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1. (WO1991019217) UMLENKSPIEGELGEHÄUSE FÜR LASERMATERIALBEARBEITUNGSSYSTEME UND STRAHLWEICHE
Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Umlenkspiegelgehäuse für
Lasermaterialbearbeitungssysteme und Strahlweiche

Die Erfindung bezieht sich auf ein Umlenkspiegelgehäuse für Lasermaterialbearbeitungssysteme und auf eine Strahlweiche mit einem solchen Umlenkspiegelgehäuse.

Bei bekannten 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 Strahlenganges 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.

Durch die DE 23 63 765 AI ist schließlich ein Lager für einen schwenkbaren Spiegel bekannt, bei dem der Spiegel derart auf der Kreisfläche eines Kugelabschnittes angeordnet ist, daß das Zentrum der Kugel auf der Spiegeloberfläche liegt. Der Kugelabschnitt ist in einer Kugelkalotte entprechenden Durchmessers gelagert. Der Spiegel ist mittels einer an der lagernden Kugelkalotte angebrachte, in einer zur Nullstellung des Spiegels parallelen Ebene wirksamen VerStelleinrichtung bewegbar. Eine solche Kugelkalottenanordnung bringt praktisch keinen Vorteil gegenüber einer Spiegelmembranaufhängung.
Insbesondere haben hier Spiegeldicke und Planheit ihren Einfluß auf die Justierung, das Zentrum muß bei einem Wechsel von Bauteilen in der Justiermechanik neu gefunden werden, ein Winkelfehler ist bei zwei Einstellmöglichkeiten unvermeidbar, der mechanische Aufwand ist sehr hoch und die Justierung erfordert geübtes Personal und ein Wechsel des Spiegels erfordert umfangreiche Nachjustierungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Umlenkspiegelgehäuse für Lasermaterialbearbeitungssysteme zu schaffen, das geometrisch und konstruktiv so aufgebaut ist, daß die Spiegelebene in und gegenüber dem Gehäuse festgelegt ist und somit nur das Gehäuse die Strahlgeometrie bestimmt, so daß ein Spiegelwechsel ohne
Veränderung der Justiergeometrie möglich ist.

Dabei sollte das Gehäuse so ausgelegt sein, daß eine Deformation des Spiegels, welche die Fokussierbarkeit des Laserstrahls beeinträchtigen würde, sicher vermieden wird. Weiter sollte sich die Spiegelebene durch die Justierung nicht aus der Achse parallel liegend verschieben, wodurch der Rohstrahl nicht mehr zentrisch in die Fokussieroptik eintreten würde.

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß das Gehäuse zweiteilig mit einem einen Umlenkspiegel tragenden Gehäuseoberteil und einem als
Kugelkalotte ausgebildeten Gehäuseunterteil aufgebaut ist,
daß eine Eintritts- oder Austrittsöffnung für den
Laserstrahl in dem als Kugelkalotte ausgebildeten
Gehäuseunterteil und in dem Gehäuseoberteil
vorgesehen ist,
daß der Umlenkspiegel von außen ohne Veränderung
seiner Justierung entnehmbar in dem Gehäuseoberteil angeordnet ist,
daß das Zentrum der Kugelkalotte in der Spiegelebene liegt, und
daß der Umlenkspiegel durch Verschwenken des Gehäuseoberteils gegenüber dem Gehäuseunterteil in der Kugelkalotte justierbar ist.

Wesentlich ist dabei, daß der Mittelpunkt oder das Drehzentrum der Kugelkalotte des Gehäuseunterteils genau in der Spiegelebene liegt, und daß die Justierebene ausschließlich durch das Spiegelgehäuse selbst erzeugt wird.

Vorteilhaft sind zwischen dem Gehäuseoberteil und dem Gehäuseunterteil je zwei Justierschrauben in und quer zur Strahlachsenrichtung des Laserstrahls vorgesehen, mit welchen das Gehäuseoberteil auf dem Gehäuseunterteil um das in der Spiegelebene liegende Kugelzentrum geschwenkt werden kann. Eine derart übersichtliche Anordnung der Justierebene und die fertigungstechnisch klar erkennbare und meßbare Geometrie bringt Vorteile bei der Herstellung (zwei 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 außen 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 ist. Damit ist ein Spiegelwechsel, der in regelmäßigen Intervallen zu Reinigungszwecken erforderlich ist, möglich, ohne daß sich die Justiergeometrie verändert, da die Geometrie durch die Spiegelauflagefläche im Gehäuse festgelegt ist bzw. durch das Gehäuse selbst gebildet wird. Die Spiegelentnahme aus dem Gehäuse ist sehr einfach, da der Spiegel nur eingelegt ist.

Bei der Justierung ist der Spiegel nie gegenüber dem Gehäuseoberteil 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, d.h. die optische Seite, und ein genauer Durchmesser sowie Dicke, Planparallelität usw. haben keine Bedeutung.

Zweckmäßig sind die Halterungen des Umlenkspiegels und gegebenenfalls eine Kühlplatte auf dessen Rückseite derart ausgebildet, daß nur geringe und zur Spiegelebene parallele Kräfte auftreten können, wodurch eine Deformation der Spiegeloberfläche vermieden wird.

Vorteilhaft ist auf der Rückseite des Umlenkspiegels eine Kühlplatte lösbar angebracht oder eine Flüssigkeitsdirektkühlung vorgesehen. Die Flüssigkeitsdirektkühlung von hinten ist möglich, weil die Rückseite des Spiegels freiliegen kann, wodurch auch eine hydraulische Spiegelvorspannung ermöglicht wird.

Vorteilhaft sind in die Kühlplatte elektrische Signalgeber für Sicherheitsfunktionen wie Thermofühler integriert, wobei der Spiegel beispielsweise auf konstante Temperatur von 20° + 1° C überwacht werden kann.

Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Umlenkspiegelgehäuse ist außerdem, daß die Justierschrauben zur
Einstellung der optischen Achse in einer Ebene liegen, die parallel zur eintretenden oder austretenden Strahlachse angeordnet ist, wodurch die Zuordnung der Justiererfordernisse direkt erkennbar ist. Schließlich ist die geometrische Anordnung für beliebige Umlenkwinkel anwendbar, wobei auch besonders an horizontale Umlenkung gedacht ist.

Bei der Herstellung von kleinen Werkstücken durch Laserschweißen wird im Wechsel an wenigstens zwei Stationen gearbeitet. Dabei wird der Laserstrahl immer zwischen den beiden Stationen umgeschaltet, wobei an der nichtarbei- tenden Station in der Ruhezeit ein Teilewechsel mittels eines Drehtellers erfolgt. Für die Umschaltung ist eine Strahlweiche erforderlich, mit der die Umschaltung in einer möglichst geringen Zeit erfolgen sollte. Bei bekannten Verfahren wird der mechanische Verschluß an der Laserstrahlquelle geschlossen, ein Spiegelgehäuse verschoben und der Verschluß wieder geöffnet. Bekannte
Laserstrahlquellenverschlüsse arbeiten hier mit einer Taktzeit von etwa 0,3 bis 0,4 sec zu langsam, wenn
Schweißhaupttaktzeiten von 1 bis 2 sec vorliegen. Außerdem halten mechanische Verschlüsse selten mehr als 1 bis 2 Millionen Schaltungen bis zum Verschleiß aus. Für eine schnelle Strahlweiche ist daher dieses bekannte System nicht geeignet.

Daher besteht eine Weiterbildung der Erfindung in einer Strahlweiche für Lasermaterialbearbeitungssysteme mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Umlenkspiegelgehäuse, bei der eine Seite des Umlenkspiegels freiliegend in dem Gehäuseoberteil angeordnet ist, die Laserstrahleintrittsöffnung im Gehäuseoberteil in Richtung über den freiliegenden Spiegelrand hinaus vergrößert ist, und das Umlenkspiegelgehäuse in Richtung der Vergrößerung der Laserstrahleintrittsöffnung und zurück verschiebbar ausgebildet ist. Der Umlenkspiegel ist dabei zweckmäßig unsymmetrisch im Gehäuseoberteil angeordnet.

Bei einer derartigen Strahlweiche kann der Rohstrahl je nach Strahldurchmesser außermittig auf den Spiegel geleitet werden, während nach Umschaltung auf Durchlaß mit optimiertem Schiebeweg durch Verschiebung des Umlenkspiegelgehäuses auf Führungen mit einem Zylinder oder Spindelantrieb der Strahl unbeeinflußt durch das Umlenkspiegelgehäuse leitbar ist. Die mechanische Steifheit und Formstabilität des Gehäuses ist sichergestellt.

Vorteilhaft ist auf der Laserstrahieintrittsseite eine vorgelagerte, der Strahlgeometrie und dem freiliegenden Spiegelrand angepaßte flüssigkeitsgekühlte Prallplattenblende thermisch isoliert am Gehäuseoberteil befestigt. Damit kann die Strahlweiche bei geöffnetem Laserquellenverschluß umgeschaltet werden, ohne daß sich das Umlenkspiegelgehäuse durch Streustrahlung infolge von Reflexion an der Spiegelkante aufheizt und dadurch maßlich verändert.

Zweckmäßig ist der Hub der Gehäuseverschiebung etwa 10 mm größer als der Rohstrahldurchmesser, womit sich bei einem Rohstrahldurchmesser von 45 mm Umschaltzeiten von 0,2 sec erzielen lassen, das Gehäuse also innerhalb etwa 0,2 sec von einer Endstellung in die andere Endstellung
verschiebbar ist.

Dies ist besonders vorteilhaft bei kurzen Schweißzyklen mit Maschinen mit zwei oder mehr Stationen, weil sich hierdurch die effektive Nutzungszeit der Lasermaterial-bearbeitungsanlage wesentlich erhöht.

Vorteilhaft ist weiter bei der erfindungsgemäßen Strahlweiche, daß sich durch die Verschiebegeschwindigkeit bei offenem Strahlquellenverschluß ein weiches Aus- und Einkoppeln des Strahls aus dem bzw. in das Werkstück realisieren läßt, weil bei der Umschaltung mit offenem Laserquellenverschluß während der Verschiebung die Strahlen- energie an zwei Werkstücken geteilt auftrifft, am ersten Werkstück abnimmt und am zweiten Werkstück zunimmt. Durch das sanfte Auskoppeln des Laserstrahls am ersten Werkstück kann beim Laserstrahlschweißen die Kraterbildung am Schweißnahtende verhindert und somit eine Qualitätsverbesserung erzielt werden.

Schließlich hat das erfindungsgemäße Umlenkspiegelgehäuse den Vorteil, daß sich zum Beispiel Kupferumlenkspiegel, die durch Gebrauch an der Oberfläche Abnutzungserscheinungen wie Einbrände und Formfehler in Form von beispielsweise Kratzern aufweisen, nacharbeiten lassen, da die Spiegeldicke keinen Einfluß auf die Justiergenauigkeit hat.

Die Erfindung ist im folgenden an Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Seitenschnittansicht eines erfindungsgemäßen Umlenkspiegelgehäuses ,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Umlenkspiegelgehäuse nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenschnittansicht einer erfindungsgemäßen Strahlweiche,

Fig. 4 eine Vorderansicht der Strahlweiche nach
Fig. 3, und

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Strahlweiche nach
Fig. 3.

Das in Fig. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Umlenkspiegelgehäuse weist ein als Kugelkalotte ausgebildetes Gehäuseunterteil 1 und ein hierauf in der Kugelkalotte schwenkbar angeordnetes Gehäuseoberteil 2 auf. Zwischen dem Gehäuseoberteil 2 und dem Gehäuseunterteil 1 sind je zwei Justierschrauben 3 in und quer zur Strahlachsenrichtung des Laserstrahls vorgesehen. Der Laserstrahl tritt in Richtung des Pfeiles 4 in das Umlenkspiegelgehäuse ein und in Richtung des Pfeiles 5 aus diesem aus.

Ein Umlenkspiegel 6 ist von außen leicht zugänglich in das Gehäuseoberteil 2 paßgerecht eingelegt und gehalten. Auf der Rückseite des Umlenkspiegels 6 ist eine Kühlplatte 7 mittels Schrauben 8 und Andrückfedern 9 lösbar angebracht.

In die Kühlplatte 7 ist ein Thermofühler 10 integriert, während mit 11 ein Anschluß für Wasserkühlung bezeichnet ist .

In Fig. 3 bis 5 ist eine erfindungsgemäße Strahlweiche mit einem Umlenkspiegelgehäuse dargestellt, bei dem entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugzszeichen wie in Fig. 1 und 2 bezeichnet sind. Hier ist eine Seite des Umlenkspiegels freiliegend in dem Gehäuseoberteil 2 angeordnet, und die Laserstrahleintrittsöffnung im Gehäuseoberteil 2 ist in Richtung über den freiliegenden Spiegelrand hinaus vergrößert. Das Umlenkspiegelgehäuse ist mittels eines Verschiebezylinders 12 und Führungen 13 in Richtung der Vergrößerung der Laserstrahleintrittsöffnung gegen einen Stoßdämpfer 14 und einen Festanschlag 15 und zurück verschiebbar ausgebildet.

Auf der Laserstrahleintrittsseite ist eine vorgelagerte, der Strahlgeometrie und dem freiliegenden Spiegelrand angepaßte flussigkeitsgekuhlte Prallplattenblende 16 über einen Isolator 17 thermisch isoliert an dem Gehäuseoberteil 2 befestigt. Die vergrößerte Öffnung der Prallplattenblende 16 ist in Fig. 4 deutlich zu erkennen.

Der Umlenkspiegel ist hier unsymmetrisch im Gehäuseoberteil 2 angeordnet. In Fig. 4 ist weiter mit 18 der Umriss des eintretenden Rohstrahls in Umlenkposition und mit 19 der Umriss des eintretenden Rohstrahls in Durchlaßposition des Umlenkspiegelgehäuses bezeichnet.