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Die
Erfindung betrifft eine Strahlweiche mit den Merkmalen im Oberbegriff
des Hauptanspruchs.
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Aus
der Praxis sind derartige Strahlweichen in Form von Serienweichen
bekannt. Der von einer Laserquelle kommende Laserstrahl wird mit
einer solchen Strahlweiche in verschiedene ausgangseitige Strahlleitungen
eingekoppelt. Die bekannten Strahlweichen besitzen eine Reihe von
schaltbaren Umlenkspiegeln, die bei Bedarf in den einfallenden Strahlengang
eingeschoben oder zurückgezogen werden.
Die Ausgänge
sind in einer Reihe hintereinander und entlang der einfallenden
Strahlachse angeordnet. Dies führt
zu einem erheblichen Platzbedarf und Bauaufwand. Die Schaltzeiten
für das
Ein- und Ausfahren der für
jeden Ausgang einzeln vorhandenen Umlenkspiegel sind relativ lang.
Dies kann bei quasi parallelen Arbeitsprozessen, z.B. dem Flip-Flop-Schweißen oder
bei einem Lasermanagement, bei dem eine Strahlquelle mehrere Laserstationen
versorgt, kritisch werden. Durch die Divergenz der aus den üblicherweise
fasergekoppelten Strahlleitungen austretenden Laserstrahlung ist
die Anzahl der möglichen
Ausgänge
begrenzt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bessere Strahlweichentechnik
aufzuzeigen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
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Die
beanspruchte Sternweiche hat verschiedene Vorteile. Sie bietet einerseits
eine wesentlich höhere
Zahl an möglichen
Ausgängen
in Verbindung mit einer kompakten Bauform und Baugröße. Die Strahldivergenz
ist bei einer symmetrischen Anordnung für alle Ausgänge gleich, so dass überall die gleiche
Strahlqualität
besteht.
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Durch
die drehbare Umlenkeinheit, die z.B. als Scannerspiegel oder Prisma
ausgebildet sein kann und nur einmal vorhanden sein kann, wird der Bauaufwand
verringert. Eine drehbare Umlenkeinheit lässt sich außerdem schnell und exakt positionieren, wodurch
die Schaltzeiten deutlich geringer als beim Stand der Technik werden.
Günstig
ist hierbei der Einsatz eines Galvanometers oder eines Servo-Scheibenmotors
als Positionierantrieb.
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Mit
der beanspruchten Strahlweiche ist der Aufbau eines Lasermanagement-Netzwerks
möglich, wobei
auch Andockstellen in der Art von Steckdosen für die bedarfsweise Ankopplung
von Verbrauchern, insbesondere Laserwerkzeugen vorhanden sein können. Die
Leitungsabschnitte zwischen der Strahlweiche und den Andockstellen
können
fest verlegt sein, was der Strahlqualität zugute kommt. Im Netzwerk können noch
weitere Verzweigungsstellen vorhanden sein.
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Die
Strahlweiche eignet sich besonders für Laserquellen mit hoher Strahlqualität, z.B.
Faserlaser. Durch die beanspruchte Strahlweiche kann die Zahl der
Fasereinkopplungen niedrig gehalten und trotzdem ein hochflexibles
Netzwerk erreicht werden. Günstig
ist außerdem
die hohe Verfügbarkeit
der beanspruchten Strahlweiche.
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Die
Strahlweiche oder Sternweiche bietet weitere Möglichkeiten für eine Verbesserung
der Strahlführung
und eine Aufrechterhaltung der Strahlqualität. Über Einkoppeloptiken kann das
Einkoppelverhalten in die Ausgänge
und die Ableitungen verbessert werden. Hierbei ist es besonders
günstig, wenn
Einkoppelmodule für
jeden Ausgang der Strahlweiche eingesetzt werden, die jeweils eine
Einkoppeloptik nebst Faseraufnahme aufweisen und außerdem eine
Kühlung
und einen Absorber und/oder eine Sensorik für evtl. fehlgeleitete Laserstrahlen
aufweisen können.
Hierdurch wird auch die Sicherheit der Strahlweiche erhöht.
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Die
beanspruchte Strahlweiche und die Strahlführungstechnik bieten außerdem Kostenvorteile
in Verbindung mit einer hohen Verfügbarkeit und einer großen Flexiblität. Sie können Bestandteil
einer Strahlbearbeitungsanlage sein.
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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:
eine schematische Ansicht einer Strahlweiche in perspektivischer
Darstellung,
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2:
eine Draufsicht auf die Strahlweiche,
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3:
eine Seitenansicht der Strahlweiche und
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4:
eine Schemadarstellung einer Bearbeitungsanlage mit einer Strahlweiche
und einem Netzwerk.
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Die
Erfindung betrifft eine Strahlweiche (10) und darüber hinaus
auch eine Bearbeitungsanlage (1), die mit ein oder mehreren
solcher Strahlweichen (10) ausgerüstet ist.
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1 zeigt
schematisch eine solche Stahlbearbeitungsanlage (1), in
der z.B. ein oder mehrere Werkstücke
(2) mit einem energiereichen Strahl (32), z.B.
einem Laserstrahl, bearbeitet werden. Die Werkstücke (2) sind z.B.
Karosseriebauteile, können
ansonsten aber von beliebiger anderer Art sein. Die Bearbeitungsprozesse
können
ebenfalls von beliebiger Art und auch von unterschiedlicher Natur
sein. Mit dem Strahl (32), insbesondere einem Laserstrahl können Schweiß-, Löt- oder
Trennprozesse durchgeführt
werden. Der Strahl (32) kann außerdem zur Oberflächenbearbeitung,
zum Erwärmen
von Werkstückbereichen,
zum Aushärten
oder Gelieren oder zu beliebigen anderen Prozess- und Bearbeitungszwecken
genutzt werden.
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Die
Strahlbearbeitungsanlage (1) beinhaltet ein oder mehrere
Bearbeitungsstationen, in denen ein oder mehrere Verbraucher für den Strahl
(32), z.B. Strahlwerkzeuge (5), insbesondere Laserwerkzeuge,
benutzt werden. Sie können
stationär
angeordnet sein oder von Bearbeitungsgeräten (6) bewegt und
bedient werden. Dies können
z.B. mehrachsige Industrieroboter, insbesondere Gelenkarmroboter
sein. In der linken Bildhälfte
ist z.B. ein solcher Gelenkarmroboter (6) mit einem Strahlwerkzeug
(5) an der Roboterhand und einem austretenden Laserstrahl
(32) dargestellt.
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Die
Strahlbearbeitungsanlage (1) beinhaltet ferner ein oder
mehrere Strahlquellen (4), die z.B. als Laserquellen ausgebildet
sind und die von beliebiger Art und Größe sein können. Ferner sind ein oder mehrere
Strahlweichen (10) vorhanden, deren Eingang (11) über eine
Strahlleitung (7) mit der Strahlquelle (4) verbunden
ist. Die Strahlweiche (10) besitzt mehrere Ausgänge (12, 13, 14),
die ebenfalls über Strahlleitungen
(7) mit den Verbrauchern (5) auf direktem oder
indirektem Weg verbunden sind. Die Strahlweiche (10) kann
mit den Strahlleitungen (7) ein Netzwerk (8) für das Strahlmanagement
und die Verteilung der Strahlen (32) bilden. Über die
Strahlweiche (10) wird der von der Strahlquelle (4)
emittierte Strahl (32) nach Bedarf zu den Verbrauchern
oder Strahlwerkzeugen (5) geleitet. Die Strahlweiche (10) ist
hierfür
mit einer übergeordneten
Steuerung (3), z.B. einer Anlagensteuerung, verbunden.
In 4 ist z.B. die am Ausgang (12) angeschlossene
Strahlleitung (7) oder Ableitung (17) mit dem
Strahl beaufschlagt.
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Die
Strahlleitungen (7) können
von beliebiger Art sein. In der gezeigten Ausführungsform handelt es sich
um Leitungen mit Lichtleitfasern, die z.B. als Kabel ausgebildet
sind und stationär
oder beweglich oder bzw. flexibel verlegt sein können. Die Zuleitung (16)
von der Strahlquelle (4) zur Strahlweiche (10)
kann z.B. fest verlegt sein. Bei einer festen Verlegung ist auch
eine andere Strahlführung
z.B. durch Rohre und Spiegel möglich.
An die Ausgänge
(12, 13) sind z.B. flexible Ableitungen (17)
in Form von flexiblen Lichtleitkabeln zu den Strahlwerkzeugen (5) an
den Robotern (6) verlegt.
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In
der linken Bildhälfte
von 4 ist eine Variante dargestellt, in der die Ableitungen
(17) in feste und bewegliche oder flexible Leitungsabschnitte
(18, 19) unterteilt sind. Hierbei können auch
Andockstellen (9) vorhanden sein, die z.B. als Steckdosen
zum Ankuppeln von Leitungsenden ausgebildet sind. Die festen Leitungsabschnitte
(18) sind zwischen ein oder mehreren Ausgängen (14)
der Strahlweiche (10) und jeweils einer Andockstelle (9)
angeordnet und können
fest im Anlagenboden, im Stahlbau oder in anderer Weise verlegt
sein. Ausgangseitig an den Andockstellen (9) sind die beweglichen
oder flexiblen Leitungsabschnitte (19) in Form von Strahlleitkabeln angeschlossen,
die zu den Verbrauchern oder Strahlwerkzeugen (5) und durch
ihre Flexibilität
deren Bewegungen mitmachen.
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In 1 bis 3 ist
eine Strahlweiche (10) mit ihren Komponenten dargestellt.
Die Strahlweiche (10) ist als Sternweiche ausgebildet.
Bei einer Sternweiche verlaufen die Strahlachsen (24, 258)
des einfallenden Strahls und des ausfallenden Strahls in unterschiedlichen
Ebenen. Hierbei sind auch die Ausgänge (12, 13, 14)
im Bogen um den Eingang (11) angeordnet. Die Bogenanordnung
kann von beliebiger Art und Größe sein.
z.B. können
die Ausgänge (12, 13, 14)
wie in der gezeigten Ausführungsform
in einem geschlossenen Kreis und symmetrisch um den Eingang (11)
und die einfallende Strahlachse (24) angeordnet sein. Die
Ausgänge
(12, 13, 14) können alternativ nur über einen
kleineren Bogenbereich bzw. Bogenwinkel verteilt angeordnet sein.
Die Bogenanordnung muss auch nicht symmetrisch zur einfallenden
Strahlachse (24) sein.
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In
der gezeigten Anordnung wird der einfallende Strahl um 90° in die in
der gleichen Ebene liegenden Ausgänge (12, 13, 14)
umgelenkt. Der Umlenkwinkel kann alternativ von 90° abweichen.
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Die
Strahlweiche (10) besitzt eine drehbare Strahlumlenkeinheit
(20), deren Drehachse (22) längs der einfallenden Strahlachse
(24) ausgerichtet ist. Die Strahlumlenkeinheit (20)
weist als Umlenkmittel z.B. einen drehbaren Scannerspiegel (21)
auf, der ggf. eine Kühlung
besitzt. In 3 ist ein solcher Scannerspiegel
(21) dargestellt. Alternativ kann ein Prisma oder ein anderes
Umlenkelement eingesetzt werden.
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Die
Strahlumlenkeinheit (20) besitzt einen Positionierantrieb
(23), mit dem das Umlenkelement, z.B. der um 45° zur Drehachse
(22) geneigte Scannerspiegel (21) und der von
diesem umgelenkte Strahl (32) exakt auf den gewünschten
Ausgang (12, 13, 14) gerichtet wird.
Der Positionierantrieb (23) kann von beliebiger geeigneter
Bauart sein. Er ist z.B. als Spiegelgalvanometer ausgebildet, der
sehr schnelle Schaltzeiten der Strahlwege im μs-Bereich ermöglicht und über Schrittmotoren
oder andere geeignete Antriebselemente eine hochpräzise Positionierung
erlaubt.
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Alternativ
kann der Positionierantrieb (23) als besonders flach bauender
elektrischer Servo-Scheibenmotor ausgebildet sein, wie er z.B. von
der Firma Nikki-Denso vertrieben wird. Die kleine Bauform kommt
der Kompaktheit der Strahlweiche (10) zu Gute. Der Servo-Scheibenmotor
bietet eine schnelle und präzise
Positionsansteuerung und einen Direktantrieb.
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Der
Positionierantrieb (23) besitzt z.B. einen Absolut-Positionsgeber für maximale
Sicherheit und Schalttreue. Der Positionierantrieb (23)
beinhaltet ferner eine Steuerung (15) oder Weichensteuerung. Die
Steuerung (15) ist an die übergeordnete Steuerung (3)
angeschlossen oder kann in diese integriert sein. Sie erhält dabei
ihre Stellbefehle von der übergeordneten
Anlagensteuerung.
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Am
Eingang (11) und an den in beliebiger Zahl vorhandenen
Ausgängen
(12, 13, 14) sind die Strahlleitungen
(7) in Form der vorerwähnten
Zuleitung (16) und der Ableitungen (17) angeschlossen. Die
Strahlleitungen (7, 16, 17) können von
beliebiger Art und Ausbildung sein. Vorzugsweise handelt es sich
um Faserleitkabel.
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Zur
Verbesserung des Einkoppelverhaltens des von der Strahlumlenkeinheit
(20) abgelenkten Strahls (32) in die Ausgänge (12, 13, 14)
ist mindestens eine Einkoppeloptik (27) vorhanden. Diese
kann in beliebig geeigneter Weise ausgebildet sein. In der gezeigten
Ausführungsform
handelt es sich um eine Fokussierlinse, die den umgelenkten Strahl
(32) auf den Ausgang (12, 13, 14)
fokussiert. Die Strahlweiche (10) kann eine einzelne Einkoppeloptik
(27) aufweisen, die z.B. in Ablenkrichtung vor den Scannerspiegel
(21) oder in einem anderen Umlenkelement angeordnet und
mit diesem verbunden ist, so dass er sich mit dem Scannerspiegel
(21) mitdreht. In der gezeigten Ausführungsform ist für jeden
Ausgang (12, 13, 14) eine eigene Einkoppeloptik
(27) vorhanden und ist starr vor dem zugehörigen Ausgang
angeordnet.
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Die
gezeigte Strahlweiche (10) besitzt an den Ausgängen (12, 13, 14)
jeweils ein Einkoppelmodul (26), an welches ausgangseitig
die jeweilige Ableitung (17) angeschlossen ist. Ein solches
Einkoppelmodul ist z.B. in der rechten Bildhälfte von 2 schematisch
dargestellt. Es umfasst eine Faseraufnahme (28) für den Anschluss
der Ableitung (17). Die Faseraufnahme und das dort mündende Faserende der
Ableitung (17) sind stationär angeordnet. Das Einkoppelmodul
(26) kann ferner die vorerwähnte stationäre Einkoppeloptik
(27) aufweisen, die lagegenau vor der Faseraufnahme (28)
und dem Faserende positioniert ist und den Strahl (32)
exakt auf den Fasereingang fokussiert. Das Einkoppelmodul (26) kann
ferner eine geeignete Kühlung
(29) für
die Faseraufnahme (28) und die anderen thermisch belasteten
Bauteile aufweisen. Zudem kann das Einkoppelmodul (26)
einen Strahlabsorber und zusätzlich oder
alternativ eine Sensorik (30) für einen eventuell fehlgeleiteten
Ausgangsstrahl besitzen. Die Sensorik (30) kann z.B. als
Streulichtsensor ausgebildet sein, mit dem Streulicht erfasst werden
kann, welches bei einem fehlerhaften Einkoppeln des Ausgangsstrahls an
die Lichtleitfaser entsteht. Die Sensorik (30) ist mit zumindest
einer der Steuerungen (3, 15) verbunden und sorgt
bei fehlerhafter Strahlführung
für eine
Sicherheitsabschaltung in geeigneter Weise. Hierbei kann z.B. die
Strahlquelle (4) abgeschaltet oder der Strahl (32)
in der Strahlweiche (10) auf einen anderen Ausgang umgelenkt
werden.
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Am
Eingang (11) der Strahlweiche (10) ist ebenfalls
eine Faseraufnahme (28) angeordnet. Hier kann ebenfalls
eine geeignete Kühlung
vorhanden sein. Die eingang- und ausgangseitigen Faseraufnahmen
(28) sind exakt zueinander positioniert und ausgerichtet,
um für
eine korrekte Strahlumlenkung und eine exakte Ausrichtung der Strahlachsen
(24, 25) zu den Zu- und Ableitungen (16, 17)
zu sorgen. Die eingangseitige Faseraufnahme (28) ist z.B.
vertikal und zentrisch angeordnet, wobei die ausgangseitigen Faseraufnahmen
(28) in einem zentrischen Kreis und in einer zur einfallenden
Strahlachse (24) senkrechten Ebene angeordnet sind. Die
Faseraufnahmen (28), die Einkoppelmodule (26)
und die weiteren Komponenten der Strahlweiche (10) sind
in einem gemeinsamen Gehäuse
(nicht dargestellt) untergebracht. Die Einkoppelmodule (26)
können
hierbei eigene Gehäuse
für ihre
Komponenten aufweisen.
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Abwandlungen
der gezeigten Ausführungsformen
sind in verschiedener Weise möglich.
Die Einkoppelmodule (26) und deren Teile können z.B.
je nach Art der Strahlleitungen (7, 16, 17)
unterschiedlich ausgebildet sein. Wenn rohrförmige Strahlleitsysteme zum
Einsatz kommen, wird z.B. statt einer Faseraufnahme eine Rohraufnahme
verwendet. Ferner kann der Umlenkwinkel variieren, wobei die Ausgänge (12, 13, 14)
entsprechend ihre Lage und Ausrichtung ändern. Die Strahlumlenkeinheit
(20) kann ebenfalls konstruktiv abgeändert werden und mit einem
anderen Positionierantrieb (23) oder einem anderen Umlenkelement
statt eines Scannerspiegels (21) ausgerüstet werden. Die Strahlumlenkeinheit (20)
kann ferner ein oder mehrere Zusatzachsen aufweisen, die quer zur
Drehachse (22) ausgerichtet sind. Bei einer zweiachsigen
Ausführung
kann z.B. der Scannerspiegel (21) zusätzlich gekippt werden, wodurch
der Umlenkwinkel geändert
wird. Bei einer mehrachsigen Ausführung können die Ausgänge (12, 13, 14)
in verschiedenen Höhenlagen
bezüglich der
einfallenden Strahlachse (24) übereinander angeordnet werden,
wodurch die mögliche
Ausgangszahl erhöht
werden kann. Die Ausgänge
(12, 13, 14) können dabei z.B. auf einem Kugelabschnitt
rund um die einfallende Strahlachse (24) angeordnet sein.
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Variationen
sind auch hinsichtlich der Ausbildung der Bearbeitungsanlage (1)
und ihrer Komponenten möglich.
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- 1
- Strahlbearbeitungsanlage
- 2
- Werkstück, Karosseriebauteil
- 3
- Steuerung,
Anlagensteuerung
- 4
- Strahlquelle,
Laserstrahlquelle
- 5
- Strahlwerkzeug,
Laserwerkzeug
- 6
- Bearbeitungsgerät, Roboter
- 7
- Strahlleitung,
Laserleitung
- 8
- Netzwerk,
Strahlnetzwerk
- 9
- Andockstelle,
Steckdose
- 10
- Strahlweiche
- 11
- Eingang
- 12
- Ausgang
- 13
- Ausgang
- 14
- Ausgang
- 15
- Steuerung,
Weichensteuerung
- 16
- Zuleitung,
Leitfaser
- 17
- Ableitung,
Leitfaser
- 18
- Leitungsabschnitt
fest
- 19
- Leitungsabschnitt
beweglich
- 20
- Strahlumlenkeinheit
- 21
- Scannerspiegel
- 22
- Drehachse
- 23
- Positionierantrieb,
Galvanometer
- 24
- Strahlachse
einfallend
- 25
- Strahlachse
ausfallend
- 26
- Einkoppelmodul
- 27
- Einkoppeloptik,
Fokussierlinse
- 28
- Faseraufnahme,
Faserstecker
- 29
- Kühlung
- 30
- Sensor,
Streulichtsensor
- 31
- Gehäuse
- 32
- Strahl,
Laserstrahl