DE69306865T2

DE69306865T2 - Gerät und Verfahren zum Positionieren eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE69306865T2
Application number: DE69306865T
Authority: DE
Inventors: Stanley L. Charlottesville Virginia 22901 Ream
Original assignee: GE Fanuc Automation North America Inc
Current assignee: Intelligent Platforms LLC
Priority date: 1992-06-29
Filing date: 1993-06-28
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2013-06-29
Also published as: JPH075385A; EP0577358A1; MX9303878A; CA2096147A1; EP0577358B1; DE69306865D1; US5268554A; CA2096147C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Handhabung (Manipulation) von Laserbündeln (-strahlen) zum Zwecke der Materialbearbeitung. Die Laser-Materialbearbeitungstechniken, die mit dieser Erfindung ausgeführt werden können, umfassen Erwärmen, Bohren, Schneiden, Reinigen, Markieren, Gravieren, Schweißen, Transformationshärten, Auskleiden, Härten, Farbabstreif- Stereolithographie und die allgemeine Klasse von Laser-Oberflächenmodifikationen. Jedes dieser Laserverfahren erfordert, daß ein fokussiertes oder auf andere Weise geformtes Laserbündel relativ zu einer Arbeitsfläche positioniert und/oder verschoben wird.
Einige Laserverfahren erfordern, daß das Laserbündel in bezug auf die Arbeitsfläche während der Bearbeitung stationär ist. In anderen Verfahren muß sich das Laserbündel glatt entlang einer programmierten Bahn auf einer Arbeitsfläche bewegen. Das Laserschneiden ist das üblichste Beispiel für diese sich bewegende Wechselwirkung von Laserbündel und Arbeitsfläche.
Die relative Bewegung von Laserbündel und Arbeitsfläche kann auf verschiedenen Wegen herbeigeführt werden, was von der Bodenfläche der Maschine, Gewicht, Genauigkeit, Einfachheit der Werkstückbeladung, Einfachheit der Bündelausrichtung, Geschwindigkeit der Bewegung und Beschleunigung entlang der programmierten Bahn abhängt.
Bei Hochgeschwindigkeits-Laser-Schneidverfahren erzielt eine höhere Laserleistung eine höhere Schneidgeschwindigkeit, wobei diese Schneidgeschwindigkeit ihrerseits umgekehrt proportional zu der Dicke des Werkstückmaterials ist. Bei den meisten Laser-Schneidvorgängen ist die Schneidgeschwindigkeit mehr eingeschränkt durch Qualität und Wirtschaftlichkeit als durch das Vermögen, das Laserbündel entlang der gewünschten Bahn zu bewegen. Beim Laserschneiden von dünnen Materialien, wie beispielsweise Stoff oder Papier, können die Bearbeitungsgeschwindigkeiten sehr hoch sein, ohne daß die Qualität Schaden nimmt. Bei dünnen Materialien ist die Laserbearbeitungsgeschwindigkeit gewöhnlich durch mechanische Einschränkungen begrenzt anstatt durch die Verfügbarkeit von Laserleistung.
Bei der Lösung der sogenannten "fliegenden Optik", bei der das Lasersystem mobil ist in Relation zu einem stationären Werkstück bietet die Laserbündelbetätigung die schnellste Wanderungsgeschwindigkeit und -beschleunigung. Die sich bewegende Masse von derartigen Systemen ist klein, da die das Werkstück haltenden Elemente stationär sind.
Obwohl die Masse der Komponenten innerhalb der oben erläuterten Systeme mit sorgfältigem Design und fortgeschrittenen Materialien minimiert werden kann, begrenzt die Tatsache, daß diese Komponenten sich entlang einer programmierten Bahn anstatt einer geraden Bahn bewegen müssen, eine höhere Beschleunigung und begrenzt somit die durchschnittliche Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Wenn das Laserbündel allein entlang der programmierten Bahn bewegt werden kann, ohne Einschränkungen der zugeordneten mechanischen Masse, kann die laterale Beschleunigung entlang der Bahn erhöht werden. Spiegelsysteme des "Galvanometertyps", wie sie beispielsweise in dem US-Patent 4 762 994 mit dem Titel "Compact Optical Scanner Driven by a Resonant Galvanometer" beschrieben sind, sind für einen effizienten Betrieb bei begrenzter Laserleistung geeignet. Derartige Systeme sind üblicherweise auf einen Laserbündeldurchmesser von wenigen cm begrenzt, und der Bündeldurchmesser an dem scannenden bzw. einlesenden Spiegel ist nicht groß. Galvanometer stehen nicht kommerziell zur Verfügung zum Manipulieren der einen großen Durchmesser aufweisenden Laserbündel, die zum Scannen von großen Oberflächen mit Laserbündeln hoher Leistung erforderlich sind.
Es würde wirtschaftlich vorteilhaft sein, ein Laserbündel mit großem Durchmesser zu schaffen, um eine erhöhte Laserleistung zur Folge zu haben, die auf die Werkstückoberfläche gerichtet ist. Die Verwendung des früher beschriebenen optischen Scanners des Galvanometertyps erfordert Spiegel kleiner Größe, die nicht in der Lage sind, derartige Laserbündel mit vergrößertem Bündeldurchmesser bereitzustellen.
US-A-4 664 487 beschreibt eine Einrichtung zum Positionieren von Laserspiegeln beim Kippen und Schwenken um zwei orthogonale Achsen.
US-A-5 011 282 beschreibt eine Einrichtung und ein Verfahren gemäß den ersten Teilen (Oberbegriffen) der Ansprüche 1, 14.
Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren zum Abtasten bzw. Scannen eines Laserbündels zu schaffen, um einen Bündelbrennpunkt zu fokussieren und schnell zu manipulieren, wobei Laserbündel mit einem größeren Durchmesser und größere Spiegel verwendet werden, ohne daß Galvanometer-Scanner erforderlich sind zum Bewegen des Laserbündels relativ zu der Werkstückoberfläche.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung schafft eine dreidimensionale Laserbündel-Brennpunkt-Manipulations- oder -Scaneinrichtung, die zum Bearbeiten von Materialien geeignet ist und die ein Hochleistungs-Laserbündel aufweist, das eine nicht lineare Bahn mit maximaler Beschleunigung durchläuft. Ein großer reflektierender Spiegel ist auf einem Computer-gesteuerten flexiblen Antriebssystem angeordnet, um ein Laserbündel hoher Dichte auf eine Arbeitsfläche zu richten.
Die vorliegenden Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 14 angegeben.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine Ansicht von einem bekannten Hochgeschwindigkeits-Laserbrennpunkt-Scansystem;
Figur 2 ist eine Seitenansicht von einem erfindungsgemäßen Lasersystem hoher Leistung und hoher Geschwindigkeit;
Figur 3 ist eine vergrößerte Seitenansicht von der Scanner-Anordnung in dem Lasersystem gemäß Figur 2; und
Figur 4 ist eine stark vergrößerte perspektivische Ansicht von unten auf das flexible Antriebssystem in der Scanner- Anordnung gemäß Figur 3.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Bevor der Hochleistungslaser gemäß der Erfindung beschrieben wird, ist es hilfreich, ein bekanntes Lasersystem 10 zu betrachten, wie es in Figur 1 gezeigt ist und das einen Industrie-Laser 11 enthält ähnlich demjenigen, der in dem vorgenannten US-Patent 4 762 994 beschrieben ist. Zwei Galvanometer 13, 14 sind operativ mit zwei Spiegeln 16, 17 durch flexible Verbindungsglieder 18, 19 verbunden. Im Betrieb wird das Laserbündel (-strahl) 20 durch eine konvergente Linse 22 auf den Spiegel 16, der bei der Anordnung in Figur 1 in der vertikalen Ebene angeordnet ist, und dann auf den Spiegel 17 gerichtet, der in der horizontalen Ebene angeordnet ist. Das konvergente Bündel 21 wird dann auf einen Punkt 23 auf der Oberfläche des Materials 12, das ein Stoffgewebe aufweisen könnte, für ein gesteuertes Schneiden des Gewebematerials fokussiert. Ein weiteres Beispiel für eine präzise gesteuerte Laserschneidmaschine ist in dem US-Patent 4 659 900 mit dem Titel "Laser Cutting Machine" zu finden.
Das erfindungsgemäße Lasersystem 38 hoher Geschwindigkeit und hoher Leistung ist am besten zu sehen, indem nun auf Figur 2 Bezug genommen wird, wobei ein ähnlicher, aber eine höhere Leistung aufweisender Industrie-Laser 11 betriebsmäßig (operativ) durch ein flexibles Verbindungsglied 29 mit einer Steuerung (Controller) 24 verbunden ist, die, zu Beschreibungszwecken, eine Computer-gesteuerte numerische Steuerung (CNC) oder eine programmierbare logische Steuerung (PLC) für einen vollen Bereich von Steuerfunktionen aufweisen könnte. Die Steuerung ist ihrerseits mit einer Scanner-Einrichtung 25 und Servomotoren 42, 43 durch ein getrenntes flexibles Verbindungsglied 30 verbunden, um die Orientierung des großen reflektierenden Spiegels zu steuern, der als der Scan-Spiegel 26 dient. Im Betrieb tritt das Laserbündel (-strahl) 28 durch eine Öffnung 54 in dem Stützgehäuse 55 und dann durch eine negative (divergente) sphärische Linse 56. Das zylindrisch korrigierte, divergente Bündel 31 wird durch einen ersten ebenen bzw. planaren Spiegel 32 unter einen Winkel von 45º reflektiert. In einem anderen Ausführungsbeispiel könnte dieser Spiegel ein Phasenverzögerungsspiegel sein, der einem linear polarisierten ankommenden Bündel eine kreisförmige Polarisation erteilt. Das kontinuierlich divergente Bündel 31' wird durch einen zweiten ebenen bzw. planaren Spiegel 33 auf einen großen sphärischen oder parabolischen Spiegel 34 reflektiert. Die Krümmung des Spiegels 34, die Linse 56, ihre Abstände und der Einfallswinkel des divergenten Bündel 31" in bezug auf die optische Achse des Spiegels 34 sind so ausgelegt, daß das konvergente Bündel 35 einen Brennpunkt 36 erreicht, der bezüglich Astigmatismus korrigiert ist. Die Lage des Brennpunktes 36 auf der Arbeitsfläche 37 wird durch die Stellung des ebenen Abtastspiegels 26 bestimmt. Wie nachfolgend mit größeren Einzelheiten beschrieben wird, kann dieser Laser-Brennpunkt 36 schnell in andere Lagen 39, 40 auf der Arbeitsfläche, wie es gestrichelt angegeben ist, gebracht werden durch die programmierte Bewegung des Scan-Spiegels 26.
Beispiele von einem CNC-gesteuerten Laser, der für einen dreidimensionalen Betrieb angeordnet ist, sind in den US- Patenten 5 067 086 und 5 011 282 zu finden. Die Geschwindigkeit, Beschleunigung und Fläche der dort beschriebenen Laser- Brennpunktmanipulation sind durch das Erfordernis wesentlich eingeschränkt, die Maschinenmassen zu verschieben und zu drehen, die mit den X, Y, Z Achsen des Systems verbunden sind. Relativ zu dem anderen Stand der Technik, der in Figur 1 gezeigt ist, sei darauf hingewiesen, daß die Größe des Scan-Spiegels 26 gemäß der Erfindung in Figur 2 wesentlich größer sein kann als diejenigen, die in irgendeinem Dokument zum Stand der Technik beschrieben sind.
Der dreidimensionale Betrieb des Scan-Spiegels 26 wird durch das flexible Antriebssystem 65 in der Scanner-Einrichtung erreicht, die in einer vergrößerten Darstellung in Figur 3 gezeigt ist. Obwohl drei Servomotoren erforderlich sind für eine volle dreidimensionale Steuerung (Manipulation) des Brennpunktes, sind hier zu Klarheitszwecken nur zwei, nämlich 42, 43, gezeigt. Die Servomotoren sind durch Verbindungsglieder 46 mit entsprechenden Stell- bzw. Spindelschrauben 45 durch eine getrennte Halterungsplatte 58 verbunden. Die Spindelschrauben sind mit Muttern 47 verbunden, die an Kupplungen 48 fest angebracht sind. Die Kupplungen sind an dem einen Ende von einer inneren Keilverzahnung 49 fest angebracht. Die inneren Keilverzahnungen sind in entsprechenden äußeren Keilverzahnungen 50 enthalten, die eine lineare Translation der inneren Keilverzahnungen gestatten, aber keine Drehung oder Winkelbewegung der inneren Keilverzahnungen um ihre Achsen erlauben. Die äußeren Keilverzahnungen 50 sind in Stützrohren fest eingeschlossen, an denen die Servomotoren 42, 43 befestigt sind. Die gegenüberliegenden Enden der inneren Keilverzahnungen 49 sind an gehärteten Werkzeugkugeln 51 befestigt, die in Spiegel positionierenden Sitzen 52, 53 ruhen. Ein dritter Positioniersitz 57 ist gestrichelt gezeichnet und mit einer ähnlichen inneren Keilverzahnung (nicht gezeigt) verbunden. Der positionierende Sitz 52 ist mit einer konischen Vertiefung versehen, der positionierende Sitz 53 ist mit einer rillenförmigen Vertiefung versehen und der positionierende Sitz 57 hat eine ebene Oberfläche. Zusammen definieren diese drei Sitze, wie sie durch die drei Werkzeugkugeln 51 positioniert werden, vollständig die Dreh- und Seitenstellung des Scan-Spiegels 26.
Wie am besten unter Bezugnahme auf die Figuren 2, 3 und 4 zu sehen ist, wird der Scan-Spiegel 26 gegen die Werkzeugkugeln 51 durch die Haltekraft gehalten, die durch drei pneumatische Zylinder 15 ausgeübt wird, die über flexible Kupplungen 44 an der einen Seite des Scan-Spiegels und über eine Kupplung 59 an der Befestigungsplatte 58 der Scanner-Einrichtung 25 befestigt sind. Drei derartige pneumatischen Zylinder sind in einem Kreismuster angeordnet, sind in den Zwischenräumen zwischen den Stützrohren 41 angeordnet und wirken als Stützfedern mit konstanter Kraft auf den Scan-Spiegel 26. Somit sind die Gegenkräfte, die auf den Scan-Spiegel wirken, auf wirksame Weise im Gleichgewicht und auf einem Minimum gehalten. Die effektive Federkraft, die von den Zylindern geliefert wird, kann optimal gesteuert werden durch Verändern des Luftdruckes auf die Zylinder, um den Gravitations- und Trägheitskräften entgegenzuwirken, die während des Hochgeschwindigkeitsbetriebes auf den Scan-Spiegel wirken.
Die Servomotoren 42, 43 werden einzeln durch die Steuerung 24 gemäß einer vorbestimmten Stellungsinformation gedreht. Jeder Servomotor wirkt unabhängig auf seine zugeordnete Spindelschraube 45. Wenn sich die Spindelschraube dreht, bewirkt sie, daß sich die Mutter 47, die Kupplung 48, die innere Keilverzahnung 49 und die Werkzeugkugel 51 in einer geraden Linie bewegen, wie sie durch die feststehende äußere Keilverzahnung 50 definiert ist. Die äußere Keilverzahnung verhindert auch jede Drehung oder Kippen der zugeordneten inneren Keilverzahnung. Die Kraft des pneumatischen Zylinders 15 wirkt auf den Spiegel 26, um die den Spiegel positionierenden Sitze 52, 53, 57 mit den Werkzeugkugeln in Kontakt zu halten, wenn sie sich verschieben. Die Geometrien der den Spiegel positionierenden Sitze 52, 53, 57 sind so konfiguriert, daß sie für die minimale, nicht-redundante Anzahl von Beschränkungen sorgt, die zum Positionieren des Scan-Spiegels 26 erforderlich sind. Wie vorstehend bereits beschrieben wurde, ist der Spiegelpositioniersitz 52 konisch, der Spiegelpositioniersitz 53 ist rillenförmig und der Spiegelpositioniersitz 57 ist planar. Demzufolge gibt es eine ganz bestimmte Position der drei Werkzeugkugeln 51 und der drei zugeordneten Servomotoren für jede Lage des Laser- Brennpunktes 36 auf der Werkstückfläche 37.
Vorstehend wurde ein präzise gesteuertes Hochleistungs- Industrie-Lasersystem beschreiben, das Servomotoren, eine CNC oder PLC Steuerung, eine Bündellieferungsoptik und eine flexible Scanner-Einrichtung für eine dreidimensionale Hochgeschwindigkeits-Manipulation oder ein fokussiertes Laserbündel benutzt. Das System gemäß der Erfindung findet besondere Anwendung auf den Gewebe-, Automobil- und Stereolithographie-Gebieten.

Claims

1. Einrichtung (38) zum Abtasten (Scannen) eines Laserstrahls (28), enthaltend:

eine Laser-Quelle (11);

eine Steuereinheit (24), die betriebsmäßig mit der Laser-Quelle (11) verbunden ist, um den Laserstrahl (28) auf einen ersten Reflektor (56, 32) zu richten; und

einen Scanner (25), der betriebsmäßig mit der Steuereinheit (24) und mit einem zweiten Reflektor (26) verbunden ist zum Reflektieren des Laserstrahls auf ein Arbeitsprodukt, wobei die Steuereinheit (29) eine computerisierte numerische Steuerung oder eine programmierbare logische Steuerung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanner (25) Mittel (41, 42, 43, 65) zum Bewegen eines Brennpunktes (36, 39, 40) des Strahls (28) in drei Dimensionen aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Reflektor (56, 32) eine divergente Linse (56) oder einen planaren Spiegel (32) aufweist.

3. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Reflektor einen planaren Spiegel (26) aufweist und vorzugsweise der erste Reflektor einen planaren Spiegel (32) aufweist.

4. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Scanner mehrere Motoren (41, 42, 43) aufweist, die mit dem zweiten Reflektor (26) durch ein flexibles Verbindungssystem (65) verbunden sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, wobei das flexible Verbindungssystem (65) eine Spindel- bzw. Stellschraube (45) oder eine flexible Kupplung (44) aufweist, die mit einer Werkzeugkugel (51) verbunden ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, wobei die Werkzeugkugel (51) in einem Positioniersitz (52, 53, 57) aufgenommen ist, der an der einen Seite des zweiten Reflektors (26) befestigt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, wobei der Positioniersitz (52, 53, 57) eine die Werkzeugkugel aufnehmende Oberfläche bildet, wobei die die Werkzeugkugel aufnehmende Oberfläche eine entsprechende Verschiebung des zweiten Spiegels (26) bildet.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, wobei die die Werkzeugkugel aufnehmende Oberfläche planar, konisch oder rillenförmig ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 5, wobei eine Mutter (47) und eine Kupplung (48) die Werkzeugkugel (51) und die Stellschraube (45) verbinden zum Übertragen der Drehbewegung von der Stellschraube (45) in eine translatorische Bewegung, die auf den zweiten Reflektor (26) ausgeübt wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 4, wobei ein pneumatischer Zylinder (15) die Motoren (41, 42, 43) und den zweiten Reflektor (26) verbindet, wobei der pneumatische Zylinder (15) für eine Haltekraft auf den zweiten Reflektor (26) sorgt.

11. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein dritter (33) und ein vierter (34) Reflektor zwischen den ersten (56, 32) und den zweiten (26) Reflektoren angeordnet sind, wobei der dritte Reflektor (33) den Laserstrahl von dem ersten Reflektor (56, 32) empfängt und den Laserstrahl auf den vierten Reflektor (34) reflektiert.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, wobei der dritte Reflektor einen planaren Spiegel (33) aufweist und der vierte Reflektor einen sphärischen oder parabolischen Spiegel (34) aufweist.

13. Einrichtung nach Anspruch 11, wobei der vierte Reflektor (34) den Laserstrahl auf den zweiten Spiegel (26) reflektiert.

14. Verfahren zum Steuern der Bewegung eines Laserstrahls, enthaltend die Schritte:

Bereitstellen eines Strahls (28) von Laserlicht von einer Quelle (11);

Reflektieren des Strahls von einem ersten Reflektor (56, 32) auf einen zweiten Reflektor (26);

Befestigen eines flexiblen Antriebssystems (65) an dem zweiten Reflektor (26);

betriebsmäßiges Verbinden einer Steuerung (24) zwischen dem zweiten Reflektor (26) und der Quelle (11);

selektives Bewegen des zweiten Reflektors (26), um eine Manipulation des Strahls zu erzeugen; und

Anordnen mehrerer Werkzeugkugeln (51) zwischen dem zweiten Reflektor (26) und dem flexiblen Antriebssystem (65);

dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsschritt enthält, daß ein Brennpunkt (36, 39, 40) des Strahls in drei Dimensionen bewegt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, enthaltend die Schritte:

Bereitstellen mehrerer Motoren (41, 42, 43) in dem Scanner; und

Verbinden der Motoren mit einer entsprechenden Anzahl von Stellschrauben (45) über eine entsprechende Anzahl von festen Kupplungen (48).

16. Verfahren nach Anspruch 15 enthaltend den Schritt, daß eine konische, rillenförmige oder planare Oberfläche zwischen einer der Werkzeugkugeln und dem zweiten Reflektor angeordnet wird.