DE10128609A1

DE10128609A1 - Anordnung zur Verstellung des Fokusradius und der Rayleighlänge für die Laserstrahlbearbeitung, insbesonere in einer Laserschneidmaschine

Info

Publication number: DE10128609A1
Application number: DE2001128609
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Bartholet; Dirk Stiegmann
Original assignee: ESAB Cutting Systems GmbH
Current assignee: ESAB Welding and Cutting GmbH
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2021-06-14
Also published as: DE10128609B4

Abstract

In einer Anordnung zur Verstellung des Fokusradius und der Rayleighlänge für die Laserstrahlmaterialbearbeitung, insbesondere in einer Laserschneidmaschine oder Lasermarkiereinrichtung für Bleche oder dergleichen Werkstücke, sind Mittel zur Divergenzänderung eines von einer Laserquelle ausgehenden Rohstrahls vorgesehen. Der mit diesem aufgeweitete Strahl ist auf eine Fokussiereinheit (4) einschließlich einer Fokussieroptik gerichtet, die den Strahl über dem Werkstück (13) fokussiert. Zur adaptiven Verstellung des Fokusradius und Rayleighlänge bei im wesentlichen konstanter Fokuslage ohne jeweiligen Austausch und neue Justierung der Mittel zur Divergenzänderung ist der Rohstrahl auf einen ersten adaptiven Spiegel (8) als Mittel zur Divergenzänderung des Strahls gelenkt. Hiervon ist der Strahl (9) auf einen zweiten adaptiven Spiegel (11) reflektiert, der eine durch den ersten adaptiven Spiegel (8) verursachte Divergenzänderung des Strahls (9) im wesentichen ausgleicht und den Strahl auf die Fokussiereinheit (4) richtet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verstellung der Fokusradius und Rayleighlänge für die Laserstrahlmaterialbearbeitung, insbesondere in einer Laserschneidmaschine oder Lasermarkiereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einer derartigen bekannten Anordnung zum Schneiden von dünnen Platten wird der von einer Laserquelle über eine konkave Linsen-/Spiegeleinheit ausgehende, divergierende Rohstrahl durch einen von zwei an verschiedenen Stellen in den Strahlengang einschiebbaren konvexen Linsen mit unterschiedlichem Durchmesser kollimiert (JP-11058054-A). Das kollimierte Licht wird auf die Fokussiereinheit gerichtet, die längs des kollimierten Strahlengangs verschoben werden kann. Damit ist es möglich, den Fokusradius bzw. die Fokusgröße und die Rayleighlänge, die in einer festen Beziehung zueinander stehen, in allerdings nur zwei Stufen zu ändern.
Generell ist eine Verstellung der Fokusgröße und Rayleighlänge für die Laserbearbeitung wünschenswert, da bei einer geringen Fokusgröße eine schmale Schnittfuge und mit dieser eine hohe Schneidgeschwindigkeit erreicht werden. Die dabei zwangsläufig nur kurze Schärfentiefe bzw. Rayleighlänge ist bei dem Schneiden von dünnen Blechen nicht nachteilig. - Wenn für das Schneiden dickerer Bleche eine größere Schärfentiefe erwünscht ist und eingestellt werden kann, ergibt sich daraus ein größerer Fokusdurchmesser, aus dem eine breite Schnittfuge, in der das Material nicht wieder zusammenläuft, resultiert. Allerdings ist in dem letztgenannten Fall die Schneidgeschwindigkeit herabgesetzt.
Die Veränderung des Fokusdurchmessers und der Schärfentiefe bzw. Rayleighlänge ist durch Änderung der Ausleuchtung der Fokussieroptik möglich bzw. des Durchmessers des auf die Fokussieroptik treffenden Strahls.
Nach dem weiter zurückliegenden Stand der Technik der Praxis wird in einer Anordnung zur Verstellung der Fokusgröße und Rayleighlänge für die Laserbearbeitung, insbesondere in einer Laserschneidmaschine für Bleche, ein Kassettensystem mit automatisierter Wechseleinrichtung vorgesehen, wobei jede Kassette eine Optik fester Brennweite beinhaltet. Damit können die Fokusgröße und Rayleighlänge, aber auch die Lage des Fokus bezüglich des Werkstücks je nach der Materialdicke eingestellt werden. - Trotz der automatisierten Wechseleinrichtung ist jedoch die Bedienung dieses Kassettensystems umständlich, zumal jede Kassette nur für einen bestimmten Bereich der zu schneidenden Blechstärke geeignet ist.
Es ist aber auch bekannt, die Position des Fokus bezüglich des zu schneidenden Werkstücks mit einer adaptiven Optik, insbesondere einem adaptiven Spiegel, zu ändern, der in der Nähe der Fokussiereinheit angeordnet ist. Damit kann jedoch nur ein bestimmter Blechstärkenbereich bearbeitet werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine stufenlose bzw. adaptive Einstellung des Fokusradius und der Rayleighlänge mit einer Fokussieroptik konstanter Brennweite, die nicht ausgetauscht und justiert zu werden braucht, zu schaffen.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung, welche den ersten adaptiven Spiegel und den zweiten adaptiven Spiegel umfaßt, können für jede Materialdicke des zu schneidenden Werkstücks der Fokusradius und die Rayleighlänge bzw. Schärfentiefe optimal eingestellt werden. Insbesondere kann ohne Kompromisse die Rayleighlänge auf etwa die halbe Materialdicke eingestellt werden. Ein Auswechseln oder eine mechanische Verstellung der Fokussiereinheit kann entfallen. Dies wird im einzelnen durch einfache Steuerung der adaptiven Spiegel erreicht, die in bekannter Weise aus Piezomaterial bestehen können. Im einzelnen läßt sich der erste adaptive Spiegel stufenlos konkav oder konvex einstellen, womit er aus dem Rohstrahl ein divergierendes oder konvergierendes Strahlenbündel erzeugt. Dieser trifft unmittelbar oder mittelbar auf den zweiten adaptiven Spiegel, der aus dem divergierenden oder konvergierenden Strahlenbündel wieder ein Strahlenbündel bzw. ein Strahlenbündel mit vorgegebener Divergenz erzeugt, damit die Fokussiereinheit den Fokus an die gleiche Stelle unabhängig von der Strahlaufweitung legt, wenn dies nicht anders gewünscht wird. Gemäß Anspruch 2 kann der zweite adaptive Spiegel weiterhin vorteilhaft dazu benutzt werden, in an sich bekannter Weise die Fokushöhe der Fokussieroptik bzgl. des Werkstücks einzustellen. Die Einstellung der Fokuslage kann dabei von einer Position des Fokus über dem Werkstück in das Werkstück hinein bis zu dessen Unterkante erfolgen. Durch die in Anspruch 1 angegebenen Dimensionierungen wird erreicht, daß bei einer Änderung der optischen Weglänge zwischen dem ersten adaptiven Spiegel und dem zweiten adaptiven Spiegel keine störende Variation des Fokusradius und der Rayleighlänge eintritt und daß letzteres auch gilt, wenn der zweite adaptive Spiegel eingestellt wird, um die gewünschte Lage des Fokus beizubehalten oder willkürlich zu ändern.

Als Fokussiereinheit kann ein Fokussierspiegel oder eine Linse eingesetzt werden.

In besonders vorteilhafter Weise beträgt der optische Weg zwischen dem ersten adaptiven Spiegel und dem zweiten adaptiven Spiegel, d. h. der optische Abstand zwischen diesen Spiegeln, 1 bis 3 m, während der optische Weg zwischen dem zweiten adaptiven Spiegel und der Fokussiereinheit 0,2 bis 0,5 m beträgt. Damit ist der Abstand zwischen dem ersten adaptiven Spiegel und dem zweiten adaptiven Spiegel so groß, daß bei kleiner Divergenzänderung der positiv oder negativ aufgeweiteten Rohstrahls ein ausreichend großer Strahldurchmesserunterschied, d. h. Unterschied der Fokusgröße, erreicht wird. Beispielsweise ist bei einer Strahllänge zwischen dem ersten adaptiven Spiegel und dem zweiten adaptiven Spiegel von 1,80 m der Fokusdurchmesser in dem Verhältnis 1 : 2 veränderbar, was nach dem Stand der Technik einen Austausch der Fokussieroptik mit doppelter Brennweite erfordert hat. Andererseits ist der Abstand zwischen dem zweiten adaptiven Spiegel und der Fokussiereinrichtung so klein, daß auch bei relativ großer Änderung der Divergenz mit dem zweiten adaptiven Spiegel kein merklicher Unterschied des Fokusradius und der Rayleighlänge erzeugt wird, sondern praktisch nur der Fokuslage.

Insgesamt ist durch die Anordnung gemäß Anspruch 1 in Verbindung mit der Steuerung gemäß Anspruch 2 die Anpassung der Fokusgeometrie und - position stufenlos und jederzeit ohne Gefährdung der Umgebung oder von Bauteilen möglich, wie sie sonst bei dem Entnehmen oder Einfügen von optischen Bauelementen in den Laserstrahlengang auftreten könnte. Da nur eine Fokussiereinheit erforderlich ist und ein Wechsel der Brennweite entfällt, werden Nebenzeiten reduziert. Mit der Fokussiereinheit ist auch der in Verbindung mit einem Mehrachsenkopf zur Strahllenkung auf das Werkstück trotz des für den Mehrachskopf typischen großen mechanischen Abstandes zu dem Werkstück und der dafür erforderlichen großen Brennweite ein kleiner Fokus und damit eine große Vorschubgeschwindigkeit bei dünnen Blechen möglich. Für das Schneiden kann der Fokuspunkt hinsichtlich Anpassung an die erforderliche Schnittfugenbreite und die Schärfentiefe in der Schnittkante optimiert werden.

Bei einer Anordnung gemäß Anspruch 4 in einer Laserschneidmaschine oder Lasermarkiereinrichtung ist die Laserquelle zweckmäßig auf einem Portal der Maschine angeordnet, während der erste adaptive Spiegel, der zweite adaptive Spiegel sowie die Fokussiereinheit an einem quer an dem Portal in y-Richtung verfahrbaren Querwagen angebracht sind. Dabei ist der zweite adaptive Spiegel ist in einem festen Abstand zur Fokussiereinheit angeordnet. Infolge der in den Ansprüchen 1 und 3 angegebenen Dimensionierung ändert sich der Abstand zwischen den beiden adaptiven Spiegeln bei Höhenverstellung der Fokussiereinheit nur relativ wenig. Deswegen tritt durch eine solche Abstandsänderung nur eine geringe Veränderung der Ausleuchtung der Fokussiereinheit ein.

Vorteilhaft ist nach Anspruch 5 in dem optischen Weg zwischen der Laserquelle und dem ersten adaptiven Spiegel wenigstens ein erster Umlenkspiegel dergestalt angeordnet, daß der von der Laserquelle ausgehende Rohstrahl in einem spitzen Winkel auf den ersten adaptiven Spiegel gelenkt wird. Damit wird Astigmatismus durch den ersten adaptiven Spiegel weitgehend vermieden.

Die Anordnung der optischen Elemente gemäß Anspruch 6 läßt sich insbesondere in Laserschneidmaschinen oder Lasermarkiereinrichtungen trotz des verhältnismäßig großen optischen Abstands zwischen dem ersten adaptiven Spiegel und dem zweiten adaptiven Spiegel räumlich kompakt realisieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit drei Figuren erläutert, aus der sich weitere Merkmale und Vorteile ergeben können.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Laserschneidmaschine, an der die erfindungsgemäße Anordnung installiert ist,
Fig. 2 eine Einzelheit des fokussierten Strahls bei einer ersten Ausleuchtung der Fokussieroptik und
Fig. 3 die Einzelheit gemäß Fig. 2, jedoch bei einer größeren Ausleuchtung der Fokussieroptik als gemäß Fig. 2.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Portal einer Laserschneidmaschine im Ausschnitt als Querschnitt dargestellt, welches in x-Richtung verfahrbar sein kann. An dem Portal 1 ist ein bei 2 angedeuteter Querwagen in y-Richtung verfahrbar. An dem Querwagen 2 ist - im einzelnen nicht dargestellt - ein Bearbeitungskopf 3 in z- Richtung verschiebbar gelagert, der als Fokussiereinheit 4 einen Fokussierspiegel umfaßt, der über einer Düse 5 angeordnet ist. Unterhalb des Bearbeitungskopfes 3 kann ein angedeutetes Werkstück 13, insbesondere eine Stahlplatte, gelegt sein.
Die Laserschneidmaschine umfaßt eine nicht dargestellte Laserquelle, die an dem Portal 1 angebracht ist. Der von der Laserquelle ausgehende Rohstrahl, der in y-Richtung senkrecht zur Zeichenebene verläuft, wird über einen Umlenkspiegel 6 und einen Umlenkspiegel 7, die an dem Querwagen 2 angebracht sind, in einem spitzen Winkel auf einen ersten adaptiven Spiegel 8 gelenkt. Je nach elektrischer Ansteuerung kann der erste adaptive Spiegel 8 aus einem planen Zustand eine mehr oder wenige konvexe oder konkave Form annehmen, um den Rohstrahl positiv oder negativ aufzuweiten. Der Ausgangsstrahl 9 wird vertikal nach unten auf einen Umlenkspiegel 10 gelenkt, der ihn auf einen zweiten adaptiven Spiegel 11 reflektiert. Der zweite adaptive Spiegel 11 kann so angesteuert werden, daß er die Fokuslage des durch die Fokussiereinheit 4 fokussierten Strahls trotz Divergenzänderung des Ausgangsstrahls 9 des ersten adaptiven Spiegels 8 beibehält oder gezielt einstellt, wobei aber wegen des kurzen Abstands zwischen dem zweiten adaptiven Spiegel 11 und der Fokussiereinheit 4 der Fokussierradius und die Rayleighlänge praktisch nicht verändert werden. Die Lage des Fokus kann je nach den Erfordernissen beim Schneiden oder Markieren verstellt werden, z. B. je nach Schneidart oder Materialdicke. Durch Ansteuerung des zweiten adaptiven Spiegels 11 kann auch bei einem Hub bzw. einer Höhenregelung des Bearbeitungskopfes 3 die Fokuslage beibehalten werden. Bei der Höhenregelung des Bearbeitungskopfes verändert sich der Abstand zwischen dem Umlenkspiegel 10, der ebenso wie der zweite adaptive Spiegel 11 mit dem Bearbeitungskopf 3 verbunden ist, und dem ersten adaptiven Spiegel 8, jedoch bezogen auf die Länge des optischen Wegs, den der Ausgangsstrahl 9 zwischen dem ersten adaptiven Spiegel 8 und der Fokussiereinheit 4 zurücklegt, nur relativ geringfügig.
Es sei noch bemerkt, daß der fokussierte Strahl durch die Fokussiereinheit 4 durch die Düse 5 gelenkt wird, durch die in der Laserschneidmaschine das Schneidgas geleitet wird.
In Fig. 2 ist bei einer ersten Ausleuchtung der Fokussiereinheit 4 der fokussierte Strahl vereinfacht dargestellt, dessen Fokus sich im Bereich der Raleighlänge L1 nur unerheblich ändert. Mit der Rayleighlänge korrespondiert ein verhältnismäßig großer Fokus bzw. Fokusdurchmesser D1. Dies wird bei einer verhältnismäßig geringen Ausleuchtung der Fokussieroptik erreicht.
In der Situation gemäß Fig. 3 ist jedoch die Ausleuchtung der Fokussiereinheit 4 vergrößert. Damit reduziert sich der Fokus D2, in dem der Strahl eine verhältnismäßig große Intensität hat, und die Rayleighlänge ist zwangsläufig verkürzt.
Wesentlich ist, daß in den Fig. 2 und 3 nur die Auswirkungen von zwei unterschiedlichen Ausleuchtungen der Fokussiereinheit dargestellt sind; mit den adaptiven Spiegeln 8 und 11 in Fig. 1 wird jedoch eine kontinuierliche Änderung der Ausleuchtung erreicht.

Claims

1. Anordnung zur Verstellung des Fokusradius und der Rayleighlänge für die Laserstrahlmaterialbearbeitung, insbesondere in einer Laserschneidmaschine oder Lasermarkiereinrichtung für Bleche oder dergleichen Werkstücke, mit Mitteln zur Divergenzänderung eines von einer Laserquelle ausgehenden Rohstrahls, wobei der aufgeweitete Strahl auf eine Fokussiereinheit (4) einschließlich einer Fokussieroptik gerichtet ist, die den Strahl über dem Werkstück (13) fokussiert, dadurch gekennzeichnet, daß zur adaptiven Verstellung des Fokusradius und Rayleighlänge bei im wesentlichen konstanter Fokuslage der Rohstrahl auf einen ersten adaptiven Spiegel (8) als Mittel zur Divergenzänderung des Strahls gelenkt ist und hiervon der Strahl (9) auf einen zweiten adaptiven Spiegel (11) reflektiert ist, der eine durch den ersten adaptiven Spiegel (8) verursachte Divergenzänderung des Strahls (9) im wesentlichen ausgleicht und den Strahl auf die Fokussiereinheit (4) richtet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Weglänge zwischen dem ersten adaptiven Spiegel (8) und dem zweiten adaptiven Spiegel (11) um weniger als ± 20% veränderbar ist und ein optischer Abstand zwischen dem zweiten adaptiven Spiegel und der Fokussiereinheit (4) kleiner als das Dreifache einer Fokuslänge der Fokussiereinheit (4) ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung der Fokuslänge bei im wesentlichen unverändertem Fokusradius und im wesentlichen unveränderter Raleiglänge der zweite adaptive Spiegel (11) auf eine vorgegebene Fokuslage der Fokussiereinheit (4) steuerbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Weg zwischen dem ersten adaptiven Spiegel (8) und dem zweiten adaptiven Spiegel (11) 1 bis 3 m beträgt und der optische Weg zwischen dem zweiten adaptiven Spiegel (11) und der Fokussiereinheit (4) 0,2 bis 0,5 m.

5. Anordnung in einer Laserschneidmaschine oder Lasermarkiereinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle auf einem Portal (1) der Laserschneidmaschine angeordnet ist und daß der erste adaptive Spiegel (8), der zweite adaptive Spiegel (11) sowie die Fokussiereinheit (4) an einem quer an dem Portal verfahrbaren Querwagen (2) angebracht sind.

6. Anordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem optischen Weg zwischen der Laserquelle und dem ersten adaptiven Spiegel (8) wenigstens ein erster Umlenkspiegel (7) dergestalt angeordnet ist, daß der von der Laserquelle ausgehende Rohstrahl in einem spitzen Winkel auf den ersten adaptiven Spiegel (8) gelenkt wird.

7. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste adaptive Spiegel (8), der zweite adaptive Spiegel (11) und ein zweiter Umlenkspiegel (10) so angeordnet sind, daß der Strahlengang zwischen dem ersten adaptiven Spiegel (8) und dem zweiten Umlenkspiegel (10) im wesentlichen vertikal verläuft und der Strahlengang zwischen dem zweiten Umlenkspiegel (101 und dem zweiten adaptiven Spiegel / 11) annähernd horizontal verläuft, wobei der Strahl in einem spitzen Winkel auf den zweiten adaptiven Spiegel (11) trifft und von diesem annähernd horizontal auf die Fokussiereinheit (4) gelenkt ist, die den fokussierten Strahl nach unten auf das Werkstück (13) richtet.