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Die Erfindung betrifft ein Lasersystem zur Bearbeitung
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von Werkstücken mit einem unsichtbares Licht erzeugenden Hauptlaser
hoher Leistung, dessen Strahl mittels einer im Strahlengang angeordneten Linsenanordnung
auf das Werkstück fokusierbar ist.
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Entsprechende, bereits auf dem Markt erhältliche Lasersysteme zeichnen
sich durch eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit aus, die in der Regel eine Nachbearbeitung
unnötig macht.
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Da bislang jedoch mit sichtbarem Licht arbeitende Laser hoher Leistung
nicht, bzw. nicht zu vertretbaren Preisen zur Verfügung stehen, mußten Schwierigkeiten
beim Justieren der mit unsichtbarem Licht arbeitenden Leistungslaser in Kauf genommen
werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Lasersystem zu schaffen,
welches sich trotz eines mit unsichtbarem Licht arbeitenden Hauptlasers in einfacher
Weise unter Sichtkontrolle justieren läßt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Justieren
ein sichtbares Licht erzeugender Zusatzlaser geringer Leistung vorgesehen ist, und
daß im Strahlengang der Laser in Strahlrichtung vor der Linsenanordnung ein parallel
zu seiner Spiegelebene verschiebbarer Planspiegel angeordnet ist, welcher in seiner
einen Endlage den Strahlengang des einen Lasers freigibt und in seiner anderen Endlage
den Strahl des anderen Lasers zur Linsenanordnung reflektiert, derart, daß der Strahl
des einen Lasers und der reflektierte Strahl des anderen Lasers identische optische
Achsen aufweisen.
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Der lediglich zur Sichtbarmachung des jeweiligen Bearbeitungsottes
dienende Zusatz laser braucht nur eine geringe Leistung aufzuweisen, so daß preisgünstige
Bauteile verwendet werden können.
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Der mit hoher Leistung arbeitende Hauptlaser ist in der Regel bereits
aus räumlichen Gründen seitlich bzw. weit außerhalb der Bearbeitungsstelle am Werkstück
angeordnet, derart, daß der den Hauptlaser in (meist) horizontaler Richtung verlassende
Laserstrahl mittels Spiegelanordnungen von oben auf das Werkstück gelenkt wird.
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Erfindungsgemäß ist nun bevorzugt vorgesehen, daß eine dieser Spiegelanordnungen
einen in seiner Spiegelebene verschiebbaren Planspiegel aufweist, der in seiner
einen Endlage den Strahl des Hauptlasers zum Werkstück hin reflektiert und in seiner
anderen Endlage den Strahlengang des hinter dem Spiegel angeordneten Zusatzlasers
freigibt, dessen Strahl auf gleichem Wege wie der reflektierte Strahl des Hauptlasers
weiterläuft.
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Im Gegensatz zu einer prinzipiell möglichen schwenkbaren Anordnung
des Planspiegels wird bei dessen parallel zur Spiegelebene verschiebbaren Anordnung
erreicht, daß die jeweiligen Endlagen nicht exakt vorgegeben werden müssen.
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Auch wenn die Spiegelanordnung in ihrer den Strahl des einen Lasers
bzw. des Hauptlasers reflektierenden Endlage keine exakt reproduzierbare Stellung
einnimmt, so wird doch der jeweilige Laserstrahl in stets gleicher Weise reflektiert,
denn eine Änderung des Reflexionswinkels kann bei Verschiebung eines Planspiegels
parallel zu seiner Spiegelebene nicht auftreten. Darüber hinaus kann auch keine
Parallelverschiebung des reflektierten Strahles erfolgen.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung des Zusatzlasers erleichtert
darüber hinaus auch die Verwendung austauschbarer Linsenanordnungen, da die jeweils
beim Austausch notwendige erneute Justierung erheblich vereinfacht wird.
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Die Genauigkeit der Justierung wird erhöht, wenn die Linsenanordnung
gegen Erwärmung, insbesondere unter Einwirkung des Strahles des Hauptlasers, gut
geschützt angeordnet ist.
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In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, die Linsenanordnung
mittels eines Hülsenteiles austauschbar zu befestigen, welches auf das werkstückseitige
Ende eines den jeweiligen Laserstrahl in Strahlrichtung vor der Linse umschließenden
Tubusteiles aufschiebbar ist und zur Wärmeabfuhr an der radial äußeren Wandung eines
eine Kühlflüssigkeit führenden Ringraumes im Tubusteil anliegt.
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Darüber hinaus kann innerhalb des Hülsenteiles ein die Halterung der
Linsenanordnung umschließender weiterer Ringraum angeordnet sein, welcher sich in
den Innenraum einer den jeweiligen Laserstrahl werkstückseitig der Linsenanordnung
umschließenden Düse fortsetzt und mit einer Gaszuführleitung verbunden ist, die
den Ringraum mit einem nachfolgend aus der Düse austretenden, gegebenenfalls auch
als Schutzgas bzw. zur Unterstützung der Werkstückbearbeitung dienenden Gas zur
Kühlung der Halterung speist.
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Im übrigen ist zweckmäßigerweise eine Regelungsvorrichtung vorgesehen,
die den Abstand zwischen der Linsenanordnung und dem Werkstück durch Soll- und Istwertvergleich
- gegebenenfalls programmgesteuert - nachregelt. Dabei können als Istwertgeber ein
Linear-Potentiometer mit am Tubusteil angeordetem Schleifkontakt sowie als Sollwertgeber
induktive oder kapazitive Abstandsensoren angeordnet werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung genauer anhand der Zeichnung erläutert.
Dabei zeigt Fig. 1 eine geschnittene Darstellung der Tubus- sowie der Spiegelanordnung
und Fig. 2 ein prinzipielles Schaltbild der Regelungsvorrichtung.
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Gemäß Figur 1 wird der nichtfokusierte Strahl 1 eines nicht dargestellten
Hauptlasers, welcher Licht einer nicht sichtbaren Wellenlänge erzeugt, mittels eines
Planspiegels 2 reflektiert, derart, daß der reflektierte Strahl 1' in Richtung eines
Werk stückes 3 gelenkt und mittels einer Linse 4 auf demselben fokusiert werden
kann.
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Der Planspiegel 2 ist parallel zu seiner Spiegelebene - im dargestellten
Beispiel senkrecht zur Ebene der Figur 1 - zwischen zwei Endlagen verschiebbar.
In der dargestellten Endlage befindet sich der Planspiegel 2 im Strahlengang des
Hauptlasers, während er in der anderen Endlage aus diesem Strahlengang entfernt
ist und gleichzeitig den Weg für einen Strahl 5 eines mit sichtbarem Licht arbeitenden
nicht dargestellten Zusatzlasers freigibt, welcher derart angeordnet ist, daß der
Strahl 5 in Strahlrichtung vor der Linse 4 sich genau längs des
gleichen
Weges wie der reflektierte Strahl 1' des Hauptlasers fortsetzt.
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Zu seiner Verschiebung ist der Planspiegel 2 an exakten Geradeführungen
gleitverschiebbar angeordnet; die Verschiebung zwischen den Endstellungen erfolgt
mittels eines Stellmotors 7, dessen Ritzel 8 mit einer auf der Rückseite des Planspiegels
2 angeordneten Zahnstange 9 kämmt.
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Im übrigen wird der Planspiegel 2 vorzugsweise mittels einer Flüssigkeitskühlung
(nicht dargestellt) auf seiner Rückseite gekühlt und damit vor Überhitzung geschützt.
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Gegenüber einer an sich denkbaren verschwenkbaren Anordnung des Planspiegels
2 (beispielsweise um die Achse der in Figur 1 linken Geradeführung 6) besitzt die
verschiebbare Anordnung des Planspiegels den großen Vorteil, daß keine der beiden
Endlagen reproduzierbar exakt eingenommen werden muß, da der Planspiegel 2 den vom
Hauptlaser kommenden Strahl 1 in jedem Falle reproduzierbar exakt entsprechend dem
reflektierten Strahl 1' ablenkt, wenn der Planspiegel 2 in den Weg des Strahles
1 geschoben ist. Unterschiedliche Reflexionswinkel können ebensowenig auftreten
wie parallele Versetzungen des reflektierten Strahles 1'.
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Während der Strahl 1 bzw. der reflektierte Strahl 1' des mit hoher
Leistung arbeitenden Hauptlasers zur Werkstückbearbeitung dient, dient der sichtbare
Strahl 5 des Zusatzlasers zur Justierung der Anordnung, insbesondere dazu, das Werkstück
in einer gewünschten Lage bezüglich des Strahles zu justieren oder auf eine derartige
Lage einzustellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Linse
4 austauschbar an einem den reflektierten Strahl 1' bzw. den Strahl 5 umschließenden
Tubusteil 10 angeordnet, welches zur genauen Fokusierung des Strahles in Strahlrichtung
verstellbar ist und damit der jeweiligen Brennweite der jeweils benutzten Linse
4 angepaßt werden kann.
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Die Linse 4 befindet sich innerhalb einer ringförmigen Linsenhalterung
11, die ihrerseits in einem hülsenförmigen Teil 12 angeordnet ist, das auf ein dem
Werkstück 3 zugewandtes Endteil 13 des Tubusteiles aufgeschoben und dort mittels
einer Überwurfmutter 13' od.dgl. festgehalten wird.
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Innerhalb des Endteiles 13 ist ein Ringraum 14 angeordnet, der von
einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird und damit einerseits für eine Kühlung des
Endteiles 13 und andererseits für eine Kühlung des auf das Endteil 13 aufgeschobenen
hülsenförmigen Teiles 12 sorgt.
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Innerhalb des hülsenförmigen Teiles 12 ist ein weiterer Ringraum 15
angeordnet, welcher die Linsenhalterung 11 umschließt und sich in den Innenraum
16 einer vor der Linse 4 angeordneten, den reflektierten Strahl 1' des Hauptlasers
bzw. den Strahl 5 des Zusatzlasers umschließenden Düse 17 fortsetzt. Über einen
Anschluß 18 und daran anschließende Kanäle 19 im Tubusteil 10, welche sich in einen
Kanal 20 im hülsenförmigen Teil 12 fortsetzen, kann der weitere Ringraum 15 zur
Kühlung der Linsenhalterung 11 sowie der Vorderseite der Linse 4 mit einem Gas durchströmt
werden, welches nachfolgend aus der Düse 17 austritt und gegebenenfalls als Schutzgas
oder zur Unterstützung der Bearbeitung des Werk-
stückes 3 dienen
kann. Damit die Kanäle 19 und 20 miteinander fluchten, kann das hülsenförmige Teil
12 nur in einer, d.h. der richtigen Lage, auf dem Endteil 13 festgelegt werden,
indem ein am hülsenförmigen Teil 12 angeordneter Stift 21 in eine entsprechende
Aussparung am Tubusteil 10 eingesteckt ist.
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Im Bereich der Düse 17 sind - beispielsweise kapazitive oder induktive
- Abstandssensoren 22 angeordnet, deren Funktion ebenso wie die Funktion eines Linear-Potentiometers
23, dessen Abgriff 24 zusammen mit dem Tubusteil 10 verschiebbar ist, anhand der
Figur 2 näher erläutert wird.
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Je nach Stellung des Tubusteiles 10 und damit je nach Position des
Abgriffes 24 am Linear-Potentiometer 23 liegt am Abgriff eine unterschiedliche Gleichspannung
an, die an den Eingang eines Verstärkers 25 als Istwertsignal gegeben wird. Der
andere Eingang des Verstärkers 25 ist mit einer Sollwertgeberschaltung 26 verbunden.
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Ausgangsseitig erzeugt der Verstärker 25 eine Gleichspannung, deren
Polarität und Pegel vom Vorzeichen und Absolutwert der Differenz der eingangsseitig
am Verstärker 25 anliegenden Spannungen abhängen. Die Ausgangsspannung des Verstärkers
25 steuert einen Leistungsverstärker 27, welcher seinerseits einen Servomotor 28
treibt, welcher mittels einer Spindel od.dgl. das Tubusteil 10 (vgl. Fig. 1) in
der einen oder anderen Richtung S,S' verschiebt.
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Die Sollwertgeberschaltung 26 besitzt mehrere einstellbare Potentiometer
29, von denen unterschiedliche Spannungen abgreifbar und mittels Schalter 30 auf
den der Sollwertgeberschaltung 26 zugeordneten Eingang des Verstärkers 25 gelegt
werden können.
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Je nachdem, welcher der Schalter 30 geschlossen ist, wird also das
Tubusteil 10 auf einen unterschiedlichen Abstand vom Werkstück 3 eingestellt, wobei
dieser Abstand gegebenenfalls durch Verstellung des jeweiligen Potentiometers 29
vergrößert oder verkleinert werden kann. Mit den Schaltern 30 kann also ein Abstandsbereich
eingeschaltet werden.
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über einen Schalter 31 kann der der Sollwertgeberschaltung 26 zugeordnete
Eingang des Verstärkers 25 gegebenenfalls auch mit dem Ausgang eines Vergleichsverstärkers
32 verbunden werden. Dessen einer mit dem Ausgang rückgekoppelter Eingang ist über
einen Widerstand 33 mit einer konstante Spannung führenden Leitung verbunden. Der
andere Eingang ist bei 34 zwischen Widerstände einer Widerstands-Reihenschaltung
angeschlossen, die durch einen manuell verstellbaren Widerstand 35 und die Abstandssensoren
22 gebildet wird, deren Widerstand sich entsprechend dem Abstand zwischen Düse 17
und Werkstück 3 ändert. Die Ausgangsspannung des Vergleichsverstärkers 32 hängt
wiederum von der Differenz der eingangsseitig an diesem Verstärker 32 anliegenden
Spannungen ab.
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Ist der Schalter 31 (bei geöffneten Schaltern 30) geschlossen, so
regelt also der Verstärker 25 den Abstand des Tubusteiles 10 in Abhängigkeit von
der Ausgangsspannung des Vergleichsverstärkers 32 sowie der am Abgriff 24 anliegenden
Spannung. Durch Verstellung des Widerstandes 35 kann dabei eine gewünschte Justierung
vorgenommen werden.