-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen fokussierenden Kopf
für eine
Lasermaschine, z. B. eine Laser-Schneide- oder -Schweißmaschine für Metallteile.
-
Normalerweise
umfasst ein Laser-Fokussierkopf einen Basiskörper, der einen Spiegel trägt, der im
Gebrauch einen Laserstrahl entlang einer ersten Achse empfängt und
den Strahl entlang einer zweiten Achse um 90° ablenkt. Eine Fokussierlinse
empfängt den
Laserstrahl entlang der zweiten Achse und sendet einen fokussierten
Laserstrahl durch eine Strahlaustrittsdüse.
-
Bei
Laser-Schneide- und -Schweißmaschinen
ist es oft notwendig, die Lage der fokussierten Fläche des
Laserstrahls bezüglich
des Werkstücks zu
verändern.
Gleichzeitig ist es aus Verfahrensgründen notwendig, den Abstand
zwischen der Laserstrahl-Austrittsdüse und der Oberfläche des
Werkstücks
unverändert
zu halten.
-
Um
den obigen Anforderungen zu entsprechen, sind schon Planschneide-Lasermaschinen
(für sog.
zweidimensionale Anwendungen) konstruiert worden, die einen Fokussierkopf
aufweisen, der mit Mitteln versehen ist, die den Abstand zwischen
der Fokussierfläche
des Laserstrahls und der Strahlaustrittsdüse variieren können. Eine
vom vorliegenden Anmelder gelieferte, bekannte Lösung fasst ins Auge, den Körper des
Kopfes in zwei getrennten Teilen zu fertigen, von denen einer die
Düse und
der andere den Spiegel und die Fokussierlinse trägt. Bei dieser bekannten Lösung wirken
die Mittel zum Ausrichten der Lage der Fokussierfläche des
Laserstrahls derart, dass sie den Abstand zwischen den genannten Teilen
des Körpers
in Austrittsrichtung des Laserstrahls verändern.
-
Die
WO-A-98 33622 offenbart eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1 mit einer mehrachsigen Manipulationsvorrichtung, die ein Teil
entlang einem interpolierten Bewegungssteuerweg bewegt, um zu bewirken,
dass ein stationärer Laserstrahl
von einem Lasergenerator Fenster in das Teil schneidet. Ein Strahlaustrittsgehäuse enthält eine
Linse, die den Laserstrahl konvergiert, und einen Spiegel, der den
Strahl in einen 90°-Schneidewinkel
beugt.
-
Die
US-A-5,059,759 offenbart eine Laserstrahlmaschine mit einem Bearbeitungskopf
zum Anlegen des Laserstrahls an ein auf einem Bearbeitungstisch
befestigtes Werkstück
und eine Steuereinheit zum Steuern der Bewegung des Bearbeitungstisches
in einer x/y-Ebene. Der Laserstrahl ist in Bearbeitungsrichtung
schräg
zum Werkstück
gehalten, wodurch Spananhaftungen am Werkstück bei Erhöhen der Bearbeitungsgeschwindigkeit
unterdrückt werden
und die Bearbeitungsgeschwindigkeit dementsprechend erhöht werden
kann.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines fokussierenden
Kopfes der oben spezifizierten Art, der für Verfahren geeignet ist, die an
dreidimensionalen Teilen ausgeführt
werden (sog. 3D-Anwendungen) und eine verbesserte Struktur hat,
d. h. einfacher und kompakter ist als bei der bekannten Lösung.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe gelöst
durch einen fokussierenden Laserkopf mit den Merkmalen des Anspruches
1.
-
Die
vorliegende Erfindung wird nun im Einzelnen mit Bezug auf die anhängenden
Zeichnungen beschrieben, die rein als nicht einschränkendes
Beispiel bereitgestellt werden, und wobei:
-
1 eine
schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht eines Laser-Fokussierkopfes gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
-
2 ein
Schnitt gemäß der Linie
II-II in 1 ist;
-
3 ein
Schnitt ähnlich
dem der 2 ist, wobei die Hauptbestandteile auseinander
gezogen sind;
-
4 ein
auseinander gezogener Querschnitt des in 3 mit dem
Pfeil IV angedeuteten Teils ist; und
-
5 und 6 jeweils
Querschnitte zur Darstellung einer zweiten Ausführungsform und einer dritten
Ausführungsform
eines fokussierenden Kopfes gemäß der vorliegenden
Erfindung sind.
-
Mit
Bezug auf 1 bezeichnet die Zahl 10 einen
Laser-Fokussierkopf gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Kopf 10 ist so gestaltet, dass er auf an sich bekannte
Weise an ein bewegliches Element 12 einer Lasermaschine
angeschlossen ist. Für
den Fall, dass die Lasermaschine eine Struktur des kartesischen
Typs aufweist, kann das bewegliche Element 12 entlang drei
wechselseitig orthogonalen Richtungen versetzt werden, die in 1 mit
X, Y und Z bezeichnet sind. Der Kopf 10 kann an das bewegliche Element 12 angeschlossen
sein, so dass er um eine Achse A drehen kann, wie durch den Pfeil 14 angedeutet.
-
Der
Kopf 10 umfasst ein Basisteil 16 und einen Körper 18.
Das Basisteil 16 trägt
einen ersten Spiegel 20, der zum Empfang eines Laserstrahls
entlang der Achse A und dessen Ablenkung um 90° entlang einer Achse B ausgelegt
ist. Der Körper 18 ist derart
montiert, dass er bezüglich
des Basisteils 16 um eine Achse B drehen kann. An sich
bekannte Steuermittel (nicht dargestellt) sind zur Steuerung der
Drehbewegung des Körpers 18 um
die Achse B vorgesehen, wie durch den zweiseitigen Pfeil 22 angedeutet.
Der Körper 18 trägt einen
zweiten Spiegel 24, der zum Empfang eines Laserstrahls
entlang der Achse B und dessen Ablenkung um 90° entlang einer Achse F ausgelegt
ist. Die Spiegel 20, 24 sitzen auf bekannte Weise
auf jeweiligen Trägern 26, 28,
die an dem Basisteil 16 bzw. dem Körper 18 befestigt
sind.
-
Mit
Bezug auf 2 und 3 ist eine
Düse 30 derart
am Körper 18 befestigt,
dass sie abgenommen werden kann. In dem in den Figuren dargestellten
Beispiel ist die Düse 30 mit
Platzhaltebolzen 32 versehen, die sich in entsprechende
Löcher
einfügen,
die in dem Körper 18 ausgebildet
sind. Die Düse 30 kann
an dem Körper 18 mittels
Schrauben befestigt sein (nicht dargestellt), die sich in einer
Richtung parallel zur Achse F erstrecken, durch in einem Flansch 34 der
Düse 30 ausgebildete
Löcher
hindurch verlaufen und in jeweils in dem Körper 18 vorgesehene
Gewindebohrungen eingreifen. Die Düse 30 besitzt eine
Durchgangsöffnung 36 an
einer Stelle, an der entsprechend ein Endelement 38 befestigt ist,
das einen kapazitiven Messfühler
umfasst, der in der Lage ist, in Richtung der Strahlaustrittsachse
F den Abstand zwischen einer Stirnfläche 40 des Endelementes 38 und
der Oberfläche
S eines Werkstücks
zu erfassen, die in 2 durch eine Strichlinie angedeutet
ist. In dem Körper 18 ist
eine Linsenträgereinheit 42 derart
befestigt, dass sie sich in Richtung der Achse F bewegen kann. Wie
in 4 dargestellt, umfasst die Linsenträgereinheit 42 vorzugsweise
eine erste Halterung 44, eine Linse 46 und eine zweite
Halterung 48. Die erste Halterung 44 und die zweite
Halterung 48 sind axial aneinander befestigt und halten
die Linse 46 in einem Sitz 50 fest, der in der
ersten Halterung 44 vorgesehen ist. Die Befestigung der
zwei Halterungen 44, 48 aneinander kann z. B.
mittels eines Außengewindes 52 der
zweiten Halterung 48 erreicht werden, das in ein Innengewinde 53 der
ersten Halterung 44 eingreift. In der ersten Halterung 44 ist
vorzugsweise eine Dichtung 41 untergebracht, die auf die
Linse 46 wirkt, um einen gasdichten Kontakt mit der Linse 46 zu
schaffen.
-
Mit
Bezug auf 3 und 4 weist
die Linsenträgereinheit 42 ein
Außengewinde 54 auf,
das z. B. an der ersten Halterung 44 ausgebildet ist und
derart in ein Innengewinde 56 einer von dem Körper 18 getragenen
Spindelmutter 58 eingreift, dass sie um die Achse F drehen
kann. Die Drehbewegung der Spindelmutter 58 wird durch
einen Elektromotor 60 gesteuert, der auf dem Körper 18 sitzt.
In dem in den Figuren dargestellten Beispiel umfasst der Antriebsmechanismus
zwischen dem Motor 60 und der Spindelmutter 58 ein
Getrieberad 62, das auf der Kraftabgabewelle des Motors 60 montiert
ist und mit einer Außenverzahnung 64 der
Spindelmutter 58 kämmt. Es
versteht sich von selbst, dass die durch den Motor 60 gesteuerte
Drehbewegung der Spindelmutter 58 eine Verschiebung der
Linsenträgereinheit 42 entlang
der Achse F herbeiführt.
Diese Verschiebung bewirkt die Annäherung oder den Rückzug der
Linse 46 bezüglich
des Spiegels 24 und verändert
den Abstand zwischen der Fokussierfläche des Laserstrahls und der
Stirnfläche 40 des
Endelementes 38. Diese Einstellung ist vor allem beim Versetzen
der Fokussierfläche
des Laserstrahls bezüglich
des Werkstücks
nützlich,
ohne jedoch den Abstand zwischen der Stirnfläche 40 des Endelementes 38 und
der Oberfläche
S des Teils zu verändern.
-
Die
Düse 30 umfasst
vorzugsweise eine Dichtung 66, die einen gasdichten Kontakt
mit einem rohrförmigen
Abschnitt 68 der Linsenträgereinheit 42 errichtet.
Im Betrieb wird auf an sich bekannte Weise Bearbeitungsgas unter
Druck in eine Kammer 70 der Düse 30 eingeblasen,
das zusammen mit dem Laserstrahl aus einer Öffnung 72 (3)
des Endelementes 38 herauskommt. Das Druckgas erzeugt auf
der Linse 46 eine nach oben gerichtete Kraft. Diese Kraft hängt vom
Druck der Gaszufuhr ab und kann Werte im Bereich von 2700 N erreichen.
Einer der Vorteile der Linsenträgereinheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung liegt darin, dass die Wirkungsweise der Bewegungsübertragung
zur Linsenträgereinheit
unumkehrbar ist. Folglich wird die Kraft, die auf die Linse 46 wirkt,
auf den Körper 18 entladen,
ohne irgendeine Verlagerung der Linsenträgereinheit 42 zu erzeugen.
Die Linsenträgereinheit 42 wird
nur versetzt, wenn ein über
den Motor 60 gesandter positiver Befehl vorhanden ist;
darüber
hinaus verändert
die Abwesenheit einer Elektrizitätsversorgung
des Motors die vorbestehende Position der Linse 46 nicht.
-
Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
die Einstellung der Lage des Brennpunktes des Laserstrahls mittels
einer sehr einfachen Struktur und mit sehr kleinen beweglichen Teilen.
Das System gemäß der vorliegenden
Erfindung ermöglicht
darüber
hinaus auf extrem einfache Art den Ausbau der Linsenträgereinheit 42 (beispielsweise,
um sie gegen eine Linsenträgereinheit
eines anderen Typs auszutauschen). Zum Ausbau der Linsenträgereinheit 42 genügt es eigentlich,
die Schrauben zu lösen,
die die Düse 30 am
Körper 18 befestigen,
die Düse 30 abzunehmen
und dann den Elektromotor 60 in der Richtung anzutreiben,
die eine Verlagerung der Linsenträgereinheit nach unten erzeugt.
Auf diese Weise wird die Linsenträgereinheit 42 spontan
aus dem Körper 18 ausgeworfen,
ohne dass es der Verwendung von Werkzeug bedarf. Der Einbau der
Linsenträgereinheit
ist ebenso einfach, unter der Voraussetzung, dass es ausreicht,
die neue Linsenträgereinheit 42 im Körper 18 zu
positionieren und den Motor 60 in der Richtung anzutreiben,
die eine Verlagerung der Linsenträgereinheit nach oben steuert.
Als Nächstes wird
die Düse 30 montiert
und durch Anziehen der vorgesehenen Schrauben am Körper 18 befestigt.
-
5 bzw. 6 stellen
eine zweite Ausführungsform
und eine dritte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kopfes
dar. Teile, die den zuvor beschriebenen entsprechen, sind mit denselben
Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
In
der Ausführungsform
gemäß 5 ist
die Linsenträgereinheit 42 weitgehend
mit der mit Bezug auf 2 bis 4 beschriebenen
identisch. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Linsenträgereinheit 42 in
diesem Fall zwischen dem ersten Spiegel 20 und dem zweiten
Spiegel 24 angeordnet und bezüglich des Körpers 18 in Richtung
der Achse B beweglich ist.
-
In
der in 6 dargestellten Ausführungsform trägt das Basisteil 16 eine
Laufbuchse 74, die um die Achse B drehen kann und durch
einen Direktmotor 76 gesteuert ist. Der den zweiten Spiegel 24 tragende
Körper 18 ist
bezüglich
der Laufbuchse 74 in einer geradlinigen Richtung beweglich,
die mit der Achse B zusammenfällt.
Wegen der Drehbewegungen um die Achse B sind der Körper 18 und
die Laufbuchse 74 einteilig. Ein zweiter Direktmotor 78 steuert
die Bewegung des Körpers 18 in
der mit dem doppelseitigen Pfeil 80 angedeuteten Richtung.
Die Struktur des in 6 dargestellten Kopfes ist in
der vom vorliegenden Anmelder eingereichten italienischen Patentanmeldung
TO2000A000252 im Einzelnen beschrieben. In der in 6 dargestellten
Ausführungsform
ist die Fokussierlinse 46 bezüglich der Laufbuchse 74 befestigt.
Die Bewegung des zweiten Spiegels 24 in der mit dem Pfeil 80 angedeuteten Richtung
macht es möglich,
die Lage der Fokussierfläche
des Laserstrahls bezüglich
der Strahlaustrittsdüse
auf eine Weise zu verändern,
die dem gleicht, was durch Bewegen der Linse bezüglich des Spiegels erhalten
wird.