DE3213667C2 - Laserbearbeitungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen können beispielsweise zum Ver­ schweißen, Schneiden, Oberflächenhärten und dergleichen von metallischen Materialien verwendet werden. Es ist bekannt, daß diese Vorrichtungen im wesentlichen eine Laserlichtquelle, ein Fokussiersystem und wenigstens einen schwingfähigen Spiegel aufweisen, der den von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahl in die Zone reflek­ tiert, in der der gewünschte Arbeitsvorgang durchgeführt werden soll.

So ist aus der DE 24 16 436 C2 eine Laseranordnung bekannt, bei der ein Laserstrahl durch ein besonderes System von Umlenkspiegeln auf ein vorgegebenes Zielfeld eines metallischen Werkstücks gerichtet wird, und zwar derart, daß der Oberflächenbereich dieses Werkstücks möglichst gleichmäßig und in einer definierten Tiefe beheizt wird. Zu diesem Zweck ist eine möglichst gleich­ mäßige Überstreichung des Zielfeldes erforderlich. Ein erstes, in dieser Druckschrift beschriebenes System besteht aus einem, um eine Achse pendelnd gelagerten Spiegel, dem - in Richtung eines eintretenden Laser­ strahls gesehen - ein fokussierend wirkender Spiegel vorgelagert ist, wobei der von dem Pendelspiegel reflek­ tierte konvergente Strahl auf einem weiteren ortfesten, fokussierend wirkenden Spiegel reflektiert wird und auf einen um eine senkrecht zur Achse des Pendelspiegels drehbaren Ablenkspiegel trifft, wobei der von dem letzt­ genannten Spiegel reflektierte Strahl auf das Werkstück trifft. Das Werkstück ist parallel zur Achsrichtung des Ablenkspiegels verschiebbar. Aus der Überlagerung der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks sowie der Schwing­ bewegung des Pendel- und des Ablenkspiegels ergibt sich eine streifenartige Abtastung des Zielfeldes, deren Breite durch die Amplitude der Drehschwingung des Ablenk­ spiegels bestimmt wird, wobei durch unterschiedliche Maßnahmen sichergestellt ist, daß ein Abtasten der Werkstückoberfläche lediglich in einer Schwingungsrich­ tung des Ablenkspiegels stattfindet, wohingegen in der anderen Richtung die Bestrahlung unterbrochen ist oder eine Bewegung mit sehr hoher Geschwindigkeit erfolgt, welche keine nennenswerte Bestrahlung des Werkstücks mit sich bringt. Modifikationen dieses Systems betreffen die Schwingungssauslenkung des Ablenkspiegels um zwei zuein­ ander senkrechte Achsen sowie die Vorsehung von zwei, jeweils um zueinander senkrechte Achsen schwingfähige Ablenkspiegel, wobei unterschiedliche Ablenkfrequenzen, Amplituden und Phasenlagen der beiden Schwingbewegungen erzeugt und auf das Werkstück projiziert werden können, so daß sich unterschiedliche Geometrien der Zielfelder ergeben. Der Drehschwingungsantrieb ist in dieser Druck­ schrift nur schematisch widergegeben. Er kann beispiels­ weise aus Oszillatoren in Verbindung mit einem Impuls­ netzwerk bestehen oder aus einem Motor, einer Nocken­ scheibe und einem nach Art eines Feder-Masse-Systems ausgebildeten, den Ablenkspiegel tragenden Kippträgers bestehen. Insbesondere im letzten genannten Fall ist nicht erkennbar, wie in einfacher Weise die Drehwinkel­ amplitude des Ablenkspiegels veränderbar ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend auszugestalten, daß eine einfache Einstellbarkeit des Bereichs möglich ist, in dem der Laserstrahl wirksam ist, d. h. in dem Schweiß-, Schneid-, Härtungs- und sonstige Bearbeitungsvorgänge durchzufüh­ ren sind.

Gelöst ist diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Erfindungswesentlich ist hiernach ein speziell ausgebil­ detes Kurvengetriebe, welches die Drehbewegung eines Motors in die Schwingbewegung eines Spiegels umsetzt und welches die Einstellung unterschiedlicher Drehwinkelampli­ tuden ermöglicht. Dies wird erreicht durch zwei, gegen­ über einer Antriebswelle exzentrische Bauteile, welche zwar miteinander gekuppelt sind, jedoch hinsichtlich ihrer relativen Drehwinkelstellung verdrehbar sind, so daß entsprechend der Verdrehbarkeit dieser Bauteile relativ zueinander die Gesamtexzentrizität gegenüber der Antriebswelle in einfacher Weise verstellbar ist. Diese Gesamtexzentrizität bildet den für die Einstellung einer bestimmten Drehwinkelamplitude maßgeblichen Parameter des Kurvengetriebes und es kann auf diese Weise die Drehwinkelamplitude schnell und zugleich mit der erfor­ derlichen Genauigkeit eingestellt werden. Durch die Drehwinkelamplitude ist unmittelbar der Winkel α und damit der Bereich der zu behandelnden Werkstückoberfläche festgelegt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungen beispielhaft dargestellte, jedoch keineswegs den Schutzumfang der Erfindung begrenzende Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Teil der erfindungsge­ mäßen Laservorrichtung unter gleichzeitiger Darstellung eines Anwendungsfalles;

Fig. 2 eine vergrößerte teilweise Ansicht der Vorrich­ tung gemäß Fig. 1 entsprechend einer Schnittebene II-II.

Mit der Bezugsziffer 1 ist in Fig. 1 allgemein eine Halterung eines Spiegels 2 bezeich­ net, der so angeordnet ist, daß er während der Benutzung einen Laserlichtstrahl 3 in einen Bereich 4 ablenkt, der durch die beiden aneinander gegenüberliegenden Kanten von Werkstücken 5 und 6 bestimmt ist, die entlang ihrer Kanten miteinander verschweißt werden sollen. Die Halterung 1 ist Teil einer nicht weiter dargestellten Maschine, die eine ebenfalls nicht dargestellte Quelle aufweist, die den Laserlichtstrahl 3 aussendet und die ebenso ein nicht dargestelltes, den Laserlichtstrahl bündelndes Fokussiersystem und vorteilhafterweise andere reflektierende Spiegel umfaßt.

Die Halterung 1 ist vorteilhafterweise auf einem Vibrationen dämpfenden Bett 8 aufgelagert, an dem eine vertikal verlaufende Trägerplatte 10 mittels Schrauben­ bolzen 9 befestigt ist. Die Trägerplatte 10 haltert in freitragender Weise über einen Verbindungsflansch 12 einen Motor 11 und ebenso in mittlerer Lage eine Riemen­ scheibe 14, die mittels eines Riemens 15 mit einer entsprechenden, auf einer Welle 17 des Motors aufgekeil­ ten Riemenscheibe 16 gekuppelt ist. Mit der Riemenschei­ be 14 ist eine allgemein mit 20 bezeichnete Einrichtung zur Erzeugung einer Bewegungsumkehr verbunden. Diese Einrichtung ist in der Lage, eine Drehbewegung einer Welle 21 der Riemenscheibe 14 in eine axial schwingende Bewegung eines Zapfens 22 einer Verbindungsstange 23 mit einstellbarer Amplitude umzuwandeln. Die Platte 10 haltert an einem Ende auch einen Zapfen 25, um den sich ein Ende eines Armes 26 dreht, dessen entgegengesetztes Ende mit einem Ring 27 verbunden ist. Der einen Kippträ­ ger 27 bildende Ring halterts mittels Schraubenbolzen 28 eine Platte 29, die vorteilhaft kreisförmig ist und die in einem bestimmten Abstand von dem Kippträger mittels einer Vielzahl von rohrförmigen Abstandshaltern 30 gehalten ist. In dem Bereich, der entgegensetzt zu demjenigen gelegen ist, der dem Kippträger 27 zugekehrt ist, haltert die Platte 29 den Spiegel 2. Schließlich weist der Kippträger einen radialen Vorsprung 32 auf, der sich zu dem äußeren Bereich des Kippträgers hin erstreckt und mittels eines Zapfens 33 mit einem Gabel­ element 34 gekuppelt ist. Das Gabelelement 34 steht mit dem Zapfen 22 der Verbindungsstange 23 an deren, der Einrichtung 20 gegenüberliegenden Seite in Verbindung.

Es wird im folgenden auf die Fig. 2 Bezug genommen. Dort erkennt man, daß sich die Welle 21 der Riemenscheibe 14, (Fig. 1) um eine zugehörige Achse 35 dreht und mittels eines Lagers 36 in einem Trägerkörper 37 gelagert ist, der in geeigneter, nicht weiter dargestellter Weise mit der in der Fig. 1 dargestellten Platte 10 verbunden ist. Das Lager 36 ist in dem Trägerkörper 37 zweckmäßigerweise mittels eines Flansches 39 und Schraubenbolzen 40 - von denen lediglich einer, in Fig. 2 zu sehen ist - festge­ legt. Die Welle 21 besitzt auch einen sich über den Flansch 39 hinaus erstreckende Abschnitt 42 mit einer Achse 43, die mit der Achse 35 nicht zusammenfällt; daher dreht sich der Abschnitt 42 der Welle 21 exzen­ trisch um die Welle 21. Der Abschnitt 42 haltert seiner­ seits ein rohrförmiges Exzenterglied 44, mit dem das Auge 46 der Verbindungsstange 23 über ein Lager 45 verbunden ist. Das Exzenterglied 44 besitzt eine Achse, die allgemein mit der Bezugsziffer 48 bezeichnet ist, deren Abstand von der Achse 43 vorzugsweise gleich ist dem Abstand zwischen der letzteren und der Achse 35 der Welle 21. Das rohrförmige Exzenterglied 44 und der exzentrische Abschnitt 42 der Welle 35 sind relativ zueinander verdrehbar und zu diesem Zweck sind Mittel vorgesehen, die sowohl eine Verstellung dieser Elemente zueinander als auch eine Verriegelung des Exzenterglie­ des 44 bezogen auf den Abschnitt 42 nach Durchführung des Verstellvorganges erlauben, so daß das Exzenterglied über die Welle 21 antreibbar ist. Diese Mittel können sogar sehr verschieden voneinander sein. Beispielsweise ist es möglich, an dem Abschnitt 42 eine Radialverzah­ nung und an dem Exzenterglied 44 einen Radialsitz vorzu­ sehen, der an der Seite angeordnet ist, die zu der Verzahnung hinweist und ebenso groß wie die zwischen zwei benachbarten Zähnen der Verzahnung befindliche Ausnehmung ist. Eine der Form angepaßte Feder könnte dann so angeordnet werden, daß sie den durch den Sitz und die Ausnehmung begrenzten Raum ausfüllt, um den Abschnitt 42 und das Exzenterglied 44 miteinander zu koppeln oder um die Drehung des Exzentergliedes 44 bezogen auf die Welle zu ermöglichen, wenn sie herausge­ zogen ist. Es besteht andererseits auch die Möglichkeit, diese Mittel dadurch zu schaffen, daß man eine bekannte, am Markt als "harmonischer Antrieb" bekannte Einheit verwendet, die im wesentlichen aus einem eine Schwingung erzeugenden elliptischen, mit einem Kugellager versehe­ nen Element, einer flexiblen Zahnscheibe, deren Zähne nach außen gewandt sind und die dann, wenn sie auf dem elliptischen Element montiert ist, dessen elliptische Form annimmt und aus eine starre Zahnscheibe bestehen, deren Zähne nach innen gewandt sind, wobei die Anzahl der Zähne geringfügig höher ist als diejenige der Zähne der flexiblen Zahnscheibe. Die Verzahnungen beider Zahnscheiben kämmen miteinander an den Enden der Haupt­ achse des elliptischen Elements. In diesem spezifischen Fall würde das elliptische Element mit dem Abschnitt 42 lösbar verbunden sein und die Verzahnung wäre an dem Exzenterglied fest angebracht. Beim Einstellvorgang würde das elliptische Element außer Eingriff mit dem Abschnitt 42 gebracht werden, so daß eine Drehung dieses Elements um seine Achse eine fortschreitende Versetzung des Exzentergliedes 44 bezogen auf den Abschnitt 42 erzeugen würde. In der Arbeitsstellung wären das ellip­ tische Element, der Abschnitt 42, die starre Zahnscheibe und das Exzenterglied 44 starr miteinander verbunden, so daß diese Teile mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit rotieren.

Der Abschnitt 42 bildet mit der Achse 43 eine erfindungs­ gemäß eingerichtetes Kurvengetriebe.

Das Lager 45 ist an dem Exzenterglied 44 mittels eines Distanzgliedes 49 und einer Ringmutter 50 befestigt, die mit einem entsprechenden, auf dem Exzenterglied 44 angeordneten Endgewindeabschnitt gekuppelt ist. Das Auge 46 der Verbindungsstange 23 jedoch ist mit der äußeren Lagerschale des Lagers 45 mittels eines Flansches 51 und einer Vielzahl von Schraubenbolzen 52 verbunden, von denen nur einer in Fig. 2 gezeigt ist.

Der Zapfen 22 der Verbindungsstange 23 besitzt einen ersten und einen zweiten mit Gewinde versehenen Abschnitt 54, 55, deren aufeinander zu weisende Enden über eine Verbindungstange 56 verbunden sind. Durch Einwirkung auf die Verbindungsstange 56 ist es möglich, die Länge des Zapfens 22 der Verbindungsstange 23 einzustellen.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung gestaltet sich wie folgt:

Wenn der Motor 11 nicht eingeschaltet ist, befindet sich die Halterung 1 stationär in der dargestellten Stellung, so daß ein einfallender Strahl 3a von dem Spiegel 2 reflektiert wird und einen reflektierten Strahl erzeugt, der durch die durchgezogene Linie 3b angedeutet ist. Die Winkelstellung des Spiegels wird einfach dadurch eingestellt, daß man auf die Verbindungs­ stange 56 einwirkt, die eine Verdrehung des Kippträgers 27 und demzufolge des Spiegels 2 um den Zapfen 25 erzeugt. Diese Einstellung ermöglicht es, daß der Strahl 3b auf den Bereich 4 korrekt zentriert wird, der der gewünsch­ ten Behandlung unterworfen werden soll (Verschweißen der Werkstücke 5 und 6).

Das Einschalten des Motors 11 bewirkt über die Riemen­ scheiben 14, 16 und den Riemen 15 die Drehung der Welle 21 um die Achse 35 (siehe Fig. 2). Diese Drehung wird in eine im wesentlichen axial verlaufende Schwingbewegung des Zapfens 22 der Verbindungsstange 23 umgewandelt, insoweit als das Auge 46 der Verbindungsstange 23 den kombinierten Abwälzbewegungen des Exzentergliedes 44 und des exzentrischen Abschnittes 42 der Welle 21 folgt. Die Schwingungen der Stange 22 werden dann über den Vor­ sprung 32 auf den Kippträger 27 übertragen, der daher um den Zapfen 25 schwingt und die Platte 29 und demzufolge den Spiegel 2 mit antreibt. Demzufolge wird durch Verän­ derung der Neigung des Spiegels bezogen auf den einfal­ lenden Strahl 3a erreicht, daß der reflektierte Strahl innerhalb eines Winkels α zwischen zwei entgegensetzten Enden schwingt, an denen der Strahl 3b mittels unter­ brochener Linien angedeutet ist. Die Verstellung der Amplitude des Winkels α kann dadurch ausgeführt wer­ den, daß man einfach auf die relative Stellung des Exzentergliedes 44 bezogen auf den exzentrischen Ab­ schnitt 42 der Welle 21 einwirkt. So ist es möglich, die maximale Exzentrizität bezogen auf die Welle so einzu­ stellen, daß der Winkel seinen maximalen Wert hat oder die Exzentrizität auf ein Minimum zu reduzieren oder sogar vollständig zu eliminieren, in dem man das Exzen­ terglied 44 so verdreht, daß die zugehörige Achse mit Achse 35 der Welle 21 zusammenfällt. Zwischen diesen beiden Extrema sind alle Werte des Winkels α eingeschlos­ sen, die jederzeit zur Durchführung der gewünschten Verfahrensweise ausgewählt werden können.

Schließlich kann die Einstellung der Schwingungsgeschwin­ digkeit des Spiegels 2 dadurch bewirkt werden, daß man die Drehzahl der Welle 17 des Motors 11 einstellt oder in geeigneter Weise die Riemenscheiben 14 und 16 aus­ tauscht.

Aus der Untersuchung der Eigenschaften der erfindungsge­ mäßen Halterung 1 wird klar, daß diese Vorrichtung die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermeidet. Tatsächlich ist es erfindungsgemäß möglich, alle ge­ wünschten Einstellungen in einer einfachen und exakten Weise und ohne besondere Zeitverluste durchzuführen.

Es ist offensichtlich, daß eine Maschine des oben be­ schriebenen Typs mehr als eine Halterung aufwei­ sen kann und beispielsweise so ausgestaltet sein kann, daß der reflektierte Strahl 3b insgesamt Schwingungen ausführen kann, die in Ebenen liegen, die senkrecht aufeinander stehen.

Claims (7)

1. Laserbearbeitungsvorrichtung mit Mitteln zur periodischen Auslen­ kung eines auf ein Werkstück (5, 6) reflektierten Laserstrahls (3b) um einen Winkel (α),

• - mit wenigstens einem Spiegel (2), der einen Laser­ strahl (3a) auf einen vorherbestimmten Bereich (4) des genannten Werkstücks reflektiert,
• - wobei der Spiegel (2) an einem, um eine Achse schwenkbaren Kippträger (27) angebracht ist, den ein Antrieb in Schwingbewegungen um die Achse versetzt,
• - wobei der Antrieb eine Einrichtung (20) zur Umset­ zung der Drehbewegung eines Motors (11) in eine Schwingbewegung des Kippträgers aufweist,
• - wobei die Einrichtung (20) eine durch den Motor (11) angetriebene Antriebswelle (21), eine mit dem Kippträger (27) in Verbindung stehende Verbindungs­ stange (23) und ein mit der Antriebswelle (21) in Verbindung stehendes Kurvengetriebe (42, 43) aufweist, von dessen Exzentrizität die Amplitude der Schwing­ bewegung des Kippträgers (27) abhängt und das mit der Antriebswelle (21) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet,
• - daß das Kurvengetriebe (42, 43) über die Verbindungs­ stange (23) gelenkig an den Kippträger (27) ange­ schlossen ist,
• - daß das Kurvengetriebe (42, 43) eine Welle (42) aufweist, deren Achse (43) um das Maß einer ersten Exzentrizität gegenüber der Achse (35) der Antriebs­ welle (21) versetzt angeordnet ist,
• - daß das Kurvengetriebe (42, 43) ferner ein rohrarti­ ges, hinsichtlich seiner Drehwinkelstellung bezüg­ lich der Welle (42) einstellbares und mit letzterer gekoppeltes Exzenterglied (44) aufweist, dessen Achse (48) um das Maß einer zweiten Exzentrizität hinsichtlich der Achse (43) der Welle (42) versetzt angeordnet ist,
• - daß das Exzenterglied (44) mit der Verbindungsstan­ ge (23) in Verbindung steht,
• - und daß die Drehwinkelstellung des Exzentergliedes (44) gegenüber der Welle (42) zwecks Einstellung der gesamten Exzentrizität des Exzentergliedes (44) gegenüber der Antriebswelle (21) justierbar ist, und zwar nach Maßgabe des Winkels (α).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizitäten der Welle (42) und des Exzen­ tergliedes (44) gleich sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungsstange (23) über ein, in einem Ringbauteil (46) aufgenommenes Lager (45) in gelenkiger Verbindung mit dem Exzenterglied (44) steht.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungs­ stange (23) einen Stiel (22) aufweist, dessen Länge zwecks Zentrierung des reflektierten Laserstrahles (3b) auf den Bereich (4) einstellbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stiel (22) zwei mit Gewinde versehene Teile (54, 55) aufweist, die mittels einer, die Einstellung der Länge ermöglichenden Kuppelstange (56) in Verbin­ dung stehen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstange (23) über ein Gelenkglied mit dem Kippträger (27) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Einstellung der Drehzahl des Motors (11) zwecks Einstellung der Geschwindigkeit der Schwingbewegung des Spiegels (2).