DE9215587U1 - Materialbearbeitungslaser - Google Patents

Description

Materialbearbeitungslaser

Die Erfindung betrifft einen Materialbearbeitungslaser zur Bearbeitung eines Werkstücks, mit einer Laserquelle zum Abstrahlen eines Laserstrahls und einem im Strahlengang des abgestrahlten Laserstrahls angeordneten, den Laserstrahl auf das Werkstück fokussierenden Optikteil an einer angetrieben verstellbaren Halterung.

Ein derartiger Materialbearbeitungslaser ist beispielsweise aus der US-PS 4 969 722 bekannt, bei dem die Halterung mit einer Fokussierlinse in einem Bohrbearbeitungskopf um eine erste Achse, die exzentrisch zu der optischen Achse parallel zu dieser verläuft, und um eine zweite Achse angetrieben drehbar ist, die ebenfalls exzentrisch zu der optischen Achse und im Abstand von der ersten Achse parallel zu dieser verläuft. Als Antriebe werden Elektromotoren und Zahnradgetriebe verwendet. Durch die Drehbarkeit um die erste Achse beschreibt der Brennfleck des fokusssierten Laserstrahles auf dem Werkstück einen Kreis, dessen Durchmesser durch das Drehen der Halterung mit der Linse um die zweite Achse geändert werden kann.

Durch die Erfindung wird das Problem gelöst, wie ein Materialbearbeitungslaser der eingangs erwähnten Art derart gestaltet werden kann, daß eine möglichst flexible und vielseitige Laserbearbeitung möglich ist.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als Antrieb der Halterung ein elektromagnetischer Koordinatenstellantrieb

vorgesehen ist, von dem die Halterung mit dem fokussierenden Optikteil in zwei Koordinatenrichtungen in einer Ebene parallel zur Bearbeitungsebene koordinatengesteuert verstellbar ist, wobei wenigstens eine der Stellrichtungen gerade ist. 35

Bei den erfindungsgemäß vorgesehenen Koordinatensystemen als Bezugssysteme für die Bewegung des fokussierenden Optikteils und damit des Laserstrahlbrennflecks relativ zu dem Werkstück

handelt es sich um ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Polarkoordinatensystem. Die Koordinatensteuerung kann insbesondere auch frei programmierbar ausgeführt sein. Die Erfindung ermöglicht somit eine frei wählbare Führung des Laserstrahlbrennflecks, sei es zum Trennen, Bohren, Schweißen, Löten und/oder insbesondere Beschriften des bearbeiteten Werkstücks durch Gravieren bei hoher Bearbeitungsgenauigkeit und -geschwindigkeit.

Ein erfindungsgemäßer Koordinatenstellantrieb einer Laserbearbeitungsoptik läßt sich in herkömmliche oder auch in bestehende Laserbearbeitungsanlagen einbeziehen. So kann beispielsweise bei Einbeziehung in einen an sich stationären Fokussierkopf bzw. in eine an sich stationäre Bearbeitungsoptik durch Bewegen derselben zusätzlich zu der Normalbearbeitung eine Feinbearbeitung, z.B. eine Beschriftung, in einem kleinen Feld durchgeführt werden, ohne daß die in der Regel schweren mechanischen Achsen der Anlage bewegt werden müssen. Man erreicht dadurch einerseits eine Beschleunigung des Arbeitsablaufes und erhält andererseits die Möglichkeit, beispielsweise bereits herausgetrennte Blechteile auf derselben Anlage zu beschriften.

Es ist jedoch auch möglich, die Erfindung in einem eigenständigen Materialbearbeitungslaser, z.B. zum Beschriften, zu verwenden, wodurch sich eine sehr einfache und preisgünstige Vorrichtung ergeben kann, die bei kleiner Baugröße auf einem kleinen bis mittleren Feld mit mittleren Geschwindigkeiten effektiv eingesetzt werden kann. Durch eine geeignete Anordnung kann auch ein bewegtes Werkstück bearbeitet werden.

Das fokussierende Optikteil kann mit dem auf dieses auftreffenden Laserstrahl mitbewegt sein, so daß es diesen fokussiert, ohne jedoch den Austrittsstrahl relativ zu dem Optikteil während dessen Bewegung abzulenken. In vielen Fällen jedoch wird es erfindungsgemäß vorgezogen, daß das Optikteil als den Laserstrahl ablenkende, relativ zu diesem verstellbare Ablenkoptik ausgebildet ist. Hierbei wird durch die Bewegung

des Optikteils relativ zu dem auf dieses auftreffenden Eintrittslaserstrahl der fokussierte Austrittslaserstrahl relativ zu dem Optikteil ggf. mit sich änderdem Ablenkwinkel bewegt.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind wie folgt:

In einer ersten Ausführungsform ist das Optikteil eine optische Linse, die von dem Koordinatenstellantrieb gemeinsam mit einem den Laserstrahl um 90° zu der Linse umlenkenden Umlenkspiegel verstellbar ist, wobei die eine Stellrichtung parallel zu dem auf den Umlenkspiegel auftreffenden Eintrittslaserstrahl, und die andere Stellrichtung senkrecht zu der Einfallsebene des Laserstrahls verläuft. In einer zweiten Ausführungsform ist das Optikteil ein den Eintrittslaserstrahl um 90° umlenkender Fokussierspiegel, wobei die eine Stellrichtung des Koordinatenstellantriebs parallel zu dem auf den Fokussierspiegel auftreffenden Eintrittslaserstrahl, und die andere Stellrichtung senkrecht zu der Einfallsebene des Laserstrahls verläuft. In einer dritten Ausführungsform ist das Optikteil ein den Eintrittslaserstrahl umlenkender und fokussierender Off-Axis-Parabolspiegel, dessen Achse parallel zu dem auf den Parabolspiegel auftreffenden Eintrittslaserstrahl verläuft, wobei die eine Stellrichtung des Koordinatenstellantriebs parallel zu dem auf den Parabolspiegel auftreffenden Eintrittslaserstrahl, und die andere Stellrichtung senkrecht zu der Einfallsebene des Laserstrahls verläuft.

In all diesen drei Ausführungsformen erfolgt bei Ausführung des Optikteils als Ablenkoptik die Relativbewegung des betreffenden Optikteils gegenüber dem auf dieses auftreffenden Eintrittslaserstrahl nur in der einen Stellrichtung des Koordinatenstellantriebs, die in dessen Stellebene senkrecht zu dem Einfallsebene des Laserstrahls verläuft, wohingegen in der anderen, parallel zum Eintrittslaserstrahl verlaufenden Stellrichtung des Koordinatenstellantriebs eine solche Relativbewegung nicht vorliegt. Daher ist die Größe des

Stellwegs in der einen Stellrichtung des Koordinatenstellantriebs nicht durch die Abmessungen des Optikteils begrenzt, so daß das Optikteil in dieser Stellrichtung einer Vorschubbewegung des Werkstücks in dieser Richtung folgen kann und dabei auch noch eine Relativbewegung gegenüber dem Werkstück in dieser Stellrichtung ausführen kann. Es ist hierbei jedoch auch möglich, den Koordinatenstellantrieb mit dem Optikteil auf dem Schlittenteil eines gesonderten Linearstellantriebes anzuordnen, dessen Stellrichtung parallel zu dem Eintrittslaserstrahl und der Richtung der Vorschubbewegung des Werkstücks verläuft. In der anderen, senkrecht zu der Einfallsebene des Laserstrahls verlaufenden Stellrichtung des Optikteils hingegen stellt die Größe des Aperturbereichs des Optikteils weiterhin die Begrenzung für die Größe des Stellweges des Koordinatenstellantriebs dar.

Außerdem kann bei diesen drei Ausführungsformen aus den genannten Gründen heraus das Optikteil - und bei der ersten Ausführungsform auch der Umlenkspiegel - streifenförmig mit sich senkrecht zu der Einfallsebene des Laserstrahls erstreckender Längsrichtung ausgebildet werden. Hierbei braucht die Streifenbreite nur wenig größer als der Durchmesser des unfokussierten Teils des Laserstrahls zu sein, wohingegen die Streifenlänge im wesentlichen der Länge des nutzbaren Aperturbereiches des Optikteils entspricht. Dies bedeutet eine Gewichtsersparnis und auch eine Kostenersparnis, die insbesondere bei IR-Materialien, wie sie für die optischen Teile für CO₂-Laser erforderlich sind, erheblich sein können.

Weiter kann bei diesen drei Ausführungsformen im Strahlengang des Laserstrahls vor dem Umlenkspiegel, dem Fokussierspiegel bzw. dem Off-Axis-Parabolspiegel ein den Laserstrahl insbesondere um 90° auf den Spiegel umlenkender weiterer Spiegel vorgesehen sein, der stationär oder in der einen Stellrichtung oder in beiden Stellrichtungen mitbewegbar angeordnet ist. Wenn hierbei der Koordinatenstellantrieb von zwei Linearstellmotoren jeweils mit einem Gestellteil und einem auf diesem verfahrbaren Schlittenteil gebildet wird, wobei das

Gestellteil des zweiten Linearstellmotors auf dem Schlittenteil des ersten Linearstellmotors angeordnet ist und die Stellrichtung des ersten Linearstellmotors parallel zu dem ankommenden Laserstrahl verläuft, können die beiden Spiegel jeweils auf einem der Schlittenteile angeordnet sein. Hierdurch können das fokussierende Optikteil und der weitere Spiegel und ggf. der Umlenkspiegel in ihren Abmessungen an den Durchmesser des unfokussierten Laserstrahles angepaßt werden, weil es nicht zu einer Relativquerbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Optikteil kommt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Optikteil eine fokussierende Auskoppeloptik eines den Laserstrahl führenden Lichtleiterkabels sein. Hierdurch ergibt sich eine leichte und kompakte Einheit, die entsprechend rasch bewegt werden kann. Allerdings ist es auch möglich, am Ende des Lichtleiterkabels nur den für die Parallelität der Strahlen des Laserstrahlbündels sorgenden Auskoppeloptikteil vorzusehen und den austretenden Laserstrahl auf ein gesondertes fokussierendes Optikteil zu lenken.

Auch kann das Optikteil als optische Linse in einem seinerseits verstellbaren Bearbeitungskopf angeordnet sein und kann dabei der Koordinatenstellantrieb in dem Bearbeitungskopf als Feinantrieb zum koordinatengesteuerten Verstellen der Linse relativ zu dem auf diese auftreffenden Eintrittslaserstrahl in der senkrecht zu demselben verlaufenden Ebene ausgebildet sein. Insbesondere hierdurch besteht die weiter oben bereits angesprochene Möglichkeit, bei stillstehender Bearbeitungslinse in der Nullstellung, in der die optische Achse der Linse mit dem Laserstrahl zusammenfällt, eine herkömmliche Laserbearbeitung durchzuführen und durch gesteuertes Verstellen der Linse mittels des Koordinatenstellantriebs insbesondere eine Beschriftung des Werkstücks vorzunehmen. Der Bearbeitungskopf kann dabei höhenverstellbar sein. Es ist auch möglich, ihn in der einen und/oder anderen Richtung parallel zur Bearbeitungsebene verstellbar zu machen. Beispielsweise ist es hierbei möglich, daß der Koordinatenantrieb als zweiachsiger

Linearstellmotor ausgebildet ist, bei dem ein einziges plattenförmiges Schlittenteil zwischen zwei plattenförmigen Gestellteilen mit um 90° gekreuzten Antriebsteilen in den beiden Koordinatenrichtungen verstellbar ist. 5

In der Ausführungsform als Polarkoordinatenantrieb kann der Koordinatenstellantrieb von einem Drehstellmotor und einem auf dessen Schlittenteil angeordneten Linearstellmotor gebildet sein, der an seinem Schlittenteil die optische Linse trägt und der die Linse radial zum Stellkreis des Drehstellmotors verstellen kann. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für einen Bohr- bzw. Trepanning-Bearbeitungskopf, bei dem der Laserstrahl sich in der Drehachse des Drehstellmotors befindet. Aufgrund der Koordinatensteuerung, die eine gleichzeitige Stellbewegung für die Bearbeitungslinse in beiden Stellrichtungen ermöglicht, können mit einer derartigen Ausführungsform neben Kreislöchern auch z.B. elliptische Löcher, Langlöcher oder auch kleine Rechtecklöcher aus dem Werkstück ausgeschnitten werden. Wird die Exzenterlage auf Null reduziert, so ist der Bohr-Bearbeitungskopf wieder ein normaler, insbesondere stationärer Bearbeitungskopf.

Ferner wird vorgezogen, daß die Halterung mit dem fokussierenden Optikteil mittels eines weiteren gesteuerten Linearstellmotors senkrecht zur Bearbeitungsebene verstellbar ist. Hierdurch kann die Höhenlage des Laserstrahlbrennflecks relativ zum Werkstück eingestellt werden. Es ist hierdurch jedoch insbesondere auch möglich, Unebenheiten der Werkstückoberfläche bzw. Abstandsänderungen zwischen dem Bearbeitungskopf und der Werkstückoberfläche durch sensorgesteuertes Nachstellen des Optikteils senkrecht zur Bearbeitungsebene auszugleichen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Koordinatenstellantriebs als elektromagnetischer Antrieb entfallen mechanische Stellelemente, wie Spindeln, Zahnstangen, Zahnräder, Zahnriemen oder dergleichen, wie sie bei bekannten Materialbearbeitungslasern verwendet werden. Zur Verwirklichung

der Erfindung können an sich bekannte Linearstellmotoren jedes geeigneten Typs verwendet werden. Hierbei werden solche Linearstellmotoren vorgezogen, die luftgelagert sind.

Bevorzugt wird insbesondere ein luftgelagerter elektromagnetischer Koordinatenstellantrieb, der nach dem Sawyerprinzip aufgebaut ist. Ein derartiger nach dem Sawyerprinzip aufgebauter elektromagnetischer Koordinaten-Stellantrieb ist beispielsweise aus der US-PS 3 857 075 bekannt. Hierbei weist der Antriebsteil des Linearstellmotors ein Permanent- und Elektromagnetensystem auf und wirkt mit einer auf einem Träger ausgebildeten Reihe von im Abstand voneinander verteilten ferromagnetischen Polen als Passivteil bewegungsantreibend zusammen. Die Abstände zwischen den Polen entsprechen deren Länge. Beispielsweise werden zwei Permanentmagneten in Form von Hufeisenmagneten verwendet, deren Magnetpole in der Länge der Pole des Passivteils den Polen in einem Abstand voneinander gegenüberstehen, der das Anderthalbfache der Teilung der Polreihe des Passivteils ist, so daß bei Ausrichtung des einen Magnetpols auf einen der Pole der Polreihe der andere Magnetpol auf eine Lücke zwischen zwei benachbarten Polen der Polreihe ausgerichtet ist. Ferner sind die beiden Hufeisenmagneten in einem Abstand gegeneinander versetzt, der einem ganzen Vielfachen der Teilung der Polreihe des Passivteils vermehrt um ein Viertel dieser Teilung entspricht, so daß bei Ausrichtung des einen Magnetpols des einen Hufeisenmagneten auf einen Pol der Polreihe die Magnetpole des anderen Hufeisenmagneten zur Hälfte auf einen Pol der Polreihe und zur anderen Hälfte auf die demselben benachbarte Lücke ausgerichtet sind. Weiter ist mindestens eine elektrische Spule vorgesehen, die periodisch derart erregt wird, daß der magnetische Fluß an den Magnetpolen der Permanentmagneten abwechselnd verstärkt, kompensiert und unverändert gelassen wird. Dadurch wird das Antriebsteil in vier Schritten, deren Schrittlänge jeweils ein Viertel der Teilung der Polreihe des Passivteils beträgt, entlang des Passivteils bewegt. Die Lücken zwischen den Polen der Polreihe können mit unmagnetischem Material wie Kunststoff ausgefüllt

sein, um die Laufflächen, entlang welchen sich das Antriebsteil und das Passivteil relativ zueinander bewegen, als möglichst glatte Flächen auszubilden.

Derartige luftgelagerte Linearstellmotoren nach Sawyer haben eine hohe Dynamik, Stellgeschwindigkeit, Kompaktheit, Einfachheit, Stellgenauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Verschleiß- und Reibungsfreiheit, wodurch sie sich für die Zwecke der Erfindung bestens eignen.

Der Koordinatenstellantrieb des erfindungsgegmäßen Materialbearbeitungslaser läßt sich auch dadurch verwirklichen, daß der Koordinatenstellantrieb einen plattenförmigen Passivteil als Gestellteil und einen unter diesem an diesem magnetisch aufgehängten, elektrisch erregbaren Antriebsteil als über die Plattenfläche hin verfahrbaren Schlittenteil aufweist, an dem die Halterung mit der Laseroptik aufgehängt ist, wobei der Antriebsteil und der Passivteil in zwei zueinander senkrechten Koordinatenrichtungen verfahrbar magnetisch zusammenwirkend ausgebildet sind und die Laseroptik einen den in einer Ebene parallel zu dem Passivteil geführten Laserstrahl ablenkenden Spiegel aufweist. Hierbei kann der den Laserstrahl ablenkende Spiegel ein Umlenkspiegel, der den Laserstrahl auf eine ebenfalls an dem Schlittenteil befestigte fokussierende Linse ablenkt, oder ein selbst fokussierender Off-Axis-Parabolspiegel sein.

Der Laserstrahl kann bei dieser Ausführungsform unmiitelbar auf den ablenkenden Spiegel abgestrahlt sein. Es ist jedoch auch möglich, daß unter dem plattenförmigen Passivteil an diesem der Antriebsteil eines zusätzlichen LinearStellmotors magnetisch aufgehängt ist, dessen Antriebsteil auf dem Passivteil parallel zu einer der Koordinatenrichtungen verfahrbar ist, wobei unter dem Antriebsteil des zusätzlichen Linearstellmotors ein den Laserstrahl auf den Spiegel umlenkender zweiter Spiegel an dem Antriebsteil des zusätzlichen Linearstellmotors aufgehängt ist.

Ferner ist es möglich, an dem Antriebsteil eine den Laserstrahl

auf den Spiegel abstrahlende Auskoppeloptik eines Lichtleiterkabels anzuordnen, mit dem der Laserstrahl geführt wird, oder stattdessen an dem Antriebsteil einen den Laserstrahl erzeugenden diodengepumpten Festkörperlaser anzubringen, der den Laserstrahl auf den ablenkenden Spiegel abstrahlt.

Weiter kann der Koordinatenstellantrieb einen ersten Linearstellmotor mit einem plattenförmigen ersten Passivteil als Gestellteil und einem unter diesem an diesem magnetisch aufgehängten, elektrisch erregbaren Antriebsteil als über einen Teil der Plattenfläche hin verfahrbaren Schlittenteil, wobei der erste Antriebsteil und der erste Passivteil den Schlittenteil in der einen Koordinatenrichtung verfahrend zusammenwirkend ausgebildet sind, und einen zweiten Linearstellmotor mit einem an der Unterseite des ersten Antriebsteils ausgebildeten zweiten Passivteil und einem unter diesem an diesem magnetisch aufgehängten, elektrisch erregbaren zweiten Antriebsteil aufweisen, an dem die Halterung mit der Laseroptik aufgehängt ist, wobei der zweite Antriebsteil und der zweite Passivteil den zweiten Antriebsteil in der zu der einen Koordinatenrichtung senkrechten anderen Koordinatenrichtung verfahrend zusammenwirkend ausgebildet sind und die Laseroptik einen den in einer Ebene parallel zu dem Passivteil geführten Laserstrahl ablenkenden Spiegel aufweist.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsformen erläutert, die schematisch aus der Zeichnung ersichtlich sind. In der

Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 bis 8 Ausführungsformen, bei denen das koordinatengesteuert bewegte Optikteil eine optische Linse ist, die relativ zu dem auf diese auf;treffenden Eintrittslaserstrahl

bewegt wird,
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Fig. 9 eine Ausführungsform, bei welcher das koordinatengesteuert bewegte Optikteil eine optische Linse ist, die gemeinsam mit dem auf diese auftreffenden

Eintrittslaserstrahl bewegt wird, und

Fig. 10 bis 12 Ausführungsformen, bei denen das koordinatengesteuert bewegte Optikteil ein Off-Axis-Parabolspiegel ist, der relativ zu dem auf diesen auftreffenden Laserstrahl bewegt wird.

Fig. 13 eine Ausführungsform, bei der das koordinatengesteuert bewegbare Optikteil die fokussierende Auskoppeloptik eines Lichtleiterkabels ist,

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Koordinatenstellantriebs des erfindungsgemäßen Materialbearbeitungslasers, und
15

Fig. 15 bis 19 Ausführungsformen des Materialbearbeitungslasers mit flächigen Koordinatenstellantrieben in schematischer Darstellung.

In den Ausführungsformen aus den Figuren 1 bis 5 ist als fokussierendes Optikteil eine Ablenkoptik in Form einer optischen Linse 2 vorgesehen, die mittels eines hier nicht gezeigten Linearstellantriebs relativ zu dem Eintrittslaserstrahl 7 in einer senkrecht zu diesem verlaufenden Ebene in den beiden Koordinatenrichtungen &khgr; und y bewegt werden kann. Dadurch bewegt sich der Brennpunkt des Laserstrahls synchron mit und das Werkstück kann über eine Fläche hin bearbeitet werden, die dem nutzbaren Aperturbereich der Linse 2, d.i. der durch den Linsendurchmesser abzüglich des Laserstrahldurchmessers bestimmten Linsenfläche entspricht. Während bei der Ausführungsform aus Fig. 1 der Laserstrahl vertikal verläuft, wird er bei der Ausführungsform aus Fig. an einem über der Linse 2 angeordneten Umlenkspiegel 6 aus der Horizontalen in die Vertikale umgelenkt. Hierbei ist der Umlenkspiegel 6 mit der Linse 2 mitfahrend verbunden, so daß der auf die Linse 2 umgelenkte Eintrittslaserstrahl in der x-Koordinatenrichtung ebenfalls mit der Linse 2 mitfährt und diese nur in der y-Koordinatenrichtung relativ zum

Eintrittslaserstrahl bewegt wird. Auf diese Weise kann der Verfahrweg des von der Linse 2 gebildeten Optikteils in der X-Koordinatenrichtung beliebig lang sein und wird nur in der y-Koordinatenrichtung durch den nutzbaren Aperturbereich der Linse 2 beschränkt. Außerdem hat diese Ausführungsform aus Fig. 2 den Vorteil, daß das den Laserstrahl fokussierende Optikteil, in diesem Fall die Linse 2, wie übrigens auch der Umlenkspiegel 6, als sich in der y-Koordinatenrichtung erstreckender Streifen ausgebildet sein kann, dessen in der x-Koordinatenrichtung gemessene Breite nur wenig größer als der Durchmesser des Laserstrahls ist.

Fig. 3 steht als Beispiel dafür, daß die Linse 2 mitsamt dem Koordinatenstellantrieb in einen bestehenden Laserbearbeitungskopf eingebaut ist und mittels des Stellantriebs mitsamt der Düse 15 relativ zu dem Eintrittslaserstrahl senkrecht zu diesem bewegt werden kann, um den Brennfleck des fokussierten Laserstrahls in einem kleinen Feld bewegen zu können, ohne daß die ursprüngliche Funktion des Bearbeitungskopfes berührt ist. Als Beispiel sei ein Schneidsystem genannt, mit welchem normalerweise der Bearbeitungskopf mitsamt dem Laserstrahl und der Linse 2 bewegt wird, um mehr oder weniger großflächige Werkstücke auszuschneiden, wonach durch Bewegen der Linse 2 und der Schneiddüse 15 relativ zu dem Bearbeitungskopf und zu dem Eintrittslaserstrahl 7 das ausgeschnittene Werkstück durch Gravieren beschriftet wird oder kleine Löcher aus dem Werkstück ausgeschnitten werden. Es ergibt sich eine Verkürzung der Bearbeitungszeit, da für diese kleinen Bewegungen nicht das in der Regel große und schwere Koordinatensystem des Bearbeitungskopfes insgesamt bewegt werden muß.

Natürlich kann eine solche Ausführungsform auch für die Ausbildung eines selbständigen Bearbeitungskopfes 11 angewendet werden, wie sie beispielsweise aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist. Hier ist der Koordinatenstellantrieb als zweiachsiger Linearstellantrieb 12, 13 ausgebildet, dessen als ebene Platte ausgebildetes Schlittenteil 13 zwischen zwei Gestellteile 12a

und 12b mit um 90° gekreuzten elektromagnetischen Antriebsteilen eingreift und einen zentralen Tubus 26 trägt, in dem die Linse 2 über einer Schneiddüse 15 abgestützt ist. Der Bearbeitungskopf 11 weist ferner einen weiteren Linearstellmotor 24, 25 auf, dessen Schlittenteil 25 und Gestellteil 24 vorzugweise rechteckig rohrförmig sind und senkrecht zu der Verstellebene des Schlittenteils 13 des· zweiachsigen Linearstellmotors 12, 13 teleskopisch ineinandergreifen, wobei das Gestellteil 12 des 2-achsigen Linearstellmotors 12, 13 an dem Schlittenteil 25 koaxial zu der Rohrachse aufgehängt ist, die mit der Achse des zugeführten Laserstrahls übereinstimmt. Das Gestellteil 24 ist ortsfest oder an einem zusätzlichen Grobantrieb aufgehängt.

Mit dem die Z-Achse bildenden zusätzlichen Linearstellmotor 24, 25 können unter der Steuerung durch den Abstand der Spitze der Düse 15 zur Werkstückoberfläche erfassenden Sensoren Abstandsänderungen ausgeglichen werden oder kann die Linse 2 programmgesteuert einer sich in Vertikalrichtung ändernden Werkstückkontur nachgefahren werden oder es kann die Eindringtiefe des Brennflecks des fokussierten Laserstrahls im Werkstück geändert werden.

Statt des die Z-Achse bildenden Linearstellmotors 24, 25 kann auch der Tubus 26 mittels eines sensorgesteuerten Linearstellmotors als Feinantrieb an dem Schlittenteil 13 des zweiachsigen Linearstellmotors 12, 13 abgestützt sein. Ferner ist es möglich, das Schlittenteil 25 innerhalb des Gestellteils 24 anzuordnen, statt umgekehrt, wie gezeigt, das Gestellteil in das Schlittenteil hineinragen zu lassen. Falls die

Stellantriebe, wie bevorzugt, luftgelagert sind, kann die aus den Luftlagern austretende Luft gleichzeitig ausgenutzt werden, einen Überdruck im optischen Sysjtem aufrechtzuerhalten, der verhindert, daß Staub eintritt.
35

Zur Ausbildung eines Bohr- bzw. Trepanning-Bearbeitungskopfes ist nach Fig. 6 ein elektromagnetischer ringplattenförmiger Drehstellantrieb 16, 17 vorgesehen, dessen Ringachse mit der

Achse des Eintrittslaserstrahls 7 zusammenfällt und auf dessen auf dem ortsfesten Gestellteil 16 um die Ringachse drehbarem Schlittenteil 17 ein LinearStellmotor 18, 19 mit seinem Gestellteil 18 abgestützt ist. Der Schlittenteil 19 dieses Linearstellmotors trägt die Halterung 5 einer fokussierenden Linse 2, und zwar derart, daß diese über der Ringöffnung des Drehstellmotors 16, 17 mit ihrer optischen Achse radial zu dem Drehstellmotor verfahrbar ist. Wird daher die Linse 2 mittels des Linearstellmotors 18, 19 relativ zu der Achse des Drehstellmotors 16, 17 und damit zu dem Eintrittslaserstrahl 7 exzentrisch verstellt und dann mittels des Drehstellmotors gedreht, so beschreibt der Brennfleck des Austrittslaserstrahls auf der Werkstückoberfläche einen Kreis. Da diese Bewegungen aufgrund der Verwendung von gesteuerten Stellmotoren auch gleichzeitig ausgeführt werden können, ist eine derartige Anordnung auch zur Ausführung anderer Bewegungen des Brennflecks des Austrittslaserstrahls, und damit beispielsweise zum Ausschneiden von elliptischen Löchern, Langlöchern oder kleinen Rechtecklöchern geeignet. Wird hingegen die Exzentrizität der Linse 2 auf Null reduziert, so ist der Bohrkopf wieder ein normaler stationärer Bearbeitungskopf.

Bei der Ausführungsform aus Fig. 7 besteht der x,y-Koordinatenstellantrieb aus zwei Linearstellmotoren 20, 21 und 22, 23, von denen der erste Linearstellmotor 20, 21 mit seinem Gestellteil 20 ortsfest ist und auf seinem Schlittenteil 21 das Gestellteil 22 des zweiten Linearstellmotors 22, 23 trägt, so daß dessen Schlittenteil 23 senkrecht zu dem Schlittenteil 21 des ersten Linearstellmotors 20, 21 in horizontaler Ebene verfahrbar ist. An dem Schlittenteil 23 ist die Halterung 5 einer fokussierenden Linse 2 angebracht, die dadurch relativ zu dem vertikal aufgestrahlten Eintrittslaserstrahl 7 in horizontaler Ebene gesteuert verfahrbar ist. Diese Anordnung kann nach Fig. 8 auch auf dem Schlittenteil 28 eines dritten elektromagnetischen Linearstellmotors 27, 28 angeordnet werden, der parallel zur Verfahrrichtung des Schlittenteils 21 des ersten Linearstellmotors 20, 21 in der Bewegungsrichtung des Werkstücks verfahrbar ist und dessen Bewegung mitmacht. Die

Bewegung der fokussierenden optischen Linse 2 wird daher der
Werkstückbewegung überlagert, wodurch auch bewegte Werkstücke bearbeitet, z.B. beschriftet (graviert) werden können.

Bei der Ausführungsform aus Fig. 9 ist ebenfalls ein

Linearstellantrieb vorgesehen, der dem aus Fig. 7 entspricht. Hier ist über einer fokussierenden optischen Linse 4 an deren Halterung 5, die an dem Schlittenteil 23 des zweiten
Linearstellmotors 22, 23 festgelegt ist, ein Umlenkspiegel 6

angeordnet, wohingegen auf dem Schlittenteil 21 des ersten
Linearstellmotors 20, 21 ein weiterer Umlenkspiegel 8
angeordnet ist. Von dem Umlenkspiegel 8 wird der Laserstrahl, der horizontal und parallel zu der Verfahrrichtung des
Schlittenteils des ersten Linearstellmotors 20, 21 auf den

Umlenkspiegel 8 aufgestrahlt wird, um 90° auf den ersten

Umlenkspiegel 6 umgelenkt, der seinerseits den Laserstrahl
ebenfalls um 90° umlenkt, so daß der Eintrittslaserstrahl mit seiner Achse mit der optischen Achse der fokussierenden Linse übereinstimmt und mit seinem Brennfleck ebenfalls auf der

optischen Achse der Linse 4 liegt. Bei dieser Ausführungsform kann der Verfahrweg des Schlittenteils 21 des ersten
Linearstellmotors 20, 21 relativ lang sein, so daß die Linse in dessen Stellrichtung einer Werkstückbewegung folgen kann
oder in dieser Stellrichtung der Werkstückbewegung überlagert sein kann.

Bei den Ausführungsformen aus den Fig. 10 bis 12 wird als

fokussierendes Optikteil ein rotationssymmetrischer Off-Axis-Parabolspiegel, dessen Symmetrieachse parallel zum

Eintrittslaserstrahl 7 verläuft, von einem nur in Fig. 12 als Beispiel gezeigten x,y-Koordinatenstellantrieb in Richtung des Eintrittslaserstrahls 7 einerseits und senkrecht zu der durch den Eintrittslaserstrahl 7 und den abgelenkten
Austrittlaserstrahl bestimmten Einfallseben des Laserstrahls

andererseits bewegt, wodurch der von dem Parabolspiegel 3
fokussierte Laserstrahlbrennfleck eine synchrone Bewegung
ausführt. Damit kann der Laserstrahlbrennfleck über eine Fläche hin bewegt werden, die in der Richtung des

Eintrittslaserstrahls praktisch beliebig lang sein kann und in der Richtung senkrecht dazu entsprechend des nutzbaren Aperturbereiches des Parabolspiegels 3 begrenzt ist, der nur in dieser Richtung relativ zu dem Eintrittslaserstrahl 7 bewegt wird. Auch bei diesen Ausführungsformen braucht das fokussierende Optikteil, der Parabolspiegel 3, in Richtung der Laserstrahl-Einfallsebene nur etwas größer als der Durchmesser des ungebündelten Laserstrahls 1 zu sein, wie dies oben zu Fig. 2 erläutert ist, so daß Gewicht und Kosten eingespart sind.

Gemäß Fig. 10 wird der vertikal ankommende Laserstrahl 1 an einem ortsfesten Umlenkspiegel 6 um 90° auf den in den x,y-Richtungen bewegbaren fokussierenden Parabolspiegel 3 umgelenkt. Gemäß Fig. 11 hingegen ist der Umlenkspiegel 6 gemeinsam mit dem fokussierenden Parabolspiegel in den x,y-Richtungen bewegbar. In Fig. 12 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der fokussierende Parabolspiegel 3 mit seiner Halterung 5 an dem Schlittenteil 23 eines elektromagnetischen Stellantriebs angebracht ist, wie er oben im Zusammenhang mit Fig. 7 beschrieben ist. Nach Fig. 12 jedoch wird der Laserstrahl 1 in horizontaler Richtung auf den Parabolspiegel 3 aufgestrahlt, der streifenförmig mit parallel zur Verfahrrichtung des Schlittenteils 23 Längsrichtung ausgebildet ist.

Nach Fig. 13 wird der Laserstrahl durch ein Lichtleiterkabel 10 geführt, das mit seiner fokussierenden Auskoppeloptik 9 an dem Schlittenteil 23 eines elektromagnetischen Stellantriebs angeordnet ist, der im Ausführungsbeispiel ebenfalls gemäß Fig. 7 ausgebildet ist.

Fig. 14 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines elektromagnetischen Koordinatenstellantriebs, der elektromagnetisch insbesondere nach dem Sawyerprinzip aufgebaut sein kann. Hier sind die beiden Linearstellmotore 20, 21 und 22, 23 ineinander in einem würfelförmigen Kreuzantrieb angeordnet, wobei das Schlittenteil 23 des inneren

Linearstellantriebs 22, 23 eine zentrale Bohrung 14 aufweist, durch die der Laserstrahl hindurchläuft und in der das fokussierende Optikteil in Form einer Linse angeordnet sein kann. Diese Ausführungsform eignet sich wegen der platzsparenden Bauweise besonders gut für zu Fig. 4 beschriebene Bearbeitungsköpfe. Der würfelartige Kreuzantrieb kann jedoch auch zur besonders raschen Bewegung von Fokussierelementen, die außerhalb angeordnet sind und mit dem inneren Schlittenteil 23 fest gekuppelt sind, und zur Verwirklichung der x,y-Koordinatenstellantriebe zum Bewegen eines fokussierenden Optikteils gemäß den diesbezüglichen anderen Ausführungsformen verwendet werden, die weiter oben beschrieben sind.

Die Fig. 15 bis 18 zeigen Ausführungsformen, bei denen der Koordinatenstellantrieb als flächiger (planarer) Zweikoordinatenantrieb ausgebildet ist. An der Unterseite einer horizontalen Platte, von welcher der Gestellteil 30 des Antriebs gebildet wird und welche hierzu an der Unterseite mit einander senkrecht kreuzenden, in der x- und der y-Richtung verlaufenden Reihen aus ferromagnetischen Polen 38 versehen ist, ist der für das Verfahren in diesen beiden Koordinatenrichtungen aktivierbare Antriebsteil als Schlittenteil 31 magnetisch aufgehängt, der eine wesentlich kleinere Grundfläche als die Fläche des plattenförmigen Gestellteils 30 aufweist. An dem Schlittenteil 31 ist über eine in den Figuren nicht gezeigte Halterung ein den Laserstrahl 7 umlenkender Spiegel aufgehängt, der ein den parallel zu der Platte 30 unter dieser ankommenden Laserstrahl 7 auf eine unter dem Spiegel aufgehängte fokussierende Linse 4 richtender Umlenkspiegel 6 entsprechend beispielsweise der Ausführungsform aus Fig. 9 oder ein fokussierender Off-Axis-Parabolspiegel 3 beispielsweise gemäß der Ausführungsformen aus den Fig. 10 bis 12 sein kann. Bei der Ausführungsform aus Fig. 17 wird der Laserstrahl über ein Lichtleiterkabel 10 zugeführt, das mit seiner horizontal ausgerichteten Auskoppeloptik 34 auf den Spiegel 3, 6 gerichtet ist und an dem Schlittenteil 31 aufgehängt ist. Bei der Ausführungsform aus Fig. 18 ist an dem

plattenförmigen Gestellteil 30 ein zusätzlicher Antriebsteil 32 magnetisch aufgehängt, der gesondert gesteuert ist und lediglich in der x-Richtung parallel zu der x-Richtung verfahrbar ist, in welcher der die Laseroptik 4, 6 oder 3 tragende Schlittenteil 31 verfahrbar ist. An diesem zusätzlichen Antreibsteil 32 is ein Umlenkspiegel 8 aufgehängt, der den Laserstrahl 7 auf den Optikteil 4, 6 oder 3 an dem anderen Schlittenteil 31 lenkt.

Bei der Ausführungsform aus Fig. 19 ist an dem plattenförmigen Gestellteil 30 ein erster Schlittenteil 35 magnetisch aufgehängt, welcher für ein Verfahren in der x-Richtung ausgelegt ist und an dessen Unterseite ein zweiter Schlittenteil 36 magnetisch aufgehängt ist, der entlang des Schlittenteils 35 in der y-Richtung verfahrbar ist. Der erste Schlittenteil 35 trägt einen Umlenkspiegel 8, der den Laserstrahl 7 auf die Laseroptik 4, 6 oder 3 umlenkt, die an dem zweiten Schlittenteil 36 aufgehängt ist.

Ersichtlich haben die Ausführungsformen aus den Fig. 15 bis 19 eine nur geringe Bauhöhe.

Anstelle der Umlenkspiegel 8 können bei den diesbezüglichen Ausführungsformen auch Strahlenteiler verwendet werden, so daß mehrere Laseroptiken parallel betrieben werden können, die auf gesonderten oder gemeinsamen Schlittenteilen angebracht sein können.

Claims (17)

Paeyasprüche

1. Materialbearbeitungslaser mit einer Laserquelle zum Abstrahlen eines Laserstrahls (1) und einem im Strahlengang des abgestrahlten Laserstrahls angeordneten, den Laserstrahl ' fokussierenden Optikteil (2, 3, 4, 9) an einer angetrieben verstellbaren Halterung (5, 26), dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb der Halterung (5, 26) ein elektromagnetischer Koordinatenstellantrieb vorgesehen ist, von dem die Halterung (5, 26) mit dem fokussierenden Optikteil (2, 3, 4)) in zwei Koordinatenrichtungen in einer Ebene parallel zur Bearbeitungsebene koordinatengesteuert verstellbar ist, wobei wenigstens eine der Stellrichtungen gerade ist.

2. Materialbearbeitungslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Optikteil (2, 3) als den Laserstrahl ablenkende, relativ zu diesem verstellbare Ablenkoptik ausgebildet ist.

3. Materialbearbeitungslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Optikteil eine Linse (2, 4) ist, die von dem Koordinatenstellantrieb gemeinsam mit einem den Laserstrahl zu der Linse umlenkenden Umlenkspiegel (6) verstellbar ist, wobei die eine Stellrichtung parallel zu dem auf den Umlenkspiegel (6) auftreffenden Eintrittslaserstrahl (7), und die andere Stellrichtung senkrecht zu dem Eintrittslaserstrahl (7) verläuft.

4. Materialbearbeitungslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Optikteil ein den Eintrittslaserstrahl umlenkender Fokussierspiegel ist^wobei die eine Stellrichtung des Koordinatenstellantriebs parallel zu dem auf den Fokussierspiegel auftreffenden Eintrittslaserstrahl, und die andere Stellrichtung senkrecht zu dem Eintrittslaserstrahl verläuft.

5. Materialbearbeitungslaser nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Optikteil ein den Eintrittslaserstrahl (7) umlenkender und fokussierender Off-Axis-Parabolspiegel (3) ist, dessen Achse parallel zu dem auf den Parabolspiegel

auftreffenden Eintrittslaserstrahl (7) verläuft, wobei die eine Stellrichtung des Koordinatenstellantriebs parallel zu dem auf den Parabolspiegel (3) auftreffenden Eintrittslaserstrahl (7), und die andere Stellrichtung senkrecht zu dem
Eintrittslaserstrahl (7) verläuft.
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6. Materialbearbeitungslaser nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittslaserstrahl (7)
parallel zu der Bearbeitungsebene verläuft und das Optikteil
(2, 3) streifenförmig mit sich senkrecht zu dem

Eintrittslaserstrahl (7) erstreckender Längsrichtung
ausgebildet ist.

7. Materialbearbeitungslaser nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Laserstrahls

(1) vor dem Spiegel (3, 6) ein den Laserstrahl (1) auf den

Spiegel (3, 6) umlenkender weiterer Spiegel (8) vorgesehen ist, der stationär oder in der einen Stellrichtung oder in beiden
Stellrichtungen mitbewegbar angeordnet ist.

8. Materialbearbeitungslaser nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Optikteil eine fokussierende
Auskoppeloptik (9) eines den Laserstrahl führenden
Lichtleiterkabels (10) ist.

9. Materialbearbeitungslaser nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, daß das Optikteil als Linse (2) in einem
seinerseits verstellbaren Bearbeitungskopf (11) angeordnet ist und der Koordinatenstellantrieb (&Lgr;2, 13) in dem
Bearbeitungskopf als Feinantrieb zum koordinatengesteuerten

Verstellen der Linse (2) relativ zu dem auf diese auftreffenden Eintrittslaserstrahl (7) in der senkrecht zu demselben
verlaufenden Ebene ausgebildet ist.

10. Materialbearbeitungslaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Koordinatenstellantrieb (12, 13) zwei übereinander angeordnete, gesteuert elektrisch erregbare Antriebsteile als Gestellteile (12a, 12b) und einen zwischen diesen angeordneten, mit diesen magnetisch zusammenwirkenden plattenförmigen Passivteil als Schlittenteil (13) aufweist, an dem die Halterung (26) mit dem fokussierenden Optikteil (2) aufgehängt ist, wobei der eine Antriebsteil den Passivteil in der einen Koordinatenrichtung, und der andere Antriebsteil den Passivteil in der zu der einen Koordinatenrichtung senkrechten anderen Koordinatenrichtung antreibend ausgelegt ist.

11. Materialbearbeitungslaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Koordinatenstellantrieb von einem Drehstellmotor (16, 17) und einem auf dessen Schlittenteil (17) angeordneten Linearstellmotor (18, 19) gebildet wird, der an seinem Schlittenteil (19) die optische Linse (2) trägt und der die Linse radial zum Stellkreis des Drehstellmotors (16, 17) verstellend angeordnet ist.

12. Materialbearbeitungslaser nach einem der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (5) mit dem fokussierenden Optikteil (2) mittels eines weiteren gesteuerten Linearstellmotors (24, 25) senkrecht zur Bearbeitungsebene verstellbar ist.

13. Materialbearbeitungslaser nach einem der Ansprüche 1 bis

12, dadurch gekennzeichnet, daß der Koordinatenstellantrieb nach dem Sawyerprinzip aufgebaut und druckluftgelagert ist.

14. Materialbearbeitungslaser nach einem der Ansprüche 1 bis oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Koordinatenstellantrieb einen plattenförmigen Passivteil als Gestellteil (30) und einen unter diesem an diesem magnetisch aufgehängten, elektrisch erregbaren Antriebsteil als Schlittenteil (31) aufweist, an dem die Halterung mit der Laseroptik aufgehängt ist, wobei der Antriebsteil und der Passivteil in zwei zueinander senkrechten Koordinatenrichtungen

magnetisch verstellend zusammenwirkend ausgebildet sind und die Laseroptik einen den in einer Ebene parallel zu dem Passivteil geführten Laserstrahl ablenkenden Spiegel (3, 6) aufweist.

15. Materialbearbeitungslaser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem plattenförmigen Gestellteil (30) an diesem der Antriebsteil (32) eines zusätzlichen Linearstellmotors magnetisch aufgehängt ist, dessen Antriebsteil auf dem Gestellteil (30) parallel zu einer der Koordinatenrichtungen verfahrbar ist, wobei unter dem Antriebsteil (32) des zusätzlichen Linearstellmotors ein den Laserstrahl auf den Spiegel (3, 6) umlenkender zweiter Spiegel (8) an dem Antriebsteil des zusätzlichen Linearstellmotors aufgehängt ist,

16. Materialbearbeitungslaser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Antriebsteil (31) des Koordinatenstellantriebs eine den Laserstrahl auf den Spiegel (3, 6) abstrahlende Auskoppeloptik (34) eines Lichtleiterkabels

(10) angeordnet ist.

17. Materialbearbeitungslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Koordinatenstellantrieb einen ersten Linearstellmotor mit einem plattenförmigen ersten Passivteil als Gestellteil (30) und einem unter diesem an diesem magnetisch aufgehängten, elektrisch erregbaren Antriebsteil als Schlittenteil (35), wobei der erste Antriebsteil und der erste Passivteil diesen als Schlittenteil (35) in der einen Koordinatenrichtung verfahrend zusammenwirkend ausgebildet sind, und einen zweiten Linearstellmotor mit einem an der Unterseite des ersten Antriebsteils ausgebildeten zweiten Passivteil als Gestellteil und einem unter diesem an diesem^magnetisch aufgehängten, elektrisch erregbaren zweiten Antriebsteil als Schlittenteil

(36) aufweist, an dem die Halterung mit der Laseroptik aufgehängt ist, wobei der zweite Antriebsteil und der zweite Passivteil den zweiten Antriebsteil in der zu der einen Koordinatenrichtung senkrechten anderen Koordinatenrichtung

verfahrend zusammenwirkend ausgebildet sind und die Laseroptik einen den in einer Ebene parallel zu dem Passivteil geführten Laserstrahl ablenkenden Spiegel (3, 6) aufweist.