DE4120905A1 - Fokussier- und ablenkeinrichtung fuer einen laserstrahl zur bearbeitung von werkstuecken - Google Patents
Fokussier- und ablenkeinrichtung fuer einen laserstrahl zur bearbeitung von werkstueckenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Fokussier- und
Ablenkeinrichtung für einen Laserstrahl zur Bearbeitung
von Werkstücken, bestehend aus einer Strahlungsquelle und
einem mit Umlenkspiegeln bestückten Rotor, dessen
Umlenkspiegel bei Drehung des Rotors nacheinander in den
Strahlengang gelangen.
Bei einer bekannten Fokussier- und Ablenkeinrichtung sind
die Umlenkspiegel auf dem Rotor nach Art eines Polygonrades
aufgebracht. Bei einer anderen Fokussier- und
Ablenkeinrichtung ist ein oszillierender Spiegel vorgesehen.
Mit diesen bekannten Einrichtungen wird der Laserstrahl auf
einer Linie mit annähernd gleicher Energieverteilung
fokussiert, wenn die Linie im Radiusbereich der Rallylänge
liegt. Da aber eine Abhängigkeit zwischen der Brennweite f
des Umlenkspiegels, der Rallylänge und der Energiedichte
besteht, wird die Energiedichte mit zunehmender Linie, auf
der fokussiert wird, immer geringer. Eine linienförmige
Fokussierung mit gewünschter Energieverteilung über die
Linie oder eine Fokussierung auf einzelne in Reihe liegende
Punkte mit vorbestimmter Energieverteilung ist deshalb mit
diesen Einrichtungen nicht zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fokussier-
und Ablenkeinrichtung für einen Laserstrahl zur Bearbeitung
von Werkstücken zu schaffen, die mit einfachen Mitteln eine
Fokussierung des Laserstrahls auf eine Linie oder auf
Punkten einer Linie mit gewünschter Energieverteilung und
Genauigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit einer Fokussiereinrichtung der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Umlenkspiegel
in Achs- und Umfangsrichtung des Rotors gegeneinander
versetzt sind und ihre Spiegelflächen die Form von
Kegelmantelausschnitten haben und koaxial zur Rotorachse
angeordnet sind und daß den Umlenkspiegeln ein gemeinsamer
in Achsrichtung des Rotors sich erstreckender
hohlzylindrischer Sammelumlenkspiegel zugeordnet ist, dem
ein in Achsrichtung des Rotors sich erstreckender
Fokussierspiegel zugeordnet ist, der den empfangenen
Laserstrahl auf den axialen Abschnitten der einzelnen
Umlenkspiegel entsprechenden Linien oder Punkten einer Linie
auf dem Werkstück fokussiert.
Aufgrund der zweimaligen Umlenkung des Laserstrahls an den
einzelnen Umlenkspiegeln und am Sammelumlenkspiegel und der
anschließenden Fokussierung wird erreicht, daß der
Laserstrahl auf Abschnitte einer Linie oder auf in einer
Linie liegende Punkte auf dem Werkstück fokussiert wird. Die
Versetzung in Richtung der Linie erfolgt sprungweise, wenn
der Laserstrahl von dem einen Umlenkspiegel auf den nächsten
dazu axial versetzten Umlenkspiegel wechselt.
Bei der Erfindung ist die Brennweite f des
Fokussierspiegels frei wählbar und wird parallel und nicht
mit einem Radius über das Werkstück geführt. Man kann
deshalb mit einer kleinen Brennweite und einer kleinen
Rallylänge eine große Energiedichte auf der Linie auf dem
Werkstück erreichen.
Die Energieverteilung über die Linie hängt von der
Häufigkeit des Wechsels des Laserstrahls von einem
Umlenkspiegel auf den anderen Umlenkspiegel ab. Dieser
häufige Wechsel läßt sich einerseits mit einer hohen
Drehzahl des Rotors erreichen. Andererseits läßt er sich bei
niedrigen Drehzahlen auch dadurch erreichen, daß der Rotor
mit mehreren Gruppen von Umlenkspiegeln bestückt ist, die
bei Drehung des Rotors nacheinander in den Strahlengang
gelangen.
Um die Beaufschlagung der Linie mit Energie zu verdoppeln,
kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung der Rotor mit
zwei Gruppen von Umlenkspiegeln bestückt sein, deren
Spiegelflächen in entgegengesetzter Richtung orientiert sind
und im Strahlengang von zwei entgegengesetzt gerichteten
Laserstrahlen liegen.
Bei Rotation des Rotors mit konstanter Winkelgeschwindigkeit
und gleich großen Spiegelflächen ist der Energieeintrag des
Laserstrahls in jedem Abschnitt gleich. Um über die Linie
eine unterschiedliche Leistung in das Werkstück einzubringen
gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zum einen kann der
Laserstrahl synchron zum Umlauf der einzelnen Umlenkspiegel
gepulst sein. Zum anderen können die Umlenkspiegel eine in
Umfangsrichtung unterschiedliche Länge haben. In diesem Fall
verharrt der Laserstrahl auf dem Werkstück im Bereich langer
Umlenkspiegel länger als im Bereich kurzer Umlenkspiegel.
über die Länge der einzelnen Umlenkspiegel ist es so
möglich, sprunghaft die Energie in einzelnen Abschnitten zu
verändern oder die Energie entsprechend einer stetigen Kurve
über die Linie zu verändern.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der
Fokussierspiegel in mindestens einem axialen Abschnitt eine
vom übrigen Bereich unterschiedliche Brennweite haben. Diese
Ausgestaltung ermöglicht es, bei einem beispielsweise
stufenförmig ausgebildeten Werkstück auf jeder Stufe das
Werkstück auf einer Linie mit Energie zu beaufschlagen.
In Verbindung mit der Punktfokussierung ist es möglich, mit
dem Laserstrahl Konturen zu schneiden, insbesondere Löcher
zu schneiden, wenn der für die Punktfokussierung ausgelegte
Fokussierspiegel mit einem Antrieb für eine translatorische
Drehbewegung gekuppelt ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer
Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher
erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine Fokussier- und Ablenkeinrichtung für
einen Laserstrahl in perspektivischer
schematischer Darstellung,
Fig. 2 die Fokussier- und Ablenkeinrichtung gemäß
Fig. 1 im Aussschnitt im Bereich eines
Ablenkspiegels links in Seitenansicht und
rechts in Stirnansicht,
Fig. 3 einen Rotor der Fokussier- und
Ablenkeinrichtung mit Umlenkspiegeln in drei
verschiedenen Ausführungen oben in Abwicklung
und unten die dazu gehörende Energieverteilung,
Fig. 4 einen Rotor mit zwei verschieden orientierten
Umlenkspiegeln in Seitenansicht,
Fig. 5 einen Rotor mit zwei verschieden orientierten
Umlenkspiegeln in Seitenansicht und in einer
zur Fig. 4 anderen Ausführung,
Fig. 6 einen Fokussierspiegel der Fokussier- und
Ablenkeinrichtung der Fig. 1 für eine
Linienfokussierung mit abschnittweise
unterschiedlichen Brennweiten,
Fig. 7 einen Fokussierspiegel der Fokussier- und
Ablenkeinrichtung gemäß Fig. 1 für eine
Punktfokussierung,
Fig. 8 den Fokussierspiegel gemäß Fig. 7 im
Schnitt nach Linie I-I der Fig. 7,
und
Fig. 9 den Fokussierspiegel gemäß Fig. 7 mit einem
Antrieb in Stirnansicht.
Die Fokussier- und Ablenkeinrichtung besteht aus einem
kreiszylindrischen Rotor 1, dessen Mantel mit einer Vielzahl
von zueinander axial und umfangsmäßig versetzten gleichen
Umlenkspiegeln 2 besetzt ist, einem zur Rotorachse 6
achsparallel angeordneten hohlzylindrischen
Sammelumlenkspiegel 3 und einem parallel zur Achse 6 des
Rotors 1 angeordneten Fokussierspiegel 4. Die Umlenkspiegel
2 sind so angeordnet, daß sie bei Rotation des Rotors 1
nacheinander in den Strahlengang eines parallel zur Achse 6
des Rotors 1 verlaufenden Laserstrahls 8 mit einem
Durchmesser d gelangen. Ihre Spiegelflächen 5 bilden
Ausschnitte eines Kegelmantels, dessen Achse mit der Achse 6
des Rotors 1 identisch ist. Sie haben eine solche
Orientierung, daß der auf sie treffende Laserstrahl 8 um 90°
umgelenkt wird. Wie die in Fig. 3 oben dargestellten
Abwicklungen für die Umlenkspiegel 2 zeigen, können diese in
Umfangsrichtung sowohl gleich als auch verschieden lang
sein, was später noch im einzelnen zu erläutern sein wird.
Den Umlenkspiegeln 2 ist der hohlzylindrische
Sammelumlenkspiegel 3 zugeordnet. Die Spiegelfläche 7 des
Sammelumlenkspiegels 3 ist derart auf die Spiegelflächen 5
der Umlenkspiegel 2 und damit auch auf die Achse 6 des
Rotors 1 ausgerichtet, daß der Laserstrahl 8 den
Sammelumlenkspiegel 3 als paralleles Strahlenbündel
verläßt.
Dieses parallele Strahlenbündel wird von dem im einfachsten
Fall eine hohlzylindrische Spiegelfläche aufweisenden
Fokussierspiegel 4 umgelenkt und auf eine Linie 9 der Länge
L fokussiert. Diese Linie 9 setzt sich aus einzelnen
Abschnitten zusammen, die den Umlenkspiegeln 2 zugeordnet
sind und aufgrund der Spiegelgeometrien die Länge d des
Durchmessers des Laserstrahls 8 haben. Beim Wechsel des
Laserstrahls 8 von einem Umlenkspiegel 2 auf den nächsten
springt der Laserstrahl an der Linie 9 von einem Abschnitt
auf den nächsten.
Wie bereits erwähnt, können die Umlenkspiegel 2 in
Umfangsrichtung eine gleiche oder unterschiedliche
Umfangslänge haben, wie in Fig. 3 oben als Abwicklung
dargestellt ist. In der linken oberen Darstellung haben die
Umlenkspiegel 2 die gleiche Umfangslänge. Das bedeutet, daß
der Energieeintrag auf der Linie in jedem Abschnitt gleich
ist, was in dem Schaubild darunter dargestellt ist. Sofern
jedoch, wie im mittleren oberen Bild dargestellt, die
Umfangslänge der Umlenkspiegel 2 sehr unterschiedlich ist,
ist auch der Energieeintrag in den einzelnen Abschnitten
unterschiedlich. In diesem Fall ändert er sich sprunghaft.
In der rechten oberen Darstellung ist dagegen gezeigt, daß
sich die Umfangslänge der Umlenkspiegel 2 von Umlenkspiegel
zu Umfangsspiegel nur geringfügig verändert, mit der Folge,
daß der Energieeintrag sich nicht sprunghaft ändert,
sonderen einer kontinuierlichen Linie folgt. Ein
unterschiedlicher Energieeintrag über die Linie läßt sich
natürlich auch, wie schon erwähnt, mit einem gepulsten
Laserstrahl erzielen. In diesem Fall erfolgt die Pulsung
derart, daß die Strahlung gesperrt ist, wenn sich im
Strahlengang ein bestimmter oder einige bestimmte oder eine
Gruppe von bestimmten Umlenkspiegeln 2 befinden.
Die Ausführungsbeispiele 4 und 5 zeigen, daß der Rotor 1 in
der gleichen Axialebene mit zwei Umlenkspiegeln 2a, 2b, 2c, 2d
entgegengesetzter Orientierung bestückt ist, die im
Strahlengang jeweils eines Laserstrahls 8a, 8b, 8c, 8d liegen.
Mit solchen Ausführungen läßt sich ein doppelt so hoher
Energieeintrag erreichen.
Wie das Ausführungsbeispiel der Fig. 6 zeigt, kann der
Fokussierspiegel 4a abschnittweise eine unterschiedliche
Brennweite f1, f2 haben.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 und 8 zeigt, daß der
Fokussierspiegel 4b durch eine zusätzliche Querwölbung für
eine Punktfokussierung ausgebildet sein kann. In Verbindung
mit dieser Ausbildung kann der Fokussierspiegel 4b mit einem
Antrieb 10 für eine translatorische Kreisbewegung gekuppelt
sein, wie in Fig. 9 dargestellt ist. Dadurch wird es
möglich, in einem Werkstück Kreise zu schneiden.
Claims (6)
1. Fokussier- und Ablenkeinrichtung für einen
Laserstrahl (8) zur Bearbeitung von Werkstücken, bestehend
aus einer Strahlungsquelle und einem mit Umlenkspiegeln
(2) bestückten Rotor (1), dessen Umlenkspiegel (2) bei
Drehung des Rotors (1) nacheinander in den Strahlengang
des Laserstrahls (8) gelangen,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Umlenkspiegel (2) in Achs- und Umfangsrichtung des Rotors
(1) gegeneinander versetzt sind und ihre Spiegelflächen
(5) die Form von Kegelmantelausschnitten haben und koaxial
zur Achse (6) des Rotors (1) angeordnet sind, und daß den
Umlenkspiegeln (2) ein gemeinsamer, in Achsrichtung des
Rotors (1) sich erstreckender hohlzylindrischer
Sammelumlenkspiegel (3) zugeordnet ist, dem ein in
Achsrichtung des Rotors (1) sich erstreckender
Fokussierspiegel (4) zugeordnet ist, der den empfangenen
Laserstrahl auf den axialen Abschnitten der einzelnen
Umlenkspiegel (2) entsprechenden Linien oder Punkten einer
Linie auf dem Werkstück fokussiert.
2. Fokussier- und Ablenkeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor
(1) mit mehreren gleichartigen Gruppen von Umlenkspiegeln
(2) bestückt ist, die bei Drehung des Rotors (1)
nacheinander in den Strahlengang des Laserstrahls (8)
gelangen.
3. Fokussier- und Ablenkeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor
(1) mit zwei Gruppen von Umlenkspiegeln (2a, 2b, 2c, 2d)
bestückt ist, deren Spiegelflächen in entgegengesetzter
Richtung orientiert sind und die im Strahlengang von zwei
entgegengesetzt gerichteten Laserstrahlen (8a, 8b, 8c, 8d)
liegen.
4. Fokussier- und Ablenkeinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Länge der Umlenkspiegel (2) in Umfangsrichtung
unterschiedlich ist.
5. Fokussier- und Ablenkeinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Fokussierspiegel (4a) in mindestens einem axialen Abschnitt
eine vom übrigen Bereich unterschiedliche Brennweite (f2)
hat.
6. Fokussier- und Ablenkeinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der für
eine Punktfokussierung ausgelegte Fokussierspiegel (4b)
mit einem Antrieb (10) für eine translatorische
Drehbewegung gekuppelt ist.
Priority Applications (1)
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