DE19613252A1 - Laserbearbeitungsgerät - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Übertragungstechnologie für einen Laserstrahl in einem Laserbearbeitungsgerät, und insbesondere eine Steuertechnik für einen Laserstrahldurchmesser.

Die Fig. 8 zeigt eine Querschnittsansicht zum Darstellen eines bekannten reflektierenden gekrümmten Spiegels vom Typ mit variabler Krümmung (einen Konkavspiegel), der beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 159613/1986 beschrieben ist, und die Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht hiervon.

In der Figur kennzeichnet das Bezugszeichen 1 einen luftdichten Behälter, das Bezugszeichen 2 eine kreisförmige Öffnung, die an dessen Oberseite gebildet ist, das Bezugszeichen 3 eine scheibenförmige Schicht, dessen Randabschnitt an dem Behälter 1 befestigt ist und das Bezugszeichen 4 einen abgedichteten undurchlässigen Raum, der durch die Schicht 3 und den Behälter festgelegt ist.

Weiterhin kennzeichnet das Bezugszeichen 5 eine Druckangleichvorrichtung zum Angleichen eines Drucks in dem abgedichteten Raum 4, die einen zu dem Behälter 1 führenden Luftpfad enthält, sowie ein Ventil 7 zum Öffnen/Schließen des Pfads und eine Pumpe 8 zum Evakuieren von Luft aus dem Raum 4.

Bei dem reflektierenden kurvenförmigen Spiegel mit variabler Krümmung (gemäß einem konkaven Spiegel), der wie oben aufgebaut ist, wird dann, wenn das Ventil 7 geöffnet und die Pumpe 8 aktiviert ist, die Luft in dem Raum 4 über den Luftpfad 6 so evakuiert, daß der Druck in dem Behälter 7 niedriger als an dessen Außenseite wird. Aufgrund dieses Merkmals wird eine Druckdifferenz zwischen der ober- und Rückfläche der scheibenförmigen Schicht 3 gebildet, und dies führt zu einer Auslenkung der scheibenförmigen Schicht 3 an die Innenseite.

Anschließend bildet die Reflexionsfläche 30, die eine Außenfläche der Schicht darstellt, ein im wesentlichen rotationssymmetrisches Paraboloid. Demnach wird dann, wenn eine elektromagnetische Welle, beispielsweise Licht, von oben auf diesen kurvenförmigen Spiegel auftrifft, die elektromagnetische Welle durch die Reflexionsfläche 3a auf nahezu einen Punkt fokussiert. Insbesondere kann der Spiegel als Konkavspiegel eingesetzt werden.

Erreicht ein Brennpunkt der Reflexionsfläche 3a eine festgelegte Position, so kann eine Luftströmung innerhalb und außerhalb des Behälters 1 durch Schließen des Ventils 7 unterbrochen werden, und eine Form der scheibenartigen Schicht 3 wird konstant gehalten.

Weiterhin kann dann, wenn diese so ausgebildet ist, daß Luft von der Außenseite in den Raum 4 des Behälters 1 durch die Pumpe 8 zugeführt werden kann, der Druck in dem Behälter 1 höher als an der Außenseite ausgebildet werden, so daß die Reflexionsschicht 3a an die Außenseite ausgelenkt wird. Aus diesem Grund läßt sich ein konvexer Spiegel bilden.

Der reflektierende und kurvenförmige Spiegel mit variabler Krümmung auf der Grundlage der bekannten Technologie ist wie oben beschrieben aufgebaut, und aus diesem Grund muß zum Verändern der Krümmung der Druck innerhalb des Behälters 1 durch Aktivierung der Pumpe 8 verändert werden, und es verstreicht eine bestimmte Zeit, bis die Krümmung einer Vorgabe entspricht, so daß es beispielsweise bei einem Laserbearbeitungsgerät vom Lichtabtasttyp, in dem sich ein Bearbeitungskopf in einer X-Y-Ebene bewegt und eine. Bearbeitung durchführt, in dem Fall, in dem der oben beschriebene reflektierende kurvenförmige Spiegel mit variabler Krümmung zum Reflektieren eines Laserstrahls eingesetzt wird, schwierig ist, einen Durchmesser eines Laserstrahls konstant zu halten, der in ein optisches Sammelelement eintritt, in dem ein Durchmesser eines Laserstrahls mit hoher Geschwindigkeit in Übereinstimmung mit der Bewegung des Bearbeitungskopfes verändert wird.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Laserbearbeitungsgeräts, mit dem sich eine Krümmung eines Laserstrahl-Reflexionselements mit hoher Geschwindigkeit verändern läßt und sich gleichzeitig dessen Krümmung nach Vorgabe frei steuern läßt.

Das Laserbearbeitungsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung enthält: ein Laserstrahl-Reflexionselement, das sich elastisch in Abhängigkeit von einem Fluiddruck deformiert, der in einem Übertragungspfad des Laserstrahls gebildet ist; einen Reflexionselement-Halteabschnitt zum Halten eines Randabschnitts des Laserstrahl-Reflexionselements und zum Festlegen eines Raums an einer Seite, die einer einen Lasestrahl reflektierenden Fläche gegenüberliegt, zusammen mit dem Laserstrahl-Reflexionselement; eine Fluidzuführvorrichtung zum Zuführen eines Fluids in den durch diesen Reflexionselement-Halteabschnitt definierten Raum; und eine Fluidableitvorrichtung zum Ableiten eines Fluids aus dem Raum, der durch den Reflexionselement-Halteabschnitt definiert ist, und der Raum ist abgedichtet, mit Ausnahme eines Fluidzuführpfads und eines Fluidableitpfads; ein Fluidpfad, über den in den Raum zugeführtes Fluid an dessen Außenseite abgeleitet wird, wird durch Berühren mit einer Laserstrahl-Reflexionsfläche gebildet, und ein für die elastische Deformierung des Laserstrahl-Reflexionselements erforderlicher Fluiddruck wird auf die Laserstrahl- Reflexionsfläche aufgebracht.

Ferner enthält das Gerät eine Fluiddruck-Steuervorrichtung zum fortlaufenden Steuern des Drucks eines zugeführten Fluids, und ein Durchmesser eines in ein optisches Sammelelement eintretenden Laserstrahls wird dadurch fortlaufend gesteuert, daß fortlaufend die Krümmung des Laserstrahl-Reflexionselements aufgrund dessen elastischer Deformation verändert wird.

Zudem wird nach dem Ableiten des zum elastischen Deformieren des Laserstrahl-Reflexionselements zugeführten Fluids durch die Fluidableitvorrichtung das Fluid zum Entleeren der Innenseite des Laserstrahl-Übertragungspfads durch Zuführen als Entleerungsluft in diesem eingesetzt.

Ferner enthält das Gerät eine Vorrichtung zum Steuern der Krümmung des Laserstrahl-Reflexionselements derart, daß in einem Fall, in dem eine Laserbearbeitung vom Typ mit Lichtabtastung eingesetzt wird, bei der sich ein Bearbeitungskopf entlang einer X-Y-Ebene bewegt und eine Bearbeitung durchführt, ein Durchmesser eines Laserstrahls, der in das auf dem Bearbeitungskopf befestigte optische Sammelelement eintritt, konstant gehalten wird, unabhängig von einer Position des Bearbeitungskopfes.

Ferner enthält das Gerät eine Vorrichtung zum Steuern eines Grundkörpers des Bearbeitungskopfes oder des auf dem Bearbeitungskopf befestigten optischen Sammelelements während einer Bewegung in Z-Achsenrichtung derart, daß eine Position des Punkts mit minimalem Sammeldurchmesser entlang der Z- Achsenrichtung konstant gehalten wird.

Ferner sind mehrere Laserstrahl-Reflexionselemente, die sich aufgrund eines Fluiddrucks elastisch deformieren, in dem Laserstrahl-Übertragungspfad derart angeordnet, daß sich ein variabler Bereich eines Laserstrahldurchmessers ausdehnen läßt.

Ferner wird der Druck eines zugeführten Fluids überwacht, wenn ein Druck eines Fluids, das in den durch den Reflexionselement-Halteabschnitt festgelegten Raum zugeführt wird, gesteuert wird, und es wird ein Alarm erzeugt oder der Betrieb unterbrochen, wenn eine zwischen dem überwachten Fluiddruck und einem vorgegebenen Druckwert gebildete Differenz gleich oder größer einem festgelegten Wert ist.

Ferner werden optische Laserstrahldurchmesser vorab als Bearbeitungsbedingungen erfaßt und einer der Laserstrahldurchmesser wird gemäß einer Qualität oder einer Plattenstärke eines Bearbeitungsstücks ausgewählt.

Weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zum Darstellen einer optischen Pfadkonfiguration, einer Halterkonstruktion und eines Leitungssystems eines Laserstrahlbearbeitungsgeräts gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein weiteres Blockschaltbild zum Darstellen des Aufbaus eines optischen Pfads sowie eines Leitungssystems des Laserstrahlbearbeitungsgeräts gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein Blockschaltbild zum Darstellen eines Leitungssystems und dessen Aufbau in einem Fall, in dem aus einem Halter für einen Reflektor des Laserbearbeitungsgeräts gemäß der Ausführungsform 1
der vorliegenden Erfindung mit einer variablen Krümmung abgeleitete Luft als Entleerungsluft eingesetzt wird;

Fig. 4 ein Blockschaltbild zum Darstellen einer Steuerschaltung zum Konstanthalten eines Durchmessers des Laserstrahls in einer Position der Bearbeitungslinse des Laserbearbeitungsgeräts gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ein Blockschaltbild zum Darstellen einer Steuerschaltung zum Bewegen eines Bearbeitungskopfs entlang der Z-Achsenrichtung gemäß einer Veränderung einer Distanz zwischen der Bearbeitungslinse und einem Punkt mit minimalem Sammeldurchmesser bei dem Laserbearbeitungsgerät gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ein Blockschaltbild zum Darstellen einer Alarmschaltung für einen Luftdruck entsprechend der Zuführung zu dem Halter für den Reflektor des Laserbearbeitungsgeräts gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung mit variabler Krümmung;

Fig. 7 ein Blockschaltbild zum Darstellen des Halteraufbaus und des Leitungssystems des Laserbearbeitungsgeräts gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine Querschnittsansicht zum Darstellen des bekannten reflektierenden Spiegels mit gekrümmter Oberfläche vom Typ mit variabler Krümmung; und

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht zum Darstellen des reflektierenden Spiegels mit gekrümmter Oberfläche vom Typ mit variabler Krümmung.

Nun folgt eine Beschreibung der Ausführungsform 1 gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Fig. 1, die Fig. 2, die Fig. 4, die Fig. 5, die Fig. 6 und die Fig. 7. Es ist zu erkennen, daß die Fig. 1 ein Schaltbild zum Darstellen des Aufbaus eines optischen Pfads zeigt, sowie eines Halters für einen Reflektor mit variabler Krümmung und einen Einstellabschnitt des Leitungssystems des Laserbearbeitungsgeräts gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, und die Fig. 2 zeigt ein Diagramm zum Darstellen einer anderen Ausführungsform des Aufbaus des optischen Pfads und des Einstellabschnitts für das Leitungssystem des Laserbearbeitungsgeräts gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.

Weiterhin zeigt Fig. 3 ein Schaltbild zum Darstellen des Leitungssystems und dessen Aufbau in einem Fall, in dem Luft 15 von dem Halter 9 des Reflektors mit variabler Krümmung des Laserbearbeitungsgeräts gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgeleitet wird, und die Figur zeigt ein Schaltbild zum Darstellen einer Steuerschaltung, mit der ein Durchmesser des Laserstrahls auf einem konstanten Wert bei einer Position der Bearbeitungslinse 29 gehalten wird, und die Fig. 5 zeigt ein Schaltbild zum Darstellen einer Steuerschaltung für die Bewegung des Bearbeitungskopfes 28 entlang der Z-Achsenrichtung gemäß einer Veränderung einer Distanz zwischen der Bearbeitungslinse 29 und dem Punkt mit minimalem Sammeldurchmesser, und die Fig. 6 zeigt ein Schaltbild zum Darstellen einer Alarmschaltung gemäß einem Druck einer dem Halter 9 des Reflektors mit variabler Krümmung zugeführten Luft 15.

In Fig. 1 kennzeichnet das Bezugszeichen 9 einen Halter für einen Reflektor mit variabler Krümmung, das Bezugszeichen 10 einen Reflektor mit variabler Krümmung, der ein Laserstrahl- Reflexionselement ist und in der Lage ist, die Krümmung gemäß einem Fluiddruck, beispielsweise von Luft, zu variieren, das Bezugszeichen 11 kennzeichnet eine kreisförmige Halteplatte, die einen Grundabschnitt des Reflexionselement- Halteabschnitts zum Halten des Randabschnitts des Reflektors 10 mit variabler Krümmung bildet, das Bezugszeichen 12 kennzeichnet eine Halteplatte zum Fixieren des Randabschnitts des Reflektors 10 mit variabler Krümmung, das Bezugszeichen 13 kennzeichnet eine Luftmantel, das Bezugszeichen 14 einen im Mittenabschnitt des Luftmantels 13 vorgesehenen Lufteinlaßanschluß 14, das Bezugszeichen 15 Luft, das Bezugszeichen 16 in mehreren Abschnitten der kreisförmigen Halteplatte 11 gebildete Luftpfade mit gleichem Abstand zueinander, das Bezugszeichen 17 einen in dem Luftmantel 13 gebildeten Luftpfad, der am Randabschnitt der kreisförmigen Halteplatte 10 gebildet ist, das Bezugszeichen 18 einen Luftauslaßanschluß, das Bezugszeichen 19 einen Druckmesser, das Bezugszeichen 20 einen von einem hier nicht gezeigten Laseroszillator ausgegebenen Laserstrahl, das Bezugszeichen 21 eine Laserstrahl-Reflexionsfläche des Reflektors 10 mit variabler Krümmung, das Bezugszeichen 22 eine einen Laserstrahl nicht reflektierende Fläche (eine Rückfläche) des Reflektors mit variabler Krümmung, das Bezugszeichen 23 eine Halteschraube, die Bezugszeichen 24a bis 24d O-Ringe jeweils zum Aufrechterhalten eines luftdichten Abschließens von diesem, und die Bezugszeichen 25a, 25b und 25c elektromagnetische Ventile jeweils zum An-/Abschalten der Luftzufuhr, die Bezugszeichen 26a, 26b und 26c Stellglieder jeweils zum Einstellen eines Luftdrucks, die Bezugszeichen 27a und 27b jeweils Reflektoren zum Reflektieren des Laserstrahls 20, das Bezugszeichen 28 einen Bearbeitungskopf, das Bezugszeichen 29 eine Bearbeitungslinse, die ein von dem Bearbeitungskopf 28 gehaltenes optisches Sammelelement ist, das Bezugszeichen 30 einen Bearbeitungslinsenhalter zum Halten der Bearbeitungslinse 29, das Bezugszeichen 31 einen Einlaßanschluß für Bearbeitungsgas, das Bezugszeichen 32 Gas zum Bearbeiten, das Bezugszeichen 24e einen O-Ring zum Abdichten des Gases 32 zum Bearbeiten, das Bezugszeichen 33 ein durch den fokussierten Laserstrahl 20 bestrahltes Werkstück, und das Bezugszeichen 34 eine Steuereinheit.

Weiterhin kennzeichnet in Fig. 2 das Bezugszeichen 35 ein elektropneumatisches Ventil, das eine gleichmäßige Variation des Drucks der zugeführten Luft ermöglicht.

Weiterhin kennzeichnet in Fig. 3 das Bezugszeichen 50 eine Strömungsregelung zum Regeln einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit unabhängig von dem Druck aufgrund des zugeführten Fluids, das Bezugszeichen 51 einen Zuführeinlaß für Entleerungsluft, das Bezugszeichen 52 einen Laserstrahl-Übertragungspfad, das Bezugszeichen 53 eine Abdeckung aus Gummi zum Abhalten von Staub und zum Abdichten, und das Bezugszeichen 54 eine Luftströmung.

Weiterhin kennzeichnet in Fig. 4 das Bezugszeichen 55 eine Krümmungs-Berechnungseinheit zum Berechnen einer Krümmung des Reflektors 10 mit variabler Krümmung, die für einen vorgegebenen Laserstrahldurchmesser bei einer Position der Bearbeitungslinse 29 erforderlich ist. Weiterhin kennzeichnet in Fig. 5 das Bezugszeichen 56 eine Berechnungseinheit für eine Entfernung zu einem Punkt mit minimalem Sammeldurchmesser zum Berechnen einer Entfernung von der Bearbeitungslinse 29 zu dem Punkt mit minimalem Sammeldurchmesser, und das Bezugszeichen 57 kennzeichnet ein Laserstrahlbearbeitungsgerät, und weiterhin kennzeichnet in Fig. 6 das Bezugszeichen 58 einen Komparator und das Bezugszeichen 59 eine Alarmeinheit.

Nun wird der Betrieb beschrieben. Bei dem Reflektor 10 mit variabler Krümmung, der aus einem elastischen und aufgrund eines Fluiddrucks deformierbaren Material hergestellt ist, wird der Randabschnitt durch die kreisförmige Halteplatte 11 gehalten und zudem durch die mit den Befestigungsschrauben 23 an dem Luftmantel 13 befestigte Halteplatte 12 gegen die kreisförmige Halteplatte 11 gedrückt. Andererseits wird in dem Luftmantel 13 Luft 15 durch den Lufteinlaßanschluß 14 zugeführt, der in dem Mittenabschnitt von diesem vorgesehen ist, indem eines der elektromagnetischen Ventile 25a, 25b und 25c geöffnet wird. Jedes der Stellglieder 26a, 26b und 26c wird jeweils hinter den elektromagnetischen Ventilen 25a, 25b und 25c eingebaut, und ein Druck läßt sich in drei Stufen durch Voreinstellung jedes der Stellglieder schalten. Weiterhin erfolgt das Ausführen des Schaltvorgangs in Abhängigkeit von einem Befehl der Steuereinheit 3 zum Steuern des gesamten Laserbearbeitungsgeräts.

Während einer Laserbearbeitung, beispielsweise einem Schneiden oder Schweißen, bildet ein Durchmesser eines in ein optisches Sammelelement - beispielsweise eine Bearbeitungslinse 29 - eintretenden Laserstrahls einen außerordentlich wichtigen Faktor, da hierdurch im wesentlichen der Durchmesser eines Punkts mit minimalem Sammeldurchmesser bestimmt ist, und es gibt einen optimalen Laserstrahldurchmesser für jedes der Werkstücke in Abhängigkeit von einer Art (Qualität) oder einer Dicke des Werkstücks 33. Aus diesem Grund läßt sich eine Laserbearbeitung mit besserer Qualität unter stabilen Bedingungen erreichen, indem ein Durchmesser eines in ein optisches Sammelelement eintretenden Laserstrahls in Abhängigkeit von einer Art oder Dicke des Werkstücks 33 verändert wird.

Zudem wird aufgrund der Tatsache, daß Luft 15 über den Lufteinlaßanschluß zugeführt wird, eine Fluidbetriebsschaltung so aufgebaut, daß die Luft durch die mehreren Luftpfade 16 hindurchtritt, die gleichmäßig beabstandet zueinander in der kreisförmigen Halteplatte 11 vorgesehen sind, und sie strömt zu den am Randabschnitt der kreisförmigen Halteplatte 11 vorgesehenen Luftpfaden 17 und wird anschließend über den Luftauslaßanschluß 18 ausgeleitet, der an einer Stelle des Luftmantels 13 vorgesehen ist, und dieser Fluiddruck deformiert eine Form des Reflektors 10 mit variabler Krümmung in eine sphärische Form, so daß der Einsatz als sphärischer Spiegel (in diesem Fall als konvexer Spiegel) möglich ist. Es ist zu erkennen, daß der Innendurchmesser des Luftauslaßanschlusses 18 im Vergleich zu dem Innendurchmesser des Lufteinlaßanschlusses 14 geringer ausgebildet ist, so daß ein Druck auf die einen Laserstrahl nicht reflektierende Fläche (eine Rückfläche) des Reflektors 10 mit variabler Krümmung mit einem geringen Wert der Strömungsgeschwindigkeit aufgebracht werden kann. Weiterhin läßt sich die Krümmung hiervon in drei Stufen schalten, in Überstimmung mit einem Befehl der Steuereinheit 34, so daß sich eine Krümmung des Reflektors 10 mit variabler Krümmung in Abhängigkeit von einer Veränderung eines Fluiddrucks verändert. Weiterhin läßt sich eine Krümmung des Reflektors 10 mit variabler Krümmung in nahezu demselben Zeitpunkt ändern, in dem ein Befehl von der Steuereinheit 34 ausgegeben wird, und zwar gemäß einem Fluiddruck, der mit einer Zuführrate des zu der Fluidbetriebsschaltung zugeführten Fluids übereinstimmt. Es ist zu erkennen, daß die O-Ringe 24a, 24b, 24c und 24d zum Aufrechterhalten einer luftdichten Abdichtung hiervon eingesetzt werden.

Wird andererseits eine Form des Reflektors 10 mit variabler Krümmung in eine sphärische Form umgeformt, so tritt Astigmatismus aufgrund von Reflexion auf, und der von dem nicht gezeigten Laseroszillator emittierte Laserstrahl 20 wird dem Reflektor 10 mit beweglicher Krümmung so zugeführt, daß ein Einfallswinkel von diesem so klein wie möglich wird, und er wird durch die Reflektoren 27a und 27b zu dem Bearbeitungskopf 28 übertragen. Anschließend wird der Laserstrahl durch die Bearbeitungslinse 29 fokussiert und auf ein Werkstück in der Nähe des Brennpunkts aufgestrahlt, und bei diesem Schritt bewegt sich gemäß einem Befehl der Steuereinheit 34 der Bearbeitungskopf 28 oder das Werkstück 33, und Bearbeitungsgas 32 wird von dem Bearbeitungsgas- Einlaßanschluß 31 zugeführt und entlang derselben Achse wie der fokussierte Laserstrahl 20 eingespritzt, so daß sich eine Bearbeitung wie Schneiden oder Schweißen durchführen läßt. Es ist zu erkennen, daß der O-Ring 24e zum Abdichten des Bearbeitungsgases 32 eingesetzt wird, und ein Bearbeitungslinsenhalter 30 zum Halten der Bearbeitungslinse 29 eingesetzt wird.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, läßt sich ein Druck der zugeführten Luft gleichmäßig verändern, da ein elektropneumatisches Ventil 35 eingesetzt wird. Aus diesem Grund läßt sich eine Krümmung des Reflektors 10 mit variabler Krümmung gleichmäßig verändern, also in anderen Worten stetig in Abhängigkeit von einem Befehl der Steuereinheit 34.

Weiterhin wird in dem Laserstrahl-Übertragungspfad eine Luftentleerung relativ oft durchgeführt, um ein Eindringen von Staub oder giftigem Gas zu vermeiden und eine Stabilität des Laserstrahls aufrecht zu erhalten, jedoch ist bei dem Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem aus dem Luftauslaßanschluß 18 austretende Luft erneut nach innen zu dem Laserstrahl-Übertragungspfad zugeführt wird, eine Entleerungsluft-Versorgungseinheit mit einem Kompressor, einem Trockner und einem Füllelement (filer), wie sie speziell zum Ausführen einer Entleerung bei der bekannten Technik vorgesehen sind, nicht erforderlich.

In einem konkreten System wird, wie in Fig. 3 gezeigt ist, eine Strömungsgeschwindigkeit der aus dem Luftauslaßanschluß 18 austretenden Luft durch die Strömungsregelvorrichtung 50 (ein Strömungsgeschwindigkeits-Steuerventil) konstant gehalten, und Luft wird fortlaufend zu dem Laserstrahl- Übertragungspfad 53 über den Entleerungsluft-Zuführungseinlaß 51 zugeführt, um eine Atmosphäre in dem Laserstrahl- Übertragungspfad 52 auf einem konstanten Niveau zu halten.

Bei Einsatz eines Laserstrahlgeräts vom Lichtabtasttyp, in dem ein Bearbeitungskopf 28 sich in einer X-Y-Ebene bewegt und eine Bearbeitung durchführt, ist es üblicherweise nicht möglich, einen Durchmesser eines in die Bearbeitungslinse 29 eintretenden Laserstrahls konstant zu halten, selbst wenn eine Kolimations-/Einstellung erfolgt, jedoch ist es mit der Steuereinheit 34 möglich, einen Durchmesser eines an der Bearbeitungslinse 29 vorliegenden Laserstrahls auf einem konstanten Wert zu halten, indem fortlaufend eine Krümmung des Reflektors 10 mit variabler Krümmung in Übereinstimmung mit der Bewegung des Bearbeitungskopfes 28 in der X-Y- Richtung verändert wird.

Bei einem konkreten System, das in Fig. 4 gezeigt ist, wird eine Strahlenübertragungsentfernung berechnet, ausgehend von dem nicht gezeigten Laseroszillator bis zu der Bearbeitungslinse 29 durch die Steuereinheit 34, und gemäß der berechneten Übertragungsentfernung wird die für einen festgelegten Laserstrahldurchmesser erforderliche Krümmung des Reflektors 10 mit variabler Krümmung durch die Krümmungs- Berechnungseinhit 55 berechnet, bezogen auf die Position der Bearbeitungslinse 29. Anschließend wird ein Befehl an das elektropneumatische Ventil 35 für eine Zuführung eines Luftdrucks zu dem Halteelement 9 des Reflektors mit variabler Krümmung abgegeben, in Übereinstimmung mit den zuvor berechneten Krümmungen, die bei der Steuereinheit 34 eingegeben werden. In dem Fall, in dem die Krümmungs- Berechnungseinheit 55 nicht eingesetzt wird, ist es günstig, vorab Daten für Krümmungen vorzubereiten, die für die Bestimmung eines Laserstrahldurchmessers erforderlich sind, beispielsweise in einem Fall der Zuführung eines Luftdrucks zu dem Halter 9 des Reflektors mit variabler Krümmung, um diese Daten in der Steuereinheit 34 zu speichern.

Wird ein Durchmesser eines zu der Bearbeitungslinse 29 gelangenden Laserstrahls verändert, so verändert sich eine Entfernung zwischen der Bearbeitungslinse 29 und dem Punkt mit minimalem Sammeldurchmesser. Weiterhin läßt sich in einem Fall, in dem eine Laserbearbeitung vom Lichtabtasttyp durchgeführt wird, der Durchmesser bei dem Punkt mit minimalem Sammeldurchmesser nahezu konstant halten, indem ein Laserstrahldurchmesser selbst dann konstant gehalten wird, wenn sich der Bearbeitungskopf 28 bewegt. Jedoch ist es aufgrund der Tatsache, daß sich eine Distanz zu dem Punkt mit minimalem Sammeldurchmesser leicht verändert, möglich, die Bewegung des Bearbeitungskopfs 28 oder der Bearbeitungslinse 29 entlang der Z-Achsenrichtung derart zu steuern, daß eine Position des Punkts mit minimalem Sammeldurchmesser entlang der Z-Achsenrichtung (nach oben oder nach unten) konstant gehalten wird.

Bei einem konkreten System, das in Fig. 5 gezeigt ist, ist zu der Krümmungs-Berechnungseinheit 55 zusätzlich eine Berechnungseinheit 56 zum Berechnen einer Entfernung zu dem Punkt mit einem minimalen Sammeldurchmesser hinzugefügt, und die Entfernung zwischen der Bearbeitungslinse 29 und dem Punkt mit minimalem Sammeldurchmesser wird berechnet, und anschließend gibt die Steuereinheit 34 einen Befehl an das Laserbearbeitungsgerät 57 aus, um den Bearbeitungskopf 28 entlang der Z-Achsenrichtung derart zu bewegen, daß dessen Entfernung mit der berechneten übereinstimmt.

Weiterhin sind mehrere Reflektoren 10 mit variabler Krümmung und deren Halter 9 jeweils in dem Laserstrahl- Übertragungspfad installiert, so daß sich ein Variationsbereich des Laserstrahldurchmessers ausdehnen läßt.

Weiterhin wird ein Druck der dem Halter 9 des Reflektors mit variabler Krümmung zugeführten Luft 15 überwacht, und wird eine Differenz zwischen dem überwachten Fluiddruck und einem von der Steuereinheit 34 vorgegebenen Druckwert gleich oder größer einem festgelegten Wert, so wird der Zustand als anormal eingestuft, und ein Alarm wird erzeugt, oder der Betrieb des Laserbearbeitungsgeräts wird beendet.

Bei einem konkreten System, das in Fig. 6 gezeigt ist, wird von der Steuereinheit 34 ein Druckbefehlswert, der von der Steuereinheit 34 an das elektropneumatische Ventil 35 ausgegeben wird, mit einem Fluiddruck verglichen, der tatsächlich dem Halter 9 des Reflektors mit variabler Krümmung zugeführt wird, und zwar mit einem Komparator 58, und ist der Differenzwert größer als ein festgelegter, so wird der Befehl zu der Alarmeinheit 59 übertragen, damit ein Alarm für die Warnanzeige des Zustands abgegeben wird.

Weiterhin wurde eine Vorgehensweise eingesetzt, bei der Bearbeitungsbedingungen in der Steuereinheit 34 in Übereinstimmung mit einer Qualität oder einer Dicke eines Werkstücks 33 erfaßt werden, beispielsweise eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, ein Bearbeitungsausgangssignal und ein Bearbeitungsgasdruck, jedoch gibt es für eine bestimmte Qualität oder Dicke des Werkstücks 33 einen optimalen Laserstrahldurchmesser, so daß der Laserstrahldurchmesser erneut zu den erfaßten Punkten der Bearbeitungsbedingungen hinzugefügt wird (der zu erfassende Laserstrahldurchmesser sollte aus mehreren Arten von zuvor bereitgestellten Laserstrahldurchmessern ausgewählt werden) Anschließend ist es bei der oben beschriebenen Vorgehensweise (bei der die Krümmungs-Berechnungseinheit 55 eingesetzt wird, oder vorab vorbereitete Daten für die Laserstrahldurchmesser) möglich, den Strahldurchmesser bei einer Position der Bearbeitungslinse 29 derart zu steuern, daß er immer einen dieser während der Erfassung der Bearbeitungsbedingungen erfaßten Wert aufweist, selbst wenn sich der Bearbeitungskopf 28 bewegt.

Bei der Ausführungsform 1 wurde ein Fall beschrieben, in dem sich der Reflektor C mit variabler Krümmung in eine sphärische Form deformieren läßt, jedoch wird dann, wenn ein Aufbau des Halters und eines Leitungssystems des Laserstrahlbearbeitungsgeräts wie in Fig. 7 ausgeführt wird, Luft von dem Lufteinlaßanschluß 43a zugeführt, und im selben Zeitpunkt werden die elektromagnetischen Ventile 25d und 25e geschlossen, so daß einem in einen durch den Kolben 41 und den Zylinder (1) 40 gebildeten Raum Fluid zugeführt werden kann, und der Kolben 41 bewegt sich in Richtung des in der Figur gezeigten Pfeils entlang dem Zylinder (1) 40 und des Zylinders (2) 42, und demnach wird ein Druck auf die Seite der einen Laserstrahl nicht reflektierenden Fläche (einer Rückfläche) ausgeübt, so daß sich eine Form des Reflektors 10 mit variabler Krümmung in diejenige eines konkaven Spiegels verändern läßt. Es ist zu erkennen, daß sich die Form in diejenige eines konvexen Spiegels, wie bei der Ausführungsform 1, verändern läßt, indem die elektromagnetischen Ventile 25d und 25e geöffnet werden und Luft über den Lufteinlaßanschluß 43b zugeführt wird. Aus diesem Grund wird es mit dem oben beschriebenen Aufbau möglich, den Reflektor mit variabler Krümmung entweder als einen konkaven Spiegel oder einen konvexen Spiegel einzusetzen, so daß sich ein Variationsbereich des Laserstrahldurchmessers ausdehnen läßt.

Gemäß der Ausführungsform 1 ist der Reflektor 1 mit variabler Krümmung ein ebener Spiegel in einem Zustand, in dem kein Druck auf diesen ausgeübt wird, jedoch kann der Spiegel entweder ein konkaver Spiegel oder ein konvexer Spiegel sein.

Weiterhin ist gemäß der Ausführungsform 1 eine Wanddicke des ebenen Spiegels gleichmäßig, jedoch läßt sich die Wanddicke gemäß einer Entfernung von der Mitte des ebenen Spiegels zu dem Randabschnitt zum Erzielen einer idealen sphärischen Krümmung verändern.

Weiterhin wird gemäß der Ausführungsform 1 Luft als Fluid zum Aufbringen eines Drucks eingesetzt, jedoch ist es nicht notwendigerweise Luft und andere Arten von Gas können hierfür eingesetzt werden. Weiterhin ist es nicht erforderlich, daß es ein Gas ist, und eine Flüssigkeit wie Wasser läßt sich hierfür einsetzen.

Weiterhin beträgt, wie in Fig. 1 gezeigt ist, die Zahl der Einheiten elektromagnetischer Ventile 3, und ein Druck wird in drei Stufen geschalten, jedoch beträgt die Zahl nicht notwendigerweise 3 und es besteht eine spezielle Einschränkung weder im Hinblick auf die Zahl der elektromagnetischen Ventile noch im Hinblick auf die Zahl der Schaltstufen. Es ist zu erkennen, daß dann, wenn viele elektromagnetische Ventile eingesetzt werden, auch viele Laserstrahldurchmesser möglich sind, was die Durchführung einer besseren und stabileren Laserbearbeitung ermöglicht.

Weiterhin wird bei der Ausführungsform 1 die Luft zum Aufbringen eines Drucks auch zum Entleeren eingesetzt, jedoch kann die Luft als ein für die Laserbearbeitung erforderliches Bearbeitungsgas eingesetzt werden.

Wie oben beschrieben, enthält gemäß der vorliegenden Erfindung das Laserbearbeitungsgerät ein Laserstrahl- Reflexionselement, das sich elastisch in Abhängigkeit von einem Fluiddruck deformiert, der in einem Übertragungspfad des Laserstrahls gebildet ist; einen Reflexionselement- Halteabschnitt zum Halten eines Randabschnitts des Laserstrahl-Reflexionselements und zum Festlegen eines Raums an einer Seite, die einer einen Laserstrahl reflektierenden Fläche gegenüberliegt, zusammen mit dem Laserstrahl- Reflexionselement; eine Fluidzuführvorrichtung zum Zuführen eines Fluids in den durch diesen Reflexionselement- Halteabschnitt definierten Raum und eine Fluidableitvorrichtung zum Ableiten eines Fluids aus dem durch den Reflexionselement-Halteabschnitt festgelegten Raum, und der Raum ist bis auf einen Fluidzuführpfad und einen Fluidableitpfad abgedichtet; ein Fluidpfad, über den die Zuführung eines Fluids in den Raum erfolgt, wird an dessen Außenseite entleert und ist durch einen Kontakt mit einer Laserstrahl-Reflexionsfläche festgelegt, und ein für die elastische Deformierung des Laserstrahl-Reflexionselements erforderlicher Fluiddruck wird auf die Laserstrahl- Reflexionsfläche so aufgebracht, daß sich ein Laserstrahldurchmesser mit hoher vorgegebener Geschwindigkeit dadurch steuern läßt, daß schnell die Krümmung des Laserstrahl-Reflexionselements verändert wird, und zur gleichen Zeit wird das Laserstrahl-Reflexionselement aufgrund eines zugeführten Fluids gekühlt, und eine wärmebedingte Deformation eines Laserstrahls-Reflexionselements aufgrund der Bestrahlung mit einem Laserstrahl wird vermieden.

Weiterhin enthält das Gerät eine Fluiddruck-Steuervorrichtung und kann fortlaufend die Krümmung des Laserstrahl- Reflexionselements aufgrund dessen elastischer Deformation verändern und kann fortlaufend einen Durchmesser eines Laserstrahls steuern, der in ein optisches Sammelelement eintritt, in dem fortlaufend ein Druck eines zugeführten Fluids gesteuert wird.

Weiterhin wird nach dem Ableiten des zum elastischen Deformieren des Laserstrahl-Reflexionselements zugeführten Fluids durch die Fluidableitvorrichtung das Fluid zu dem Laserstrahl-Übertragungspfad zugeführt und zum Entleeren der Innenseite des Laserstrahl-Übertragungswegs als Entleerungsluft derart benützt, daß sich der Aufbau eines Laserstrahl-Bearbeitungsgeräts vereinfachen läßt und weiterhin die Unterhaltskosten hiervon reduziert werden.

Weiterhin enthält das Gerät eine Vorrichtung zum Steuern einer Krümmung des Laserstrahl-Reflexionselements der Art, daß dann, wenn eine Laserbearbeitung vom Lichtabtasttyp durchgeführt wird, bei der ein Bearbeitungskopf sich entlang einer X-Y-Ebene bewegt und eine Bearbeitung durchführt, sich ein Durchmesser eines in ein optisches Sammelelement, das an dem Bearbeitungskopf befestigt ist, eintretenden Laserstrahls konstant gehalten wird, unabhängig von einer Position des Bearbeitungskopfs, so daß für die Qualität der Laserbearbeitung ein konstantes Niveau erwartet werden kann.

Weiterhin enthält das Gerät eine Vorrichtung zum Steuern eines Grundkörpers des Bearbeitungskopfes oder des optischen Sammelelements, das an dem Bearbeitungskopf befestigt ist, für die Bewegung entlang der Z-Achsenrichtung derart, daß eine Position des Punkts mit minimalem Sammeldurchmesser entlang der Z-Achse konstant gehalten wird, so daß eine Qualität der Laserbearbeitung auf einem konstanten Niveau erwartet werden kann.

Weiterhin sind mehrere Laserstrahl-Reflexionselemente, die sich bei einem Fluiddruck elastisch deformieren, in dem Laserstrahl-Übertragungspfad vorgesehen, so daß ein Variationsbereich für einen Laserstrahldurchmesser ausgedehnt werden kann.

Weiterhin wird ein Druck eines zugeführten Fluids überwacht, wenn ein Druck eines Fluids, das in einen Raum zugeführt wird, der durch den Reflexionselement-Halteabschnitt festgelegt ist, und gesteuert wird, und es läßt sich ein Alarm erzeugen oder der Betrieb unterbrechen, wenn eine Differenz zwischen dem überwachten Fluiddruck und einem vorgegebenen Druckwert gleich oder größer als ein festgelegter Wert ist.

Weiterhin ist jeder der optimalen Laserstrahldurchmesser vorab in der Form von Bearbeitungsbedingungen erfaßt und einer der Laserstrahldurchmesser wird ausgewählt, gemäß einer Qualität oder einer Plattendicke eines Werkstücks, so daß die Qualität der Laserbearbeitung auf einem konstanten Niveau erwartet werden kann.

Obgleich die Erfindung unter Bezug auf eine spezifische Ausführungsform für eine vollständige und klare Offenbarung beschrieben wurde, sind die nachfolgenden Patentansprüche nicht hierauf beschränkt, sondern es ist beabsichtigt, daß sämtliche Modifikationen und alternative Aufbauten, die sich für einen Fachmann ergeben, klar durch die durch diese festgelegte grundlegende technische Lehre erfaßt werden.

Claims (16)

1. Laserbearbeitungsgerät zum Ausführen einer Bearbeitung, wie Schneiden oder Schweißen, durch Fokussieren eines durch einen Laseroszillator ausgegebenen Laserstrahls mit einem optischen Sammelelement, enthaltend:
ein Laserstrahl-Reflexionselement, das sich elastisch in Abhängigkeit von einem Fluiddruck deformiert, der in einem Übertragungspfad des Laserstrahls gebildet ist;
einen Reflexionselement-Halteabschnitt zum Halten eines Randabschnitts des Laserstrahl-Reflexionselements und zum Festlegen eines Raums an einer Seite, die einer einen Laserstrahl reflektierenden Fläche gegenüberliegt, zusammen mit dem Laserstrahl-Reflexionselement;
eine Fluidzuführvorrichtung zum Zuführen eines Fluids in den durch diesen Reflexionselement-Halteabschnitt definierten Raum; und
eine Fluidableitvorrichtung zum Ableiten eines Fluids aus dem Raum, der durch den Reflexionselement- Halteabschnitt festgelegt wird, wobei der Raum bis auf einen Fluidzuführpfad und einen Fluidableitpfad abgedichtet ist und eine Laserstrahl-Reflexionsfläche mit einem Fluiddruck zum elastischen Deformieren des Laserstrahl-Reflexionselements beaufschlagt ist.

2. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ableiten des zugeführten Fluids zum elastischen Deformieren des Laserstrahl- Reflexionselements durch die Fluidableitvorrichtung das Fluid in einen Laserstrahl-Übertragungspfad zugeführt wird und zum Entleeren der Innenseite des Laserstrahl- Übertragungspfads als Entleerungsluft einsetzbar ist.

3. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Grundkörpers des Bearbeitungskopfs oder des optischen Sammelelements, das auf dem Bearbeitungskopf befestigt ist, enthält, für eine Bewegung entlang einer Z-Achsenrichtung derart, daß eine Position des Punkts mit minimalem Sammeldurchmesser entlang der Z-Achsenrichtung konstant gehalten wird.

4. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Laserstrahl- Reflexionselemente, die sich aufgrund eines Fluiddrucks elastisch deformieren, in einem Laserstrahl- Übertragungspfad vorgesehen sind.

5. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Vorrichtung zum Überwachen des Drucks eines zugeführten Fluids vorgesehen ist, wenn ein Druck eines in den durch den Re flexionselement-Halteabschnitt festgelegten Raum zugeführten Fluids gesteuert wird, sowie zum Erzeugen eines Alarms oder zum Unterbrechen des Betriebs, wenn ein Differenzsignal zwischen dem überwachten Fluiddruck und einem Befehlsdruckwert gleich oder größer einem festgelegten Wert ist.

6. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser des optimalen Laserstrahls vorab in der Form von Bearbeitungsbedingungen erfaßt werden und einer der Laserstrahldurchmesser gemäß einer Qualität und einer Plattendicke eines Werkstücks ausgewählt wird.

7. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Fluiddruck- Steuervorrichtung zum fortlaufenden Steuern des Drucks eines zugeführten Fluids enthält, wobei ein Durchmesser eines in das optische Sammelelement eintretenden Laserstrahls fortlaufend durch fortlaufendes Verändern der Krümmung des Laserstrahl-Reflexionselements aufgrund dessen elastischer Deformation gesteuert wird.

8. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Vorrichtung zum Steuern einer Krümmung des Laserstrahl-Reflexionselements derart vorgesehen ist, daß dann, wenn eine Laserbearbeitung vom Nichtabtasttyp durchgeführt wird, bei der sich ein Bearbeitungskopf in einer X-Y-Ebene bewegt und eine Bearbeitung durchgeführt wird, ein Durchmesser eines in das an dem Bearbeitungskopf befestigten optische Sammelelement eintretenden Laserstrahls konstant gehalten wird, unabhängig von einer Position des Bearbeitungskopfs.

9. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Laserstrahl- Reflexionselemente, die sich elastisch aufgrund eines Fluiddrucks deformieren, in einem Laserstrahl- Übertragungspfad vorgesehen sind.

10. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser eines optimalen Laserstrahls vorab in der Form von Bearbeitungsbedingungen erfaßt sind und einer der Laserstrahldurchmesser in Abhängigkeit einer Qualität oder einer Plattendicke eines Werkstücks ausgewählt wird.

11. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ableiten des zugeführten Fluids zum elastischen Deformieren des Laserstrahl- Reflexionselements durch die Fluidableitvorrichtung das Fluid in den Laserstrahl-Übertragungspfad zugeführt und zum Entleeren der Innenseite des Laserstrahl- Übertragungspfads als Entleerungsluft eingesetzt wird.

12. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Laserstrahl- Reflexionselemente, die sich aufgrund eines Fluiddrucks elastisch deformieren, in einem Laserstrahl- Übertragungspfad vorgesehen sind.

13. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Vorrichtung zum Steuern der Krümmung des Laserstrahl-Reflexionselements derart vorgesehen ist, daß dann, wenn eine Laserbearbeitung vom Lichtabtasttyp durchgeführt wird, bei der sich ein Bearbeitungskopf entlang einer X-Y-Ebene bewegt und die Bearbeitung durchführt, ein Durchmesser eines in das optische Sammelelement, das an den Bearbeitungsköpfen befestigt ist, eintretenden Laserstrahls konstant gehalten wird, unabhängig von einer Position des Bearbeitungskopfs.

14. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Laserstrahl- Reflexionselemente, die sich aufgrund eines Fluiddrucks elastisch deformieren, in einem Laserstrahl- Übertragungspfad vorgesehen sind.

15. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Durchmesser eines optimalen Laserstrahls vorab in der Form von Bearbeitungsbedingungen erfaßt werden und einer der Laserstrahldurchmesser in Abhängigkeit von einer Qualität und einer Plattendicke eines Werkstücks ausgewählt wird.

16. Laserbearbeitungsgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Grundkörpers des Bearbeitungskopfs oder des optischen Sammelelements, das auf dem Bearbeitungskopf befestigt ist, vorgesehen ist, für eine Bewegung entlang der Z-Achsenrichtung derart, daß eine Position des Punkts mit minimalem Sammeldurchmesser entlang der Z- Achsenrichtung konstant gehalten wird.