums des Fortsatzes 39 bildet jeweils einen Aufnahmeraum 40 für das in Ruheposition befindliche Fokussierelement, nämlich die Linse 23 bzw. 24. Dies gilt entsprechend für die Ausführungsform nach Fig. 3. Die Linse 24 dient als Fokussierelement für den Schweißbetrieb und ist in einer solchen Axialposition in dem Lichtweg 18 angeordnet, dass ihr Brennpunkt 34 kurz vor der Düsenöffnung 20 liegt. Die Linse 23 dient dem Schneidbetrieb und ist ebenfalls so angeordnet, dass ihr Brennpunkt an der Düsenöffnung 20 oder in kurzem Abstand zu dieser liegt. Im Übrigen wird auf die Beschreibung des Laserkopfs 3 nach Fig. 3 verwiesen.
Zur Abdichtung der Düsenkammer 25 gegen Schutzgas oder Schneidgas ist zwischen der Gasaustrittsdüse 19 und dem Schlitten 36 in dem Lichtweg 18 ein gasdicht eingesetztes lichtdurchlässiges Fenster 41 vorgesehen.
Der insoweit beschriebene Laserkopf 3 nach Fig. 4 arbeitet wie folgt:
Für den Schweißbetrieb ist die Antriebseinrichtung 30 aktiviert, so dass die Linse 24 in den Lichtweg 18 eingeführt ist. Die Antriebseinrichtung 38 ist so angesteuert, dass sich der Schlitten 36 in Position II befindet. Somit ist die Linse 23 in ihre Aufnahmekammer 40 und somit in Ruheposition überführt. Die Düsenkammer 25 ist über die Leitung 26 mit unter geringem Druck stehendem Schutzgas beaufschlagt und der Laserkopf 3 wird so geführt, dass der Brennpunkt oder Brennfleck 34 auf der Oberfläche des Werkstücks 35 entlang geführt wird.
Soll auf Schweißbetrieb umgeschaltet werden wird durch entsprechende Ansteuerung der Antriebseinrichtungen 30, 38 die Linse 24 in ihre Aufnahmekammer 40 überführt, während die Linse 23 in den Lichtweg 18 geschoben wird. Außerdem wird die Düsenkammer 25 mit Schneidgas unter erhöhtem Druck beaufschlagt. Es kann nun die Schweißoperation durchgeführt werden.
Eine weitere Ausführungsform des Laserkopfs 3 ist schematisch in Fig. 5 veranschaulicht. Der Laserkopf 3 weist eine Fokussiereinrichtung 22 auf, zu der ein erstes Objektiv 42 zum Laserschneiden und ein zweites Objektiv 43 zum Laserschweißen gehören. Jedes Objektiv ist jeweils durch die Linse 23, 24 gebildet, die in einem entsprechenden Ring 44, 45 gefasst ist. Die Ringe 44, 45 sind von einer Greifeinrichtung 46 getragen, die dazu dient, die Objektive 42, 43 in Arbeitsposition I oder Ruheposition II zu überführen. Die Greifeinrichtung 46 enthält wenigstens einen Greifarm 47, der fest oder lösbar mit dem Ring 44 verbunden ist. Im Fall einer festen Verbindung zwischen dem Greifarm 47 und dem Ring 44, enthält die Greifeinrichtung 46 einen weiteren Greifarm 48, der fest mit dem Ring 45 verbunden ist. Die Greifarme 47, 48 sind an einander entgegensetzten Enden einer drehbar gelagerten Welle 49 ausgebildet und erstrecken sich in entgegengesetzter seitlicher Richtung von der Welle 49 weg. Die Welle 49 ist mittels einer Dreheinrichtung 50 um ihre Längsachse drehbar. Dazu treibt ein Motor 51 ein Ritzel 52 an, das mit einem drehbar gelagerten Zahnrad 54 kämmt. Die Welle 49 ist drehfest jedoch axial verschiebbar mit dem Zahnrad 54 verbunden.
Eine Axialpositioniereinrichtung 56 gestattet die axiale Verschiebung der parallel zu der optischen Achse 21 angeordneten Welle 49 zum an- und abkoppeln des jeweiligen Objektivs 42, 43 von dem Gehäuse 14.
Die Axialpositioniereinrichtung 56 ist von einer Schwenkeinrichtung 57 getragen, die mit dem Gehäuse 14 verbunden ist. Sie gestattet eine Verschwenkung der Axialpositioniereinrichtung 56 und somit der Welle 49 um eine quer zu der optischen Achse 21 ausgerichteten Drehachse.
Die Objektive 42, 43 weisen an ihrem jeweiligen, dem Gehäuse 14 zugewandten, stirnseitigen Ende eine Zentriereinrichtung 58, beispielsweise in Form einer konischen Fläche 59, auf. Dieser ist eine Innenkonusfläche 60 an dem stirnseitigen Ende des Gehäuses 14 zugeordnet, die eine Gegenfläche bildet.
Alternativ können als Zentriereinrichtung an der Stirnseite des Gehäuses 14 oder der jeweils zugeordneten Fläche des jeweiligen Objektivs 42, 43 Zentrierstifte vorgesehen sein, denen Zentrierbohrungen in dem jeweils gegenüberliegenden Teil zugeordnet sind.
Das Objektiv 42 ist das Schneidobjektiv und weist im Anschluss an die Linse 23 eine Gasaustrittsdüse 19 mit Düsenöffnung 20 koaxial zu der optischen Achse 21 auf. Die Düsenkammer 25 ist über die Gaszuleitung 26 mit Gas beaufschlagt. Die Gaszuleitung 26 kann flexibel ausgebildet sein und zu einem Gasvorrat führen. Die Gasaustrittsdüse 19 kann, wie veranschaulicht, Teil des Objektivs 42 sein. Alternativ kann sie von diesem auch getrennt sein und über eine separate nicht weiter veranschaulichte Greifeinrichtung 46 positioniert werden.
Die Greifeinrichtung 46 kann weiter alternativ so ausgebildet sein, dass sie die Objektive 42, 43 nicht, wie veranschaulicht, dauerhaft trägt sondern diese lediglich an das Gehäuse 14 ansetzt und in Betriebsposition bringt, bzw. in einer Ruheposition an dem Gehäuse 14 oder einer anderweitigen Stelle der Laserbearbeitungsmaschine 1 ablegt. Außerdem muss die Greifeinrichtung 46 nicht, wie veranschaulicht, zwingend mit dem Gehäuse 14 verbunden sein. Alternativ kann die Greifeinrichtung 46 eigenständig bewegt werden, um die Objektive 42, 43 von ihrer Arbeitsposition in ihre jeweilige Ruheposition zu überführen.
Zur Bildung einer formierten Schutzgasatmosphäre zur Durchführung des Schweißvorgangs kann an dem Gehäuse 14 ein Schutzgaszuführungsrohr 61 vorgesehen sein, dessen Mündung in der Nähe des Brennpunkts 34 liegt. Das Schutzgaszuführungsrohr 61 kann sowohl starr als auch beweglich gelagert sein. Beim Umschalten von Schweiß- auf Schneidbetrieb wird es aktiviert, indem es mit Schutzgas beaufschlagt wird.
Fig. 6 veranschaulicht den Strahlengang des Schweißkopfs 3 nach Fig. 5. Ist die Linse 23 in Betriebsposition ist eine kurze Brennweite vorhanden. Wird hingegen die Linse 24 in Betriebsposition überführt ist eine lange Brennweite vorhanden. Die Linsen 23, 24 können dabei so angeordnet werden, dass der Brennpunkt 34 der Linse 23 und der Brennpunkt 34' der Linse 24 miteinander identisch sind.
Fig. 7 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Laserkopfs 3 mit variabler Brennweite, insbesondere zur Umschaltung von Schneid- auf Schweißbetrieb und umgekehrt. Der Laserkopf 3 weist als Fokussiereinrichtung 22 die beiden Linsen 23, 24 auf, von denen wenigstens eine axial verschiebbar gelagert ist. Vorzugsweise sind beide Linsen 23, 24 in Linsenringen 62, 63 gefasst, die gegen Anschläge 64, 65, 66 axial verschiebbar sind. Die Düsenkammer 25 ist durch das Fenster 41 geschlossen. Ein weiteres Fenster kann in dem ringförmigen Anschlag 64 angeordnet sein, der vor der Linse 24 sitzt. Somit ist der Linsenring 62 zwischen den Anschlägen 64, 65 verschiebbar. Der Linsenring 63 ist zwischen den Anschlägen 65, 66 axial verschiebbar. Ein zwischen den Linsen 23, 24 eingeschlossener Raum bildet eine erste Arbeitskammer 67 ein zwischen dem Fenster 41 und der Linse 23 eingeschlossener Raum bildet eine zweite Arbeitskammer 68. Eine zwischen dem Fenster des Anschlags 63 und der Linse 24 eingeschlossener Raum 69 bildet eine dritte Arbeitskammer. Eine Axialverschiebung der Linsen 23, 24 voneinander weg und aufeinander zu kann nun durch Druckbeaufschlagung der Arbeitsräume 67 bis 69 gezielt bewirkt werden. Eine Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums 67 positioniert die Linsen 23, 24 in der in Fig. 8 veranschaulichten Position. Es ergibt sich eine kurze Brennweite. Werden hingegen die Arbeitsräume 68, 69 beaufschlagt, werden die Linsen 23, 24 zusammengeführt und sie gelangen in die Position gemäß Fig. 9. Es ergibt sich eine lange Brennweite. Bei entsprechender Auslegung kann somit von Schweiß- auf Schneidbetrieb umgestellt werden. Die Rückbewegung der Linsen 23, 24 kann ohne Druckbeaufschlagung der Kammern 68, 69 auch durch Federn bewirkt werden.
Fig. 10 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform des Laserkopfs 3. Dieser ist mit einer schräg gestellten Revolverscheibe 71 versehen, die von einer Drehpositioniereinrichtung 72 in ausgewählte Drehlagen verschwenkbar ist. Die Drehachse 73 steht schräg zur optischen Achse 21 des Laserkopfs 3. Die Revolverscheibe 71 trägt zwei oder mehrere Vorsatzeinrichtungen 74, 75, die beispielsweise jeweils die für einen bestimmten Arbeitsgang erforderlichen Einzelelemente beinhalten. Die Vorsatzeinrichtung 74 umfasst beispielsweise eine Sammellinse, eine vor der Sammellinse sitzende Tülle und das Schutzgaszuführungsrohr 61.
Die Vorsatzeinrichtung 75 kann für einen anderen Arbeitsgang eingerichtet sein. Ihre Sammellinse 24 kann eine von der Sammellinse 23 abweichende Brechung aufweisen. Auch kann die Gaszuführung anders gelöst sein, beispielsweise durch ein Gaszuführungsrohr 76, das eine Steuerbohrung 77 der Revolverscheibe 71 mit dem vor der Linse 24 gelegenen Innenraum verbindet. Die Revolverscheibe 71 kann, wie Fig. 10 schematisch veranschaulicht, mehrere Steuerbohrungen 77, 78 aufweisen, denen entsprechende ortsfeste Gaszuleitungen 79, 81 zugeordnet sind.
Der Laserkopf 3 nach Fig. 10 ist einfach und zweckmäßig aufgebaut. Die schräg stehende Revolverscheibe 71 sorgt dafür, dass die nicht in Arbeitsposition befindlichen Elemente in Arbeits- und Manövrierraum des Laserkopfs 3 nicht stören.
Bei einem für verschiedene Laserbearbeitungen dienenden Laserkopf sind alle Einzelkomponenten, die jeweils den Schweißbetrieb voneinander unterscheiden, bewegbar angeordnet und angetrieben. Die jeweils nur für den Schweißbetrieb bzw. nur für den Schneidbetrieb erforderlichen Komponenten (Linsen, Gasdüsen usw.) werden am Laserkopf gewechselt, ohne dass der Laserkopf eine Wartungsposition anfahren müsste. Damit werden Taktzeiten drastisch reduziert.

Claims

1. Laserkopf (3) für Laserbearbeitungsmaschinen (I),
mit einem Gehäuse (14), das einen Lichteingang (17) aufweist, an den sich ein Lichtweg (18) anschließt,
mit einer Fokussiereinrichtung (22), die in dem Lichtweg (18) angeordnet ist, um den Laserstrahl auf dem Werkstück zu fokussieren,
mit wenigstens einer Positioniereinrichtung (30) zur Positionierung von Elementen (19, 23, 24, 72) der Fokussiereinrichtung (22) und/oder zugehöriger Einrichtungen.

2. Laserkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (22) einen Brennpunkt (34, 34') festlegt, wobei ihre Brennweite zwischen einer ersten, für eine erste Laserbearbeitung erforderlichen größeren Brennweite und einer zweiten, für eine zweite Laserbearbeitung erforderlichen kleineren Brennweite veränderbar ist.

3. Laserkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Brennpunkts (34, 34') bei beiden Brennweiten gleich festgelegt ist.

4. Laserkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (22) wenigstens zwei Fokussierelemente (23, 24) aufweist, und dass die Positioniereinrichtung (30) auf wenigstens eins der Fokussierelemente (23, 24) einwirkt, von denen in jeder Betriebsart jeweils lediglich eines in den Lichtweg (18) und das andere in eine Ruheposition (II) außerhalb des Lichtwegs (18) überführt ist.

5. Laserkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruheposition (II) eine Position an oder in dem Gehäuse (14) ist.

6. Laserkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (14) eine Aufnahmekammer (40) für das in Ruheposition (II) befindliche Fokussierelement (23, 24) aufweist.

7. Laserkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (22) wenigstens zwei Fokussierelemente (23, 24) aufweist, von denen ein Fokussierelement (23) ortsfest gelagert ist, wobei das andere Fokussierelement (24) mittels der Positioniereinrichtung (30) in den Lichtweg (18) hinein und aus diesem heraus bewegbar ist.

8. Laserkopf nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem Fokussierelement (24) eine Antriebseinrichtung (30) zugeordnet ist, um das Fokussierelement (24) in den Lichtweg (18) hinein in Betriebsposition (I) und aus dem Lichtweg (18) heraus in Ruheposition (II) zu überführen.

9. Laserkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (22) wenigstens zwei Fokussierelemente (23, 24) aufweist, die in dem Lichtweg (18) mit gemeinsamer optischer Achse (21) angeordnet sind und von denen wenigstens eines mittels der Positioniereinrichtung (30) in Richtung der optischen Achse (21) bewegbar ist.

10. Laserkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Fokussierelement (23, 24) seine eigene Antriebseinrichtung (30, 40) zugeordnet ist.

11. Laserkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beiden Fokussierelementen (23, 24) eine gemeinsame Positioniereinrichtung (46) zugeordnet ist.

12. Laserkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass den Fokussierelementen (23, 24) eine Zentriereinrichtung (58) zur Festlegung einer Arbeitsposition zugeordnet ist.

13. Laserkopf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentriereinrichtung (58) ein oder mehrere Positionierflächen (59) aufweist, die gegen die optische Achse (21) der Fokussiereinrichtung (22) geneigt angeordnet sind, wobei das Gehäuse (14) entsprechend geneigte Gegenflächen (60) aufweist, dass die Antriebseinrichtung (46) dem Fokussierelement (23, 24) eine Bewegung quer zu der optische Achse (21) erteilt, um diese in den Lichtweg (18) hinein und aus diesem heraus zu bewegen, und dass die Antriebseinrichtung (46) dem Fokussierelement (23, 24) eine Bewegung in Richtung der optischen Achse (21) erteilt, um es zu zentrieren.

14. Laserkopf nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (30, 38, 46) zwei Positionen (I, II) aufweist.

15. Laserkopf nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (30, 38, 46) mit dem Fokussierelement (23, 24) fest verbunden ist.

16. Laserkopf nach Anspruch 9, 10, oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (46) eine Greifeinrichtung bildet.

17. Laserkopf nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Greifeinrichtung (46) eine Ablageposition an dem Laserkopf oder in der Nähe desselben zugeordnet ist.

18. Laserkopf nach Anspruch 9, 10, 11 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (30, 38, 46) an dem Laserkopf (3) angeordnet ist.

19. Laserkopf nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (46) unabhängig von dem Laserkopf bewegbar angeordnet ist.

20. Laserkopf nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (46) mit einer Gasdüse (19) verbunden ist, die von der Positioniereinrichtung (46) bewegbar ist.

21. Laserkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (46) mit einer Abstandssensoreinrichtung verbunden ist.

22. Laserbearbeitungsmaschine (1) mit einem Laserkopf (3) nach einer der vorstehenden Ansprüche.