DE2327567A1

DE2327567A1 - Vorrichtung zur gerichteten einstrahlung von laserenergie

Info

Publication number: DE2327567A1
Application number: DE2327567A
Authority: DE
Inventors: William A Dager; Jun William George Fredrick
Original assignee: Photon Sources Inc
Current assignee: Photon Sources Inc
Priority date: 1972-06-05
Filing date: 1973-05-30
Publication date: 1974-01-10
Also published as: JPS4961796A; FR2188187B3; FR2188187A1; GB1418972A; US3799657A; JPS5628631B2

Description

DR.-ΙΝβ. OIPL.-tNQ-M.se. D.P.-^HYS, Dl.. DIPU-PHVS.

HÖGER - STELLRECHT- GRiESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTSART

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Photon Sources Inc. 37 JOO Plymouth Rd. Livonia, Michigan 48 150

Vorrichtung zur gerichteten Einstrahlung von Laserenergie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gerichteten Einstrahlung von Laserenergie längs einer Achse mit einer Linse mit optischer Achse und e"iner die Linse tragenden, drehbaren Halterung, deren Rotationsachse im wesentlichen mit der Achse des einfallenden Laserstrahls übereinstimmt.

Derartige Vorrichtungen finden eine Anwendung in Laserbohr- -köpfen. "

Es ist bekannt, daß Laserstrahlen zum Bohren von Löchern in Werkstücken verwendet werden. Wenn ein" Loch gewünscht wird, das größer ist als der Durchmesser des LaserStrahls,dann muß das Werkstück um eine gegen den einfallenden Laserstrahl versetzte Achse gedreht werden, so daß eine größeres Loch

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aus dem Werkstück ausgeschnitten v/erden kann. Das Bohren kleiner Löcher auf einem Kreisumfang wird in etwa der gleichen Weise vollzogen. Das Werkstück wird schrittweise gedreht und der Laserstrahl dann eingeschaltet. Wenn das Loch gebohrt ist/ wird der Laserstrahl wieder abgeschaltet und das Werkstück schrittweise in die nächste Position gedreht, und der Prozess wird wiederholt. Die schrittweise Rotation des Werkstückes bildet eine ernstzunehmende Beschränkung der Nützlichkeit eines Laserbohrers. Die mit der Drehung eines metallischen Werkstückes auftretenden, mit der Masse und den» Trägheitsmoment des Werkstückes verbundenen Kräfte machen eiue rasche Schrittfolge unmöglich. Große und schwere 1% rkstücke drehbar auf einer Halterung zu befestigen, ist an sich schon schwer. Eine Drehung des Lasers statt des Werkstückes ist wegen der Größe und wegen des Trägheitsmoments eines Ilochleistungslasers ebenso unpraktisch.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen zur auf ein Werkstück gerichteten Einstrahlung von Laserenergie mit einem optischen System versehenen Bohrkopf vorzustellen, der in einfacher und genauer Weise zum Ausschneiden-von Löchern verschiedener Größe in einem Werkstück oder zum Bohren von Löchern auf einem Kreisumfang geeignet ist, ohne daß große Massen bewegt v/erden müssen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rotationsachse der Halterung und damit die Achse des einfallenden Laserstrahls neben der optischen ^chse der Linse liegt.

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Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Laserbohrvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Bohrkopf;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des erfindungsgemäßen optischen Bohrkopfes von Linie 2-2 in Fig. 1 aus; .

Fig. 3 eine Schnittansicht des optischen Bohrkopfes längs Linie 3-3 in Fig. 2 und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des optischen

Bohrkopfes mit Einstellung des Bohrkopfes zum Bohren von Löchern verschiedenen Durchmessers.

Die in Fig. 1 dargestellte Laservorrichtung¹ 10 besteht aus einem Gestell 12 mit einer Halterung 14, auf der ein Werkstück 16 sicher befestigt v/erden kann. Ein optischer Bohrkopf 18 ist über dem Werkstück 16 zur Drehung um eine Achse 19 drehbar an dem Gestell 12 angeordnet. Ein Motor 20 mit einer Antriebswelle 21 ist an dem Gestell 12 befestigt. Er liefert über ein dem Bohrkopf 18 zugeordnetes

Kettenzahnrad 22, über ein der Antriebswelle 21 des Motors zugeordnetes Kettenzahnrad 24 und eine die beiden Kettenzahnräder 22 und 24 verbindende Antriebskette 26 eine Drehbewegung für den Bohrkopf 18.

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Eine bewegliche Spiegelplattform 28 ist auf dem Gestell 12 oberhalb des Bohrkopfes angeordnet. Die Plattform 28 trägt zv/ei im Winkel zueinander stehende Spiegel 30 und 32, die durch Bewegung der Plattform 28 justiert werden und einen Laserstrahl entlang der Rotationsachse 19 des Bohrkopfes-18 richten. Eine (nicht gezeigte) Laserstrahlquelle liefert am Spiegel einen einfallenden Laserstrahl. Ein Lufteinlass 34 und eine Luftabsaugung 36 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Bohrkopfes 18 vorgesehen, um den Bohrkopf 18 zu kühlen und Verunreinigungen von der Linsenoberfläche fern zu halten.

Wie Fig. 3 zeigt, hat der Bohrkopf 18 ein rohrförmiges Teil 40, welches an seinem unteren Ende von einer Linsenhalterung 42 abgeschlossen wird. Eine Linse 44 ist in der Linsenhalterung 42 angeordnet. Die Linse 44 ist exzentrisch aus einer größeren Linse derart herausgeschnitten, daß sie eine geometrische Achse 46 besitzt, die gegen die optische Achse 50 versetzt angeordnet ist. Die Linse 44 kann in der Linsenhalterung 4'2 mittels eines gerändelten Ringes 48 um ihre geometrische Achse 46 gedreht werden. Der gerändelte Ring 48 trägt die Linse und ist seinerseits drehbar in der Halterung 42 angeordnet. Eine mit Schrauben 54 an der Halterung 42 befestigte Abschlußplatte 53 halt den Ring 48 in der Halterung 42. Die geometrische Achse 46 ist gegen die Rotationsachse 19 versetzt.

Im Betrieb wird der Laserstrahl längs der Rotationsachse 19 gerichtet. Das rohrförmige Teil 40 wird daraufhin in seiner teleskopischen Aufhängung 40a mittels eines Stellringes 52

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justiert und die Linse 44 dadurch so oberhalb des Werkstückes 16 positioniert, daß der Laserstrahl auf dem Werkstück 16 in einem Punkt A (Fig. 4) fokussiert wird, wo die optische'Achse 50 das Werkstück 16 schneidet. Wenn der Laser eingeschaltet und der Bohrkopf 18 gedreht werden, dann beschreibt der fokussierte Laserstrahl auf dem Werkstück 16 einen Kreis-wie Keis a in Fig. 4. Der fokussierte Laserstrahl schneidet dabei durch das Werkstück und schneidet ein dem Kreis a entsprechendes Loch aus. Die Größe des Loches oder des Kreises a wird durch den Abstand zwischen der Rotationsachse 19 und der optischen Achse 50 bestimmt. Wenn die Linse 44 im Uhrzeigersinn (Fig. 4) in eine Position gedreht wird, in der die optische Achse bei 50' angeordnet ist und das Werkstück im Punkt B schneidet, dann wird bei Drehung des Bohrkopfes_fl,18 ein Kreis b vom Laserstrahl beschrieben und aus dem Werkstück ausgeschnitten.

Wenn der Motor 20 schrittweise bewegt wird und der Laser entsprechend gepulst wird, kann eine Serie von Löchern beispielsweise entlang des Kreises a gebohrt v/erden. Jedes der gebohrten Löcher hat seinen Mittelpunkt auf dem Kreis a, und die Zahl der Löcher wird durch die Zahl der einander entsprechenden Schritte des Motors 20 und der Pulse des Laser bestimmt. Die Größe der Löcher wird durch die Größe des fokussierten Laserstrahls auf dem Werkstück und die Laserpulsbreite bestimmt.

In der Vorrichtung 10 dient der Bohrkopf 18 mit der Linse als ein drehbares optisches System zur Führung eines Laserstrahl auf der Achse 19 zu einem gewünschten Punkt auf dem

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Werkstück 16. Eine Spiegelanordnung stellt ein weiteres, für" -^; diesen Zweck geeignetes, optisches System dar.

Mit dem Bohrkopf 18 kann man Löcher bohren oder eine Serie von Löchern auf einem Kreisumfang erzeugen, wobei sowohl der Laser als auch das Werkstück 16 unbewegt bleiben.

Weil die Linse 44 zur Reduzierung ihrer Größe aus einer größeren Linse herausgeschnitten ist und weil die drehbare Halterung 42 klein und üßicht ist, hat der optische Bohrkopf 18 ein kleines Trägheitsmoment um die Drehachse 19. Dieses geringe Trägheitsmoment gestattet eine schnelle Schrittfolge beim Bohren von Löchern auf einem Kreisumfang.

Der optische Bohrkopf 18 ermöglicht das Bohren von Löchern in einem Werkstück unter einem Winkel. Die drehbare Anordnung des Bohrkopfes 18 erlaubt weiterhin in einfacher Weise eine Programmierung zum automatischen Betrieb.

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Claims

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Tatentansprüche

i Vorrichtung zur gerichteten Einstrahlung von Laserenergie längs einer Achse mit einer Linse mit optischer Achse und einer die Linse tragenden, drehbaren Halterung, deren Rotationsachse im wesentlichen mit der Achse des einfallenden Laserstrahls übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse (19) der Halterung (42) und damit die Achse des einfallenden Laserstrahls neben der optischen Achse (50) der Linse (44) liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Rotationsachse (19) von der optischen Achse (50) nach Wahl einstellbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (44) eine gegen die optische Achse (50) und gegen die Rotationsachse (19) versetzte geometrische Achse (46) hat und um diese geometrische Achse zur Einstellung des Abstandes zv?ischen der optischen Achse und der Rotationsachse drehbar angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein um die eigene Achse drehbares rohrförmiges Teil (4O) und eine diesem zugeordnete, die Linse (44) drehbar tragende Halterung (42) vorgesehen sind, und die geometrische Achse (46) der Linse gegen die Achse des rohrförmigen ^x

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Teils versetzt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (42) der Linse (44) einen gerändelten, die Linse selbst tragenden Ring (48) umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil (40) zur Drehung um seine eigene Achse mit einem Antrieb (20) versehen ist.

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