DE4007687C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer endlosen Bahn mit wenigstens einem einen fokussierten Laser­ strahl aussendenden Laser mit einem optischen System, und einer um eine ortsfeste Achse drehbaren, den Laserstrahl ablenkenden Polygonspiegelscheibe, deren Rand die Spiegel aufweist, über die der Laserstrahl auf die Bahn abgelenkt wird, wobei die Lote auf die Spiegel einen von 90° verschiedenen Winkel zur Dreh­ achse aufweisen.

Mit der DE 26 58 682 C2 ist eine derartige Vorrichtung bekannt, bei der der Laserstrahl über eine sich drehende Scheibe, die an ihrem Rand facettenartig angeordnete Spiegel aufweist, ab­ gelenkt wird. Der abgelenkte Laserstrahl trifft auf einen Hohl­ spiegel und wird von diesem über einen weiteren Spiegel in Richtung der zu bearbeitenden Bahn gelenkt. Um den Laserstrahl nun auf der Bahn verfahren zu können, ist der Polygonspiegel um eine weitere, rechtwinklig zur Drehachse liegenden Achse hin- und herbeweglich. Durch diese Hin- und Herbewegung kann der Laserstrahl beliebig auf der Oberfläche der Bahn verfahren werden. Diese Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, daß einerseits ein aufwendiges optisches System mit Spiegeln zur Um- und Ablenkung des Laserstrahls notwendig ist, außerdem kann der Polygonspiegel aufgrund seiner Trägheit nur bis zu einer bestimmten Frequenz hin- und herbewegt werden, da an­ sonsten zu hohe Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte auf ihn einwirken, was zu einer allmählichen Beschädigung des Poly­ gonspiegels aufgrund der hohen Lagerbelastungen führen würde. Aufgrund der Begrenzung der Frequenz kann der Laserstrahl auf der endlosen Bahn Richtungsänderungen nur innerhalb einer be­ stimmten Zeit, die abhängig ist von der Frequenz der Drehrich­ tungsänderung des Spiegels, durchführen. Soll nun mit dieser Vorrichtung die Materialbahn geschnitten werden, so sind nur eine begrenzte Anzahl von Schneidformen möglich.

Mit der EP 03 29 438 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Laserstrahl über mehrere Spiegel ab­ gelenkt wird. Diese Spiegel sind wendelförmig auf einer sich drehenden Trommel angebracht. Bei einer anderen Vorrichtung ist eine Taumelscheibe vorgesehen, auf deren spiegelnde Ober­ fläche ein Laserstrahl reflektiert wird, wodurch dieser in bestimmte Richtungen abgelenkt wird. Die Richtungen sind jedoch durch den Anstellwinkel der Taumelscheibe bestimmt. Diese Vor­ richtungen sind daher in ihren Anwendungsmöglichkeiten sehr begrenzt. Ferner ist mit der DE 29 22 976 C2 und der DE 29 37 914 C2 jeweils eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Laserstrahl mittels einer Doppelscheibe, die schräg zum Laser­ strahl angestellt ist, abgelenkt wird. Dabei ist der Rand einer Doppelscheibe schräg angeschliffen, wodurch der Reflexionswinkel des Laserstrahls verändert wird. Diese Vorrichtung dient in erster Linie dazu, den Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufzu­ spalten, die unterschiedliche Winkel zueinander aufweisen.

Mit der durch die DE 22 14 883 A1 bekanntgewordenen Vorrichtung wird der Laserstrahl über einen Polygonspiegel abgelenkt, der parallel zur Bahnebene angeordnet ist. Um den vom Polygonspiegel reflektierten Strahl auf die Bahn zu lenken und auf der Bahn zu verfahren, bedarf es weiterer Elemente, die verschwenkt oder verfahren werden müssen. Aufgrund der Tätigkeit dieser Elemente ist eine schnelle Richtungsänderung des Laserstrahls nicht möglich.

Schließlich ist die eingangs genannte Vorrichtung durch die US-PS 44 04 452 bekanntgeworden. Mit dieser Vorrichtung können jedoch nur gerade Schnittlinien auf der Bahn erzeugt werden, eine Richtungsänderung der Schnittlinie ist nur durch eine Verschwenkung oder eine andere Lageänderung des Spiegels mög­ lich. Mit einer derartigen Vorrichtung können auch keine Rich­ tungsänderungen des Schnitts mit hohen Frequenzen durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, die mit einfachen Mitteln den Laserstrahl mit hoher Frequenz auf der zu bearbeitenden Bahn verfährt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung dadurch gelöst, daß die Ebene der Polygonspiegelscheibe geneigt zur Drehachse angeordnet ist und die Spiegel mit voneinander ver­ schiedenen Neigungswinkeln zur Drehachse am Rand der Scheibe angeordnet sind.

Durch die geneigte Lage der Scheibe und die mit verschiedenen Winkeln am Rand der Scheibe angeordneten Spiegel wird der Laser­ strahl in die gewünschte Richtung abgelenkt, ohne daß der Poly­ gonspiegel oder dessen antreibende Kraft verschwenkt oder in anderer Form bewegt werden muß. Allein durch die Drehbewegung des Polygonspiegels wird bereits der Laserstrahl in die ge­ wünschte Form gelenkt. Eine hohe Frequenz kann auf einfache Weise durch eine hohe Drehzahl erzielt werden, ohne daß Träg­ heitskräfte hinderlich wären.

Vorteilhaft sind durch die Ablenkung des Laserstrahls auf die Bahn keine oder nur wenige optische Elemente, wie weitere Spie­ gel, Linsen und dergleichen im Anschluß an die Scheibe notwen­ dig. Hieraus resultiert ein sehr einfacher Aufbau der Vorrich­ tung. Dadurch, daß die Achsen der Spiegel einen von 90° verschiedenen Winkel zur Drehachse aufweisen, kann der Laserstrahl ohne eine Verschwenkung der Scheibe in Abhängigkeit von der Stellung der Spiegel auf der Bahn verfahren werden. Demnach ist entsprechend der Spiegelstellung der Verlauf des Laserstrahls auf der Bahn vorbestimmt. Da eine endlose Bahn mit stets gleichbleibendem Schnittverlauf bearbeitet wird, sind durch die starre Festlegung der einzelnen, den Laserstrahl ablenkenden Spiegeln sehr genaue, identische Schnittverläufe bei langen Standzeiten ohne Nachjustierung erzielbar. Ein Wechsel der Scheibe ist nur dann erforderlich, wenn der Verlauf des Laserstrahls auf der Bahn verändert werden soll, das heißt wenn die Bahn einen anderen Schnittverlauf aufweisen soll. Durch die ortsfeste Drehachse ist eine einfache Lagerung der Scheibe und außerdem eine hohe Ablenkgenauigkeit des Laserstrahls gewährleistet. Ferner ist die Lagerbelastung aufgrund der kontinuierlichen Bewegung der Polygonspiegelscheibe gering und sind hohe Ablenkgeschwindigkeiten für den Laserstrahl er­ zielbar.

Da die Ebene der Scheibe geneigt zur Drehachse angeordnet ist, bildet die Polygonspiegelscheibe eine Taumelscheibe und weist den Vorteil auf, daß durch die Taumelbewegung der Laserstrahl, der über die am Rande der Scheibe vorgesehenen Spiegel abgelenkt wird, durch diese Ablenkung auf der Bahn verfahren werden kann.

Die oben genannte Aufgabe wird mittels einer anderen erfindungs­ gemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, daß die Polygonspiegel­ scheibe parallel zur Bahnebene angeordnet ist und eine von der Kreisform abweichende Form aufweist.

Bei dieser Ausführungsform befindet sich der Randbereich bei einem ebenfalls zur Bahnebene parallelen Laser­ strahl stets im Bereich des Laserstrahls und kann diesen ohne weitere, den Randbereich im Laserstrahl haltenden Vorkehrungen auf die Bahn ablenken. Durch eine unrunde Form der Polygon­ spiegelscheibe wird der Laserstrahl über die Bahn gelenkt und erzeugt den Schnittverlauf. Für eine lotrechte Ablenkung des Laserstrahls weisen die am Rand der Scheibe vorgesehenen Spiegel im wesentlichen eine 45°-Neigung zur Scheibenebene auf.

Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Spie­ gel mit im wesentlichen von einander verschiedenen Winkeln am Rand der Polygonspiegelscheibe angeordnet sind. Hierdurch wird zusätzlich die Möglichkeit geschaffen, daß durch die Anstellung der Winkel der Laserstrahl über die Bahn gelenkt wird, das heißt, daß über die Anstellung der Winkel der Schnittverlauf bestimmt wird. Durch eine Kombination der unrunden Form der Scheibe und/oder der Anstellung der Spiegel und/oder der Nei­ gungslage der Scheibe bei einer Taumelscheibe kann eine hohe Vielfalt an Schnittverläufen erzielt werden.

Bevorzugt sind die Spiegel eben ausgebildet. Dies hat den Vor­ teil, daß der fokussierte Laserstrahl nicht gestreut wird, so daß die Energie des Laserstrahls gezielt, das heißt punktuell eingesetzt werden kann. Durch die ebene Ausbildung der Spiegel­ flächen entstehen klare Abgrenzungen der einzelnen Spiegel­ flächen zueinander, die in Form einer geraden scharfen Kante (Facetten) auftreten. Durchläuft eine solche Kante einen ge­ takteten Laserstrahl, so ist dieser im Augenblick des Durch­ laufes abgeschaltet, so daß keine Streustrahlungen entstehen, wobei dieser Zeitabschnitt so minimal ist, daß trotzdem eine durchgehende Schnittlinie auf der Bahn entsteht.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Scheibe eine exzentrische Drehachse aufweist. Bei dieser Ausgestaltung ändert sich bei rotierender Scheibe der Abstand des von Laserstrahl beaufschlagten Randbereiches zur Drehachse und überstreicht eine gewisse Fläche, so daß der über die am Rand der Scheibe angeordneten Spiegel abgelenkte Laserstrahl abhängig vom Abstand der Spiegel zur Drehachse ebenfalls eine bestimmte Fläche überstreicht. Läuft nun die Bahn unterhalb dieser exzentrisch gelagerten Scheibe hindurch, so wird der abgelenkte Laserstrahl auf der Bahn verfahren.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Spiegel den Laserstrahl lotrecht auf die Bahn ablenkend am Rand der Scheibe angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, daß die Schneidenergie des Lasers maximal ausgenutzt werden kann, und daß bei einer Bahn mit größerer Dicke ein exakt vertikaler Schnitt durchgeführt wird.

Eine geringe Lagerbelastung für die Lager der Scheibe wird dadurch erreicht, daß die Scheibe mit Auswuchtelementen versehen ist. Die Scheibe ist mittels der Elemente sowohl statisch als auch dynamisch ausgewuchtet, so daß auch bei sehr hohen Drehzahlen keine Vibrationen, die das optische System nachteilig beeinflussen würden, eintreten.

Ein genauer, reproduzierbarer Schnitt der Bahn wird dadurch erreicht, daß die Drehgeschwindigkeit der Scheibe direkt pro­ portional zur Geschwindigkeit der Bahn ist. Durch diese Maßnahme wird die Bahn auch bei variabler Bahngeschwindigkeit korrekt geschnitten, wodurch der Ausschuß reduziert wird und hochgenaue Steuerungen zur Konstanthaltung der Bahngeschwindigkeit einge­ spart werden können.

Vorteilhaft sind ein die Geschwindigkeit der Bahn aufnehmender Sensor und ein mit dem Sensor gekoppelter und die Drehbewegung der Scheibe steuernder Antrieb vorgesehen. Der Sensor, der zum Beispiel induktiv die Geschwindigkeit der Bahn erfaßt, steuert den die Scheibe in Drehung versetzenden Antrieb derart, daß die Scheibe stets synchron mit der Bahn läuft. Vorteilhaft ist der Antrieb als Schrittmotor ausgebildet. Diesem Schrittmotor kann ein Inkrementalregler vorgeschaltet sein.

In der nachfolgenden Beschreibung sind unter Bezugnahme auf die Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausfüh­ rungsform mit einer als Taumelscheibe ausgebildeten Polygonspiegelscheibe;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform mit einer exzentrisch gelagerten Polygonspiegelscheibe; und

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine exzentrisch gelagerte Polygonspiegelscheibe gemäß Fig. 2 und eine Draufsicht auf einen unter der Scheibe hindurchgelaufenen Bahnabschnitt mit einem ausgeschnittenen Segment.

Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der mit dem Bezugszeichen 1 eine Polygonspiegelscheibe bezeichnet ist, die bei diesem Ausführungsbeispiel als Taumelscheibe 2 ausgeführt ist. Die Taumelscheibe 2 ist in zwei Stellungen wiedergegeben, wobei die um eine 180° gedrehte Stellung mit gestrichelter Linie wiedergegeben ist. Die Drehung der Taumelscheibe 2 erfolgt um eine Drehachse 3, an dessen einem Ende die Taumelscheibe 2 und am anderen Ende ein Antrieb A, der insbesondere als Schrittmotor ausgebildet ist, vorgesehen sind. Ferner ist in der Fig. 1 ein Laser L wiedergegeben, dessen emittierter Laserstrahl 4 über ein optisches System OS fokussiert auf den Rand 5 der Taumelscheibe 2 auftrifft und von dort in Richtung einer Bahn 6 reflektiert wird. Die Bahn 6 befindet sich unterhalb der Taumelscheibe 2 und durchläuft die Vorrichtung mit einer bestimmten Bahngeschwindigkeit V. Die Reflexion des Laserstrahls 4 am Rand 5 der Taumelscheibe 2 erfolgt über Spiegel 7, die facettenartig am Rand 5 vorgesehen sind.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise dieser Vorrichtung beschrieben. Ein vom Laser L emittierter Laserstrahl 4 durchläuft das optische System OS und trifft auf einen der am Rand 5 der Taumelscheibe 2 vorgesehenen Spiegel 7 und wird von diesem auf die Bahn 6 reflektiert. Der Spiegel 7 ist am Rand 5 mit einem derartigen Neigungswinkel β zur Oberfläche 8 der Scheibe 2 angeordnet, daß der Laserstrahl 4 lotrecht auf der Bahn 6 auftrifft. An dem Punkt, an dem der Laserstrahl 4 auf der Bahn 6 auftrifft, durchschneidet er das Material der Bahn 6. Da nun die Bahn 6 mit einer bestimmten Geschwindigkeit V unter der Taumelscheibe 2 hindurchläuft, wird die Bahn 6 entlang einer bestimmten Linie eingeschnitten. Gleichzeitig wird die Taumelscheibe 2 über den Antrieb A um die Achse 3 gedreht, wobei sich die Neigungslage der Taumelscheibe 2 ändert. Bei einem getakteten Laser ist der Laserstrahl 4 in dem Augenblick ausgeschaltet, in dem der eine Spiegel 7 aus dem Laserstrahl 4 herausgedreht und der nächstfolgende hineingedreht wird. Hierdurch werden bevorzugt Streustrahlungen des Laserstrahls 4 beim Übergang vom einen zum nächsten Spiegel 7 vermieden. Die Neigungslage wird durch den Neigungswinkel α der Taumelscheibe gegenüber der Drehachse 3 bestimmt. Die in der Fig. 1 wiedergegebenen Neigungslagen der Taumelscheibe 2 stellen die Extremlagen dar. Da sich die Neigungslage der Taumelscheibe 2 beim Umlauf um die Achse 3 ändert, das heißt das jeweils untere Ende der Scheibe 2 in der Fig. 1 nach rechts wandert, wird der Laserstrahl 4 über die dann jeweils am unteren Ende sich befindenden Spiegel 7 so abgelenkt, daß der Auftreffpunkt auf der Bahn 6 ebenfalls nach rechts wandert. In der mit gestrichelter Linie wiedergegebenen extremen Lage der Taumelscheibe 2 befindet sich der abgelenkte Laserstrahl 4 in einer Neigungslage, in der er am weitesten nach rechts abgelenkt ist. Der in dieser Neigungslage der Taumelscheibe 2 vom Laserstrahl 4 beaufschlagte Spiegel 7′ besitzt einen Neigungswinkel β′, der so ausgelegt ist, daß der Laserstrahl 4 wiederum lotrecht auf der Bahn 6 auftrifft. Über den Neigungswinkel β wird somit die Neigung der Scheibe 2 zur Achse 3 mit dem Winkel α derart korrigiert, daß der Laserstrahl 4 stets lotrecht auf die Bahn 6 abgelenkt wird.

An der Bahn 6 ist ein Sensor S vorgesehen, der die Geschwindigkeit V der Bahn 6 erfaßt. Ein die Bahngeschwindigkeit V repräsentierendes Signal wird an einen Regler R geleitet, der den Antrieb A für die Taumelscheibe 2 ansteuert. Außerdem steuert der Regler R den Laser L an, wodurch die Pulsfrequenz und gegebenenfalls die Stärke des Laserstrahls 4 an die Bahngeschwindigkeit V und an die Stellung der Taumelscheibe 2 angepaßt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 2 wiedergegeben, bei der der Laser L, das optische System OS und die unter der Polygonspiegelscheibe 1 hindurchlaufende Bahn 6 der Fig. 1 entsprechen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Polygonspiegelscheibe 1 als Exzenterscheibe 9 ausgeführt, die an ihrem Rand 5 die Spiegel 7 aufweist. Der Neigungswinkel β der Spiegel 7 entspricht bei diesem Ausführungsbeispiel dem Neigungswinkel β des Randes 5 und weist einen Wert von 45° auf. Hierdurch wird der waagerecht ankommende Laserstrahl 4 derart abgelenkt, daß er lotrecht auf der Bahn 6 auftrifft. Ein Verfahren des Laserstrahls 4 innerhalb des Bereichs 10 auf der Bahn 6 wird dadurch erreicht, daß die Scheibe 9 exzentrisch an der Achse 3 befestigt ist, so daß der vom Laserstrahl 4 beaufschlagte Randbereich innerhalb des Bereichs 10 hin und her wandert. Ferner ist in der Fig. 2 erkennbar, daß die Exzenterscheibe 9 mit einem Auswuchtelement 11 versehen ist.

Bei der in der Fig. 3 wiedergegebenen Draufsicht auf die Exzenterscheibe 9 ist die Form der Scheibe 9 erkennbar, mit der ein Ausschnitt 12 aus der Bahn 6 herausgeschnitten werden kann, wie er in dem in der Fig. 3 wiedergegebenen Bahnabschnitt schematisch gezeigt ist. Trifft der Laserstrahl 4 auf die Exzenterscheibe 9 im Punkt B auf, so wird er auf die Bahn 6 auf einen mit B′ bezeichneten Punkt reflektiert. Die Bahn 6 läuft mit der Bahngeschwindigkeit V unter der Exzenterscheibe 9 hindurch, die sich mit der Drehgeschwindigkeit U um die Achse 3 dreht. Während dieses Verlaufes trifft der Laserstrahl 4 auf die mit C bezeichnete Stelle am Rand 5 der Exzenterscheibe 9, wird dort reflektiert und trifft schließlich auf einen Punkt auf der Bahn 6, der der Stelle C′ entspricht. Im weiteren Verlauf erreicht der Laserstrahl 4 die Stelle D und schließlich die Stelle E. An den Stellen D und E wird der Laserstrahl 4 derart abgelenkt, daß er an den Stellen D′ und E′ auf die Bahn 6 auftrifft. Dabei durchläuft er den Bereich 13 zwischen den Stellen C′ und D′, der vom geraden Verlauf zwischen den Stellen B′ und C′ abweicht. Dieser Bereich 13 weicht deshalb vom geraden Verlauf ab, da sich der Radius 14 der Scheibe 9 am Punkt C auf den Radius 15 am Punkt D verringert. Durch diese Radiusänderung der Exzenterscheibe 9 wird der Auftreffpunkt des Laserstrahls 4 in die Bahn 6 hineinverschwenkt. Die Fig. 3 zeigt einen einfachen Verlauf der Schnittlinie des Laserstrahls 4 auf der Bahn 6. Es sind jedoch bei entsprechenden Gestaltungen der Exzenterscheibe 9 eine Vielzahl anderer Verläufe denkbar. Der mit dem Durchlauf der Bahn 6 synchrone Umlauf der Scheibe 9 wird über den Sensor S und den Regler R, der den Antrieb A für die Polygonspiegelscheibe 1 ansteuert, gewährleistet.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Bearbeiten einer endlosen Bahn (6) mit wenigstens einem einen fokussierten Laserstrahl (4) aus­ sendenden Laser (4) mit einem optischen System (OS), und einem um eine ortsfeste Achse (3) drehbaren, den Laser­ strahl (4) ablenkenden Polygonspiegelscheibe (1), deren Rand (5) die Spiegel (7) aufweist, über die der Laserstrahl (4) auf die Bahn (6) abgelenkt wird, wobei die Lote auf die Spiegel (7) einen von 90° verschiedenen Winkel zur Dreh­ achse (3) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der Polygonspiegelscheibe (1, 2) geneigt zur Drehachse (3) angeordnet ist, und daß die Spiegel (7) mit voneinander verschiedenen Neigungswinkeln (β, β′) zur Drehachse (3) am Rand (5) der Scheibe (2) angeordnet sind.

2. Vorrichtung zum Bearbeiten einer endlosen Bahn (6) mit wenigstens einem einen fokussierten Laserstrahl (4) aus­ sendenden Laser (4) mit einem optischen System (OS), und einer um eine ortsfeste Achse (3) drehbaren, den Laser­ strahl (4) ablenkenden Polygonspiegelscheibe (1), deren Rand (5) die Spiegel (7) aufweist, über die der Laser­ strahl (4) auf die Bahn (6) abgelenkt wird, wobei die Lote auf die Spiegel (7) einen von 90° verschiedenen Winkel zur Drehachse (3) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Polygonspiegelscheibe (1, 9) parallel zur Bahnebene angeordnet ist und eine von der Kreisform abweichende Form aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (7) eben sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigungslage der vom Laser­ strahl (4) beaufschlagten Spiegel (7) bezüglich des Laser­ strahls (7) konstant ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polygonspiegelscheibe (1) eine exzentrische Drehachse (3) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polygonspiegelscheibe (1) mit wenigstens einem Auswuchtelement (11) versehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (7) den Laserstrahl (4) lotrecht auf die Bahn (6) ablenkend, am Rand (5) der Scheibe (1) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (4) gepulst ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Neigungswinkel (α) der Polygon­ spiegelscheibe (1) zur Drehachse (3) einstellbar ist.