DE102018131889B4

DE102018131889B4 - Laserstrahljustiervorrichtung

Info

Publication number: DE102018131889B4
Application number: DE102018131889.8A
Authority: DE
Inventors: Marc-Gordon Griguhn
Original assignee: Thermacut K S; Thermacut Ks; Scansonic MI GmbH
Current assignee: Scansonic MI GmbH
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: WO2020064051A1; DE102018131889A1

Abstract

Laserstrahljustiervorrichtung zur Ablenkung des Laserstrahls im Strahlengang einer Laserbearbeitungsvorrichtung, aufweisend eine Fassung (2) mit einem darin eingesetzten optischen Element zur Führung des Laserstrahls, wobei die Fassung (2) in einer normal zum Laserstrahl ausgerichteten Ebene in einer ersten Verstellrichtung (Y) und in einer zweiten, senkrecht zu ersten Verstellrichtung (Y) orientierten Verstellrichtung (X) translatorisch verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass- die Fassung (2) des optischen Elements innerhalb einer Kulisse (3) geführt ist, wobei die Kulisse (3) mittels eines ersten Verstelltriebs (5) in der ersten Verstellrichtung (Y) verstellbar ist,- die Fassung (2) des optischen Elements innerhalb der Kulisse (3) mittels eines über einen zweiten Verstelltrieb (6) betätigbaren Hebels (4) mit zwei L-förmig angeordneten Hebelarmen in der zweiten Verstellrichtung (X) verstellbar und mittels einer Rückstellfeder (9.1) rückstellbar ist, wobei einer der Hebelarme des L-förmigen Hebels (4) seitlich an der Fassung (2) anliegt und der andere der Hebelarme an den zweiten Verstelltrieb (6) ankoppelt, und- der erste Verstelltrieb (5) und der zweite Verstelltrieb (6) nebeneinander angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserstrahljustiervorrichtung zur Ablenkung des Laserstrahls im Strahlengang einer Laserbearbeitungs-, insbesondere einer Laserschneidvorrichtung.
Bei Laserbearbeitungsverfahren wie dem Laserstrahlschneiden ist neben der Einhaltung eines konstanten Arbeitsabstandes zum Werkstück eine exakte Ausrichtung des Laserstrahls koaxial zum Düsenaustritt der Schneidgasdüse erforderlich, um ein gleichmäßiges Schnittbild zu erreichen. Die herkömmlich verwendeten isolierten, temperaturstabilen Schneidgasdüsenhalter bestehen aus keramischen Werkstoffen, die prozessbedingt hohem Verschleiß unterliegen. Deren regelmäßig erforderlicher Austausch bedingt eine nachträgliche Feinjustierung des Laserstrahls normal zu seinem Strahlengang, d. h. eine Feinausrichtung quer zur Laserstrahlrichtung. Bei lotrecht geführtem Laserstrahl erfolgt diese Feinjustierung in einer Horizontalebene.
Bekannt sind Laserstrahljustiervorrichtungen, die als Kassettenmodul in die Laserbearbeitungsvorrichtung eingeschoben werden. Deren optische Elemente, d. h. die Linsen zur Fokussierung des Laserstrahls, sind mittels Spiralfedern gelagert; die Justierung des Laserstrahls erfolgt mittels zwei Hebeln und zwei Verstellschrauben für die zwei senkrecht zueinander liegenden Verstellrichtungen in der Ebene normal zum Laserstrahl. Die Verstellelemente sind von der Frontseite der Laserstrahljustiervorrichtung, d. h. von der dem Bediener zugewandten Seite, betätig- bzw. bedienbar. Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist, dass keine achstreue Verstellung im Koordinatensystem der Laserbearbeitungsoptik möglich ist. Die Mechanik, die bei Betätigung eines der Verstellelemente eine Verschiebung des optischen Elements in beiden Verstellrichtungen bedingt, erschwert daher die Bedienung durch den Maschinenanwender.
Weiterhin sind fest im Laserbearbeitungskopf verbaute Laserstrahljustiervorrichtungen bekannt, die zwar eine achstreue Verstellung in beiden Verstellrichtungen zulassen, jedoch nicht von einer Seite der Laserstrahljustiervorrichtung bedienbar sind, da das erste Bedienelement an der Front- und das zweite an einer Seitenfläche der Laserstrahljustiervorrichtung angeordnet ist. Neben dem aufwendigen Austausch aufgrund des festen Einbaus im Laserbearbeitungskopf ist die Bedienung an der Seitenfläche mangels Zugänglichkeit für den Maschinenbediener meist problematisch.
Vorrichtungen zur Justierung des Laserstrahls sind beispielsweise beschrieben in DE 10 2004 005 902 B3 oder DE 10 2009 042 529 A1 .
US 2014/0 285 900 A1 offenbart einen Laserbearbeitungskopf mit einer Laserstrahljustiervorrichtung, wobei die optischen Elemente über einen ersten und zweiten Schwenkarm der Laserstrahljustiervorrichtung quer zur Laserstrahlrichtung verstellbar sind.
Bekannt ist weiterhin eine Justiervorrichtung für eine optische Vorrichtung aus US 2004/0017619 A1 . Diese Justiervorrichtung besitzt ein federnd in einem Gehäuse gelagertes optisches Element, welches über Seilzüge ausgerichtet werden kann.
DE 20 2015 007 007 130 U1 offenbart eine einstellbare Linsenhalterung, aufweisend eine Linsenmontageplatte, die mittels mehrerer elastischer, abstützender Verbindungselemente und einer Drehgelenkkugel rückstellbar verschoben werden kann.
Ferner beschreibt DE 10 2009 037 133 A1 eine Haltevorrichtung für ein optisches Element, aufweisend eine Lagereinrichtung mit vier punktsymmetrisch zum Zentrum angeordneten Gelenkstellen. Die Freiheitsgrade der Lagereinrichtung ermöglichen die Justierung des optischen Elements.Aufgabe der Erfindung ist, eine Laserstrahljustiervorrichtung bereitzustellen, die eine achstreue Justage des Laserstrahls normal zu seiner Strahlrichtung gewährleistet, wobei die Verstellelemente zur Justage von einer Seite, vorzugsweise der Frontseite, der Laserstrahljustiervorrichtung bedienbar sein sollen. Zudem soll die Laserstrahljustiervorrichtung für Reparaturzwecke leicht austauschbar sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Laserstrahljustiervorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 beschrieben.
Die Laserstrahljustiervorrichtung zur Ablenkung des Laserstrahls im Strahlengang einer Laserbearbeitungsvorrichtung weist eine Fassung mit einem darin eingesetzten optischen Element zur Führung des Laserstrahls, zum Beispiel eine Fokussierlinse, auf, wobei die Fassung in einer normal zum Laserstrahl ausgerichteten Ebene in einer ersten Verstellrichtung (Y-Richtung) und in einer zweiten, senkrecht zu ersten Richtung orientierten Verstellrichtung (X-Richtung) translatorisch verschiebbar ist.
Nach Maßgabe der Erfindung ist die Fassung des optischen Elements innerhalb einer Kulisse geführt, die mittels eines ersten Verstelltriebs in der ersten Verstellrichtung (Y-Richtung) verstellbar ist.
In der zweiten Verstellrichtung (X-Richtung) ist die Fassung innerhalb der Kulisse mittels eines L-förmigen Hebels verstellbar. Hierzu liegt einer der Hebelarme des L-förmigen Hebels an einer Seite der Fassung an. Bei Betätigung des Hebels über einen am anderen Hebelarm ankoppelnden zweiten Verstelltrieb, der neben dem und vorzugsweise parallel zum ersten Verstelltrieb angeordnet ist, ist die Fassung in der zweiten Verstellrichtung (X-Richtung) verstellbar.
Die innerhalb der Kulisse verschiebbare Fassung ist mittels eines als Rückstellfeder ausgebildeten Federelements rückstellbar. Die Federkraft der Rückstellfeder wirkt entgegengesetzt zu dem an der Fassung anliegenden Hebelarm, d. h. die Rückstellfeder drückt die Fassung gegen den anliegenden Hebelarm.
Durch die Laserstrahljustiervorrichtung mit der erfindungsgemäßen Kulissenführung ist die achstreue Verstellung des optischen Elements und damit des Laserstrahls im optischen System der Laserbearbeitungsvorrichtung sichergestellt; zudem ist durch die nebeneinander positionierten Verstelltriebe die Bedienung über Bedienelemente nebeneinander an der gleichen Seite der Laserstrahljustiervorrichtung möglich.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste Verstelltrieb und der zweite Verstelltrieb-Schraubgetriebe mit jeweils einer Verstellachse sind, deren Verstellachsen parallel nebeneinander angeordnet sind. Die Schraubgetriebe können zum Beispiel jeweils in Form einer Verstellschraube und eines korrespondierten Gegengewindeelements realisiert sein. Die Bedienung der Verstelltriebe erfolgt hierbei mittels der als Bedienelemente fungierenden Köpfe der Verstellschrauben, die vorzugsweise an der Frontseite der Laserstrahljustiervorrichtung angebracht sind.
In einer Ausgestaltung der Laserstrahljustiervorrichtung ist der an den zweiten Verstelltrieb ankoppelnde Hebelarm des L-förmigen Hebels doppelt so lang wie der an der Fassung anliegende Hebelarm des L-förmigen Hebels, wobei das Übersetzungsverhältnis des ersten Verstelltriebs doppelt so groß ist wie das Übersetzungsverhältnis des zweiten Verstelltriebs, d. h. das Übersetzungsverhältnis des ersten Verstelltriebs beträgt 1:1 und das Übersetzungsverhältnis des zweiten Verstelltriebs 1 :2. Unter dem Übersetzungsverhältnis wird das Verhältnis des Betrags der Verstellbewegung am Antrieb, d. h. am Bedienelement, des jeweiligen Verstelltriebs zum Vorschub am Abtrieb des jeweiligen Verstelltriebs verstanden, insbesondere das Verhältnis Umdrehung am Antrieb zu Vorschub am Abtrieb. Bei gleichem Betrag der Verstellbewegung an den Bedienelemementen beider Verstelltriebe, d. h. zum Beispiel gleicher Umdrehung, ist der Vorschub am Abtrieb des zweiten Verstelltriebs folglich doppelt so groß wie der Vorschub am Abtrieb des ersten Verstelltriebs.
Diese Ausführung gewährleistet eine gleichmäßige Verstellung in beiden Verstellrichtungen. D. h., bei Verstellung am Bedienelement des ersten Verstelltriebs um einen bestimmten Betrag erfolgt eine Verschiebung der Fassung mit dem optischen Element in der ersten Verstellrichtung (Y-Richtung) um eine bestimmte Länge; bei Verstellung am Bedienelement des zweiten Verstelltriebs um einen der Verstellung am Bedienelement des ersten Verstelltriebs identischen Betrag erfolgt die Verschiebung der Fassung mit dem optischen Element in der zweiten Verstellrichtung (X-Richtung) um die gleiche Länge.
Die Verstelltriebe können grundsätzlich auch mit anderen Übersetzungsverhältnissen ausgeführt sein, zum Beispiel durch die Variation der Gewindesteigungen bei den als Schraubgetriebe ausgeführten Verstelltrieben. Dadurch ist es möglich, in den verschiedenen Verstellrichtungen eine unterschiedliche Verstellgenauigkeit bzw. Auflösung zu erzielen.
Ferner kann die Laserstrahljustiervorrichtung zum lösbaren Einsetzen in die Laserbearbeitungsvorrichtung, zum Beispiel als Kassettenmodul, ausgebildet sein. Dies erleichtert die leichte Austauschbarkeit im Fall von Reparaturen.
In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Laserstrahljustiervorrichtung Führungen zur Verbesserung der Linearität der Verstellung, zum Beispiel eine Zylinderstift-Nut-Kombination, die die Kulisse in der ersten Verstellrichtung (Y-Richtung) innerhalb der Laserstrahljustiervorrichtung translatorisch führt.
Des Weiteren können die Fassung und die Kulisse mittels Federelementen spielfrei fixiert sein. Die Federelemente dienen - neben der Rückstellung der Fassung innerhalb der Kulisse durch die Rückstellfeder - dazu, dass Umkehrspiel der Verstelltriebe bei Vor- und Rückstellung wie auch das Gewindespiel der als Schraubgetriebe ausgeführten Verstelltriebe auszugleichen. Dies gewährleistet eine sehr genaue Justage des optischen Elements.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die maßstäblichen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen:

1: einen Teil eines Laserbearbeitungskopfes mit Laserstrahljustiervorrichtung im Vertikalschnitt,
2: die Laserstrahljustiervorrichtung im Horizontalschnitt,
3: die Laserstrahljustiervorrichtung in Perspektivansicht.

Die Laserstrahljustiervorrichtung 1 gemäß der 1 ist als Kassettenmodul mit dem Gehäuseeinsatz 7 im (nicht bezeichneten) Teil des Laserbearbeitungskopfs der Laserbearbeitungsvorrichtung von dessen Frontseite F aus einsetzbar.
Gemäß der 2 sind auf dem Gehäuseeinsatz 7 die Kulisse 3 und der Hebel 4 angebracht. Die Kulisse 3 ist translatorisch in der ersten Verstellrichtung (Y) über den ersten Verstelltrieb 5 verschiebbar. Der L-förmige Hebel 4 ist rotatorisch in seinem Eckbereich gelagert.
Die Fassung 2 des (nicht bezeichneten) optischen Elements ist von der Kulisse 3 und dem Hebel 4 umschlossen und in der Kulisse 3 geführt. Mit Betätigung des ersten Verstelltriebs 5 findet die Verschiebung der Fassung 2 gemeinsam mit der Kulisse 3 in der ersten Verstellrichtung (Y) statt. Die Verstellung in der zweiten Verstellrichtung (X) erfolgt über den zweiten Verstelltrieb 6, dessen Verschiebung in der ersten Verstellrichtung (Y) über den Hebel 4 die Verschiebung der an dem Hebel 4 anliegenden, innerhalb der Kulisse 3 geführten Fassung 2 in der zweiten Verstellrichtung (X) bewirkt.
Die Kulisse 3 ist - gemäß der 3 - mittels der Zylinderstift-Nut-Kombination 8 in der ersten Verstellrichtung (Y) geführt.
Zur Minimierung des Gewinde- und Umkehrspiels dienen die Federelemente 9; eines der Federelemente 9 ist die in der Kulisse 3 eingesetzte Rückstellfeder 9.1 zur Rückstellung der nicht in der 3 dargestellten Fassung 2 innerhalb der Kulisse 3 der zweiten Verstellrichtung (X).
Der mit dem zweiten Verstelltrieb 6 verbundene Hebelarm des L-förmigen Hebels 4 ist doppelt so lang wie der an der Fassung 2 anliegende Hebelarm. Der erste Verstelltrieb 5 besitzt eine Verstellschraube mit einem Feingewinde mit einer Steigung von 0,5 mm und der zweite Verstelltrieb 6 eine Verstellschraube mit einem Feingewinde mit einer Steigung von 1 mm. Hierdurch und durch die spielfreie Lagerung sind Verstellgenauigkeiten von wenigen Mikrometern erreichbar.
Die Bedienung der Laserstrahljustiervorrichtung 1 erfolgt über die beiden nebeneinander angeordneten Bedienelemente 10, 11 an der Frontseite F.
Bezugszeichenliste

1: Laserstrahljustiervorrichtung
2: Fassung des optischen Element
3: Kulisse
4: Hebel
5: erster Verstelltrieb zur Verstellung in der ersten Verstellrichtung (Y)
6: zweiter Verstelltrieb zur Verstellung in der zweiten Verstellrichtung (X)
7: Gehäuseeinsatz
8: Zylinderstift-Nut-Kombination
9: Federelement
9.1: Rückstellfeder
10: Bedienelement des ersten Verstelltriebs
11: Bedienelement des zweiten Verstelltriebs
F: Frontseite
X: zweite Verstellrichtung
Y: erste Verstellrichtung

Claims

Laserstrahljustiervorrichtung zur Ablenkung des Laserstrahls im Strahlengang einer Laserbearbeitungsvorrichtung, aufweisend eine Fassung (2) mit einem darin eingesetzten optischen Element zur Führung des Laserstrahls, wobei die Fassung (2) in einer normal zum Laserstrahl ausgerichteten Ebene in einer ersten Verstellrichtung (Y) und in einer zweiten, senkrecht zu ersten Verstellrichtung (Y) orientierten Verstellrichtung (X) translatorisch verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Fassung (2) des optischen Elements innerhalb einer Kulisse (3) geführt ist, wobei die Kulisse (3) mittels eines ersten Verstelltriebs (5) in der ersten Verstellrichtung (Y) verstellbar ist, - die Fassung (2) des optischen Elements innerhalb der Kulisse (3) mittels eines über einen zweiten Verstelltrieb (6) betätigbaren Hebels (4) mit zwei L-förmig angeordneten Hebelarmen in der zweiten Verstellrichtung (X) verstellbar und mittels einer Rückstellfeder (9.1) rückstellbar ist, wobei einer der Hebelarme des L-förmigen Hebels (4) seitlich an der Fassung (2) anliegt und der andere der Hebelarme an den zweiten Verstelltrieb (6) ankoppelt, und - der erste Verstelltrieb (5) und der zweite Verstelltrieb (6) nebeneinander angeordnet sind.
Laserstrahljustiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verstelltrieb (5) und der zweite Verstelltrieb (6) Schraubgetriebe mit jeweils einer Verstellachse sind, deren Verstellachsen parallel nebeneinander angeordnet sind.
Laserstrahljustiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der an den zweiten Verstelltrieb (6) ankoppelnde Hebelarm des L-förmigen Hebels (4) doppelt so lang ist wie der an der Fassung (2) anliegende Hebelarm des L-förmigen Hebels (4), wobei das Übersetzungsverhältnis des ersten Verstelltriebs (5) doppelt so groß ist wie das Übersetzungsverhältnis des zweiten Verstelltriebs (6).
Laserstrahljustiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahljustiervorrichtung (1) als Kassettenmodul zum lösbaren Einsetzen in die Laserbearbeitungsvorrichtung ausgebildet ist.
Laserstrahljustiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulisse (3) mittels einer Zylinderstift-Nut-Kombination zur Führung (8) in der ersten Verstellrichtung (Y) innerhalb der Laserstrahljustiervorrichtung (1) geführt ist.
Laserstrahljustiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung (2) und die Kulisse (3) mittels Federelementen (9) spielfrei fixiert sind.