DE3939866A1 - Vorrichtung zum beschriften einer zylindermantelflaeche mittels lasergravur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschriften einer Zylindermantelfläche eines Werkstücks mittels La­ sergravur, mit einer Laserstrahlquelle und einer steuer­ baren Strahlablenkeinheit, die den Laserstrahl abhängig von der zu erzielenden Beschriftung auf einen fokussie­ renden Spiegel lenkt, der den Laserstrahl auf die Be­ schriftungsfläche reflektiert und fokussiert.

Bei vielen Werkstücken ist es üblich, nach der Ferti­ gung der Werkstücke eine Beschriftung anzubringen. Es ist bekannt, zum Beispiel bei metallischen Werkstücken die Beschriftung mittels Lasergravur vorzunehmen. Da­ zu wird ein von einer Laserstrahlquelle erzeugter Laser­ strahl in seiner Intensität gesteuert. Der Laserstrahl wird von einer Strahlablenkeinheit, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Aufweitung, durch eine Fokussier­ optik auf eine Beschriftungsfläche gelenkt. Mit Hilfe einer geeigneten Optik (Planfeld) läßt sich erreichen, daß der Lasertrahl mehr oder weniger genau in der Be­ schriftungsebene fokussiert wird.

Das Beschriften von ebenen Beschriftungsflächen ist üblich und wirft im Grunde genommen keine Probleme auf. Man kann auch ebene Ringflächen beschriften, wobei prak­ tisch beliebige Schriftzüge mit beliebiger Orientierung erhalten werden können, indem man die Strahlablenkein­ heit und die Strahlintensität entsprechend steuert.

Häufig ist es erwünscht, Zylindermantelflächen rund­ um mit einer Beschriftung zu versehen. Solche Zylinder­ mantelflächen sind zum Beispiel die Außenflächen von kleinen Metallringen. Im vorliegenden Zusammenhang soll unter dem Begriff "Zylindermantelfläche" jede Fläche verstanden werden, die entweder einen geschlos­ senen (ringförrmigen) Ausschnitt eines Zylindermantels oder einen Sektor-Ausschnitt eines Zylindermantels, also einer nicht-geschlossenen Mantelfläche entspricht, oder aber die lediglich einer derartigen geschlosse­ nen Ringfläche oder Sektor-Ringfläche angenähert ist, d. h. entweder von der Kreisform geringfügig abweicht oder aber bezüglich der Achse der Rotationssymmetrie bis zu einem gewissen Grad gekrümmt und/oder geneigt ist. Damit umfaßt hier der Begriff "Zylindermantelfläche" auch den Ausschnitt einer Kugeloberfläche.

Zum Rundum-Beschriften von Zylindermantelflächen an me­ tallischen Werkstücken ist es bislang notwendig, das Werkstück mit der Symmetrieachse senkrecht zu dem Laser­ strahl anzuordnen und während des Beschriftungsvorgangs zu drehen. Bei einer solchen Anordnung bewegt sich der Laserstrahl lediglich in einem eng begrenzten Bereich der Zylindermantelfläche. Dieser Bereich entspricht ange­ nähert einer Ebene.

Im Vergleich zu der Beschriftung von ebenen Werkstückflä­ chen ist die oben erwähnte Vorrichtung zum Beschriften von Zylindermantelflächen sehr aufwendig; denn es muß eine spezielle Drehvorrichtung vorgesehen sein, die das Werk­ stück, zum Beispiel einen Ring, unter dem Laserstrahl dreht. Die Werkstücke müssen in der Drehvorrichtung ein­ gespannt werden. Dadurch wird ein automatisches Zuführen und Abtransportieren sehr schwierig. Außerdem ist eine Be­ wegung des Werkstücks langsamer als die sehr schnelle Strahlbewegung durch die Strahlablenkeinheit.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Be­ schriften einer Zylindermantelfläche eines Werkstücks der eingangs genannten Art anzugeben, die eine Lasergra­ vur bei erheblich verringertem mechanischem Aufwand ge­ stattet.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß statt der normalen Fokussieroptik ein fokussierender Spie­ gel verwendet wird, der als rotationssymmetrischer Ring­ spiegel oder als Ringspiegelsektor mit in der die Symme­ trieachse enthaltenden Ebene gekrümmter Spiegelfläche aus­ gebildet ist.

In der bevorzugten Ausführungsforn handelt es sich um einen geschlossenen Ringspiegel mit gekrümmter Spiegelfläche. Ein solcher Ringspiegel eignet sich vorzüglich zum Beschriften der Mantelfläche von beispielsweise kleinen Metallringen. Der Metallring wird so angeordnet, daß seine Symmetrieachse mit derjenigen des Ringspiegels zusammenfällt. Der Laser­ strahl wird dann von dem Ringspiegel auf die Zylinderman­ telfläche gelenkt, so daß eine Rundum-Beschriftung vorge­ nommen werden kann, während das Werkstück stillsteht.

In einer weniger günstigen Ausführungsform kann auch ein Spiegelsektor eingesetzt werden, so daß der Laserstrahl nur in dem dadurch definierten Sektorbereich angelenkt wird. Diese Variante ist zum Beispiel dann möglich, wenn nur ein begrenzter Umfangsabschnitt der Zylindermantelfläche be­ schriftet werden soll.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, daß das Werkstück axial versetzt außerhalb des Ringspiegels liegt. Zwar kann grundsätzlich das Werkstück auch ganz oder teilweise im Inneren des Ringspiegels liegen, dann jedoch muß jedes einzelne Werkstück zum Beschriften in den Ringspiegel hinein und anschließend wieder aus dem Ringspiegel herausbewegt werden. Durch die genannte erfin­ dungsgemäße Maßnahme können die zu beschriftenden Werk­ stücke auf einem Fließband oder dergleichen angeordnet werden, welches intermittierend derart bewegt wird, daß das Werkstück jeweils symmetrisch zu dem Ringspiegel po­ sitioniert ist.

Wenn man mit einem konischen Ringspiegel arbeitet, um beispielsweise die Stirnfläche eines Rings zu beschriften, ist nur eine Fokussierung in einer Achse möglich. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Krümmung des Ringspiegels in der die Symmetrieachse schneidenden Ebene erhält man einen in zwei Achsen fokussierenden Ringspiegel. Man er­ reicht eine annähernd astigmatismusfreie Fokussierung in der Beschriftungsfläche.

Die spezielle Form der Spiegelfläche hängt ab von der Geometrie der Anlage sowie Form und Größe der zu beschrif­ tenden Zylindermantelflächen. Vorzugsweise sieht die Erfin­ dung vor, daß die Spiegelfläche einem elliptischen oder an­ nähernd elliptischen Hohlspiegel entspricht. Mit einem sol­ chen Ringspiegel erreicht man eine Fokussierung des Laser­ strahls auf der Zylindermantelfläche, unabhängig von der Ab­ lenkstellung des Laserstrahls. Unter Umständen, beispielswei­ se bei zur Symmetrieachse etwas geneigten Zylindermantelflä­ chen oder bei gekrümmten Zylindermantelflächen kann es not­ wendig sein, einen Kompromiß zwischen einem elliptischen Hohlspiegel und einem parabolischen Hohlspiegel zu wählen. Die Lage des Fokus hängt von der Krümmung der Spiegelfläche und der Konvergenz bzw. Divergenz des Laserstrahls ab. Durch eine geeignete Vorfokussierung kann man die Konvergenz und damit die Fokuslage einstellen. Die spezielle Auswahl der Krümmungsform für den Ringspiegel erfolgt anhand von vorab durchzuführenden Berechnungen, bei denen insbesondere die Parameter "Vorfokussierung" und "Spiegelkrümmung" in Grenzen variiert werden, um zu erreichen, daß praktisch unabhängig von dem Ausmaß der Strahlablenkung stets eine Fokussierung in der Beschriftungsfläche erreicht wird. Durch die Vorfokussierung wird ein divergierender oder konvergierender Strahl erzeugt, derart, daß die Brenn­ punkte jedes wie auch immer abgelenkten Strahls in der Beschriftungsfläche liegen.

Wenn - wie oben erwähnt - das Werkstück axial versetzt außerhalb des Ringspiegels liegt, trifft der Laserstrahl in einem vergleichsweise spitzen Winkel bezüglich der Symmetrieachse auf die Zylindermantelfläche, verglichen mit einer Anordnung des Werkstücks vollständig oder teil­ weise im Inneren des Ringspiegels, bei der der Laser­ strahl fast rechtwinkelig zur Symmetrieachse auftrifft. Insbesondere bei außerhalb des Ringspiegels liegendem Werkstück bietet sich zur Beschriftung vornehmlich die äußere Zylindermantelfläche eines Werkstücks an. Betrach­ tet man aber zum Beispiel einen Metallring, der aus einem Rohr ausgeschnitten ist, so gibt es noch eine zweite, in­ nere Zylindermantelfläche. Grundsätzlich ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch die innere Zylindermantelfläche zu beschriften. Naturgemäß verlaufen dann die von dem Ringspiegel reflektierten Laserstrahlen durch die Symmetrieachse, bevor sie auf die innere Zylin­ dermantelfläche des Werkstücks auftreffen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Beschriften einer Zylindermantelfläche eines Metallrings,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Metallrings als typisches Werkstück mit einer Zylinderman­ telfläche für eine Beschriftung, und

Fig. 3 eine Skizze, welche mögliche Strahlverläufe von abgelenkten Laserstrahlen und die dazu­ gehörigen Brennpunkte in einer Zylinderman­ telfläche veranschaulicht.

Es soll zunächst auf Fig. 2 Bezug genommen werden, die in perspektivischer Darstellung einen kleinen Metallring 1 zeigt, bei dem es sich zum Beispiel um ein von einem Rohr abgeschnittenes Werkstück handelt. Der Ring 1 besitzt eine obere Stirn-Ringfläche 11, eine untere Stirn-Ringfläche 12, eine äußere Mantelfläche 13 und eine innere Mantelfläche 14. Auf der äußeren Mantelfläche 13, bei der es sich also um eine Zylindermantelfläche handelt, befindet sich eine mittels Lasergravur eingebrachte Beschriftung 15, hier ist das Wort "Lasergravur" eingraviert.

Die Zylindermantelfläche 13 entspricht einem Ausschnitt aus einem Zylindermantel Z, wie unterhalb des Rings 13 durch gestrichelte Linien angedeutet ist. oberhalb des Werkstücks 1 ist durch gestrichelte Linien eine Kugelflä­ che K angedeutet. Dies deshalb, um zu verdeutlichen, daß es sich bei der zu beschriftenden Zylindermantelfläche 13 auch um einen Kugelausschnitt handeln kann. In diesem Fall er­ hält man natürlich eine nur angenäherte Zylindermantelflä­ che, die bezüglich der Symmetrieachse etwas gekrümmt ist. Auch solche Flächen lassen sich mit der im folgenden zu beschreibenden Vorrichtung beschriften.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Beschriften jeweils einer Zylindermantelfläche 13 eines Werkstücks 1. Auf einer intermittierend bewegten Werkstückauflage 2 befinden sich mehrere Werkstücke 1, die gleichen oder annähernd gleichen Außendurchmesser aufweisen. Oberhalb des mittleren Werk­ stücks 1 befindet sich in symmetrischer Anordnung zu dem Werkstück 1 ein Ringspiegel 3 mit einer Spiegelfläche 4, die einem Ausschnitt oder Segment eines elliptischen Hohl­ spiegels entspricht. Die Rotationssymmetrieachse 16 der Spiegelfläche 4 fällt zusamnen mit der Symmetrieachse des Werkstücks 1.

Oberhalb des Ringspiegels 3 befindet sich eine Strahlab­ lenkeinheit, bestehend aus zwei Ablenkspiegeln 5 und 6, die um um 90° gegeneinander versetzte Achsen verschwenkbar sind, so daß ein von einem Lasergerät 8 abgegebener Laser­ strahl nach Durchlaufen einer Vorfokussierungsoptik 7 derart abgelenkt werden kann, daß er irgendeinen Verlauf innerhalb eines Raums nehmen kann, der oberhalb des Ring­ spiegels 3 durch zwei Kegelmantelflächen definiert wird. Dies ist in Fig. 1 für die Längsschnittebene durch jeweils mehrere Laserstrahlen L angedeutet.

Von der Spiegelfläche 4 werden die Laserstrahlen L reflek­ tiert und treffen auf die Zylindermantelfläche 13 des Werk­ stücks 1 auf.

Um eine für eine Gravur ausreichende Energiedichte zu er­ reichen, muß der Brennpunkt jedes Laserstrahls etwa in der Beschriftungsfläche, hier also in der Zylindermantelfläche 13 liegen.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Ringspiegel 3 mit mehreren Bündeln L1, L2.......L5 von möglichen Laserstrah­ len, wobei die Vorfokussierung derart eingestellt ist, daß die Strahlen zunächst zur Spiegelfläche 4 hin konver­ gieren und schließlich ihren Brennpunkt im Bereich der Zylindermantelfläche 13 haben. Dort sind in Fig. 3 zwei Brennpunkte P1 und P4 für die Laserstrahlbündel L1 bzw. L4 angedeutet.

Mit Hilfe einer Steuerung 20 (Fig. 1) wird nach Maßgabe der gewünschten Beschriftung die Intensität des von dem Lasergerät 8 abgegebenen Laserstrahls variiert. Ferner wird die Ablenkung der Ablenkspiegel 5 und 6 von der Steuerung 20 gesteuert. Auch wird von der Steuerung 20 eine geeignete Vorfokussierung eingestellt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, können mit der dort darge­ stellten Anlage auch Ringe mit kleinerem Durchmesser auf ihrer Außenfläche beschriftet werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Beschriften einer Zylindermantelflä­ che (13) eines Werkstücks (1) mittels Lasergravur, mit einer Laserstrahlquelle (8, 9) , einer steuerbaren Strahlablenk­ einheit (5, 6), die den Laserstrahl abhängig von der zu er­ zielenden Beschriftung (15) auf einen fokussierenden Spie­ gel (3) lenkt, der den Laserstrahl (L) auf die Beschrif­ tungsfläche (13) reflektiert, dadurch gekennzeichnet, daß der fokussierende Spiegel als rotationssymmetrischer Ringspiegel (3) oder Ringspiegelsektor mit in der die Sym­ metrieachse (16) enthaltenden Ebene gekrümmter Spiegel­ fläche (4) ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse (16) des geschlossenen Ringspiegels (3) mit der Symmetrieachse der Beschriftungsfläche (13) zusammenfälllt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück axial versetzt außerhalb des Ringspiegels (3) liegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche (4) einem elliptischen, annähernd elliptischen oder parabolischen Hohlspiegel entspricht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorfokussierungsoptik (7) vorgesehen ist, die zu­ sammen mit dem Ringspiegel den Laserstrahl (L1, L2....L5) in praktisch jeder Ablenkstellung in der Beschriftungsfläche (15) fokussiert.