DE4143414C2 - Werkzeugkopf mit automatisch verstellbarer Fokussierungsoptik - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Werkzeugkopf gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Werkzeugkopf ist bereits aus der CH 667 413 A5 bekannt. Dieser bekannte Werkzeugkopf dient zur Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung, die eine innerhalb des Werkzeugkopfs angeordne­ te und von einer mit Hilfe elektrischer Einstellmittel verschiebbaren Lin­ senhalterung getragene Fokussierungsoptik durchläuft, die nur durch Verschieben der Linsenhalterung relativ zum Werkzeugkopf in Laser­ strahlrichtung positionierbar ist. Strahlausgangsseitig findet sich vor der Fokussierungsoptik ein Hohlraum zur Aufnahme eines Prozeßgases, das in Richtung Werkstückoberfläche strömt.

Bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit Hilfe eines Laserstrahls, bei­ spielsweise beim Schneiden des Werkstücks mit Hilfe eines Laserstrahls hoher Leistung, ist die Lage des Brennpunkts der Fokussierungsoptik re­ lativ zur Werkstückoberfläche von großer Bedeutung.

Um beim bekannten Werkzeugkopf den Abstand zwischen dem Brenn­ punkt der Fokussierungsoptik und dem Werkstück einzustellen bzw. kon­ stant zu halten, kann am Werkzeugkopf eine Sensorelektrode angebracht sein, die den Ist-Abstand zwischen ihm und der Werkstückoberfläche z. B. auf kapazitivem Wege mißt. Das von der Sensorelektrode erhaltene Signal wird einer Regeleinrichtung zugeführt, die den gemessenen Ist-Abstand mit einem Soll-Abstand vergleicht und eine entsprechende Differenz durch geeignete Ansteuerung eines mit der Linsenhalterung verbundenen Antriebsmotors ausgleicht. Damit kann ein gewünschter Abstand zwi­ schen Linsenhalterung bzw. Fokussierungsoptik und Werkstückoberflä­ che unabhängig vom Verlauf der Werkstückoberfläche beibehalten wer­ den. Dies bedeutet auch, daß sich während der Bearbeitung des Werk­ stücks der Abstand zwischen dem Brennpunkt der Fokussierungsoptik und der Werkstückoberfläche nicht mehr ändert.

Im Falle der Verstellung der Linsenhalterung muß jedoch zumindest die Fokussierungsoptik gegen den Prozeßgasdruck verschoben werden, so daß die genannte Verstellung nur relativ träge und mit einem leistungs­ starken elektrischen Antrieb erfolgen kann.

Aus der JP 60-49 886 ist ein Werkzeugkopf bekannt, bei dem ein Schutzglas den für die selbst nicht verstellbare Halterung der Fokussierungsoptik vorgesehenen Raum gegenüber dem ein Prozeßgas führenden Raum abdichtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Werkzeugkopf der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sich Linsenhalterung und Fokussie­ rungsoptik schneller und mit einer leistungsärmeren elektrischen Ein­ richtung verstellen lassen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Beim Werkzeugkopf nach der Erfindung ist strahlausgangsseitig und im Abstand zur Fokussierungsoptik ein Schutz­ glas angeordnet, um den für die Fokussierungsoptik und die Linsenhal­ terung vorgesehenen Raum gegenüber einem Raum abzudichten, in wel­ chem sich das für die Bearbeitung des Werkstücks verwendete Prozeßgas befindet.

Der Prozeßgasdruck kann somit nicht mehr die Fokussierungsoptik bzw. die Linsenhalterung beaufschlagen, so daß bei deren Verstellung nicht mehr gegen den Prozeßgasdruck gearbeitet zu werden braucht. Hierdurch läßt sich eine erhöhte Verstellgeschwindigkeit bei gleichzeitig geringerer Antriebsleistung erreichen. Die Verschiebung der Linsenhalterung erfolgt mittels eine Piezoantriebs.

Dabei können nach einer Ausgestaltung der Erfindung einstellbare Anschläge für die Linsenhalterung zur Einstellung von Soll-Positionen vorhanden sein. Darüber hinaus lassen sich auch Arretiereinrichtungen zum Arretieren der Linsenhalterung an jeweils einem der Anschläge vorsehen.

Der Werkzeugkopf nach der Erfindung läßt sich für eine Vielzahl spezieller Aufgaben verwenden, beispielsweise zum Einstechen eines Loches in das Werkstück vor Beginn eines Schneidvorgangs. Beim Einstechen muß der Brennpunkt der Fokussierungsoptik im allgemeinen in einem größeren Abstand vom Werkstück liegen als beim anschließenden Laserschneiden. Hierzu genügt eine entsprechende Verschiebung der Linsenhalterung bzw. Fokussierungsoptik während des Einstechens, was relativ schnell er­ folgen kann. Auch beim Bohren des Werkstücks mit Hilfe des Laserstrahls ergibt sich eine Vereinfachung. Insbesondere bei dicken Werkstücken ist während des Bohrens eine kontinuierliche Verschiebung des Brenn­ punkts in Strahlrichtung vorteilhaft. Dabei genügt es, lediglich die Lin­ senhalterung und mit ihr die Fokussierungsoptik in Laserstrahlrichtung zu verstellen. Auf Werkstückmaterial- und -dickenwechsel, die im allge­ meinen eine Anpassung der Lage des Brennpunkts erfordern, kann eben­ falls sehr schnell reagiert werden, da eine sehr schnelle Verschiebung der Linsenhalterung bzw. der Fokussierungsoptik möglich ist.

Die Verschiebung der Linsenhalterung bzw. der mit ihr verbundenen Fo­ kussierungsoptik kann beispielsweise in Abhängigkeit eines gespeicher­ ten Programms erfolgen, das sich in einer Steuereinheit des Laserwerk­ zeugs befindet. Durch diese Steuereinheit kann auch die Brennpunktsla­ ge vorgegeben werden. Um eine absolute Wegmessung zu ermöglichen, ist vorzugsweise mit der Linsenhalterung ein Wegaufnehmer verbunden, der zur Messung der Position der Linsenhalterung bzw. Fokussierungsoptik relativ zum Werkzeugkopf dient. Wird die Lage des Werkzeugkopfs relativ zum Werkstück mit Hilfe einer am Werkzeugkopf befindlichen Sensorein­ richtung gemessen, so läßt sich insgesamt die Lage der Linsenhalterung bzw. der Fokussierungsoptik relativ zum Werkstück bestimmen und damit auch die Lage des Brennpunkts der Fokussierungsoptik relativ zum Werk­ stück. Durch eine entsprechende Regeleinheit kann die momentane Lage des Brennpunkts mit einer gewünschten bzw. Soll-Lage verglichen und entsprechend nachgeregelt werden, falls eine Abweichung vorhanden ist. Hierdurch ist eine kontinuierliche Führung des Brennpunkts der Fokus­ sierungsoptik in vorgegebenem Abstand relativ zum Werkstück möglich.

Die Fokussierungsoptik selbst kann z. B. aus einer einzigen Linse oder aus einem Linsensystem bestehen.

Die bereits erwähnten Anschläge für die Linsenhalterung zur Einstellung von Soll-Positionen können in Laserstrahlrichtung in gewünschter Weise verschoben werden, um den Bewegungsbereich der Linsenhalterung in La­ serstrahlrichtung beidseitig einzugrenzen. Die Verschiebung der An­ schläge erfolgt manuell. Während der Bearbeitung des Werkstücks kann die Linsenhalterung also sehr schnell gegen den einen oder anderen dieser Anschläge geführt werden, um somit schnell eine vorbestimmte Soll-Posi­ tion einnehmen zu können.

Als Wegaufnehmer kann ein induktiver, kapazitiver, potentiometrischer oder optischer Wegaufnehmer verwendet werden. Es kann sich vorzugs­ weise aber auch um einen LVDT-Wegaufnehmer handeln, also um einen Linear-Variable-Difference-Transformator. Dieser besteht aus einem hohlen Metallzylinder mit drei integrierten Spulen. Die mittlere dient als Primärkreis, während zwei identische Spulen an den Seiten als Sekundär­ wicklungen fungieren. Diese sind in Serie, jedoch gegenläufig geschaltet. In der Mitte des Aufnehmers bewegt sich ein ferromagnetischer Kern frei und überträgt das in der Primärspule durch eine Wechselspannung er­ zeugte magnetische Feld auf die zwei Sekundärwicklungen. Die Größe und Richtung des in den Sekundärwicklungen induzierten Stroms ist dabei von der Stellung des Kerns abhängig. Wenn sich der Kern in seiner Hub­ mitte befindet, ist die Amplitude der beiden sekundären Sinusschwingun­ gen etwa gleich groß, aber um 180° phasenverschoben. Wird der Kern in die eine oder andere Richtung bewegt, so ergibt sich eine Differenzspan­ nung, die direkt proportional der Kernstellung ist. Dabei springt die Phase des Ausgangssignals beim Null-Durchgang um 180°. Eine nachgeschalte­ te Elektronik wandelt die Wechselspannungen der beiden Sekundärspu­ len in eine analoge Ausgangsspannung um. Mit zwei Potentiometern kann die Verstärkung und die Offset-Spannung variiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzige Zeich­ nung näher erläutert.

In einem Werkzeugkopfgehäuse 1 befindet sich eine Fokussierungsoptik 2, beispielsweise eine Einzellinse oder ein Linsensystem, die in einem Lin­ senhalter 3 gelagert ist. Der Linsenhalter 3 ist kreisringförmig ausgebildet und schmiegt sich mit seinem äußeren Umfangsrand an die Innenwand des hohlzylindrisch ausgebildeten Werkzeugkopfgehäuses 1 an. Mit dem Linsenhalter 3 ist an seiner oberen Seite ein Führungszylinder 4 fest ver­ bunden, der die Fokussierungsoptik 2 konzentrisch umgibt. Der Füh­ rungszylinder 4 liegt mit seiner äußeren Umfangsfläche passend in einem Aufnahmezylinder 6, der im Innern des Werkzeugkopfgehäuses 1 konzen­ trisch zu diesem angeordnet und in diesem befestigt ist. Insgesamt sind al­ so die Fokussierungsoptik 2 und der Linsenhalter 3 über den Führungszy­ linder 4 im Aufnahmezylinder 6 gleitend verschiebbar, und zwar in Zylin­ derlängsrichtung des Werkzeugkopfgehäuses 1.

Der ringförmige Raum des zylinderförmig ausgebildeten Werkzeugkopfge­ häuses 1 wird horizontal durch den Linsenhalter 3 unterteilt, wobei das Werkzeugkopfgehäuse 1 stirnseitig im Innern des Aufnahmezylinders 6 of­ fen ist, um den Durchtritt eines Laserstrahls 10 zu ermöglichen. An der Strahlausgangsseite schließt sich in Laserstrahlrichtung eine Düse 11 an. Der Laserstrahl 10 trifft auf ein zu bearbeitendes Werkstück 12, das der Spitze der Düse 11 gegenüberliegt.

Mit der Linsenhalterung 3 ist ferner ein Wegaufnehmer 19 verbunden, der zur Erfassung des Istwerts der Position des Brennpunkts der Fokussie­ rungsoptik 2 relativ zum Werkzeuggehäusekopf 1 dient. Der Wegaufneh­ mer 19 kann z. B. ein LVDT-Aufnehmer sein (Linear-Variable-Difference- Transformator), der eine hohe Auflösung und eine gute Reproduzierbar­ keit aufweist. Ein vom Wegaufnehmer 19 erzeugtes elektrisches Aus­ gangssignal wird über eine Leitung 20 zu einer Regeleinheit 21 übertra­ gen. Diese Regeleinheit 21 erhält über eine elektrische Leitung 22 eine Sollwertvorgabe bezüglich der Position des Brennpunkts der Fokussie­ rungsoptik 2 relativ zum Werkzeugkopfgehäuse 1 und steuert demzufolge einen Piezoantrieb 23, der zum Antrieb der Linsenhalterung 3 dient. Da­ bei wird die Linsenhalterung 3 entsprechend verschoben, um den Istwert an den Sollwert anzupassen. Die genannte Sollwertvorgabe berücksichtigt dabei bereits den Abstand des Werkzeugkopfgehäuses 1 vom Werkstück 12, der dazu vorher mit Hilfe eines nicht dargestellten Sensors z. B. auf ka­ pazitivem Wege gemessen worden ist, welcher sich an der Spitze der Düse 11 befindet. Die Ansteuerung des Piezoantriebs 23 durch die Regeleinheit 21 erfolgt über eine elektrische Leitung 18.

Strahlausgangsseitig im Abstand unterhalb der Fokussierungsoptik 2 bzw. der Linsenhalterung 3 ist ein Schutzglas 24 angeordnet, das das In­ nere des Werkzeugkopfgehäuses 1 in zwei Hälften unterteilt. Die Verbin­ dung zwischen Schutzglas 24 und Innenwandung des Werkzeugkopfge­ häuses 1 ist gasdicht ausgebildet. Die Position des Schutzglases 24 inner­ halb des Werkzeugkopfgehäuses 1 ist so gewählt, daß Linsenhalter 3 bzw. Fokussierungsoptik 2 den vollen Axialhub zur Anpassung der Ist-Position des Brennpunkts der Fokussierungsoptik 2 an einen vorgegebenen Sollwert ausführen können, und zwar mit Hilfe des Piezoantriebs 23. Der unter­ halb des Schutzglases 24 liegende Raum 25 des Werkzeugkopfgehäuses 1 wird mit dem Prozeßgas versorgt, und zwar über den Eingang 14. Dieses Prozeßgas strömt über die Stirnseite des Aufnahmezylinders 7 ins Innere der Düse 11 sowie in Richtung des Werkstücks 12. Der Aufnahmezylinder 7 kann im vorliegenden Fall auch fortgelassen werden. Wichtig ist, daß das Prozeßgas nicht auf die andere Seite des Schutzglases 24 gelangt, wo sich der Linsenhalter 3 und die Fokussierungsoptik 2 befinden. Der Prozeßgas­ druck beeinflußt somit nicht die Verstellung des Linsenhalters 3 mit Hilfe des Piezoantriebs 23, so daß also der Piezoantrieb 23 bei der Bewegung des Linsenhalters 3 nicht gegen den Prozeßgasdruck arbeiten muß. Der Piezoantrieb 23 kann daher relativ leistungsschwach ausgebildet sein.

Claims (3)

1. Werkzeugkopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mit Hilfe eines La­ serstrahls, der eine innerhalb des Werkzeugkopfs angeordnete und von ei­ ner Linsenhalterung getragene Fokussierungsoptik durchläuft, welche nur durch Verschieben der Linsenhalterung mit Hilfe elektrischer Ein­ stellmittel relativ zum Werkzeugkopf in Laserstrahlrichtung positionier­ bar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - strahlausgangsseitig und im Abstand zur Fokussierungsoptik (2) ein Schutzglas (24) angeordnet ist, um den für die Fokussierungsoptik (2) und die Linsenhalterung (3) vorgesehenen Raum gegenüber einem Raum (25) abzudichten, in welchem sich ein für die Bearbeitung des Werkstücks (12) verwendetes Prozeßgas befindet;
• - mit dem Linsenhalter (3) strahleingangsseitig ein Führungszylinder (4) fest verbunden ist, der die Fokussierungsoptik (2) konzentrisch um­ gibt;
• - der Führungszylinder (4) passend in einem Aufnahmezylinder (6) ge­ führt ist, der am Werkzeugkopf befestigt ist; und
• - die elektrischen Einstellmittel durch einen Piezoantrieb gebildet sind.

2. Werkzeugkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mecha­ nisch einstellbare Anschläge für die Linsenhalterung (3) zur Einstellung von Soll-Positionen.

3. Werkzeugkopf nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Arretier­ einrichtungen zum Arretieren der Linsenhalterung (3) an jeweils einem der Anschläge.