DE19847867A1 - Vorrichtung zum Laserschweißen eines Werkstücks entlang einer linienförmigen Naht - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zum Laserschweißen eines Werkstücks (10) entlang einer linienförmigen Naht (12) enthält zumindest einen im Strahlengang eines Laserstrahls (LS) angeordneten Ablenkspiegel (2, 4), der zum Bewegen des Fokus (F) des Laserstrahls (LS) quer zur Naht (12) in einem Lager (16, 70) beweglich gelagert und von einem Stellantrieb (20) angetrieben ist, und eine Steuereinrichtung (40) zum Steuern des Stellantriebs (20) in Abhängigkeit eines von einer Tasteinrichtung (32) abgegebenen und die Lage der Naht (12) erfassenden elektrischen Meßsignals (Y1). Durch diese Maßnahme ist eine schnelle und präzise Positionierung des Fokus (F) möglich.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Laserschweißen eines Werkstücks entlang einer linienförmigen Naht, wie sie beispielsweise aus der EP 0 310 793 B1 bekannt ist.

In dieser europäischen Patentschrift ist eine Vorrichtung zum Laserschweißen eines Werkstücks entlang einer Naht offenbart, bei der mit einem zwei Ablenk­ spiegel enthaltenden Ablenksystem der Laserstrahl achsversetzt wird. Die beiden Ablenkspiegel sind hierzu in einer gemeinsamen Halterung schwenkbar um die Mittenachse des auf den ersten Ablenkspiegel einfallenden Laserstrahls gelagert, so daß durch den Achsversatz bei einer Schwenkbewegung der Fokus des La­ serstrahls entlang einer Kreislinie bewegt wird, deren Radius dem Abstand zwi­ schen dem ersten und zweiten Ablenkspiegel entspricht. Die Halterung der Ab­ lenkspiegel ist drehfixiert an eine Tastrolle gekoppelt, die in eine von zwei gegen­ überliegenden Kanten eines Werkstücks gebildete schmale linienförmige Nahtfu­ ge eingreift. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, daß der Fokus des Laser­ strahls auch bei einem Versatz der Nahtfuge stets auf die zu verschweißende Stoßstelle des Werkstücks gerichtet ist. Die mit der bekannten Vorrichtung er­ reichbare Nachführgenauigkeit ist jedoch systembedingt durch das unvermeidbare Spiel im Schwenklager begrenzt. Da außerdem die zur Nachführbewegung erfor­ derlichen Kräfte mit zunehmender Prozeßgeschwindigkeit ebenfalls zunehmen und mechanisch von der Werkstücknaht über die Tastrolle zum Schwenklager übertragen werden müssen, ist die mit der bekannten Vorrichtung mögliche Pro­ zeßgeschwindigkeit ebenfalls begrenzt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Laser­ schweißen eines Werkstücks entlang einer linienförmigen Naht anzugeben, mit der bei hohen Prozeßgeschwindigkeiten eine hohe Nachführgenauigkeit möglich ist.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Vorrichtung zum Laserschweißen eines Werkstücks entlang einer linienförmigen Naht enthält zumindest einen im Strahlengang eines Laserstrahls angeordneten Ablenkspiegel, der zum Bewegen des Fokus eines Laserstrahls quer zur Naht in zumindest einem Lager beweglich gelagert und von einem Stellantrieb angetrieben ist, und eine Steuereinrichtung zum Steuern des Stellantriebs in Abhängigkeit eines von einer Tasteinrichtung abgegebenen und die Lage der Naht erfassenden elektrischen Meßsignals.

Da eine Tasteinrichtung zum Erfassen der Lage der Naht vorgesehen ist, die ein elektrisches Meßsignal abgibt, das über eine Steuereinrichtung auf den Stellan­ trieb wirkt, kann die Lagerung des Ablenkspiegels mechanisch von der Tastein­ richtung entkoppelt sein, so daß dieser mit geeigneten Stellantrieben schnell und präzise in eine Sollposition gebracht werden kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein insbesondere als Feder­ lager ausgebildetes Drehlager zum Schwenken des zumindest einen Ablenkspie­ gels vorgesehen. Durch diese Maßnahme kann eine nahezu spielfreie und daher präzise Positionierung des Fokus des Laserstrahls erzielt werden. Außerdem ist aufgrund der Verschleißarmut eines Federlagers eine hohe Lebensdauer bei gleichbleibender Genauigkeit gewährleistet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine beweglich gelagerte Ablenkspiegel schwenkbar um die Achse des auf ihn einfallenden La­ serstrahls an einem Torsionskörper des Drehlagers gelagert. Durch eine Schwenkbewegung wird dann eine Verschiebung des Fokus des Laserstrahls quer zur Naht hervorgerufen.

In einer alternativen Ausgestaltung ist einem starr gelagerten ersten Ablenkspiegel ein schwenkbar gelagerter zweiter Ablenkspiegel nachgeordnet und im Drehlager derart gelagert, daß der vom zweiten Ablenkspiegel reflektierte Laserstrahl in ei­ ner Ebene geschwenkt wird, die zum auf den ersten Ablenkspiegel einfallenden Laserstrahl parallel ist.

Vorzugsweise ist der zweite Ablenkspiegel ein fokussierender Hohlspiegel. Da­ durch ist eine nachfolgende Fokussieroptik nicht mehr erforderlich und die beweg­ ten Massen sind reduziert.

Insbesondere ist einem schwenkbar gelagerten ersten Ablenkspiegel ein zweiter Ablenkspiegel nachgeordnet und gemeinsam mit ihm im Torsionsdrehlager derart gelagert, daß der vom zweiten Ablenkspiegel reflektierte Laserstrahl parallel zum auf den ersten Ablenkspiegel einfallenden Laserstrahl versetzt ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Torsi­ onsdrehlager einen hohlzylindrischen Torsionskörper, der an seinem Umfang mit einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Öffnungen versehen ist, wobei jeweils benachbarte Öffnungen voneinander durch ein ela­ stisch in Umfangsrichtung biegbares, vorzugsweise achsparallel verlaufendes blattfederähnliches Biegeelement getrennt sind. Auf diese Weise wird bei Aus­ übung einer Kraft in Umfangsrichtung des Grundkörpers eine Torsion erzeugt. Insbesondere ist der Torsionskörper einstückig, wobei die Biegeelemente als Ste­ ge ausgebildet sind.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der zumindest eine beweglich gelagerte Ablenkspiegel parallel zur Achse des auf ihn einfallenden La­ serstrahls verschiebbar in einem Translationslager, insbesondere ebenfalls ein verschleißarmes Federlager, gelagert. Dadurch wird eine Bewegung des Fokus des Laserstrahls quer zur Naht durch eine Linearverschiebung eines Ablenkspie­ gels erzeugt.

Insbesondere umfaßt das Translations-Federlager einen hohlzylindrischen Grund­ körper, der zumindest zwei hintereinander in Umfangsrichtung verlaufende erste Schlitze enthält, denen zumindest zwei parallel und versetzt dazu verlaufende zweite Schlitze zugeordnet sind, die von den ersten Schlitzen durch einen in Axialrichtung biegbaren und in Umfangsrichtung verlaufenden Steg getrennt sind. Durch diese Maßnahme ist eine leichte elastische Verformbarkeit in Axialrichtung bei zugleich quer zur Axialrichtung vorliegender Biegesteifheit sichergestellt.

Insbesondere ist als Stellantrieb zum Bewegen des beweglich gelagerten Ablenk­ spiegels ein Piezoantrieb vorgesehen. Durch diese Maßnahme sind Positionier­ bewegungen verschleißarm und mit hoher Präzision und hohen Stellkräften, d. h. kurzen Zeitkonstanten, möglich.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Tasteinrich­ tung ein in der Naht führbares und quer zur Naht federgelagertes mechanisches Tastelement, dem ein Sensor zum Erfassen seiner Auslenkung senkrecht zur Naht und parallel zur Ebene des Werkstücks zugeordnet ist.

Insbesondere ist als Tastelement eine Rolle vorgesehen, die in zumindest einer Biegefeder um eine quer zur Biegefeder orientierte Drehachse drehbar gelagert ist. In dieser Ausführungsform kann das Tastelement in der von der Naht vor dem Schweißen gebildeten Fuge reibungsarm abrollen.

Vorzugsweise ist die Rolle zwischen zwei parallelen Biegefedern gelagert. Da­ durch ist sichergestellt, daß die Achse der Rolle bei kleinen Auslenkungen stets quer zur Vorschubrichtung orientiert ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Biegefeder schwenkbar um eine zur Drehachse parallele Schwenkachse gelagert. Dadurch ist gewährleistet, daß die Rolle auch bei kleinen Abstandsschwankungen zwischen Werkstück und Halterung der Tasteinrichtung in die von der Naht gebildete Fuge eingreift und von dieser geführt wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen per­ spektivischen Darstellung,

Fig. 2 eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Schwenklagerung mit einem Tor­ sionsdrehlager ebenfalls in einer schematischen perspektivischen Dar­ stellung,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Torsionsdrehlagers,

Fig. 4 eine alternative Ausführungsform der Erfindung mit einem schwenkbar gelagerten fokussierenden Ablenkspiegel,

Fig. 5 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Ablenkspiegel axial verschiebbar in einem Translations-Federlager ge­ lagert ist,

Fig. 6 ein schematisches Ersatzschaltbild der Wirkungsweise des Translati­ ons-Federlagers,

Fig. 7a, 7b jeweils einen Biegekörper des Translations-Federlagers in einer um 90° zueinander versetzten Seitenansicht,

Fig. 8 eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Tasteinrichtung ebenfalls in einer schematischen perspektivischen Darstellung.

Fig. 9a, 9b die Lagerung einer als Tastelement vorgesehenen Rolle in einer An­ sicht von unten bzw. in einer Seitenansicht.

Fig. 10 eine Prinzipskizze zum Veranschaulichen der Bewegung der Rolle bei einer seitlichen Auslenkung.

Gemäß Fig. 1 enthält die Vorrichtung zum Laserschweißen einen ersten und zweiten Ablenkspiegel 2 bzw. 4, mit denen ein auf den ersten Ablenkspiegel 2 einfallender Laserstrahl LS jeweils um 90° umgelenkt wird, so daß er den zweiten Ablenkspiegel 4 um den Abstand a der beiden Ablenkspiegel 2 und 4 achsversetzt und in der gleichen Richtung wie der auf den Ablenkspiegel 2 einfallende Laser­ strahl LS verläßt. Der erste und zweite Ablenkspiegel 2, 4 sind in einem Gehäu­ se 6 angeordnet, das um die Achse 7 des auf den ersten Ablenkspiegel 2 einfal­ lenden Laserstrahl LS geschwenkt werden kann. An diesem Gehäuse 6 befindet sich eine Schweißdüse 8.

Der Laserstrahl LS wird vom zweiten Ablenkspiegel 4 reflektiert und in zumindest einem Fokus F fokussiert. Anstelle des fokussierenden zweiten Ablenkspiegels 4 kann auch eine Linse vorgesehen sein. Die Schweißdüse 8 hat im Ausführungs­ beispiel annähernd die Gestalt eines Kegelstumpfes, an dessen vom zweiten Ab­ lenkspiegel 4 abgewandter Stirnfläche der fokussierte Laserstrahl LS durch eine Austrittsöffnung gegebenenfalls gemeinsam mit Schutzgas austritt.

Zwei Teile 10a und 10b eines unterhalb der Schweißdüse 8 mit einer Vorschub­ geschwindigkeit ν bewegten Werkstücks 10 stoßen entlang einer geradlinigen Naht 12 aneinander, die vor dem Schweißen eine schmale Fuge 12a bildet, die unter der Wirkung einer von außen aufgebrachten und durch Pfeile 14 angedeute­ ten Druckkraft unmittelbar vor Erreichen des Fokus F des Laserstrahls LS nahezu geschlossen wird.

Das Gehäuse 6 ist zur Feinanpassung an die Richtung der Naht 12 über ein Drehlager 16 vorzugsweise ein Federlager (Torsionsdrehlager), schwenkbar um den Schwenkwinkel α an einer Tragplatte 18 gelagert. Da mit dem Drehlager 16 nur ein kleiner Schwenkwinkel α möglich ist, kann das Drehlager 16 zur Grund­ einstellung mit einem Lagerring 17 in einer beliebigen Winkelposition β um die Achse 7 auf an der Tragplatte 18 positioniert und fixiert werden.

Dem Drehlager 16 ist ein an der Tragplatte 18 fixierter Stellantrieb 20 zugeordnet, durch den das Gehäuse 6 und mit ihm die Ablenkspiegel 2 und 4 um die Achse 7 des auf den ersten Ablenkspiegel 2 einfallenden Laserstrahls LS um den Schwenkwinkel α geschwenkt werden kann. Der Stellantrieb 20 ist vorzugsweise ein linearer Stellantrieb, insbesondere ein Piezoaktor oder Piezoantrieb, dessen axial verschiebbares Kopfstück mit einem am Umfang des Torsionsdrehlagers 16 angeordneten Zapfen 22 in Wirkverbindung steht. Geeignete lineare Piezoantrie­ be sind beispielsweise sogenannte Piezostapelaktoren. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich als Piezoantrieb einen piezoelektrischen Biegewandler einzusetzen.

Die Tragplatte 18 ist an einem in der Figur nur schematisch dargestellten Monta­ gerahmen 26 in y,z-Richtung einstellbar angeordnet, so daß der gesamte Schweißkopf, d. h. die gesamte aus Ablenkspiegel 2, 4, Gehäuse 6 und Schweiß­ düse 8 aufgebaute Einheit, in eine Grundposition zur Naht 12 positioniert werden kann.

An einer ebenfalls am Montagerahmen 26 fixierten Basisplatte 30 ist eine Ta­ steinrichtung 32 angeordnet, die als Tastelement 34 eine Rolle umfaßt, die dreh­ bar zwischen zwei quer zur Naht 12 in y-Richtung auslenkbare Biegefedern 35 um eine senkrecht zur Biegefeder 35, d. h. parallel zur y-Richtung, und senkrecht zur Vorschubgeschwindigkeit ν in x-Richtung orientierte Drehachse 36 gelagert, um ein Abrollen der Rolle in der Fuge 12a des sich unterhalb der Schweißdüse 8 be­ wegenden Werkstückes 10 zu ermöglichen. Anstelle einer Rolle ist beispielsweise auch ein kegelförmiger Stift als Tastelement 34 geeignet, der in der Fuge 12a gleitet.

Die Biegefedern 35 sind federbelastet um eine parallel zur Drehachse 36 verlau­ fende Schwenkachse 37 gelagert, so daß das Tastelement 34 mit einer einstellba­ ren Anpreßkraft in die von der Naht 12 vor dem Fokus F gebildete Fuge 12a ein­ greift. Einer der Biegefedern 35 ist ein Abstandssensor 38, beispielsweise ein in­ duktiver oder kapazitiver Sensor, zugeordnet, mit dem der Abstand zwischen dem Sensor und der Biegefeder 35, d. h. deren Auslenkung in y-Richtung relativ zum Montagerahmen 26 erfaßt werden und in ein elektrisches Meßsignal Y1 umge­ wandelt werden kann.

Das der Auslenkung der Biegefeder 35 entsprechende elektrische Meßsignal Y1 wird an eine Steuereinrichtung 40 weitergeleitet. Aus diesem Meßsignal Y1 wird in der Steuereinrichtung 40 ein Sollwert für den Stellweg des Stellantriebs 20 und damit für den Schwenkwinkel α ermittelt. Bei der Ermittlung des aktuellen Soll­ werts wird auch ein Zeitversatz berücksichtigt, der durch die Werkstückgeschwin­ digkeit ν und den Abstand zwischen dem Fokus F und dem Tastelement 34 be­ stimmt ist. Ein im Stellantrieb 20 integrierter Istwertmeßgeber übermittelt den tat­ sächlichen Istwert Y2 des Stellwegs an die Steuereinrichtung 40, die diesen mit dem Sollwert vergleicht und abhängig vom Vergleichsergebnis ein Steuersignal S für den Stellantrieb 20 generiert.

Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt eine Stoßnaht, bei der die Teile 10a und 10b des Werkstückes 10 aneinander stoßen und vor dem Verschweißen eine schmale Fuge bilden, wie dies beispielsweise aus der EP 0 310 793 B1 für die Herstellung von nahtgeschweißten Rohren veranschaulicht ist. Das erfindungs­ gemäße Nahtfolge- oder Nahtnachführsystem setzt jedoch nicht das Vorhanden­ sein einer Fuge voraus und kann mit Hilfe geeigneter Tasteinrichtungen auch für andere Nahtformen, beispielsweise bei Kehlnähten, wie sie beim Überlapp­ schweißen auftreten, eingesetzt werden. Als Tasteinrichtung ist in diesem Fall ein Stift oder eine Rolle geeignet, die unter Vorspannung an eine Werkstückkante angelegt wird, so daß sichergestellt ist, daß der Stift oder die Rolle stets der Werkstückkante folgt.

In der schematischen Darstellung gemäß Fig. 2 ist zu erkennen, daß das Drehla­ ger 16 mit dem oberen Lagerring 17 drehfixiert am Montagerahmen 26 angeord­ net ist. Der obere Lagerring 17 ist über eine Vielzahl von Biegeelementen 50 mit einem an der gegenüberliegenden Stirnseite gebildeten unteren Lagerring 52 ver­ bunden ist. Bei den Biegeelementen 50 handelt es sich um blattfeder- oder biege­ federähnliche Stege, deren Flachseiten senkrecht zur Umfangsrichtung der La­ gerringe 17, 52 angeordnet sind, so daß eine Schwenkbewegung des unteren La­ gerrings 52 relativ zum oberen Lagerring 17 durch elastische Durchbiegung der Biegeelemente 50 ermöglicht ist. Das Drehlager 16 ist somit als verschleißarmes Federlager (Torsionsdrehlager) gestaltet.

Der Figur ist außerdem zu entnehmen, daß der erste Ablenkspiegel 2 und der zweite Ablenkspiegel 4 starr am unteren Lagerring 52 fixiert sind und somit ge­ meinsam an der Schwenkbewegung des unteren Lagerrings 52 teilnehmen, die zu einer Bewegung des Fokus F in Richtung des in der Figur dargestellten Doppel­ pfeils 54 führen. In diesem Ausführungsbeispiel ist auch zu erkennen, daß der zweite Ablenkspiegel 4 als fokussierender Hohlspiegel ausgebildet ist, so daß eine Fokussierlinse nicht erforderlich ist.

Der Stellantrieb 20 ist starr am oberen Lagerring 17 und damit starr am Montage­ rahmen 26 fixiert. Ein in der Figur nicht dargestelltes, axial in Richtung des Dop­ pelpfeils 56 verschiebbares Kopfstück des als linearen Stellantrieb 20 verwende­ ten Piezoaktors ist kraftschlüssig mit dem am unteren Lagerring 52 angeordneten Zapfen 22 im Wirkabstand r von der Achse 7 gekoppelt, so daß eine Schwenkbe­ wegung des unteren Lagerrings 52 in beide Drehrichtungen möglich ist. Ein Stell­ weg des Piezoaktors von etwa ± 50 µm reicht dabei bei einem Wirkabstand r von etwa 40 mm aus, um einen Schwenkwinkel α von ± 0,15° zu erzeugen, der bei­ spielsweise bei einer Übersetzung a/r = 10 zu einem Stellweg des Fokus F von etwa ± 0,5 mm führt. Dies reicht aus, um übliche Schwankungen der Nahtlage, die beispielsweise bei der Fertigung von Rohren etwa ± 0,15 mm betragen, sicher zu beherrschen.

Gemäß Fig. 3 ist in der Draufsicht auf das teilweise aufgeschnittene Drehlager 16 zu erkennen, daß dieses in der bevorzugten Ausführungsform einstückig ist und aus einem hohlzylindrischen Torsionskörper 60 besteht, der an seinem Außenum­ fang mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten an­ nähernd rechteckförmigen Durchgangsöffnungen 62 mit parallel zur Längs- oder Axialrichtung und annähernd parallel zu einer Radialrichtung verlaufenden Sei­ tenwänden 64 versehen ist, so daß die Normalen 66 der Seitenwände 64 annä­ hernd tangential in Umfangsrichtung verlaufen. Einander benachbarte Durch­ gangsöffnungen 62 sind dabei durch dünne blattfederähnliche Stege voneinander getrennt, die als Biegeelemente 50 dienen. Auf diese Weise kann der Torsions­ körper 60 eine elastische Torsionsbewegung ausführen, die aufgrund einer Durchbiegung der zwischen den als Lagerringe 17 und 52 dienenden ringförmigen stirnseitigen Enden des Torsionskörpers 60 befindlichen blattfederähnlichen Ste­ ge hervorgerufen wird.

In der alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist das als Torsionsdrehlager gestaltete Drehlager 16 zwischen dem ersten Ablenkspiegel 2 und dem zweiten Ablenkspiegel 4 angeordnet, so dass der zweite Ablenkspiegel 4 mit Hilfe des Stellantriebs 20 um die Achse des auf ihn einfallenden und sich annähernd paral­ lel zur Schweißnaht 12 ausbreitenden Laserstrahl LS gedreht werden kann. Der zweite Ablenkspiegel 4 ist als Hohlspiegel ausgebildet und dient zugleich zum Fo­ kussieren des Laserstrahls LS im Fokus F. Durch die Schwenkbewegung des zweiten Ablenkspiegels 4 wird der Laserstrahl in einer Ebene in Richtung des Doppelpfeils 54 geschwenkt, die parallel zur Ausbreitungsrichtung oder Mit­ tenachse 7 des auf den ersten Ablenkspiegel 2 einfallenden Laserstrahls LS ist. Bei kleinen Schwenkwinkeln ist die mit der Schwenkbewegung des fokussieren­ den Laserstrahls einhergehende Veränderung der Position des Fokus F relativ zur Oberfläche des Werkstücks vernachlässigbar.

In der alternativen Ausgestaltung gemäß Fig. 5 ist anstelle einer Schwenkbewe­ gung der Ablenkspiegel 2 und 4 eine Axialverschiebung des zweiten Ablenkspie­ gels 4 relativ zum ersten Ablenkspiegel 2 vorgesehen. Der zweite Ablenkspiegel 4 ist hierzu an einem Translationslager 70 gelagert. Das Translationslager 70 ist als Federlager ausgebildet und wird durch einen hohlzylindrischen Federkörper 72 gebildet, der mit einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Schlit­ zen 74a-d derart versehen ist, daß sich der gesamte Federkörper 72 in Axialrich­ tung in ähnlicher Weise federnd verhält wie eine Schraubenfeder. An jeder Stirn­ seite sind hierzu in Umfangsrichtung hintereinander zwei erste Schlitze 74a und 74b angeordnet, die nur durch zwei einander gegenüberliegende Axialstege 76a voneinander getrennt sind. Parallel zu diesen ersten Schlitzen 74a, 74b sind zwei zweite Schlitze 74c, 74d - ebenfalls durch Axialstege 76b voneinander getrennt - um 90° versetzt angeordnet, so daß die in Axialrichtung benachbarten Schlit­ ze 74a-d durch einen dünnen in Umfangsrichtung verlaufenden Ringsteg 78 von­ einander getrennt sind, der sich jeweils am stirnseitigen Tragring 80 über die Axialstege 76a und am zentralen Tragring 82 des Federkörpers 72 über die Axialstege 76b abstützt. Der Ringsteg 78 stellt somit zwei beidseitig eingespannte Biegebalken dar, die bei Krafteinleitung zwischen dem zentralen Tragring 82 und dem stirnseitigen Tragring 80 elastisch durchgebogen werden können.

Der zentrale Tragring 82 ist über einen Halterahmen 83 ortsfest am Montagerah­ men 26 gemeinsam mit dem ersten Ablenkspiegel 2 gelagert. An diesem in der Zeichnung schematisch veranschaulichten Halterahmen 83 ist der lineare Stellan­ trieb 20, vorzugsweise ebenfalls ein Piezoantrieb fixiert, dessen bewegliches Kopfstück 84 kraftschlüssig mit einem am stirnseitigen Tragring 80 angeordneten Zapfen 86 verbunden ist. Eine Verstellbewegung des Kopfstücks 84 des Stellan­ triebes 20 bewirkt dann eine Linearverschiebung in Axialrichtung 88 des zweiten Ablenkspiegels 4 und somit einer Linearverschiebung des Fokus F.

Im Ausführungsbeispiel der Figur ist der Ablenkspiegel 4 starr mit den an beiden Stirnseiten des Federkörpers 72 befindlichen Tragringen 80 verbunden. Dies ent­ spricht einer mechanischen Parallelschaltung der beiden als Biegebalken wirken­ den Ringstege 78.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung können die in Fig. 1 und 2 dargestell­ te Schwenkbewegung und die in Fig. 5 gezeigte Linearbewegung miteinander kombiniert werden, indem der Halterahmen 83 am unteren Lagerring 52 (Fig. 2) fixiert ist. Dies ist in der Figur durch eine gestrichelte Weiterführung des Hal­ terahmens 83 angedeutet.

In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung kann auch eine Ausführungsform, bei der der zweite Ablenkspiegel gemäß Fig. 4 schwenkbar um die Achse 88 des La­ serstrahls in einem Federlager gelagert ist mit einer Linearbewegung gemäß Fig. 5 und/oder mit einer Schwenkbewegung gemäß Fig. 1 und 2 kombiniert sein.

Im Ersatzschaltbild gemäß Fig. 6 ist zu erkennen, daß die Ringstege 78 als Bie­ gebalgen wirken, deren Hub h dem Stellweg des Stellantriebs 20 und dem Stell­ weg des zweiten Ablenkspiegels 4 entsprechen.

Die Gestaltung des Federkörpers 72 geht deutlicher aus Fig. 7a und 7b hervor, die den Federkörper 72 in zwei Seitenansichten zeigen, die um 90° versetzt zu­ einander sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Federkörper 72 an seinen Stirnseiten mit jeweils vier Schlitzpaaren 74 versehen, zwischen denen jeweils drei als Biegeträger wirkende Ringstege 78 ausgebildet sind.

In Fig. 8 ist zu erkennen, daß die als Tastelement 34 dienende Rolle zwischen zwei Biegefedern 35 gelagert ist, die parallel zur Drehachse 36 der Rolle ausge­ lenkt werden können. Diese Blatt- oder Biegefedern 35 sind in der Basisplatte 30 schwenkbar um die Schwenkachse 37 gelagert, die parallel zur Drehachse 36 der Rolle verläuft. Die als Lagergabel wirkenden Blattfedern 36 sind dabei um diese Schwenkachse 37 federnd mit einer vorgegebenen Vorspannung und einem vor­ gegebenen Neigungswinkel ϕ in Ausgangslage gelagert, um auch bei Werkstück­ unebenheiten sicherzustellen, daß die Rolle in der Fuge geführt wird. Der Flach­ seite einer der beiden Blattfedern 35 ist der Abstandssensor 38, beispielsweise ein induktiver oder kapazitiver Näherungssensor, zugeordnet, mit dem Auslen­ kungen der Blattfedern 35 aus der Ruhelage mit hoher Genauigkeit erfaßt werden können. In der Figur ist außerdem zu erkennen, daß die Rolle an ihrem Umfang ein V-förmig verlaufendes messerschneidenähnliches Profil hat, um auch in schmale Fugen eingeführt werden zu können.

Gemäß Fig. 9a und 9b sind die Biegefedern 35 mit Hilfe einer Feder 90 unter Vor­ spannung in einem Gleitlager schwenkbar um die Schwenkachse 37 gelagert. Die Rolle (Tastelement 34) ist in einem ebenfalls axial vorgespannten Wälzlager, ins­ besondere einem Keramiklager, durch Tellerfedern spielfrei gelagert, so dass ein axialer Versatz der Naht unmittelbar auf eine Bewegung der Biegefedern 35 über­ tragen wird.

In Fig. 10 ist dargestellt, dass eine durch einen seitlichen Versatz der Naht her­ beigeführte Schwenkbewegung der Biegefeder 35 zu einem mindestens bei klei­ nem Schwenkwinkel annähernd parallelen Versatz der Rolle 34 in y-Richtung führt. Durch diese Parallelogrammführung wird somit ein Verkanten der Rolle 34 in der Naht verhindert.

Bezugszeichenliste

2

erster Ablenkspiegel

4

zweiter Ablenkspiegel

6

Gehäuse

7

Achse

8

Schweißdüse

10

Werkstück

12

Naht

12

a Fuge

14

Pfeil

16

Drehlager

17

oberer Lagerring

18

Tragplatte

20

Stellantrieb

22

Zapfen

26

Montagerahmen

30

Basisplatte

32

Tasteinrichtung

34

Tastelement

35

Biegefeder

36

Drehachse

37

Schwenkachse

38

Abstandssensor

40

Steuereinrichtung

50

Biegeelement

52

unterer Lagerring

54

Doppelpfeil

56

Doppelpfeil

60

Torsionskörper

62

Durchgangsöffnung

64

Seitenwand

66

Normale

70

Translationslager

72

Federkörper

74

a-d Schlitze

76

a, bAxialsteg

78

Ringsteg

80

stirnseitiger Tragring

82

zentraler Tragring

83

Halterahmen

84

Kopfstück

86

Zapfen

88

Axialrichtung

90

Feder
LS Laserstrahl
F Fokus
ν Geschwindigkeit
α Schwenkwinkel
β Winkelposition
y, z Richtung
r Wirkabstand
a Abstand
h Hub
γ Winkellage
ϕ Neigungswinkel
Y1 Meßsignal
Y2 Istwert
S Steuersignal

Claims (18)

1. Vorrichtung zum Laserschweißen eines Werkstücks (10) entlang einer linien­ förmigen Naht (12), mit zumindest einem im Strahlengang eines Laser­ strahls (LS) angeordneten Ablenkspiegel (2, 4), der zum Bewegen des Fo­ kus (F) des Laserstrahls (LS) quer zur Naht (12) in zumindest einem Lager (16, 70) beweglich gelagert und von einem Stellantrieb (20) angetrieben ist, und mit einer Steuereinrichtung (40) zum Steuern des Stellantriebs (20) in Ab­ hängigkeit eines von einer Tasteinrichtung (32) abgegebenen und die Lage der Naht (12) erfassenden elektrischen Meßsignals (Y1).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Drehlager (16) zum Schwenken des zumindest einen Ablenkspiegels (2, 4).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der als Drehlager (16) ein Federlager vorge­ sehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Drehlager (16) einen Torsionskör­ per (60) enthält, an dem der Ablenkspiegel (2, 4) schwenkbar um die Achse (7) des auf ihn einfallenden Laserstrahls (LS) gelagert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der einem schwenkbar gelagerten ersten Ablenkspiegel (2) ein zweiter Ablenkspiegel (4) nachgeordnet und gemeinsam mit dem ersten Ablenkspiegel (2) im Drehlager (16) derart gelagert ist, daß der vom zweiten Ablenkspiegel (4) reflektierte Laserstrahl (LS) parallel zum auf den ersten Ablenkspiegel (2) einfallenden Laserstrahl (LS) versetzt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der einem starr gelagerten ersten Ablenk­ spiegel (2) ein schwenkbar gelagerter zweiter Ablenkspiegel (4) nachgeordnet und im Drehlager (16) derart gelagert ist, daß der vom zweiten Ablenkspie­ gel (4) reflektierte Laserstrahl (LS) in einer Ebene geschwenkt wird, die zum auf den ersten Ablenkspiegel (2) einfallenden Laserstrahl (LS) parallel ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der der zweite Ablenk­ spiegel (4) ein fokussierender Hohlspiegel ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der der Torsionskör­ per (60) hohlzylindrisch ist und an seinem Umfang mit einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Durchgangsöffnungen (62) versehen ist, wobei jeweils benachbarte Durchgangsöffnungen (62) voneinan­ der durch ein elastisch in Umfangsrichtung biegbares blattfederähnliches Bie­ geelement (50) getrennt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Biegeelemente (50) achsparallel verlaufen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der der Torsionskörper (60) einstückig ist, und die Biegeelemente (50) als Stege ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Translati­ onslager (70), in dem der zumindest eine bewegliche Ablenkspiegel (4) paral­ lel zur Achse (88) des auf ihn einfallenden Laserstrahls (LS) verschiebbar ge­ lagert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der als Translationslager (70) ein Federla­ ger vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Translationslager (70) einen hohlzylindrischen Federkörper (72) umfaßt, der zumindest zwei hintereinander in Umfangsrichtung verlaufende erste Schlitze (74a, 74b) enthält, denen zu­ mindest zwei parallel und versetzt dazu verlaufende zweite Schlitze (74c, 74d) zugeordnet sind, die von den ersten Schlitzen (74a, 74b) durch einen in Axial­ richtung (88) biegbaren und in Umfangsrichtung verlaufenden Ringsteg (78) getrennt sind.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als Stellan­ trieb (20) ein Piezoantrieb vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Tastein­ richtung (32) ein in der Naht (12) führbares und quer zur Naht (12) federgela­ gertes mechanisches Tastelement (34) umfaßt, dem ein Abstandssensor (38) zum Erfassen einer Auslenkung des mechanischen Tastelementes (34) paral­ lel zur Ebene des Werkstücks (10) zugeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der als Tastelement (34) eine Rolle vorge­ sehen ist, die in zumindest einer Biegefeder (35) um eine quer zur Biegefe­ der (35) orientierte Drehachse (36) drehbar gelagert ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Biegefeder (35) schwenkbar um eine zur Drehachse (36) parallele Schwenkachse (37) gelagert ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, bei der die Rolle zwischen zwei paral­ lelen Biegefedern (35) angeordnet ist.