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Die
Erfindung betrifft einen Laserkopf für Laserbearbeitungsmaschinen
sowie eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem solchen Laserkopf.
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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.
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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.
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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.
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Ein
Laserschneidkopf ist beispielsweise aus der US-PS 4,724,297 bekannt. Der Laserschneidkopf
weist eine Düsenkammer
auf, die lichteintrittsseitig durch eine Sam mellinse 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.
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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.
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Aus
der US-PS 5 498 849 ist eine Laserschweiß- und – Schneidanlage bekannt, die
zwei miteinander über
einen gemeinsamen Träger
verbundene Laserköpfe
aufweist. Der eine Laserkopf ist als Schweißkopf ausgebildet während der
andere als Schneidkopf ausgebildet ist. An einer zentralen Stelle ist
der gemeinsame Träger
mit dem Abtrieb einer Dreh- bzw. Schwenkvorrichtung verbunden, die
alternativ den einen oder den anderen Laserkopf in den Lichtweg
eines Lasers einschwenkt.
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Auch
hier findet das Umschalten zwischen einer Schweißbetriebsart und einer Schneidbetriebsart
durch Wechseln des Laserkopfs statt, was mit einem merklichen Zeitaufwand
verbunden ist.
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Aus
der
DE 196 30 147
A1 ist außerdem
ein Laserschneidkopf bekannt, der mehrere in den Strahlengang einführbare und
aus diesem herausfahrbare Linsen aufweist.
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Durch
starke Beanspruchung rissig gewordene Linsen oder verschmutzte Linsen
sind so einfach austauschbar.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Laserkopf zu schaffen,
der den apparativen Aufwand vermindert bzw. die Bearbeitungszeit senkt.
Außerdem
ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren für den Betrieb eines Laserkopfes
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Laserkopf gemäß Anspruch 1 bzw. einem Verfahren
gemäß Anspruch
10 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Laserkopf
weist eine Positioniereinrichtung 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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Fokussierelemente können
sowohl Spiegel als auch Linsen sein. Spiegel zeichnen sich durch geringe
Leistungsverluste aus, während
Linsen einen geraden Strahlengang ohne Umlenkungen gestatten.
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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 Bajonettverschluss
oder eine anderweitige Verbindung vorgesehen sein.
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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.
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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.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder
Unteransprüchen.
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In
der Zeichnung sind unter anderem Ausführungsbeispiele der Erfindung
veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine
Laserbearbeitungsmaschine mit einem kombinierten Laserkopf,
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2 eine
abgewandelte Ausführungsform der
Laserbearbeitungsmaschine,
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3 den
nicht der Erfindung entsprechenden Laserkopf der Laserbearbeitungsmaschine
nach 1 und 2,
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4 eine
abgewandelte, nicht der Erfindung entsprechende Ausführungsform
des Laserkopfs in längsgeschnittener
Darstellung,
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5 eine
weitere abgewandelte Ausführungsform
des Laserkopfs in längsgeschnittener Prinzipdarstellung,
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6 den
Strahlengang des Laserkopfs nach 5
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7 eine
weitere nicht der Erfindung entsprechende Ausführungsform des Laserkopfs in längsgeschnittener
Prinzipdarstellung,
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8 den
Strahlengang des Laserkopfs nach 7 in Schneidposition,
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9 den
Strahlengang des Laserkopfs nach 7 in Schweißposition
und
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10 eine
abgewandelte erfindungsgemäße Ausführungsform
des Laserkopfs in längsgeschnittener
Prinzipdarstellung.
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In 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.
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Der
Laserkopf 3 ist beispielsweise über ein flexibles Lichtleitmittel 9 an
einen Laser 10 geeigneter Leistung, beispielsweise einen
Nd-YAG-Laser angeschlossen.
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An
Stelle eines flexiblen Lichtleitmittels 9 kann, wie 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.
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Der
Laserkopf 3 ist ein kombinierter Schweiß- und Schneidkopf. Sein Aufbau
ergibt sich aus 2, sowie insbesondere aus 3:
In 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 Gasaus trittsdüse 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.
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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.
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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.
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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 3 strichpunktierte Position II einstellen, in
der der Lichtweg 18 freigegeben ist.
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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.
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Die
Gasaustrittsdüse 19 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 3 nach unten. Dieser Brennpunkt
ist in 3 mit 34' bezeichnet.
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Der
insoweit beschriebene Laserkopf 3 arbeitet wie folgt:
Zum
Laserschneiden nimmt der Laserkopf 3 die in 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 Kon stanthaltung 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 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.
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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.
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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.
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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.
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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 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 3 verwiesen.
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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.
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Der
insoweit beschriebene Laserkopf 3 nach 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.
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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.
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Eine
weitere Ausführungsform
des Laserkopfs 3 ist schematisch in 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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6 veranschaulicht
den Strahlengang des Schweißkopfs 3 nach 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.
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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 aufein ander
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 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 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.
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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.
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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 10 schematisch
veranschaulicht, mehrere Steuerbohrungen 77, 78 aufweisen,
denen entsprechende ortsfeste Gaszuleitungen 79, 81 zugeordnet
sind.
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Der
Laserkopf 3 nach 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.
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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 Schweidbetrieb erforderlichen Komponenten (Linsen, Gasdüsen usw.)
werden am Laserkopf gewechselt, ohne dass der Laserkopf eine Wartungsposition
anfahren müsste.
Damit werden Taktzeiten drastisch reduziert.