扫描头和具有这种扫描头的加工机的制作方法

专利名称：扫描头和具有这种扫描头的加工机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于借助聚焦的激光射线加工工件的扫描头以及具有这种扫描头的加工机，该扫描头包括一个沿着第一方向可旋转地支承的、用于使激光射线从第一方向偏转到最好与第一方向垂直的第二方向上的第一结构单元和一个固定在第一结构单元上的、沿着第二方向可旋转地支承的第二结构单元，该第二结构单元具有一可绕第一轴线翻转的扫描镜。
对于本申请意义上的扫描头理解为一个组件，它可以绕第一和第二方向可旋转地支承在3D激光加工机或工业机器人(作为机器人)上，其中对扫描头供给通常准直的激光射线。
背景技术：
在EP 1 228 835中描述了这种扫描头。在那里激光射线借助可移动的透镜聚焦在一个焦点上，以便通过扫描镜绕第二方向旋转或其翻转产生一个两维的、拱曲的(球壳形的)工作区。通过透镜的运动可以改变焦点的空间位置，由此使工作区扩展成工作空间。
由DE 100 27 148 Al已知一种用于加工工件的装置，其中在光路中设置可活动调整的扫描镜。在那里，对于活动的扫描镜理解为具有活动的、 例如万向的悬挂装置的扫描镜。通过扫描镜绕两个相互垂直的轴的翻转实现扫描镜的可调整性。
上述扫描头和其它常见的扫描装置的缺点是，聚焦的激光射线的入射方向基本垂直于扫描器的工作区定向。由此扫描器主要适合于平面加工，因而对于立体加工大多需要附加的用于工件的轴运动。

发明内容
因此，本发明的目的是，进一步改进上述类型的扫描头，使得能够尽可能简单且快速地实现焦点位置以及工作空间的在很大程度上自由的空间取向。
按照本发明，该目的通过开头所述类型的扫描头实现，其中，在第一 结构单元中设置一个适配射线偏转单元、尤其是适配镜，其中该扫描镜或 另一扫描镜在第二结构单元中绕与第一轴垂直的第二轴可旋转或可翻转地 设置，并且其中在扫描头中设置一个光学装置，该光学装置具有扩张射线 的元件和聚焦的元件。
通过适配射线偏转单元使大角度(约90°)下的射线偏转与激光射线在 射线方向上的焦点位置变化相组合。由申请人的EP 1 424 584 Al公开了用 作适配射线偏转单元的适配镜，该文献通过引用成为本申请的内容。在那 里描述的适配镜是非球面的并且用于使射线偏转大的角度(约90°),因为 通过非球面形状减少了偏转时的成像误差。替换地，但不是优选地，也可 以使用在EP 1 424 584 Al中作为现有技术描述的由球面偏转镜与附加偏转 镜构成的组合作为适配射线偏转单元。
如上所述，通过适配射线偏转单元可以产生激光射线焦点位置在射线 方向上的变化。由此对于起先(没有焦点调整时)为球壳的一个区段的扫 描器工作区赋予重要的在射线方向上的空间延伸，即从工作区变成工作空 间。此外通过调节射线方向上的焦点位置可以达到，(接近)球面的扫描 镜工作区转变成平面的工作区，如在扫描领域中常见的那样(类似F/e镜头 或平面区镜头)。使用适配光具回避了用于在射线方向上调节焦点的移动 轴的必要性，这在EP 1 228 835所描述的装置中是必要的。此外在本发明 扫描头中，用于扫描头的取向的第二结构单元的旋转运动在功能上与扫描 镜的旋转运动分开，因为这些旋转运动在技术上是难以统一。
除了使用唯一的、绕第一轴可翻转且绕第二轴可旋转的扫描镜外，在 扫描头中也可以使用两个分开的、分别绕一唯一的轴可翻转的扫描镜。通 过设置与EP 1 228 835相比的又一旋转轴或翻转轴，能够分成一个用于工 作区的取向轴和一个快速的扫描轴。用于沿着两个轴翻转的扫描镜悬挂装 置例如可以如在申请人的DE 102 52 443 Al或DE 202 12 155 Ul中所描述 的那样构成。
为了在常见的激光射线输入数据下有理想的光学特性，它们使得能够 遥控焊接，设置一个光学装置，它除了通过聚焦单元、尤其是通过椭圆球 面镜或聚焦透镜聚焦激光射线以外，也进行激光射线的扩张。该任务通过
扩张射线的元件实现，它优选构造为抛物面镜或散射透镜。根据用途不同， 可以有利地使光学装置完全由反射的或者完全由透射的元件构成。在第一 种情况下光学装置优选包括一个抛物面镜和一个椭圆球面镜，在后一种情 况下优选包括一个散射透镜和一个聚焦透镜。组合地使用反射元件和透射 元件的光学装置也可以是有利的，尤其用于补偿由热效应引起的焦点位置 移动。扩张射线和聚焦的功能可以分别独自通过一个唯一的光学元件构成， 也可以通过在各自的功能方面优化的多光学元件组合来构成。所有这些实
施方式可以与加工机组合地使用，该加工机优选用YAG激光器或C02激光 器运行。
通过聚焦光学元件实现激光射线在焦点上的聚焦。焦点通过扫描镜偏 转到工作区，如上所述，要围绕该工作区用适配射线偏转单元产生一个工 作空间。
在扫描头沿着一个坐标机器人的坐标基轴(X， Y， Z)运动时，扫描
器的(有限)工作空间扩展到基本机器的工作空间上并且还可自由地空间
取向。尤其是当扫描头与坐标机器人组合/运动时，例如可以在五面加工一 个汽车车身。
在一个实施方式中，光学装置设置在第二结构单元中。在此扫描镜和 光学装置可以设置在第二结构单元的两个分开的组件中，其中扫描镜例如 设置在一个独立的扫描单元中，它法兰式连接在包括光学装置的组件上。
替换地，扫描镜和光学装置可以组合到一个公共的、由第二结构单元 构成的组件中。由此实现一个特别紧凑的结构形式。
在另一实施方式中，扫描镜与第二方向偏心地设置在第二结构单元中。 在此激光射线例如可以借助光学装置的反射光学元件从第二方向偏转到扫 描镜上，这使得描述镜能够在第二结构单元中偏心布置。因此在第二结构 单元绕第二方向旋转时，扫描镜走过一个圆弧，由此易于使扫描器工作区 任意地空间取向。
在另一实施方式中，激光射线从第一方向到第二方向的偏转不仅通过 适配射线偏转单元进行，而且通过扩张射线的元件或聚焦元件进行。在这 种情况下聚焦或扩张射线的元件设计成反射的并且设置在第一结构单元 中。优选光学装置的另一元件也布置在第一结构单元中，该另一元件有利 地设计成透射的。通过这种布置实现紧凑的扫描器结构形式，其中尤其可
以縮短第二结构单元的长度。由此减小摆动半径，这提高了定位精度。此 外在这种情况下扫描镜可以尺寸更小。
在优选的实施方式中这样设计扫描头，使得激光射线在扫描镜上的入射角不在绕第一轴线翻转状态下不同于45°,以便满足在确定的焊接过程中 关于极化方面的要求。但这导致在扫描镜控制(变压)方面的增加的费用。 本发明还在用于三维加工工件的、具有如上所述的扫描头的加工机中 实现，该加工机具有一个用于使扫描头沿着坐标基轴移动的单元和一些用 于使扫描头沿着第一和第二方向可旋转地支承的倾角传动装置。尤其是在 使用申请人的TLC型3D加工机时，该加工机具有三个坐标基轴(X， Y， Z)和两个旋转轴(B， C)，可以将B/C轴运动学原理用来支承扫描头。


借助于附图详细描述本发明的优选实施方式。附图中示出
图1 扫描头的第一实施方式的纵剖面示意图，具有法兰式连接在反射光学装置上的扫描单元，
图2 紧凑结构形式的扫描头第二实施方式的类似视图，
图3扫描头第三实施方式的光学部件的示意图，具有在扫描镜上非直角的射线偏转，
图4扫描头第四实施方式的纵剖面示意图，具有透射的光学装置，
图5 扫描头第五实施方式的类似视图，具有透射的光学装置，其中 在散射透镜与聚焦透镜之间的光路中设置适配镜，
图6 扫描头第六实施方式的类似视图，在适配镜后面的光路中具有 抛物面镜和聚焦透镜，
图7 扫描头第七实施方式的类似视图，在抛物面镜与聚焦透镜之间 的光路中具有适配镜，
图8 扫描头第八实施方式的类似视图，在散射透镜与椭球面镜之间 的光路中具有适配镜，
图9 扫描头第九实施方式的另一类似视图，在适配镜前面的光路中 具有散射透镜和椭球面镜。
具体实施例方式
图1示出一个扫描头1.1 ，它由第一结构单元2和第二结构单元3组成，第一结构单元沿着垂直的第一方向C可旋转地支承，第二结构单元固定在第一结构单元2上并且绕水平的第二方向B同样可旋转地支承。第二结构单元3具有一个扫描单元4，该扫描单元具有一个扫描镜5，该扫描镜通过法兰连接在光学装置6的壳体上。扫描头1.1安置在一个在图1中只局部示 出的加工机上，在那里示出其三个坐标基轴X， Y， Z。
基本准直的激光射线7a在第一结构单元2上入射到扫描头1.1中并且在那里碰到适配偏转镜8，该偏转镜使激光射线7a从垂直方向C偏转到水平方向B。同时，偏转镜8起到改变激光射线在射线方向上的焦点位置的 作用，即，根据适配镜8的调整不同，从准直的激光射线7a中形成一个准 直的、收敛的或发散的激光射线7b。为此偏转镜8例如通过未示出的压电 元件或通过以冷却水在镜背面压力加载而变形，如在开头提到的EP 1 424 584 Al中详细描述的那样。通过适配镜8典型地可以实现最小约i4000mm 的焦距。
水平定向的激光射线7b然后进入第二结构单元3并且在那里首先碰到扩张的抛物面镜9,它与在光路中跟在面的椭球面镜10—起形成光学装置6。在此这样选择椭球面镜10的焦距(有效焦距约800mm)，使得椭球面镜具有聚焦作用并且产生收敛的激光射线7c。接着，聚焦的激光射线7c 碰到扫描镜5，该激光射线在从扫描头1.1射出之前在该扫描镜上再次偏转，在焦点11上出现在图中未示出的工件上。扫描镜5可以绕第一轴Ase翻转 以及绕与第一轴垂直的第二轴Bse旋转。替换地，也可以在扫描头l.l中设 置两个扫描镜，它们可分别绕相互垂直的轴翻转。
通过扫描镜5绕两个轴ASe，Bse翻转或旋转，在焦点ll中产生几乎球面形的工作区12。通过借助适配偏转镜8适合地改变焦点位置可以使起先球面形的工作区12得到在射线方向上的重要的空间延伸，该球面形的工作 区是一个球壳的一部分，该射线方向沿着Z轴具有Az-约il50mm至约士200mm的高度。通过焦点的Z轴调节可以从扫描镜5的接近球面形的工 作区形成一个从约350mm到350mm (X/Y)的平面的工作区23，如对于扫 描器常见的那样(参考平面区镜头)。
为了简化工作区13的空间取向，扫描镜5绕方向B偏心地设置，使得扫描镜能够以约600至700mm的小的摆动半径绕B方向旋转。该附加的灵活性由此实现激光射线7b借助光学装置6平行于B向移动，使得扫描镜 5和第二结构单元3可绕空间上分开的轴B或B&旋转。
抛物面镜9上的入射角a和椭球面镜10上的入射角卩有意识地未详细 说明，因为它们取决于几何要求。仅激光射线7b在扫描镜5上的入射角y 调整到约45。，这使它本身的控制简单。
图2示出扫描头1.2的结构形式，它与图1的扫描头1.1的差别是，抛 物面镜9和椭球面镜10与扫描镜5 —起设置在一个公共的组件中,该组件 通过第二结构单元3构成。由此得到与图1相比更紧凑的结构。
在图3中为了简化视图仅示出扫描头1.3的另一结构形式的光学部件， 其中，在适配偏转镜8上聚焦的激光射线7b在抛物面镜9、椭球面镜10或 扫描镜5上的入射角a， P， y选择得不同于45。。尤其是该结构形式与图l 和图2所示的结构形式的差别是，在扫描镜5上不发生90。的偏转。这可以 在确定的焊接过程中对于激光射线7b的极化产生有利影响。尤其是可以这 样选择三个入射角α， β， γ，使得产生激光射线7b在焦点ll上的所期望的 极化情况。
在图1至3中所示的扫描头1.1至1.3的结构形式显示光学装置6作为 反射光具。根据使用情况不同，可以更有利的是，通过透射光具来替换该 反射光具，如在图4中所示的扫描头1.4是这种情况。在那里所示的由散射 透镜9'和在光路中跟在后面的聚焦透镜10'组成的光学装置6设置在第二结 构单元3中。在该结构形式中，扫描镜5可绕其旋转的第二轴Bw与第二方 向B重合，第二结构单元3"可绕该第二方向旋转地支承，在其它方面，图 4的扫描头1.4的结构与图1所示的扫描头1.1相应。
图5与图4 一样示出一个具有透射的光学装置6的扫描头1.5。与图4 不同，散射透镜9'在此在光路中在适配镜8前面设置在第一结构单元2中， 而在光路中跟在后面的聚焦透镜10'设置在第二结构单元3中。由此，适配 镜8设置在发散的光路中，由此必要时可以实现扫描头1.5的更紧凑的结构。
在图1至图5所示的扫描头1.1至1.5的结构形式中，激光射线7a从 第一方向C到第二方向B的90。偏转仅通过适配镜8引起。在如图6至图9 所示的可替换的结构形式中，也可以通过用适配镜8偏转和光学装置6的 一反射光学元件的组合来实现射线偏转。
图6示出扫描镜1.6的一种结构形式，其中为了从第一方向C偏转到第二方向B，使用适配镜8和抛物面镜9。沿着第二方向B延伸的激光射线 7b被聚焦透镜10'聚焦并且作为收敛的射线落到扫描镜5上。抛物面镜9和 聚焦透镜10'设置在第一结构单元2中。由此第二结构单元3可以在水平方 向上比图1至图5的结构形式设计得短，由此减小扫描头1.6的摆动半径并 且扫描镜5的尺寸可以更小。此外通过第一反射元件(抛物面镜9)与透射 元件(聚焦透镜10)的组合可以至少部分地补偿由于热效应引起的焦点位 置偏移0
图7中所示的扫描头1.7结构形式与图6的结构形式的差别仅在于，适 配镜8和抛物面镜9的布置互换。由此适配镜8在光路中设置在抛物面镜9 与聚焦透镜10'之间。
在图8所示的扫描头1.8的结构形式中，在第一结构单元2中在光路中 沿着第一方向首先设置散射透镜9'，它使激光射线7a扩张。扩张的激光射 线7a在适配镜8上和在椭球面镜10上偏转并聚焦，使得它作为收敛的、 沿着第二方向B延伸的激光射线7c进入第二结构单元3。
另一结构形式的扫描头1.9与图8所示扫描头的不同仅在于，适配镜8 和椭球面镜10在第一结构单元2中的位置互换，使得适配镜8在光路中位 于散射透镜9'和椭球面镜10后面，使得收敛的、扩张的激光射线入射到该 适配镜上。
适配镜8和椭球面镜10或抛物面镜9相对于彼此以及相对于激光射线 7a的位置在图6至图9中分别这样选择，使得通过两个元件的组合实现一 个90°偏转。所有在图1至图9中所示的结构形式能够有利地用适合的加工 激光器、尤其是C02激光器或YGA激光器运行。
在扫描头1.1至1.9的所示结构形式中，通过适配镜8达到焦点位置在 射线方向上的变化。该变化围绕焦点11发生，该焦点位于扫描头U至1.9 的名义焦距中，该名义焦距由光学装置6的聚焦透镜元件10'或反射镜元件 10确定。借助光学装置6确定名义焦距导致足以通过对适配镜8加载压力 来仅达到小的折光力(相应于大的(正的或负的)焦距)。此外，通过适 配镜8可以实现焦点位置在Z方向上的比例如通过透镜或反射镜移动所能 实现的更快的变化，因为透镜和反射镜对于快速移动来说由于其质量而一 般是缓慢的。
在图1至图9所示的扫描头1.1至1.9结构形式中可以分别特别有利地
作为功能单元安置在用于三维加工工件的加工机上、尤其是TLC机或工业 机器人上，如果该功能单元具有用于使扫描头1.1至1.9沿着坐标基轴移动 的单元和用于使扫描头1.1至1.9沿着第一和第二方向B， C可旋转地支承 的倾角传动装置以及用于产生激光射线的射线源。通过这种加工机可以在 使用这种结构形式的扫描头1.1至1.9的情况下在五面例如加工汽车车身。
权利要求
1.扫描头(1.1至1.9)，用于借助聚焦的激光射线(7c)加工工件，包括一个沿第一方向(C)可旋转地支承的、用于使激光射线(7a)从第一方向(C)偏转到最好与第一方向垂直的第二方向(B)上的第一结构单元(2)，和一固定在第一结构单元(2)上、沿着第二方向(B)可旋转地支承的第二结构单元(3)，它具有一绕第一轴(ASc)可翻转的扫描镜(5)，其特征在于，在第一结构单元(2)中设置一适配射线偏转单元、尤其是一适配镜(8)，该或另一扫描镜(5)在第二结构单元(3)中绕与第一轴垂直的第二轴(BSc)可旋转或可翻转地设置，并且，在该扫描头(1.1至1.9)中安置一光学装置(6)，该光学装置具有一扩张射线的元件(9，9′)和一聚焦的元件(10，10′)。
2. 如权利要求1所述的扫描头，其特征在于，所述光学装置(6)包 括一抛物面镜(9)或一散射透镜(9')作为扩张射线的元件。
3. 如权利要求1或2所述的扫描头，其特征在于，所述光学装置(6) 包括一椭圆球面镜(10)或一个聚焦透镜(IO')作为聚焦的元件。
4. 如权利要求1至3之一所述的扫描头，其特征在于，所述光学装置 (6)安置在第二结构单元(3)中。
5. 如权利要求4所述的扫描头，其特征在于，所述扫描镜(5)和所述光学装置(6)安置在两个分开的组件中。
6. 如权利要求4所述的扫描头，其特征在于，所述扫描镜(5)和所述光学装置(6)组合在一个公共的组件中，该组件由第二结构单元(3')构成。
7. 如上述权利要求之一所述的扫描头，其特征在于，所述扫描镜(5) 与第二方向(B)偏心地安置在第二结构单元(3)中。
8. 如权利要求1至3之一所述的扫描头，其特征在于，激光射线(7a) 从第一方向(C)到第二方向(B)的偏转不仅通过适配射线偏转单元而且 通过扩张射线的元件(9)或聚焦的元件(10)进行。
9. 如权利要求8所述的扫描头，其特征在于，所述光学装置(6)安 置在第一结构单元(2)中。
10. 如上述权利要求之一所述的扫描头，其特征在于，所述扩张射线 的元件(9')是一透射元件，所述聚焦的元件(10)是一反射元件，或者相 反。
11. 如上述权利要求之一所述的扫描头，其特征在于，该扫描头是这样设计的激光射线在扫描镜(5)上的入射角a)在不绕第一轴(ASc)翻转的状态下不同于45。。
12. 用于三维加工工件的加工机，具有一如上述权利要求之一所述的 扫描头(1.1至1.9)，其特征在于一用于使扫描头(1.1至1.9)沿坐标基 轴(X， Y， Z)移动的单元和用于使扫描头(1.1至1.9)沿第一和第二方 向(B， C)可旋转地支承的倾角传动装置。
全文摘要
本发明涉及一种用于借助聚焦的激光射线(7c)加工工件的扫描头(1.1)，包括一个沿第一方向(C)可旋转地支承的、用于使激光射线(7a)从第一方向(C)偏转到最好与第一方向垂直的第二方向(B)上的第一结构单元(2)和一固定在第一结构单元(2)上、沿着第二方向(B)可旋转地支承的第二结构单元(3)，它具有一绕第一轴(A_Sc)可翻转的扫描镜(5)。在第一结构单元(2)中设置一适配射线偏转单元、尤其是一适配镜(8)，该或另一扫描镜(5)在第二结构单元(3，3′)中绕与第一轴垂直的第二轴(B_Sc)可旋转或可翻转地设置，并且，在该扫描头(1)中安置一光学装置(6)，该光学装置具有一扩张射线的元件(9)和一聚焦的元件(10)。
文档编号B23K26/06GK101346208SQ200580052394
公开日2009年1月14日 申请日期2005年12月23日 优先权日2005年12月23日
发明者C·伯特歇尔 申请人:通快机床两合公司