DE4408115B4

DE4408115B4 - Umlenkspiegelgehäuse für Lasermaterialbearbeitungssysteme

Info

Publication number: DE4408115B4
Application number: DE4408115A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger A. Dipl.-Ing. Gnann; Michael Dipl.-Ing. Strobel (FH)
Original assignee: Maschinenfabrik Karl H Arnold GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Karl H Arnold GmbH and Co KG
Priority date: 1994-03-10
Filing date: 1994-03-10
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2014-03-11
Also published as: DE4408115A1

Abstract

Umlenkspiegelgehäuse für Lasermaterialbearbeitungssysteme, mit
– einem Gehäuseoberteil (4, 5), in welchem ein Umlenkspiegel (6) derart angeordnet und gehalten ist, daß er von außerhalb des Gehäuses leicht entnehmbar und ohne Veränderung seiner Justierung wiedereinsetzbar ist,
– einem als erste Kugelkalotte mit einer ersten Öffnung für den Laserstrahl (1) ausgebildeten ersten Gehäuseunterteil (2), wobei das Zentrum der ersten Kugelkalotte in der Spiegelebene bzw. im Spiegelzentrum liegt, und
– einer der ersten Kugelkalotte entsprechenden ersten Lagerungsfläche mit Laserstrahlöffnung am Gehäuseoberteil (4, 5), wodurch der Umlenkspiegel (6) durch Verschwenken des Gehäuseoberteils (4, 5) gegenüber dem ersten Gehäuseunterteil (2) in der ersten Kugelkalotte justierbar ist, gekennzeichnet durch
– ein als zweite Kugelkalotte mit einer zweiten Öffnung für den Laserstrahl (1) ausgebildetes zweites Gehäuseunterteil (3), wobei das Zentrum der zweiten Kugelkalotte mit dem Zentrum der ersten Kugelkalotte des ersten Gehäuseunterteils (2) zusammenfällt, und
– eine der zweiten Kugelkalotte entsprechende zweite...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Umlenkspiegelgehäuse für Lasermaterialbearbeitungssysteme, mit

– einem Gehäuseoberteil, in welchem ein Umlenkspiegel derart angeordnet und gehalten ist, daß er von außerhalb des Gehäuses leicht entnehmbar und ohne Veränderung seiner Justierung wiedereinsetzbar ist,
– einem als erste Kugelkalotte mit einer ersten Öffnung für den Laserstrahl ausgebildeten ersten Gehäuseunterteil, wobei das Zentrum der ersten Kugelkalotte in der Spiegelebene bzw. im Spiegelzentrum liegt, und
– einer der ersten Kugelkalotte entsprechenden ersten Lagerungsfläche mit Laserstrahlöffnung am Gehäuseoberteil, wodurch der Umlenkspiegel durch Verschwenken des Gehäuseoberteils gegenüber dem ersten Gehäuseunterteil in der ersten Kugelkalotte justierbar ist.

Ein Umlenkspiegelgehäuse der eingangs beschriebenen Art ist aus der DE 40 17 152 A1 bekannt.

Bei derartigen Umlenksystemen für den Laserstrahl in Lasermaterialbearbeitungssystemen sind die Umlenkspiegel in Platten, die in der (um 45° geneigten) Spiegelebene liegen, in Fassungen verschraubt, und diese werden in Membranen oder Kugelpfannen mittels Justierschrauben gegenüber dem Gehäuse des Umlenkspiegels verschoben. Der Spiegel ist also immer in eine justierbare Halterung eingeschraubt und mit dieser am Gehäuse befestigt. Wenn ein Spiegel ersetzt werden muß, macht dies immer eine Neujustierung des Strahlganges erforderlich.

Bei den bekannten Systemen wird immer mit in der Spiegelebene vorgesehenen Verstelleinrichtungen gearbeitet, wobei beim Einsatz von Kugelpfannen das Zentrum der Schwenkachse außerhalb der Strahlachse und damit das Drehzentrum nie in der Spiegelebene liegt. Bei Membranjustierungen ist die Strahlachse durch Justierung schlecht kontrollierbar und kann sich darüber hinaus verschieben.

Es ist weiter bekannt, daß die Umlenkspiegel auf Platten befestigt werden, die ihrerseits auf Stellschrauben im Gehäuse gelagert sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Umlenkspiegelgehäuse der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die Strahlabdichtung in das Gehäuse integriert ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Umlenkspiegelgehäuse der eingangs beschriebenen Art gelöst, welches erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch

– ein als zweite Kugelkalotte mit einer zweiten Öffnung für den Laserstrahl ausgebildetes zweites Gehäuseunterteil, wobei das Zentrum der zweiten Kugelkalotte mit dem Zentrum der ersten Kugelkalotte des ersten Gehäuseunterteils zusammenfällt, und
– eine der zweiten Kugelkalotte entsprechende zweite Lagerungsfläche mit Laserstrahlöffnung am Gehäuseoberteil, wodurch eine Abdichtung aller Strahlgänge durch die Kugelkalotten als Dichtpfannen und die entsprechenden Lagerungsflächen erzielbar ist, wobei auf der Seite des Strahleintritts und auf der Seite des Strahlaustritts je ein Gelenk an dem Umlenkspiegelgehäuse angeordnet ist.

Die erfindungsgemäßen Gelenke können vorteilhaft aus Kugellagern gebildet sein. Hierdurch ist besonders vorteilhaft ein Einsatz bei Industrierobotern möglich, beispielsweise bei Strahlarmen mit bis zu sechs Umlenkungen und sieben Drehlagern unter Verwendung von Höchstleistungslasern mit Leistungen über 10 kW.

Die zweite Lagerungsfläche ist zweckmäßig an einem mit dem Gehäuseoberteil verbundenen eigenen Bauteil ausgebildet. Dies hat insbesondere Vorteile bei der Fertigung des Umlenkspiegelgehäuses.

Vorteilhaft ist die zweite Kugelkalotte im zweiten Gehäuseunterteil oder ein angrenzendes Bauteil mittels einer Abstimmscheibe gegenüber der zweiten Lagerungsfläche am Gehäuseoberteil maßlich abgestimmt. Hierdurch sind insbesondere in den anschließenden Teilen größere Toleranzen zulässig.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zwischen dem als zweite Kugelkalotte ausgebildeten zweiten Gehäuseunterteil und einem angrenzenden Bauteil ein elastisches Element zum federnden Andrücken der zweiten Kugelkalotte an die zweite Lagerungsfläche vorgesehen ist.

Dadurch, daß die zweite Kugelkalotte federnd durch das elastische Element an das Gehäuseoberteil angepreßt wird, kommt die einwandfreie Abdichtung des Strahlgangs zustande. Die federnde Lagerung der zweiten Kugelkalotte ermöglicht auch größere Fertigungstoleranzen an den Bauteilen. Außerdem ist es dadurch möglich, unterschiedliche Werkstoffe in der Konstruktion zu verwenden, da unterschiedliche thermische Längenausdehnungen durch das elastische Element aufgenommen werden.

Das elastische Element kann zweckmäßig aus einem O-Ring oder aus einer oder mehreren Federn gebildet sein.

Vorteilhaft sind zwischen dem Gehäuseoberteil und dem als erste Kugelkalotte ausgebildeten ersten Gehäuseunterteil Justierschrauben vorgesehen, mit welchen das Gehäuseoberteil auf den beiden Gehäuseunterteilen um die beiden in der Spiegelebene liegenden Kugelzentren geschwenkt werden kann.

Es sei nochmals hervorgehoben, daß es bei der Erfindung wesentlich ist, daß der Mittelpunkt oder das Drehzentrum der Kugelkalotten der Gehäuseunterteile in einem gemeinsamen Drehzentrum mit dem Umlenkspiegelgehäuse und in der Spiegelebene bzw. im Spiegelzentrum liegt, und daß die Justierebene ausschließlich durch das Umlenkspiegelgehäuse selbst erzeugt wird. Die Radien der ersten Kugelkalotte zur Justierung und Strahlabdichtung und der zweiten Kugelkalotte zur Strahlabdichtung können unterschiedlich sein.

Wichtig ist, daß durch den Justiervorgang keine zusätzlichen Reaktionskräfte auftreten, die eine Verformung des Umlenkspiegelgehäuses verursachen könnten.

Eine derart übersichtliche Anordnung der Justierebene und die fertigungstechnisch klar erkennbare und meßbare Geometrie bringt besondere Vorteile bei der Herstellung (vier Basisteile) und bei der industriellen Handhabung. Die erforderliche Justiergenauigkeit von kleiner oder gleich 0,001 rad ist auch mit ungeübtem Personal ohne weiteres erreichbar.

Vorteilhaft ist der Umlenkspiegel von außerhalb des Gehäuses leicht zugänglich in das Gehäuseoberteil paßgerecht eingelegt und befestigt, wobei die Lage des Umlenkspiegels gegenüber dem Gehäuseoberteil durch Spiegelauflageflächen für die Spiegeloberfläche in dem Gehäuseoberteil festgelegt und seine Position parallel zur Spiegeloberfläche durch zwei Paßstifte gesichert ist.

Hiermit ist ein Spiegelwechsel, der in regelmäßigen Intervallen zu Reinigungszwecken erforderlich ist, möglich, ohne daß sich die Justiergeometrie verändert, da die Geometrie durch die Spiegelauflageflächen im Gehäuse festgelegt ist bzw. durch das Gehäuse selbst gebildet wird. Die Spiegelentnahme ist sehr einfach, da der Spiegel nur eingelegt ist. Bei der Justierung ist der Spiegel nie gegenüber dem Gehäuse, in das der Spiegel montiert wird, zu bewegen.

Durch die Festlegung der Spiegeloberfläche in dem Gehäuseoberteil ist eine exakte Planparallelität der Spiegelrückseite für eine genaue Justage nicht erforderlich. Die geometrischen Anforderungen an den Spiegel beschränken sich nur auf die Spiegeloberfläche, das heißt die optische Seite, während ein genauer Durchmesser sowie Planparallelität keine Bedeutung haben.

Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung ist die Form des Umlenkspiegels der Strahlgeometrie angepaßt, wobei der Spiegel vorteilhaft im Umriß elipsenförmig ist.

Die Elipsenform ergibt sich aus einem kreisförmigen Rohstrahl, der um 90° umgelenkt wird. Die Anordnung ist jedoch auch für andere Rohstrahlformen und Umlenkwinkel realisierbar. So ist der spiegel für einen quadratischen Rohstrahl zweckmäßig im Umriß rechteckig.

Der Umlenkspiegel kann auch ein strahlformender Spiegel wie ein Zylinderspiegel, ein Parabolspiegel oder ein Toroidspiegel sein. Zylinderspiegel und Parabolspiegel dienen dabei der Fokussierung des Strahls, während der beispielsweise mit einem Elipsenfräser hergestellte Toroidspiegel die Parallelität des Strahls zu verbessern vermag.

Wesentlich ist, daß durch die angepaßte Spiegelgeometrie eine gleichmäßigere thermisch optimierte Erwärmung erfolgt, als dies mit beispielsweise einem kreisförmigen Spiegel möglich wäre. Da die Spiegeloberfläche keine Kaltzonen aufweist, verformt sie sich weniger, womit die Strahlgeometrie durch die Umlenkung weniger beeinflußt wird.

Die Erfindung ist im folgenden an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel und anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Seitenschnittansicht eines erfindungsgemäßen Umlenkspiegelgehäuses,
2 eine Draufsicht auf das Umlenkspiegelgehäuse nach 1, und
3 eine Draufsicht auf den Umlenkspiegel in Richtung des Pfeiles III in 1.
Das in den Zeichnungen dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Umlenkspiegelgehäuses für Lasermaterialbearbeitungssysteme weist ein als eine erste Kugelkalotte mit einer ersten Öffnung für einen Laserstrahl 1 ausgebildetes erstes Gehäuseunterteil 2 sowie ein als eine zweite Kugelkalotte mit einer zweiten Öffnung für den Laserstrahl 1 ausgebildetes zweites Gehäuseunterteil 3 auf. In einem Gehäuseoberteil 4, das mit einem Bauteil 5 in Form einer Lagerschale auf der Seite der zweiten Kugelkalotte 3 fest verbunden ist, ist ein Umlenkspiegel 6 derart angeordnet, daß er von außerhalb des Gehäuses leicht entnehmbar und ohne Veränderung seiner Justierung wiedereinsetzbar ist.
Das Zentrum der ersten Kugelkalotte 2 liegt in der Spiegelebene, und das Zentrum der zweiten Kugelkalotte 3 liegt ebenfalls in der Spiegelebene und fällt mit dem Zentrum der ersten Kugelkalotte 2 zusammen. Der Radius R1 der ersten Kugelkalotte 2 ist kleiner als der Radius R2 der zweiten Kugelkalotte 3.
Das Gehäuseoberteil 4 weist eine der ersten Kugelkalotte 2 entsprechende Lagerungsfläche mit Laserstrahlöffnung auf und ist in der ersten Kugelkalotte 2 schwenkbar angeordnet. Das Bauteil 5 des Gehäuseoberteils 4 weist eine der zweiten Kugelkalotte 3 entsprechende zweite Lagerungsfläche mit Laserstrahlöffnung auf und sitzt mit dieser zweiten Lagerungsfläche in der zweiten Kugelkalotte 3. Zwischen dem Gehäuseoberteil 4 und dem ersten Gehäuseunterteil 2 sind Justierschrauben 7 vorgesehen, mit deren Hilfe das Gehäuseoberteil 4 gegenüber dem ersten Gehäuseunterteil 2 und damit auch gegenüber dem zweiten Gehäuseteil 3 verschwenkbar und justierbar ist. Die Kugelkalotten 2 und 3 dienen als Dichtpfannen zur Abdichtung der Strahlgänge.
Zwischen dem als zweite Kugelkalotte ausgebildeten zweiten Gehäuseunterteil 3 und einem angrenzenden Bauteil 8 ist ein elastisches Element 9 in Form eines O-Ringes zum federnden Andrücken der zweiten Kugelkalotte 3 an die zweite Lagerungsfläche vorgesehen. Statt des O-Ringes können auch eine oder mehrere Federn Verwendung finden.
Zur Abdichtung des Strahlgangs wird die zweite Kugelkalotte 3 mittels des elastischen Elements 9 federnd an das Bauteil 5 des Gehäuseoberteils 4 angepreßt. Durch den Federweg des elastischen Elements 9 sind in den anschließenden Teilen größere Toleranzen zulässig und auch Werkstoffpaarungen möglich, die sonst aufgrund von unterschiedlichen thermischen Längenänderungen zu Verspannungen führen würden. Wird kein elastisches Element 9 verwendet, so muß entweder das zweite Gehäuseunterteil 3 oder das angrenzende Bauteil (8) mittels einer Abstimmscheibe gegenüber der zweiten Lagerungsfläche am Gehäuseoberteil 4, 5 maßlich abgestimmt werden.
Der Umlenkspiegel 6 ist von außerhalb des Umlenkspiegelgehäuses leicht zugänglich in das Gehäuseoberteil 4 paßgerecht eingelegt und befestigt. Seine Lage ist gegenüber dem Gehäuseoberteil 4 durch Spiegelauflageflächen für die Spiegeloberfläche in dem Gehäuseoberteil 4 festgelegt und seine Position parallel zur Spiegeloberfläche durch zwei Paßstifte gesichert.
Die Form des Umlenkspiegels 6 ist der Strahlgeometrie angepaßt. In 1 ist die Strahlrichtung für den Ein- und Austritt des Laserstrahls 1 mit Doppelpfeilen 10 bezeichnet. Der kreisförmige Rohstrahl wird hier um 90° umgelenkt. Daher ist der Umlenkspiegel im Umriß elipsenförmig ausgeführt, wie aus 3 deutlich hervorgeht. Die Abbildung 11 des Rohstrahls auf dem Umlenkspiegel 6 ist dementsprechend ebenfalls elipsenförmig. Eine solche Anordnung ist auch für andere Rohstrahlformen und Umlenkwinkel realisierbar.
Wesentlich ist, daß durch die angepaßte Spiegelgeometrie eine gleichmäßigere thermisch optimierte Erwärmung erfolgt, als dies mit einem kreisförmigen Spiegel möglich wäre. Da die Spiegeloberfläche keine Kaltzonen aufweist, verformt sie sich weniger, womit die Strahlgeometrie durch die Umlenkung weniger beeinflußt wird.
Auf der Seite des Strahleintritts und auf der Seite des Strahlaustritts ist je ein Gelenk 12 in Form eines Kugellagers angeordnet. Hiermit läßt sich bei Strahlarmen mit bis zu sechs Umlenkungen und sieben Drehlagern der Einsatz von Industrierobotern unter Verwendung von Höchstleistungslasern mit Leistungen über 10 kW verwirklichen.

Claims

Umlenkspiegelgehäuse für Lasermaterialbearbeitungssysteme, mit – einem Gehäuseoberteil (4, 5), in welchem ein Umlenkspiegel (6) derart angeordnet und gehalten ist, daß er von außerhalb des Gehäuses leicht entnehmbar und ohne Veränderung seiner Justierung wiedereinsetzbar ist, – einem als erste Kugelkalotte mit einer ersten Öffnung für den Laserstrahl (1) ausgebildeten ersten Gehäuseunterteil (2), wobei das Zentrum der ersten Kugelkalotte in der Spiegelebene bzw. im Spiegelzentrum liegt, und – einer der ersten Kugelkalotte entsprechenden ersten Lagerungsfläche mit Laserstrahlöffnung am Gehäuseoberteil (4, 5), wodurch der Umlenkspiegel (6) durch Verschwenken des Gehäuseoberteils (4, 5) gegenüber dem ersten Gehäuseunterteil (2) in der ersten Kugelkalotte justierbar ist, gekennzeichnet durch – ein als zweite Kugelkalotte mit einer zweiten Öffnung für den Laserstrahl (1) ausgebildetes zweites Gehäuseunterteil (3), wobei das Zentrum der zweiten Kugelkalotte mit dem Zentrum der ersten Kugelkalotte des ersten Gehäuseunterteils (2) zusammenfällt, und – eine der zweiten Kugelkalotte entsprechende zweite Lagerungsfläche mit Laserstrahlöffnung am Gehäuseoberteil (4, 5), wodurch eine Abdichtung aller Strahlgänge durch die Kugelkalotten (2, 3) als Dichtpfannen und die entsprechenden Lagerungsflächen erzielbar ist, wobei auf der Seite des Strahleintritts und auf der Seite des Strahlaustritts je ein Gelenk (12) an dem Umlenkspiegelgehäuse angeordnet ist.
Umlenkspiegelgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lagerungsfläche an einem mit dem Gehäuseoberteil (4) verbundenen eigenen Bauteil (5) ausgebildet ist.
Umlenkspiegelgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kugelkalotte im zweiten Gehäuseunterteil (3) oder ein angrenzendes Bauteil (8) mittels einer Abstimmscheibe gegenüber der zweiten Lagerungsfläche am Gehäuseoberteil (4, 5) maßlich abgestimmt ist.
Umlenkspiegelgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem als zweite Kugelkalotte ausgebildeten zweiten Gehäuseunterteil (3) und einem angrenzenden Bauteil (8) ein elastisches Element (9) zum federnden Andrücken der zweiten Kugelkalotte an die zweite Lagerungsfläche vorgesehen ist.
Umlenkspiegelgehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (9) aus einem O-Ring gebildet ist.
Umlenkspiegelgehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (9) aus einer oder mehreren Federn gebildet ist.
Umlenkspiegelgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gehäuseoberteil (4, 5) und dem als erste Kugelkalotte ausgebildeten ersten Gehäuseunterteil (2) Justierschrauben (7) vorgesehen sind.
Umlenkspiegelgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Radien (R1, R2) der ersten und zweiten Kugelkalotten (2, 3) unterschiedlich sind.
Umlenkspiegelgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (6) von außerhalb des Gehäuses leicht zugänglich in das Gehäuseoberteil (4, 5) paßgerecht eingelegt und befestigt ist.
Umlenkspiegelgehäuse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Umlenkspiegels (6) gegenüber dem Gehäuseoberteil (4, 5) durch Spiegelauflageflächen für die Spiegeloberfläche in dem Gehäuseoberteil (4, 5) festgelegt und seine Position parallel zur Spiegeloberfläche durch zwei Paßstifte gesichert ist.
Umlenkspiegelgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Umlenkspiegels (6) der Strahlgeometrie angepaßt ist.
Umlenkspiegelgehäuse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (6) im Umriß elipsenförmig ist.
Umlenkspiegelgehäuse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (6) im Umriß rechteckig ist.
Umlenkspiegelgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (6) ein strahlformender Spiegel ist.
Umlenkspiegelgehäuse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der strahlformende Spiegel ein Zylinderspiegel, ein Parabolspiegel oder ein Toroidspiegel ist.
Umlenkspiegelgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenke (12) aus Kugellagern gebildet sind.