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Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, mit einem in einem Optikgehäuse angeordneten optischen Element und mit einer Führung für einen in Y-Richtung lateral zur in Z-Richtung erfolgenden Strahlausbreitung bewegbaren linearen Verstellantrieb.
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Es ist bekannt, dass Abweichungen des Strahlfokus des Laserstrahles von weniger als einem Millimeter von der Nahtfuge erhebliche Auswirkungen auf die Nahtform haben und sogar zum Abreißen des Fügeprozesses führen können. Vor dem Fügeverfahren oder während der Montage des Bearbeitungskopfes der Vorrichtung erfolgt die Justage des Strahlfokus zum TCP (Tool Center Point). Eine Grobausrichtung erfolgt in der Regel durch Schnittstellen, die Flansche senkrecht zur Richtung der Strahlausbreitung aufweisen. Die Flansche können mit Langlöchern und Arretierschrauben versehen sein oder haben Anschlagflächen, wie z. B. Stifte, mit festgelegten gestaffelten Dezentrierungen.
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Aus
DE 101 51 828 B4 ist eine Vorrichtung zum Laserstrahllöten mit einem Bearbeitungskopf mit einer Laserstrahlzuführungseinrichtung und mit einer Fokussiereinrichtung sowie mit einer Lotwerkstoffzuführungseinrichtung bekannt, bei welcher die Fokussiereinrichtung relativ zur Laserstrahlzuführungseinrichtung und relativ zum Lotwerkstoff mindestens in einer Ebene lateral bzw. senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bewegbar ist. Dabei erfolgt die Verstellung der Fokussiereinrichtung durch eine in einer Ebene bewegliche Optik. Eine genaue Ausrichtung des Laserstrahles zum TCP (Tool Center Point) ist mit dieser bekannten Vorrichtung nicht möglich.
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Der Neuerung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Art im Hinblick auf eine noch genauere Ausrichtung des Laserstrahles zum TCP (Tool Center Point) zu verbessern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Neuerung vor, dass eine zweite Führung für einen in Z-Richtung parallel zur in Z-Richtung erfolgenden Strahlausbreitung bewegbaren Linearantrieb vorgesehen ist, so dass eine Verstellung des optischen Elementes und damit des Laserstrahls in zwei Richtungen möglich ist, die in der Regel senkrecht zueinander stehen.
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Neuerungsgemäß werden somit zwei Verstellantriebe bzw. Verstellmechanismen in einem optisch-mechanischen Modul integriert, welche die oben genannte genaue Ausrichtung des Laserfokus zulassen. Dadurch wird bei Bearbeitungsoptiken eine genauere Ausrichtung des Laserstrahls zum TCP (Tool Center Point) ermöglicht. Diese Ausrichtung ist auf Grund von Fertigungstoleranzen mechanisch-optischer Bauteile erforderlich. Ein optisches Element ist für zwei Verstelldimensionen zuständig, wodurch dieser Mechanismus platzsparender als der Gebrauch von zwei Vorrichtungen für jeweils nur eine Verstelldimension ist. Das zu verstellende optische Element ist keinen Bearbeitungskräften ausgesetzt, wodurch die Justagestelle eine geringe Steifigkeit aufweisen kann. Dies ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen spielfreien Verstell- und Führungsmechanismen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Neuerung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Neuerungsgemäß sind für die Verstellung des Laserfokus in der Z-Richtung der Strahlausbreitung und für die Verstellung des Laserfokus in Y-Richtung lateral zur Richtung der Strahlausbreitung ein optisches Element und je ein linearer Verstellantrieb vorgesehen. Ferner ist zur Verstellung des optischen Elementes in Z-Richtung ein motorischer linearer Verstellantrieb und zur Verstellung des optischen Elementes in Y-Richtung und lateral zur in Z-Richtung erfolgenden Strahlausbreitung ein manueller oder ein motorischer linearer Verstellantrieb vorgesehen.
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In weiterer neuerungsgemäßer Ausgestaltung ist eine Führung für die Verstellung des optischen Elementes in der Y-Richtung am Optikgehäuse fest angebracht und der in der Führung geführte Verstellantrieb für die Führung des Verstellantriebes für die Z-Richtung ist an der Führung für den Verstellantrieb des optischen Elementes in der Z-Richtung angebracht.
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Schließlich ist zur Verstellung des optischen Elementes in einer Kombination aus Y- und Z-Verstellung eine Anordnung nach Art eines Kreuztisches vorgesehen.
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In einer konkreten Ausführungsform sind zur Verstellung des optischen Elementes in der Z-Richtung mittels des Verstellantriebes zwei parallel ausgerichtete und im Abstand voneinander angeordnete Lagerschienen in Linearlagern geführt, die das optische Element zwischen sich aufnehmen. Dabei ist das optische Element in einem kollimierten Strahlenbündel angeordnet und zur Ausbildung eines Retrofokussystems aus einer Objektivoptik mit positiver Brechkraft gebildet. Schließlich ist die Anbindung des Moduls an die Bearbeitungsoptik als lösbare Wechselschnittstelle ausgeführt.
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Ohne die neuerungsgemäße Integration von zwei Verstellantrieben in einem optisch-mechanischen Modul wäre es bei einer herkömmlichen Vorrichtung erforderlich, sowohl für die Verstellung in Richtung der Strahlausbreitung als auch für die Verstellung senkrecht zur Richtung der Strahlausbreitung jeweils ein optisches Element mit jeweils einem zugehörigen Verstellantrieb einzusetzen.
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Eine Ausführungsform der neuerungsgemäßen Vorrichtung besteht aus den Komponenten: motorischer Linearantrieb für die Verstellung des optischen Elementes in der Z-Richtung und manueller oder motorischer Linearantrieb für die Verstellung des optischen Elementes in der Y-Richtung lateral zur Richtung der Strahlausbreitung, sowie aus Führungen für beide Verstellantriebe.
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Die neuerungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mit dieser die Fokuslage in einer Ebene parallel zur Richtung der Strahlausbreitung zweidimensional verstellbar ist. Dabei erfolgen die Verstellung in Richtung der Strahlausbreitung durch einen motorischen Linearantrieb und die Verstellung lateral bzw. senkrecht zur Richtung der Strahlausbreitung durch einen manuellen oder motorischen Linearantrieb.
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Die neuerungsgemäße Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahles wird nachfolgend anhand des Funktionsprinzips und anhand einer in den Figuren dargestellten Ausführungsform näher erläutert. Es zeigt:
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1: das Funktionsprinzip der Vorrichtung,
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2: a, b das schematisch dargestellte Funktionsprinzip der Verstellung des optischen Elementes in Z-Richtung der Strahlausbreitung und in der lateralen Y-Richtung,
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3 das Funktionsprinzip der Verstellung des optischen Elementes in der Z-Richtung,
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4 die prinzipielle Darstellung einer Parallelogrammanordnung zur Einstellung des optischen Elementes in der Y-Richtung,
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5: eine Ausführungsform der Vorrichtung in einer Außenansicht,
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6: die Ausführungsform der Vorrichtung nach 5 mit geöffnetem Gehäuse und
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7: die Ansicht des geöffneten Gehäuses der Vorrichtung nach 5 und 6.
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Gemäß 1 sind innerhalb eines kastenförmigen Optikgehäuses 1 folgende Bauelemente angeordnet:
ein aus einer Fokussierlinse gebildetes optisches Element 5, ein Verstellantrieb 2 zur Verstellung des optischen Elementes 5 in Z-Richtung mittels einer Führung 3, d. h. in der Richtung der Strahlausbreitung 14 des Laserstrahls 13, und eine Führung 4 mit einem Verstellantrieb 6 zur Verstellung des optischen Elementes 5 in Y-Richtung lateral zur in Z-Richtung erfolgenden Strahlausbreitung 14 des Laserstrahles 13. Dabei ist das optische Element 5 in einem kollimierten Strahlenbündel 12 angeordnet und aus einer Objektivoptik mit positiver Brechkraft in Form eines Retrofokussystems gebildet. Die Anbindung des Moduls an die Bearbeitungsoptik ist als lösbare Wechselschnittstelle ausgeführt.
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Wie es das Funktionsprinzip der Vorrichtung nach 1 zeigt, ist die Führung 4 für die Verstellung des optischen Elementes 5 in Y-Richtung am Optikgehäuse 1 fest angebracht. Der in der Führung 4 geführte Verstellantrieb 6 für die Führung 3 des Verstellantriebes 2 für die Z-Richtung ist an der Führung 3 für den Verstellantrieb 2 des optischen Elementes 5 in Z-Richtung angebracht. Dabei erfolgt die Verstellung des optischen Elementes 5 in einer Kombination aus Y- und Z-Verstellung analog zu einem Kreuztisch, wie es in 1 prinzipiell mit Linearlagern dargestellt ist. In den folgenden Funktionsprinzipien wird nur die Z-Verstellung mit Linearlagern umgesetzt. Die Y-Verstellung erfolgt mit einem Parallelogramm 22 in Form eines Festkörper-Parallelogramm-Gelenkes.
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Wie es die 1 ferner zeigt, verlaufen die Y-Richtung in einer Ebene lateral zur Z-Richtung der Strahlausbreitung 14 und die Z-Richtung in einer Richtung bzw. in einer Ebene senkrecht zur Y-Richtung bzw. Y-Ebene.
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Die 2a und 2b zeigen schematisch das Funktionsprinzip der optischen Verstellung. Dabei zeigt 2a den Laserfokus 16 in lateraler Y-Richtung um den Betrag Y versetzt in der Werkstückoberfläche 15. Die 2b zeigt den Laserfokus 16 um den Betrag Z versetzt von der Werkstückoberfläche 15.
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Die 3 zeigt das Funktionsprinzip der Verstellung des optischen Elementes 5 in der Z-Richtung mittels des Verstellantriebes 2. Dabei sind zwei parallel ausgerichtete und im Abstand voneinander angeordnete Lagerschienen 32 in Linearlagern 33 geführt, die zwischen sich das optische Element 5 aufnehmen. Die beiden Lagerschienen 32 sind an ihren beiden freien Enden durch Zwischensegmente 34 verbunden, die in Y-Richtung verstellbar sind.
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Die 4 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung die Anordnung und Ausbildung des Parallelogramms 22. Hier sind zwei dem Optikgehäuse 1 zugehörende Festpunkte 23 für Festkörpergelenke 10 des Parallelogramms 22 und zwei weitere, ebenfalls dem Optikgehäuse 1 zugehörende Festpunkte 25 für die Führung 3 der mit dem Verstellantrieb 6 in Y-Richtung verbundenen, in einem gehäusefesten Gewinde geführten Verstellschraube 7 bzw. für die Vorspannfeder 9 in Y-Richtung dargestellt. Das Parallelogramm 22 umfasst zwei in den gehäusefesten Festpunkten 23 gelagerte Lenker 26, 27, die in am jeweiligen freien Ende angeordneten Festkörpergelenken 28 mit einem weiteren Lenker 29 verbunden sind, welcher über eine Verbindungsstange 30 das optische Element 5 trägt. Durch eine Betätigung des Verstellantriebes 6 mittels eines Justagerädchens 31 erfolgt über die Verstellschraube 7 und den Lenker 26 sowie den Lenker 29 und die Verbindungsstange 30 des Parallelogramms 22 und gegen die Wirkung der Vorspannfeder 9 eine Verstellung des optischen Elements 5 in der Bewegungsrichtung 24, d. h. in der Y-Achse und senkrecht zur Richtung der Strahlausbreitung 14. Eine entsprechende Rückstellung erfolgt unter Wirkung der Vorspannfeder 9 beim Betätigen des Verstellantriebes 6 in entgegen gesetzter Richtung.
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Die in 5 in einer perspektivischen Außenansicht dargestellte, gegenüber der Prinzipdarstellung in 1 um 90° gedrehte Ausführungsform der Vorrichtung umfasst das Optikgehäuse 1, das optische Element 5 und den Verstellantrieb 6 in lateraler Y-Richtung, welcher als Stellschraube oder Justagerädchen 31 mit manuell bedienbarer Rastung ausgebildet ist. Zwei Deckel 19, 20 oberhalb des optischen Elementes 5 decken die inneren Mechaniken der Vorrichtung ab.
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Die 6 zeigt die Ausführungsform der Vorrichtung nach 5 mit dem Optikgehäuse 1 mit geöffneten bzw. abgenommenen Deckeln 19, 20, mit einem Gehäuse 21 für den Verstellantrieb 2 für die Z-Richtung und mit Führungen 3 für eine Verstellung des optischen Elementes 5 in Z-Richtung, mit dem Verstellantrieb 6 für die Verstellung des optischen Elementes 5 in Y-Richtung, mit einer Vorspannfeder 8 zur Beseitigung eines Spiels aus dem gegen die Federkraft wirkenden Verstellantrieb 2 in Z-Richtung und mit einer Optikfassung 11 für das optische Element 5. Der motorisch ausgebildete Verstellantrieb 2 in Z-Richtung kann ein Spindelantrieb, ein magnetischer Antrieb od. dgl. sein. Die Führungen 3 sind Linearlagerführungen mit Stiften, auf denen Wälzlager hin- und her bewegbar sind.
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In der Ansicht gemäß 7 auf das geöffnete Optikgehäuse 1 sind das Gehäuse 21 für den Verstellantrieb 2 in der Z-Richtung, d. h. in der Richtung der Strahlausbreitung 14, die aus linearen Wälzlagerführungen gebildeten Führungen 3 in Z-Richtung und die Vorspannfeder 8 jeweils in Ansicht gezeigt. Die Führungen 4 für die laterale Verstellung in Y-Richtung bestehen aus den Festkörpergelenken 10, 28 (4), welche z. B. in der Anordnung als Parallelogramm 22 für kleine Hübe nur eine Bewegungskomponente zulassen. Die nicht bewegliche Außenseite 17 des Parallelogramms 22 ist mit dem Optikgehäuse 1 fest verbunden. Die bewegliche Innenseite 18 ist so angeordnet, dass eine Bewegung senkrecht zur Richtung der Strahlausbreitung 14 möglich ist. Die bewegliche Innenseite 18 des Parallelogramms 22 ist mit dem linearen Verstellantrieb 2 und den Führungen 3 für die Verstellung des optischen Elementes 5 in der Z-Richtung, d. h. in Richtung der Strahlausbreitung 14, fest verbunden. Ein weiterer linearer Verstellantrieb 6 befindet sich zwischen dem beweglichen Teil, d. h. der Innenseite 18 des Parallelogramms 22, und dem Optikgehäuse 1. Die Verstellantriebe 2, 6 sind durch Vorspannfedern 8, 9 vorgespannt, wobei die Vorspannfeder 8 in Z-Richtung und die Vorspannfeder 9 in Y-Richtung wirken. Die Optikfassung 11 in 7 entspricht dem Lenker 29 mit fest angeschlossener Verbindungsstange 30 zum an dieser fest angebundnen optischen Element 5 gemäß 4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optikgehäuse
- 2
- Verstellantrieb in Z-Richtung
- 3
- Führung in Z-Richtung
- 4
- Führung in Y-Richtung
- 5
- Optisches Element (Fokussierlinse)
- 6
- Verstellantrieb in Y-Richtung (Justagerädchen 31 mit Rastung)
- 7
- Verstellschraube für den Verstellantrieb 6
- 8
- Vorspannfeder in Z-Richtung
- 9
- Vorspannfeder in Y-Richtung
- 10
- Festkörpergelenk
- 11
- Optikfassung
- 12
- Kollimiertes Strahlenbündel
- 13
- Laserstrahl
- 14
- Strahlausbreitung
- 15
- Werkstückoberfläche
- 16
- Laserfokus
- 17
- Außenseite
- 18
- Innenseite
- 19, 20
- Deckel
- 21
- Gehäuse für den Verstellantrieb 2
- 22
- Parallelogramm
- 23
- Festpunkt
- 24
- Bewegung senkrecht zur Richtung der Strahlausbreitung
- 25
- Festpunkt
- 26
- Lenker
- 27
- Lenker
- 28
- Festkörpergelenk
- 29
- Lenker
- 30
- Verbindungsstange
- 31
- Justagerädchen
- 32
- Lagerschiene
- 33
- Linearlager
- 34
- Zwischensegment (verstellbar in Y-Richtung)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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