DE3939866A1 - Laser engraving device for workpiece cylindrical mantle surface - has annular focussing mirror with curved mirror surface - Google Patents
Laser engraving device for workpiece cylindrical mantle surface - has annular focussing mirror with curved mirror surfaceInfo
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Abstract
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.The invention relates to a device for labeling a cylindrical surface of a workpiece using La Engraving, with a laser beam source and a tax baren beam deflection unit, which depends on the laser beam from the lettering to be achieved to a focus guiding mirror that directs the laser beam onto the Be writing surface reflects and focuses.
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.With many workpieces, it is common, after the Ferti labeling of the workpieces. It is known, for example with metallic workpieces make the inscription using laser engraving. There becomes a laser generated by a laser beam source beam controlled in its intensity. The laser beam is used by a beam deflection unit, if necessary Interposition of an expansion, through a focus optics directed onto a labeling surface. With help suitable optics (plan field) can be achieved that the laser beam is more or less accurate in the loading level of writing.
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.The labeling of flat labeling surfaces is common and basically poses no problems. You can also label flat ring surfaces, where practical any lettering with any orientation can be obtained by removing the beam deflection unit and controls the beam intensity accordingly.
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.It is often desirable to have cylindrical surfaces around to label it. Such cylinders shell surfaces are, for example, the outer surfaces of small metal rings. In the present context under the term "cylinder surface" each Area to be understood, which is either closed sen (ring-shaped) section of a cylinder jacket or a sector section of a cylinder jacket, thus corresponds to a non-closed surface, or that of just such a closed one NEN ring area or sector ring area is approximated, d. H. either deviates slightly from the circular shape or with respect to the axis of rotational symmetry is curved and / or inclined to a certain extent. The term "cylinder jacket surface" includes also the section of a spherical surface.
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.For all-round labeling of cylinder surfaces on me Until now, it has been necessary to work with metal workpieces Workpiece with the axis of symmetry perpendicular to the laser array and during the labeling process to turn. With such an arrangement, the Laser beam only in a very limited area the cylinder surface. This area corresponds to approaches a level.
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.Compared to the labeling of flat workpiece surfaces Chen is the above-mentioned device for labeling Cylinder jacket surfaces very complex; because there has to be one special rotating device can be provided, which works piece, for example a ring, under the laser beam turns. The workpieces must be in the turning device be excited. This makes automatic feeding and transportation very difficult. In addition, a Be movement of the workpiece slower than the very fast one Beam movement through the beam deflection unit.
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.The object of the invention is to provide a device for loading writings of a cylindrical surface of a workpiece of the type mentioned at the outset, which a laser gra vur ge with significantly reduced mechanical effort equips.
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.This object is achieved in that instead of the normal focusing optics, a focusing game gel is used as a rotationally symmetrical ring mirror or as a ring mirror sector in which the Symme triaxis-containing plane of curved mirror surface is formed.
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.The preferred embodiment is a closed ring mirror with curved mirror surface. A such a ring mirror is particularly suitable for labeling the lateral surface of small metal rings, for example. The metal ring is arranged so that its axis of symmetry coincides with that of the ring mirror. The laser beam is then from the ring mirror on the cylinder telfläche steered so that an all-round lettering featured can be taken while the workpiece is stationary.
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.In a less favorable embodiment, a Mirror sector can be used so that the laser beam is only articulated in the sector area defined thereby. This variant is possible, for example, if only one limited peripheral portion of the cylindrical surface area be should be written.
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.The device is preferably designed such that that the workpiece is axially offset outside the ring mirror lies. In principle, the workpiece can also be entirely or partially inside the ring mirror, then however, each individual workpiece must be labeled in the ring mirror in and then out of the Ring mirrors are moved out. By the mentioned erfin The measure to be labeled may be the measure in accordance with the invention pieces arranged on an assembly line or the like which is moved intermittently such that the workpiece is symmetrical to the ring mirror po is sitioned.
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.If you work with a conical ring mirror, um for example to label the face of a ring, only one axis can be focused. By the curvature of the ring mirror provided according to the invention in the plane intersecting the axis of symmetry one obtains a ring mirror focusing in two axes. Man he an almost astigmatism-free focusing is sufficient the labeling area.
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.The special shape of the mirror surface depends on the Geometry of the system and the shape and size of the label tendency cylinder surface. Preferably the inventor sees tion that the mirror surface is an elliptical or an corresponds approximately to elliptical concave mirror. With a sol Chen ring mirror you can focus the laser beam on the cylinder surface, regardless of the Ab steering position of the laser beam. Under certain circumstances, for example se with a somewhat inclined cylinder surface to the axis of symmetry Chen or with curved cylinder jacket surfaces, it may be necessary be agile, a compromise between an elliptical To choose a concave mirror and a parabolic concave mirror. The location of the focus depends on the curvature of the mirror surface and the convergence or divergence of the laser beam. By A suitable pre-focus can be seen in convergence and adjust the focus position. The special selection of The shape of the curvature for the ring mirror is made in advance calculations to be carried out, in particular the parameters "pre-focus" and "mirror curvature" in Limits can be varied to achieve that practical regardless of the extent of beam deflection, always one Focus in the labeling area is achieved. By pre-focusing a divergent or converging beam generated such that the focal points of any beam deflected in the Labeling area.
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.If - as mentioned above - the workpiece is axially offset lies outside the ring mirror, the laser beam hits at a comparatively acute angle with respect to the Axis of symmetry compared to the cylinder surface, compared with an arrangement of the workpiece completely or partially wise inside the ring mirror where the laser beam strikes almost at right angles to the axis of symmetry. Especially when lying outside the ring mirror The workpiece is primarily available for labeling outer cylindrical surface of a workpiece. Consider but you can, for example, a metal ring made of one Tube is cut out, so there is a second one, in nere cylinder surface. Basically, it is possible with the device according to the invention also the inner Label the cylinder surface. Naturally run then the laser beams reflected by the ring mirror through the axis of symmetry before going to the inner cylinder contact the outer surface of the workpiece.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The following are exemplary embodiments of the invention hand of the drawing explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Beschriften einer Zylindermantelfläche eines Metallrings, Fig. 1 is a schematic view of a device for inscribing a cylindrical peripheral surface of a metal ring,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Metallrings als typisches Werkstück mit einer Zylinderman telfläche für eine Beschriftung, und Fig. 2 is a perspective view of a metal ring as a typical workpiece with a cylinder surface for lettering, and
Fig. 3 eine Skizze, welche mögliche Strahlverläufe von abgelenkten Laserstrahlen und die dazu gehörigen Brennpunkte in einer Zylinderman telfläche veranschaulicht. Fig. 3 is a sketch which illustrates possible beam profiles of deflected laser beams and the associated focal points in a cylinder surface.
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.Reference is first made to FIG. 2, which shows in perspective a small metal ring 1 , which is, for example, a workpiece cut from a pipe. The ring 1 has an upper end ring surface 11 , a lower end ring surface 12 , an outer circumferential surface 13 and an inner circumferential surface 14 . On the outer circumferential surface 13 , which is therefore a cylindrical circumferential surface, there is an inscription 15 introduced by means of laser engraving, here the word "laser engraving" is engraved.
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.The cylinder jacket surface 13 corresponds to a section of a cylinder jacket Z, as indicated below the ring 13 by dashed lines. Above the workpiece 1 , a Kugelflä surface K is indicated by dashed lines. This is to make it clear that the cylindrical surface 13 to be labeled can also be a spherical cutout. In this case, of course, one only holds an approximate cylinder surface, which is somewhat curved with respect to the axis of symmetry. Such surfaces can also be labeled with the device to be described below.
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. Fig. 1 shows an apparatus for inscribing in each case a cylindrical casing surface 13 of a workpiece 1. On an intermittently moving workpiece support 2 there are several workpieces 1 which have the same or approximately the same outside diameter. Above the middle work piece 1 is in a symmetrical arrangement to the workpiece 1, an annular mirror 3 with a mirror surface 4 , which corresponds to a section or segment of an elliptical concave mirror. The axis of rotational symmetry 16 of the mirror surface 4 coincides with the axis of symmetry of the workpiece 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.Above the ring mirror 3 is a Strahlab steering unit, consisting of two deflecting mirrors 5 and 6 , which can be pivoted by 90 ° offset axes, so that a laser beam 8 emitted by laser device after passing through a pre-focusing lens 7 can be deflected such that he can take any course within a room that is defined above the ring mirror 3 by two conical outer surfaces. This is indicated in FIG. 1 for the longitudinal section plane by several laser beams L.
Von der Spiegelfläche 4 werden die Laserstrahlen L reflek tiert und treffen auf die Zylindermantelfläche 13 des Werk stücks 1 auf.From the mirror surface 4 , the laser beams L are reflected and strike the cylindrical surface 13 of the workpiece 1 .
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.In order to reach a sufficient energy density for an engraving, the focal point of each laser beam must lie approximately in the labeling surface, in this case in the cylinder jacket surface 13 .
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. Fig. 3 shows a section of the ring mirror 3 with several bundles L 1 , L 2 ....... L 5 len of possible laser beams, the prefocusing being set such that the beams first converge towards the mirror surface 4 and finally have their focal point in the area of the cylindrical surface 13 . Three focal points P 1 and P 4 for the laser beam bundles L 1 and L 4 are indicated there in FIG. 3.
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.With the aid of a controller 20 ( FIG. 1) the intensity of the laser beam emitted by the laser device 8 is varied in accordance with the desired labeling. Furthermore, the deflection of the deflecting mirrors 5 and 6 is controlled by the controller 20 . A suitable prefocusing is also set by the controller 20 .
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, können mit der dort darge stellten Anlage auch Ringe mit kleinerem Durchmesser auf ihrer Außenfläche beschriftet werden.As can be seen from FIG. 1, rings with a smaller diameter can also be labeled on their outer surface with the system shown there.
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