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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen operativen Kopf für eine Lasermaschine.
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Operative
Köpfe,
die ein zur Montage an einem beweglichen Tragelement der Maschine
zur Drehbewegung um eine erste Achse bestimmtes Basisteil, einen
an dem Basisteil zur Drehbewegung um eine zweite Achse rechtwinklig
zu der ersten Achse montierten Drehkörper und einen von dem Drehkörper gehaltenen
Endkörper
umfassen, sind bereits bekannt. Das Basisteil trägt einen ersten Spiegel, der
im Einsatz einen Laserstrahl entlang der ersten Achse empfängt und
den Strahl entlang einer zweite Achse ablenkt, die mit der Rotationsachse
des Drehkörpers zusammenfällt. Der
Drehkörper
weist einen zweiten Spiegel auf, der den Laserstrahl entlang der
zweiten Achse empfängt
und den Strahl entlang einer dritten Achse zu einer Fokussierlinse
und einer Enddüse
hin ablenkt.
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In
einem Kopf dieser Art, der von demselben Anmelder hergestellt wird,
ist der Endkörper
bezüglich
des Drehkörpers
entlang einer geraden Richtung parallel zur Richtung des aus dem
Kopf austretenden Laserstrahls beweglich. Diese Bewegung des Endkörpers ermöglicht die
Konstanthaltung des Abstands zwischen der Düse und der Teileoberfläche.
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Normalerweise
wird das Basisteil des operativen Kopfes von einem beweglichen Element
mit zwei oder drei Freiheitsgraden gehalten, die typischerweise
durch eindimensionale Parallelverschiebungsbewegungen entlang zwei
oder drei Achsen gebildet sind, die rechtwinklig zueinander sind
und die Hauptachsen der Maschine bilden.
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Maschinen,
die mit operativen Köpfen
des oben spezifizierten Typs versehen sind, weisen bei der Ausführung von
Arbeitsmustern mit kleinen Abmessungen eine niedrige Arbeitsgeschwindigkeit auf.
Um den Laserstrahl entlang einer zweidimensionalen Bahn zu bewegen,
die in einen kleinen Kreis eingeschlossen ist (z. B. mit einem Radius
kleiner als 20 mm), ist es bei einem bekannten operativen Kopf im
Allgemeinen tatsächlich
erforderlich, die Hauptachsen der Maschine zu verschieben und dadurch große Massen
zu bewegen. Dies beschränkt
die Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine, weil die Beschleunigungen,
die erhalten werden können,
umgekehrt proportional zu der Masse sind, die bewegt werden muss.
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In
YAG-Lasermaschinen sind verschiedene Lösungen bekannt, die eine Bewegung
des Endkörpers
in einem Feld mit kleinen Abmessungen ermöglicht, ohne die Hauptachsen
der Maschine zu verschieben. Diese Lösungen können nicht leicht an Lasermaschinen
angepasst werden, in denen der Strahl mittels einer Vielzahl von
Spiegeln entlang einem Strahlengang geführt wird. Tatsächlich beschränkt das
optische Übertragungssystem
des Laserstrahls in diesem Fall die Bewegungsmöglichkeit des Endkörpers und
bringt erhebliche Schwierigkeiten und hohe Gesamtabmessungen und
Kosten mit sich.
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Das
Dokument US-A-4 892 992 offenbart einen Laserroboter mit einem ortsfesten
Basisteil, das einen ersten Spiegel 22 trägt, der
einen Laserstrahl entlang einer ersten Achse aufnimmt und den Laserstrahl
entlang einer zweiten Achse 34 ablenkt. Ein Armträger 36 ist
um die zweite Achse 34 drehbar am Basisteil gelagert. Ein
zweiter Spiegel 45 lenkt den Laserstrahl entlang einer
dritten Achse 52 ab. Ein Arm 54 ist zur Fortschreitungsbewegung
entlang der dritten Achse 52 montiert. Der Arm 54 trägt eine
optische Fokussieranordnung 64, die einen Zweiachsen-Gelenkmechanismus
mit einem dritten Spiegel 68 einschließt.
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Die
Lösung
gemäß Anspruch
1 hebt sich vom Stand der Technik der US-A-4 892 992 dadurch ab,
dass der Endkörper 58 nach
Anspruch 1 bezüglich
des Drehkörpers
entlang einer geraden Richtung parallel zu der zweiten Achse beweglich
ist, welche die Rotationsachse des Drehkörpers ist. Ferner führt Anspruch
1 an, dass der Endkörper
die Austrittsdüse für den Austritt
eines fokussierten Laserstrahls entlang der dritten Achse trägt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
einfachen und preisgünstigen
operativen Kopfes, der die Bewegung eines Spiegel-geführten Laserstrahls
mit hoher Geschwindigkeit entlang zweidimensionalen Bahnen mit kleinen
Abmessungen ermöglicht,
ohne die Hauptachsen der Maschine zu verschieben.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe gelöst
durch einen operativen Kopf mit den Merkmalen, die den Gegenstand
des Hauptanspruchs bilden.
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Der
operative Kopf gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst einen Endkörper,
der bezüglich des
Drehkörpers
entlang einer geraden Richtung parallel zur Rotationsachse des Drehkörpers beweglich ist.
Mit dieser Geometrie ist es möglich,
den Laserstrahl entlang jeder beliebigen zweidimensionalen Bahn
mit kleinen Abmessungen zu bewegen, indem die Drehbewegung des Drehkörpers und
die fortschreitende Bewegung des Endkörpers miteinander kombiniert
werden. Die optimalen Arbeitsgeschwindigkeiten sind sehr hoch, da
die Massen des Endkörpers
und des Drehkörpers
sehr klein sind, verglichen mit den Massen der Elemente, die in
Bewegung gebracht werden, wenn die Hauptachsen der Maschine betätigt werden.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bildet der Endkörper zusammen mit einem Verbindungselement
eine selbständige
Einheit, die vom Drehkörper abnehmbar
und auswechselbar ist. Dieses Merkmal ermöglicht eine individuelle Anpassung
der Lasermaschine im Hinblick auf die Art von Arbeit, die ausgeführt werden muss.
Durch einfaches Ersetzen des Endkörpers durch einen mit unterschiedlicher
Beschaffenheit kann der Laserkopf leicht zur Ausführung unterschiedlicher
Operationen angepasst werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Verlauf der folgenden
detaillierten Beschreibung deutlich werden, die rein als nicht beschränkendes
Beispiel mit Bezug auf die anhängenden
Zeichnungen gegeben wird, wobei:
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1 eine schematische Perspektivansicht eines
operativen Kopfes gemäß der vorliegenden
Erfindung ist,
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2 eine Seitenansicht entlang
dem Pfeil II in 1 ist,
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3 ein Teilquerschnitt entlang
der Linie III-III in 2 ist,
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4 eine teilweise auseinander
gezogene Perspektivansicht des operativen Kopfes gemäß 1 ist, und
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5 ein Schnitt entlang der
Linie V-V in 2 ist.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen bezeichnet 10 einen operativen
Kopf für
eine Lasermaschine (nicht gezeigt). Der Kopf 10 umfasst
ein Basisteil 12, das zur Montage an einem beweglichen
Tragelement (nicht gezeigt) der Lasermaschine bestimmt ist. Im Falle
von Maschinen mit drei Achsen könnte das
Basisteil 12 an einem Schlitten befestigt sein, der entlang
zwei Horizontalachsen x, y und entlang einer Vertikalachse z beweglich
ist. Alternativ dazu kann das Basisteil 12 in Maschinen
mit fünf
Achsen zur Drehbewegung um eine Vertikalachse 14 am unteren Ende
einer vertikal beweglichen Tragsäule
montiert sein, die ihrerseits durch einen Schlitten gehalten ist, der
entlang zwei zueinander rechtwinkligen Horizontalachsen beweglich
ist.
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Das
Tragelement der Lasermaschine, welches das Basisteil 12 trägt, ist
mit einem numerisch gesteuerten Motor eines an sich bekannten Typs
versehen, der den operativen Kopf 10 um die Achse 14 dreht.
Wie in 3 gezeigt, trägt das Basisteil 12 einen
ersten Spiegel 16 mit einer Reflexionsfläche 18, die
einen Winkel von 45° mit
der Rotationsachse 14 bildet. Im Einsatz empfängt der
Spiegel 16 einen Laserstrahl entlang der Achse 14 und
lenkt den Strahl entlang einer Achse 20 um 90° ab.
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Das
Basisteil 12 trägt
einen Drehkörper 22, der
um eine Achse rotieren kann, die mit der Achse 20 des von
dem ersten Spiegel 16 abgelenkten Laserstrahls zusammenfällt. Der
Drehkörper 12 ist
an einem Kronenrad 24 befestigt, das mit einem Getrieberad 26 kämmt, das
an die Welle 28 eines numerisch gesteuerten Motors 30 angeschlossen
ist, der entweder von dem Basisteil 12 oder dem überhängenden
Tragelement (Schlitten oder Tragsäule) gehalten wird. Der Drehkörper 22 ist
mittels eines Rollenlagers 32 an das Basisteil 12 angeschlossen
und weist eine Durchgangsöffnung 34 auf,
durch die der Laserstrahl im Einsatz verläuft. Wie in 3 und 5 gezeigt,
weist der Drehkörper 22 ferner
einen rohrförmigen
Abschnitt 36 mit einer äußeren Zylinderfläche 38 auf,
auf der eine V-förmige Ringnut 40 ausgebildet ist.
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Ein
Verbindungselement 42 ist abnehmbar an dem rohrförmigen Abschnitt 36 des
Drehkörpers 22 montiert,
wobei das Verbindungselement einen Ringkörper 43 mit einer
inneren Zylinderfläche 44 aufweist,
die verschiebbar auf der äußeren Zylinderfläche 38 des
rohrförmigen
Abschnitts 36 gelagert ist. Der Ringkörper 43 besitzt eine
ebene Stirnfläche 46, die
auf eine an dem Drehkörper 22 befestigte
Bezugsplatte 48 trifft. Das Verbindungselement 42 ist mit
zwei oder mehr radialen Gewindebohrungen 50 versehen, in
die jeweilige Schrauben 52 eingesetzt sind, die an der
V-förmigen
Nut 40 des Drehkörpers 22 angreifen.
Das Verbindungselement 42 kann leicht vom Drehkörper 22 abgenommen
werden. Zum Abnehmen des Drehkörpers
genügt
es, die Schrauben 22 zu lösen und das Verbindungselement 42 axial
aus dem rohrförmigen
Abschnitt 36 herauszuziehen.
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Das
Verbindungselement 42 trägt ein Paar zylindrische Führungselemente 54 und
ein Zahnstangenelement 56, die an dem Ringkörper 43 befestigt sind.
Die Führungselemente 54 und
das Zahnstangenelement 56 erstrecken sich parallel zur
Achse 20 und stehen von dem Ringkörper 43 axial vor.
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Ein
Endkörper 58 ist
auf dem Führungselement 54 verschiebbar
gelagert und in einer Richtung parallel zur Achse 20 beweglich.
Der Endkörper 58 trägt ein Zahnrad 60,
das an dem Zahnstangenelement 56 angreift. Das Zahnrad 60 wird
durch einen numerisch gesteuerten Motor 62 angetrieben,
der von dem Endkörper 58 gehalten
wird.
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Der
Endkörper 58 trägt einen
zweiten Spiegel 64 mit einer Reflexionsfläche 66,
die einen Winkel von 45° bezüglich der
Achse 20 bildet. Im Einsatz empfängt der Spiegel 64 einen
Laserstrahl entlang der Achse 20 und lenkt den Laserstrahl
entlang einer dritten Achse 68 ab. Der Endkörper 58 trägt auf eine im
Allgemeinen an sich bekannte Art ein Fokussierlinse (nicht gezeigt),
die den fokussierten Laserstrahl zu einer Austrittsdüse 60 hinlenkt.
Der Endkörper 58 ist
mittels Schnellanschlusskupplungen 74 an einen oder mehr
elastische Schläuche 72 angeschlossen. Die
Schläuche 72 versorgen
die Düse 70 im
Einsatz auf eine an sich bekannte Art mit einem Gasstrom.
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Ein
elastischer Schutzbalg 76 ist zwischen dem Verbindungselement 42 und
dem Endkörper 58 angeordnet
und umgibt eine Zone zwischen diesen zwei Elementen, durch die im
Einsatz der Laserstrahl verläuft.
Im Einsatz kann der aus dem Endkörper 58 austretende
Laserstrahl auf jeden beliebigen Punkt eines Arbeitsbereiches mit
kleinen Abmessungen gerichtet werden, ohne die Hauptachsen der Maschine zu
verschieben. Nach Positionieren und Ausrichten des Kopfes 10 in
einer vorbestimmten Arbeitszone durch Verschieben der Hauptachsen
der Maschine und durch Winkelausrichtung der Ausgangsachse des Laserstrahls
entlang der gewünschten
Richtung kann das Basisteil 12 ortsfest gehalten und der
Laserstrahl durch Steuern der Drehbewegung des beweglichen Körpers 22 um
die Achse 20 und der fortschreitenden Bewegung des Endkörpers 58 in
eine Richtung parallel zur Achse 20 entlang einer allgemeinen
zweidimensionalen Bahn mit kleinen Abmessungen bewegt werden. Die
Motoren 30 und 62, die jeweils die Drehbewegung
des Körpers 22 und
die fortschreitende Bewegung des Endkörpers 58 steuern,
werden durch einen Computer gesteuert, der zur Generierung des gewünschten
Weges des Laserstrahls durch Kombinieren der Drehbewegung und der
fortschreitenden Bewegung des Endkörpers 58 programmiert
ist.
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Ein
besonders vorteilhafter Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht
darin, dass der Endkörper 58 und
das Verbindungselement 42 eine selbständige Einheit bilden, die leicht
vom übrigen
Teil des Kopfes 10 abgenommen werden kann. Diese Merkmale machen
die Lasermaschine sehr vielseitig, weil die Maschine für Spezialoperationen
eingerichtet werden kann, indem nur das Endteil ersetzt wird. Insbesondere
ist eine mit einem Endkörper 58 gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgerüstete
Lasermaschine neben normalen Schneide- und Lötoperationen, die durch Verschieben
der Hauptachsen der Maschine ausgeführt werden, z. B. besonders
geeignet, eine Vielzahl von kleinen Löchern oder Schlitzen mit hoher
Geschwindigkeit auszuführen.