DE19628857A1 - Anschlußkopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Anschlußkopf zur Bearbeitung eines Werk­ stücks mittels eines Laserstrahls gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1. Ein derartiger Anschlußkopf ist bereits aus dem Deutschen Ge­ brauchsmuster G 94 16 111.9 bekannt. Der bekannte Anschlußkopf ent­ hält eine eine Fokussierungsoptik aufnehmende Kassette, eine die Kasset­ te aufnehmende Trägereinheit, die in Axialrichtung der Fokussierungsop­ tik verschiebbar ist, eine Antriebseinrichtung zur Verschiebung der Trä­ gereinheit in Axialrichtung der Fokussierungsoptik sowie einen zwischen der Fokussierungsoptik und einem Strahlausgang des Anschlußkopfs lie­ genden Druckraum, in den ein unter Überdruck stehendes Arbeitsgas ein­ leitbar ist.

Bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit Hilfe eines Laserstrahls, bei­ spielsweise beim Schneiden des Werkstücks mit Hilfe eines Laserstrahls hoher Leistung, ist die Lage des Laserstrahl-Brennflecks und somit die La­ ge der Fokussierungsoptik relativ zur Werkstückoberfläche von großer Be­ deutung. Auch bei Änderung der Materialdicke oder Materialsorte ist es häufig erforderlich, die Fokuslage zur Materialoberfläche zu ändern.

Beim bekannten Anschlußkopf kann hierzu die Fokussierungsoptik in Axialrichtung des Anschlußkopfs bzw. in Längsrichtung des den Anschlußkopf durchlaufenden Laserstrahls motorisch verschoben werden. Die dazu erforderliche Antriebskraft ist allerdings relativ groß, wenn die Verschiebung der Fokussierungsoptik in Richtung zum Strahlausgang des Anschlußkopfs erfolgt, da die Fokussierungsoptik den zwischen ihr und der Düsenspitze des Anschlußkopfs liegenden Druck­ raum begrenzt, in dem sich das unter Überdruck stehende Arbeitsgas befindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Anschlußkopf der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine Verschiebung der Fokussie­ rungsoptik unter verringertem Kraftaufwand möglich ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Anschlußkopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laser­ strahls mit einer eine Fokussierungsoptik aufweisenden Kassette, einer die Kassette aufnehmenden Trägereinheit, die in Axialrichtung der Fokus­ sierungsoptik verschiebbar ist, einer Antriebseinrichtung zur Verschie­ bung der Trägereinheit in Axialrichtung der Fokussierungsoptik sowie mit einem zwischen der Fokussierungsoptik und einem Strahlausgang des An­ schlußkopfs liegenden Druckraum, in den ein unter Überdruck stehendes Arbeitsgas einleitbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerein­ heit mit ihrem vom Strahlausgang wegwelsenden Ende in eine Druckkam­ mer hineinragt, und daß in dieser Druckkammer ein solcher Arbeitsdruck erzeugbar ist, daß die Trägereinheit im Gleichgewicht gehalten wird.

Da nunmehr zwischen der hinteren Seite der Trägereinheit und der vorde­ ren Seite der Fokussierungoptik keine Kraftdifferenz mehr herrscht, läßt sich die Trägereinheit zusammen mit der Fokussierungsoptik relativ leicht und mit nur geringstem Kraftaufwand verschieben, so daß zu die­ sem Zweck nur relativ schwach dimensionierte Antriebseinrichtungen verwendet zu werden brauchen. Dies spart einerseits Antriebsenergie und andererseits Baugröße und Gewicht, so daß sich die Gesamtkosten für den Anschlußkopf verringern.

Prinzipiell ist es möglich, den Druckraum und die Druckkammer über ge­ trennte Leitungen mit unter Druck stehendem Gas zu versorgen. Nach ei­ ner vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kommunizieren jedoch der Druckraum und die Druckkammer über wenigstens einen Verbindungs­ kanal miteinander, der sich im Innern des Anschlußkopfs befinden kann. Auf diese Weise wird ein einfacher Druckausgleich zwischen Druckkam­ mer und Druckraum erzielt. Dabei ist selbstverständlich darauf zu ach­ ten, daß die in der Druckkammer liegende, druckbeaufschlagte Fläche der Trägereinheit der Größe der druckbeaufschlagten Fläche der Fokussie­ rungsoptik entspricht, wenn die Drücke in Druckraum und Druckkammer gleich groß sind.

Die Trägereinheit ist im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet und nimmt koaxial zu ihr liegend die Fokussierungsoptik bzw. die die Fokus­ sierungsoptik aufnehmende Kassette auf. Insofern kann die Trägereinheit mit ihrem vom Strahlausgang wegweisenden Ende, das hohlzylindrisch ist, in eine entsprechend ausgebildete, ringförmige Druckkammer hinein­ fahren.

Die Antriebseinrichtung selbst kann eine manuelle, eine pneumatische, eine elektromechanische oder irgendeine andere geeignete sein.

Da sie nur schwach dimensioniert zu werden braucht, ergibt sich der große Vorteil, daß sie sich im Innern des Anschlußkopfs anordnen läßt, was zu einer kompakteren Ausführungsform des Anschlußkopfs führt. Im Falle einer elektromechanischen Antriebseinrichtung könnte zu diesem Zweck eine die Trägereinheit antreibende Spindel im Innern des Anschlußkopfs vorhanden sein, die durch einen ebenfalls im Innern des Anschlußkopfs vorhandenen Elektromotor bzw. Getriebemotor antreibbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezu­ gnahme auf die Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf den Anschlußkopf nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 1; und

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie B-B von Fig. 1.

Der Anschlußkopf nach der Erfindung ist in den Fig. 1 bis 3 mit dem Bezugszeichen 1 versehen und enthält in seinem Innern eine Fokussie­ rungsoptik 2, die entlang ihrer optischen Achse 3 verschiebbar ist. Die op­ tische Achse 3 Ist zugleich die Längsrichtung des Anschlußkopfs 1, In der ein nicht dargestellter Laserstrahl verläuft.

Die Fokussierungsoptik 2 kann aus einer oder mehreren Linsen bestehen und befindet sich in einer Kassette 4. Diese Kassette 4 ist hohlzylindrisch ausgebildet und weist ein Innengewinde 5 auf. In dieses Innengewinde 5 Ist ein erster Positionierungsring 6 mit Außengewinde eingeschraubt, ge­ gen den die Fokussierungsoptik 2 zu liegen kommt. Ferner ist in das Innengewinde 5 ein zweiter Positionierungsring 7 mit Außengewinde einge­ schraubt, der die Fokussierungsoptik 2 gegen den ersten Positionierungs­ ring 6 drückt. Dabei sind zwischen Fokussierungsoptik 2 und erstem Positionierungsring 6 einerseits sowie zwischen Fokussierungsoptik 2 und zweitem Positionierungsring 7 andererseits elastische Dichtungsringe vorhanden. Sie sind mit den Bezugszeichen 8 und 9 versehen. Mit Hilfe des ersten und des zweiten Positionierungsrings 6 bzw. 7 läßt sich die Fokus­ sierungsoptik 2 in der Kassette 4 In Axialrichtung bzw. In Längsrichtung der optischen Achse 3 voreinstellen. Nicht zuletzt sind auch die Bereiche zwischen den Außengewinden der Positionierungsringe 6, 7 einerseits und dem Innengewinde 5 andererseits abgedichtet.

Die Kassette 4 befindet sich in einer im wesentlichen hohlzylindrisch aus­ gebildeten Trägereinheit 10. Dabei läßt sich die Kassette 4 In einem Raum 11 der Trägereinheit 10 so positionieren, daß die Fokussierungsoptik 2 koaxial zur hohlzylindrischen Trägereinheit 10 zu liegen kommt. Innerhalb dieses Raums 1 1 Ist die Kassette 4 an der Strahleingangs- und Strahlausgangsseite geführt, so daß sie sich nicht in Längsrichtung der optischen Achse 3 bewegen kann. Allerdings läßt sich die Kassette 4 aus dem Raum 11 senkrecht zur optischen Achse 3 herausziehen, wozu der Raum 11 ka­ nalartig in Richtung zur Außenseite des Anschlußkopfs 1 verlängert ist. Dieser verlängerte Teil 11a des Raums 11 Ist durch eine Außenplatte 12 des Anschlußkopfs 1 abgedeckt, die mit Hilfe von Schrauben 13 an der Trägereinheit 10 befestigt werden kann. Ein an der Außenplatte 12 befestigter Handgriff 14 dient zum Halten der Außenplatte 12 sowie zum Herausneh­ men der Kassette 4 aus dem Anschlußkopf 1.

Zu diesem Zweck befindet sich an der Innenseite der Außenplatte 12 ein Gehäuseteil 15, das mit der Außenplatte 12 fest verbunden ist. Dieses Ge­ häuseteil 15 weist in Längsrichtung zur optischen Achse 3 dieselbe Höhe auf wie die Kassette 4 und wird somit ebenfalls im verlängerten Teil 11a des Raums 11 geführt. Hierzu verlaufen obere und untere Wände 15a und 15b des Gehäuseteils 15 parallel bzw. gleitend auf den entsprechenden oberen und unteren Wänden des verlängerten Teils 11a des Raums 11. Ei­ ne Rückwand 15c des Gehäuseteils 15 ist gelenkig mit der Kassette 4 ge­ koppelt. Wird also das Gehäuseteil 15 nach Lösen der Schrauben 13 mit­ tels des Handgriffs 14 aus dem Anschlußkopf 1 herausgezogen, so gleitet das Gehäuseteil 15 aus dem verlängerten Teil 11a des Raums 11 heraus und nimmt die Kassette 4 entsprechend mit. Die Kassette 4 kann darüber hinaus durch geeignete Mittel in einer senkrecht zur optischen Achse 3 verlaufenden Ebene verschwenkt werden, nachdem sie in den Raum 11 hineingeschoben worden ist. Ferner ist auch eine leichte Radialverschie­ bung in diesem Zustand noch möglich, um durch die genannten Maßnah­ men eine Feinjustierung der Kassette 4 Im Raum 11 zu erzielen. Hierauf soll jedoch an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden.

Die Fokussierungsoptik 2 begrenzt einen sich in Richtung zum strahlaus­ gangsseitigen Ende des Anschlußkopfs 1 erstreckenden Druckraum 16, in den ein unter Überdruck stehendes Arbeitsgas geleitet wird. Am strahl­ ausgangsseitigen Ende des Druckraums 16 befindet sich eine Düsenelek­ trode 17 mit einem Auslaß für den Laserstrahl. Das Druckgas strömt über nicht näher dargestellte Kanäle in den Druckraum 16 ein und verläßt die­ sen über den Auslaß der Düsenelektrode 17. Unmittelbar oberhalb der Fo­ kussierungsoptik 2, also an ihrem strahleingangsseitigen Ende, befindet sich ein mit der Atmosphäre in Verbindung stehender Kanal 18, durch den hindurch der Laserstrahl auf die Fokussierungsoptik 2 auftrifft.

Wie bereits erwähnt, ist die Trägereinheit 10 im wesentlichen hohlzylin­ derförmig ausgebildet. Das strahleingangsseitige Ende 10a der Trägerein­ heit 10 Ist dabei in einem ringförmigen Kanal 19 geführt, der koaxial zur optischen Achse 3 liegt und sich in einem Gehäuseteil 20 des Anschluß­ kopfs 1 befindet. Mit Hilfe von Dichtungsringen 21 und 22 sind die Seiten­ wandbereiche zwischen dem hohlzylindrischen Teil 10a der Trägereinheit 10 und dem Gehäuseteil 20 abgedichtet. Wird also die Trägereinheit 10 in Richtung der optischen Achse 3 verschoben, so wird das strahleingangs­ seitige Ende 10a der Trägereinheit 10 mehr oder weniger weit in den ringförmigen Kanal 19 hinein- bzw. aus diesem herausgeführt. Dabei steht der ringförmige Kanal 19 über einen Verbindungskanal 23 mit dem Druck­ raum 16 in Verbindung. Dieser Verbindungskanal 23 verläuft zum Teil au­ ßerhalb der in Fig. 2 gezeigten Schnittebene und ist daher in seinem ge­ samten Verlauf nicht zu erkennen. Wie bereits erwähnt, wird jedoch der im Druckraum vorhandene Überdruck über den Verbindungskanal 23 in den Kanal 19 geleitet, so daß auf die Stirnfläche des strahleingangsseitigen Endes 10a der Trägereinheit 10 derselbe Druck wirkt wie auf die strahl­ ausgangsseitige Fläche der Fokussierungsoptik 2. Fokussierungsoptik 2 und Trägereinheit 10 befinden sich somit bei gleichgroßen druckbeauf­ schlagten Flächen im Druckgleichgewicht, so daß die Antriebseinrichtung nur relativ wenig Kraft für eine Verschiebung dieses Systems benötigt.

Die Antriebseinrichtung für die Trägereinheit 10 ist im Innern des An­ schlußkopfs 1 fest montiert. Sie enthält u. a. einen elektrisch angetriebe­ nen Getriebemotor 24, dessen Motorwelle 25 parallel zur optischen Achse 3 verläuft. Auf der Motorwelle 25 sitzt ein Antriebsrad 26 für einen Zahn­ riemen 27, der um ein weiteres Antriebsrad 28 herumgelegt ist, das fest auf einer Spindel 29 sitzt, um diese zu drehen, wenn sich der Motor 24 dreht. Die Spindel 29 verläuft mit ihrer Längsrichtung parallel zur optischen Achse 3. Das freie bzw. in Richtung des Strahlausgangs weisende Ende der Spindel 29 Ist mit einem Außengewinde 30 versehen, mit dem die Spindel 29 in eine Spindelmutter 31 hineingeschraubt ist. Die Spindelmutter 31 Ist fest an der Seite der Trägereinheit 10 angebracht, so daß bei Drehung der Spindel 29 in der einen oder anderen Richtung die Trägereinheit 10 entlang der optischen Achse 3 vor- oder zurückgeschoben wird. Zur Ver­ stärkung der Verbindung zwischen Spindelmutter 31 und Trägereinheit 10 kann die Spindelmutter 31 noch in einer Hülse 32 gehalten sein, wobei Spindelmutter 31, Hülse 32 und Trägereinheit 10 miteinander ver­ schweißt sind. Die Hülse 32 kann die Spindel 29 aus Sicherheitsgründen aufnehmen.

Wird bei Drehung der Spindel 29 die Trägereinheit 10 entlang der opti­ schen Achse 3 bewegt, so verschiebt sich auch gleichzeitig derjenige Teil der Trägereinheit 10, durch den der verlängerte Teil 11a des Raums 11 ge bildet wird. Dieser Teil der Trägereinheit 10 kann in die Außenwand des Anschlußkopfs 1 hineinragen, so daß dort eine entsprechend große Öff­ nung 33 vorgesehen ist, die jede mögliche Verschiebung der Trägereinheit 10 entlang der optischen Achse 3 ermöglicht. Fluchtet die Außenplatte 12 mit der Außenwand des Anschlußkopfs 1, so muß in der Außenwand des Anschlußkopfs 1 auch eine entsprechend große Ausnehmung 34 vorhan­ den sein, in der sich die Außenwand 12 bei Verschiebung der Trägereinheit 10 hineinbewegen kann.

Claims (8)

1. Anschlußkopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines La­ serstrahls, mit einer eine Fokussierungsoptik (2) aufnehmenden Kassette (4), einer die Kassette (4) aufnehmenden Trägereinheit (10), die in Axial­ richtung der Fokussierungsoptik (2) verschiebbar ist, einer Antriebsein­ richtung (24-31) zur Verschiebung der Trägereinheit (10) in Axialrichtung der Fokussierungsoptik (2), sowie einem zwischen der Fokussierungsop­ tik (2) und einem Strahlausgang des Anschlußkopfs liegenden Druckraum (16), in den ein unter Überdruck stehendes Arbeitsgas einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Trägereinheit (10) mit ihrem vom Strahlausgang wegwelsenden Ende in eine Druckkammer (19) hineinragt, und
• - in dieser Druckkammer (19) ein solcher Arbeitsdruck herrscht, daß die Trägereinheit (10) im Gleichgewicht gehalten wird.

2. Anschlußkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (16) und die Druckkammer (19) über wenigstens einen Verbin­ dungskanal (23) miteinander kommunizieren.

3. Anschlußkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägereinheit (10) an ihrem vom Strahlausgang wegwelsenden En­ de hohlzylindrisch und die Druckkammer (19) ringförmig ausgebildet sind.

4. Anschlußkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine manuelle ist.

5. Anschlußkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine pneumatische ist.

6. Anschlußkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine elektromechanische ist.

7. Anschlußkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antriebseinrichtung in seinem Innern angeordnet ist.

8. Anschlußkopf nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine die Trägereinheit (10) antreibende Spin­ del (29) aufweist, die durch einen Elektromotor (24) antreibbar ist.