DE4118317A1

DE4118317A1 - Multifunktionelle lasergestuetzte bearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE4118317A1
Application number: DE4118317A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Yabu
Original assignee: Juki Corp
Current assignee: Juki Corp
Priority date: 1990-06-05
Filing date: 1991-06-04
Publication date: 1992-01-16
Also published as: ES2049125B1; US5185511A; FR2662626A1; ES2049125A2; JPH0490184U; ES2049125R; FR2662626B1

Description

Die Erfindung betrifft eine multifunktionelle laserge stützte Bearbeitungs- oder Behandlungsvorrichtung, die insbesondere befähigt ist, die Stärke oder den Betrag eines Laserstrahlbündels, das auf ein Werkstück, bei spielsweise ein Tuch, einen Stoff, ein Papier oder der gleichen, abgegeben wird, einstellbar zu machen, so daß verschiedene Bearbeitungsarten ausführbar sind.

Herkömmlicherweise wird eine Bearbeitungsvorrichtung aus schließlich für eine spezifische Bearbeitung, beispiels weise Schneiden, Markieren oder Zeichnen (Anreißen) einge setzt. Eine Bearbeitungsvorrichtung dieser Art muß ord nungsgemäß benutzt werden, je nach der Art der auszufüh renden Behandlung.

Insbesondere kann beim Anreißen oder Markieren eine Anreiß- oder Markiervorrichtung verwendet werden, die so eingerichtet ist, daß eine Zeichenfeder oder dergleichen oder eine Markierungsfeder festgehalten und über das Werk stück hinweg in X-Y-Richtungen oder zusammengesetzte Rich tungen bewegt werden.

Wenn ein Schneidvorgang ausgeführt wird, findet eine an sich bekannte Blotter-Schneideinrichtung Anwendung, die so angeordnet wird, daß sie zum Zwecke des Schneidens über das Werkstück hinweg geführt werden kann. Andererseits wird anstelle der Schneideinrichtung eine Schneidvorrich tung oder dergleichen angewandt, bei welcher ein Laser aktiviert wird, um das Werkstück wegzubrennen und zu schneiden.

Es ist jedoch sehr mühsam, jeweils eine Bearbeitungsvor richtung unter mehreren solcher Vorrichtungen auszuwählen, je nach dem gewünschten Anwendungszweck, da jede Bearbei tungsvorrichtung auf einen ganz speziellen Bearbeitungs vorgang beschränkt ist.

Aus diesem Grund ist eine Fabrikationsstätte gezwungen, eine Mehrzahl von Bearbeitungsvorrichtungen hierfür zu installieren. Dies schließt den Nachteil einer Kostenstei gerung, eines erhöhten Raumbereichs und einer gewissen Ineffizienz des Arbeitsvorganges ein.

Die erfindungsgemäße multifunktionelle lasergestützte Bearbeitungsvorrichtung soll dazu dienen, diesen Nachtei len abzuhelfen. Das Ziel der Erfindung kann durch eine Vorrichtung erreicht werden, die folgende Merkmale umfaßt: Ein Laserstrahlbündel, eine Laserstrahlquelle, eine Arbeitsfläche, die ein zu bearbeitendes (Werkstück-) Mate rial trägt, einen in X-Richtung beweglichen Arm, einen Bearbeitungskopf, der zusammen mit dem beweglichen Arm und in Y-Richtung beweglich ist, um die Energiedichte und die Bestrahlungsstärke des Laserstrahlbündels mit Bezug auf das Werkstück zu erhöhen, und einen einjustierbaren Aus gangsmechanismus. Dieser Ausgangsmechanismus umfaßt eine Gassteuervorrichtung zur Aufrechterhaltung eines Gasdruc kes bei einem konstanten Wert in einem Lasermediumgas, das der Laserstrahlquelle zugeführt wird, sowie eine Gleich stromquelle zur Einstellung eines Resonanzstromes, welcher zur Laserstrahlquelle abgeleitet wird, so daß der Reso nanzstrom variiert wird und den Betrag oder die Stärke des Laserstrahlbündels mit Bezug auf das betreffende Werk stückmaterial ordnungsgemäß einstellt, so daß unterschied liche Bearbeitungsvorgänge, beispielsweise Schneiden, Mar kieren und Anreißen und dergleichen ausgeführt werden kön nen.

Erfindungsgemäß ist die multifunktionelle lasergestützte Bearbeitungsvorrichtung so ausgebildet, daß der in Y-Rich tung bewegliche Bearbeitungskopf an dem in X-Richtung beweglichen Arm befestigt ist, wobei dieser Arm über die Arbeitsfläche in X-Richtung verschieblich ist. Das aus der Laserstrahlquelle austretende Laserstrahlbündel kann gesammelt und konzentriert werden, so daß das Bündel zwecks Bestrahlung auf das Werkstückmaterial gerichtet werden kann. Die Stärke des aus der Laserstrahlquelle aus tretenden Laserstrahlbündels kann durch einen an seinem Ausgang einstellbaren Mechanismus einjustiert werden, so daß die Intensität des Laserausgangs mit Bezug auf das Werkstückmaterial durch eine einzige multifunktionelle lasergestützte Bearbeitungsvorrichtung beherrschbar ist, so daß verschiedene Arbeitsvorgänge, beispielsweise Zeich nen, Markieren und Schneiden, mit ein und derselben Vor richtung ausführbar sind, wodurch die Effizienz und der Wirkungsgrad des Arbeitsvorganges erhöht werden.

Die nachstehende Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit beilie gender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer multi funktionellen lasergestützten Bearbei tungsvorrichtung;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Laserstrahl quelle der Vorrichtung aus Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockdiagramm, das zeigt, wie die Laserstrahlquelle mit anderen Bestand teilen der Vorrichtung verbunden ist;

Fig. 4 ein Blockdiagramm mit der Darstellung einer Gleichstrom-Hochspannungsquelle und

Fig. 5 ein Schaltbild der Gleichstrom-Hochspan nungsquelle.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nach stehend mit Bezug auf die Fig. 1 bis 5 der Zeichnung beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt eine multifunktionelle lasergestützte Bearbeitungsvorrichtung mit einer Arbeitsfläche 1, auf die ein zu bearbeitendes Werkstückmaterial 3 aufgelegt wird.

Ein beweglicher Arm 2 besteht aus einem in X-Richtung beweglichen Arm 2a, der über die Arbeitsfläche 1 bewegt werden kann, sowie aus einem in Y-Richtung beweglichen Arm 2b, der als ein Bearbeitungskopf wirkt, welcher seiner seits an dem beweglichen Arm 2a angeordnet ist und von der Arbeitsfläche nach aufwärts bewegt wird. Der bewegliche Arm oder der Bearbeitungskopf 2b sind befähigt, sich über die Arbeitsfläche 1 hinweg in einer zusammengesetzten Bewegung zu verschieben, und zwar in Zusammenarbeit mit dem in X-Richtung beweglichen Arm 2a. Die Bewegung kann in X- und Y-Richtungen sowie in zusammengesetzten Richtungen erfolgen.

Eine Laserstrahlquelle L ist in der Vorrichtung angeordnet und gibt ein Laserstrahlbündel ab, welches durch einen Laserführungsweg verläuft, der durch wenigstens einen total reflektierenden Spiegel (im vorliegenden Fall vier Spiegel) bestimmt ist und zum Bearbeitungskopf 2b ver läuft. Das Laserstrahlbündel wird durch den Bearbeitungs kopf 2b gesammelt und konzentriert, so daß sich die Ener giedichte erhöht und das Laserstrahlbündel auf das auf der Arbeitsfläche 1 angeordnete Werkstückmaterial 3 auftreffen kann.

Ein Laser-Resonator, welcher die Laserstrahlquelle L bil det, ist in Fig. 2 dargestellt. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet ein Entladungsrohr, an dessen einander gegen überliegenden Stirnseiten jeweils ein total reflektieren der Spiegel 3a (Fig. 2) und ein teilweise reflektierender Spiegel 3b angeordnet sind. Eine Kathode 7 und eine Anode 8 sind in der Nähe dieser Spiegel angeordnet. Ein Entla dungsrohr 5 ist mit einer (nicht dargestellten) Vakuumpum pe verbunden, während ein Einsatzrohr 6 so montiert ist, daß es ein Lasermediumgas zur Innenseite des Entladungs rohres 9 führt. Ein Kühlmantel 4c ist so angeordnet, daß er das Entladungsrohr 9 umgibt und einen Einlaß 4a ein schließt, durch den Kühlwasser zugeführt wird. Ferner ist ein Auslaß 4b vorgesehen, von dem aus Wasser austritt. Hierdurch wird das Entladungsrohr 9 gekühlt, wenn das Laserstrahlbündel abgestrahlt wird.

Wenn, wie an sich bekannt, sowohl an die Kathode 7 als auch an die Anode 8 eine Spannung angelegt wird, trifft das Lasermediumgas gegen ein Elektron, das dem Entladungs rohr 9 zugeführt wird, um so ein Laserstrahlbündel zu erzeugen. Dieses Laserstrahlbündel ist zwischen den Spie geln 3a, 3b in Resonanz und emittiert das Bündel durch den teilweise reflektierenden Spiegel 3b. Die Laserstrahlquel le L ist mit einer Gassteuervorrichtung, einer Gleich strom-Hochspannungsquelle und einer Sicherheitsschaltung verbunden, wie in Fig. 3 dargestellt. Wie aus dieser Figur weiterhin hervorgeht, besteht ein einstellbarer Mechanismus A aus einer Gassteuervorrichtung 10 und aus einer Gleichstrom-Hochspannungsquelle 11. Die Gassteuer vorrichtung 10 liegt zwischen einer Vorratsquelle des Lasermediumgases und der Laserstrahlquelle L, so daß ein Gasdruck des Lasermediumgases aufrechterhalten wird, das der Laserstrahlquelle L zugeführt wird. Dieser Druck wird zu allen Zeiten bei einem konstanten Niveau gehalten, bei spielsweise 50 mbar.

Die Gleichstrom-Hochspannungsquelle 11 variiert die der Laserstrahlquelle L zugeführte Spannung, wobei die Quelle das bei einem Druck konstanter Höhe gehaltene Gas erhält, so daß der Betrag des Laserstrahlbündelausgangs variiert und auf eine gewünschte Höhe eingestellt wird.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Blockdiagramme der Gleichstrom- Hochspannungsquelle bzw. einer hierfür geeigneten Schal tung. Die Fig. 5 zeigt eine Drei-Phasen-Wechselstromquel le 12, bei der jeder Strom sinusförmig verläuft und um 120° phasenverschoben ist. Ein Niederspannungswandler 13 wandelt lediglich die Plus-Bereiche der Ströme SCR 1, 2 und 3 in Gleichstrom um und lädt damit einen Kondensator C auf. Anschließend gibt der Kondensator C durch Entladung die Ladungsströme ab und leitet sie einem Einstelltrans formator 15 zu. Zu dieser Zeit sind FET 1, FET 4 eines Wandlers 14 in geschlossenem Zustand, während FET 2 und FET 3 in offenem Zustand sind, so daß der Strom in Rich tung eines Pfeiles X angelegt wird. Wenn im Gegensatz hierzu der Wandler 14 in den umgekehrten Zustand verbracht wird, wird der Strom in Richtung eines Pfeiles Y zwecks Erzeugung eines Wechselstromes abgeleitet.

Der Gleichstrom, der durch den Einstelltransformator 15 fließt, steigert die Spannung auf ein hohes Niveau und wird anschließend durch einen Hochspannungswandler 16 zum Wechselstrom umgewandelt. Dieser Wechselstrom fließt in der Richtung eines Pfeiles P, und zwar zu allen Zeiten, und wird der Laserstrahlquelle L zugeleitet.

Die beschriebene multifunktionelle lasergestützte Bearbei tungsvorrichtung ist in der Lage, verschiedene Arbeitspro zesse auszuführen, beispielsweise Markieren, Zeichnen (Anreißen) und Schneiden eines Werkstückmaterials 3, da der bezüglich seines Ausganges einstellbare Mechanismus A veranlaßt wird, den Gasdruck des Lasermediumgases konstant zu machen und den Resonanzstrom einzustellen, d. h. der Resonanzstrom wird durch Anwendung eines Einstellmittels, beispielsweise eines Drehknopfes (volume knob) und der gleichen leicht variiert, so daß der Betrag des Laser strahlausgangs aus der Laserstrahlquelle L auf den gewünschten Wert eingestellt wird.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen den Betrag oder die Leistung des austretenden Laserstrahlbündels entsprechend verschiedener Arbeitsprozesse im Hinblick auf bestimmte zu behandelnde Materialien und deren Konfiguration.

Tabelle 1

Tabelle 2

Wie aus Tabelle 1 und 2 ersichtlich, wird zum Aufbringen einer Zeichnung auf das Werkstück die Leistung des Laser strahlbündelausgangs auf eine Größenordnung von 10 bis 20 W eingestellt. Beim Aufbringen von Markierungen auf das Werkstück erfolgt die Einstellung auf eine Größenordnung von 20 bis 40 W, und zwar in einem relativ niedrigen Aus maß, um zu diesem Zweck ein Einbrennen auf der Werkstück oberfläche zu involvieren.

Andererseits wird beim Schneiden des Werkstückes die Laserleistung auf eine Größenordnung von 30 bis 100 W, d. h. auf ein relativ hohes Maß eingestellt, so daß zu diesem Zweck das Werkstück 5 durchgebrannt und geschnitten wird.

Wie im voranstehenden beschrieben, umfaßt die multifunk tionelle lasergestützte Bearbeitungsvorrichtung den in der X-Richtung über die Arbeitsfläche hinweg beweglichen Arm 2a und den in Y-Richtung beweglichen Bearbeitungskopf, der am Arm 2a montiert ist, so daß das von der Laserstrahl quelle L abgegebene Laserstrahlbündel von dem Bearbei tungskopf 2b gesammelt und konzentriert wird, um so die Energiedichte zu erhöhen und das Werkstückmaterial mit dem Strahlenbündel zu bestrahlen. Die Intensität des Laseraus gangs wird durch den bezüglich seines Ausganges einstell baren Mechanismus so eingestellt, daß verschiedene Prozes se, beispielsweise Zeichnen, Markieren und Schneiden oder dergleichen, ausgeführt werden können, wobei mit Bezug auf das Werkstück lediglich ein einziges Instrument erforder lich ist.

Die erfindungsgemäße multifunktionelle lasergestützte Bearbeitungsvorrichtung ist in der Lage, den Strom des Resonators zu variieren, so daß nur ein relativ kleiner Betrag an Laserstrahlausgang aus der Laserstrahlquelle erforderlich ist. Ferner ist die erfindungsgemäße Vorrich tung befähigt, auf der Werkstückoberfläche eine Verbren nung oder Verschmorung hervorzurufen, so daß auf diese Weise Anreiß- und Markierungsprozesse ausgeführt werden können.

Wenn im Gegensatz hierzu die Laserstrahlleistung der Laserstrahlquelle höher ist, kann das Werkstück durchge brannt und geschnitten werden.

Claims

Multifunktionelle lasergestützte Bearbeitungsvorrichtung mit einer Laserstrahlquelle (L) zur Erzeugung eines Laser strahlbündels, mit einer Arbeitsfläche (1) zur Abstützung eines Werkstückmaterials (3), mit einem in X-Richtung beweglichen, an der Arbeitsfläche angeordneten Arm (2a), mit einem in Y-Richtung beweglichen, am Arm (2a) befestig ten Bearbeitungskopf (2b) zum Aufbringen des Laserstrahl bündels auf das Werkstückmaterial, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: einen bezüglich seines Ausgangs einstellbaren Mechanismus (A) zur Einstellung der Stärke des Laserstrahlbündels aus der Laserstrahlquelle, wobei dieser Mechanismus (A) eine Gassteuervorrichtung (10) umfaßt, mit welcher der Druck des Lasergasmediums auf einer konstanten Höhe haltbar ist, sowie eine Gleichstrom-Hochspannungsquelle (11) zur Ein stellung eines Resonanzstromes und Weiterleitung desselben zur Laserstrahlquelle, so daß am Werkstückmaterial wahl weise Schneid-, Markier- und Zeichenarbeiten ausführbar sind.