DE202019004086U1

DE202019004086U1 - Einrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mit Laserstrahlungen eines Lasers

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Publication number: DE202019004086U1
Application number: DE202019004086.2U
Authority: DE
Original assignee: Moewe Optical Solutions GmbH
Current assignee: Moewe Optical Solutions GmbH
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2019-10-01
Publication date: 2019-10-21
Anticipated expiration: 2029-10-02

Abstract

Einrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks (3) mit Laserstrahlung (8) eines Lasers mit
- einer im Strahlengang der Laserstrahlung (8) angeordneten Spiegeleinheit (1) mit mindestens einem angetrieben rotierenden Polygonspiegel und wenigstens einem angetriebenen Schwenkspiegel (7),
- einem mit der Spiegeleinheit (1) verbundenen ersten Linearantrieb (4) mit einem Inkrementalgeber,
- einem mit einem Träger zum Platzieren des Werkstücks (3) verbundenen zweiten Linearantrieb (5) mit einem Inkrementalgeber, wobei sich die Spiegeleinheit (1) und das Werkstück (3) rechtwinklig zueinander bewegen,
- einer mit dem Antrieb des Polygonspiegels, dem Antrieb des Schwenkspiegels (7), den Linearantrieben (4, 5) und den Inkrementalgebern verbundenen Steuereinrichtung (3), welche einen geraden Linienscan je Spiegelfläche des Polygonspiegels bei den Bewegungen des Polygonspiegels, des Schwenkspiegels (7) und der Linearantriebe (4, 5) gewährleistende Steuereinrichtung (2) ist.

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mit Laserstrahlung eines Lasers.
Polygonspiegel zur Laserstrahlablenkung sind unter anderem aus der Messtechnik und in der Verwendung in Druckern bekannt.
All diesen Systemen ist gemein, dass die Form des rotierenden Polygonspiegels dadurch gekennzeichnet ist, dass mehrere ebene Spiegelflächen tangential auf einer Kreisbahn mit definiertem Abstand zur Rotationsachse und mit einer Oberflächennormalen senkrecht zur Drehachse angeordnet sind.
Die Druckschrift US 5 315 428 A offenbart einen optischen Scanner mit einem optischen Modulator. Ein Laserstrahl gelangt über den Modulator auf einen Polygonspiegel. Damit werden winklig zueinander angeordnete Abtastlinien insbesondere für einen Barcode erreicht.
Durch die Druckschrift US 4 037 920 A ist eine Vorrichtung zur Verwendung in einem optischen Abtastsystem bekannt. Diese kann auch Polygonspiegel aufweisen, deren Rotationsbewegungen sich voneinander unterscheiden können.
Die Druckschrift US 5 557 438 A beinhaltet eine Scan-System mit mehreren Polygonen um eine Oberfläche abzutasten. Die Polygone eignene sich insbesondere zum fehlerfreien Abtasten gewölbter Oberflächen.
Die Druckschrift JP S58-037 616 A zeigt einen rotierenden Spiegel mit sich gegenüberstehenden schräg angeordneten Polygonflächen. Der optische Strahl wird zweifach abgelenkt auf eine Oberfläche gerichtet. Mit einer Änderung des Winkels der Drehachse wird der Strahl über eine parallele Linie geführt.
Die Druckschrift DE 10 2015 014 143 A1 offenbart eine Laserstrahlung ablenkende und fokussierende optische Einrichtung zur Lasermaterialbearbeitung. Dazu weist die optische Einrichtung wenigstens zwei angetrieben rotierende Polygonspiegel und eine die reflektierte Laserstrahlung fokussierende Optik im Strahlengang nach den Polygonspiegeln auf. Die zueinander weisenden Facettenflächen der Polygonspiegel sind als gerade Spiegelflächen bezüglich der Drehachse geneigt und weisen zueinander, so dass die einfallende Laserstrahlung nacheinander an zwei Spiegelflächen reflektiert wird. Eine die reflektierte Laserstrahlung fokussierende Optik ist im Strahlengang vor und/oder nach den Polygonspiegeln angeordnet. Damit stellt die optische Einrichtung einen verzerrungsarmen zweidimensional arbeitenden Polygonspiegelscanner zur Lasermaterialbearbeitung dar, in welchem ein komplex geformter mehrfach reflektierender Polygonspiegel zur Minimierung und Kompensation störender optischer Einflüsse eingebracht ist. Die Lösung bezieht sich auf die optische Einrichtung an sich.
Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gerade Linienscans während einer Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mit einem durch einen Polygonspiegel in Verbindung mit einem Schwenkspiegel abgelenkte Laserstrahlung zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Einrichtungen zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mit Laserstrahlung eines Lasers zeichnen sich insbesondere durch die Ausbildung gerader Linienscans während der Lasermaterialbearbeitung des bewegten Werkstücks mit einem durch einen Polygonspiegel in Verbindung mit einem Schwenkspiegel abgelenkte Laserstrahlung aus.
Dazu ist im Strahlengang der Laserstrahlung eine Spiegeleinheit mit mindestens einem angetrieben rotierenden Polygonspiegel und wenigstens einem angetriebenen Schwenkspiegel angeordnet. Mit der Spiegeleinheit ist ein erster Linearantrieb mit einem Inkrementalgeber verbunden. Mit einem Träger zum Platzieren des Werkstücks ist ein zweiter Linearantrieb mit einem Inkrementalgeber verbunden, so dass sich die Spiegeleinheit und das Werkstück rechtwinklig zueinander bewegen. Weiterhin sind mit dem Antrieb des Polygonspiegels, dem Antrieb des Schwenkspiegels, den Linearantrieben und den Inkrementalgebern einer Steuereinrichtung verbunden, welche einen geraden Linienscan je Spiegelfläche des Polygonspiegels bei den Bewegungen des Polygonspiegels, des Schwenkspiegels und der Linearantriebe gewährleistende Steuereinrichtung ist.
Ein Inkrementalgeber gibt ein inkrementelles Signal in Form von zwei um 90° phasenverschobene Signale proportional zum zurückgelegten Weg aus. Ein derartiger Inkrementalgeber kann einen Glasmaßstab aufweisen, der beispielsweise ein sehr fein geteiltes Lineal aus einem geschliffenen Glas sein kann. Der Glasmaßstab ist mit einer photoelektrischen Ablesung versehen. Bei einem inkrementalen Glasmaßstab werden aus den elektrischen Signalen von drei Photoelementen in der Auswerteeinheit die Richtung ermittelt und die Signale gezählt. Daraus kann eine Bewegung ermittelt und auf ein Maß geschlossen werden.
Ein Linienscan der Laserstrahlung wird mittels von Reflektionen an einer Spiegelfläche des Polygonspiegels und dem nachfolgend angeordneten Schwenkspiegel erzeugt. Mit der nächsten Spiegelfläche bei geschwenkten Schwenkspiegel wird das Werkstück mit einem parallelen Linienscan der Laserstrahlung beaufschlagt. Dieser Vorgang wiederholt sich entsprechend der Anzahl der Spiegelflächen des Polygonspiegels, so dass ein Flächenbereich des Werkstücks mit Laserstrahlung beaufschlagt wird. Danach wird die Spiegeleinheit weiter bewegt, so dass Laserstrahlung auf einen weiteren Flächenbereich des Werkstücks gelangt.
Vorteilhafterweise sind mit der Einrichtung während der Bewegung der Spiegeleinheit mit den sich bewegenden Polygonspiegel und Schwenkspiegel in einem Linienscan auftretende Richtungsänderungen in Echtzeit korrigierbar. Basis dazu bildet der Inkrementalgeber, mit dem die Position des jeweiligen Linienscans in Echtzeit überwachbar ist. Eventuell auftretende Positionsänderungen während des Linienscans werden direkt erfasst und sind über die Steuereinrichtung mittels des jeweiligen Antriebs korrigierbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen 2 bis 10 angegeben.
Die Inkrementalgeber geben nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 2 jeweils ein inkrementelles Signal proportional zum zurückgelegten Weg aus.
Die Inkrementalgeber weisen nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 3 jeweils eine Clock/Direction-Schnittstelle auf.
Der erste Linearantrieb ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 4 zur Ausbildung eines XY-Antriebs der Spiegeleinheit mit einem dritten Linearantrieb mit einem Inkrementalgeber verbunden. Dieser ist mit der Steuereinrichtung verbunden ist, welche einen geraden Linienscan je Spiegelfläche des Polygonspiegels bei den Bewegungen des Polygonspiegels, des Schwenkspiegels und der Linearantriebe gewährleistende Steuereinrichtung ist.
Mit Laserstrahlung beaufschlagte Flächenbereiche sind nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 5 aus benachbarten Linienscans im gleichen frei wählbaren Abstand unabhängig von der Geschwindigkeit der Linearantriebe zueinander auf dem Werkstück angeordnet.
Im Strahlengang der Laserstrahlung befinden sich nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 6 der angetrieben rotierende Polygonspiegel und der nachgeordnete angetriebene Schwenkspiegel.
Im Strahlengang der Laserstrahlung befinden sich nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 7 der angetriebene Schwenkspiegel und der nachgeordnete angetrieben rotierende Polygonspiegel.
Der Schwenkspiegel ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 8 ein Galvanometerspiegel, welcher auch als Galvanometerscanner bekannt ist. Dieser besitzt vorteilhafterweise hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen.
Der Polygonspiegel ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 9 ein Doppelpolygonspiegel. Die Facettenflächen des Doppelpolygonspiegels sind als gerade Spiegelflächen bezüglich der Drehachse geneigt und weisen zueinander. Die Anzahl der Spiegelflächen der Polygonspiegel des Doppelpolygonspiegels ist gleich.
Nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 10 sind Spiegeleinheiten mit dem ersten Linearantrieb verbunden, so dass die Spiegeleinheiten gemeinsam bewegbar sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1 eine Einrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mit Laserstrahlung eines Lasers und
2 eine Spiegeleinheit einer Einrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mit Laserstrahlung eines Lasers.

Eine Einrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks 3 mit Laserstrahlung 8 eines Lasers besteht im Wesentlichen aus einer Spiegeleinheit 1, einem ersten Linearantrieb 4, einem zweiten Linearantrieb 5 und einer Steuereinrichtung 5.
Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks 3 mit Laserstrahlung 8 eines Lasers in einer prinzipiellen Darstellung.
Im Strahlengang der Laserstrahlung 8 ist die Spiegeleinheit 1 angeordnet, die mit einem ersten Linearantrieb 4 mit einem Inkrementalgeber verbunden ist. Das Werkstück 3 befindet sich auf einen Träger, der mit einem zweiten Linearantrieb 5 mit einem Inkrementalgeber verbunden ist. Diese Linearantriebe 4, 5 sind so ausgebildet, dass sich die Spiegeleinheit 1 und das Werkstück 3 während der Beaufschlagung des Werkstücks 3 mit der Laserstrahlung 8 rechtwinklig zueinander bewegen. Die Spiegeleinheit 1 bewegt sich quer zur Bewegung des Werkstücks 3.
Die Linearantriebe 4, 5 und deren Inkrementalgeber sind mit der Steuereinrichtung 5 verbunden.
Die Inkrementalgeber geben jeweils ein inkrementelles Signal proportional zum zurückgelegten Weg aus oder weisen jeweils eine Clock/Direction-Schnittstelle auf.
Die 2 zeigt eine Spiegeleinheit 1 einer Einrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks 3 mit Laserstrahlung 8 eines Lasers in eine prinzipiellen Darstellung.
Die Spiegeleinheit 1 weist einen angetrieben rotierenden Polygonspiegel und einen angetriebenen Schwenkspiegel 7 auf. Der Polygonspiegel ist insbesondere ein Doppelpolygonspiegel 6. Die Anzahl der Spiegelflächen der Polygonspiegel des Doppelpolygonspiegels 6 ist gleich. Weiterhin sind die Facettenflächen des Doppelpolygonspiegels 6 als gerade Spiegelflächen bezüglich der Drehachse geneigt und weisen zueinander. Der Schwenkspiegel 7 kann insbesondere ein Galvanometerspiegel sein.
Der Antrieb des Doppelpolygonspiegels 6 und der Antrieb des Schwenkspiegels 7 sind mit der Steuereinrichtung 2 zusammengeschaltet.
Die Steuereinrichtung 2 beispielsweise als Datenverarbeitungssystem ist damit eine gerade Linienscans je Spiegelfläche des Doppelpolygonspiegels 6 bei den Bewegungen des Doppelpolygonspiegels 6, des Schwenkspiegels 7 und der Linearantriebe 4, 5 gewährleistende Steuereinrichtung. Mit Laserstrahlung 8 beaufschlagte Flächenbereiche des Werkstücks 3 sind aus benachbarten Linienscans im gleichen frei wählbaren Abstand unabhängig von der Geschwindigkeit der Linearantriebe 4, 5 zueinander auf dem Werkstück 3 angeordnet. Die Linienscans können sich auch unmittelbar nebeneinander befinden, so dass das Werkstück 3 vollflächig mit Laserstrahlung 8 beaufschlagbar ist.
In einer Ausführungsform kann der erste Linearantrieb 4 zur Ausbildung eines XY-Antriebs der Spiegeleinheit 1 mit einem dritten Linearantrieb mit einem Inkrementalgeber verbunden sein. Dieser Inkrementalgeber ist dabei mit der Steuereinrichtung so verbunden, dass gerade Linienscans je Spiegelfläche des Doppelpolygonspiegels 6 bei den Bewegungen des Doppelpolygonspiegels 6, des Schwenkspiegels 7 und der Linearantriebe 4, 5 gewährleistet sind.
In einer weiteren Ausführungsform können Spiegeleinheiten 1 mit dem ersten Linearantrieb 4 verbunden sein, so dass die Spiegeleinheiten 1 gemeinsam bewegbar sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5315428 A [0004]
US 4037920 A [0005]
US 5557438 A [0006]
JP 58037616 A [0007]
DE 102015014143 A1 [0008]

Claims

Einrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks (3) mit Laserstrahlung (8) eines Lasers mit - einer im Strahlengang der Laserstrahlung (8) angeordneten Spiegeleinheit (1) mit mindestens einem angetrieben rotierenden Polygonspiegel und wenigstens einem angetriebenen Schwenkspiegel (7), - einem mit der Spiegeleinheit (1) verbundenen ersten Linearantrieb (4) mit einem Inkrementalgeber, - einem mit einem Träger zum Platzieren des Werkstücks (3) verbundenen zweiten Linearantrieb (5) mit einem Inkrementalgeber, wobei sich die Spiegeleinheit (1) und das Werkstück (3) rechtwinklig zueinander bewegen, - einer mit dem Antrieb des Polygonspiegels, dem Antrieb des Schwenkspiegels (7), den Linearantrieben (4, 5) und den Inkrementalgebern verbundenen Steuereinrichtung (3), welche einen geraden Linienscan je Spiegelfläche des Polygonspiegels bei den Bewegungen des Polygonspiegels, des Schwenkspiegels (7) und der Linearantriebe (4, 5) gewährleistende Steuereinrichtung (2) ist.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Inkrementalgeber jeweils ein inkrementelles Signal proportional zum zurückgelegten Weg ausgeben.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Inkrementalgeber jeweils eine Clock/Direction-Schnittstelle aufweisen.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Linearantrieb (4) zur Ausbildung eines XY-Antriebs der Spiegeleinheit (1) mit einem dritten Linearantrieb mit einem Inkrementalgeber verbunden ist und dass der Inkrementalgeber mit der Steuereinrichtung (2) verbunden ist, welche einen geraden Linienscan je Spiegelfläche des Polygonspiegels bei den Bewegungen des Polygonspiegels, des Schwenkspiegels (7) und der Linearantriebe (4, 5) gewährleistende Steuereinrichtung (2) ist.
Einrichtung nach wenigstens einem der Schutzansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit Laserstrahlung (8) beaufschlagte Flächenbereiche aus benachbarten Linienscans im gleichen frei wählbaren Abstand unabhängig von der Geschwindigkeit der Linearantriebe (4, 5) zueinander auf dem Werkstück (3) angeordnet sind.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Strahlengang der Laserstrahlung (8) der angetrieben rotierende Polygonspiegel und der nachgeordnete angetriebene Schwenkspiegel (7) befinden.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Strahlengang der Laserstrahlung (8) der angetriebene Schwenkspiegel (7) und der nachgeordnete angetrieben rotierende Polygonspiegel befinden.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkspiegel (7) ein Galvanometerspiegel ist.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polygonspiegel ein Doppelpolygonspiegel (6) ist, dass die Anzahl der Spiegelflächen der Polygonspiegel des Doppelpolygonspiegels (6) gleich ist und dass die Facettenflächen des Doppelpolygonspiegels (6) als gerade Spiegelflächen bezüglich der Drehachse geneigt sind und zueinander weisen.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Spiegeleinheiten (1) mit dem ersten Linearantrieb (4) verbunden sind, so dass die Spiegeleinheiten (1) gemeinsam bewegbar sind.