DE19750577C1

DE19750577C1 - Rotierender Zylinder mit vermiedenen Momenten

Info

Publication number: DE19750577C1
Application number: DE19750577A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dr Weis
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-11-16
Filing date: 1997-11-16
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2017-11-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Lasertechnik und betrifft einen rotierenden Zylinder mit vermiedenen Momenten, insbesondere in Vorrichtungen der Lasertechnik, z. B. für die Laserstrahlformung, insbesondere bei der Laserstrahl- Oberflächenbearbeitung von Werkstücken.

Es ist bekannt, daß bei der Laserbearbeitung sowohl der Qualität des "Rohstrahles" als auch der Strahlformung, mit der der "Rohstrahl" für die gewünschte Anwendung "geformt" wird, eine besondere Bedeutung beizumessen ist, da dadurch sowohl das Verfahren, die Qualität, die Quantität und die Effizienz bei der Oberflächenbearbeitung entscheidend mitbestimmt werden. Daraus leiten sich die Forderungen einerseits nach optimaler "Rohstrahlqualität" und andererseits nach anpaßbaren, d. h. der "Rohstrahlqualität" und Bearbeitungszielstellung entsprechenden, Fokussierungs- und Strahlformungselementen, wie beispielsweise Transmissions- und Reflexionsoptiken, insbesondere Metalloptiken, ab. Mit der Verfügbarkeit von Lasern mit höherer Ausgangsleistung ist eine Verschlechterung der "Rohstrahlqualität" im allgemeinen Sinne verbunden. Dies bedeutet unter anderem, daß die Leistungsdichteverteilung über den Rohstrahlquerschnitt ungleichmäßiger, d. h. inhomogener, wird, daß sich die Strahldurchmesser insgesamt vergrößern, was dazu führt, daß die optischen Komponenten und die Gefäßdurchmesser für die Strahlübertragungsstrecken vergrößert werden müssen und vieles andere mehr. Die Verfügbarkeit von Strahlformungselementen für größere Strahldurchmesser ist aufgrund des Preises, der Optikfertigung und Leistungsverträglichkeit sehr eingeschränkt und erfordert gleichzeitig zusätzliche Maßnahmen beim technischen Einsatz, wie beispielsweise eine Kühlung.

Um diese Nachteile zu beheben, ist nach der DE 44 04 141 A1 bekannt, den Laserstrahl mittels Strahlformungselemente zu formen und abzulenken, die leicht verfügbar sind und die keine Unstetigkeiten in der Strahlablenkung und keine undefinierten Streueffekte zur Folge haben. Bei diesen Strahlformungselementen handelt es sich um eine Vorrichtung mit mindestens einem statischen strahlformenden Spiegel und mindestens einem drehbar gelagerten und rotierend antreibbaren Drehspiegel in beliebiger Reihenfolge, wobei die Senkrechte auf der strahlablenkenden Fläche des Drehspiegels um einen bestimmten Winkel zur Rotationsachse verkippt ist und die strahlablenkende Fläche des Drehspiegels unstrukturiert ist.

Dabei wird vorteilhafterweise der Winkel, um den der Spiegel verkippt ist, durch einen Keilring vorgegeben. In diesem Fall wird der Drehspiegel mit dem Keilring so ausgewuchtet, daß die Summe der Fliehkräfte Null ist.

Von Nachteil bei dieser Methode ist jedoch, daß trotz der Tatsache, daß die Summe der Fliehkräfte Null ist, die Summe der Momente der Fliehkräfte nicht Null ist. Es bleibt ein resultierendes Moment, das als Kippmoment auf die Rotationsachse wirkt. Dieses Moment wirkt sich insbesondere dann schädlich aus, wenn die Drehzahl in die Bereiche der Eigenfrequenzen der Vorrichtung (z. B. Biegeschwingung der Welle) kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen rotierenden Zylinder, insbesondere innerhalb eines Strahlformungselementes einer Vorrichtung zur Laserstrahl- Oberflächenbearbeitung, anzugeben, bei dem eine solche Massenverteilung realisiert wird, daß das gesamte Moment der Fliehkraftverteilung vermieden wird.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im Falle des Einsatzes der erfindungsgemäßen Lösung an einer Vorrichtung zur Strahlformung für die Laseroberflächenbearbeitung ist die Flächennormale der Spiegelfläche des rotierenden Spiegelkörpers um einen kleinen Winkel bezüglich der Rotationsachse geneigt. Es ist genau dann kein Moment der Fliehkraftverteilung vorhanden, wenn die Rotationsachse mit einer der drei Hauptachsen des Massenverteilungstensors T des Spiegelkörpers zusammenfällt. Der Massenverteilungstensor ergibt sich als Integral über die Massenverteilung des Spiegelkörpers

T = ∫ . dm

mit : = Orte der Massenelemente dm wobei im Schwerpunkt = 0 ist.

Die Massenverteilung ist so zu wählen, daß der Massenverteilungstensor die Eigenschaft hat, daß eine seiner Hauptachsen mit der Rotationsachse zusammenfällt.

Für den Fall, daß eine gleiche Orientierung von Hauptträgheitsachse und Rotationsachse wegen begrenzter Genauigkeit von Fertigung und Montage nicht hinreichend genau vorgebbar ist, kann die Tendenz rotierender Körper genutzt werden, sich bei freier Verbindung während der Einlaufzeit so zu orientieren, daß Hauptträgheitsachse und Rotationsachse zusammenfallen. Das kann dadurch ermöglicht werden, daß die Orientierung der Körperachse nicht fest vorgegeben wird, sondern einen (sehr kleinen) Variationsbereich zuläßt. Ein solcher Variationsbereich kann beispielsweise durch eine federnde Verbindung der rotierenden Körper realisiert werden. Obwohl bei federnder Verbindung das Moment nicht vollkommen zu Null wird, ist doch eine wesentliche Einschränkung der ungewollten Auswirkungen der Unsymmetrien möglich, die bei einer starren Verbindung proportional zum Quadrat der Drehzahl wachsen, bei einer federnden Verbindung jedoch einen konstanten Wert annehmen, der bei entsprechender konstruktiver Ausführung sehr klein gehalten werden kann.

Das Herstellen von Spiegelkörpern mit Massenverteilungen, die die besagten Bedingungen erfüllen, kann wegen der kleinen zu realisierenden Winkel zwischen Rotationsachse und Hauptträgheitsachse in der Weise erfolgen, daß die üblicherweise verwendeten Spiegelkörper in Form einer Kreisscheibe durch hinzugefügte oder entfernte kleine Massen modifiziert werden. Eine Möglichkeit zum Verändern oder Umstellen des besagten Winkels kann dadurch realisiert werden, daß weitere Zusatzmassen beweglich am Spiegelkörper angebracht sind und ihre Lage verändern, beispielsweise bei steigender Drehzahl.

Im weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine Kreisscheibe, bei der das Moment der Fliehkraftverteilung vermieden ist und

Fig. 2 eine Kreisscheibe nach Fig. 1 mit einer beweglichen Verbindung und federnden Elementen

Beispiel 1

Die erfindungsgemäße rotierende Kreisscheibe 1 ist ein Kupferspiegel mit den Abmessungen R = 2,5 cm, H = 0,5 cm, m = 175 g und mit einer kleinen Unsymmetrie, die durch das Entfernen einer kleinen Masse m_K erreicht wurde. Der Kupferspiegel ist in einer Vorrichtung angebracht, so daß er um eine Rotationsachse rotiert, die um den Winkel ϕ = 0,1 Grad zu seiner Körperachse geneigt ist. Die kleine Masse m_K ist je zur Hälfte an gegenüberliegenden Stellen 3 der Scheibe 1 entfernt worden, deren Positionen durch die radiale Koordinate a und die axialen Koordinaten b und -b gegeben sind. Die Größe von m_K wurde gemäß

mit
m_K kleine Masse
m Gesamtmasse der rotierenden Kreisscheibe 1
ϕ Winkel zwischen Hauptträgheitsachse und Körperachse
R Radius der rotierenden Kreisscheibe 1
H halbe Höhe der rotierenden Kreisscheibe 1
a, b Koordinaten für das Anbringen oder Entfernen der kleinen Massen
bestimmt.

Im Fall von a ≈ R und b ≈ H sind jeweils 0,18 g oder 0,0193 cm³ Kupfer zu entfernen. Je nach der gewählten geometrischen Form des abgetragenen Volumens und der dadurch festgelegten Lage des Schwerpunktes dieses Volumens können a und b präzisiert werden, so daß nach erneuter Berechnung der Wert von m_K ebenfalls präzisiert werden kann.

Beispiel 2

Es wird ein gleicher Kupferspiegel wie in Beispiel 1 verwendet. Dieser Spiegel soll wahlweise bei verschiedenen kleinen Winkeln ϕ verwendet werden.

Um dies realisieren zu können, wird an zwei gegenüberliegenden Stellen 3 nahe dem Rande des Spiegels in axialer Richtung eine kleine Bohrung mit Gewinde angebracht, die auch durchgehend sein kann. In diese Bohrung können dann Madenschrauben mit oder ohne zusätzliche Gewichte eingeschraubt werden. Zu jedem gewünschten Neigungswinkel des Spiegels ist die erforderliche Position der Madenschrauben mit der genannten Formel zu berechnen und entsprechend einstellbar.

Beispiel 3

Ein Kupferspiegel nach Beispiel 1 ist federnd aufgehängt. Dieser Spiegel soll bei einer bestimmten Drehzahl reversibel auf einen anderen Winkel ϕ umschalten.

Um dies realisieren zu können, werden zwei federnde Elemente, jedes bestehend aus einer Blattfeder und einer kleinen Masse von der gleichen Größenordnung wie m_K so angebracht, daß bei einer gewünschten Drehzahl eine elastische Instabilität einsetzt, die die kleinen Massen in eine andere Position bringen, die durch einen Anschlag gegeben ist. Damit wird die Richtung der Hauptträgheitsachse bezüglich der Körperachse geändert, so daß nach einer Übergangszeit der neue Winkel ϕ eingestellt ist.

Bezugszeichenliste

1

rotierender Zylinder

2

Spiegelfläche

3

Ort, an der eine kleine Masse m_K

entfernt worden ist

4

kleine bewegliche Masse
B Blattfeder der elastischen Aufhängung des rotierenden Zylinders
B_S

Blattfeder der elastischen Aufhängung der kleinen beweglichen Masse

4

z Körperachse
ω Rotationsachse/Hauptträgheitsachse
ϕ kleiner Winkel zwischen Hauptträgheitsachse und Körperachse.

Claims

1. Rotierender Zylinder mit vermiedenen Momenten, insbesondere bei Vorrichtungen zur Laserstrahl-Oberflächenbearbeitung mit Vorrichtungen zur Strahlformung, bei dem zur Erreichung der Abweichung der Hauptträgheitsachse um einen kleinen Winkel von der Körperachse eine kleine Masse m_K hinzugefügt oder weggenommen ist, wobei sich m_K berechnet nach:
mit
m_K kleine Masse
m Gesamtmasse des rotierenden Zylinders
ϕ Winkel zwischen Hauptträgheitsachse und Körperachse
R Radius des rotierenden Zylinders
H halbe Höhe des rotierenden Zylinders
a, b Koordinaten für das Anbringen oder Entfernen der kleinen Massen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der rotierende Zylinder in der Vorrichtung arretiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der keine vollkommen starre oder eine kardanische Verbindung zwischen dem rotierenden Zylinder und der Antriebswelle besteht.