NL193239C

NL193239C - Inrichting voor het uitvoeren van bewerkingen met behulp van een laserbundel.

Info

Publication number: NL193239C
Application number: NL9400437A
Authority: NL
Original assignee: Famurano Anstalt
Priority date: 1994-03-18
Filing date: 1994-03-18
Publication date: 1999-04-02
Also published as: FR2717412B1; NL9400437A; FR2717412A1; NL193239B

Description

1 193239

Inrichting voor het uitvoeren van bewerkingen met behulp van een laserbundel

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van bewerkingen met behulp van een laserbundel, in het bijzonder een C02-iaserbundei, voorzien van eerste verplaatsingsmiddelen (X, 5 Y) en tweede verplaatsingsmiddelen (Z) voor een laserbewerkingskop die de laserbundel concentreert op een brandpunt op het werkstuk.

Een dergelijke inrichting is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift US-A-4.794.222. In dit Amerikaanse octrooischrift is een laserbron aangebracht in een huis dat vast is verbonden met het frame van de inrichting. Verder zijn focusseringsmiddelen vast verbonden met de bewerkingskop. Deze bewerkingskop 10 wordt gedragen door een schuiforgaan dat in verticale richting beweegbaar is ten opzichte van een zadel, dat in een horizontaal vlak beweegbaar is ten opzichte van het frame van de inrichting. Door middel van verlengbare balgen wordt bij beweging van de bewerkingskop de laserbundel afgeschermd van invloeden van buiten af. Het nadeel van deze constructie is dat de lengte van het optische traject niet onveranderlijk is, maar afhangt van de positie van de bewerkingskop; veranderingen in het optisch traject brengen immers 15 optische fouten met zich mee. De uitvinding beoogt dit nadeel te vermijden.

Dit doel wordt overeenkomstig de uitvinding bereikt doordat de laserbron, de laserbewerkingskop en de focusseringsmiddelen voor de laserbundel alle op eenzelfde verplaatsbare ondersteuning zijn gemonteerd, waarbij de totale lengte van het optisch traject tussen de uitgang van de laserbron en de focusseringsmiddelen en dus het brandpunt onveranderd blijft, hoe ook de bewegingen zijn die door de verplaatsingsmid-20 delen (X, Y, Z) worden teweeggebracht.

Alhoewel het uit de Europese octrooiaanvrage EP-A-0.548.006, in het bijzonder op bladzijde 4, regels 23-25, op zich bekend is om de lengte van het optisch traject tussen de laserbron en de focusseermiddelen constant te houden, is de in deze octrooiaanvrage beschreven laserbewerkingsinrichting niet in de Z-richting verplaatsbaar c.q. verstelbaar.

25 In een eerste uitvoeringsvorm heeft de ondersteuning een hoekvormig gedaante met een terugkaats-middel voor de laserbundel op de bewerkingskop, terwijl in een tweede uitvoeringsvorm de ondersteuning een rechtlijnig gedaante heeft, terwijl daarbij de bewerkingskop is geplaatst op de optische as van de laserbundel die de uitgang van de laserbron verlaat.

30 Ter verduidelijking van de uitvinding zullen niet beperkende uitvoeringsvoorbeelden worden beschreven onder verwijzing naar de tekening, waarin:

Figuur 1 schematisch en gedeeltelijk in verticale doorsnede, een eerste uitvoeringsvoorbeeld toont van de inrichting volgens de uitvinding; figuur 2 schematisch en gedeeltelijk in verticale doorsnede, een tweede uitvoeringsvoorbeeld toont van 35 de inrichting volgens de uitvinding; figuur 3 schematisch en gedeeltelijk in zijaanzicht een derde uitvoeringsvoorbeeld toont van de inrichting volgens de uitvinding; en figuur 4 schematisch en gedeeltelijk in verticale doorsnede, een vierde uitvoeringsvoorbeeld toont van de inrichting volgens de uitvinding.

40

Verwijzend naar figuur 1 omvat de inrichting volgens de uitvinding translatie-verplaatsingsmiddelen volgens twee richtingen X en Y die in hoofdzaak loodrecht op elkaar staan: deze verplaatsingsmiddelen zijn ingericht om een bewerkingskop van bekend type, een tevoren bepaald traject te doen volgen en worden niet in detail beschreven.

45 Volgens de uitvinding wordt een hoekvormige ondersteuning, bijvoorbeeld met een L-vormige gedaante, door de verplaatsingsmiddelen verplaatst volgens de richtingen X en Y en volgens een traject dat wordt bepaald door het bewerkingscontour van het werkstuk P, zodanig dat de ontwikkelde lengte van het optische traject van de laserbundel tussen de uitgang 2 van de C02-iaserbron 3 en het focusseerpunt F van de bewerkingskop 4 onveranderlijk is.

50 Hiertoe is de laserbron 3 permanent bevestigd aan een zijde 1a van de hoekondersteuning 1 en de bewerkingskop 4 aan de andere zijde 1b van de hoekondersteuning 1, waarbij bij de uitgang 2 van de laserbron 3 een afbuigspiegel M, in dit geval een spiegel die onder 45° is aangebracht ten opzichte van de invallende bundel, voor het afbuigen van de laserbundel in de bewerkingskop 4.

De bewerkingskop 4 bevat een focusseermiddel 5 zoals een of meer focusseerlenzen 5, die de 55 laserbundel concentreren op een brandpunt F dat zich bij voorkeur bevindt in het midden van de dikte van het werkstuk.

In het afgebeelde voorbeeld zijn de ondersteuning 1, de C02-iaserbron 3, de terugkaatsspiegel M en de 193239 2 bewerkingskop 4, voorzien van ten minste een lens 5 of ander focusseermiddel, onderling vast verbonden en verplaatsen zich gezamenlijk volgens de hoofdcomponenten en van de relatieve beweging van de bewerkingskop 4 ten opzichte van het werkstuk P. De ontwikkelde lengte van het optische traject van de laserbundel tussen de uitgang 2 van de C02-Iaserbron 3 en het brandpunt F is gelijk aan de som van 5 respectievelijk de afstanden tussen de uitgang 2 en de weerkaatsspiegel M en tussen de weerkaatsspiegel M en het brandpunt F; hetgeen het gevolg is van de mechanische koppeling van de genoemde elementen en resulteert in de onveranderlijkheid van de genoemde ontwikkelde optische lengte en een constante werking van de laserbundel.

Volgens figuur 2 omvat een andere inrichting volgens de uitvinding eveneens translatie-10 verplaatsingsmiddelen volgens twee richtingen X en Y, een C02-laserbron 3 voorzien van een laserbundel-uitgang 2, een bewerkingskop 4 voorzien van een focusseerlens 5 met een brandpunt F dat zich in hoofdzaak bevindt in het midden van de dikte van het werkstuk P.

Volgens de uitvinding is een gemeenschappelijke ondersteuning 10 verschaft voor het onderling bevestigen van de C02-laserbron 3 en de bewerkingskop 4, zodat een onveranderlijke lengte van het 15 optische traject tussen de uitgang 2 van de laserbundel en het brandpunt F wordt verkregen.

In dit voorbeeld is de verbindende ondersteuning 10 in hoofdzaak rechtlijnig of voorzien van geschikte middelen voor het uitlijnen van de door de uitgang afgegeven laserbundel met de bewerkingskop 4, voor het verkrijgen van een rechtlijnig optisch traject tussen de uitgang 2 en het brandpunt F.

Deze configuratie die gunstig is voor vlakke werkzaamheden, maakt het mogelijk de laserbron 3 en de 20 bewerkingskop in dezelfde compacte beschermende ruimte onder te brengen.

Volgens figuur 3 omvat een andere inrichting volgens de uitvinding middelen voor het bewerkstelligen van een verplaatsing in een richting Z, die in hoofdzaak evenwijdig is aan de optische as van de bewerkingskop en ingericht voor het in een lineaire translatiebeweging verplaatsen van een elementaire inrichting van de soort als beschreven onder verwijzing naar figuur 2.

25 In het afgebeelde voorbeeld zijn aanvullende middelen aangebracht die het mogelijk maken niet-vlakke voorwerpen te bewerken (bijvoorbeeld het snijden van golfplaat) en waarmee het mogelijk is vlakke voorwerpen te bewerken die echter in de richting Z gemeten in hoofdzaak verschillende niveaus hebben.

Men gebruikt de tafels A en B om de beurt zodanig dat de werkstukken op een tafel kunnen worden geladen en gelost in een loszone terwijl andere voorwerpen die op de andere tafel zijn gefixeerd worden 30 bewerkt: aldus worden in de afgebeelde stap voorwerpen bewerkt die op de tafel A zijn gefixeerd, door de laserbundel te focusseren op een brandpunt Fn, terwijl men de voorwerpen die op de tafel B zijn bewerkt, verwijdert, dan wel in de loszone nieuwe werkstukken op de tafel B fixeert; vervolgens verplaatst men de tafels A en B met respectieve translaties die met de pijlen TA en TB zijn aangegeven, tot aan de met streeplijnen aangegeven posities en met laat het bewerkingssamenstel 3, 4 en 10 neer met behulp van de 35 in de Z-richting verplaatsende middelen tot aan een hoogte die correspondeert met de verplaatsing van het brandpunt Ft naar F2.

Bij voorkeur is, zoals afgebeeld, de laad en loszone voor de werkstukken steeds aan dezelfde ten opzichte van de bewerkingszone of de werkzone geplaatst en de twee tafels A en B bevinden zich op verschillende niveaus of hoogten, terwijl de in de Z-richting verplaatsende middelen zijn ingericht voor het 40 verplaatsen over een grotere afstand dan de afstand tussen de tafels A en B of tussen de ondersteunings-vlakken van corresponderende voorwerpen.

Alternatief is het mogelijk de in de Z-richting verplaatsende middelen te laten sturen door numerieke stuurinrichting of door een contour volgende inrichting, zodanig dat deze de vorm kan volgen van voorwerpen met een complex volume, bijvoorbeeld diepgetrokken voorwerpen, waarbij het brandpunt F van de 45 C02-Iaserbundel constant op het werkstuk wordt gehouden door verplaatsingen in Z-richting die continu worden gestuurd door de vorm van het werkstuk.

Het is duidelijk dat de uitvinding eveeens toepasbaar is met een willekeurig aantal lineaire verplaatsings-assen of rotatieassen met behulp van portalen of verplaatsingsmiddelen die bij conventionele gereedschapsmachines bekend zijn; als variant kan de uitvinding gebruik maken van een industriële robot van bekend 50 type die programmeerbaar is of nummeriek wordt bestuurd, voor het dragen van het mechanische samenstel, bestaande uit de ondersteuning, de C02-Iaserbron en de bewerkingsmachine, die vast aan de ondersteuning zijn bevestigd, en voor het verplaatsen van het genoemde mechanische samenstel door gerobotiseerde bewegingen volgens gecombineerde assen, die gecoördineerd zijn voor het genereren van het bewerkingstraject.

55 Dank zij de uitvinding is het aantal optische elementen voor de transmissie van de laserbundel tot een absoluut minimum beperkt; de instellling van het concentratie en brandpunt ten opzichte van het oppervlak van het werkstuk geschiedt automatisch en permanent, waarbij het samenstel, omvattende de C02- 3 193239 laserbron en bewerkingskop, wordt verplaatst met behulp van conventionele verplaatsingsmiddelen. Na tevoren de geometrische positie van het brandpunt F ten opzichte van de gemeenschappelijke ondersteuning te hebben ingesteld tijdens de mechanische assemblage van de inrichting, is dan geen verdere instelling meer noodzakelijk voor het verkrijgen van een constante en onveranderlijke, maximale werkzaam-5 heid van de laserbundel voor de bewerking, ongeacht de afmetingen van de werkstukken en de trajecten en de oriëntatie van de betreffende verplaatsingen.

In figuur 4 is een andere inrichting volgens de uitvinding aangegeven, waarbij het mogelijk is de oriëntatie van de COz-laserbundel en de invalshoek van de C02-Iaserbundel te wijzigen, zodanig dat de geometrie van de werkzone of bewerkingszone wordt gewijzigd.

10 In het afgebeelde voorbeeld zijn de C02-laserbron 11 en de ondersteuning 12 daarvan, verplaatsbaar volgens de drie hoofdcomponenten X, Y, Z van een tweevlak met drie rechte hoeken met behulp van niet afgebeelde verplaatsingsstuurmiddelen en bij de uitgang van de C02-Iaserbundel worden gecombineerde rotatiebewegingen opwekkende middelen gemonteerd, waarvan de rotatieassen in hoofdzaak samenkomen bij het brandpunt F van de laserbundel bij de uitgang van de bewerkingskop; het resultaat is dat de 15 invalshoek of raakhoek van de laserbundel willekeurig kan worden vastgesteld, de invalsrichting kan naar wens worden gekozen volgens een samenstel van radiale richtingen die corresponderen met een bundel van rechte lijnen die door het punt van samenkomst F van de rotatieassen gaan.

Voor dit doel is een eerste beweegbaar samenstel 13 met behulp van legers 13a en 13b roteerbaar gemonteerd op de ondersteuning 12 bij de uitgang S van de C02-Iaserbundel en wordt gestuurd door een 20 motor 14 die een rondsel 15 aandrijft dat al dan niet direct in aangrijping is met een tandwiel 16, zodanig dat de rotatie-as van het roterende samenstel 12 correspondeert met de optische as van de C02-laserbundel; een tweede beweegbare samenstel 17 is roteerbaar gemonteerd op het uiteinde van het eerste beweegbare samenstel 13 met behulp van legers 17a en 17b en wordt gestuurd door een motor 18 die een rondsel aandrijft dat al dan niet direct in aangrijping is met een tandwiel 20, zodanig dat de rotatie-as van 25 het beweegbare samenstel 17 in hoofdzaak samenvalt met de rotatie-as van het roterende samenstel 13 op een focusseermiddelpunt van de C02-Iaserbundel.

Bij voorkeur is de motor 14 een elektromotor die vast is bevestigd op de ondersteuning 12 en volgens XYZ verplaatsbaar is en de motor 18 is een elektromotor die vast is bevestigd op het uiteinde van het eerste beweegbare samenstel 13; deze opstelling reduceert de massa en de traagheid van de bewegende 30 samenstellen ten opzichte van elkaar hetgeen de reactiesnelheden en de verplaatsing van de bewerkingskop met de twee beweegbare samenstellen 13 en 17 maximaal maakt.

De beweegbare samenstellen zijn bij voorkeur hol en buisvormig en hebben een doorgang voor de C02-Iaserbundel.

Voor het geleiden van de C02-Iaserbundel in hoofdzaak volgens de symmetrie-as van de beweegbare 35 samenstellen 13 en 17, zijn spiegels 21, 22, 23 en 24 aangebracht, welke de C02-Iaserbundel weerkaatsen en ombuigen, waarbij het samenstel van spiegels 21 tot 24 de C02-Iaserbundel naar de focusseeriens 25 leiden die de C02-Iaserstraal concentreert op het brandpunt F dat zich bevindt op het snijpunt van de rotatieassen van het eerste beweegbare samenstel 13 en van het tweede beweegbare samenstel 17.

De laserbundel volgt derhalve het volgende traject: bij het verlaten van de uitgang S van de C02-40 laserbron 11 beweegt de bundel zich volgens de richting van de rotatie-as van het eerste beweegbare samenstel 13 naar de spiegel 21 door welke de bundel wordt weerkaatst en omgebogen naar de spiegel 22 (de spiegels 21 en 22 zijn bij voorkeur beide vast verbonden met het eerste beweegbare samenstel 13 en bevinden zich op een onveranderlijke afstand van de uitgang S van de laserbron 11 gelijk aan de ontwikkelde lengte van het optische traject); de bundel wordt vervolgens door de spiegel 22 weerkaatst en 45 omgebogen naar de binnenruimte van het beweegbare samenstel 17 en treft daar een derde spiegel 23 die weerkaatst en ombuigt naar een vierde spiegel 24 die de bundel weerkaatst en ombuigt naar de focusseeriens 25 (de spiegels 23 en 24 en de focusseeriens 25 zijn bij voorkeur alle vast verbonden met het tweede beweegbare samenstel 17 en bevinden zich op een onveranderlijke afstand van de tweede ombuigspiegel 22 gelijk aan de ontwikkelde lengte van het optische traject).

50 Bij de aldus tevoren bepaalde mechanische montage verandert het punt F of het focusseercentrum niet van geometrische positie terwijl men de twee beweegbare samenstellen 13 en 17 in beweging brengt en ; deze om hun assen doet draaien, omdat het punt F zich bevindt bij het snijpunt van de twee rotatie-assen.

Het resultaat is dat ongeacht de oriëntaties van de genoemde rotaties, de geometrische positie van het punt F volledig bepaald blijft door de drie bekende coördinaten X, Y en Z.

55 Daarentegen kan door modificatie van de oriëntatie van de C02-Iaserbundei door middel van de twee genoemde rotaties, de invalshoek van de bundel worden ingesteld tussen twee bewerkingsposities door inval in een eerste richting, zoals afgebeeld met getrokken lijnen, en een bewerkingspositie door inval in een

Claims

193239 4 tweede richting, zoals afgebeeld met streep-stippellijnen. Aldus zijn volgens de uitvinding de bewerkingstrajecten volledig gedefinieerd door de drie cartesiaanse coördinaten X, Y en Z, terwijl de twee genoemde rotaties het mogelijk maken de oriëntatie van de laserbundel ten opzichte van het vlak van het te snijden voorwerp te regelen; deze uitvoering is bijzonder 5 gunstig omdat daardoor het programmeren van de bewegingen van de bewerkingskop wordt vereenvoudigd en deze het mogelijk maakt dat het elektronisch commando van de inrichting volgens de uitvinding automatisch in de verwerker van de coördinaten geïnterpreteerd, zodat noodzakelijke correcties worden uitgevoerd en het concentratiepunt van de C02-Iaserbundel ten opzichte van het oppervlak van het werkstuk wordt gepositioneerd. 10 In deze uitvoeringsvorm blijft, evenals in de andere uitvoeringsvormen die onder verwijzing naar 1 tot 3 zijn beschreven, de ontwikkelde lengte van het optische traject van de C02-Iaserbundei tussen de uitgang S en het brandpunt F onveranderd ondanks verplaatsingen die in het traject optreden. Met name is de genoemde totale ontwikkelde lengte gelijk aan de som van de segmenten die respectievelijk corresponderen met; de afstand op de eerste rotatie-as tussen de uitgang S en het midden van de spiegel 21, de afstand 15 tussen de middens van de spiegels 21 en 22, de afstand op de tweede rotatie-as tussen de middens van de spiegels 22 en 23, de afstand tussen de middens van de spiegels 23 en 24, de afstand tussen de middens van de spiegel 24 en de lens 25 en de brandpuntafstand van de lens 25 die de positie bepaalt van het brandpunt F. Bij voorkeur wordt bij een, meerdere of alle beschreven uitvoeringsvormen een pijp of dop 26 aange-20 bracht bij het focusseermiddei 5 of 25 zodat via een toevoerbuis 27 een gasfluïdum onder druk kan worden geïnjecteerd, welk gas van bekend type kan zijn voor het ondersteunen van de bewerking, het beschermen van de optische elementen tegen vrijkomende metaaldampen of voor het optimaliseren van een ander bewerkingsproces. De uitvinding is niet beperkt tot de beschreven uitvoeringsvoorbeelden maar strekt zich uit over alle 25 vormveranderingen en uitvoeringsvarianten waar het wezen van de uitvinding, zoals in de bijgevoegde conclusies gedefinieerd, wordt toegepast. 30

1. Inrichting voor het uitvoeren van bewerkingen met behulp van een laserbundel, in het bijzonder een C02-Iaserbundel, voorzien van eerste verplaatsingsmiddelen (X, Y) en tweede verplaatsingsmiddelen (Z) voor een laserbewerkingskop die de laserbundel concentreert op een brandpunt op het werkstuk, met het kenmerk, dat de laserbron (3; 11), de laserbewerkingskop (4; 26) en de focusseermiddelen (5, 25) voor de 35 laserbundel alle op eenzelfde verplaatsbare ondersteuning (1; 10; 12,13,17) zijn gemonteerd, waarbij de totale lengte van het optisch traject tussen de uitgang (2, 5) van de laserbron (3,11) en de focusseermiddelen (5, 25) en dus het brandpunt (F) onveranderd blijft, hoe ook de bewegingen zijn die door de verplaatsingsmiddelen (X, Y, Z) worden teweeggebracht.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de ondersteuning (1) een hoekvormige gedaante 40 heeft met een terugkaatsmiddel (M) voor de laserbundel op de bewerkingskop (4).

3. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de ondersteuning (10) een rechtlijnige gedaante heeft en de bewerkingskop (4) is geplaatst op de optische as van de laserbundel die de uitgang (2) van de laserbron (3) verlaat. Hierbij 2 bladen tekening