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Dokumentenidentifikation DE102004007178B4 12.01.2006
Titel Laserbearbeitungskopf
Anmelder Precitec KG, 76571 Gaggenau, DE
Erfinder Kessler, Berthold, 35753 Greifenstein, DE;
Schürmann, Bert, Dr., 76571 Gaggenau, DE;
Bernges, Jörg, 76571 Gaggenau, DE
Vertreter TER MEER STEINMEISTER & Partner GbR Patentanwälte, 81679 München
DE-Anmeldedatum 13.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004007178
Offenlegungstag 08.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse B23K 26/10(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse B23K 26/04(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      G02B 5/08(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks (11) mittels eines Laserstrahls (12) mit einem Gehäuse (13), durch das hindurch ein Arbeitsstrahlengang (14) für den Laserstrahl (12) von einem Laserstrahleinlass (15) zu einer Auslassöffnung (18) für den Laserstrahl (12) geführt ist, und mit einer Fokussieroptik (7, 8, 9) zur Fokussierung des Laserstrahls (12) in einen Arbeitsfokus (19), der außerhalb des Gehäuses (13) mit Abstand zur Auslassöffnung (18) liegt. Um bei einem derartigen Laserbearbeitungskopf eine Scan- oder Abtastbewegung des Arbeitsfokus auf einfache und kostengünstige Weise zuverlässig zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Fokussieroptik (7) zumindest einen ersten abbildenden Spiegel (17) aufweist, der den einfallenden Laserstrahl (12) in den Arbeitsfokus (19) fokussiert und der um eine Drehachse (21) drehbar ist, die mit einer optischen Achse (22) des einfallenden Arbeitsstrahlengangs (14') koaxial ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls und insbesondere einen derartigen Laserbearbeitungskopf, der zum Einsatz mit Scannersystemen, wie sie beispielsweise für das Remote-Schweißen eingesetzt werden, geeignet ist.

Die Firma Kuka hat im September 2003 das sogenannte Roboscanverfahren zur Werkstückbearbeitung vorgestellt, bei dem ein standardmäßiger Laserschweißkopf mit einer Fokussieroptik, die eine große Brennweite aufweist, durch Schwenken des Roboterhandgelenks eine schnelle Bewegung des Laserbearbeitungspunktes, also des Arbeitsfokus auf dem Werkstück erzeugt. Hierbei wird also der Arbeitsfokus nicht nur durch das Verfahren der Roboterhand in drei den Raum aufspannenden Richtungen erzielt, sondern auch durch zusätzliches Schwenken der Fokussieroptik mittels der Roboterhand.

Damit lassen sich wesentlich höhere Positioniergeschwindigkeiten für den Arbeitsfokus erreichen, als allein mit dem Verfahren der Roboterhand.

Darüber hinaus sind bereits Scanneroptiken für Laserbearbeitungsköpfe bekannt, mit deren Hilfe eine schnelle Bewegung des Arbeitsfokus auf dem Werkstück erreicht werden kann. Hierzu werden ein oder zwei Galvanospiegel, also Spiegel die galvanisch verstellbar sind, eingesetzt, die den parallelen Laserstrahl ablenken, sodass er eine nachgeschaltete F-theta Scanneroptik in verschiedenen Positionen trifft, die den Laserstrahl dann in den Arbeitsfokus auf dem Werkstück fokussiert.

Darüber hinaus beschreibt die DE 102 30 960 A1, die eine Laserbearbeitungsmaschine betrifft, das bei Scannersystemen, die zum Beispiel zum Remote-Welding eingesetzt werden vor den Ablenkspiegeln (Scannerspiegeln) eine verfahrbare Optik angeordnet ist, über welche die Fokuslage des von den Scannerspiegeln verschobenen Laserstrahls variiert werden kann.

Laserbearbeitungsköpfe, bei denen Scannersysteme mit F-theta Scannerlinsen und Galvanospiegeln eingesetzt werden sind aufgrund der verwendeten Bauelemente teuer. Darüber hinaus ist die Temperaturabführung bei Galvanospiegeln schwierig, was zu einer Leistungsbegrenzung führt. Ebenso begrenzen Galvanospiegel den Strahldurchmesser des parallelen Laserstrahlbündels, was bei großen Fokussierbrennweiten zu einer Beschränkung des Abbildungsverhältnisses führt.

Die JP 03-018494 A beschreibt einen Laserbearbeitungskopf, bei dem ein paralleler Arbeitslaserstrahl auf einen Fokussierspiegel trifft, der von einem Motor über ein Getriebe drehbar ist, um eine Abtastbewegung auf einer Werkstückoberfläche ausführen zu können.

Aus der DE 199 55 574 A1 ist es bekannt, für die zwei- oder dreidimensionale Laserbearbeitung Scannerspiegel und Umlenkspiegel gemeinsam einzusetzen.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen weiteren Laserbearbeitungskopf, der insbesondere für den Einsatz in Scannersysteme geeignet ist, bereitzustellen, der eine zwei-dimensionale Scan- oder Abtastbewegung des Arbeitsfokus auf einfache und kostengünstige Weise zuverlässig ermöglicht.

Diese Aufgabe wird jeweils durch die Laserbearbeitungsköpfe nach Anspruch 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist also bei einem Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse, durch das hindurch ein Arbeitsstrahlengang für den Laserstrahl von einem Laserstrahleinlass zu einer Auslassöffnung für den Laserstrahl geführt ist, und mit einer Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls in einen Arbeitsfokus, der außerhalb des Gehäuses mit Abstand zur Auslassöffnung liegt, vorgesehen, dass die Fokussieroptik einen ersten abbildenden Spiegel, der den einfallenden Laserstrahl in den Arbeitsfokus fokussiert und der um eine Drehachse drehbar ist, die mit einer optischen Achse des einfallenden Arbeitsstrahlengangs koaxial ist und einen weiteren abbildenden Spiegel aufweist, der den einfallenden Laserstrahl kollimiert und auf den ersten abbildenden Spiegel lenkt und der um eine Drehachse drehbar ist, die mit einer optischen Achse des einfallenden Arbeitsstrahlengangs koaxial ist, und dass der erste abbildende Spiegel bei einer Drehung des weiteren abbildenden Spiegels um seine Drehachse eine Schwenkbewegung um diese Drehachse ausführt, die der Schwenkbewegung der, bezogen auf den weiteren abbildenden Spiegel, optischen Achse des ausfallenden Arbeitsstrahlengangs entspricht.

Durch die Kombination von zwei drehbaren Spiegeln lässt es sich erreichen, dass nicht nur eine lineare Abtastung, sondern auch eine flächenmäßige Abtastung des Werkstücks mit dem Arbeitsfokus durchgeführt werden kann.

Durch die Drehbarkeit des ersten abbildenden Spiegels, lässt es sich dabei auf einfache Weise erreichen, dass der Arbeitsfokus in einer Richtung eine schnelle Scanbewegung über das Werkstück ausführt, ohne dass den Durchmesser des Laserlichtbündels zusätzlich begrenzende optische Elemente erforderlich wären. Ein weiterer Vorteil ist es, dass aufgrund der Verwendung abbildender Spiegel die Optik sehr leicht und kostengünstig gestaltet werden kann. Auch Dispersionseffekte, wie sie bei transmissiven Optiken auftreten, werden durch Spiegel ausgeschlossen. Ferner lässt sich ein Spiegel leicht schwenken, da er nur ein kleines Trägheitsmoment besitzt.

Die Verwendung von zwei Spiegeln, also die Kombination eines Kollimatorspiegels mit einem Fokussierspiegel hat darüberhinaus den Vorteil, dass sich praktisch jedes gewünschte Abbildungsverhältnis für die Abbildung eines kleinen von einer Lichtleitfaser gelieferten Laserflecks in den Arbeitsfokus einfach realisieren lässt.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fokussieroptik einen ersten abbildenden Spiegel, der den einfallenden Laserstrahl in den Arbeitsfokus fokussiert und der um eine Drehachse drehbar ist, die mit einer optischen Achse des einfallenden Arbeitsstrahlengangs koaxial ist, ein Kollimatorobjektiv, das den Laserstrahl kollimiert, und ein zwischen dem Kollimatorobjektiv und dem ersten abbildenden Spiegel angeordnetes zerstreuendes Abbildungselement aufweist, das ein divergentes Laserstrahlbündel auf den ersten abbildenden Spiegel lenkt, und dass der erste abbildende Spiegel gemeinsam mit dem zerstreuenden Abbildungselement in Richtung des vom Kollimatorobjektiv ausgehenden parallelen Laserstrahlbündels linear verschiebbar ist. Hier lässt sich also eine schwenkende Scanbewegung des Arbeitsfokus, die durch Drehen des ersten abbildenden Spiegels erreicht wird, mit einer linearen Abtastbewegung kombinieren, die durch eine Verschiebung des ersten abbildenden Spiegels gemeinsam mit dem zerstreuenden Abbildungselement entlang dem parallelen Laserlichtbündel erfolgt.

Grundsätzlich ist es denkbar, auch das Kollimatorobjektiv und das zerstreuende Abbildungselement als Spiegel auszubilden, jedoch ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Kollimatorobjektiv und/oder das zerstreuende Abbildungselement transmissive optische Elemente sind.

Obwohl aufgrund der durch die großen Brennweiten ermöglichten relativ großen Arbeitsabstände zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstückoberfläche kaum die Gefahr besteht, dass Spritzer die Fokussieroptik treffen, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Fokussieroptik von einem Schutzglas abgeschlossen wird, das zwischen dem ersten abbildenden Spiegel und dem Arbeitsfokus angeordnet ist.

Der oder die Spiegel weist oder weisen eine rotationssymmetrische Spiegelfläche auf, wobei die Rotationssymmetrieachse des oder der Spiegel mit der optischen Achse des jeweiligen einfallenden Arbeitsstrahlengangs einen Winkel einschließt, der größer als 0° und kleiner als 90°, vorzugsweise größer als 20° und kleiner als 80°, besonders bevorzugt größer als 40° und kleiner als 50°, insbesondere etwa gleich 45° ist.

Robuste und zuverlässige Spiegel werden erhalten, wenn die Spiegel aus Metall gefräst werden, wobei vorzugsweise aus Gewichtsgründen Aluminium verwendet wird. Der bzw. die Spiegel sind zweckmäßigerweise mit einer hoch-reflektierenden Beschichtung versehen.

Die Verwendung von Metall, insbesondere Aluminium hat darüber hinaus den Vorteil, dass sich der Spiegel gut mit Luft kühlen lässt. Für eine derartige Luftkühlung können gegebenenfalls entsprechende Formen des Spiegelkörpers gewählt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit schwenkbarer Fokussieroptik,

2 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und

3 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In 1 ist schematisch ein herkömmlicher Laserbearbeitungskopf 10 zur Bearbeitung eines Werkstücks 11 mittels eines Laserstrahls 12 dargestellt, der ein Gehäuse 13 aufweist, durch das hindurch ein Arbeitsstrahlengang 14 für den Laserstrahl 12 hindurchgeführt ist. Der Arbeitsstrahlengang erstreckt sich dabei von einem Laserstrahleinlass 15, der beispielsweise von einer Lichtaustrittsfläche einer optischen Lichtleitfaser 16 gebildet ist, über einen ersten abbildenden Spiegel 17 einer Fokussieroptik 7 durch eine Auslassöffnung 18 hindurch zum Arbeitsfokus 19, der auf der Oberfläche des Werkstücks 11 zur Bearbeitung des Werkstücks verschoben wird. Vorteilhafterweise ist die Auslassöffnung 18 von einem Schutzglas 20 abgeschlossen, dass das Eindringen von Verunreinigungen, insbesondere von Spritzern, Schweißrauch und Dämpfen aus der Wechselwirkungszone zwischen Arbeitsfokus 19 und Werkstück 11 verhindert.

Der erste abbildende Spiegel 17, der bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 gleichzeitig als Kollimator- und Fokussierspiegel dient, ist um eine Drehachse 21 drehbar gelagert, die mit der optischen Achse 22 des einfallenden Arbeitstrahlengangs 14' coaxial ist. Wird der erste abbildende Spiegel 17 um seine Drehachse 21 gedreht, so führt der ausfallende Arbeitsstrahlengang 14'' mit seiner optischen Achse 23 eine Schwenkbewegung durch, die eine schnelle Positionierung des Arbeitsfokus 19 auf der Oberfläche des Werkstücks 11 ermöglicht.

Da der erste abbildende Spiegel 17 zusammen mit den mit ihm gemeinsam zu drehenden bzw. schwenkenden Elementen nur ein kleines Trägheitsmoment besitzt, lässt sich eine präzise und schnelle Positionierung des Laserfokus 19 auf der Oberfläche des Werkstücks 11 erreichen.

Das Schutzglas 20 kann dabei so ausgebildet sein, dass es der Schwenkbewegung des ausfallenden Arbeitsstrahlengangs 14'' nicht folgt. Es ist aber auch möglich, das Schutzglas 20 so anzuordnen, dass es gemeinsam mit dem ersten abbildenden Spiegel 17 bewegt wird, also gemeinsam mit dem ausfallenden Strahlengang 14'' eine Schwenkbewegung um die Drehachse 21 des ersten abbildenden Spiegels 17 ausführt.

Um gegebenenfalls eine Drehbewegung des Gehäuses 13 relativ zur Lichtleitfaser 16 zu ermöglichen, ohne dass diese Torsionskräften ausgesetzt wird, kann zwischen dem Gehäuse 13 und dem Ende der Lichtleitfaser 16 ein entsprechendes Drehlager 24 vorgesehen sein.

Der erste abbildende Spiegel 17 weist eine rotationssymmetrische Fläche auf, die nicht unbedingt sphärisch sein muss und deren Rotationssymmetrieachse 25 sowohl mit der optischen Achse 22 des einfallenden Arbeitsstrahlengangs 14' als auch mit der optischen Achse 23 des ausfallenden Arbeitstrahlengangs 14'' einen Winkel einschließt, der größer als 0° aber kleiner als 90° ist. Dieser Winkel beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 45°, sodass der erste abbildende Spiegel 17 eine Ablenkung des Arbeitsstrahlengangs 14 um 90° bewirkt. Der Winkel kann aber auch je nach Geometrie des Laserbearbeitungskopfes 10 und dem beabsichtigten Einsatz in der Werkstückbearbeitung kleiner oder größer gewählt werden.

Die rotationssymmetrische Fläche des ersten abbildenden Spiegels 17 muss je nach den gewünschten optischen Abbildungseigenschaften berechnet werden, um die benötigten Abbildungsverhältnisse und freien Strahllängen zu erhalten.

Geht man beispielsweise von einer Lichtleitfaser 16 mit einem Kerndurchmesser von 150 &mgr;m und einem Abstand zwischen ersten abbildendem Spiegel 17 und Arbeitsfokus 19 von 1.000 mm aus und benötigt man einen Arbeitsfokus mit einem Durchmesser von 600 &mgr;m, so ergibt sich aus dem geforderten Abbildungsverhältnis &bgr; = 4 eine Brennweite des abbildenden Spiegels 17 von 200 mm, was einen Abstand zwischen Lichtaustrittsfläche der Lichtleitfaser 16 und erstem abbildendem Spiegel 17 von 250 mm ergibt. Bei einer numerischen Apertur der aus der Lichtleitphaser 16 austretenden Laserstrahlung von ca. 180 mrad lässt sich dann die Apertur des ersten abbildenden Spiegels 17 berechnen, die dann einen Durchmesser von ca. 100 mm besitzt.

Im Gegensatz zu Quarzlinsen mit derartig großen Durchmessern lassen sich Spiegel relativ einfach herstellen. Insbesondere wird der erste abbildende Spiegel 17 als Metallspiegel, insbesondere als Aluminiumspiegel durch Fräsen der rotationssymmetrischen Spiegelfläche hergestellt. Die Spiegelfläche wird dabei vorzugsweise mit einer hoch-reflektierenden Beschichtung versehen.

Die Verwendung von Metall, insbesondere von Aluminium hat den Vorteil, dass der Spiegel gut mit Luft kühlbar ist, wobei er auf seiner Rückseite gegebenenfalls mit entsprechenden Kühlrippen versehen werden kann. Als Kühlluft, die auch auf die Spiegelfläche selbst geleitet werden kann, kann ein sogenannter Cross-Jet, also ein quer zum Arbeitsstrahlengang 14 verlaufender Luftstrom verwendet werden, der beispielsweise bei herkömmlichen Laserbearbeitungsköpfen eingesetzt wird, um die dortigen Fokussieroptiken vor Verschmutzungen zu bewaren. Für die Kühlung des Spiegels 17 ist jedoch kein Hochgeschwindigkeitsluftstrom erforderlich, da wegen des großen Abstandes zwischen Laserbearbeitungskopf 10 und Werkstück 11 praktisch keine Spritzer aus der Wechselwirkungszone zwischen Arbeitsfokus 19 und Werkstück 11 mehr zu erwarten sind. Außerdem ist die Fokussieroptik 7 des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes 10 bevorzugterweise durch ein Schutzglas 20 abgeschlossen.

Bei dem erstem Ausführungsbeispiel nach 2 weist die Fokussieroptik 8 neben dem ersten abbildenden Spiegel 17, der hier ein reiner Fokussierspiegel ist, einen weiteren abbildenden Spiegel 26 auf, der als Kollimatorspiegel dient und der um eine Drehachse 27 drehbar ist, die mit der optischen Achse 22 des einfallenden Arbeitsstrahlengangs 14 koaxial ist. Das einfallende divergente Laserlichtbündel wird von dem weiteren abbildenden Spiegel 26 in ein Parallelstrahlbündel umgewandelt, das auf den ersten abbildenden Spiegel 17, also auf den Fokussierspiegel gelenkt wird, der das entlang dem Arbeitsstrahlengang 14''' einfallende parallele Laserlicht in den Arbeitsfokus 19 fokussiert.

Bei beiden Spiegeln handelt es sich widerum wie oben bereits erläutert, um Metallspiegel, die vorzugsweise aus Aluminium gefräst sind und deren rotationssymmetrische Flächen entsprechend den gewünschten Abbildungsverhältnissen und Arbeitsweiten berechnet werden.

Wie bei dem in 1 dargestellten Laserbearbeitungskopf kann der Arbeitsfokus 19 eine Abtast- oder Scanbewegung über das in 2 nicht dargestellte Werkstück 11 ausführen, wenn der erste abbildende Spiegel 17, also der Fokussierspiegel um seine Drehachse 21 gedreht wird.

Die Richtung dieser Schwenkbewegung lässt sich nun durch eine Drehung des weiteren abbildenden Spiegels 26, also des Kollimatorspiegels einstellen, sodass entsprechend der Reichweite der Schwenk- oder Abtastbewegung des Arbeitsfokus 19 jeder beliebige Punkt in der Ebene angesteuert werden kann.

Bei einer Drehbewegung des weiteren abbildenden Spiegels 26, also des Kollimatorspiegels führt der erste abbildende Spiegel gemeinsam mit der, bezogen auf den weiteren abbildenden Spiegel 26 optischen Achse 28 des ausfallenden Arbeitsstrahlengangs 14''', eine Schwenkbewegung um die Drehachse 27 des weiteren abbildenden Spiegels 26 durch.

Die Größe des in der Fläche abtastbaren Bereichs hängt dabei nicht nur von möglichen Drehwinkeln des ersten abbildenden Spiegels 17 und dem Arbeitsfokusabstand ab, sondern auch von dem Abstand zwischen den beiden Spiegeln 17, 26, der den Radius des Kreises bestimmt, auf dem sich der Arbeitsfokus 19 bei einer Drehung des weiteren Spiegels 26 unter Beibehaltung der Drehstellung des ersten abbildenden Spiegels 17 bewegt. Durch geeignete Wahl des möglichen Drehwinkel des ersten Spiegels 17, des Arbeitsfokusabstandes und des Abstandes zwischen Spiegel lässt sich somit der Abtastbereich des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes optimieren.

Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der erste abbildende Spiegel 17, wie anhand von 1 erläutert als kombinierter Kollimator- und Fokussierspiegel eingesetzt. Um eine lineare Schiebung des ersten abbildenden Spiegels 17 in Richtung der optischen Achse 23 des einfallenden Arbeitsstrahlengangs 14' zu ermöglichen, ist zwischen den Laserstrahleinlass 15, also der Lichtaustrittsfläche der Lichtleitfaser 16 und den ersten abbildenden Spiegel 17 nach Art eines terrestrischen Fernrohrs ein Kollimatorobjektiv 30, das den Laserstrahl 12 kollimiert und ein zerstreuendes Abbildungselement 31 vorgesehen, dass das Parallellichtbündel vom Kollimatorobjektiv 30 wieder in ein divergentes Laserstrahlbündel 12' umwandelt und auf den ersten abbildenden Spiegel 17 lenkt.

Das Kollimatorobjektiv 30 und das zerstreuende Abbildungselement 31 sind dabei relativ zueinander verschiebbar angeordnet, wie das durch die ineinander geführten Haltehülsen 32 angedeutet ist. Das Gehäuse 10 ist entweder ebenfalls längenveränderlich ausgeführt oder weist eine Auslassöffnung 18 auf die entsprechend der Länge der Verschiebebewegung ausgebildet ist.

Der Abstand zwischen Kollimatorobjektiv 30 und Laserstrahleinlass 15 wird dabei konstant gehalten und kann so gewählt werden, dass der erforderliche Durchmesser des Kollimatorobjektivs 30 relativ klein gehalten werden kann, was preiswerte Optiken ermöglicht.

Auch der Abstand zwischen zerstreuenden Abbildungselement 31 und erstem abbildendem Spiegel 17 ist konstant.

Aufgrund der Linearverschiebung des ersten abbildenden Spiegels 17 lässt sich die vom Arbeitsfokus aufgrund einer Drehbewegung des Spiegels 17 erhaltenen Abtastlinie parallel zu sich selbst über eine Strecke verschieben, die durch die Verschiebemöglichkeit des Spiegels 17 gegenüber dem Kollimatorobjektiv festgelegt wird. Innerhalb eines durch die mögliche Abtastbreite und den Hub der Verschiebebewegung festgelegten Bereich lässt sich somit jeder Punkt auf der Oberfläche des Werkstücks 11 mit dem Laserfokus 19 ansteuern.

In 3 sind Kollimatorobjektiv und zerstreuendes Abbildungselement als Linsen, also als transmissive Optiken dargestellt. Es ist aber auch denkbar, Kollimatorobjektiv und zerstreuendes Abbildungselement als Spiegeloptiken auszuführen.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen Laserbearbeitungskopf mit einer sehr leichten und kostengünstigen Optik, die keinerlei Dispersionsdefekte liefert. Die Optik kann dabei in Abhängigkeit vom gewünschten Arbeitsabstand und der zur Verfügung stehenden Laserleistung fast beliebig frei gewählt werden. Da nur ein kleines Trägheitsmoment vorliegt, lässt sich ein Schwenken durch die Roboterhand selbst oder durch externe Achsen realisieren. Das Drehlager, das vorgesehen ist, um eine Torsion der Lichtleitfaser 16 beim Drehen des ersten abbildenden Spiegels 17 zu verhindern, kann auch zum Aufbau einer Lötoptik mit taktiler Nahtführung genutzt werden.

Ferner ermöglicht es die Erfindung, die Prozesssensorik, die für die Überwachung des Bearbeitungsprozesses während der Bearbeitung vorgesehen ist weiterhin zu nutzen.

Die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wie sie in 3 dargestellt ist, ermöglicht ebenfalls einen sogenannten Lötkopf mit taktiler Führung, also ein Laserberabeitungskopf mit einem taktilen Fühler, der zur Nachregelung der Position des Laserberabeitungskopf beispielsweise eine Naht oder Rille zwischen zwei zuverbindenden Werkstücken abtastet und so von dieser geführt wird, und benötigt bei der Verwendung von transmissiven Optiken nur solche mit kleinem Durchmesser.


Anspruch[de]
  1. Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks (11) mittels eines Laserstrahls (12) mit:

    – einem Gehäuse (13), durch das hindurch ein Arbeitsstrahlengang (14) für den Laserstrahl (12) von einem Laserstrahleinlass (15) zu einer Auslassöffnung (18) für den Laserstrahl (12) geführt ist; und

    – einer Fokussieroptik (8; 2) zur Fokussierung des Laserstrahls (12) in einen Arbeitsfokus (19), der außerhalb des Gehäuses (13) mit Abstand zur Auslassöffnung (18) vorgesehen ist;

    – wobei die Fokussieroptik (8)

    – einen ersten abbildenden Spiegel (17), der den einfallenden Laserstrahl (12) in den Arbeitsfokus (19) fokussiert und der um eine Drehachse (21) drehbar ist, die mit einer optischen Achse (22) des einfallenden Arbeitsstrahlengangs (14') koaxial ist, und

    – einen weiteren abbildenden Spiegel (26) aufweist, der den einfallenden Laserstrahl (12) kollimiert und auf den ersten abbildenden Spiegel (17) lenkt und der um eine Drehachse (27) drehbar ist, die mit einer optischen Achse (22) des einfallenden Arbeitsstrahlengangs (14') koaxial ist, und

    – wobei der erste abbildende Spiegel (17) bei einer Drehung des weiteren abbildenden Spiegels (26) um seine Drehachse (27) eine Schwenkbewegung um diese Drehachse (27) ausführt, die der Schwenkbewegung der, bezogen auf den weiteren abbildenden Spiegel (26), optischen Achse (28) des ausfallenden Arbeitsstrahlengangs (14''') entspricht.
  2. Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks (11) mittels eines Laserstrahls (12) mit:

    – einem Gehäuse (13), durch das hindurch ein Arbeitsstrahlengang (14) für den Laserstrahl (12) von einem Laserstrahleinlass (15) zu einer Auslassöffnung (18) für den Laserstrahl (12) geführt ist; und

    – einer Fokussieroptik (9) zur Fokussierung des Laserstrahls (12) in einen Arbeitsfokus (19), der außerhalb des Gehäuses (13) mit Abstand zur Auslassöffnung (18) vorgesehen ist;

    – wobei die Fokussieroptik (9)

    – einen ersten abbildenden Spiegel (17), der den einfallenden Laserstrahl (12) in den Arbeitsfokus (19) fokussiert und der um eine Drehachse (21) drehbar ist, die mit einer optischen Achse (22) des einfallenden Arbeitsstrahlengangs (14') koaxial ist,

    – ein Kollimatorobjektiv (30), das den Laserstrahl (12) kollimiert, und

    – ein zwischen dem Kollimatorobjektiv (30) und dem ersten abbildenden Spiegel (17) angeordnetes zerstreuendes Abbildungselement (31) aufweist, das ein divergentes Laserstrahlbündel (12') auf den ersten abbildenden Spiegel (17) lenkt, und

    – wobei der erste abbildende Spiegel (17) gemeinsam mit dem zerstreuenden Abbildungselement (31) in Richtung des vom Kollimatorobjektiv (30) ausgehenden parallelen Laserstrahlbündels (12'') linear verschiebbar ist.
  3. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kollimatorobjektiv (30) und/oder das zerstreuende Abbildungselement (31) transmissive optische Elemente sind.
  4. Laserbearbeitungskopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (8, 9) von einem Schutzglas (20) abgeschlossen wird, das zwischen dem ersten abbildenden Spiegel (17) und dem Arbeitsfokus (19) angeordnet ist.
  5. Laserbearbeitungskopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Spiegel (17, 26) eine rotationssymmetrische Spiegelfläche aufweist bzw. aufweisen.
  6. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationssymmetrieachse (25) des oder der Spiegel (17, 26) mit der optischen Achse (22, 28) des jeweiligen einfallenden Arbeitsstrahlengangs (14', 14''') einen Winkel einschließt, der größer als 0° und kleiner als 90°, vorzugsweise größer als 20° und kleiner als 80°, besonders bevorzugt größer als 40° und kleiner als 50°, insbesondere etwa gleich 45° ist.
  7. Laserbearbeitungskopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Spiegel (17, 26) aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium gefräst sind.
  8. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das der bzw. die Spiegel (17, 26) mit einer hoch-reflektierenden Beschichtung versehen sind.
  9. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das der bzw. die Spiegel (17, 26) luftkühlbar sind.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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