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Die
Erfindung betrifft eine Lichtwellenoptik, insbesondere eine Laseroptik,
mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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In
der Praxis sind gattungsgemäße Laseroptiken
mit fester Brennweite bekannt, die einteilig ausgebildet sind und
eine Fokussieroptik sowie einen Lichtleiteranschluss zur Verbindung
mit einer externen Laserquelle aufweisen. Gegebenenfalls ist auch eine
Kollimationsoptik vorhanden. Die bekannte Lichtwellenoptik lässt sich
nicht verändern
und muss komplett ausgetauscht werden, wenn eine andere Brennweite
benötigt
wird.
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Die
DE 197 09 561 C2 befasst
sich mit einer Anlage zur Bearbeitung von Chip- und/oder Magnetstreifenkarten,
wobei eine Laserbeschriftungsstation zum Einsatz kommt. Letztere
hat ein Planfeldobjektiv zur Fokussierung der Laserstrahlung sowie
eine Einkoppelvorrichtung zum Anschluss eines Lichtwellenleiters
und ein Ablenkspiegelpaar. Diese Komponenten sind an einem Gehäuse mittels
Flanschplatten befestigt.
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Die
DE 101 08 873 B4 offenbart
ein opto-elektronisches Modul mit einem optischen Stecker und einem
darin angeordneten Lichtwellenleiter. In dem opto-elektronischen
Modul ist ein Laserchip angeordnet, der einen Laserstrahl emittiert,
welcher über
den optischen Stecker in den Lichtwellenleiter einkoppelt.
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Eine
Laserquelle mit einem modularen Aufbau aus mehreren diodengepumpten
Faserlasern ist in der
DE
198 40 926 A1 zu finden. An die Laserquelle ist eine Fokussieroptik
direkt angebaut, wodurch eine Laserkanone gebildet wird. Die Laseroptik
kann als Vario-Fokussieroptik mit relativ zueinander axial verschiebbaren
Linsen ausgebildet sein.
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Aus
der
DE 195 11 393
A1 ist ein Gerät
zur Substratbehandlung, insbesondere zum Perforieren von Papier
bekannt, wobei ein über
eine Sammellinse eingekoppelter Laserstrahl von einem Drehspiegel
zu mehreren nebeneinander liegenden Linsensystemen abgelenkt wird.
Diese Linsensysteme bestehen jeweils aus einem Kollimatorlinse,
einem Umlenkspiegel und einer nachgeordneten optischen Anordnung,
die ein Linsensystem und ein System aus diffraktiven optischen Elementen
(DOE) aufweist. Das diffraktive optische Element erzeugt mehrere Brennpunkte
in der Papierebene und lässt
sich drehen, so dass in der Papierbahn eine Anzahl mehrerer paralleler
Lochreihen gebildet wird. Zudem kann ein Ringfokus erzeugt werden.
Durch eine Drehbewegung des Schwenkspiegels und die selektive Beaufschlagung
unterschiedlicher Linsensysteme lassen sich mehrere Lochreihen in
der Papierbahn erzeugen. Die genannten Linsensysteme sind untereinander
gleichartig ausgebildet und haben gleiche Brennweiten.
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In
der
DE 39 41 608 A1 ist
eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlen, insbesondere
ein Schneid- oder Schweißkopf
angesprochen. Hierbei können
am Schweißkopf
unterschiedliche Schneid- oder Schweißdüsen angebracht werden. Im Schweißkopf befindet
sich ein nicht austauschbarer Fokussierspiegel.
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Die
US-A-5,396,50 zeigt einen Faserlaser mit mehreren gekoppelten Fasern
und Pumpdioden, wobei die emittierten Einzelstrahlen parallel auf
eine Sammellinse gerichtet und von dieser auf einen Arbeitspunkt
fokussiert werden. Über
die Art der Sammellinse lässt
sich die Schrift nicht im einzelnen aus.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bessere und flexiblere
Lichtwellenoptik aufzuzeigen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
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Die
beanspruchte modulare Lichtwellenoptik hat den Vorteil, dass die
Charakteristik der Lichtwellenoptik und insbesondere deren Brennweite
leicht und schnell verändert
werden kann, was vorzugsweise durch einfachen Wechsel von ein oder
mehreren Modulen, alternativ aber auch auf andere Weise, durch einen
drehbaren Revolverkopf, einen beweglichen Spiegel in Verbindung
mit einer Mehrfachoptik etc. geschehen kann. Außerdem kann bei einer Brennweitenänderung
die Kollimation angepasst werden, was eine gezielte Beeinflussung
der Fokuspunkt- oder Brennfleckgröße ermöglicht.
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Für die eine
Variante der Brennweitenänderung
ist es vorteilhaft, einen Grundträger mit einem wechselbaren
Optikmodul zu haben. Im Optikmodul ist zumindest eine Fokussieroptik
mit vorzugsweise fester Brennweite untergebracht. Durch Modulwechsel
kann die Brennweite verändert
werden. Außerdem
lässt sich
gegebenenfalls die Kollimation hinsichtlich Brechungsverhalten und/oder
Kollimationslänge
verändern.
Die einzelnen Module können
ausgetauscht werden, ohne dass eine anschließende Justierung erforderlich
wäre. Die
Module können über ihre
Modulanschlüsse,
z.B. in Form von Flansch-Passungen, automatisch justiert werden.
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Bei
geeigneter konstruktiver Anschlusstechnik und insbesondere bei Mehrfacheinheiten,
z.B. Revolvereinheit, Drehspiegeleinheit, ist auch ein vollautomatischer
Modulwechsel möglich,
der eine Brennweitenänderung
im Betrieb und zu beliebigen Zeitpunkten, sogar während eines
Bearbeitungszyklus, gestattet.
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Mit
Hinblick auf eine verbesserte Anpassung der Kollimationslänge ist
es außerdem
vorteilhaft, wenn am Grundträger
zusätzlich
ein Anschlussmodul wechselbar angeflanscht werden kann, mit dem
sich der Abstand des Strahlaustrittspunktes von einer vorzugsweise
im Optikmodul untergebrachten Kollimationsoptik verändern lässt. Hierdurch
kann die Kollimationslänge
in zweifacher Art, nämlich
durch Wechsel des Optikmoduls und durch Wechsel des Anschlussmoduls
in der gewünschten
Weise verändert werden.
Die zweifache Anpassungsmöglichkeit
spart Platz.
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Insbesondere
lassen sich hierdurch bei einer Änderung
der Fokussier-Brennweite die Kollimations-Brennweite und die Kollimationslänge entsprechend
anpassen und dadurch die Brennfleck- oder Fokuspunktgröße des Lichtwellenstrahls
oder Laserstrahls konstant halten. Alternativ kann durch Veränderung
der Kollimation auch die Brennfleckgröße bei gleichbleibender oder
variabler Brennweite verändert werden.
Mit der beanspruchten Lichtwellenoptik ergeben sich sehr viele Möglichkeiten
zur Beeinflussung der Lichtstrahlcharakteristik.
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Die
Anordnung der Kollimationsoptik in Strahlrichtung hinter dem Spiegel
und mit kurzem Abstand vor der Fokussieroptik hat Vorteile bei der
Verbesserung der optischen Justier- und Toleranzprobleme und der
Baugröße.
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Die
beanspruchte Lichtwellenoptik ist für beliebige Lichtstrahlquellen
geeignet. Ferner lässt
sie sich durch Auswahl und Einbau geeigneter Module an unterschiedliche
Licht- oder Laserstrahlquellen schnell und ohne Aufwand anpassen.
Unterschiedliche Laserquellen, z.B. Diodenlaser, Faserlaser und CO2-Laser,
haben unterschiedliche Strahlcharakteristiken, die eine Anpassung
der Lichtwellenoptik verlangen. Diese Adaption ist durch einfachen
Modultausch möglich.
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Der
Grundträger
besitzt vorzugsweise ein Gehäuse
mit einem abgewinkelten Strahlkanal. Hierdurch kann eine große Kollimationslänge bei
kompakten Gehäuseabmessungen
erreicht werden. Ein in den Strahlkanal integrierter Umlenkspiegel
lenkt den vom Einkoppelpunkt aus sich aufweitenden Lichtwellenstrahl
um, wobei sich dieser bis zur Kollimationsoptik noch weiter spreizen
kann. Diese bewusste Strahlaufweitung verringert die Intensität des Lichtwellenstrahls
und die thermische Belastung des Umlenkspiegels sowie der Optiken.
Dank der Winkelbauweise können
große
Kollimationswege mit großen
Strahlaufweitungen bei kompakten Geräteabmessungen erreicht werden.
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Die
Verringerung der thermischen Belastung ermöglicht den Einsatz kostengünstiger
Linsenmaterialien in der Kollimations- und Fokussieroptik. Hochqualitative
Gläser,
z.B. Quarzgläser,
sind entbehrlich. Bei den vorbekannten Lichtwellenoptiken waren
solche hohen Glasqualitäten
durch die geringe Strahlaufweitung und die kleinen Linsendurchmesser
von ca. 45 mm erforderlich. Bei der beanspruchten Lichtwellenoptik
können
deutlich größere Linsen
mit Durchmessern von z.B. 60 bis 100 mm und mehr eingesetzt werden,
was auch zur Erzielung großer Brennweiten
von ca. 1.400 mm und mehr von Vorteil ist.
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Die
Winkelbauweise des Grundträgergehäuses hat
zudem Vorteile für
die Wärmeableitung.
Hierfür
ist es außerdem
günstig,
wenn das Gehäuse
aus einem besonders gut wärmeleitenden
Material, z.B. einem Leichtmetall, insbesondere einer Aluminiumlegierung,
besteht. Auf eine zusätzliche
aktive Kühlung kann
verzichtet werden. Ferner kann der Spiegel mit Hinblick auf Montage,
Justierung und beschädigungsfreie
Handhabung in einem Gehäuseaufsatz optimal
angeordnet werden.
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Zudem
ist es durch die Einheitlichkeit der Modulanschlüsse möglich, die Modulpaare untereinander
zu tauschen. Das Anschlussmodul wird dabei an der bisherigen Optikseite
und das Optikmodul an der bisherigen Anschlussseite angeflanscht.
Hierdurch lässt
sich die Strahlrichtung ohne Umbau oder Umorientierung des abgewinkelten
Grundträgers verändern. Ein
Laserstrahl kann somit wahlweise parallel oder senkrecht zur Befestigungsachse,
z.B. einer Roboterachse, verlaufen.
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Die
beanspruchte Lichtwellenoptik eignet sich besonders als Laseroptik
in Verbindung mit Laserstrahlquellen hoher Leistung von 10 kW und
mehr. Insbesondere in Verbindung mit leistungsstarken Faserlasern
ergeben sich Vorteile. Zudem erlaubt die Lichtwellenoptik eine Brennweitenvariation
in einem sehr großen
Bereich. Es lassen sich Brennweiten zwischen 200 mm und 1.400 mm
oder mehr realisieren, wobei auch hier bei Bedarf die Fokuspunkt-
oder Brennfleckgröße im gewünschten
Maß und
eingestellt und ggf. bei einer Brennweitenveränderung auch konstant gehalten
werden kann.
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Die
beanspruchte Lichtwellenoptik lässt
sich in beliebiger Weise stationär
oder instationär
einsetzen und z.B. durch einen mehrachsigen Industrieroboter bewegen.
Hierbei bestehen beliebige Einsatzbereiche. Besondere Vorteile ergeben
sich bei Laserstrahlprozessen mit hoher Strahlleistung, z.B. beim Schweißen, Löten, Schneiden
oder dergleichen.
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In
den Unteransprüchen
sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Die
Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch
dargestellt. Im Einzelnen zeigen:
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1 In
einer Explosionsdarstellung eine modulare Lichtwellenoptik mit auswechselbaren
Modulen in verschiedenen Ausführungen
und in der Darstellung als Baukastensystem,
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2 eine
erste Variante der Lichtwellenoptik in montiertem Zustand und in
geschnittener Darstellung,
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3 eine
Einzeldarstellung der Module der Lichtwellenoptik von 2 in
Explosionsdarstellung,
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4 und 5 eine
zweite Variante der Lichtwellenoptik in montierter Darstellung und
Explosionsdarstellung
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6 und 7 eine
dritte Variante der Lichtwellenoptik in montierter Darstellung und
Explosionsdarstellung,
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8 und 9 eine
vierte Variante der Lichtwellenoptik in Form einer Revolvereinheit
mit mehreren Modulen in perspektivischen Ansichten,
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10 und 11 weitere
Ansichten der Revolvereinheit gemäß Pfeilen X und XI von 8,
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12 und 13 eine
fünfte
Variante der Lichtwellenoptik in Form einer Drehspiegeleinheit mit mehreren
Modulen in perspektivischen Ansichten,
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14 eine
weitere Ansicht der Drehspiegeleinheit gemäß Pfeil XIV von 12 und
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15 ein
Einsatzbeispiel mit einer Roboterschweißzelle.
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Die
Erfindung befasst sich mit einer Lichtwellenoptik (1),
insbesondere einer Laseroptik, mit veränderlicher Brennweite F, wobei
ggf. auch die Kollimation hinsichtlich ihrer Brennweite und/oder
der Kollimationslänge
verändert
und angepasst werden kann. Durch Veränderungen an Fokussierung und/oder
Kollimation kann gezielt Einfluss auf die Form und Größe des Fokuspunkts
oder Brennflecks genommen werden.
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In
den zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen wird eine
Lichtwellenoptik in Modulbauweise gezeigt, wobei in 1 ein
Baukastensystem mit verschiedenen verfügbaren einzelnen Modulen (2,3,4)
dargestellt ist. In 2, 4 und 6 sind
drei verschiedene Modulzusammenstellungen und Bauvarianten der Lichtwellenoptik
(1) dargestellt. Darüber
hinaus gibt es noch beliebige andere Varianten bei Bauformen und
Modulkombinationen. 8 bis 14 zeigen
Varianten mit Mehrfacheinheiten (24). 15 verdeutlicht
den Einsatz beispielsweise in einer Roboterschweißzelle (41).
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Die
Lichtwellenoptik (1) ist für beliebige Lichtwellenstrahlen
(10) geeignet. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um
Laserstrahlen, die von einer beliebigen Laserquelle (40)
stammen und auf beliebige Art zugeführt werden können. Vorzugsweise
handelt es sich um eine Hochleistungs-Laserquelle, z.B. einen Faserlaser
oder Scheibenlaser. Die Laserleistungen können eine beliebige Höhe haben
und z.B. 4 bis 10 kW sowie deutlich mehr betragen. Der Lichtwellen-
oder Laserstrahl (10) wird der Lichtwellenoptik (1)
von der Strahlquelle über
einen Lichtwellenleiter (13) eingangseitig zugeführt und
tritt ausgangseitig fokussiert aus. Der Lichtwellen- oder Laserstrahl
(10) wird vorzugsweise über
einen fasergekoppelten Lichtleiter (13) übertragen
und zugeführt.
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Die
Lichtwellenoptik (1) ist insbesondere eine transmittierende
Laseroptik, die in einem weiten Bereich hinsichtlich der Brennweiten
von Fokussierung und Kollimation und auch der Kollimationslänge variabel
ist. Die Brennweiten können
z.B. zwischen 200 mm und 1400 mm variieren und die angegebenen Bereiche
auch nach oben und unten überschreiten.
Die modulare Lichtwellenoptik (1) ist justierfrei.
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Die
Lichtwellenoptik (1) besteht aus einem Grundträger (2)
und zumindest einem Optikmodul (4), welches wechselbar
mit dem Grundträger
(2) verbunden ist und unterschiedlich ausgebildet sein kann.
Vorzugsweise lässt
sich am Grundträger
(2) auch ein Anschlussmodul (3) in unterschiedlichen Ausführungsformen
austauschbar anbringen.
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Der
Grundträger
(2) besitzt ein Gehäuse
(5) mit einem innenliegenden rohrförmigen Strahlkanal (7)
für den
Durchtritt des Lichtwellenstrahls (10). Vorzugsweise haben
das Gehäuse
(5) und der Strahlkanal (7) eine abgewinkelte
Form. Der Winkel beträgt
in der gezeigten Ausführungsform
90°. Er
kann beliebig nach oben und unten variieren. Das Gehäuse (5)
hat in der Seitenansicht eine im wesentlichen gleichschenklige dreieckige
Form und besteht aus einem gut wärmeleitenden
Material, insbesondere einem Metall, vorzugsweise einem Leichtmetall,
insbesondere einer Aluminiumlegierung.
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Der
Grundträger
(2) besitzt in den Ausführungsformen
von 1 bis 11 einen im Strahlgang (7)
an der Knickstelle angeordneten Umlenkspiegel (6), an dem
der Lichtwellenstrahl (10) reflektiert wird. Der Umlenkspiegel
(6) kann in einem separatem Gehäuseaufsatz (22) an
der schrägen
Gehäuserückseite über einer
dortigen Gehäuseöffnung positionsgenau
und mit einer Dichtung angeordnet sein. Die Winkellage des z.B.
stationären
Umlenkspiegels (6) ist so gewählt, dass der Lichtwellenstrahl
(10) im Strahlgang (7) symmetrisch reflektiert
wird. Der Gehäuseaufsatz
(22) mit dem darin gehaltenen Umlenkspiegel (6)
lässt sich
einfach von außen
montieren, bei Bedarf austauschen und dabei automatisch justieren.
Die Gefahr von Berührungen,
Verschmutzungen und Beschädigungen
des Umlenkspiegels (6) ist durch diese Anordnung minimiert.
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Der
zylindrische Strahlgang (7) durchsetzt zentrisch das Gehäuse (5),
welches an den Eintritts- und Austrittsöffnungen des Strahlgangs (7)
jeweils einen Modulanschluss (8,9) zum Anschluss
des Optikmoduls (4) und des Anschlussmoduls (3)
aufweist. Beide Module (3,4) haben hierzu passende
Anschlussstellen für
eine selbstzentrierende und justierfreie Verbindung mit dem Grundträger (2).
Die Modulanschlüsse
(8,9) können
z.B. Zentrierringe mit Flanschpassungen und außenseitigen Befestigungsflanschen
für Schraubverbindungen
oder dergleichen andere geeignete Konstruktionen haben. Die Modulanschlüsse (8,9)
sind untereinander gleich, so dass die Modulpaarungen (3,4)
beliebig untereinander getauscht und angeflanscht werden können.
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Die
Module (3,4) haben ebenfalls axiale Strahlkanäle (15,20),
die fluchtend an den abgewinkelten Strahlkanal (7) anschließen. Die
frei durchgängigen
Strahlkanäle
(7,15,20) haben vorzugsweise eine zylindrische
Form und einen auch für
auf geweitete Lichtwellenstrahlen (10) ausreichenden Durchmesser.
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Das
Optikmodul (4) besitzt ein zylinderrohrförmiges Gehäuse (16)
mit dem innenliegenden Strahlkanal (20). Am einen Gehäuseende
befindet sich der Modulanschluss (9). Am anderen Gehäuseende
ist eine Fokussieroptik (18) im Strahlkanal (20)
angebracht und in geeigneter Weise stationär gehalten. In Strahlrichtung
hinter der Fokussieroptik (18) kann ein Schutzglas (19)
angebracht sein, um die Fokussieroptik (18) gegen Umwelteinflüsse, z.B. Schweißspritzer,
Schmauch oder dergleichen zu schützen.
Außerdem
ist das Optikmodul (4) spritzwasserfest.
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In
Strahlrichtung kann mit kurzem Abstand vor der Fokussieroptik (18)
eine Kollimationsoptik (17) im Strahlgang (20)
des Optikmoduls (4) angebracht sein. Die Kollimationsoptik
(17) befindet sich in Strahlrichtung hinter dem Umlenkspiegel
(6) und formt den auftreffenden, konisch aufgeweiteten
Lichtwellenstrahl (10) in einen Strahl mit im Wesentlichen parallelen
Lichtwellen um. Der Parallelstrahl wird in der anschließenden Fokussieroptik
(18) wieder gebeugt und zum Fokuspunkt (nicht dargestellt)
fokussiert.
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Beide
Optiken (17,18) bestehen aus ein oder mehreren
geeigneten optischen Linsen. Die Linsendurchmesser können größer als
45 mm sein. Für
den vorstehend angegebenen Brennweitenbereich liegen die Linsendurchmesser
vorzugsweise zwischen 60 mm und 100 mm und können auch noch größer sein. Die
Linsen können
aus einem beliebig geeigneten und vorzugsweise preisgünstigen
Material, z.B. billigen Glassorten, Kunststoffen oder dgl., bestehen.
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Wie 1 im
Baukastensystem und 2, 4 und 6 in
den drei Modulvarianten verdeutlichen, können die Optikmodule (4)
in den Gehäuselängen variieren.
Hierdurch ändert
sich der Abstand der Optiken (17,18) vom Grundträger (2)
und vom Umlenkspiegel (6). Dementsprechend ändert sich
die Kollimationslänge.
Ferner können
die Brennweiten der Optiken (17,18) variieren.
Bei den längeren
Optikmodulen (4) von 1, 2 und 6 haben z.B.
die Fokussieroptik (18) eine Brennweite von 750 mm und
die Kollimationsoptik (17) eine Brennweite von 500 mm.
Bei der kürzeren
Modulvariante von 1 und 4 beträgt die Brennweite
der Fokussieroptik (18) z.B. 500 mm und die Brennweite
der Kollimationsoptik (17) 330 mm. Entsprechend der unterschiedlichen
Brennweiten können
auch die Linsen und Kanaldurchmesser der verschiedenen Optikmodule
(4) variieren.
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Die
Optiken (17,18) können austauschbar in den Optikmodulen
(4) untergebracht werden und sind z.B. in einem frontseitig
zugänglichen
zylindrischen Aufnahmeschacht mittels Halteringen gelagert und gegeneinander
distanziert. Sie werden durch einen stirnseitig aufgesetzten Spannring
gehalten und als Paket gegen einen rückwärtigen Bund des zylindrischen
Aufnahmekanals gepresst.
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In
Variation zur gezeigten stationären
Optikanordnung ist auch eine verstellbare Ausführungsform möglich, die
bei Bedarf eine Fokusnachführung
erlaubt. Hierfür
können
z.B. nur die Fokussieroptik (18) oder beide Optiken (17,18)
in einem axial verschiebbaren und motorisch angetriebenen Schlitten
gelagert sein, der von einer geeigneten Steuerung beaufschlagt wird.
Eine Fokusnachführung
kann z.B. bei Schwenkbewegungen des Lichtwellenstrahls (10) gegenüber einem
ebenen Werkstück
(39) zum Ausgleich der durch die Bogenbewegung hervorgerufenen
Höhenänderungen
des Fokuspunktes sinnvoll sein.
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Das
Anschlussmodul (3) dient zum lösbaren Anschluss eines Lichtwellenleiters
(13), von dem der Übersicht
halber in 2 nur der Stecker (23)
oder die Montagefassung mit einem kurzen Kabelstück dargestellt sind. Für die vorzugsweise
lösbare
Verbindung besitzt das Anschlussmodul (3) am rückwärtigen Ende
einen entsprechenden Lichtleiteranschluss (12), der z.B.
als buchsenförmige
Aufnahme für
den Stecker (23) des Lichtleiters (13) ausgebildet ist.
Die lösbare
Verbindung kann z.B. eine Bajonettkupplung sein. Am vorderen Ende
hat das Anschlussmodul (3) einen Modulanschluss (8),
der in entsprechender Weise wie der andere Modulanschluss (9)
des Optikmoduls (4) ausgebildet sein kann.
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Das
Anschlussmodul (3) besitzt ebenfalls ein im Wesentlichen
rohrförmiges
Gehäuse
(11) mit einem zentralen und geraden Strahlkanal (15).
Bei den in 1 im Baukasten dargestellten
Varianten des Anschlussmoduls (3) ändert sich die Form und Länge des
Gehäuses
(11). Hierbei ändert
sich auch der Abstand des Lichtleiteranschlusses (12) vom
Grundträger
(2) und vom Umlenkspiegel (6). Dementsprechend
variiert die Kollimationslänge,
die als der Abstand zwischen der Austrittsstelle (14) des
Lichtwellenstrahls am Lichtleiter (13) und dem Auftreffpunkt an
der Kollimationsoptik (17) bei zentrischem Strahlengang
definiert ist. In 2 ist dies mit dem Zentralstrahl
bzw. der strichpunktierten optischen Achse (21) dargestellt.
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In
der Modulvariante 3 von 1 und 2 erstreckt
sich das Gehäuse
(11) vom Modulanschluss (8) nach hinten. Hierbei
sind der Lichtleiteranschluss (12) und der Austrittspunkt
(14) weit vom Umlenkspiegel (6) distanziert. Hierdurch
ergibt sich eine große
Kollimationslänge,
die mit einer entsprechenden starken Aufweitung des Lichtwellenstrahls (10)
verbunden ist, was in 2 durch gestrichelte Linien
verdeutlicht ist. Bei dieser Variante hat auch das Optikmodul (4)
eine große
Gehäuselänge und lange
Brennweiten in den Optiken (17,18).
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In
der zweiten Variante von 4 und der zugehörigen mittleren
Moduldarstellung von 1 hat das Anschlussmodul (3)
eine kurze Gehäuselänge, wobei
sich außerdem
das Gehäuse
(11) vom Modulanschluss (8) nach vorn erstreckt
und ein Stück
in den Strahlkanal (7) des Grundträgers (2) hineinragt. Dementsprechend
wandern der Lichtleiteranschluss (12) und die Strahlaustrittsstelle
(14) näher
zum Umlenkspiel (6) und führen zu einer Verkürzung der
Kollimationslänge.
In der Darstellung von 4 kommt hierbei das kürzere der
beiden Optikmodule (4) mit den kürzeren Brennweiten der Optiken
(17,18) zum Einsatz.
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In
der dritten Variante von 6 und der unteren Moduldarstellung
von 1 hat das Anschlussmodul (3) ein Gehäuse (11),
welches einen noch längeren
vorderen Gehäuseabschnitt
aufweist und noch tiefer in den Strahlkanal (7) des Grundträgers (2)
ragt. Durch diese Gestaltung wird eine noch größere Annäherung des Lichtleiteranschlusses
(12) und der Strahlaustrittsstelle (14) an den
Umlenkspiegel (6) erreicht. Bei dieser Variante von 6 kommt das
längere
Optikmodul (4) mit den größeren Brennweiten der Optiken
(17,18) zum Einsatz. Im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel
von 2 wird hierdurch die Kollimationslänge gegenüber der
Brennweite verkürzt.
Dies führt
beim Ausführungsbeispiel von 6 zu
einer geringeren Strahlaufweitung. Auf diese Weise können auch
Strahlquellen mit einer größeren Strahldivergenz
eingesetzt werden.
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Durch
die beschriebene Lichtwellenoptik (1) lässt sich eine optimale Anpassung
an unterschiedliche Laserquellen und unterschiedliche Brennweiten erzielen.
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Die
verschiedenen Laserquellen (40), z.B. Faserlaser, Diodenlaser,
CO2-Laser und dergleichen haben unterschiedliche
Strahleigenschaften und unterschiedliche Spreizwinkel des Laserstrahls.
Faserlaser oder Scheibenlaser haben z.B. eine sehr hohe Strahlqualität mit enger
Strahlbündelung
und geringen Spreizwinkeln. Bei kleinen Strahlspreizwinkeln kann
es sich empfehlen, zur Erzielung der gewünschten Strahlaufweitung und
Aperturgröße das längere Anschlussmodul
(3) von 2 einzusetzen und dadurch den
Abstand des Strahlaustrittspunktes (14) vom Umlenkspiegel
(6) groß zu
machen. Bei schlechteren Strahlqualitäten und größeren Strahlspreizwinkeln kann
es sich empfehlen, diesen Abstand zu verkürzen und die anderen Varianten
des Anschlussmoduls (3) gemäß 4 und 6 einzusetzen.
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In
vielen Einsatzfällen
gehen die gewählte Brennweiten
und die Länge
der Kollimationsstrecke proportional einher. Je länger die
Fokussier-Brennweite wird, desto länger werden auch die Kollimations-Brennweite
und Kollimationsstrecke. Dies gilt jedenfalls dann, wenn der Durchmesser
des Brennflecks oder Fokuspunktes im Wesentlichen konstant gehalten
werden soll. 2 und 4 verdeutlichen z.B.
dieser Vorgehensweise.
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Andererseits
ist es möglich,
den Brennfleckdurchmesser gezielt zu beeinflussen und insbesondere
zu vergrößern. Hierfür kann z.B.
bei gleich bleibenden Brennweiten beider Optiken (17,18)
die Kollimationslänge
verändert
werden. Auch die Brennweiten der Optiken (17,18)
lassen sich einzeln oder gemeinsam verändern.
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Durch
die Modulbauweise ist es möglich,
die Optik- und Anschlussmodule (4,3) beliebig
zu tauschen. Hierdurch können
die Brennweiten und die Kollimationslänge beliebig beeinflusst werden. 6 zeigt
hierbei z.B. die Konstellation mit einem langen Optikmodul (4)
und einem kurzen Anschlussmodul (3). Insbesondere lässt sich
hierdurch die Kollimationslänge
beliebig im Anschlussbereich und/oder im Optikbereich beeinflussen.
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Die
Lichtwellenoptik (1) kann in beliebiger Weise geführt und
eingesetzt werden. Der Grundträger
(2) lässt
sich z.B. direkt an einem stationären Ständer oder an einem beweglichen
Manipulator anbringen. Der Grundträger (2) kann z.B.
direkt oder mittelbar über
eine Wechselkupplung an der Roboterhand (37) eines mehrachsigen
Industrieroboters (36), z.B. eines sechsachsigen Gelenkarmroboters, angeflanscht
werden. 15 zeigt diese Anordnung mit
einer Stirnansicht auf das Gehäuse
(5). Bei einem Modulwechsel kann hierdurch die Trägerbefestigung gleich
bleiben. Andererseits ist es möglich,
die in den Zeichnungen dargestellte Lichtwellenoptik (1)
mit einem separaten Gestell oder Gehäuse zu umgeben und dieses mit
einer stationären
oder instationären Führung zu
verbinden. Dies kann z.B. ein U-förmiger Haltebügel sein,
der das Gehäuse
(5) seitlich längs eines
Strahlkanalabschnitts (7) übergreift und mit dessen Seitenwänden verschraubt
ist. Hierbei sind zwei um 90° verdrehte
Gehäusepositionen
möglich.
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Varianten
der gezeigten Ausführungsbeispiele
sind in verschiedener Weise möglich.
Zum einen können
statt der dargestellten manuell bedienbaren Modulanschlüsse (8,9)
automatische Wechselanschlüsse
eingesetzt werden, die einen automatischen Modultausch ermöglichen.
Hierbei kann z.B. ein Roboter die Lichtwellenoptik (1)
zu einer Wechseleinrichtung führen,
die automatisch das alte Modul (3,4) abnimmt und
ein neues Modul (3,4) anflanscht. Dies kann mit
ein oder beiden Anschluss- und/oder Optikmodulen (3,4)
geschehen.
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Ein
automatischer Modulwechsel erlaubt eine Veränderung der Fokussier-Brennweite und/oder
der Brennfleckgeometrie während
des Betriebs. Die kann z.B. bei Schweißprozessen an einer Fahrzeugkarosserie
im Rahmen des Laser-Remote-Schweißens sinnvoll
sein. Zum Schweißen
großer Arbeitsbereiche,
z.B. eines seitlichen Türausschnitts an
der Karosserie wird eine große
Brennweite eingesetzt, die es dem seitlich stehenden Schweißroboter ermöglicht, über kleine
Roboterhandbewegungen den Laserstrahl entlang des Türausschnitts
zu führen.
Wenn andererseits anschließend
im Dachbereich Schweißungen
vorgenommen werden sollen, empfiehlt sich ein Brennweitenwechsel
und der Einsatz einer deutlich kürzeren
Brennweite. Hierdurch kann der Abstand der Lichtwellenoptik (1)
von der Karosserie verringert werden, was es dem Schweißroboter
mit seinem räumlich
beschränkten Arbeitsbereich
ermöglicht,
trotz seitlicher Position über
die Karosserie zu fassen und auch den Dachbereich zu bearbeiten.
Bei gleichbleibender langer Brennweite bräuchte der Roboter sonst eine
zusätzliche
Hebeachse, um einen genügenden
Abstand der Lichtwellenoptik (1) vom Karosseriedach zu
erreichen.
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Ein
anderer Anwendungsfall für
einen automatisierten Modulwechsel sind Prozessänderungen während des Betriebs und insbesondere
während des
Prozesszyklus oder der Taktzeit. Hierbei kann z.B. ein Schweißroboter
zunächst
an der Außenseite einer
Karosserie, z.B. an einer Seitenwand, Schweißnähte setzen und hierfür eine in
den Brennweiten und der Kollimation geeignete Modulkombinationen
verwenden. Wenn der Schweißprozess
abgeschlossen ist, kann der Schweißroboter innerhalb der Zykluszeit
eine andere Aufgabe an anderer Stelle wahrnehmen, indem er z.B.
auf der Innenseite der gegenüberliegenden
Seitenwand der Karosserie einen Prozess durchführt. Dies kann einerseits ein Schweißprozess
mit entsprechender Brennweitenanpassung auf Grund des größeren Werkzeugabstands sein.
Es kann sich alternativ aber auch um einen anderen Prozess handeln, z.B.
Löten,
Kleben, Ausgleichserwärmen,
Gelieren oder dergleichen. Wenn statt des Schweißens ein großflächiges Erwärmen von
Werkstückbereichen
gewünscht
wird, kann entsprechend die Brennfleckgröße durch Änderung der Brennweiten und/oder
der Kollimation erhöht
werden. In den genannten Fällen
wird der Modulwechsel innerhalb der Zykluszeit oder Taktzeit durchgeführt.
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Die
Erfindung sieht darüber
hinaus weitere Variationsmöglichkeiten
zur Beeinflussung, Veränderung
der Brennweiten, der Kollimation und der Brennfleckgeometrie vor.
Statt der vorbeschriebenen Modulbauweise mit einzelnen wechselbaren
Modulen (3,4) können Mehrfacheinheiten (24)
in unterschiedlichen Ausführungsformen
eingesetzt werden. Die Mehrfacheinheiten (24) besitzen
mehrere Optikmodule (26 bis 28, 32 bis 34),
die nach Bedarf ausgewählt
und zum Einsatz kommen können.
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Eine
Mehrfacheinheit (24) kann z.B. die in 8 bis 11 dargestellte
Revolvereinheit (25) mit mehreren, z.B. drei unterschiedlichen
Optikmodulen oder Optikeinheiten (26,27,28)
sein. Die Optikmodule (26,27,28) unterscheiden
sich wie in der vorstehend beschrieben Ausführungsformen von 1 bis 7 in
den Brennweiten und ggf. der gegenseitigen Anordnung der Fokussier-
und Kollimationsoptik (17,18). Auch die Gehäuselängen können unterschiedlich
sein. Die Optikmodule (26,27,28) sind
gemeinsam an einem Modulträger
(29) angebracht, der um eine Drehachse (30) drehbar
am Grundträger
(2) angeordnet ist.
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Die
Optikmodule (26,27,28) sind mit ihren zentralen
Optikachsen (35) derart am Modulträger (29) angebracht
und ausgerichtet, dass sich die Optikachsen (35) zusammen
mit der optischen Achse (21) des Laserstrahls (10)
an der Reflektionsfläche des
Umlenkspiegels (6) in einem gemeinsamen Punkt (43)
schneiden. Diesen Punkt (43) schneidet auch die Drehachse
(30) des Modulträgers
(29). Die Optikmodule (26,27,28)
sind im Kreis mit einer kegelartigen Anordnung rund um die zentrale
Drehachse (30) positioniert und dabei vorzugsweise in Umfangsrichtung
gleichmäßig verteilt. 8 zeigt
diese Anordnung. Die Optikachse (35) des gerade beaufschlagten
Optikmoduls (26) fällt
dabei mit der optischen Achse (21) des Laserstrahls (10)
zusammen.
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Die
Anbringung der Optikmodule (26,27,28) am
Modulträger
(29) kann stationär
oder in der vorbeschriebenen Art wechselbar sein. Durch eine Revolverdrehung
um die Achse (30) wird das jeweils benötigte Optikmodul (26,27,28)
in Position gebracht. 11 verdeutlicht diese Kinematik.
Hierfür
ist ein geeigneter Revolverantrieb (nicht dargestellt) nebst zugehöriger integrierter
oder externer Steuerung vorhanden. Der Revolverantrieb ist z.B. über eine
Leitung (42) mit der Robotersteuerung (38) verbunden. Zudem
können
geeignete Überwachungseinrichtungen
mit Sensoren etc. vorhanden sein.
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In
einer in 12 bis 14 dargestellten weiteren
Variation ist es möglich,
die Mehrfacheinheit (24) als Drehspiegeleinheit (31)
auszubilden. Hierbei können
mehrere Optikeinheiten oder Optikmodule (32,33,34)
in einer Fassung an der Ausgangsseite des Grundträgers (2)
stationär
angeordnet werden, wobei eine variable und gezielte Strahlzuführung zu den
einzelnen Optikmodulen (32,33,34) erfolgt.
Die stationäre
Anordnung der Optikmodule (32,33,34) kann
wiederum fest oder lösbar
sein.
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Die
Strahlzuführung
kann z.B. mittels eines um ein oder zwei Achsen (45,46)
schwenkbaren Umlenkspiegels (6) geschehen, der die auf
einer Kugelschale um den kardanischen Spiegeldrehpunkt (44) angeordneten
Optikmodule (32,33,34) nach Bedarf anvisiert.
Die Schwenkachse (45,46) können die in der Reflektionsebene
des Umlenkspiegels (6) befindlichen Hauptachsen sein. Der
Umlenkspiegel (6) führt
beim Anvisieren der verschiedenen Optikmodule (32,33,34)
und zur gezielten Ablenkung des einfallenden Laserstrahls (10)
eine Taumelbewegung um den Spiegeldrehpunkt (44) aus.
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Die
Optikmodule (32,33,34) sind ähnlich wie im
vorigen Ausführungsbeispiel
der Revolvereinheit (25) mit schrägen und im Spiegeldrehpunkt
(44) sich schneidenden Optikachsen (35) in kegelförmiger Verteilung
um eine zentrale und ebenfalls den Punkt (44) schneidende
Achse angeordnet.
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Auch
bei der Drehspiegeleinheit (31) sind entsprechend geeignete
Antriebe nebst Steuerung und Überwachungseinrichtungen
(nicht dargestellt) vorhanden und ggf. mit der Robotersteuerung
(38) verbunden.
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Ein
ein- oder mehrachsig beweglicher Umlenkspiegel (6) kann
auch in Verbindung mit den anderen vorbeschriebenen Ausführungsformen
mit einzeln wechselbaren Modulen, Revolverkopf oder dergleichen
eingesetzt werden, um den Lichtwellenstrahl (10) unterschiedlich
zu den Optiken (17,18) hin abzulenken und die
Ausgangs-Strahlcharakteristik entsprechend
zu ändern.
Ferner ist es möglich,
ein oder beide Optiken (17,18) drehbeweglich anzuordnen,
um z.B. über
eine Taumelbewegung ein oder beider Optiken (17,18)
den austretenden Laserstrahl in einer Kreisbahn oder dergleichen
wandern zu lassen.
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Variationen
sind auch an der Anschlussseite zum Lichtleiter (13) möglich. Der
Lichtleiteranschluss (12) kann z.B. stationär am Grundträger (2)
angeordnet und mit diesem fest verbunden sein. In diesem Fall bestehen
anschlussseitig keine Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der
Kollimationslänge.
In diesem Fall wird nur auf der Optikseite durch die Optikmodule
(4) oder dergleichen und variierende Abstände der
Optiken (17,18) vom Umlenkspiegel (6)
Einfluss auf die Kollimationslänge
genommen. Ferner ist es möglich,
den Lichtleiteranschluss (12) verstellbar zu machen, wobei
der Stecker (13) in Richtung der einfallenden optischen
Achse (21) vor- und zurückbewegt
werden kann und der Abstand der Austrittsstelle (14) vom
Umlenkspiegel (6) verändert
wird.
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Die
vorgenannten Variationsmöglichkeiten erlauben
ebenfalls eine Veränderung
der Lichtwellenoptik (1) während des Betriebs und der
Zyklus- oder Taktzeiten.
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Ein
bevorzugter Einsatzbereich der Laseroptik (1) liegt beim
Schweißen,
Löten oder
Schneiden mit einem Laserstrahl (10). Durch die lange Brennweite
ist hierbei z.B. ein sogenanntes Remote-Laserschweißen mit
großem
Abstand zum Werkstück
(39) möglich.
Ansonsten ist es auch möglich,
mit einem Laserstrahl (10) oder einem sonstigen Lichtwellenstrahl
beliebige andere Prozesse durchzuführen, z.B. Löten, Oberflächenerwärmungen
beim Kleben, Gelieren, Entspannen, Gefügeändern etc., Oberflächenbearbeitungen
in Form eines Beschriftens oder Gravierens von Bauteilen etc..
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- 1
- Lichtwellenoptik,
Laseroptik
- 2
- Modul,
Grundträger
- 3
- Modul,
Anschlussmodul
- 4
- Modul,
Optikmodul
- 5
- Gehäuse Grundträger
- 6
- Umlenkspiegel
- 7
- abgewinkelter
Strahlkanal
- 8
- Modulanschluss
- 9
- Modulanschluss
- 10
- Lichtwellenstrahl,
Laserstrahl
- 11
- Gehäuse Anschlussmodul
- 12
- Lichtleiteranschluss
- 13
- Lichtleiter
- 14
- Austrittsstelle
Lichtwellenstrahl
- 15
- Strahlkanal
im Anschlussmodul
- 16
- Gehäuse Optikmodul
- 17
- Kollimationsoptik,
Kollimationslinse
- 18
- Fokussieroptik,
Fokussierlinse
- 19
- Schutzglas
- 20
- Strahlkanal
im Optikmodul
- 21
- optische
Achse
- 22
- Gehäuseaufsatz
- 23
- Stecker
- 24
- Mehrfacheinheit
- 25
- Revolvereinheit
- 26
- Optikmodul,
Optikeinheit, drehbar
- 27
- Optikmodul,
Optikeinheit, drehbar
- 28
- Optikmodul,
Optikeinheit, drehbar
- 29
- Modulträger
- 30
- Drehachse
Modulträger
- 31
- Drehspiegeleinheit
- 32
- Optikmodul,
Optikeinheit, fest
- 33
- Optikmodul,
Optikeinheit, fest
- 34
- Optikmodul,
Optikeinheit, fest
- 35
- Optikachse
- 36
- Manipulator,
Industrieroboter
- 37
- Roboterhand
- 38
- Robotersteuerung
- 39
- Werkstück
- 40
- Laserquelle
- 41
- Roboterschweißzelle
- 42
- Leitung
- 43
- Schnittpunkt
- 44
- Spiegeldrehpunkt
- 45
- Schwenkachse
Umlenkspiegel
- 46
- Schwenkachse
Umlenkspiegel