DE4000420A1 - Laserstrahlmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserstrahlmaschine zur Bearbeitung eines metallischen Werkstücks mit einem Laserstrahl.

Fig. 12A zeigt eine perspektivische Ansicht einer üblichen Laserstrahlmaschine mit fünf Achsen X, Y, Z, C und A und Fig. 12B zeigt eine perspektivische Ansicht des Bearbeitungskopfes der Vorrichtung. In Fig. 12 sieht man einen Laseroszillator 1 zur Erzeugung eines Laserstrahls, einen Laserstrahlmaschinengrundkörper 2, einen Bearbeitungskopf 3 mit einer Sammellinse und einer Bearbeitungsgasdüse, einen Bearbeitungstisch 4 und eine Steuereinheit 5 zum Steuern des Laseroszillators und des Maschinenkörpers. Wie in Fig. 12B dargestellt, hat der Bearbeitungskopf 3 eine sich vertikal bewegende Z-Achse, eine C-Achse und eine A-Achse, so daß er jede Lage einnehmen kann.

Fig. 13 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellung der Anordnung der oben beschriebenen Steuereinheit 5. Die Steuereinheit 5 umfaßt einen Speicher 5 a, in dem Bearbeitungsprogramme gespeichert sind, eine Leseeinrichtung 5 b für den Speicher 5 a, einen Puffer 5 c, eine Analysierfunktion 5 d für einen in den Puffer eingegebenen Befehl, eine Funktion 5 e zur Erzeugung eines Bewegungsbefehls entsprechend dem Ergebnis der Analysierfunktion 5 d, eine Motorsteuerfunktion 5 f zur Übertragung des Bewegungsbefehls zu einem Antriebsmotor, einen Antriebsverstärker 5 g, einen Motor 5 h und einen Lagedetektor 5 i zur Erfassung der Anzahl der Umdrehungen des Motors.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der üblichen, so aufgebauten Laserstrahlmaschine in bezug auf Fig. 14A beschrieben werden. Der Laseroszillator 1 erzeugt einen Laserstrahl 6. Der so ausgesendete Laserstrahl 6 wird mittels eines Reflektionsspiegels 7 in der optischen Bahn reflektiert und auf einen optischen Punkt am Brennpunkt mittels der Sammellinse 8 im Bearbeitungskopf 3 gebündelt, so daß eine zur Bearbeitung eines auf einem Bearbeitungstisch 10 angeordneten Werkstücks 9 erforderliche Energie erzeugt wird. Der so gebündelte Laserstrahl wird vertikal auf das Werkstück 9 am Maschinentisch 10 aufgebracht, so daß die Temperatur des Werkstücks den Schmelzpunkt erreicht, wenn es mittels des Laserstrahls bestrahlt wird, d. h. das Werkstück schmilzt längs der Bearbeitungsortskurve. Das geschmolzene Material wird vom Werkstück mittels Anblasen durch ein Bearbeitungsgas entfernt. Fig. 14A zeigt eine numerische Steuereinrichtung 11 zur Bewegung des Bearbeitungstisches 10 in einer X-Y-Ebene. Fig. 14B zeigt einen O-Ring 12, eine Linsenhalterung 13, eine Bearbeitungsdüse 14, einen Hilfsgaseinlaß 15 und ein Hilfsgas 16.

Die Steuereinheit 5 arbeitet entsprechend einem Bearbeitungsprogramm, das einer zu bearbeitenden Form entspricht, das in dem Speicher 5 a gespeichert ist, um den Motor 5 h anzutreiben, wodurch das Werkstück in der erforderlichen Weise bearbeitet wird.

Wenn das Werkstück wie oben beschrieben bearbeitet wird, werden in der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks 10 Ziehlinien 17 ausgebildet, wie dies in Fig. 15A gezeigt ist. Dies wird im einzelnen beschrieben. Das mit dem Hilfsgas 16 reagierende Werkstück wird durch die hohe Energie des Laserstrahls, der in dem Lichtpunkt konzentriert ist, geschmolzen und reagiert mit dem Hilfsgas 16. Das sich ergebende geschmolzene Material fließt am Werkstück durch den Strahl des Hilfsgases nach unten, so daß von der unteren Oberfläche des Werkstücks 9 Funken 18 abgegeben werden. D.h., die Ziehlinien 17 sind Spuren des geschmolzenen Materials, das in der geschnittenen Oberfläche des Werkstücks ausgebildet wird, wenn es, wie oben beschrieben, nach unten fließt. Der Laserstrahl 6 wird senkrecht auf das Werkstück 9 aufgebracht. Er wird jedoch in der Bearbeitungsrichtung 20 des Werkstücks bewegt. Das ist der Grund, warum die Ziehlinien 17 nach hinten oder in einer Richtung entgegengesetzt zur Bearbeitungsrichtung des Werkstücks gekrümmt sind.

Die übliche Laserstrahlmaschine ist wie oben beschrieben aufgebaut und arbeitet entsprechend. Die Aufbringrichtung des Laserstrahls ist immer senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks 9. Aus diesem Grund sind die Ziehlinien 17 in entgegengesetzter Richtung zur Bearbeitungsrichtung bei steigender Bearbeitungsgeschwindigkeit gekrümmt, und die Funken 18 müssen eine relativ lange Strecke rückwärts längs der unteren Fläche des Werkstücks 9 fließen. Hierdurch lösen sich die Funken 1 S, d. h. das geschmolzene Material nicht von der unteren Oberfläche des Werkstücks 9, d. h., es bildet sich eine große Menge von gratförmiger Metallschlacke 19, die an der unteren Fläche des Werkstücks 9 haftet. Hierdurch wird es schwierig, das Werkstück zufriedenstellend zu bearbeiten, und es ist unmöglich, die Bearbeitungsgeschwindigkeit weiter zu steigern.

Fig. 16 ist ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Bearbeitungsgeschwindigkeit V und dem Krümmungsgrad L der Ziehlinie beim Bearbeiten eines 1 mm dicken Werkstücks aus SPSS mit einer Sammellinse, die eine Brennweite von 9,525 cm aufweist, und einem 1 kW Laserstrahl, der senkrecht auf das Werkstück aufgebracht wird. Aus Fig. 16 sieht man, daß, wenn die Bearbeitungsgeschwindigkeit V zunimmt, der Krümmungsgrad L der Ziehlinie zunimmt. Bei einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 14 m/min. beträgt der Krümmungsgrad L 0,8 mm. In diesem Fall fließen die an der unteren Fläche des Werkstücks auftretenden Funken 18 eine relativ lange Strecke in entgegengesetzter Richtung zur Bearbeitungsrichtung 20 und sind im wesentlichen parallel zur unteren Fläche des Werkstücks. Hierdurch haftet das geschmolzene Material, das als Funken 18 auftritt, an der unteren Oberfläche des Werkstücks. Unter den oben beschriebenen Bedingungen ist somit die Bearbeitungsgeschwindigkeit auf 14 m/min. begrenzt. Man sieht aus der obigen Beschreibung, daß bei der üblichen Technik, bei der der Einfallwinkel des Laserstrahls zum Werkstück 90° beträgt, die Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit V bis zu einem gewissen Maß bei Steigerung des Laserausgangs begrenzt ist.

Bei der oben beschriebenen üblichen Laserstrahlmaschine bleibt die positionsmäßige Beziehung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück 9 während der Bearbeitung unverändert. Beim Schneiden einer Form einschließlich Krümmungen nimmt es daher sehr viel Zeit in Anspruch, das Bearbeitungsprogramm auszubilden. Entsprechend ist die zu bearbeitende Form auf eine gerade Linie oder auf eine einfache Form begrenzt, die aus geraden Linien besteht. Dies ist ein weiterer Nachteil der üblichen Laserstrahlmaschine.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile üblicher Laserstrahlmaschinen zu beheben und eine Laserstrahlmaschine zu schaffen, bei der die Schlackenmenge, die an dem Werkstück haftet, bei steigender Bearbeitungsgeschwindigkeit vermindert wird, d. h. es soll die Bearbeitungsgeschwindigkeit gesteigert werden können, wobei der auf das Werkstück aufgebrachte Laserstrahl mit einem vorgegebenen, ausgelesenen Bearbeitungsprogramm immer in einem vorbestimmten Winkel zur Bearbeitungsrichtung auf das Werkstück aufgebracht wird.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst, d. h. mit einer Laserstrahlmaschine, die einen Laseroszillator zur Erzeugung eines Laserstrahls, einen Bearbeitungskopf zum Konzentrieren des Laserstrahls und zum Aufbringen des so konzentrierten Laserstrahls auf ein Werkstück, einen Bearbeitungstisch, auf dem das Werkstück befestigt ist, und eine Steuereinheit zum Steuern der Bewegung des Bearbeitungstisches in einer X-Y-Ebene umfaßt, wobei gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung der Bearbeitungskopf mehrere Reflektionsspiegel und eine Sammellinse umfaßt, die parallel zur Bearbeitungsrichtung in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls bewegbar ist, so daß der mittels des Bearbeitungskopfes auf das Werkstück aufgebrachte Laserstrahl in bezug auf das Werkstück in Bearbeitungsrichtung geneigt ist, und wobei gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Steuereinheit einen Speicher zum Speichern von Daten, wie z. B. der Neigungswinkel des Laserstrahls und einer Neigungsberichtigungsfunktion zum Berichtigen des Neigungsbetrages des Laserstrahls entsprechend er Bearbeitungsrichtung und der Lage des Bearbeitungskopfes so, daß, wenn er entsprechend der Bearbeitungsform bewegt wird, der Laserstrahl immer in Bearbeitungsrichtung geneigt bleibt, und weiter eine Neigungsberechnungsfunktion und einen Speicher für eine Tabelle physikalischer Konstanten umfaßt, um das Material und die Dicke des Werkstücks und eine Bearbeitungsgeschwindigkeit aus dem Bearbeitungsprogramm auszulesen, um dadurch den geeignetsten Neigungswinkel zu bestimmen.

Ein Verfahren, bei dem ein Laserstrahl in bezug auf ein Werkstück geneigt ist, ist in der japanischen Patentanmeldung (OPI) Nr. 2 89 367/1987 beschrieben (die Abkürzung "OPI" bedeutet "ungeprüfte veröffentlichte Anmeldung". Bei diesem Verfahren wird, um zu verhindern, daß bei einer Bearbeitung eines stark reflektierenden Materials mit einem Laserstrahl der Laserstrahl zum Laseroszillator durch teilweise Reflektion von der Oberfläche des stark reflektierenden Materials zurückgeführt wird, wodurch die stimulierte Emission des Laserstrahls gesteigert wird und der erzeugte Ausgang zu hoch wird, um noch gesteuert zu werden, der Aufbringwinkel des Laserstrahls auf das Werkstück so gesteuert, daß er keine rechten Winkel bildet. Aus diesem Grund ist dieses Verfahren insoweit der Erfindung ähnlich, als Laserstrahl zum Werkstück geneigt ist. Das Verfahren unterscheidet sich jedoch grundlegend von der vorliegenden Erfindung, z. B. in folgenden Punkten:

• 1) Die in der japanischen Patentanmeldung (OPI) Nr. 2 89 367/1987 beschriebene Aufgabe unterscheidet sich von der erfindungsgemäßen Aufgabe. Das dort behandelte Material ist lediglich auf hochreflektierendes Material beschränkt.
• 2) Das bekannte Verfahren umfaßt keine Bearbeitungsprogrammanalysierfunktion und kann nicht die Lage des Bearbeitungskopfes beim Schneiden einer Kurve einstellen, wohingegen die erfindungsgemäße Laserstrahlmaschine eine Bearbeitungsprogrammanalysierfunktion umfaßt und dadurch in der Lage ist, allmählich die Lage des Bearbeitungskopfes beim Schneiden einer derartigen Kurve zu ändern.
• 3) Die erfindungsgemäße Laserstrahlmaschine kann den Neigungswinkel des Laserstrahls entsprechend dem Material und der Dicke des Werkstücks und der Bearbeitungsgeschwindigkeit ändern, wohingegen beim bekannten Verfahren eine derartige Funktion nicht vorgesehen ist.

Bei der erfindungsgemäßen Laserstrahlmaschine wird der Laserstrahl immer um einen vorbestimmten Winkel in Bearbeitungsrichtung abgelenkt. Hierdurch wird der Krümmungsgrad der Ziehlinien vermindert und die Menge der am Werkstück haftenden Metallschlacke vermindert, wodurch die Bearbeitungsgeschwindigkeit gesteigert werden kann. Aus dem gleichen Grund ist die Bearbeitungsform nicht begrenzt, so daß die Bearbeitungsproduktivität in hohem Maße verbessert werden kann. Zusätzlich kann bei der erfindungsgemäßen Laserstrahlmaschine der Neigungswinkel des Laserstrahls entsprechend dem Material und der Dicke des Werkstücks und der Bearbeitungsgeschwindigkeit auf beste Weise bestimmt werden. Somit kann mit der erfindungsgemäßen Laserstrahlmaschine auch mit einer ungelernten Bedienungsperson das Werkstück mit hoher Genauigkeit bearbeitet werden und auch relativ dicke Werkstücke können auf leichte Weise bearbeitet werden.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht des Bearbeitungskopfes einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserstrahlmaschine;

Fig. 2 eine Schnittansicht der Oberfläche eines Werkstücks, das durch Schneiden mit einem Laserstrahl ausgebildet wurde;

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehungen zwischen den Neigungswinkeln eines Laserstrahls und dem Krümmungsgrad der Ziehlinien;

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung des Strahlneigungswinkels bei der Schneidgeschwindigkeit;

Fig. 5A und 5B Schnittansichten des Bearbeitungskopfes einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserstrahlmaschine;

Fig. 6 ein Diagramm zur Beschreibung der Neigung des Laserstrahls;

Fig. 7 eine Schnittansicht des Bearbeitungskopfes einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserstrahlmaschine;

Fig. 8 ein Blockdiagramm zur Darstellung eines Beispiels einer Steuereinheit der erfindungsgemäßen Laserstrahlmaschine;

Fig. 9A eine Seitenansicht zur Darstellung der lagemäßigen Beziehung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück und Fig. 9B ein Diagramm zur Darstellung der Bewegung des Laserstrahls;

Fig. 10A und 10B eine Aufsicht bzw. eine Seitenansicht zur Darstellung der Erwärmung des Werkstücks mit dem Laserstrahl;

Fig. 11 ein Blockdiagramm zur Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Steuereinheit der Laserstrahlmaschine;

Fig. 12A eine perspektivische Ansicht der Anordnung einer üblichen Laserstrahlmaschine und Fig. 12B ebenfalls eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Bearbeitungskopfes einer üblichen Laserstrahlmaschine;

Fig. 13 ein Blockdiagramm zur Darstellung der Anordnung einer Steuereinheit der in Fig. 12 dargestellten Maschine;

Fig. 14A ein Diagramm zur Darstellung eines Laserstrahlbearbeitungsvorgangs mit der üblichen Laserstrahlmaschine und Fig. 14B eine Schnittansicht zur Darstellung des Bearbeitungskopfes der üblichen Laserstrahlmaschine;

Fig. 15A und 15B Diagramme zur Darstellung der Oberfläche eines Werkstücks, das durch Schneiden der üblichen Laserstrahlmaschine hergestellt wurde; und

Fig. 16 eine grafische Wiedergabe zur Darstellung der Beziehungen zwischen der Schneidgeschwindigkeit und dem Krümmungsgrad der Ziehlinien.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht des Bearbeitungskopfes einer Laserstrahlmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die mit den Bezugszeichen 3 bis 20 bezeichneten Teile entsprechen jenen mit den gleichen Bezugszeichen der oben beschriebenen bekannten Laserstrahlmaschine. Weiter sind in Fig. 1 Reflektionsspiegel 21, 22, die Einfallsachse 23 des Laserstrahls, Zahnräder 24, 25, ein Elektromotor 26 und eine optische Bestrahlungsachse 27 gezeigt.

Die Reflektionsspiegel 21, 22 sind wie in Fig. 1 dargestellt angeordnet. D.h., der Reflektionsspiegel 21 ist so angeordnet, daß er mit der vertikalen optischen Einfallsachse 23 des Laserstrahls einen Winkel von 45° bildet, und der Reflektionsspiegel 22 ist so angeordnet, daß der Laserstrahl einen vorbestimmten Winkel R mit der optischen Einfallsachse 23 bildet. Der von den Reflektionsspiegeln 21, 22 reflektierte Laserstrahl wird mittels der Sammellinse 8 zu einem Lichtpunkt gebündelt, der auf das Werkstück 9 aufgebracht wird.

Hierdurch wird die Krümmung die Ziehlinien 17 geringer, und der ;ließweg der Funken wird kürzer, wie man dies aus Fig. 2 sieht.

Fig. 3 ist eine grafische Wiedergabe, die die Beziehungen zwischen dem Krümmungsgrad L der Ziehlinien und dem Laserstrahlauftreffwinkel R in dem Fall zeigt, in dem ein Werkstück aus SPCC von 1 mm Dicke gerade unter den Bedingungen geschnitten wird, daß der Laserstrahlausgang 1 kW beträgt, die Sammellinse 8 eine Brennweite von 9,525 cm aufweist und die Bearbeitungsgeschwindigkeit 14 m/min. beträgt. Man sieht aus der Darstellung, daß der Auftreffwinkel R zunimmt, wenn der Krümmungsgrad L abnimmt. Fig. 4 ist ebenfalls eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen dem Auftreffwinkel R der optischen Bestrahlungsachse und der Maschinengeschwindigkeit in dem Fall, in dem das gleiche Werkstück unter den gleichen Bedingungen bearbeitet wird. Man sieht aus Fig. 4, daß die Grenzbearbeitungsgeschwindigkeit V dem Einfallwinkel R proportional ist. Die oben beschriebenen Tatsachen zeigen, daß die Bearbeitung eines Werkstücks bei einer in Bearbeitungsrichtung geneigten optischen Bestrahlungsachse des Laserstrahls wirksam zur Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit beiträgt, wobei der Auftreffwinkel R nicht kleiner als 10° sein sollte. Aus Fig. 3 wird angenommen, daß es zwischen 20° und 30° einen Punkt gibt, bei der der Krümmungsgrad L der Ziehlinien Null (0) ist. Ideal ist, daß der Krümmungsgrad L Null (0) ist. Bei einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 14 m/min. liegt daher der geeignetste Auftreffwinkel zwischen 20° und 30°. Entsprechend Fig. 3 ist bei R < 10° die maximal mögliche Bearbeitungsgeschwindigkeit größer. Es ist jedoch nicht sicher, daß die maximal mögliche Bearbeitungsgeschwindigkeit unbegrenzt durch Steigerung des Auftreffwinkels R gesteigert werden kann. In dem Fall, in dem der Bestrahlungswinkel des Laserstrahls in bezug auf das Werkstück ein spitzer Winkel ist, wurde das niedrige Bearbeitungsgeschwindigkeitsmerkmal noch nicht bestätigt. Bei einer praktischen Bearbeitungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 15 bis 20 m/min. ist jedoch der Auftreffwinekl R zwischen 10° bis 30° ausreichend wirksam. Entsprechend kann mit einem Auftreffwinkel R von 10° bis 30° die übliche Bearbeitungsgeschwindigkeit sehr stark gesteigert werden. In Fig. 4 ist mit "0" die "Schneidzone" bezeichnet, bei der die Bearbeitung unabhängig von der Materialschlacke und der Bearbeitungsgenauigkeit durchgeführt werden kann.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird das Werkstück mit dem Laserstrahl bearbeitet. Das technische Konzept gemäß der Erfindung ist jedoch ebenfalls bei einem Laserstrahlschweißvorgang anwendbar. Beim Bearbeiten mittels eines Laserstrahls kann die Menge der an dem Werkstück haftenden Materialschlacke vermindert und die Bearbeitungsgeschwindigkeit gesteigert werden, wohingegen im Fall beim Laserstrahlschweißen die Eindringtiefe als auch die Schweißgeschwindigkeit verbessert werden kann.

Weiter ist bei der oben beschriebenen Ausführungsform das Werkstück fest an dem X-Y-Werktisch befestigt. Es ist jedoch ohne weiteres verständlich, daß das technische Konzept gemäß der Erfindung ebenfalls bei einer Laserstrahlbearbeitung angewendet werden kann, bei der das Werkstück und der Maschinenkopf relativ zueinander bewegt werden.

Fig. 5A und 5B sind Schnittansichten, die den Bearbeitungskopf der Laserstrahlmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen. In Fig. 5 sind die Teile, die denen in Fig. 12 bis 14 bei der bekannten Laserstrahlmaschine gleichen, mit den gleichen Bezugszeichen 3 bis 20 bezeichnet. Weiter sieht man in Fig. 5 Stellschrauben 30 und 31 zum Bewegen der Linse.

Wie man in Fig. 5 sieht, kann die Linse 8 mit den Schrauben 30 und 31 parallel zur Bearbeitungsrichtung in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls 6 bewegt werden. Wenn die Linse 8 in Bearbeitungsrichtung 20 mittels der Schrauben 30 und 31 bewegt wird, wird der von der Linse 8 gebündelte Laserstrahl 6 um Δ l von der Mittelachse der Linse 8 verschoben, so daß der Laserstrahl um den Winkel R geneigt wird, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist.

Allgemein gilt zwischen dem Betrag der parallelen Bewegung der Linse 8 und dem Auftreffwinkel R des Strahls folgende Beziehung:

Δ l/f = tan R

wobei f die Brennweite der Linse ist. Wenn beispielsweise die Linse eine Brennweite (f) von 9,525 mm aufweist und der Auftreffwinkel (R) auf 20° eingestellt wird, ergibt sich

Δ l = 9,525 mm × tan 20° = 34,7 mm

so daß es erforderlich ist, die Linse um 34,7 mm in Bearbeitungsrichtung zu bewegen.

In dem Fall, in dem der Auftreffwinkel kleiner ist, wie in Fig. 5 oder 6 dargestellt, ist die Neigung des Laserstrahls nicht so wirksam bei der Bearbeitung eines Werkstücks. Daher sollte die Linse über den Bereich der Feineinstellung hinaus bewegt werden und die Laserstrahlmaschine so ausgelegt sein, daß der Bearbeitungskopf 3 selbst parallel, wie in Fig. 7 dargestellt, bewegt wird. Insbesondere kann bei der in Fig. 7 dargestellten Laserstrahlmaschine der Bearbeitungskopf 3 mit den Kopfstellschrauben 32 und 33 parallel in bezug zum Maschinenkörper 2 bewegt werden. D.h., man erhält in diesem Fall ebenfalls die gleiche Wirkung, daß der Laserstrahl in Bearbeitungsrichtung geneigt wird.

In Fig. 1 weist der Bearbeitungskopf 3 um seinen oberen zylindrischen Endabschnitt ein Zahnrad 24 auf. Das Zahnrad 24 kämmt mit einem an der Ausgangswelle eines Elektromotors 26 befestigten Zahnrad 25. Der Motor 26 wird mittels einer NC (numerische Steuerung) 11 gesteuert, so daß der Bearbeitungskopf 3 um die optische Einfallsachse 23 des Laserstrahls gedreht wird, wodurch, wenn die Bearbeitungsrichtung geändert wird, der Bearbeitungskopf 3 von der Bedienungsperson gedreht wird, so daß der Laserstrahl immer in der Bearbeitungsrichtung geneigt gehalten wird.

Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm der Anordnung einer Steuereinheit, um den Laserstrahl immer in Bewegungsrichtung von letzterer geneigt zu halten. In Fig. 8 sieht man die Bauteile 5 a bis 5 i, die jenen von Fig. 13 entsprechen. Weiter sieht man einen Speicher 5 j zum Speichern von Daten, wie z. B. dem Neigungswinkel, der in Bewegungsrichtung des Laserstrahls ausgebildet werden soll, und einer Neigungskorrekturfunktion 5 k, die die Korrekturbeträge für die Achsen von der gegenwärtigen Lage und des gegenwärtigen Neigungswinkels berechnet.

Bei der Steuereinheit 5 dient die Programmlesefunktion 5 b zum Auslesen eines Bearbeitungsprogramms aus dem Speicher 5 a und zum vorübergehenden Speichern im Puffer 5 c, und die Befehlsanalysefunktion 5 d dient zum Lesen der Koordinaten des Bearbeitungsstartpunktes und des Bearbeitungsendpunktes aus dem Puffer 5 c und zum Lesen einer Bearbeitungsbewegungsart, wie z. B. einer geraden Bewegung oder einer gekrümmten Bewegung. Entsprechend diesen Daten berechnet die Bewegungsbefehlserzeugungsfunktion 5 e einen in einer bestimmten Zeitdauer durchzuführenden Bewegungsbetrag und überträgt diesen zur Motorsteuerfunktion 5 f. Die Neigungskorrekturfunktion 5 k dient andererseits zum Lesen des Neigungsbetrages aus dem Speicher 5 j und zum Berechnen eines Korrekturvektors vom Bearbeitungsstartpunkt zum durch die Befehlsanalysefunktion 5 d geschaffenen Bearbeitungsendpunkt, wobei diese Daten der Motorsteuerfunktion 5 f zugeführt werden. Beim Schneiden einer Kurve wird ein Korrekturvektor in Tangentenrichtung zum Bogen ausgebildet. Die Motorsteuerfunktion 5 f überträgt die Lagebefehle des Motors 5 h zu den Hilfsverstärkern 5 g entsprechend den gegebenen Bewegungsbefehlen und den Korrekturen. Somit wird, wie in Fig. 9A gezeigt, der Bearbeitungskopf bewegt, wobei er immer in bezug auf die Bewegungsrichtung einen vorbestimmten Winkel bildet. Bei dieser Ausführungsform wird der Korrekturvektor der Motorsteuerfunktion 5 f zugeführt. Er kann jedoch ebenfalls der Bewegungsbefehlserzeugungsfunktion 5 e zugeführt werden.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Neigungswinkel des Laserstrahls 6 in bezug auf das Werkstück 9 im Speicher 5 a gespeichert, der erneut eingeschrieben wird, immer wenn sich das Material, die Dicke und die Bearbeitungsgeschwindigkeit ändern. Er kann jedoch ebenfalls aus dem Bearbeitungsprogramm ausgelesen werden.

Der mittels der Sammellinse gebündelte Laserstrahl wird auf das Werkstück aufgebracht. In diesem Fall entspricht die Intensität des Laserstrahls einer Gauss′schen Verteilung. Der so fokussierte Laserstrahl kann daher als ein sich bewegender Lichtpunkt angesehen werden. Weiter zeigt die Temperaturverteilung des Laserstrahls Temperaturunterschiede in Richtung der Dicke des Werkstücks, wie in Fig. 10 dargestellt. Wenn die Temperaturdifferenz groß ist, wird bei dem vom Laserstrahl bestrahlten Werkstück ein Teil geschmolzen und ein darunterliegender Teil nicht geschmolzen. Wenn andererseits der Laserstrahl in Bearbeitungsrichtung geneigt ist, wird das Werkstück in Bearbeitungsrichtung vorgewärmt, d. h. der so geneigte Laserstrahl wärmt einen Teil, der unter dem bestrahlten Teil liegt, vor, wodurch die oben erwähnte Schmelzzeitdifferenz vermindert wird. Somit kann das Werkstück mit hoher Genauigkeit geschnitten werden.

Allgemein gilt für die Wärmeverteilung beim Aufbringen eines Laserstrahls folgende Gleichung:

wobei r der Abstand zwischen dem Erwärmungspunkt und dem Bestrahlungspunkt, k die Wärmeverteilung und t die vom Zeitpunkt der Bestrahlung des Laserstrahls verstrichene Zeit ist.

t ist die Zeit, die erforderlich ist, um den Strahl um die Strecke r zu bewegen und wird ausgedrückt durch:

t = r/v

wobei v die Bearbeitungsgeschwindigkeit ist.

Fig. 11 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung der Anordnung eines weiteren Beispiels der Steuereinheit der Laserstrahlmaschine, die so ausgelegt ist, daß der Neigungswinkel des Laserstrahls vom Material und der Dicke eines Werkstücks und der Bearbeitungsgeschwindigkeit abgeleitet wird. In Fig. 11 bezeichnen die Bezugszeichen 5 a bis 5 k die gleichen Bauteile, die denen in Fig. 8 entsprechen. Weiter bezeichnet das Bezugszeichen 5 l eine Neigungsberechnungsfunktion, die dazu dient, die notwendigen Daten aus dem Puffer 5 c zu lesen und den Korrekturbetrag zu berechnen und diesen Datenwert dem Speicher 5 j zuzuführen. 5 m bezeichnet einen Speicher für eine Tabelle physikalischer Konstanten, um die Wärmeleitwerte mehrerer Materialien zu speichern.

Ähnlich wie in dem oben beschriebenen Fall wird ein bestimmter Befehl analysiert, und bestimmte Befehle werden den Motorantriebsverstärkern zugeführt. Die Neigungsberechnungsfunktion 5 l arbeitet wie folgt: Die Funktion 5 l liest das Material und die Dicke eines Werkstücks aus dem im Puffer 5 c gespeicherten Bearbeitungsprogramm und sucht die Wärmeleitzahl k aus der Tabelle der physikalsichen Konstanten, die im Speicher 5 m gespeichert sind, entsprechend dem Material, um die Zeit t zu berechnen, wenn die Wärmeübertragungsmenge im wesentlichen stabil ist, indem die Wärmeleitzahl k und die Bearbeitungsgeschwindigkeit v in folgende Gleichung eingesetzt werden;

t = 16 k /v ².

Die Neigungsberechnungsfunktion 5 l dient weiter dazu, den Abstand r entsprechend dem im wesentlichen stabilen Zustand zu berechnen, indem die so erhaltene Zeit t in folgende Gleichung eingesetzt wird:
r = v t,
und um den Abstand r mit der Dicke T des Werkstücks zu vergleichen, um den Berichtigungswinkel R zu berechnen und ihn im Speicher 5 j zu speichern. Somit kann der Neigungswinkel automatisch aus dem Bearbeitungsprogramm entsprechend dem Material und der Dicke eines Werkstücks und der Bearbeitungsgeschwindigkeit bestimmt werden.

Wie oben beschrieben, ist bei der Laserstrahlmaschine der Laserstrahl in bezug auf das Werkstück in Bearbeitungsrichtung geneigt, wodurch die Krümmung der Ziehlinien nach hinten unterdrückt wird und die Bearbeitungsgeschwindigkeit entsprechend gesteigert werden kann.

Weiter wird bei der Laserstrahlmaschine während der Bearbeitung das Bearbeitungsprogramm so gelesen, daß der Neigungswinkel des Laserstrahls immer unverändert bleibt. Man kann somit mit der Laserstrahlmaschine irgendwelche Formen schneiden, und die Laserstrahlbearbeitung kann mit hoher Produktivität durchgeführt werden.

Weiter wird bei der Laserstrahlmaschine das Material und die Dicke eines Werkstücks und die Bearbeitungsgeschwindigkeit aus dem Bearbeitungsprogramm gelesen, so daß der geeignetste Neigungswinkel des Laserstrahls automatisch in bezug auf das Werkstück ausgewählt wird. Mit der Laserstrahlmaschine können somit Werkstücke bearbeitet werden, auch wenn es sich um eine ungelernte Bedienungsperson handelt, wobei weiter relativ dicke Werkstücke leicht mit hoher Genauigkeit bearbeitet werden können.

Claims (7)

1. Laserstrahlmaschine, gekennzeichnet durch

• - einen Laseroszillator (1) zur Erzeugung eines Laserstrahls (6),
• - einen Bearbeitungskopf (3) zum Bündeln des Laserstrahls (6) und zum Aufbringen des so gebündelten Laserstrahls (6) auf ein Werkstück (9),
• - einen Bearbeitungstisch (4), auf dem das Werkstück (9) befestigt ist, und durch
• - eine Steuereinheit (5) zum Steuern der Bewegung des Bearbeitungstisches (4) in einer X-Y-Ebene, und
• - eine Laserstrahlablenkeinrichtung zum Ablenken des Laserstrahls (6), den der Bearbeitungskopf (3) auf das Werkstück (9) aufbringt, in bezug auf das Werkstück (9) in einer Bearbeitungsrichtung (20).

2. Laserstrahlmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlablenkeinrichtung mehrere Reflektionsspiegel (21, 22) und eine im Bearbeitungskopf (3) eingebaute Sammellinse (8) umfaßt.

3. Laserstrahlmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Reflektionsspiegel (21, 22) so angeordnet ist, daß er zur vertikalen optischen Einfallsachse (23) des Laserstrahls (6) einen Winkel von 45° bildet, und daß der andere der Reflektionsspiegel (21, 22) so angeordnet ist, daß der Laserstrahl (6) einen vorbestimmten Winkel R mit der optischen Einfallsachse (23) bildet.

4. Laserstrahlmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlablenkeinrichtung eine in den Bearbeitungskopf (3) eingebaute Sammellinse (8) und mehrere Schrauben (30, 31) zum Bewegen der Sammellinse (8) parallel zur Bearbeitungsrichtung (20) in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse (27) des Laserstrahls (6) umfaßt.

5. Laserstrahlmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlablenkeinrichtung eine in den Bearbeitungskopf (3) eingebaute Sammellinse (8) und mehrere Schrauben (32, 33) zum Bewegen des Bearbeitungskopfes (3) parallel zur Bearbeitungsrichtung (20) in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse (27) des Laserstrahls (6) umfaßt.

6. Laserstrahlmaschine, gekennzeichnet durch

• - einen Laseroszillator (1) zur Erzeugung eines Laserstrahls (6),
• - einen Bearbeitungskopf (3) zum Bündeln des Laserstrahls (6) und zum Aufbringen des so gebündelten Laserstrahls (6) auf ein Werkstück (9),
• - einen Bearbeitungstisch (4), auf dem das Werkstück (9) befestigt ist, und
• - eine Steuereinheit (5) zum Steuern der Bewegung des Bearbeitungstisches (4) in einer X-Y-Ebene, wobei die Steuereinheit (5) zum Steuern der Bewegung des Bearbeitungstisches (4) eine Bearbeitungsprogrammanalysierfunktion zum Analysieren eines vorbestimmten Bearbeitungsprogramms während der Bearbeitung aufweist, um den Laserstrahl (6) in einer Bearbeitungsrichtung (20) immer entsprechend einer Bearbeitungsform geneigt zu halten.

7. Laserstrahlmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (5) weiter eine Neigungsberechnungsfunktion und eine physikalische Konstantenspeicherfunktion aufweist, um die Neigung des Laserstrahls (6) entsprechend des Materials und der Dicke des Werkstücks (9) und einer Bearbeitungsgeschwindigkeit des Werkstücks (9) zu ändern.