专利名称：具有多棱镜的激光材料加工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光材料加工装置，其具有可旋转地支承的用于偏转激光束的多棱镜以及具有在光路中在下游的聚焦单元，该聚焦单元具有用于使由多棱镜偏转到聚焦单元上的激光束聚焦到待加工工件上的聚焦器件。
背景技术：
例如由US 4，099，830已经公开这种类型的装置。在那里描述的用于加工塑胶跑道的装置具有绕两个轴线可旋转地支承的多棱镜，其中，激光束通过聚焦单元作为线状焦点投射到工件上。为了产生线状焦点，激光束在使用柱面透镜的情况下以不同的方式在两个垂直于传播方向延伸的方向上转向或成像。在光路上设在多棱镜下游的透镜一方面用于使激光束在第一方向上聚焦并且另一方面用于激光在第二方向上的准直。对于要将多个线状焦点同时用于加工的应用，在多棱镜前面可以设置用于分光的光学元件。通过使用多个分光束，能够并行地进行多个加工过程，因而提高加工速度。如果将通过这种用于提高处理速度的分光形成的分光束看成组，那么虽然能够通过多棱镜的转速的变化调整多个组相互的间距，但是所述组内部的分光束此时处于恒定的间距比。因此，所有的线条间距的灵活选择是不可实现的。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种激光材料加工装置，对不同的加工应用，其不仅能够实现高的处理速度，还能够实现高度的灵活性。这个目的通过开头所述类型的激光材料加工装置解决，其中，聚焦单元具有至少一个分光器，用于将偏转的激光束分成至少两个分光束以在工件上产生至少两个焦点，其中，分光器构造用于产生在工件上的焦点的可变间距，并且为此通常具有至少一个可运动的光学部件。在上述装置中，这些分光束彼此的间隔距离及因此焦点之间的间距可针对特定应用来协调，并且也能够在加工过程期间进行适配。有利地，在这里，分光器是可控制的，使得除针对特定应用的预调整以外，间隔距离也可根据多棱镜的转速(以及因此根据这些分光束的组的间隔距离)适配。分光器可以附加地这样构造，使得每个分光束的辐射强度或激光束的功率在各个分光束上的分配是可调整的，如下面所更详细地描述的。在第一实施形式中，分光器自身构造成聚焦器件。在这种情况下，关于“分光和聚焦”的功能，在聚焦单元中或在聚焦单元和多棱镜之间不必设置另外的光学元件。优选地， 在这种情况下，聚焦器件构造成反射式的，并且对每个待形成的分光束具有至少一个相应的镜区段或相应的镜弧段。在另一种实施形式中，分光器构造成在光束传播方向上设在聚焦器件上游的光学元件。在光束路径中设在上游的光学元件在这里可以是聚焦单元的一部分，或者替代地，在光束路径中设置在多棱镜和聚焦单元之间。也在这种情况下，用于分光的光学元件优选构造成反射式的。特别优选地，在这种情况下，设置在该装置中的偏转镜被构造成使得它能够实现分光。因此可以取消附加的光学部件，并且反正已经设置在装置中的光学元件提供作为分光器的附加功能。在一种实施形式中，分光器具有至少一个可运动的镜区段。该或这些可运动的镜区段能够相对彼此在光束传播方向上可移动地构造用于调整焦点的间距或分光束的定向。 镜区段相对彼此的相对运动优选通过一个固定的和(至少)一个可运动的镜区段实现。在一种改进方案中，所述至少一个镜区段构造成可摆动的和/或可移动的。为此可使用对于本领域技术人员已知的驱动部件，例如，压电致动器、直线驱动装置、旋转驱动装置或类似装置。在使用一个设在聚焦器件上游的光学元件进行分光时，例如在使用一个设置在准直的光路中的偏转镜时，所述光学元件可以被分成与分光束相对应的(尤其是平面的)镜区段。这些镜区段优选可绕垂直于光束传播方向的(对应于扫描方向的)轴线摆动地被支承，其中，由镜面或镜区段包围的角度是关于这些分光束的间隔距离的量度。特别地，在使用构造成设在聚焦器件上游的光学元件的分光器时，优选这些镜区段中的仅一个镜区段构造成可摆动的。该可摆动的镜区段将其分光束成像到激光束的聚焦器件的边缘区域上，而其余区域(至少当这可通过摆动角实现时)可以被通过可摆动的镜区段偏转的分光束扫过。因此，分光束的最大间隔距离的调整可通过仅一个镜区段的运动实现，由此导致在分光器的结构、启动和控制上的简化。在这里，除了镜区段的摆动外，可以附加地或替代地设置用于在光束传播方向上移动镜区段的机构。当分光器相对于激光束适当定向时，可以通过平行于入射的激光束的光轴(即在激光传播方向上)移动至少一个可运动的镜区段来调整这些分光束之间的间距，以及由此调整焦点之间的间距。通过选择激光束的各个镜区段的表面大小或者入射到相应的镜区段上的辐射份额，可附加地调整激光辐射的功率份额。在优选实施形式中，分光器具有至少两个可运动的镜区段，其中一个可运动的镜区段以选择方式在第一位置中使激光束偏转到第一焦点并且在第二位置中使激光束偏转到第二焦点。在这种情况下，镜区段的数量超过待形成的分光束的数量，从而这些镜区段中的至少一个能够以选择方式配属于两个(或多个)分光束中的一个并且由此配属于两个 (或多个)焦点中的一个。以选择方式配属于该一个或另一个分光束的镜区段或镜段可以例如布置在一个位置固定的镜区段和另一个可运动的镜区段之间。在这种情况下，该镜区段能够以选择方式要么保持位置固定要么与另一个镜区段特别是同步地被控制和驱动。在一种优选的改进方案中，分光器可垂直于光束传播方向或者垂直于激光束的光轴(以及垂直于扫描方向)移动。由此得到如下可能性，即改变入射到这些镜区段上的辐射份额，其方式是使所有的镜区段同步地移动，由此能够改变激光束的相对位置，进而能够改变入射到各自的镜区段上的辐射份额。与上述的使用比分光束更多的镜区段相比(其导致相近的结果)，在这种解决方案中不仅设计结构而且控制没有那么复杂，因为为此目的， 常规的直线移动单元就足够了。特别是在将分光器实现为聚焦器件时，此外有意义的是，在加工弯曲的表面时，除了移动之外也执行至少一个镜区段的绕垂直于光束传播方向的轴线的摆动。由此除了可影响这些分光束的间距之外也可影响分光束的焦点位置。在另一种实施形式中，分光器具有一个基本位置，在该基本位置中，所述至少两个焦点重合。在基本位置中，所有入射到分光器上的激光束都聚焦在唯一的焦点上。在使用偏转镜作为分光器时，在这里可以将所有的镜区段布置在共有的偏转平面中，在使用聚焦镜作为分光器时，相邻的镜区段在基本位置中可以相互连接并且所属的镜面可以连续相互过渡。通过设置这种基本位置来提高加工时的灵活性，因为其中激光束的所有辐射功率聚束在唯一的焦点上的加工也是可实现的。在另一种实施形式中，这些焦点之间的可变间距可根据工件的移动速度调节。为了也在通常带形的工件的移动速度改变、特别是在向上或向下调节时能够改变线条间距或持续线条间距不变，这是特别有利的。通过这种方式可以与进给速度或移动速度无关地达到良好的加工结果并且减少次品。作为根据移动速度调节间距的替代或附加，这些焦点或在扫描方向上产生的线条的间距根据待加工工件的不同品质和厚度改变可能有利于改善效率或改善产品质量。由说明书、权利要求书和附图得到本发明的主题的其他优点和有利的设计方案。 同样，以上提到的特征和进一步列出的特征能够单独地或组成地以任意组合应用。
下面借助于在附图中再现的实施例详细地描述本发明。所示的和所描述的实施方式不应理解为穷尽性列举，而是具有用于说明本发明的示例性特征。附图的图非常示意性地示出根据本发明的主题并且不是按比例的。根据本发明的主题的单个组合部分被这样地示出，使得能够良好地示出其结构。在附图中图1示出根据本发明的具有聚焦单元的激光材料加工装置的侧视图；图2示出在将偏转镜作为可变分光器的实施方式中图1的聚焦单元的细节视图； 以及图3示出具有作为可变分光器的聚焦镜的聚焦单元的侧视图。
具体实施例方式图1显示用于所谓的激光-划线设备的激光材料加工装置1，其具有可旋转地支承的多棱镜3，多棱镜将由(未显示的)激光源产生的激光束2偏转到聚焦单元4上。多棱镜 3具有伺服电机形式的驱动装置3a，以便用期望的旋转速度驱动多棱镜3。聚焦单元4包括第一平面偏转镜6’，第一平面偏转镜使激光束2偏转90°到第二平面偏转镜6上。通过第二平面偏转镜6使激光束2偏转到形式为聚焦镜5的用于激光束 2的聚焦器件上。在这里根据在图2中详细描述的分光原理通过第二偏转镜6进行分光。 在这里要注意，第一偏转镜6’也能够可选地用作这种类型的分光器，或者在期望多次分光时可以使用两个偏转镜6、6’。入射到聚焦镜5上的分光束7、8聚焦在工件11上的两个水平间隔的焦点9、10上，该工件在本实例中是带形板材，该带形板材可在进给方向(参见图 1中的箭头)上以速度V运动。在图1中显示的具有两个偏转镜6、6’和一个同样起到偏转作用的聚焦镜5的结构导致聚焦单元4的紧凑结构形式。在图2和图3中根据聚焦单元4的一部分详细描述两种分光原理，该部分通过第二偏转镜6和聚焦镜5再现光束导向和成型。在图2所示的实施例中，平面偏转镜6用于分光。为此，偏转镜6被分成两个邻近的、平面的镜区段6a、6b，具体而言分成固定的第一镜区段6a和可运动的第二镜区段6b，可运动的第二镜区段绕轴线13可旋转地支承。轴线13垂直于光束传播方向并且平行于工件 11上的焦点9、10的扫描方向延伸，扫描方向通过激光束2在多棱镜3的各个镜面上的偏转来确定。激光束2的入射到固定的镜区段6a上的部分作为分光束7偏转到弯曲的聚焦镜 5的下部区段上，而入射到可旋转地支承的镜区段6b上的分光束8偏转到聚焦镜5的上部区段上。根据可运动的镜区段6b的角度位置得到在聚焦镜5上偏转的分光束7、8的间隔距离，进而得到工件11上的焦点9、10的间距a。镜区段6a、6b的镜面相对于旋转轴线13围成一个角度α。在角度α = 180°时， 用作分光器的偏转镜6位于基本位置中，其中，镜区段6a、6b构造成平的表面，从而配属于镜区段6a、6b的分光束7、8相互相邻，因而焦点9、10重合在唯一的焦点上。在可运动的镜区段6b从这个角度位置摆动开时，第二分光束8随着角度α的增大而从位置固定的第一分光束7远离，从而增大焦点9、10之间的间距a。在图3所示的实施例中通过聚焦镜5进行分光。对此，聚焦镜5被分成三个镜区段 fe、5b、5c。第一镜区段fe是固定的，而第二和第三镜区段是可运动的，在当前情况下实施为可移动的。第二和第三镜区段的运动利用(未显示的)驱动装置平行于通过偏转镜6偏转到聚焦镜5上的光束2的光轴加进行。从(未显示的)基本位置开始，在基本位置中，镜区段5a、5b、5c形成一个具有连续变化的曲率的共有镜面，从而不形成分光束，第二和第三镜区段能够相互独立地在激光束方向加上移动，以便形成三个(未显示的)分光束。但在本实例中，第二和第三镜区段^、5c同步地运动，从而它们形成一个共有的分光束8，进而在工件11上形成一个共有的焦点10。在工件11上的两个焦点9、10的间距 a在这种情况下对应于第二和第三镜区段从基本位置的移动路程。可以理解的是，为了改变入射到各个焦点9、10上的激光功率的比例，第二镜区段恥能够可选地保留在其基本位置中，而仅仅第三镜区段5c可以移动。在这种情况下，第二镜区段恥用于产生第一分光束7，并因此提高入射到工件11上的第一焦点9上的激光功率。可以理解的是，为了调整激光功率在两个焦点9、10上的期望的分配，替代地或附加地，图3的共同的用作分光器的聚焦镜5或图2的偏转镜6能够利用(未显示的)直线移动装置横向于激光束2的光轴加移动，以便改变入射到各个镜区段如至5c、6a、6b上的激光束光强的比例。用来使镜区段fe至5c、6a、6b运动的运动装置能够借助于控制装置12 (参见图1) 进行控制，控制装置能够构造成可编程的单元(例如，计算机)。所述控制能够特别地根据工件11的移动速度进行，即焦点9、10之间的间距a能够根据移动速度V进行调整。可以理解的是，控制装置12也能够用于通过伺服电机3a调整多棱镜3的旋转速度。多棱镜3 的旋转速度影响前后相继的线组之间的间距，这些线组分别通过焦点9、10在工件11上沿扫描方向的扫描产生，该扫描方向横向于当在偏转到多棱镜3的各个镜面上偏转时的移动方向。工件11的移动速度V的调整也能够通过设置在装置1中的控制装置12进行。
权利要求
1.一种用于激光材料加工的装置(1)，包括可旋转地支承的用于偏转激光束O)的多棱镜(3)，以及在光路中设在下游的、具有聚焦器件(5)的聚焦单元G)，所述聚焦器件用于将由所述多棱镜C3)偏转到所述聚焦单元(4)上的激光束( 聚焦到待加工的工件(11)上，其特征在于，所述聚焦单元(4)具有至少一个分光器(5、6、6’)，所述分光器用于将偏转的激光束(2)分成至少两个分光束(7、8)以在所述工件(11)上产生至少两个焦点(9、10)，并且所述分光器(5、6、6’ )被构造用于产生所述工件(11)上的焦点(9、10)的可变间距(a)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分光器构造成聚焦器件(5)。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分光器构造成设在所述聚焦器件(5)上游的光学元件(6、6，)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述分光器(5、6、6’)构造成反射式的。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述分光器(5、6、6’)具有至少一个可运动的镜区段(5b、5c、6b)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述可运动的镜区段(5b、5c、6b)构造成可摆动的和/或可移动的。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述至少一个可运动的镜区段(5b、5c)能平行于入射的激光束(2)的光轴Qa)移动。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述分光器( 具有至少两个可运动的镜区段(5b、5c)，其中一个可运动的镜区段以选择方式在第一位置中使激光束(2)偏转到第一焦点(9)以及在第二位置中使激光束( 偏转到第二焦点(10)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述分光器(5、6)能垂直于所述激光束O)的光轴Oa)移动。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述分光器(5、6、6’)具有一个基本位置，在该基本位置中所述至少两个焦点(9、10)重合。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，这些焦点(9、10)之间的可变间距(a)能根据所述工件(11)的移动速度(V)调整。
全文摘要
本发明涉及一种激光材料加工装置(1)，包括可旋转地支承的用于偏转激光束(2)的多棱镜(3)，以及在光路中设在下游的、具有聚焦器件(5)的聚焦单元(4)，所述聚焦器件用于将由所述多棱镜(3)偏转到所述聚焦单元(4)上的激光束(2)聚焦到待加工的工件(11)上。根据本发明提出，所述聚焦单元(4)具有至少一个分光器(5、6、6’)，所述分光器用于将偏转的激光束(2)分成至少两个分光束(7、8)以在所述工件(11)上产生至少两个焦点(9、10)，并且所述分光器(5、6、6’)被构造用于产生所述工件(11)上的焦点(9、10)的可变间距(a)。
文档编号B23K26/067GK102554466SQ20111037813
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月11日 优先权日2010年11月11日
发明者J·米勒, M·胡翁克 申请人:通快激光与系统工程有限公司