DE20002243U1 - Hand and machine-operated laser tool for machining workpieces - Google Patents
Hand and machine-operated laser tool for machining workpiecesInfo
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Description
BeschreibungDescription
Hand- und maschinenführbares Laserwerkzeug zur Bearbeitung von WerkstückenHand and machine-guided laser tool for machining workpieces
Die Erfindung betrifft hand- und maschinenführbare Laserwerkzeuge zur Bearbeitung von Werkstücken.The invention relates to hand- and machine-guided laser tools for machining workpieces.
Bekannte handfuhrbare Vorrichtungen zum Laserschweißen von Werkstücken wie unter anderem in der DE 196 36 458 (Manuell zu positionierende und zu betätigende Einrichtung zum Laserstrahlschweißen) weisen einen relativ großen Bearbeitungskopf mit innenliegenden Achsen oder Scannern auf, um eine in der Länge und im Querschnitt genügend große Schweißnaht zu erzeugen. Die Öffnung für den senkrecht geführten Laserstrahl entspricht der Reichweite der eingebauten Achsen und umfasst mehrere cm2. Eine universelle Einsetzbarkeit für andere Verfahren ist nicht gegeben.Known hand-held devices for laser welding of workpieces, such as those in DE 196 36 458 (manually positioned and operated device for laser beam welding), have a relatively large processing head with internal axes or scanners in order to produce a weld seam that is sufficiently large in length and cross-section. The opening for the vertically guided laser beam corresponds to the range of the built-in axes and covers several cm 2 . Universal applicability for other processes is not given.
Ein bis 5° schräggestellter Laserstrahl wird bei maschinengeführten Laserköpfen zur Vermeidung von Schäden durch den reflektierten Strahl z.B. bei der Bearbeitung von Aluminium angewandt. Dabei wird der ganze Laserkopf einschließlich Blasgasdüse geschwenkt. Eine Kombination aus Laser- und Flüssigkeitsstrahl wird bisher dadurch realisiert, dass der Laserstrahl in einen Wasserstrahl mittleren Drucks gespiegelt wird. Dabei wird der Wasserstrahl als Lichtwellenleiter genutzt. Dafür sind aufwendige Vorrichtungen notwendig. Bisher eingesetzte Schweißerbrillen besitzen LCD-Elemente zur schnellen Abdunkelung des Beobachtungsfensters. Eine indirekte Visualisierung des technologischen Prozesses mit in die Brille integrierten Bildschirmen ist nicht bekannt.A laser beam tilted by up to 5° is used in machine-guided laser heads to avoid damage caused by the reflected beam, for example when processing aluminum. The entire laser head is swiveled, including the blowing gas nozzle. A combination of laser and liquid jet has so far been achieved by reflecting the laser beam into a water jet of medium pressure. The water jet is used as an optical fiber. This requires complex devices. The welding goggles used so far have LCD elements for quickly darkening the observation window. An indirect visualization of the technological process using screens integrated into the goggles is not known.
Der in den Schutzansprüchen 1 und 20 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Bearbeitungsstelle während des Bearbeitungsvorganges bei hand- und maschinengeführten Laserwerkzeugen zu beobachten und/oder die Laserbearbeitung eines Werkstückes zu ermöglichen. The invention specified in claims 1 and 20 is based on the problem of observing the processing point during the processing process with hand- and machine-guided laser tools and/or enabling the laser processing of a workpiece.
Dieses Problem wird mit den in den Schutzansprüchen 1 und 20 aufgeführten Merkmalen gelöst. This problem is solved by the features set out in claims 1 and 20.
Das hand- und maschinenfuhrbare Laserwerkzeug zur Bearbeitung von Werkstücken zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Laserstrahl zum Schweißen, Beschichten, Härten oder Schneiden von Werkstücken schräg mit einem Winkel größer/gleich 5° und kleiner/gleich 45° auf die Bearbeitungsstelle fällt. Dadurch ist es möglich, eine Entkopplung von Beobachtung/ Detektierung der Bearbeitungsstelle und der Bearbeitung und/oder weiterer Bearbeitungstechnologien zu schaffen. Durch den schräg aufgreifenden Laserstrahl als Bearbeitungsstrahl bleibt die senkrechte Achse gegenüber der Bearbeitungsstelle für die Beobachtung/Detektierung und/oder eine weitere Bearbeitung frei.The hand- and machine-operated laser tool for processing workpieces is characterized in particular by the fact that the laser beam for welding, coating, hardening or cutting workpieces falls on the processing point at an angle greater than or equal to 5° and less than or equal to 45°. This makes it possible to create a decoupling of observation/detection of the processing point and the processing and/or other processing technologies. Due to the laser beam being picked up at an angle as a processing beam, the vertical axis opposite the processing point remains free for observation/detection and/or further processing.
Die weitere Bearbeitung ist dabei z.B. ein durch eine Düse auf die Bearbeitungsstelle senkrecht fallender Gas- oder Flüssigkeitsstrahl, durch den das durch den Laserstrahl aufgeschmolzene Material des Werkstücks aus der Schnittfüge herausgedrückt wird. Die senkrechte Positionierung der dazu notwendigen Düse im Laserwerkzeug garantiert zur Werkstückoberfläche rechtwinklige Schnittflächen.Further processing involves, for example, a gas or liquid jet falling vertically through a nozzle onto the processing point, through which the material of the workpiece melted by the laser beam is pushed out of the cutting joint. The vertical positioning of the nozzle required for this in the laser tool guarantees cutting surfaces that are perpendicular to the workpiece surface.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, da der von der Bearbeitungsstelle reflektierte Strahl durch ein optisches Element definiert weiterbehandelt werden kann. Der Strahl kann durch unterschiedliche Ausbildung des optischen Elementes z.B. zur Erzeugung eines Doppelfokus (Schweißen von Aluminium) oder zum Vor- und Nachwärmen der Bearbeitungsstelle (Schweißen sprödharter Materialien) genutzt werden. Eine Schädigung des Werkzeuges bei der Bearbeitung stark reflektierender Materialien wird vermieden.A further advantage is that the beam reflected from the processing point can be further processed in a defined manner by an optical element. The beam can be used, for example, to create a double focus (welding aluminum) or to preheat and post-heat the processing point (welding brittle materials) by designing the optical element in different ways. Damage to the tool when processing highly reflective materials is avoided.
Ein im optischen Element integrierter Strahlungssensor stellt über Differenzbildung zu einem im Strahlengang vor der Bearbeitungsstelle positionierten Streustrahlungssensor ein Signal als direktes Maß für eine Kontrolle der an der Bearbeitungsstelle umgesetzten Energie dar. Dadurch ist die Energieeinbringung während der Bearbeitung über z.B. einen gleichfalls integrierten Mikrorechner als Steuer- und/oder Regeleinrichtung sehr genau steuerbar. Gegenüber bekannten Einrichtungen wird der Umlenkspiegel eingespart. Die Entkopplung von Beobachtung und Bearbeitung fuhrt dazu, dass der reflektierte Laserstrahl nicht auf das Bildaufhahmesystem in Form z.B. einer Kamera trifft. Eine dadurch her-A radiation sensor integrated in the optical element generates a signal as a direct measure for controlling the energy converted at the processing point by forming a difference with a scattered radiation sensor positioned in the beam path in front of the processing point. This means that the energy input during processing can be controlled very precisely, for example via an integrated microcomputer as a control and/or regulating device. Compared to known devices, the deflection mirror is omitted. The decoupling of observation and processing means that the reflected laser beam does not hit the image recording system in the form of a camera, for example. A resulting
vorgerufene Zerstörung dieses Bildaufhahmesystems wird verhindert.The destruction of this image recording system is prevented.
Die Entkopplung der beiden Bearbeitungstechnologien in Form der Laserstrahlbearbeitung und der Bearbeitung mit strömenden Medien fuhrt dazu, dass fur die strömenden Medien durch das NichtVorhandensein von optischen Elementen keine technologischen Begrenzungen z.B. hinsichtlich des Druckes oder des Durchmessers beachtet werden müssen. Der Durchmesser der Düse für das strömende Medium ist unabhängig vom Fokusdurchmesser des Laserstrahles wählbar, insbesondere sind sehr kleine Düsendurchmesser erzielbar.The decoupling of the two processing technologies in the form of laser beam processing and processing with flowing media means that no technological limitations, e.g. with regard to pressure or diameter, need to be observed for the flowing media due to the absence of optical elements. The diameter of the nozzle for the flowing medium can be selected independently of the focus diameter of the laser beam; in particular, very small nozzle diameters can be achieved.
Der Aufbau des Laserwerkzeugs zeichnet sich weiterhin durch seine einfache Realisierung aus, so dass dieses leicht mit Hand führbar oder an eine Maschine z.B. einen Roboter montierbar ist.The design of the laser tool is also characterized by its simple implementation, so that it can be easily guided by hand or mounted on a machine, e.g. a robot.
Das mit einer Brille verbundene Laserwerkzeug zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass für das Bedien- oder Arbeitspersonal die Beobachtung völlig gefahrlos durchführbar ist. Besonders bei handgefuhrten Bearbeitungsvorgängen ist das von großer Bedeutung. Sonst für den Laserschutz eingesetzte teure Beobachtungsfenster mit Schutzbeschichtung werden eingespart. Ein weiterer Vorteil der Einrichtung besteht darin, dass die Einrichtung am Kopf trag- und befestigbar ist, so dass die Hände zur Durchführung und Steuerung des Bearbeitungsprozesses frei sind.The laser tool, which is connected to glasses, is particularly characterized by the fact that the operator or worker can observe it without any risk. This is particularly important for hand-held processing operations. Expensive observation windows with protective coatings that are otherwise used for laser protection are no longer required. Another advantage of the device is that it can be worn and attached to the head, leaving the hands free to carry out and control the processing process.
Das Bildaufhahmesystem in Form z.B. einer Kamera befindet sich direkt im Laserwerkzeug, wobei die Bearbeitungsstelle unter anderem auch beleuchtbar ausführbar ist. Damit erfolgt die Beobachtung des Bearbeitungsvorganges direkt vor Ort und entsprechend der Position des Laserwerkzeugs zum Werkstück. Es ist eine Bearbeitung von Körpern entsprechend ihrer Geometrie möglich. Gleichzeitig sind Korrekturen sofort durchführbar. Damit eignet sich die Einrichtung besonders für kompliziert aufgebaute Körper, die vorzugsweise nur mit Hand bearbeitbar sind, oder für Einzelanfertigungen, die sowohl per Hand als auch maschinell ausführbar sind.The image recording system in the form of a camera, for example, is located directly in the laser tool, and the processing area can also be made illuminated, among other things. This means that the processing process can be observed directly on site and according to the position of the laser tool in relation to the workpiece. Bodies can be processed according to their geometry. At the same time, corrections can be made immediately. This makes the device particularly suitable for bodies with a complicated structure that can preferably only be processed by hand, or for one-off items that can be processed both by hand and by machine.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen 2 bis 19, 21 und 22 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in claims 2 to 19, 21 and 22.
Die schwenkbare Scheibe in der optischen Achse des Laserstrahles in Strahlrichtung nach derThe pivoting disc in the optical axis of the laser beam in beam direction after the
Laserstrahlen erzeugenden, auskoppelnden oder formenden Einrichtung im Laserwerkzeug nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 2 fuhrt zu einer oszillierenden Bewegung des Laserstrahles quer zur Richtung der Führungsbewegung. Dieser Sachverhalt ist besonders beim Schweißen von Vorteil, wobei mit einem breiten Laserstrahl größere Kantenunebenheiten der zu verschweißenden Körper bei gleichbleibender Verfahrbewegung überbrückbar sind. Das ist sowohl bei einem hand- als auch einem maschinengeführten Laserwerkzeug besonders vorteilhaft. Im zweiten Fall ist die Genauigkeitsanforderung an die Maschine z.B. eines Roboters nicht so hoch, so dass eine wesentliche Kostenersparnis gegeben ist.The device in the laser tool that generates, couples out or shapes laser beams according to the embodiment of claim 2 leads to an oscillating movement of the laser beam transverse to the direction of the guide movement. This is particularly advantageous when welding, where a wide laser beam can be used to bridge larger edge irregularities on the bodies to be welded while maintaining the same travel movement. This is particularly advantageous for both a hand-held and a machine-guided laser tool. In the second case, the accuracy requirement for the machine, e.g. a robot, is not so high, so that a significant cost saving is achieved.
Vor allem die Realisierung aller optischen strahlführenden und/oder strahlformenden Einrichtungen aus Kunststoff oder die Ausbildung als Fresnel-Optiken nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 3 führt zu einem sehr leichten Laserwerkzeug, das insbesondere fur ein handgefuhrtes Laserwerkzeug von besonderer Bedeutung ist. Damit wird eine schnelle Ermüdung des Bedieners unterdrückt. Bei der Maschinenfuhrung ist eine höhere Dynamik erzielbar.Above all, the realization of all optical beam-guiding and/or beam-forming devices from plastic or the design as Fresnel optics according to the development of claim 3 leads to a very light laser tool, which is particularly important for a hand-held laser tool. This suppresses rapid fatigue of the operator. A higher level of dynamics can be achieved when operating the machine.
Eine elliptisch ausgebildete Austrittsstelle des Laserstrahles des Laserwerkzeugs nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 4 erlaubt eine optimale Anpassung an den schräggestellten Laserstrahl.An elliptically formed exit point of the laser beam of the laser tool according to the development of claim 4 allows optimal adaptation to the inclined laser beam.
Die Anbringung der Bildwiedergabeeinrichtung an oder die Integration derer in das Laserwerkzeug nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 5 ist besonders für ein handgeführtes Laserwerkzeug von besonderem Vorteil. Damit ist der Bediener in der Lage, die von ihm gewählte Bearbeitungsstelle entsprechend der Geometrien der zu bearbeiteten Werkstücke ständig zu beobachten und auf besondere Bedingungen bei der Bearbeitung zu reagieren. Extern angeordnete Bildwiedergabeeinrichtungen sind vorzugsweise bei einem maschinengeführten Laserwerkzeug von besonderem Vorteil. Diese ist z.B. Bestandteil einer komplexen Bedieneinrichtung der Maschine selbst oder mit mehreren Bestandteil einer Überwachungsstation. The attachment of the image display device to or the integration of it into the laser tool according to the development of claim 5 is particularly advantageous for a hand-held laser tool. This enables the operator to constantly observe the processing point he has selected in accordance with the geometry of the workpieces to be processed and to react to special conditions during processing. Externally arranged image display devices are particularly advantageous for a machine-guided laser tool. This is, for example, part of a complex operating device of the machine itself or with several components of a monitoring station.
Die Weiterbildungen nach dem Schutzanspruch 6 ermöglichen das definierte Abfuhren/Wegkühlen der von der Bearbeitungsstelle reflektierten Strahlen oder die Erzeugung eines zweitenThe further developments according to claim 6 enable the defined removal/cooling of the rays reflected from the processing point or the generation of a second
Fokus zur Verbesserung der Schweißbaddynamik oder die Erzeugung eines ausgedehnten Temperaturfeldes um die Schweißstelle zur Verringerung von durch einen starken Temperaturgradienten induzierten in der Schweißstelle verbleibenden mechanischen Spannungen.Focus on improving the weld pool dynamics or generating an extended temperature field around the weld to reduce mechanical stresses remaining in the weld induced by a strong temperature gradient.
Durch Temperatursensoren und/oder Kühleinrichtungen entsprechend der Weiterbildung des Schutzanspruchs 7 ist eine Überwachung der Temperatur des optischen Elementes und/oder eine definierte Wärmeabfuhr möglich. Damit erfolgt eine thermische Stabilisierung des Elementes. Temperature sensors and/or cooling devices according to the development of claim 7 make it possible to monitor the temperature of the optical element and/or to dissipate heat in a defined manner. This results in thermal stabilization of the element.
Das aus der Pulverdüse entsprechend der Weiterbildung des Schutzanspruchs 8 austretende Material dient insbesondere zum Schweißen oder Auftragsschweißen unter Zuführung von zusätzlichem Material auf die Schweißstelle. Die Pulverdüse ist dabei vorteilhafterweise in Bewegungsrichtung vor der Bearbeitungsstelle oder als Doppeldüse jeweils seitlich angeordnet. The material emerging from the powder nozzle according to the development of claim 8 is used in particular for welding or build-up welding with the supply of additional material to the welding point. The powder nozzle is advantageously arranged in the direction of movement in front of the processing point or as a double nozzle on the side.
Die Anordnung der Austrittsstelle der Pulverdüse im Strahlengang der von der Bearbeitungsstelle reflektierten Strahlen nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 9 fuhrt vorteilhafterweise dazu, dass das auftreffende Pulver sowohl vorgewärmt und als auch dabei gleichzeitig nochmals getrocknet wird. Die Zufuhrung von eine Oxidation hervorrufenden Sauerstoff in die Schweißnaht wird weiter eingeschränkt. Damit werden mechanische Spannungen in der Schweißnaht weiter vermindert.The arrangement of the exit point of the powder nozzle in the beam path of the rays reflected from the processing point according to the development of claim 9 advantageously leads to the impinging powder being both preheated and dried again at the same time. The supply of oxygen, which causes oxidation, into the weld seam is further restricted. This further reduces mechanical stresses in the weld seam.
Eine Kombination des Bildaufhahmesystems mit einer Blasgaseinrichtung nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 10 dient dem Schutz des Bildaufhahmesystems vor aus der Bearbeitungsstelle austretenden Stoffen. Weiterhin ist es damit möglich, gleichzeitig Inertgas zum Schutz der Bearbeitungsstelle, insbesondere vor Sauerstoff, in das Laserwerkzeug einzublasen. Dieses Gas ist vorteilhafterweise gleichzeitig als Kühlmittel des Bildaufhahmesystems oder des gesamten Laserwerkzeugs, insbesondere der optischen Bestandteile, einsetzbar.A combination of the image recording system with a blowing gas device according to the development of claim 10 serves to protect the image recording system from substances escaping from the processing point. Furthermore, it is thus possible to simultaneously blow inert gas into the laser tool to protect the processing point, in particular from oxygen. This gas can advantageously be used simultaneously as a coolant for the image recording system or the entire laser tool, in particular the optical components.
Ein Beleuchtungskörper im Laserwerkzeug für die Bearbeitungsstelle nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 11 dient der Beleuchtung dieser, so dass die Bildqualität gesteigert wirdA lighting fixture in the laser tool for the processing point according to the development of claim 11 serves to illuminate this so that the image quality is increased
und die Bearbeitungsstelle vor und nach dem eigentlichen Bearbeitungsprozess betrachtet
werden kann.and the processing point before and after the actual processing process
can be.
Die Düse nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 12 dient zusammen mit der Druck erhöhenden Einrichtung der Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit der in einem Vorratsbehälter gespeicherten Flüssigkeiten oder Gasen, die insbesondere dem Aus- oder Abblasen des durch den Laserstrahl aufgeschmolzenen Materials der Werkstücke dienen. Damit sind auch dicke
Werkstücke mit dem Laserstrahl schneidbar und die Schnittfuge ist z.B. mit Wasser effektiv
kühlbar.The nozzle according to the development of claim 12 serves, together with the pressure-increasing device, to increase the exit speed of the liquids or gases stored in a storage container, which serve in particular to blow out or blow off the material of the workpieces melted by the laser beam. This also allows thick
Workpieces can be cut with the laser beam and the cutting joint is effectively cut with water, for example
coolable.
Der Fasersteckverbinder nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 13 verhindert eine Verschmutzung der optischen Elemente des Laserwerkzeuges, da auf der Klappe abgelagerter
Schmutz nicht nach innen gelangen kann.The fiber connector according to the embodiment of claim 13 prevents contamination of the optical elements of the laser tool, since deposited on the flap
Dirt cannot get inside.
Die Weiterbildung nach Schutzanspruch 14 erlaubt eine Führung des Werkzeuges bei Handbetrieb. The further development according to claim 14 allows the tool to be guided during manual operation.
Durch die Weiterbildungen des Schutzanspruchs 15 ist ein gleichmäßiger Vorschub des Laserwerkzeuges bei Handbetrieb möglich. Das Schwungrad gleicht natürliche Abweichungen in der Geschwindigkeit weitestgehend aus. In Verbindung mit einem Differential wird eine gleichmäßige
Kurvengeschwindigkeit gewährleistet.The further developments of claim 15 make it possible to feed the laser tool evenly when operated manually. The flywheel compensates for natural deviations in speed as far as possible. In conjunction with a differential, an even feed rate is achieved.
Cornering speed guaranteed.
Die Geschwindigkeitsmesseinrichtung nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 16 erlaubt eine nicht aufwendig zu realisierende Messeinrichtung für die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Laserwerkzeuges. Bei einer Geschwindigkeitsabnahme am Differential wird bei Kurvenfahrten automatisch die mittlere Geschwindigkeit registriert.The speed measuring device according to the development of claim 16 allows a measuring device for the processing speed of the laser tool that is not complicated to implement. If the speed of the differential decreases, the average speed is automatically recorded when cornering.
Die Steuer- und/oder die Regeleinrichtung ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 17 mit dem Strahlungssensor, der Laserstrahlen erzeugenden Einrichtung, dem Temperatursensor, dem Thermostat oder der Kühleinrichtung, dem Transportmechanismus für das Pulver, der
Druck erhöhenden oder mindestens konstant haltenden Einrichtung und der Geschwindigkeits-According to the development of claim 17, the control and/or regulating device is provided with the radiation sensor, the laser beam generating device, the temperature sensor, the thermostat or the cooling device, the transport mechanism for the powder, the
Pressure increasing or at least constant holding device and the speed
nO.fiV.nfinO.fiV.nfi
messeinrichtung verbunden. Damit steht dem Nutzer ein kompaktes Laserwerkzeug zur Verfugung. Dieser Sachverhalt wird durch die Weiterbildung des Schutzanspruchs 18 durch die am Laserwerkzeug angeordnete Bedieneinrichtung weiter unterstützt.measuring device. This provides the user with a compact laser tool. This fact is further supported by the further development of protection claim 18 through the operating device arranged on the laser tool.
Mit der die Laserleistung, den Gasstrahl, den Flüssigkeitsstrahl und den Pulverstrom entsprechend der Bearbeitungsgeschwindigkeit, den Einkoppelbedingungen des Werkstückes und den Vorgaben an der Bedieneinrichtung steuernde und/oder regelnde Software in der Steuer- und/ oder Regeleinrichtung nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 19 werden zum Einen die Qualität der Bearbeitung wesentlich gesteigert und zum Anderen die Anforderungen an einen Bediener gesenkt. Dieser Sachverhalt unterstützt den universellen Charakter bei der Anwendung des Laserwerkzeugs wesentlich. Gleichzeitig sind gleichbleibende Qualitäten der Bearbeitungsstelle erzielbar.With the software in the control and/or regulating device according to the further development of claim 19, which controls and/or regulates the laser power, the gas jet, the liquid jet and the powder flow in accordance with the processing speed, the coupling conditions of the workpiece and the specifications on the operating device, the quality of the processing is significantly increased on the one hand and the demands on the operator are reduced on the other. This fact significantly supports the universal character of the application of the laser tool. At the same time, consistent qualities of the processing point can be achieved.
Durch eine Brille mit einer halbdurchlässigen Scheibe nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 21 ist der Nutzer in der Lage neben der Bearbeitungsstelle auch sein Umfeld zu beobachten. Dabei wird das Bild der Bearbeitungsstelle dem Nutzer auch bei beliebiger Position des Kopfes zu dieser Bearbeitungsstelle zur Verfügung gestellt. Insbesondere an schwer zugänglichen Stellen, wo nur das Laserwerkzeug oder ein Bearbeitungskopf davon eingeführt werden kann, ist der Einsatz vorteilhaft.Using glasses with a semi-transparent lens according to the development of claim 21, the user is able to observe not only the processing location but also his surroundings. The image of the processing location is made available to the user regardless of the position of the head in relation to this processing location. The use is particularly advantageous in hard-to-reach places where only the laser tool or a processing head can be inserted.
Über ein zusätzliches Bildaufnahme- und Bildverarbeitungssystem an der Brille ist auch das Umfeld des Nutzers auf die Bildwiedergabeeinrichtung in der Brille projezierbar. Damit kann der Nutzer weitere Bewegungen der Bearbeitungsvorrichtung und/oder des Laserwerkzeugs gleichzeitig zur Bearbeitungsstelle beobachten. Weiterhin ist der Raum der Bearbeitung auch überwachbar, so dass ein nicht gewolltes Begehen weitestgehend vermieden wird.An additional image recording and processing system on the glasses also allows the user's surroundings to be projected onto the image display device in the glasses. This allows the user to observe further movements of the processing device and/or the laser tool at the same time as the processing location. Furthermore, the processing area can also be monitored so that unintentional entry is largely avoided.
Unterschiedliche vorteilhafte Formen der Darstellung der Bilder sowohl der Bearbeitungsstelle als auch weiterer Orte im Raum sind nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 22 unter Verwendung zweier oder nur einer Bildwiedergabeeinrichtung möglich. Je nach Übung des Nutzers ist die Einrichtung realisierbar. Dabei sind die Bilder nebeneinander oder ineinander darstellbar. Gleichzeitig ist es möglich, die Bilder dem Nutzer nacheinander vorzuführen. Die Darstellungslänge ist dabei durch den Nutzer wählbar. So ist es möglich, die Beobachtung desAccording to the further development of claim 22, different advantageous forms of displaying the images of both the processing location and other locations in the room are possible using two or only one image display device. The device can be implemented depending on the user's practice. The images can be displayed next to each other or one inside the other. At the same time, it is possible to show the user the images one after the other. The length of the display can be selected by the user. This makes it possible to observe the
Bearbeitungsvorganges z.B. kurzzeitig zu unterbrechen und je nach Kopfstellung die Umgebung zu beobachten.For example, you can briefly interrupt the processing process and observe your surroundings depending on your head position.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in principle in the drawings and are described in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Darstellung eines Laserwerkzeuges,Fig. 1 a representation of a laser tool,
Fig. 2 eine Darstellung eines Laserwerkzeuges mit einer Pulverzuführung durch ein optisches Element,Fig. 2 a representation of a laser tool with a powder feed through an optical element,
Fig. 3 eine seitliche Pulverzuführung zur Bearbeitungsstelle, Fig. 4 ein Laserwerkzeug mit Wasser- oder Gasstrahl,Fig. 3 a lateral powder feed to the processing point, Fig. 4 a laser tool with water or gas jet,
Fig. 5 eine prinzipielle Darstellung einer Einrichtung zur Beobachtung der Bearbeitungsstelle und
Fig. 6 eine prinzipielle Darstellung einer Einrichtung zur Beobachtung der Bearbeitungsstelle und des Umfeldes.Fig. 5 a schematic representation of a device for monitoring the processing point and
Fig. 6 shows a schematic diagram of a device for observing the processing location and the surrounding area.
1. Ausführungsbeispiel1. Example
Das hand- und maschinenfuhrbare Laserwerkzeug zur Bearbeitung von Werkstücken 1 besteht in einem ersten Ausfuhrungsbeispiel, das vorrangig zum Schweißen oder Härten eingesetzt wird, aus einem Gehäuse 7, in dem eine Laserstrahlen einkoppelnde und formende Einrichtung 4, ein Bildaufhahmesystem und eine Blasgasdüse 10 angeordnet sind. Eine Laserstrahlen erzeugende Einrichtung 2 ist in einer ersten Ausfuhrungsform ein fasergefuhrter Hochleistungsdiodenlaser.The hand- and machine-operated laser tool for processing workpieces 1 consists in a first embodiment, which is used primarily for welding or hardening, of a housing 7 in which a device 4 for coupling and shaping laser beams, an image recording system and a blowing gas nozzle 10 are arranged. A device 2 for generating laser beams is in a first embodiment a fiber-guided high-performance diode laser.
In einer zweiten Ausfuhrungsform wird ein fasergeführter Nd: YAG- Hochleistungslaser eingesetzt. In a second embodiment, a fiber-guided Nd:YAG high-power laser is used.
Der Fasersteckverbinder 3 des Laserwerkzeugs verhindert durch eine sich nach außen öffnende Klappe beim Einstecken des vom Laser kommenden Fasersteckverbinders eine Verschmutzung der optischen Elemente des Laserwerkzeuges, da auf der Klappe abgelagerter Schmutz nicht nach innen gelangen kann. Die Laserstrahlen einkoppelnde und formende Einrichtungen 4 sind so im Gehäuse 7 plaziert, dass die Laserstrahlen schräg mit einem Winkel von 30° über eineThe fiber connector 3 of the laser tool prevents contamination of the optical elements of the laser tool by means of a flap that opens outwards when the fiber connector coming from the laser is inserted, since dirt deposited on the flap cannot get inside. The devices 4 that couple and shape the laser beams are placed in the housing 7 in such a way that the laser beams are directed obliquely at an angle of 30° over a
Austrittsöfihung 6 im Gehäuse 7 auf die Bearbeitungsstelle 8 treffen. Diese Austrittsöffhung 6 weist die Form einer Ellipse auf.Exit opening 6 in the housing 7 meets the processing point 8. This exit opening 6 has the shape of an ellipse.
In der Senkrechten und mit einem Abstand über der Austrittsöfihung 6 und damit über der Bearbeitungsstelle 8 befindet sich der optische Eingang mindestens eines Bildaufhahmesystems in Form einer Kamera 9 und eine Blasgasdüse 10. Für die Aufnahme eines Stereobildes der Bearbeitungsstelle 8 sind zwei Kameras 9 im Gehäuse 7 angeordnet. Die Kamera/ Kameras 9 ist/sind mit der Blasgaseinrichtung kombiniert.The optical input of at least one image recording system in the form of a camera 9 and a blowing gas nozzle 10 is located vertically and at a distance above the outlet opening 6 and thus above the processing point 8. Two cameras 9 are arranged in the housing 7 to record a stereo image of the processing point 8. The camera/cameras 9 is/are combined with the blowing gas device.
Für eine optimale Ausleuchtung der Bearbeitungsstelle 8 insbesondere vor und nach dem Bearbeitungsvorgang befindet sich ein Beleuchtungskörper im Gehäuse 7 des Laserwerkzeugs. Die Wellenlänge des Beleuchtungskörpers richtet sich nach dem gewünschten Bild der Bearbeitungsstelle 8. Der Beleuchtungskörper ist in der Fig. 1 der Einfachheit halber nicht dargestellt. For optimal illumination of the processing point 8, particularly before and after the processing process, a lighting fixture is located in the housing 7 of the laser tool. The wavelength of the lighting fixture depends on the desired image of the processing point 8. The lighting fixture is not shown in Fig. 1 for the sake of simplicity.
In der optischen Achse des Laserstrahles 5 in Strahlrichtung nach dem Laser oder den Einrichtungen 4 befindet sich schwenkbar eine Scheibe 15 im Gehäuse 7 des Laserwerkzeugs, die aus Kunststoff oder Glas besteht. An der Scheibe 15 ist ein Antrieb 16 in Form eines Elektromagneten, eines Piezoschwingers oder eines Schrittmotors angebracht. Mit der gegenüber dem Laser oder der Einrichtungen 4 pendelnden Bewegung der Scheibe 15 oszilliert der austretende Laserstrahl 5 quer zur Bewegungsrichtung. Damit eignet sich dieser Laserstrahl 5 neben dem Schweißen auch sehr gut zum Härten. In der Fig. 1 ist ein derartig ausgestaltetes Laserwerkzeug prinzipiell dargestellt.In the optical axis of the laser beam 5 in the beam direction after the laser or the devices 4, there is a pivotable disk 15 in the housing 7 of the laser tool, which consists of plastic or glass. A drive 16 in the form of an electromagnet, a piezo oscillator or a stepper motor is attached to the disk 15. With the pendulum movement of the disk 15 relative to the laser or the devices 4, the emerging laser beam 5 oscillates transversely to the direction of movement. This means that this laser beam 5 is very suitable not only for welding but also for hardening. Fig. 1 shows the principle of a laser tool designed in this way.
An die Austrittsöffiiung 6 der Laserstrahlen 5 des Laserwerkzeugs ist eine Strahlfalle in Form einer bewegbaren Klappe angeordnet. Diese Klappe wird mechanisch über einen daran angekoppelten verschiebbaren Ring oder Stift bewegt. Vorteilhafterweise wird beim Aufsetzen des Laserwerkzeugs auf das Werkstück 1 der Ring oder der Stift in das Gehäuse 7 hineingeschoben, so dass die Klappe gleichzeitig geöffnet wird. Der auf dem Werkstück 1 aufsitzende Ring dient gleichzeitig dem Strahlungsschutz. Dieser ist mit einem diamantähnlichen Kohlenstoff beschichtet, um die Gleiteigenschaften zu verbessern und den Verschleiß zu vermindern. In der Klappe ist ein die reflektierte Reststrahlung 17 der Bearbeitungsstelle 8 aufnehmendes optisches Element 18 integriert. Als optisches Element 18 ist entweder eine Strahlfalle, ein fokussierender Spiegel oder ein zerstreuender Spiegel verwendbar. Die einzelnen optischen Elemente 18 sind austauschbar ausgeführt. Zum Schweißen mit einer definierten in die Bearbeitungs-A beam trap in the form of a movable flap is arranged on the exit opening 6 of the laser beams 5 of the laser tool. This flap is moved mechanically via a movable ring or pin coupled to it. Advantageously, when the laser tool is placed on the workpiece 1, the ring or pin is pushed into the housing 7 so that the flap is opened at the same time. The ring sitting on the workpiece 1 also serves as radiation protection. This is coated with a diamond-like carbon in order to improve the sliding properties and reduce wear. An optical element 18 is integrated in the flap, which absorbs the reflected residual radiation 17 from the processing point 8. Either a beam trap, a focusing mirror or a scattering mirror can be used as the optical element 18. The individual optical elements 18 are designed to be interchangeable. For welding with a defined
stelle 8 eingebrachten Laserleistung wird eine gekühlte Strahlfalle eingesetzt. Beim Schweißen von Aluminium wird mit einem fokussierenden Spiegel gearbeitet, um einen zweiten Fokus zu erzeugen und die entstehende Dampfkapillare zu vergrößern. Dadurch wird ein besseres Ausgasen der Bearbeitungsstelle bewirkt und eine qualitativ hochwertige Schweißnaht erzeugt. Beim Schweißen von sprödharten Materialien (z.B. Keramik) oder beim Härten wird ein zerstreuender Spiegel eingesetzt. Dadurch wird der entstehende Temperaturgradient vermindert, das zu weniger Rissen beim Schweißen oder zu einer Erhöhung der Härtegeschwindigkeit mit einer größeren Haltezeit fuhrt. Das optische Element 18 ist weiterhin mit einem Temperatursensor 19 und einer Kühl- oder Thermostatisierungseinrichtung verbunden. Der Temperatursensor 19 liefert entweder eine der Temperatur äquivalente elektrische Spannung oder bewirkt eine elektrische Stromänderung in einem elektrischen Stromkreis, so dass die Kühl- oder Thermostatisierungseinrichtung steuerbar ist.A cooled beam trap is used for the laser power introduced at point 8. When welding aluminum, a focusing mirror is used to create a second focus and enlarge the resulting vapor capillary. This results in better outgassing of the processing point and produces a high-quality weld seam. When welding brittle-hard materials (e.g. ceramics) or during hardening, a scattering mirror is used. This reduces the resulting temperature gradient, which leads to fewer cracks during welding or to an increase in the hardening speed with a longer holding time. The optical element 18 is also connected to a temperature sensor 19 and a cooling or thermostatting device. The temperature sensor 19 either supplies an electrical voltage equivalent to the temperature or causes an electrical current change in an electrical circuit so that the cooling or thermostatting device can be controlled.
Ein im optischen Element 18 ebenfalls integrierter Strahlungssensor 20 stellt über Differenzbildung zu einem im Strahlengang vor der Bearbeitungsstelle 8 positionierten Streustrahlungssensor 11 ein Signal als direktes Maß für eine Kontrolle der an der Bearbeitungsstelle 8 umgesetzten Energie dar. Dadurch ist das Einbringen der Energie während der Bearbeitung sehr genau regel- und steuerbar.A radiation sensor 20, which is also integrated in the optical element 18, generates a signal as a direct measure for controlling the energy converted at the processing point 8 by forming a difference with a scattered radiation sensor 11 positioned in the beam path in front of the processing point 8. This means that the introduction of energy during processing can be regulated and controlled very precisely.
Das Bildaufhahmesystem in Form der Kamera 9 ist über ein Bildverarbeitungssystem 12 mit mindestens einem Bildschirm als Bildwiedergabeeinrichtung 13 verbunden. Bei der Realisierung eines mit einem Handgriff 24 versehenen und handgefuhrten Laserwerkzeugs ist die Bildwiedergabeeinrichtung 13 ein Bestandteil des Laserwerkzeugs selbst und entweder in das Gehäuse 7 integriert oder befindet sich seitlich und/oder klappbar an dem Gehäuse 7 des Laserwerkzeugs.The image recording system in the form of the camera 9 is connected via an image processing system 12 to at least one screen as an image display device 13. When implementing a hand-held laser tool provided with a handle 24, the image display device 13 is a component of the laser tool itself and is either integrated into the housing 7 or is located on the side and/or foldable on the housing 7 of the laser tool.
Bei einem maschinengefuhrten Laserwerkzeug befindet sich die Bildwiedergabeeinrichtung 13 als externes Gerät separat an der Maschine. Als Maschine kommt z.B. ein Roboter zum Einsatz. In a machine-guided laser tool, the image display device 13 is located separately on the machine as an external device. A robot, for example, is used as the machine.
Die die Laserstrahlen erzeugende Einrichtung 2, der Antrieb 16 für die Scheibe 15, der Temperatursensor 19, die Strahlungssensoren 20, die Kühl- oder Thermostatisierungseinrichtung, die Gaszufuhrung und der Beleuchtungskörper sind mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung in Form eines Mikrorechners verbunden. Dieser ist zweckmäßigerweise im Gehäuse 7 des Laserwerkzeugs insbesonders bei der handgefuhrten Variante integriert. Der MikrorechnerThe device 2 that generates the laser beams, the drive 16 for the disk 15, the temperature sensor 19, the radiation sensors 20, the cooling or thermostating device, the gas supply and the lighting fixture are connected to a control or regulating device in the form of a microcomputer. This is conveniently integrated in the housing 7 of the laser tool, especially in the hand-held variant. The microcomputer
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ist gleichzeitig Bestandteil des Bildverarbeitungssystems 12. Damit sind die internen und/oder externen Bestandteile des Laserwerkzeugs softwaremäßig Steuer- oder regelbar. Über die implementierte Software wird die Laserleistung entsprechend der Bearbeitungsgeschwindigkeit, den Einkoppelbedingungen des Werkstückes 1 und den Vorgaben an die Bedieneinrichtung gesteuert. Die Bedieneinrichtung befindet sich gut sichtbar über dem Handgriff 24. An der Bedieneinrichtung ist die Art des Materiales (z.B. Stahl, Edelstahl, Aluminium usw.) und die Materialdicke voreinstellbar. Die implementierte Software beinhaltet Daten der Technologie, so dass die Laserleistung entsprechend berechen- und regelbar ist. An der Bedieneinrichtung befindet sich eine Anzeige, mit deren Hilfe sichtbar ist, ob sich der Bediener mit der Geschwindigkeit im für die Bearbeitung des Werkstückes 1 notwendigen Regelbereich befindet. Die Anzeige besteht z.B. aus einer grünen und zwei roten lichtemittierenden Halbleiterdioden. Ist die Geschwindigkeit zu niedrig oder zu hoch leuchten jeweils die roten lichtemittierenden Halbleiterdioden.is also part of the image processing system 12. This means that the internal and/or external components of the laser tool can be controlled or regulated using software. The implemented software controls the laser power according to the processing speed, the coupling conditions of the workpiece 1 and the specifications for the operating device. The operating device is clearly visible above the handle 24. The type of material (e.g. steel, stainless steel, aluminum, etc.) and the material thickness can be preset on the operating device. The implemented software contains technology data so that the laser power can be calculated and regulated accordingly. There is a display on the operating device which shows whether the operator is within the control range required for processing the workpiece 1. The display consists of one green and two red light-emitting semiconductor diodes, for example. If the speed is too low or too high, the red light-emitting semiconductor diodes light up.
In der Fig. 1 ist ein derartig realisiertes Laserwerkzeug prinzipiell dargestellt, wobei die Bedieneinrichtung nicht gezeigt ist.In Fig. 1, a laser tool realized in this way is shown in principle, whereby the operating device is not shown.
Für eine leichte und ermüdungsfreie Handhabung des Laserwerkzeugs ist in Vorschubrichtung nach der Austrittsstelle des Laserstrahles 5 eine Führungseinrichtung insbesondere in Form eines Schlittens oder einer Doppelrolle 14 angebracht. Der Schlitten ist mit einem diamantähnlichen Kohlenstoff beschichtet. In den Doppelrollen 14 befindet sich ein Schwungrad zum Ausgleich von Geschwindigkeitsschwankungen und/oder ein Differential zur Messung der resultierenden Geschwindigkeit bei Kurvenfahrten. Die Einrichtung zur Messung der Geschwindigkeit ist mit dem Mikrorechner verschalten.To ensure easy and fatigue-free handling of the laser tool, a guide device, particularly in the form of a carriage or a double roller 14, is attached in the feed direction after the exit point of the laser beam 5. The carriage is coated with a diamond-like carbon. In the double rollers 14 there is a flywheel to compensate for speed fluctuations and/or a differential to measure the resulting speed when cornering. The device for measuring the speed is connected to the microcomputer.
Zur Erhöhung der Lasersicherheit befindet sich am Laserwerkzeug eine mit einem Finger bedienbare Zustimmtaste. Nur nach oder bei gedrückter Zustimmtaste ist der Laserstrahl auslösbar. Diese ist mit dem Mikrorechner verschalten.To increase laser safety, the laser tool is fitted with an approval button that can be operated with a finger. The laser beam can only be triggered after or when the approval button is pressed. This is connected to the microcomputer.
In einer weiteren Variante ist die Position der Klappe als Strahlfalle über einen Bewegungssensor oder im offenen oder geschlossenen Zustand über einen Anschlagschalter erfassbar. Dieser Sensor ist mit dem Mikrorechner verbunden.In another variant, the position of the flap as a jet trap can be detected via a motion sensor or in the open or closed state via a stop switch. This sensor is connected to the microcomputer.
2. Ausfuhrungsbeispiel2. Example
Das hand- und maschinenfuhrbare Laserwerkzeug zur Bearbeitung von Werkstücken 1 besteht in einem zweiten vorrangig zum Pulverauftragsschweißen genutzten Ausfuhrungsbeispiel aus einem Gehäuse 7, in dem eine Laserstrahlen einkoppelnde und formende Einrichtung 4 und mindestens eine Pulverdüse 22 angeordnet sind.In a second embodiment, which is primarily used for powder deposition welding, the hand- and machine-operated laser tool for machining workpieces 1 consists of a housing 7 in which a device 4 for coupling and shaping laser beams and at least one powder nozzle 22 are arranged.
Die Laserstrahlen erzeugende Einrichtung 2 ist ein fasergeführter Hochleistungsdiodenlaser. Dieser oder die Laserstrahlen einkoppelnde und formende Einrichtung 4 sind so im Gehäuse plaziert, dass die Laserstrahlen 5 mit dem kleinst möglichen Winkel schräg über eine Austrittsöffhung 6 im Gehäuse 7 auf die Bearbeitungsstelle 8 treffen. Der kleinst mögliche Winkel ist durch die Brennweite und Apertur der Abbildungsoptik und die Bedingung, dass keine Strahlungsanteile in die Optik zurückreflektiert werden sollen, definiert. Die Austrittsöffnung 6 weist die Form einer Ellipse auf.The device 2 that generates laser beams is a fiber-guided high-performance diode laser. This or the device 4 that couples and shapes the laser beams are placed in the housing in such a way that the laser beams 5 impinge on the processing point 8 at the smallest possible angle via an exit opening 6 in the housing 7. The smallest possible angle is defined by the focal length and aperture of the imaging optics and the condition that no radiation components are to be reflected back into the optics. The exit opening 6 has the shape of an ellipse.
In den Gang des von der Bearbeitungsstelle 8 reflektierten Strahles 17 ist ein optisches Element 18 integriert. Das ist wahlweise entweder eine Strahlfalle, ein fokussierender Spiegel oder ein zerstreuender Spiegel. Weiterhin ist dieses mit einem Temperatursensor 19 und einer Kühloder Thermostatisierungseinrichtung verbunden. Der Temperatursensor 19 liefert entweder eine der Temperatur äquivalente elektrische Spannung oder bewirkt eine elektrische Stromänderung in einem elektrischen Stromkreis, so dass die Kühl- oder Thermostatisierungseinrichtung steuerbar ist. Ein zusätzlich angebrachter Strahlungssensor 20 dient der Messung der von der Bearbeitungsstelle 8 rückreflektierten Laserstrahlung 17.An optical element 18 is integrated into the path of the beam 17 reflected from the processing point 8. This can be either a beam trap, a focusing mirror or a dispersing mirror. It is also connected to a temperature sensor 19 and a cooling or thermostating device. The temperature sensor 19 either supplies an electrical voltage equivalent to the temperature or causes an electrical current change in an electrical circuit so that the cooling or thermostating device can be controlled. An additionally attached radiation sensor 20 is used to measure the laser radiation 17 reflected back from the processing point 8.
Weiterhin ist im Gehäuse 7 des Laserwerkzeuges mindestens eine in die Richtung der Bearbeitungsstelle 8 weisende Pulverdüse 22 angeordnet. Diese ist über eine Schlauchverbindung als Zuleitung 21 für das Pulver und einer Pulverfördereinrichtung mit einem Pulverbehälter verbunden. Die Pulverdüse 22 ist weiterhin so ausgestaltbar, dass diese in Richtung der Bearbeitungsstelle 8 verschiebbar ist.Furthermore, at least one powder nozzle 22 pointing in the direction of the processing point 8 is arranged in the housing 7 of the laser tool. This is connected to a powder container via a hose connection as a supply line 21 for the powder and a powder conveyor device. The powder nozzle 22 can also be designed in such a way that it can be moved in the direction of the processing point 8.
In einer ersten Variante befindet sich die Pulverdüse 22 in dem Strahlengang der reflektierten Strahlung 17 der Bearbeitungsstelle 8. Die Zuleitung 21 des Pulvers ist entweder durch das optische Element 18 oder seitlich heranführbar. Die Pulverdüse 22, die vorteilhafterweise aus Kupfer oder einem hochschmelzenden Material ist, wird durch die reflektierte Strahlung 17 aufgeheizt. Das fuhrt zu einer Vorerwärmung und daraus resultierender Trocknung des austretenden Pulvers. Dieser Sachverhalt wird durch die Bewegung des Pulvers in der reflektiertenIn a first variant, the powder nozzle 22 is located in the beam path of the reflected radiation 17 of the processing point 8. The supply line 21 of the powder can be guided either through the optical element 18 or from the side. The powder nozzle 22, which is advantageously made of copper or a high-melting material, is heated by the reflected radiation 17. This leads to preheating and resulting drying of the emerging powder. This is achieved by the movement of the powder in the reflected
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Strahlung 17 weiter erhöht. Damit sind insbesondere hochschmelzende Pulverschichten auf Werkstücke 1 aus niedrigschmelzenden Material aufschweißbar. Die Fig. 2 zeigt eine prinzipielle Darstellung.Radiation 17 is further increased. This makes it possible to weld high-melting powder layers onto workpieces 1 made of low-melting material. Fig. 2 shows a basic illustration.
In einer zweiten Variante befinden sich zwei rechteckförmige Pulverdüsen 22 an den beiden Längsseiten des elliptischen Laserstrahlfleckes. Beide Pulverdüsen 22 sind auf den Laserstrahlfleck gerichtet und längs verschiebbar, so dass dadurch der Bearbeitungsfleck entsprechend der zu realisierenden Bearbeitungsgeschwindigkeit justierbar ist. Durch die gegenüberliegende Anordnung ist das Pulver sehr effektiv verarbeitbar, da das an der Oberfäche des Werkstücks 1 reflektierte Pulver praktisch durch den gegenüberliegenden Pulverstrahl an der Bearbeitungsstelle 8 gehalten wird. Damit ist ein Arbeiten mit hohen Pulverausbeuten und hohen Auftragsleistungen gegeben. Diese Variante ist in der Fig. 3 dargestellt.In a second variant, there are two rectangular powder nozzles 22 on the two long sides of the elliptical laser beam spot. Both powder nozzles 22 are directed at the laser beam spot and can be moved lengthwise, so that the processing spot can be adjusted according to the processing speed to be achieved. The opposing arrangement allows the powder to be processed very effectively, since the powder reflected on the surface of the workpiece 1 is practically held at the processing point 8 by the opposing powder jet. This enables work with high powder yields and high application rates. This variant is shown in Fig. 3.
Bei einer dritten Variante wird das Pulver über eine mittig im Gehäuse angeordnete Düse zugeführt. Das Pulver dient in dieser Anordnung hauptsächlich der Unterstützung des Schweißprozesses. In a third variant, the powder is fed through a nozzle located in the middle of the housing. In this arrangement, the powder mainly serves to support the welding process.
Das Laserwerkzeug ist sowohl mit der Hand als auch mit einer Maschine fuhrbar. Im ersten Fall ist am Laserwerkzeug ein Handgriff 24 angebracht. Als Maschine kommt z.B. ein Roboter zum Einsatz.The laser tool can be operated either by hand or by machine. In the first case, a handle 24 is attached to the laser tool. A robot, for example, is used as a machine.
Die die Laserstrahlen erzeugende Einrichtung 2, der Temperatursensor 19, die Strahlungssensoren 20, die Kühl- oder Thermostatisierungseinrichtung und die Pulverfördereinrichtung sind mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung in Form eines Mikrorechners verbunden. Dieser ist zweckmäßigerweise im Gehäuse 7 des Laserwerkzeuges insbesondere bei der handgeführten Variante integriert. Damit sind die internen und/oder externen Bestandteile des Laserwerkzeuges softwaremäßig Steuer- oder regelbar. Über die implementierte Software werden die Laserleistung und der Pulverstrom entsprechend der Bearbeitungsgeschwindigkeit, den Einkoppelbedingungen des Werkstückes 1 und den Vorgaben an die Bedieneinrichtung gesteuert. Für eine leichte und ermüdungsfreie Handhabung des Laserwerkzeuges ist in Vorschubrichtung nach der Austrittsstelle des Laserstrahles eine Führungseinrichtung insbesondere in Form eines Schlittens oder einer Doppelrolle 14 angebracht. Diese sind so ausgebildet, dass die aufgetragene Schweißnaht nicht berührt wird.The device 2 that generates the laser beams, the temperature sensor 19, the radiation sensors 20, the cooling or thermostating device and the powder conveying device are connected to a control or regulating device in the form of a microcomputer. This is expediently integrated in the housing 7 of the laser tool, particularly in the hand-held variant. This means that the internal and/or external components of the laser tool can be controlled or regulated using software. The implemented software controls the laser power and the powder flow according to the processing speed, the coupling conditions of the workpiece 1 and the specifications for the operating device. To ensure easy and fatigue-free handling of the laser tool, a guide device, particularly in the form of a carriage or a double roller 14, is attached in the feed direction after the exit point of the laser beam. These are designed so that the applied weld seam is not touched.
3. Ausführungsbeispiel3. Example
Das hand- und maschinenführbare Laserwerkzeug zur Bearbeitung von Werkstücken 1 besteht in einem dritten vorwiegend zum Schneiden eingesetzten Ausfuhrungsbeispiel aus einem Gehäuse 7, in dem eine Laserstrahlen einkoppelnde und formende Einrichtung 4 und eine Hochdruckdüse 23 angeordnet sind.In a third embodiment, which is used primarily for cutting, the hand- and machine-operated laser tool for machining workpieces 1 consists of a housing 7 in which a laser beam coupling and shaping device 4 and a high-pressure nozzle 23 are arranged.
Die Laserstrahlen erzeugende Einrichtung 2 ist vorzugsweise ein Hochleistungsdiodenlaser. Dieser oder die Laserstrahlen einkoppelnde und formende Einrichtung 4 sind so im Gehäuse 7 plaziert, dass die Laserstrahlen 5 schräg mit einem Winkel zwischen > 10° und < 15° über eine Austrittsöfmung 6 im Gehäuse 7 auf die Bearbeitungsstelle 8 treffen. Diese Austrittsöffiiung 6 weist die Form einer Ellipse auf.The device 2 generating laser beams is preferably a high-power diode laser. This or the device 4 coupling and shaping the laser beams are placed in the housing 7 in such a way that the laser beams 5 impinge on the processing point 8 at an angle of between > 10° and < 15° via an exit opening 6 in the housing 7. This exit opening 6 has the shape of an ellipse.
Im Gehäuse 7 ist ein die reflektierte Reststrahlung 17 der Bearbeitungsstelle 8 verarbeitendes optisches Element 18 integriert. Dieses ist als fokussierender Spiegel ausgebildet. Der Fokus ist auf die Bearbeitungsstelle 8 gerichtet.An optical element 18 that processes the reflected residual radiation 17 from the processing point 8 is integrated in the housing 7. This is designed as a focusing mirror. The focus is directed at the processing point 8.
Die Hochdruckdüse 23 im Gehäuse 7 gegenüber der Bearbeitungsstelle 8 ist über eine die Menge und die Geschwindigkeit von Flüssigkeiten oder Gasen erhöhende Einrichtung mit einem Vorratsbehälter für die Flüssigkeiten oder die Gase verbunden. Derartige Einrichtungen sind z.B. Pumpen für Flüssigkeiten oder Kompressoren für Gase.The high-pressure nozzle 23 in the housing 7 opposite the processing point 8 is connected to a storage container for the liquids or gases via a device that increases the quantity and speed of liquids or gases. Such devices are, for example, pumps for liquids or compressors for gases.
In einer ersten Variante wird als Medium zur Unterstützung des Schneidprozesses Wasser verwendet. Die eingesetzten Hochdruckdüsen 23 liefern einen Wasserstrahl mit einem Durchmesser von 0,02 mm bis 0,2 mm. Der Druck des Wassers beträgt 100 bar bis 1000 bar je nach dem zu schneidenden Material. Sich im Laserwerkzeug ansammelndes Wasser wird über eine zusätzliche Einrichtung abgesaugt. Die mit dem entstehenden Wasserdampf in Berührung kommenden Optiken wird über eine Vorrichtung freigeblasen.In a first variant, water is used as a medium to support the cutting process. The high-pressure nozzles 23 used deliver a water jet with a diameter of 0.02 mm to 0.2 mm. The water pressure is 100 bar to 1000 bar, depending on the material to be cut. Water that collects in the laser tool is sucked out using an additional device. The optics that come into contact with the resulting water vapor are blown free using a device.
Durch den zusätzlichen Hochdruckwasserstrahl entsteht eine Kombination zwischen Wasserstrahl- und Laserstrahlschneiden. Insbesondere Kunststoffe lassen sich verbrennungsfrei bearbeiten. The additional high-pressure water jet creates a combination of water jet and laser cutting. Plastics in particular can be processed without burning.
In einer zweiten Variante wird als Medium zur Unterstützung des Schneidprozesses Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, verwendet. Der Druckbereich des verwendeten Gases ist gleich/größer 50 und kleiner/gleich 200 bar, so dass für die Bearbeitung ein nicht aufwendiger Flaschendruckminderer einsetzbar ist. Der gegenüber bisher beim Hochdruckschneiden verwendete stark erhöhte Druck verbessert die Schnittqualität erheblich.In a second variant, inert gas, preferably nitrogen, is used as a medium to support the cutting process. The pressure range of the gas used is equal to/greater than 50 and less than/equal to 200 bar, so that a simple bottle pressure reducer can be used for processing. The greatly increased pressure compared to that previously used for high-pressure cutting significantly improves the cutting quality.
Das Laserwerkzeug ist sowohl von Hand als auch mit einer Maschine fuhrbar. Zur Handbearbeitung ist am Laserwerkzeug ein Handgriff 24 angebracht. Als Maschine kommt z.B. ein Roboter zum Einsatz.The laser tool can be operated either by hand or with a machine. A handle 24 is attached to the laser tool for manual processing. A robot, for example, can be used as a machine.
Die die Laserstrahlen erzeugende Einrichtung 2 und die Gaszuführung einschließlich der den Druck der Flüssigkeiten oder Gasen erhöhenden oder mindestens konstant haltenden Einrichtung sind mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung in Form eines Mikrorechners verbunden. Dieser ist zweckmäßigerweise im Gehäuse 7 des Laserwerkzeuges insbesonders bei der handgeführten Variante integriert. Damit sind die internen und/oder externen Bestandteile des Laserwerkzeuges softwaremäßig Steuer- oder regelbar. Über die implementierte Software werden die Laserleistung und der Gasstrahl oder der Flüssigkeitsstrahl entsprechend der Bearbeitungsgeschwindigkeit, den Einkoppelbedingungen des Werkstückes 1 und den Vorgaben an die Bedieneinrichtung gesteuert. In der Fig. 4 ist ein derartig realisiertes Laserwerkzeug prinzipiell dargestellt.The device 2 that generates the laser beams and the gas supply, including the device that increases the pressure of the liquids or gases or at least keeps it constant, are connected to a control or regulating device in the form of a microcomputer. This is conveniently integrated in the housing 7 of the laser tool, particularly in the hand-held variant. This means that the internal and/or external components of the laser tool can be controlled or regulated using software. The laser power and the gas jet or the liquid jet are controlled via the implemented software in accordance with the processing speed, the coupling conditions of the workpiece 1 and the specifications for the operating device. Fig. 4 shows a basic illustration of a laser tool implemented in this way.
Für eine leichte und ermüdungsfreie Handhabung des Laserwerkzeuges ist in Vorschubrichtung nach der Austrittsstelle 6 des Laserstrahles eine Führungseinrichtung insbesondere in Form eines Schlittens oder einer Doppelrolle 14 angebracht. In den Doppelrollen 14 befindet sich ein Schwungrad und/oder ein Differential.For easy and fatigue-free handling of the laser tool, a guide device, in particular in the form of a carriage or a double roller 14, is attached in the feed direction after the exit point 6 of the laser beam. A flywheel and/or a differential is located in the double rollers 14.
4. Ausführungsbeispiel4. Example
Das Laserwerkzeug ist in einem vierten Ausführungsbeispiel entsprechend des ersten Ausführungsbeispiels ausgeführt. Die Kamera 9 des Laserwerkzeugs ist mit einer externen und tragbaren Bildwiedergabeeinrichtung 13 in einer Brille 25 verkoppelt. Die Fig. 5 zeigt prinzipiell eine derartige Einrichtung.In a fourth embodiment, the laser tool is designed in accordance with the first embodiment. The camera 9 of the laser tool is coupled to an external and portable image display device 13 in glasses 25. Fig. 5 shows a principle of such a device.
Die Kamera 9 ist mit einem Bildverarbeitungssystem 12 verbunden, so dass die Bilddaten für eine drahtgebundene oder drahtlose Übertragung zur Verfügung stehen. Dieses Bildverarbeitungssystem 12 ist räumlich mit der Kamera 9 verkoppelt und in oder an dem Laserwerkzeug angeordnet. In einer Variante ist das der Mikrorechner des ersten Ausführungsbeispiels. Das aufbereitete Bild der Bearbeitungsstelle 8 wird zu einer Bildwiedergabeeinrichtung 13 gesendet. Das ist z.B. ein Flüssigkristalldisplay 26, das in der Brille 25 so eingebracht ist, dass es wenigstens über ein Auge des Bedieners wahrgenommen wird. Die Brille 25 ist gleichzeitig eine Schutzbrille für Laserstrahlung. Diese ist dabei entweder für den Bediener undurchsichtigThe camera 9 is connected to an image processing system 12 so that the image data is available for wired or wireless transmission. This image processing system 12 is spatially coupled to the camera 9 and arranged in or on the laser tool. In one variant, this is the microcomputer of the first embodiment. The processed image of the processing point 8 is sent to an image display device 13. This is, for example, a liquid crystal display 26 which is incorporated in the glasses 25 in such a way that it can be perceived by at least one eye of the operator. The glasses 25 are simultaneously protective glasses for laser radiation. These are either opaque for the operator
oder halbdurchlässig ausgeführt. Im ersten Fall ist das Flüssigkristalldisplay 26 so auslegbar, dass das Bild der Bearbeitungsstelle 8 über beide Augen des Bedieners wahrnehmbar ist. Im zweiten Fall ist der Bediener in der Lage, über ein Auge die Bearbeitungsstelle 8 und über das andere Auge das Umfeld zu beobachten.or semi-transparent. In the first case, the liquid crystal display 26 can be designed so that the image of the processing point 8 can be seen through both eyes of the operator. In the second case, the operator is able to observe the processing point 8 with one eye and the surroundings with the other eye.
In einer weiteren Variante des Ausfuhrungsbeispiels sind im Laserwerkzeug zwei Kameras 9 unter dem Winkel entsprechend der der menschlichen Augen angebracht. Die Wiedergabe des Bildes erfolgt mit einer Brille 25, die für jedes Auge eines Betrachters ein separates Flüssigkeitskristalldisplay 26 besitzt. Eine solche Anordnung ermöglicht volles räumliches Sehen, was für den Bediener einen erheblichen Informationsgewinn darstellt.In a further variant of the exemplary embodiment, two cameras 9 are mounted in the laser tool at an angle corresponding to that of the human eye. The image is reproduced using glasses 25, which have a separate liquid crystal display 26 for each eye of a viewer. Such an arrangement enables full spatial vision, which represents a significant gain in information for the operator.
5. Ausfuhrungsbeispiel5. Implementation example
Das Laserwerkzeug eines fünften Ausfuhrungsbeispiels entspricht dem des ersten Ausführungsbeispiels. Die Bildwiedergabeeinrichtung 13 ist in einer Brille 25 untergebracht. Die Fig. 6 zeigt prinzipiell eine derartige Einrichtung.The laser tool of a fifth embodiment corresponds to that of the first embodiment. The image display device 13 is housed in glasses 25. Fig. 6 shows a principle of such a device.
Eine Kamera 9 befindet sich im Gehäuse 7 des Laserwerkzeugs und nimmt das Bild der Bearbeitungsstelle 8 auf. Die Aufnahme ist in einer Ausführungsform durch eine eingebrachte Beleuchtung unterstützbar. Die Kamera 9 ist mit einem Bildverarbeitungssystem 12 verbunden, so dass diese Bilddaten für eine drahtgebundene oder drahtlose Übertragung zur Verfügung stehen. Dieses Bildverarbeitungssystem 12 ist räumlich mit der Kamera 9 verkoppelt und in oder an dem Laserwerkzeug angeordnet.A camera 9 is located in the housing 7 of the laser tool and records the image of the processing point 8. In one embodiment, the recording can be supported by an integrated lighting. The camera 9 is connected to an image processing system 12 so that these image data are available for wired or wireless transmission. This image processing system 12 is spatially coupled to the camera 9 and arranged in or on the laser tool.
Ein weiteres Bildaufhahmesystem in Form einer tragbaren Kamera 27 ist entweder an einem Stirnband oder an der Brille 25 so befestigt, dass das Blickfeld des Bedieners aufgenommen wird. Die tragbare Kamera 27 ist mit einem weiteren Bildverarbeitungssystem verbunden, so dass diese Bilddaten gleichfalls für eine drahtgebundene oder eine drahtlose Übertragung zur Verfügung stehen.A further image recording system in the form of a portable camera 27 is attached either to a headband or to the glasses 25 so that the operator's field of vision is recorded. The portable camera 27 is connected to a further image processing system so that these image data are also available for wired or wireless transmission.
Das erste aufbereitete Bild der Bearbeitungsstelle 8 und das zweite aufbereitete Bild des Umfeldes werden zu wenigstens einer Bildwiedergabeeinrichtung 13 gesendet. Das ist z.B. ein Flüssigkristalldisplay 26, das in der Brille 25 eingebracht ist.The first processed image of the processing location 8 and the second processed image of the surroundings are sent to at least one image display device 13. This is, for example, a liquid crystal display 26 which is incorporated in the glasses 25.
In einer ersten Ausführungsform des Ausfuhrungsbeispiels sind zwei Flüssigkeitsdisplays 26 in der Brille 25 so angebracht, dass jedes jeweils mit einem Auge wahrgenommen wird.In a first embodiment of the exemplary embodiment, two liquid displays 26 are mounted in the glasses 25 such that each is perceived with one eye.
t · t ·
In einer zweiten Ausfuhrungsform wird das Bild der Bearbeitungsstelle 8 und das Bild des Umfeldes auf ein in der Brille 25 angeordnetes Flüssigkeitskristalldisplay 26 gesendet. Die Bilder sind in folgenden Varianten auf dem Flüssigkristalldisplay 26 darstellbar:In a second embodiment, the image of the processing location 8 and the image of the surroundings are sent to a liquid crystal display 26 arranged in the glasses 25. The images can be displayed on the liquid crystal display 26 in the following variants:
- räumlich getrennt nebeneinander oder ineinander oder- spatially separated next to each other or inside each other or
- zeitlich nacheinander, wobei die Zeit der Darstellung des jeweiligen ersten oder zweiten Bildes festlegbar ist.- one after the other, whereby the time of display of the respective first or second image can be specified.
Die Brille 25 ist gleichzeitig eine Schutzbrille für Laserstrahlung. Diese ist dabei für den Bediener undurchsichtig ausgeführt, so dass dieser sich auf die Bilder konzentrieren kann. In einer Ausfuhrungsform dieses Ausführungsbeispiels ist die tragbare Kamera 27 insbesondere für Infrarotstrahlung entsprechend der eingesetzten Laserwellenlänge empfindlich. Dadurch ist es möglich, ständig die bei der Bearbeitung frei werdende Streustrahlung des Laserwerkzeugs zu sehen und bei Gefahrensituationen die Bearbeitung abzubrechen.The glasses 25 are also protective glasses for laser radiation. These are opaque for the operator so that he can concentrate on the images. In one embodiment of this example, the portable camera 27 is particularly sensitive to infrared radiation according to the laser wavelength used. This makes it possible to constantly see the scattered radiation released by the laser tool during processing and to stop processing in dangerous situations.
Claims (22)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE20002243U DE20002243U1 (en) | 2000-02-09 | 2000-02-09 | Hand and machine-operated laser tool for machining workpieces |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE20002243U DE20002243U1 (en) | 2000-02-09 | 2000-02-09 | Hand and machine-operated laser tool for machining workpieces |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE20002243U1 true DE20002243U1 (en) | 2000-05-11 |
Family
ID=7937029
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE20002243U Expired - Lifetime DE20002243U1 (en) | 2000-02-09 | 2000-02-09 | Hand and machine-operated laser tool for machining workpieces |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE20002243U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007009828A1 (en) * | 2007-02-28 | 2008-09-04 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Image recording device for use in vacuum gripper, for use in robot with robot arm, has superimposing device, visibility aiding device for generating image signals, where video spectacle has transparent visual elements |
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2000
- 2000-02-09 DE DE20002243U patent/DE20002243U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007009828A1 (en) * | 2007-02-28 | 2008-09-04 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Image recording device for use in vacuum gripper, for use in robot with robot arm, has superimposing device, visibility aiding device for generating image signals, where video spectacle has transparent visual elements |
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