DE4241592C1 - Anordnung zur veraenderung der geometrischen gestalt eines lichtbuendels mit spiegeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Veränderung der Querschnittsform und Intensitätsverteilung eines Lichtbündels nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 30 13 163 als bekannt hervorgeht.

Dort wird ein aus Facetten zusammengesetzter Spiegel beschrieben, bei dem die Richtung der Flächennormalen jeder einzelnen Facette mittels Stellgliedern beeinflußt werden kann. Ein einfallendes Lichtbündel, das auf eine Vielzahl von Facetten trifft, wird somit in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufgeteilt. Durch geeignete Justierung der relativen Lage der Facetten zueinander wird in einer Arbeitsebene die gewünschte Form des Strahlquerschnittes und Intensitätsverteilung eingestellt. Dabei hängt die gewünschte Form des Strahles von der Anwendung ab. Da es nicht einfach ist die Justierung durchzuführen, bedarf es dazu entsprechend qualifizierten Bedienpersonals. Desweiteren ist die Einstellung sehr sensibel gegenüber Umwelteinflüssen wie beispielsweise Temperaturänderungen und Vibrationen. Daraus resultiert eine große Störanfälligkeit, zumindest aber eine schwankende Bearbeitungsqualität, wenn ein Einsatz unter den Bedingungen, wie sie in der Serienfertigung herrschen, erfolgt. Im übrigen sind solche Spiegel in der Anschaffung sehr teuer.

In der Dissertationsschrift D. Burger, "Beitrag zur Optimierung des Laserhärtens", Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart, 1988, insbesondere S. 120-124, wird die zum Oberflächenhärten mit Laserstrahlen optimale Intensitätsverteilung des einfallenden Lichts beschrieben. Die Lichtintensität sollte an der vorauslaufenden Frontseite des Strahlquerschnittes sehr hoch sein, um die Temperaturerhöhung im Werkstück so schnell wie möglich zu erreichen. Ist sie einmal erreicht, reicht es aus, die Verluste - beispielsweise durch Wärmeleitung - zu kompensieren, wozu eine geringere Lichtintensität genügt. Dabei hängt das optimale Verhältnis zwischen der hohen Anfangsintensität und der niedereren Arbeitsintensität von der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes ab. Bei hoher Vorschubgeschwindigkeit ist der optimale Quotient aus der Anfangsintensität und der Arbeitsintensität geringer als bei einer langsameren Bearbeitungsgeschwindigkeit. Wegen der Energieverluste am seitlich liegenden Rand der Bearbeitungszone in die danebenliegenden Bereiche des Werkstückes ist es weiterhin von Vorteil dort die Intensität im Strahl leicht zu erhöhen. Zur Erzeugung einer von einer Gaußkurve abweichenden Intensitätsverteilung ist es allgemein üblich das einfallende Lichtbündel mittels eines Facettenspiegels in Teilstrahlen zu zerteilen und so auf die Arbeitsfläche zu lenken, daß sie sich zu der gewünschten Intensitätsverteilung ergänzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Oberflächenhärten von Werkstücken mit Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen, unter Verwendung eines gattungsgemäß zugrundegelegten Facettenspiegels dahingehend zu verbessern, daß die Anpassung des Intensitätsverhältnisses von Anfangsintensität zu Arbeitsintensität für unterschiedliche Bearbeitungsgeschwindigkeiten ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Facettenspiegels erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Der Facettenspiegel ist in Bereiche aufgeteilt, von denen jeder einen Teilbereich des auf der Werkstückoberfläche zu erzeugenden Lichtflecks erzeugt. Die Intensitätsverteilung wird durch die Intensität des auf den entsprechenden Bereich des Facettenspiegels einfallenden Lichts bestimmt. Dies wird dadurch geregelt, daß man das einfallende Licht über wenigstens einen gesteuert schwenkbaren Spiegel auf den Facettenspiegel lenkt. Durch die Stellung dieses Spiegels werden die auf die verschiedenen Bereiche des Facettenspiegels gelenkten Anteile des Lichtbündels bestimmt und somit die Einstellbarkeit des Intensitätsverhältnisses erzielt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Facettenspiegels,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung und

Fig. 3 die Anordnung der Spiegel in einer vereinfachten Ausführungsform.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Wirkungsweise des Facettenspiegels 10. Der Facettenspiegel 10 ist in die Bereiche 12 und 13 unterteilt, die jeweils aus mehreren Facetten 11 gebildet werden. Das in beide Bereiche 12, 13 einfallende Lichtbündel 3 wird auf das Werkstück 9 projiziert. Der auf den Bereich 12 des Facettenspiegels fallende Teil des Lichtbündels 3 erzeugt den Lichtfleck 15, der, wie in dem Intensitätsdiagramm dargestellt, eine konstante Lichtintensität I₁ aufweist. In dem Teilbereich 17, der einen Teilbereich des Lichtflecks 15 umfaßt, herrscht eine größere Lichtintensität I₂, da die im Vergleich zu den Facetten 11 des Bereiches 12 kleineren Facetten 11 des Bereiches 13 das einfallende Licht auf den kleineren Teilbereich 17 des Lichtfleckes 15 projizieren. Dabei können sowohl die einzelnen Facetten 11, jede für sich gesehen, als auch der Facettenspiegel an sich eine zylindrisch oder sphärisch konkave Oberfläche aufweisen und somit das Licht auf eine geringere Fläche des Werkstückes 9 projizieren. Um eine Intensitätsverteilung, wie sie in der oben angegebenen Dissertationsschrift als optimal dargestellt ist, an der Werkstückoberfläche zu erzielen ist es notwendig den Facettenspiegel in vier Bereiche zu unterteilen. Der größte Bereich dient der Erzeugung einer gleichmäßigen Lichtintensität über den gesamten Lichtfleck. Der zweite Bereich dient der Erzeugung einer größeren Intensität an der in Bearbeitungsrichtung vorderen Stirnkante des Lichtflecks. Die beiden anderen Bereiche dienen einer leicht vergrößerten Intensität an den Seitenkanten des Lichtflecks. In einer vereinfachten Ausführung reicht es aber aus, den Facettenspiegel in zwei Bereiche zu unterteilen. Die erhöhte Lichtintensität an den seitlichen Randbereichen des Lichtflecks entfällt dann.

In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. In dieser Anordnung wird die Verteilung des einfallenden Lichtbündels 3 auf den Facettenspiegel 10 über zwei schwenkbare Spiegel 1, 2 gesteuert. Die Anordnung von zwei um die Achse 4 bzw. 5 schwenkbaren Spiegeln 1, 2 vor dem Facettenspiegel 10 erlaubt es, die Einfallsrichtung des Lichtbündels konstant zu halten und nur den Einfallsort des Lichtbündels auf den Facettenspiegel zu verändern. Durch die Veränderung des Einfallsortes des Lichtbündels auf den Facettenspiegel 10 wird die Lichtintensität des auf die verschiedenen Bereiche 12, 13 des Facettenspiegels 10 einfallenden Lichtes variiert. Dadurch ist eine stufenlose Einstellung der Intensitätsverteilung zwischen den Teilbereichen 16 und 17 möglich. Durch die feststehende Anordnung des Facettenspiegels wird die Lage des Lichtflecks sowie der Einfallswinkel des Lichts auf das Werkstück nicht verändert. Die Parallelverschiebung des einfallenden Lichtbündels 3 kann dabei in einfacher Weise präzise und reproduzierbar über ein an den beiden Spiegeln 1, 2 angreifendes Parallelogrammgetriebe erfolgen. Damit das Lichtbündel 3 in eine ausreichende Anzahl von nicht zu kleinen Facetten 11 einfällt ist es günstig, vor den Spiegeln 1, 2 eine Eingangsoptik 20 anzuordnen, die das Lichtbündel 3 aufweitet. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Inhomogenitäten des Lichtbündels 3 hinreichend gut ausgemittelt werden. Dabei ist zu beachten, daß zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung aus dem ursprünglichen Lichtbündel 3, in dem Lichtfleck Strahlen von einer Mindestanzahl von Facetten 11 überlagert werden. Dies sollten mindestens neun, vorzugsweise aber sechzehn rechteckige oder quadratische Facetten 11 sein. Die Kantenlängen ergeben sich aus der gestellten Härteaufgabe und liegen typischerweise zwischen 5 und 40 mm. Bei Facetten 11 mit größerer Kantenlänge ist das Ausrichten der Facetten 11 und die Anbringung an einen Träger einfacher.

In der Fig. 3 ist die Spiegelanordnung einer vereinfachten Ausführungsform dargestellt. Dabei wird ein Umlenkspiegel eingespart, in dem man den Facettenspiegel 10 um die Achse 14 schwenkbar lagert. Die Schwenkachse 14 des Facettenspiegels ist parallel zu der Schwenkachse 4 des Spiegels 1. Der Schwenkantrieb der beiden Spiegel kann ebenfalls über ein Parallelogrammgetriebe erfolgen. Bei dieser Ausführung ändert sich der Einfallswinkel der Lichtstrahlen auf das Werkstück, wenn eine Neueinstellung der Intensitätsverteilung erfolgt. In einer einfachsten Ausführungsform wäre es auch möglich nur einen schwenkbaren Spiegel vor dem Facettenspiegel anzuordnen und die Verteilung des Lichtbündels 3 durch den Lichteinfallswinkel auf den Facettenspiegel 10 zu regeln. Dies führt zu den gewünschten Veränderungen der Strahlgeometrie auf der Facettenspiegelung und zu einer Veränderung der Lage und des Einfallswinkels des Lichtfleckes auf dem Werkstück.

Claims (6)

1. Anordnung zur Veränderung der Querschnittsform und der Intensitätsverteilung eines Lichtbündels (3) mittels eines Facettenspiegels (10), der das veränderte Lichtbündel als Lichtfleck (15) mit vorbestimmter Intensitätsverteilung auf eine Arbeitsebene projiziert, wobei das umzuformende Lichtbündel (3) auf mehrere Facetten (11) fällt, dadurch gekennzeichnet, daß der Facettenspiegel (10) in Bereiche (12, 13) mit jeweils mehreren Facetten (11) unterteilt ist, wobei die Facetten (11) jeweils eines Bereiches (16 bzw. 17) identisch und so ausgerichtet sind, daß die von ihnen reflektierten Lichtbündelsegmente in einen Teilbereich der Arbeitsebene projiziert werden und die Teilbereiche (16, 17) sich zu dem zusammenhängenden Lichtfleck (15) ergänzen, ferner daß wenigstens ein weiterer, den Einfall des Lichtbündels auf den Facettenspiegel (10) beeinflussender Spiegel (1) angeordnet ist, welcher von einer Steuerung geregelt um eine senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichtbündels und in der Ebene des Spiegels verlaufende Achse (4) schwenkbar angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei den Lichteinfall auf den Facettenspiegel (10) beeinflussende Spiegel (1, 2) so angebracht sind, daß sie um zueinander parallele, jeweils senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichtbündels und in der Ebene des jeweiligen Spiegels verlaufende Achsen (4, 5) schwenkbar sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschwenken der den Lichteinfall auf den Facettenspiegel (10) regelnde Spiegel (1, 2) über ein Parallelgetriebe gekoppelt, in gegensinniger Rotationsrichtung erfolgt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (12, 13) durch geradlinig verlaufende Stoßkanten benachbarter Facetten (11) begrenzt sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Facettenspiegel (10) in zwei sich durch die Größe der Facetten (11) unterscheidende Bereiche (12, 13) aufgeteilt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Facettenspiegel (10) als letztes optisches Element vor dem Werkstück (9) angeordnet ist.