DE4241592C1 - Anordnung zur veraenderung der geometrischen gestalt eines lichtbuendels mit spiegeln - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Veränderung der Querschnittsform
und Intensitätsverteilung eines Lichtbündels nach
dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der
DE-OS 30 13 163 als bekannt hervorgeht.
Dort wird ein aus Facetten zusammengesetzter Spiegel beschrieben,
bei dem die Richtung der Flächennormalen jeder einzelnen
Facette mittels Stellgliedern beeinflußt werden kann. Ein einfallendes
Lichtbündel, das auf eine Vielzahl von Facetten
trifft, wird somit in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufgeteilt.
Durch geeignete Justierung der relativen Lage der Facetten
zueinander wird in einer Arbeitsebene die gewünschte
Form des Strahlquerschnittes und Intensitätsverteilung eingestellt.
Dabei hängt die gewünschte Form des Strahles von der
Anwendung ab. Da es nicht einfach ist die Justierung durchzuführen,
bedarf es dazu entsprechend qualifizierten Bedienpersonals.
Desweiteren ist die Einstellung sehr sensibel gegenüber
Umwelteinflüssen wie beispielsweise Temperaturänderungen und
Vibrationen. Daraus resultiert eine große Störanfälligkeit,
zumindest aber eine schwankende Bearbeitungsqualität, wenn ein
Einsatz unter den Bedingungen, wie sie in der Serienfertigung
herrschen, erfolgt. Im übrigen sind solche Spiegel in der Anschaffung
sehr teuer.
In der Dissertationsschrift D. Burger, "Beitrag zur Optimierung
des Laserhärtens", Institut für Strahlwerkzeuge der Universität
Stuttgart, 1988, insbesondere S. 120-124, wird die zum Oberflächenhärten
mit Laserstrahlen optimale Intensitätsverteilung
des einfallenden Lichts beschrieben. Die Lichtintensität sollte
an der vorauslaufenden Frontseite des Strahlquerschnittes sehr
hoch sein, um die Temperaturerhöhung im Werkstück so schnell
wie möglich zu erreichen. Ist sie einmal erreicht, reicht es
aus, die Verluste - beispielsweise durch Wärmeleitung - zu kompensieren,
wozu eine geringere Lichtintensität genügt. Dabei
hängt das optimale Verhältnis zwischen der hohen Anfangsintensität
und der niedereren Arbeitsintensität von der Vorschubgeschwindigkeit
des Werkstückes ab. Bei hoher Vorschubgeschwindigkeit
ist der optimale Quotient aus der Anfangsintensität und
der Arbeitsintensität geringer als bei einer langsameren Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Wegen der Energieverluste am seitlich
liegenden Rand der Bearbeitungszone in die danebenliegenden
Bereiche des Werkstückes ist es weiterhin von Vorteil dort die
Intensität im Strahl leicht zu erhöhen. Zur Erzeugung einer von
einer Gaußkurve abweichenden Intensitätsverteilung ist es allgemein
üblich das einfallende Lichtbündel mittels eines Facettenspiegels
in Teilstrahlen zu zerteilen und so auf die Arbeitsfläche
zu lenken, daß sie sich zu der gewünschten Intensitätsverteilung
ergänzen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Oberflächenhärten
von Werkstücken mit Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen,
unter Verwendung eines gattungsgemäß zugrundegelegten
Facettenspiegels dahingehend zu verbessern, daß die Anpassung
des Intensitätsverhältnisses von Anfangsintensität zu Arbeitsintensität
für unterschiedliche Bearbeitungsgeschwindigkeiten
ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Facettenspiegels
erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst.
Der Facettenspiegel ist in Bereiche aufgeteilt, von denen jeder
einen Teilbereich des auf der Werkstückoberfläche zu erzeugenden
Lichtflecks erzeugt. Die Intensitätsverteilung wird durch
die Intensität des auf den entsprechenden Bereich des Facettenspiegels
einfallenden Lichts bestimmt. Dies wird dadurch geregelt,
daß man das einfallende Licht über wenigstens einen gesteuert
schwenkbaren Spiegel auf den Facettenspiegel lenkt.
Durch die Stellung dieses Spiegels werden die auf die verschiedenen
Bereiche des Facettenspiegels gelenkten Anteile des Lichtbündels
bestimmt und somit die Einstellbarkeit des Intensitätsverhältnisses
erzielt.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen
entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand
der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele nachfolgend
noch erläutert; dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise des
erfindungsgemäßen Facettenspiegels,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung und
Fig. 3 die Anordnung der Spiegel in einer vereinfachten
Ausführungsform.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Wirkungsweise
des Facettenspiegels 10. Der Facettenspiegel 10 ist in
die Bereiche 12 und 13 unterteilt, die jeweils aus mehreren
Facetten 11 gebildet werden. Das in beide Bereiche 12, 13 einfallende
Lichtbündel 3 wird auf das Werkstück 9 projiziert. Der
auf den Bereich 12 des Facettenspiegels fallende Teil des Lichtbündels
3 erzeugt den Lichtfleck 15, der, wie in dem Intensitätsdiagramm
dargestellt, eine konstante Lichtintensität I₁
aufweist. In dem Teilbereich 17, der einen Teilbereich des
Lichtflecks 15 umfaßt, herrscht eine größere Lichtintensität
I₂, da die im Vergleich zu den Facetten 11 des Bereiches 12
kleineren Facetten 11 des Bereiches 13 das einfallende Licht
auf den kleineren Teilbereich 17 des Lichtfleckes 15 projizieren.
Dabei können sowohl die einzelnen Facetten 11, jede für
sich gesehen, als auch der Facettenspiegel an sich eine zylindrisch
oder sphärisch konkave Oberfläche aufweisen und somit
das Licht auf eine geringere Fläche des Werkstückes 9 projizieren.
Um eine Intensitätsverteilung, wie sie in der oben angegebenen
Dissertationsschrift als optimal dargestellt ist, an
der Werkstückoberfläche zu erzielen ist es notwendig den Facettenspiegel
in vier Bereiche zu unterteilen. Der größte Bereich
dient der Erzeugung einer gleichmäßigen Lichtintensität über
den gesamten Lichtfleck. Der zweite Bereich dient der Erzeugung
einer größeren Intensität an der in Bearbeitungsrichtung vorderen
Stirnkante des Lichtflecks. Die beiden anderen Bereiche
dienen einer leicht vergrößerten Intensität an den Seitenkanten
des Lichtflecks. In einer vereinfachten Ausführung reicht es
aber aus, den Facettenspiegel in zwei Bereiche zu unterteilen.
Die erhöhte Lichtintensität an den seitlichen Randbereichen des
Lichtflecks entfällt dann.
In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Anordnung dargestellt. In dieser Anordnung wird die Verteilung
des einfallenden Lichtbündels 3 auf den Facettenspiegel
10 über zwei schwenkbare Spiegel 1, 2 gesteuert. Die Anordnung
von zwei um die Achse 4 bzw. 5 schwenkbaren Spiegeln 1, 2 vor
dem Facettenspiegel 10 erlaubt es, die Einfallsrichtung des
Lichtbündels konstant zu halten und nur den Einfallsort des
Lichtbündels auf den Facettenspiegel zu verändern. Durch die
Veränderung des Einfallsortes des Lichtbündels auf den Facettenspiegel
10 wird die Lichtintensität des auf die verschiedenen
Bereiche 12, 13 des Facettenspiegels 10 einfallenden Lichtes
variiert. Dadurch ist eine stufenlose Einstellung der Intensitätsverteilung
zwischen den Teilbereichen 16 und 17 möglich.
Durch die feststehende Anordnung des Facettenspiegels wird die
Lage des Lichtflecks sowie der Einfallswinkel des Lichts auf
das Werkstück nicht verändert. Die Parallelverschiebung des
einfallenden Lichtbündels 3 kann dabei in einfacher Weise präzise
und reproduzierbar über ein an den beiden Spiegeln 1, 2 angreifendes
Parallelogrammgetriebe erfolgen. Damit das Lichtbündel
3 in eine ausreichende Anzahl von nicht zu kleinen
Facetten 11 einfällt ist es günstig, vor den Spiegeln 1, 2 eine Eingangsoptik
20 anzuordnen, die das Lichtbündel 3 aufweitet. Auf
diese Weise ist sichergestellt, daß die Inhomogenitäten des
Lichtbündels 3 hinreichend gut ausgemittelt werden. Dabei ist
zu beachten, daß zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung
aus dem ursprünglichen Lichtbündel 3, in dem Lichtfleck Strahlen
von einer Mindestanzahl von Facetten 11 überlagert werden.
Dies sollten mindestens neun, vorzugsweise aber sechzehn rechteckige
oder quadratische Facetten 11 sein. Die Kantenlängen
ergeben sich aus der gestellten Härteaufgabe und liegen typischerweise
zwischen 5 und 40 mm. Bei Facetten 11 mit größerer
Kantenlänge ist das Ausrichten der Facetten 11 und die Anbringung
an einen Träger einfacher.
In der Fig. 3 ist die Spiegelanordnung einer vereinfachten
Ausführungsform dargestellt. Dabei wird ein Umlenkspiegel eingespart,
in dem man den Facettenspiegel 10 um die Achse 14
schwenkbar lagert. Die Schwenkachse 14 des Facettenspiegels ist
parallel zu der Schwenkachse 4 des Spiegels 1. Der Schwenkantrieb
der beiden Spiegel kann ebenfalls über ein Parallelogrammgetriebe
erfolgen. Bei dieser Ausführung ändert sich der
Einfallswinkel der Lichtstrahlen auf das Werkstück, wenn eine
Neueinstellung der Intensitätsverteilung erfolgt. In einer einfachsten
Ausführungsform wäre es auch möglich nur einen
schwenkbaren Spiegel vor dem Facettenspiegel anzuordnen und die
Verteilung des Lichtbündels 3 durch den Lichteinfallswinkel auf
den Facettenspiegel 10 zu regeln. Dies führt zu den gewünschten
Veränderungen der Strahlgeometrie auf der Facettenspiegelung
und zu einer Veränderung der Lage und des Einfallswinkels des
Lichtfleckes auf dem Werkstück.
Claims (6)
1. Anordnung zur Veränderung der Querschnittsform und der Intensitätsverteilung
eines Lichtbündels (3) mittels eines Facettenspiegels
(10), der das veränderte Lichtbündel als Lichtfleck
(15) mit vorbestimmter Intensitätsverteilung auf eine Arbeitsebene
projiziert, wobei das umzuformende Lichtbündel (3) auf
mehrere Facetten (11) fällt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Facettenspiegel (10) in Bereiche (12, 13) mit jeweils
mehreren Facetten (11) unterteilt ist, wobei die Facetten (11)
jeweils eines Bereiches (16 bzw. 17) identisch und so ausgerichtet
sind, daß die von ihnen reflektierten Lichtbündelsegmente
in einen Teilbereich der Arbeitsebene projiziert werden
und die Teilbereiche (16, 17) sich zu dem zusammenhängenden
Lichtfleck (15) ergänzen, ferner daß wenigstens ein weiterer,
den Einfall des Lichtbündels auf den Facettenspiegel (10) beeinflussender
Spiegel (1) angeordnet ist, welcher von einer
Steuerung geregelt um eine senkrecht zur Einfallsrichtung des
Lichtbündels und in der Ebene des Spiegels verlaufende Achse
(4) schwenkbar angeordnet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei den Lichteinfall auf den Facettenspiegel (10) beeinflussende
Spiegel (1, 2) so angebracht sind, daß sie um zueinander
parallele, jeweils senkrecht zur Einfallsrichtung des
Lichtbündels und in der Ebene des jeweiligen Spiegels verlaufende
Achsen (4, 5) schwenkbar sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verschwenken der den Lichteinfall auf den Facettenspiegel
(10) regelnde Spiegel (1, 2) über ein Parallelgetriebe gekoppelt,
in gegensinniger Rotationsrichtung erfolgt.
4. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bereiche (12, 13) durch geradlinig verlaufende Stoßkanten
benachbarter Facetten (11) begrenzt sind.
5. Anordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Facettenspiegel (10) in zwei sich durch die Größe der
Facetten (11) unterscheidende Bereiche (12, 13) aufgeteilt ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Facettenspiegel (10) als letztes optisches Element vor dem
Werkstück (9) angeordnet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4241592A DE4241592C1 (de) | 1992-12-10 | 1992-12-10 | Anordnung zur veraenderung der geometrischen gestalt eines lichtbuendels mit spiegeln |
Applications Claiming Priority (1)
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DE4241592A DE4241592C1 (de) | 1992-12-10 | 1992-12-10 | Anordnung zur veraenderung der geometrischen gestalt eines lichtbuendels mit spiegeln |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4241592C1 true DE4241592C1 (de) | 1993-11-04 |
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ID=6474869
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4241592A Expired - Fee Related DE4241592C1 (de) | 1992-12-10 | 1992-12-10 | Anordnung zur veraenderung der geometrischen gestalt eines lichtbuendels mit spiegeln |
Country Status (1)
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---|---|
DE (1) | DE4241592C1 (de) |
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- 1992-12-10 DE DE4241592A patent/DE4241592C1/de not_active Expired - Fee Related
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