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Die
Erfindung betrifft ein System zum Ablenken und Richten eines Strahles
auf eine Wirkstelle eines Werkstücks,
wobei ein Ablenkspiegel parallel zu einer Führungsebene in horizontaler
Richtung linear verschieblich geführt ausgebildet ist.
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Derartige
Systeme werden in Laserbearbeitungsmaschinen eingesetzt. Eine Spiegelverstellvorrichtung
für eine
Laserbearbeitungsmaschine ist aus der WO 03/009039 A1 bekannt. Bei
dieser ist ein Spiegel an einem Rahmen verstellbar befestigt, der den
Laserstrahl auf ein Werkstück
richtet. Die Verstellung des Spiegels erfolgt mittels mehrerer Linearmotore,
die an den Spiegel angreifen. Bei anderen Einrichtungen wird der
Spiegel durch rotatorisch arbeitende Stellmotoren in seiner Winkellage
verändert.
Zu dieser Art gehört
die aus der
US 5,309,
273 A1 bekannte Ablenkeinheit einer anderen Laserbearbeitungsmaschine.
Schließlich
ist aus der US 2002/010 4834 A1 ein weiterer Kopf zur Vorstellung das
Ablenkspiegels bekannt, der ebenfalls der vorbeschriebenen Art zugehört.
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Für eine Laserschweißanlage
wird über
das System zum Ablenken und Richten des Laserstrahles selbstverständlich noch
ein System zur Erzeugung des Laserstrahles, eine Einrichtung zur
Fokussierung der Strahles und schließlich eine Vorrichtung zur
Verminderung des Spiegelortes notwendig, damit man den Strahl, der
meist ortsfest montierten Laserquelle auf die Bearbeitungspunkte
unterschiedlicher Werkstücke
richten kann. Für
große
Werkstücke wählt man
meist eine Portalbauweise, bei der der Laser und das System zum
Ablenken und Richten des Laserstrahles oberhalb des Werkstücks angeordnet sind.
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Nachteilig
an diesen bekannten Laserschweißanlagen
in Portalbauweise ist die erschwerte Zugänglichkeit des Systems zur
Ablenkung des Laserstrahles. Für
Einstellarbeiten und zur Wartungszwecken muß das Bedienpersonal überkopf
arbeiten. Dies ist umso störender,
da es sich bei diesen Arbeiten um Tätigkeiten handelt, die eine
hohe Konzentration und Genauigkeit erfordern.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Einstell- und Wartungsarbeiten an Laserschweißanlagen
der eingangs genannten Art zu erleichtern.
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Bei
einem System zum Ablenken und Richten eines Strahles auf eine Wirkstelle
eines Werkstücks,
wobei ein Ablenkspiegel parallel zu einer Führungsebene in horizontaler
Richtung linear verschieblich geführt ausgebildet ist, wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
daß die
Führungsebene
vertikal angeordnet ist. Die Führungsebene
ist nicht mehr, wie dem Stand der Technik, oberhalb des Ablenkspiegels angeordnet,
sondern wird vorzugsweise hinter dem Ablenkspiegel angeordnet. Die
Einstellarbeiten und Wartungsarbeiten an dem Spiegel und seiner
verschiedenen Antriebe können
deshalb leicht zugänglich
von vorne erledigt werden. Durch diese überraschend einfache Maßnahme,
werden Ausfallzeiten der Anlage spürbar verringert.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ablenkspiegel
einen Abstand zur Führungsebene
aufweist. Die Führungsebene
kann somit konstruktiv einfach gehalten werden und der Ablenkspiegel
vor dieser Ebene angeordnet sein. Der Schwerpunkt der Ablenkeinheit
mit dem Ablenkspiegel weist somit in horizontaler Richtung einen
Abstand zur Führungsebene
auf, so daß die
Schwerkraft ein konstantes Moment auf die Führung ausgeübt. Die aus diesem Moment resultierende
Verschiebung bzw. Verformung der Führung kann in vielen Fällen überraschender
Weise toleriert werden.
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Zur
horizontalen Veränderung
der Ablenkeinheit sind Stellkräfte
erforderlich, die aus der notwendigen Beschleunigung und der Reibung resultieren.
Mit Vorteil wird dabei Angriffspunkt der Stellkraftt so gewählt, dass
ein Schwerpunkt des Ablenkspiegels und eine Resultierende einer
Antriebskraft in einer gemeinsamen horizontalen Ebene angeordnet sind.
Dadurch werden nachteilige Kippmomente vermieden.
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Die
Zugänglichkeit
der Ablenkeinheit wird noch verbessere, wenn vorhandene Versorgungsleitungen,
z. B. Kabel, Schläuche,
Signalleitungen auf der dem Spiegel gegenüberliegenden Seite der Führungsebene
angeordnet sind.
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In
Fällen,
bei denen die Verformung der Führung
infolge des aus der Schwerkraft resultierenden Momentes nicht mehr
tolerabel ist, kann mit Vorteil eine Ausgestaltung gewählt werden,
bei der das System eine Steuerung aufweist, die eine Einrichtung
zur Fehlerkompensation eines Winkelfehlers des Spiegels aufweist.
Der Winkelfehler, der aus dem Moment resultiert kann dadurch ausgeglichen
werden.
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Diesem
Zweck dient auch die Maßnahme, und
dass die Steuerung eine Einrichtung aufweist zur Speicherung eines
Winkelfehlers des Spiegels in Abhängigkeit eines Spiegelortes.
Bei der erste Inbetriebnahme der Laserschweißanlage wird der festgestellte
ortsabhängige
Verlauf des Winkelfehlers ermittelt, um ihn anschließend in
der Steuerung zu speichern. Die gespeicherten Werte werden dann
in bekannter Weise zur Korrektur der von der Steuerung ermittelten
Soll-Werte benutzt, so dass schließlich an die verschiedenen
Motoren gelangenden Stellbefehle den gewünschten Verlauf der Schweißnaht erzeugen.
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Die
Zugänglichkeit
des Systems wird auch dadurch erleichtert, dass das System durch
ein Gehäuse
geschützt
ist, das eine Klappe und einen feststehenden Teil des Gehäuses trennende
Teilungsebene aufweist, die schräg
nach vorne geneigt angeordnet ist. Konstruktionsbedingt liegen alle
wichtigen Teile, die einen Zugang erfordern, oben oder vorne. Nach Öffnen der
erfindungsgemäß gestalteten
Klappe sind diese Teile sofort erreichbar.
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Das
Innere des Gehäuses
bleibt auch über einen
längeren
Betriebszeitraum frei von Staub und anderen Ablagerungen, die beim
Schweißen
entstehen, wenn das Gehäuse
von einem Spülgas
durchflossen ausgebildet ist. Das Spülgas erzeugt im Inneren des
Gehäuses
einen geringen Überdruck,
der eine definierte nach außen
gerichtete Strömung
erzeugt. Staub und Rauch kann gegen diese Strömung nicht ins Innere des Gehäuses gelangen.
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Die
notwendigen Gehäusesöffnungen
werden auf ein Minimum dadurch verringert, dass das Gehäuse eine
sich mit dem Spiegelort verändernde Austrittsöffnung für den Laserstrahl
aufweist. Die Austrittsöffnung
für den
Laserstrahl kann deshalb relativ klein im Querschnitt dimensioniert
werden.
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Die
Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme
auf eine Zeichnung beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den
Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind. Funktionsmäßig gleiche
Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die
Figuren der Zeichnung zeigen im einzelnen:
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1: die wesentlichen Teile
einer Laserschweißanlage
als Schema,
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2: eine perspektivische
Ansicht des erfindungsgemäßen Systems
und
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3: einen Vertikalschnitt
durch das erfindungsgemäße System.
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In 1 sind die wesentlichen
Teile einer Laserschweißanlage
schematisch dargestellt. Oberhalb dieser Darstellung ist durch die
Pfeile 1, 2 und 3 diese Übersicht
in drei Bereiche gegliedert. Im Bereich des Pfeiles 1 ist
an dem gezeigten Maschinengestell 21 eine Laserquelle 31 befestigt.
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Nach
rechts schließt
sich im Bereich des Pfeiles 2 die Fokussierungseinrichtung 20 an.
Diese besteht beispielsweise aus einem an das Maschinengestell 21 befestigten
Stator 26 mit seinem dazugehörigen Läufer 29 eines linearen
Motors 23 der zur Fokussierung eine Linse 32 im
Strahlengang des Laserstrahles 35 bewegt.
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Daran
nach rechts anschließend
ist im Bereich des Pfeiles 3 eine Ablenkeinheit 4 gezeigt.
Diese besteht aus einem Linearmotor 24, dessen Stator 27 fest
mit dem Maschinengestell 21 verbunden ist. Parallel zum
Stator 27 und zum Läufer 30 des
Linearmotors 24 sind die Teile 6 und 7 einer
Linearführung
angeordnet, die den Ablenkkopf 5 gegen die Schwerkraft
halten und eine vertikale Führungsebene 8 definieren.
Zum Stator 27 gehört
der Läufer 30, der
den Kopf 5 mit denen notwendigen Antrieben für den Spiegel 42 trägt. Im Reflexionspunkt 44 ist
die Fläche
des Spiegels 42 um sowohl eine zur Zeichenebene senkrechte
Achse 40 als auch eine in der Zeichenebene liegende senkrechte
zum Strahl 35 gerichtete Achse 41 schwenkbar.
Durch diese Freiheitsgrade kann der Laserstrahl 35 so abgelenkt
werden, daß er
auf das Werkstück 36 gerichtet
ist.
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Die
Fokussiereinrichtung 20 wird so gesteuert, daß in der
gewünschten
Ebene des Werkstücks 36 ein
Brennfleck 38 entsteht, der die notwendigen Energie für den Fertigungsprozeß liefert.
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Die
Darstellung in 1 kann
man sich auch als schematischen Vertikalschnitt durch eine konventionelle,
dem Stand der Technik entsprechende, Laserschweißanlage denken. Das Werkstück 36 liegt dabei
flach auf einer nicht dargestellten Platte, während die Laserquelle 31,
die Fokussiereinrichtung 20 und die Ablenkeinheit 4 an
einem Portal des Maschinengestells 21 befestigt sind. Der
zeitlich koordinierte Betrieb aller für den Prozeß notwendigen Funktionen wird
von einer Steuerung 22 gewährleistet, die zur Lageregelung
der Antriebe und zur Fehlerkompensation auch eine Recheneinheit 25 aufweist.
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Die 2 stellt das erfindungsgemäße Systeme
in einer realen Ausführungsform
perspektivisch dar. Die Ablenkeinheit 4 mit ihren die Spiegelantriebe tragenden
Kopf 5 ist an einem in einer vertikalen Ebene angeordneten
Führungsteil 6 mittels
des beweglichen Führungsteils 7 linear
in horizontaler Längsrichtung
des Gehäuses 10 verschieblich
gehalten. Nach unten ist das Gehäuse
durch einen Vorhang 11 verschlossen, der für den Austritt
des Laserstrahles jedoch eine Öffnung 12 aufweist,
die mit dem Kopf 5 ortsveränderlich ist.
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Der
Deckel 13 des Gehäuses 10 ist
um eine Achse 14 nach oben schwenkbar. Die vordere Kante 15 des
Deckels stößt beim
Schließen
auf die Kante 16 des Gehäuses 10. Die Achse 14 und
und die Kanten 15, 16 definieren eine Trennebene 17,
die nach vorne geneigt angeordnet ist. Dadurch sind von vorne alle
wesentlichen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung leicht zugänglich.
Hinter den vertikal angeordneten Führungsteilen 6 und 7 und
den zugehörigen
Teilen des Linearmotors 24 sind die notwendigen Versorgungsleitungen 18 wie
Kabel, Schläuche, Signalleitungen
etc. beweglich angeordnet. Der Laserstrahl 35 tritt aus
einer nicht dargestellten Laserquelle aus, die über geeignete Spiegel in die
Eintrittsöffnung 19 der
Fokussiereinrichtung 20 geleitet wird.
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3 stellt einen Vertikalschnitt
der in 2 gezeigten Vorrichtung
dar. In dieser Darstellung erscheinen die Trennebene 17 und
die Führungsebene 9 als
strichpunktierte Linien.
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Der
Strahl 35 trifft im Reflexionspunkt 44 auf die
Spiegelfläche 42,
die durch geeignete Antriebe im Kopf 5 um eine in der Zeichnungsebene gelegene Achse 40 und
einer senkrecht zur Zeichnungsebene gelegene Achse 41 schwenkbar
ist. Da der Schwerpunkt des Kopfes 5 vor der Führungsebene 9 gelegen
ist, übt
das Gewicht des Kopfes 5 ein Moment auf die lineare Führung aus.
Die Führungsteile 6 und 7 erfahren
somit eine geringfügige
Verformung, die zu einem Winkelfehler des Spiegels 42 führt. Dieser Winkelfehler
wird auf geegnete Weise durch die Steuerung ortabhängig kompensiert.
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Auf
diese Weise ist eine Ablenkeinheit geschaffen worden, die bequem
zugänglich
ist und die Produktivität
der Gesamtanlage vorteilhaft verbessert.
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- 1
- Pfeil
- 2
- Pfeil
- 3
- Pfeil
- 4
- Ablenkeinheit
- 5
- Kopf
- 6
- Führungsteil
- 7
- Führungsteil
- 8
- Führungsebene
- 9
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- 10
- Gehäuse
- 11
- Vorhang
- 12
- Öffnung
- 13
- Deckel
- 14
- Achse
- 15
- Kante
- 16
- Kante
- 17
- Trennebene
- 18
- Versorgungsleitungen
- 19
- Eintrittsöffnung
- 20
- Fokussiereinrichtung
- 21
- Maschinengestell
- 22
- Steuerung
- 23
- Linearmotor
- 24
- Linearmotor
- 25
- Recheneinheit
- 26
- Stator
- 27
- Stator
- 28
-
- 29
- Läufer
- 30
- Läufer
- 31
- Laser
- 32
- Linse
- 33
-
- 34
-
- 35
- Laserstrahl
- 36
- Werkstück
- 37
-
- 38
- Brennfleck
- 39
-
- 40
- Achse
- 41
- Achse
- 42
- Spiegelfläche
- 43
-
- 44
- Reflexionspunkt