DE29904489U1

DE29904489U1 - Arbeitskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE29904489U1
Application number: DE29904489U
Authority: DE
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 1999-03-11
Publication date: 1999-05-27
Anticipated expiration: 2009-03-12
Also published as: US6297471B1

Description

TERMEER STEINMEISTER & PARTNER GbR PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dr. Nicolaus ter Meer, Dipl.-Chem. Peter Urner, Dipl.-Phys. Gebhard Merkle, Dipl.-Ing. (FH) Mauerkircherstrasse 45 D-81679 MÜNCHEN

Helmut Steinmeister, Dipl.-Ing. Manfred Wiebusch

Artur-Ladebeck-Strasse 51 D-33617BIELEFELD

Case: PR-732

Ur/an 11.3.1999

precitec GmbH

Draisstr. 1
D-76571 Gaggenau-Bad Rotenfels

Arbeitskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls

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precitecGmbH Case: PR-732 11.3.1999

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Arbeitskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls gemäß der im Anspruch 1 genannten Art.

Es kommt häufig vor, im Innern von relativ kleinen Werkstücken Arbeiten mittels eines Laserstrahls durchführen zu müssen, etwa Schweiß- oder Schneidarbeiten. Dabei ist ebenfalls auf eine genaue Positionierung des Fokus des Laserstrahls relativ zur Werkstückinnenoberfläche zu achten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für diesen Zweck geeigne ten Arbeitskopf zu schaffen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein erfindungsgemäßer Arbeitskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls enthält ein Gehäuse mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung für den Laserstrahl; eine Fokussierungsoptik zur Fokussierung des Laserstrahls in einem Punkt außerhalb des Genauses im Abstand vor der Austrittsöffnung; und eine die Austrittsöffnung umgebende Meßanordnung zur Messung eines Abstands zwischen ihr und dem Werkstück in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls, wobei der Laserstrahl die Fokussierungsoptik und die Austrittsöffnung bzw. Meßanordnung entlang von Strahlachsen durchläuft, die unter einem Winkel zueinander stehen.

Mit einem solchen Bearbeitungskopf ist es möglich, Arbeiten auch im Innern von relativ kleinen Werkstücken bzw. Hohlräumen oder im Innern von Rohren mit relativ kleinem Innendurchmesser ausführen zu können, weil üblicherweise die Ausdehnung des Arbeitskopfs quer zu seiner Längsachse sehr viel kleiner ist als in Richtung seiner Längsachse. Wird ein derartiger Arbeitskopf ins Innere des Werkstücks geschoben, so kann der seitlich aus ihm austretende Laserstrahl zur Durchführung der gewünschten Arbeiten herangezogen werden. Darüber hinaus erlaubt die die

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Austrittsöffnung umgebende Meßanordnung eine genaue Einstellung bzw. Konstanthaltung des Abstands zwischen ihr bzw. dem Laserbearbeitungskopf einerseits und dem Werkstück andererseits, wodurch sich der Fokus des Laserstrahls relativ zum Werkstück in gewünschter Weise positionieren läßt, was zu einem verbesserten Arbeitsergebnis führt.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Winkel zwischen den genannten Strahlachsen durch die Fokusisierungsoptik einerseits und die Austrittsöffnung bzw. Meßanordnung andererseits bei 90° liegen, so daß sich der Arbeitskopf insbesondere für Arbeiten im Innern zylindrischer oder eckiger Rohre oder Rohre anderer Geometrien eignet. Je nach Form des Innenraums eines innen zu bearbeitenden Werkstücks kann der genannte Winkel aber auch andere Werte aufweisen. Für Arbeiten innerhalb eines kegelförmigen Hohlraums ließe sich bei Ausrichtung des Bearbeitungskopfs in Kegellängsrichtung der genannte Winkel so einstellen, daß der Laserstrahl senkrecht auf die innenliegende Kegelfläche auftrifft.

Um den Winkel zwischen den jeweiligen Strahlachsen an die jeweils herrschenden geometrischen Bedingungen im Innern von Werkstücken anpassen zu können, kann nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ein die Austrittsöffnung enthaltender Teil des Gehäuses des Bearbeitungskopfs relativ zu einem die Fokussierungsoptik enthaltenden Gehäuseteil kipp- bzw. verschwenkbar sein. Dadurch ist ein universeller Einsatz des Bearbeitungskopfs auch bei unterschiedlichsten Innengeometrien von Werkstücken möglich.

In Ausgestaltung der Erfindung ist im Strahlengang zwischen Fokussierungsoptik und Austrittsöffnung ein Ablenkelement zur Ablenkung des Laserstrahls angeordnet, wobei das Ablenkelement zum Beispiel als Planspiegel ausgebildet ist. Möglich sind aber auch andere Ablenkelemente, etwa Hohlspiegel, auf Hologrammbasis arbeitende Ablenkelemente, und dergleichen, die auch auf die jeweils optischen Eigenschaften der Fokussierungsoptik abgestimmt sein können.

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Das Ablenkelement läßt sich dabei in eine Öffnung des Gehäuses von außen einsetzen, so daß es im Bedarfsfall wieder relativ schnell herausgenommen werden kann, um durch ein anderes ersetzt zu werden, etwa im Falle der Beschädigung oder bei Vorliegen anderer geometrischer Bedingungen.

Zu diesem Zweck sitzt das Ablenkelement vorzugsweise auf einem Träger, der mit dem Gehäuse verbindbar, etwa verschraubbar ist. Dabei kann der Träger auch mit Kühlrippen an seiner äußeren Oberfläche versehen sein, um für eine bessere Kühlung des Ablenkelements zu sorgen.

Als Meßanordnung kann beim erfindungsgemäßen Arbeitskopf eine Sensorelektrode aus metallischem Material zum Einsatz kommen, mit deren Hilfe sich der Abstand zwischen ihr bzw. dem Arbeitskopf einerseits und dem Werkstück andererseits auf kapazitivem Wege messen läßt, wenn das Werkstück aus Metall besteht. Eine derartige Meßtechnik ist allgemein bekannt und soll hier nicht weiter erläutert werden.

Die Meßanordnung kann aber auch in Form einer Spule vorliegen, die die Austrittsöffnung des Arbeitskopfs konzentrisch umgibt, so daß sich dann der Abstand zwischen der Meßanordnung bzw. dem Arbeitskopf einerseits und dem Werkstück andererseits auch auf induktivem Wege messen läßt. Auch diese Meßtechnik ist allgemein bekannt und wird hier nicht weiter erläutert.
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In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Fokussierungsoptik innerhalb des Gehäuses in und senkrecht zu ihrer Symmetrie- bzw. Zentralachse verschiebbar, um eine Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung vornehmen zu können.
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Darüber hinaus kann im Bereich zwischen Ablenkelement und Austrittsöffnung ein Schutzglas im Strahlengang angeordnet sein, um das Ablenkelement, das relativ nahe an der Austrittsöffnung liegt, vor Beschädigungen von außen zu schützen, etwa vor Beschädigung durch Metallspritzer,

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die bei der Bearbeitung des Werkstücks mittels Laserstrahls erzeugt werden.

Auch könnte im Bereich zwischen den Ablenkelement und der Fokussierungsoptik ein Schutzglas im Strahlengang angeordnet sein, um auch die Fokussierungsoptik besser gegenüber äußeren Einflüssen schützen zu können. Die beiden zuvor erwähnten Schutzgläser werden dabei jeweils von Schutzgas umspült, das bei der Bearbeitung des Werkstücks mittels des Laserstrahls ebenfalls aus der Austrittsöffnung austritt.

Nach einer sehr vorteilhaften anderen Weiterbildung der Erfindung kann der zwischen Fokussierungsoptik und Ablenkelement liegende Bereich des Gehäuses des Arbeitskopfs als Teleskop ausgebildet sein, so daß sich in Längsrichtung des Arbeitskopfs der Abstand zwischen Ablenkelement bzw. Austrittsöffnung einerseits und Fokussierungsoptik andererseits verändern läßt. Dadurch ist es möglich, erforderlichenfalls die Bearbeitungsstelle noch weiter ins Innere eines Werkstücks zu verlagern, in das der Kopf mit seinem relativ breiten Endteil nicht mehr eingefahren werden kann. Um dabei der Brennweiteränderung Rechnung zu tragen, kann die Fokussierungsoptik in Abhängigkeit der Länge des Teleskops ihre Brennweite ebenfalls entsprechend verändern. Die Lage des Fokus des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung bleibt somit auch bei einer Abstandsänderung zwischen Austrittsöffnung und Fokussierungsoptik stets konstant.

Nicht zuletzt kann auch der in Strahlrichtung vor der Fokussierungsoptik liegende Bereich des Gehäuses des Arbeitskopfs als Teleskop ausgebildet sein, um auch dadurch den Arbeitsbereich im Innern eines Werkstücks bei Bedarf verändern zu können, wenn in dieses das relativ große Endteil des Arbeitskopfs nicht mehr hineingefahren werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen als Innenrohrschneider ausgebil-

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deten Arbeitskopf nach der Erfindung; und

Figur 2 eine perspektivische Außenansicht des Arbeitskopfs nach Figur 1.

Der Arbeitskopf nach den Figuren 1 und 2 trägt das Bezugszeichen 1 und weist zunächst eine hohlzylindrisch ausgebildete Kollimatoraufnahme 2 mit einer Zylinder- bzw. Zentralachse 3 auf. Die Kollimator aufnahme 2 ruht über einen Kollisionsschutz 4 auf einem Träger element 5, das an seiner unteren Seite Befestigungsmittel 6 aufweist, über die das Trägerelement 5 zum Beispiel auf einem Schlitten einer Bearbeitungsanlage montiert ist. Durch Verschiebung des nicht dargestellten Schlittens läßt sich somit der Bearbeitungskopf 1 in seiner Bewegung steuern. Wird er versehentlich gegen eine Werkstückstruktur gefahren, gibt der mechanische Kollisionsschutz 4 nach und verhindert somit eine Beschädigung des Arbeitskopfs 1.

In Figur 1 tritt von links Laserstrahlung in die Kollimatoraufnahme 2 ein und verläßt diese an deren Strahlenausgangsseite. An dieser Strahlausgangsseite der Kollimatoraufnahme 2 befindet sich außen ein Umfangsgewinde 7, auf das ein Haltering 8 aufschraubbar ist. Durch diesen Haltering 8 wird nach Aufschrauben auf das Umfangsgewinde 7 der Kollimatoraufnahme 2 ein Zwischenring 9 gegen die strahlausgangsseitige Stirnfläche der Kollimatoraufnahme 2 gedrückt, an dem seinerseits Strahlausgangs seitig ein vorderer Kopfteil 10 des Arbeitskopfs 1 befestigt ist. Durch Lösen des Halterings 8 läßt sich somit die aus Zwischenring 9 und vorderem Kopfteil 10 bestehende Einheit von der Kollimatoraufnahme 2 abnehmen und ggf. durch eine andere ersetzen, falls dies erforderlich ist.

Der vordere Kopfteil 10 weist eine Zentralachse 3a auf, die koaxial zur Zentralachse 3 der Kollimatoraufnahme 2 liegt bzw. mit dieser fluchtet, wenn der vordere Kopfteil 10 an der Kollimatoraufnahme 2 befestigt ist. Darüber hinaus befindet sich im strahleingangsseitigen Bereich des vorderen Kopfteils 10 ein Halter ohr 11, das koaxial zur Zentralachse 3a des vorderen Kopfteils 10 liegt. Dieses Halterohr 11 ist über wenigstens drei von außen angreifende Radialstifte 12 in seiner radialen Position relativ zum vorde-

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ren Kopfteil 10 positionierbar. Dabei sind die Radialstifte 12 in Gewindedurchgangsbohrungen eingeschraubt, die sich im strahleingangsseitigen Abschnitt des vorderen Kopfteils 10 befinden. In Umfangsrichtung des vorderen Kopfteils 10 sind die Radialstifte 12 unter gleichen Winkelabständen verteilt. Sie greifen in eine Umfcingsnut 13 ein, die sich an der äußeren Oberfläche des Halterohrs 11 befindet, so daß auf diese Weise das Halterohr 11 in seiner Längs- bzw. Achsrichtung relativ zum vorderen Kopfteil 10 zentriert wird.

Das Halterohr 11 ist wenigstens in seinem strahlausgangsseitigen Bereich mit einem Innengewinde versehen, in das eine Linsenkassette 14 mit entsprechendem Außengewinde einschraubbar ist, und zwar von der strahlausgangsseitigen Fläche des Halterohrs 11 rechts in Figur 1 her. Innerhalb der Linsenkassette 14 befindet sich eine Fokussierungsoptik 15 zur Fokussierung des parallel von links in Figur 1 zugeführten Laserstrahls. Die Linsenkassette 14 kann strahlausgangsseitig mit einem Schutzglas 16 abgeschlossen sein, das an der Linsenkassette 14 befestigt ist und strahlausgangsseitig zur Fokussierungsoptik 15 liegt. Durch Einschrauben der Linsenkassette 14 in den strahlausgangsseitigen Abschnitt des Halterohrs 11 läßt sich somit die Fokussierungsoptik 15 in Laserstrahlrichtung relativ zum vorderen Kopfteil 10 einstellen bzw. justieren. Die Fokussierungsoptik 15 ist innerhalb der Linsenkassette 14 fest angeordnet.

Strahlausgangsseitig zur Fokussierungsoptik 15 verjüngt sich der Innenkanal 17 des vorderen Kopfteils 10 in Sirahlrichtung. Hier ist der Übersicht wegen bereichsweise der jetzt fokussierte Laserstrahl 18 gestrichelt eingezeichnet. Dieser Laserstrahl 18 liegt koaxial zur Zentralachse 3a des vorderen Kopfteils 10 und trifft auf einen Umlenkspiegel 19 auf, der unter einem Winkel &agr; von 45° relativ zur Zentralachse 3a geneigt ist. NachReflexion am Umlenkspiegel 19 läuft der Laserstrahl 18 fokussiert in einer Richtung weiter, die unter einem Winkel &bgr; von 90° zur Zentralachse 3a steht. Er tritt dann durch eine im vorderen Kopfteil 10 befindliche seitliche Austrittsöffnung 20 nach außen.

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Innerhalb der seitlichen Austrittsöffnung 20 kann sich ein weiteres Schutzglas 21 befinden, das den Spiegel 19 vor äußeren Einflüssen schützt. Darüber hinaus ist in die seitliche Austrittsöffnung 20 strahlausgangsseitigzum Schutzglas 21 eine Düsenelektrode 22 eingesetzt. Die Düsenelektrode 22 besitzt einen sich in Stxahlrichtung konisch verjüngenden Innenkanal 23, durch den der Laserstrahl 18 nach außen hindurchtritt. Bis auf den Spitzenbereich der Düsenelektrode 22, die aus Metall besteht, ist diese von einer elektrisch isolierenden Schutzkappe 24 abgedeckt, die mit Hilfe von Befestigungselementen 25, zum Beispiel Schrauben, am vorderen Kopfteil 10 befestigt ist und dabei die Düsenelektrode 22 hält. Mit Hilfe der metallischen Düsenelektrode 22 kann der Abstand zwischen ihr bzw. dem Arbeitskopf 1 einerseits und einem zu bearbeitenden Werkstück andererseits auf kapazitivem Wege gemessen werden, wozu ein geeignetes elektrisches Meßpotential an die Düsenelektrode 22 angelegt wird. Es wird dieser über Leitungen zugeführt, die im Innern des Arbeitskopfs 1 verlegt sind. Die aus elektrisch isolierendem Material bestehende Schutzkappe 24 dient zur Verhinderung eines Kurzschlusses durch metallische Spritzer von außen, die sonst ggf. einen Kurzschluß zwischen vorderem Kopfteil 10 und Düsenelektrode 22 herbeiführen könnten. Die Düsenelektrode 22 ist gegenüber dem vorderen Kopfteil 10 durch eine nicht dargestellte isolierende Beschichtung elektrisch isoliert.

Es sei noch erwähnt, daß der Umlenkspiegel 19 auf einem Trägerelement 26 ruht, das seinerseits in eine Öffnung des vorderen Kopfteils 10 einsetzt bar, zum Beispiel einschraubbar ist. An seiner freiliegenden äußeren Oberfläche kann dabei das Trägerelement 26 mit Kühlrippen 27 versehen sein, um für eine bessere Kühlung des Umlenkspiegels 19 zu sorgen.

In Abwandlung des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels könnte die Spitze des vorderen Kopfteils 10 auch derart gelenkig ausgebildet sein, daß eine Verschwenkung der Düsenelektrode 22 relativ zur Zentralachse 3a des vorderen Kopfteils 10 möglich ist. In diesem Fall könnte der Laserstrahl aus der Düsenelektrode 22 in einer Richtung austreten, die unter einem Winkel von weniger oder mehr als 90° relativ zur Zen-

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tralachse 3a des vorderen Kopfteils 10 steht. Bei Verschwenkung der Düsenelektrode 22 müßte dann dafür gesorgt werden, daß der Ablenkspiegel 19 entsprechend mitverschwenkt wird, um den Laserstrahl 18 dann durch den jetzt neu positionierten Düsenkanal 23 hindurchführen zu können. 5

In allen Fällen kann ein Schutzgas durch den Düsenkanal 17 hindurchgeleitet werden, das dann gemeinsam mit dem Laserstrahl 18 aus der Düsenelektrode 22 austritt. Das Schutzgas kann dabei die Schutzgläser 16 und/oder 21 umspülen. Die Fokussierungsoptik 15 ist Strahlausgangsseitig vom Schutzgas beaufschlagt. Entsprechende Zuführungen für das Schutzgas sind in den Figuren der Übersicht wegen fortgelassen.

Claims

TERMEER STEINMEISTER & PARTNTE-R-GbR "10- precitecGmbH Clase: PR-732 11.3.1999 Schutzansprüche

1. Arbeitskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls (18), enthaltend:

ein Gehäuse (2, 10) mit einer Eintrittsöffnung und einer Austritts öffnung (20) für den Laserstrahl (18);

- eine Fokussierungsoptik (15) zur Fokussierung des Laserstrahls (18) in einem Punkt außerhalb des Gehäuses (2, 10) im Abstand vor der Austrittsöffnung (20); und

eine die Austrittsöffnung (20) umgebende Meßanordnung (22) zur Messung eines Abstands zwischen ihr und dem Werkstück in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (18), wobei der Laserstrahl (18) die Fokussierungsoptik (15) und die Austrittsöffnung (20) bzw. Meßanordnung (22) entlang von Strahlachsen durchläuft, die unter einem Winkel (ß) zueinander stehen.

2. Arbeitskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (ß) 90° beträgt.

3. Arbeitskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

im Strahlengang zwischen Fokussierungsoptik (15) und Austrittsöffnung (20) ein Ablenkelement (19) zur Ablenkung des Laserstrahls (18) angeordnet ist.

4. Arbeitskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das

Ablenkelement (19) ein Planspiegel ist.
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5. Arbeitskopf nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement (19) in eine Öffnung seines Gehäuses (10) einsetzbar ist.

6. Arbeitskopf nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement (19) auf einem Träger (26) sitzt, der mit dem Gehäuse (10) verbindbar ist.

7. Arbeitskopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der

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Träger (26) Kühlrippen (27) aufweist.

8. Arbeitskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung (22) eine Sensorelektrode zur kapazitiven Abstandsmessung ist.

9. Arbeitskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung eine Spule zur induktiven Abstandsmessung ist.

10. Arbeitskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungsoptik (15) innerhalb des Gehäuses (10) in und senkrecht zu ihrer Symmetrie- bzw. Zentralachse (3a) verschiebbar ist.

11. Arbeitskopf nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich zwischen Ablenkelement (19) und Austrittsöffnung (20) ein Schutzglas (21) im Strahlengang angeordnet ist.

12. Arbeitskopf nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich zwischen Ablenkelement (19) und Fokussierungsoptik (15) ein Schutzglas (16) im Strahlengang angeordnet ist.

13. Arbeitskopf nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Fokussierungsoptik (15) und Ablenkelement

(19) liegende Bereich des Gehäuses (10) als Teleskop ausgebildet ist.

14. Arbeitskopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die

Brennweite der Fokussierungsoptik (15) in Abhängigkeit der Länge des Teleskops veränderbar ist.

15. Arbeitskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der in Strahlrichtung vor der Fokussierungsoptik (15) liegende Bereich des Gehäuses (10) als Teleskop ausgebildet ist.

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16. Arbeitskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Austrittsöffnung (20) enthaltener Teil des Gehäuses (10) relativ zu einem die Fokussierungsoptik (15) enthaltenen Gehäuseteil kipp- bzw. verschwenkbar ist.