DE3523887C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser, insbesondere schnellströmenden Axialstrom-Gastransportlaser mit einem Bearbeitungskopf.

Solche CO₂-Laser finden Anwendung in der Materialbearbeitung, insbesondere beim Schweißen und Schneiden von Werkstücken aus Metall. Der Aufbau einer Laser-Materialbearbeitungsanlage besteht im wesentlichen aus dem Laserresonator mit dem Bearbeitungskopf und einem diesem zugeordneten Bearbeitungstisch mit Werkstückaufnahme. Während der Bearbeitung von Werkstücken werden entweder der Bearbeitungstisch mit der Werkstückaufnahme unter einem stationär angeordneten Laser oder der Laser über einem stationär angeordneten Werkstück verfahren. Gemäß einem weiteren Verfahren zum Laserschneiden oder -schweißen von insbesondere dreidimensionalen räumlichen Konturen wird der Laserkopf von dem Resonator räumlich getrennt und in mehreren Achsen verfahren, wobei der Bearbeitungstisch mit dem Werkstück Relativbewegungen zu den Brennerkopfbewegungen ausführt. Der in dem Resonator erzeugte Laserstrahl wird dabei über ein optisches System dem Bearbeitungskopf zugeführt.

Aus dem Buch "Lasertechnik, eine Einführung", Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg, zweite durchgesehene Auflage, 1984, Seite 358 ist ein Bearbeitungskopf für CO₂-Laser bekannt, bei dem der Bearbeitungskopf mittels Schrauben an dem optischen System und dem Resonator befestigt ist. Eine Grob- und Feineinstellung des Bearbeitungskopfes erfolgt hierbei über ein Bewegungsgewinde mit begrenztem Stellweg.

Bei einem derartigen Laser ist der Austausch des optischen Systems sehr arbeitsaufwendig. So muß beim Austausch des Bearbeitungskopfes bzw. des optischen Systems gegen andere Bearbeitungsköpfe/optische Systeme jeweils die Schraubenverbindung gelöst und der neue Brennerkopf nach entsprechender Fixierung neu angeschraubt werden. Weiterhin wird dieser starr angeordnete Laserkopf sowie die Maschinenführungen der Laseranlage bei einem Zusammenstoß dieses Kopfes mit dem Werkstück beschädigt bzw. zerstört. Dabei tritt beim Bearbeiten von komplizierten Werkstückkonturen, insbesondere dreidimensionalen Werkstücken mit Laserbearbeitungsköpfen eine erhöhte Zusammenstoßgefahr auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Beschädigungen des Lasers bei Kollisionen zwischen Laserkopf und in dem Verfahrbereich des Laserkopfes angeordneten Teilen zu verhindern und gleichzeitig eine leichte Austauschbarkeit des Bearbeitungskopfes des Lasers zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• a) der Laser und der Bearbeitungskopf über eine Magnetkupplung miteinander verbunden sind,
• b) die Magnetkupplung aus einem am Laser befestigten magnetischen Halter und einer am Bearbeitungskopf befestigten Zentrierung besteht, wobei die Zentrierung zur optischen Fixierung des Strahlenganges einen in einer Bohrung des magnetischen Halters eingreifenden Bund aufweist, dessen Höhe so bemessen ist, daß auch bei seitlich auf die Zentrierung wirkenden Kräften die Verbindung zwischen Zentrierung und magnetischem Halter gelöst wird.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen im wesentlichen in der leichten Auswechselbarkeit des Bearbeitungskopfes und/oder des optischen Systems und in der gleichzeitigen Verhinderung von Beschädigungen des Lasers beim Zusammenstoßen des Bearbeitungskopfes mit in dem Verfahrbereich des Bearbeitungskopfes angeordneten Teilen. Weiterhin wird vorteilhaft eine Beschädigung des Werkstückes und dem Werkstück zugeordneter Halte- bzw. Spannvorrichtungen durch die Abkopplung des Bearbeitungskopfes bei einer Kollision vermieden. Dies führt zu großen Zeit- und Materialeinsparungen während der Bearbeitung von insbesondere dreidimensionalen Werkstücken. Ferner werden die Unterbrechungszeiten aufgrund von Maschinenschäden erheblich reduziert.

Um den Bearbeitungskopf in einfacher Weise zentrisch an dem Resonator zu befestigen, besteht die Magnetkupplung aus einem Magnethalter und einem oder mehreren zugeordneten Zentrierringen, wobei jeder der Zentrierringe an einem Bearbeitungskopf befestigt ist. Durch die Zuordnung von mehreren Zentrierringen können vorteilhaft Laserschneidköpfe mit verschiedenen Brennweiten sowie Teach-In- Nachführeinrichtungen, wie beispielsweise Teach-In- Taster, schnell an dem Magnethalter befestigt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

In der Zeichnung ist der schematisch dargestellte Axialstrom-Gastransport-CO₂-Laser in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnet. Der Laser besteht im wesentlichen aus einem Resonator 11 mit einem Bearbeitungskopf 12. In dem Bearbeitungskopf 12 sind nicht näher dargestellte Fokussieroptiken und an dem Bearbeitungskopf 12 der Anschluß 13 für die Lasergaszufuhr 14 angeordnet. An der zum Werkstück zugewandten Seite ist an dem Bearbeitungskopf eine auswechselbare Schneiddüse 15 zur Formung des Gasstromes befestigt.

Weiterhin können in dem Bearbeitungskopf 12 nicht näher dargestellte optische Nachführsysteme, insbesondere Spiegel, zur Umlenkung des Laserstrahles 16 angeordnet sein. Die vorzugsweise in Winkelköpfen eingesetzten Spiegel müssen hierbei leicht und lagesicher eingebaut sowie ausgewechselt werden können.

Der in dem optischen Resonator 11 erzeugte Laserstrahl 16 wird über einen nicht näher dargestellten teildurchlässigen Auskopplungsspiegel aus dem optischen Resonator 11 ausgekoppelt und mittels eines planparallelen Umlenkspiegels 17 in Richtung des zu bearbeitenden Werkstückes 18 um 90° abgelenkt und mit einer nicht näher dargestellten Fokussierlinse auf das zu bearbeitende Werkstück 18 fokussiert. Der Umlenkspiegel 17 kann mittels Einstellelementen 19 in seiner Lage eingestellt werden.

Der Umlenkspiegel 17 ist in einem Halteteil 20 befestigt, daß nach einer Ausbildung der Erfindung an dem Gehäuse des optischen Resonators befestigt ist.

Selbstverständlich ist es auch möglich, den ausgekoppelten Laserstrahl einem räumlich von dem optischen Resonator 11 getrennten und in Auskoppelrichtung des Laserstrahles verfahrbaren Laserkopfhalteteil 20 mit Bearbeitungskopf 12 zuzuführen.

An dem Laserkopfhalteteil 20 ist koaxial zu dem auf das Werkstück gerichteten Laserstrahl 16 eine Sicherheitskupplung 21 angeordnet. Die Sicherheitskupplung 21 besteht im wesentlichen aus einem Magnethaltering 22 und einem Zentrierring 23. Der Magnethaltering ist als Hohlzylinder ausgebildet, in dessen kreisringförmiger Wandung 24 Magnetbohrungen 25 und Haltebohrungen 26 vorgesehen sind. Vorzugsweise sind in der Wandung 24 des Magnethalteringes 22 vier um 90° versetzt zueinander angeordnete Magnetbohrungen 25 vorgesehen. Vorzugsweise auf der gleichen Kreismittellinie, auf der diese Magnetbohrungen 25 angeordnet sind, sind seitlich zu zwei sich gegenüberliegenden Magnetbohrungen 25 vier weitere Haltebohrungen 26 angeordnet, wobei jeweils zwei der Haltebohrungen 26 um 30° links bzw. rechts von einer Magnetbohrung 25 angeordnet sind. Selbstverständlich ist auch eine andere Anordnung der Magnet- und Haltebohrungen möglich. Die Haltebohrungen 26 sind vorzugsweise als Stufenbohrungen für eine Innensechskantschraube 27 ausgebildet. Die erste Stufe der Stufenbohrung entspricht dem Kopfdurchmesser und der Kopftiefe der Innensechskantschraube 27, so daß nach der Hindurchführung der Innensechskantschraube 27 durch die Haltebohrung 26 der Kopf der Innensechskantschraube 27 in dem Magnethaltering vollständig eingesenkt ist und somit nicht über die Stirnfläche 28 des Magnethalteringes 22 hervorsteht. An der zum Laserhalteteil zugewandten Seite des Magnethalteringes 22 ist eine durchmesserkleinere Andrehung 29 vorgesehen, deren Außendurchmesser als Zentrierteil ausgebildet ist.

Der Magnethaltering 22 wird mit der Andrehung 29 in eine im Halteteil 20 vorgesehene Paßbohrung 39 eingesetzt und mittels vier Innensechskantschrauben 27 mit dem Halteteil verbunden. Hierzu sind in dem Halteteil 20 Gewindebohrungen 30 vorgesehen, die in der Lage den Haltebohrungen 26 des Magnethalteringes 22 entsprechenden.

Die der Stirnfläche 28 gegenüberliegende Absatzfläche 31 ist planparallel zur Stirnfläche 28 und rechtwinklig zur Andrehung 28 ausgebildet.

In den Magnetbohrungen 25 sind Magnete 32 befestigt, vorzugsweise eingeklebt. Die Magnete 32 sind vorzugsweise als Permanentmagnete ausgebildet. Selbstverständlich können jedoch auch Elektromagnete verwendet werden, die beispielsweise als Ringmagnete ausgebildet sind. In der zum Bearbeitungskopf 12 weisenden Stirnfläche 28 des Magnethalteringes 22 ist ein gegenüber der nicht tolerierten Bohrung 33 durchmessergrößere Eindrehung 34 vorgesehen. Die Eindrehung 34 ist vorzugsweise als Paßbohrung ausgebildet, deren Tiefe vorzugsweise 2 mm beträgt.

In die Eindrehung 34 wird der Zentrierring 23 mit einem am Zentrierring vorgesehenen Bund 35 eingesetzt. Der Zentrierring 23 ist im wesentlichen ebenfalls als Hohlzylinder ausgebildet, an dessen zum Magnethaltering 22 gerichteten Ende der durchmesserkleinere Bund 35 angedreht ist. Der Außendurchmesser des Bundes 35 ist dabei so toleriert, daß der Zentrierring 23 koaxial in dem Magnethaltering 22 angeordnet ist. Der Zentrierring weist auf seiner, dem Bearbeitungskopf 12 zugewandten, Seite eine Aufnahmebohrung 36 auf, in der der Bearbeitungskopf 12 mit einem dem Durchmesser der Aufnahmebohrung 36 entsprechenden Fixierzapfen 37 gehalten wird. Die sich an den Bund 35 anschließende und auf der Stirnfläche 28 des Magnethalteringes 22 aufliegende Stirnfläche 38 des Zentrierringes 23 ist dabei so ausgebildet, daß sie sich über die Magnete 32 erstreckt. Über die von den Magneten erzeugte Magnetkraft wird der Zentrierring mit dem eingesetzten Bearbeitungskopf 12 gehalten.

Wirkt eine seitliche Kraft gegen den so befestigten Bearbeitungskopf 12, fällt der Zentrierring mit dem Bearbeitungskopf von dem Halteteil 20 ab. Eine Beschädigung des Werkstückes 18 bzw. des Lasers 10, insbesondere der nicht näher dargestellten Laserführungen sowie des Bearbeitungskopfes, wird in einfacher Art und Weise vorteilhaft vermieden.

Claims (4)

1. Laser, insbesondere schnellströmender Axialstrom- Gastransportlaser, mit einem Bearbeitungskopf (12), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) der Laser (11) und der Bearbeitungskopf (12) sind über eine Magnetkupplung (21) miteinander verbunden,
• b) die Magnetkupplung (21) besteht aus einem am Laser (11) befestigten magnetischen Halter (22) und einer am Bearbeitungskopf (12) befestigten Zentrierung (23), wobei die Zentrierung (23) zur optischen Fixierung des Strahlengangs einen in einer Bohrung (34) des magnetischen Halters (22) eingreifenden Bund (35) aufweist, dessen Höhe so bemessen ist, daß auch bei seitlich auf die Zentrierung (23) wirkenden Kräften die Verbindung zwischen Zentrierung (23) und magnetischem Halter gelöst wird.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnethalter (22) als Hohlzylinder ausgebildet ist, in dessen Wandung (24) mindestens ein Magnet (32) angeordnet ist.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierring (23) eine zylinderförmige Ausnehmung (36) aufweist, in die der Bearbeitungskopf (12) eingesetzt und zentriert ist.

4. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlzylinder mehrere, auf einem gemeinsamen Teilkreis angeordnete Magnete (32) sind.