具有焦点调节单元的激光工具的制作方法

在机动车技术中，为对材料表面进行处理和结构化时使用激光工具。尤其地，当在气缸运动面上设置小型结构时使用激光工具。在根据现有技术已知的激光工具中，在激光源中产生的激光射束通过一系列光学元件被引导至材料表面，并且在那里聚焦，其中，通过可转动的设备旋转激光射束。

在此，激光射束的焦点的正确的位置对于最佳的处理结果是决定性的，其中尤其焦点调节的重复精确度是特别重要的。正确的焦点位置迄今为止通常被手动调节，并且在工艺持续期间是不能调整的。在此通过位于光学元件上的螺钉进行手动调整，通过螺钉能够将处于光路中不同的位置上的光学元件夹紧。

借助螺钉对光学元件的手动夹紧具有如下危险：光学元件在光路中倾斜地被旋拧，由此由于射束走向尤其改变焦点位置。此外在该方式中，当激光工具应该调节为相同的气缸直径时，不确保高的重复精确度。该方式尤其不允许激光工具在工艺持续期间调节为其他的气缸直径或者对焦点位置的改变作出反应。

由de102008015403a1已知了一种激光射束工具，用于对工件钻孔的内表面、尤其是气缸运动面进行精密处理，其中，激光射束工具安置在可旋转的和尤其是可升降的空心的机器主轴上，并且其中，用于使激光射束在工件表面上偏转的光学装置能够相对于机器主轴调节，从而激光射束可以与机器主轴的运动无关地运动。在此尤其规定，借助调节装置可以叠加光学装置的与机器主轴的旋转运动相反的旋转运动，以便将激光射束偏转至工件表面。由此应该延长激光射束与待处理的材料表面之间的相互作用时间，从而能够实现自由的结构的设置。

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种激光工具，该激光工具提供工艺可靠地和以高重复精确度调节激光射束的焦点位置的可能性。该技术问题通过具有在权利要求1中说明的特征的设备解决，并且通过具有在权利要求12中说明的特征的方法解决。

本发明设置一种激光工具、尤其是用于气缸运动面的结构化的激光工具，激光工具具有用于产生激光射束的激光源和准直器，准直器产生来自激光源的激光射束的平行的走向。此外，激光工具具有透镜，透镜布置在可旋转的丝杠内。来自准直器的平行延伸的激光射束被引导通过透镜，并且随后通过光学设备转向至材料表面，光学设备固定在丝杠的背对激光源的端部上。在此，准直器可以借助驱动器平行于激光射束地运动。

通过准直器借助驱动器沿激光射束的方向的运动，可以以有利的方式调整激光射束的焦点的位置，而不需要操作员的手动的影响。此外，在光路中稳定地引导准直器。

在从属权利要求中表示本发明的适宜的设计方案。

根据适宜的扩展方案，驱动器是电驱动器、气动驱动器或液压驱动器。特别优选地，驱动器是伺服电机。

根据有利的实施方案，驱动器具有长度测量系统作为用于采集准直器的位置的外部位置传感器(positionsgeber)。例如可以通过滚珠丝杠传动实现准直器平行于激光射束的方向的运动。长度测量系统与驱动器连接或者整合到驱动器中。

根据另一有利的实施方案，驱动器具有用于控制准直器的运动的控制设备。因此，根据至少一个可预设的参数可以控制准直器的运动。控制设备此外处理长度测量系统的信号。

由于通过可预设的参数控制准直器的运动，所以以有利的方式提高工艺可靠性和重复精确度。此外，可以特别精密地针对不同的气缸直径调节焦点位置。尤其可能的是，用于不同的气缸直径的参数存储在设置于控制器内的存储器中，从而可以直接在运行期间在没有手动改装的情况下调取参数。

根据另一实施方式，至少一个参数可以是准直器朝光学设备的方向的进给或者准直器朝激光源的方向的进给。在此，准直器朝光学设备的方向的进给意味着焦点朝材料表面的方向的前移，并且准直器朝激光源的方向的进给类似地意味着焦点从工件表面远离。

根据另一有利的设计方案规定的是，激光工具具有至少一个下方的止挡部，所述下方的止挡部限界准直器朝光学设备的方向的运动。此外，根据另一实施方案设置的是，激光工具具有至少一个上方的止挡部，所述上方的止挡部限界准直器朝激光源的方向的运动。

根据另一设计方案设置的是，透镜固定地布置在透镜管中。通过透镜在透镜管中的固定布置，透镜在加工过程期间相对于丝杠的旋转保持固定，因为透镜不与丝杠连接。由于透镜不与丝杠一起旋转，而是刚性地布置在透镜管中，所以加强了光路中的稳定性和进而激光射束的焦点位置。

根据另一有利的设计方案，透镜固定在透镜管上，其中，透镜管固定在准直器上。因此，透镜、透镜管和准直器形成一个单元，该单元可以借助驱动器平行于激光射束地运动，并且因此用于调节激光射束的焦点位置。由于在该布置中，准直器和透镜彼此固定地布置，所以优化了激光射束引导，并且能够实现激光焦点的更精确的定位。

此外根据有利的实施方式设置的是，借助空心轴电机使丝杠旋转，其中，丝杠固定在空心轴电机的转子上。

根据另一有利的设计方案，光学设备是偏转棱镜或镜子。该偏转棱镜固定在丝杠的背对激光源的端部上，并且因此与丝杠一起旋转，以便通过旋转经过(abfahren)材料表面。偏转棱镜或镜子借助多个螺钉旋拧在与丝杠连接的保持器中。然而也考虑其他构造用于转向激光射束的光学元件、例如镜子或棱镜。

此外，根据适宜的设计方案规定的是，激光工具具有调校单元，调校单元在工艺过程中根据传感器的信号调校准直器的运动。这种传感器例如可以测量激光光斑的强度，并且将测得的信号与额定值或阈值比较。在超过或小于这种额定值或阈值时，驱动器自动再调校准直器的位置，并且因此再调校激光射束焦点的位置。这实现的是，该表面根据预选的参数具有更好的表面结构。此外提高了系统的经济性，因为可以根据环境影响调整激光源的强度，并且持续校准系统。

此外，本发明还涉及一种用于在根据本发明的激光工具中调节激光射束的焦点位置的方法。激光工具具有用于产生激光射束的激光源和用于产生激光射束的平行的射束走向的准直器。激光射束引导通过透镜，其中，透镜布置在可旋转的丝杠内。随后，激光射束引导通过光学设备，光学设备位于丝杠的背对激光源的端部上，并且将激光射束转向至材料表面。准直器可以借助驱动器平行于激光射束地运动，并且借助控制准直器的运动的控制器预设至少一个参数，其中，根据所述至少一个参数，准直器沿朝向光学设备的方向或者背离光学设备的方向运动。

根据该方法的有利的设计方案，至少一个参数是准直器朝光学设备的方向的进给或准直器朝激光源的方向的进给。

根据另一适宜的设计方案规定的是，激光工具此外具有倾摆装置，准直器能够借助倾摆装置倾斜。尤其准直器可以从至少一个与x-y平面形成角度α的平面倾斜到x-y平面。倾摆装置也用于补偿准直器的制造公差和在更换准直器后准直器相对透镜的不期望的角度移动。

在准直器的首次安装后或也在更换后可能出现的问题在于，准直器位于相对透镜的倾斜位置中。由此，激光射束非最佳地被聚焦。有利地，可以在准直器的安装或更换后借助倾斜取向来补偿这种倾斜位置。

倾摆装置具有半球形的元件，该元件利用其平坦侧固定在准直器上。半球形的元件此外具有环绕的环形的凸出部，倾斜螺钉引导通过凸出部。半球形的元件在背对准直器的侧面上置入环形的贴靠部件的中间开口中，其中，布置在半球形的元件或环形的凸出部上的倾斜螺钉旋拧在环形的贴靠元件上，并且因此将半球形的元件固定在环形的贴靠部件上。半球形的元件此外具有中间的通孔，激光射束引导通过该通孔。激光射束在穿过通孔后经过环形的贴靠部件的中间开口。

通过将半球形的元件支承在环形的贴靠部件中，可以通过拧紧和松开螺钉实现准直器相对于激光射束和透镜的位置改变。尤其准直器可以从倾斜位置以角度α倾摆到xy平面中。

优选地，为使准直器倾斜而设置三个倾斜螺钉、优选细螺纹螺钉，倾斜螺钉沿倾摆装置的环形的凸出部的周向面均匀地布置。通过拧紧其中一个倾斜螺钉，准直器朝相应的倾斜螺钉的方向倾斜，因为半球形的构件球窝关节式地在环形的贴靠元件中运动。如果准直器例如在更换时倾斜地安装到光路中，也就是说以角度α相对于xy平面倾斜，那么可以通过拧紧倾斜螺钉一直改变准直器的位置，直到准直器又位于xy平面内。

有利地可以设置具有规定厚度的间隔垫片，所述间隔垫片围绕螺钉螺纹地置入在环绕的环形的凸出部与环形的贴靠部件之间，以便可以实现规定的和可再现的拧入深度。有利地，借助倾摆装置可能的是，在任何时间点都能再调节准直器的位置，以便可以在任何时间都确保激光射束最佳地到达透镜。

根据另一适宜的设计方案规定的是，激光工具具有用于在垂直于激光射束的平面内移动准直器的定心装置。借助定心装置可以沿x和y方向调节准直器，其中，x方向和y方向撑开垂直于沿z方向延伸的激光射束的平面。定心装置用于补偿准直器的制造公差和在更换准直器后准直器相对透镜的不期望的平行的位移。在准直器的首次安装后或也在更换后可能出现问题在于，准直器不再位于相对透镜的焦点轴的中心。由此，激光射束非最佳地被聚焦。可以有利地在安装或更换准直器后借助定心装置补偿xy平面内的这种位移。

为此，定心装置具有至少两个定心螺钉，其中，第一定心螺钉沿x方向布置，第二螺钉沿y方向布置。通过拧紧定心螺钉，准直器沿x或y方向运动。尤其地，通过拧紧定心螺钉实现与准直器连接的定心装置的运动。此外可以设置第三定心螺钉，借助第三定心螺钉可以使准直器沿相对第一和第二定心螺钉偏转45°布置的方向移动。

优选地，定心装置包括两个板式构件，其中，第一板式构件固定在套筒上，并且第二板式构件固定在准直器上。为了使准直器定心，两个板式构件可以相互移动。为此，定心螺钉延伸穿过第一板式构件中的钻孔，并且在拧紧或松开定心螺钉时实现第二板式构件和因此准直器沿相应的螺钉的纵向方向的移动。定心螺钉的纵向方向在此对应于x或y方向或者相对于其45°的方向。

为了可以使准直器移动期望的预先确定的距离，可以设置间隔垫片，其置入相应的螺钉与第一或第二板式构件之间。可以拧紧螺钉直到第一或第二板式构件止挡到间隔垫片上。

为了能够仅在调节激光工具期间实现第一板式构件和第二板式构件的移动，而否则尤其是在激光工具的运行期间建立两个板式构件的固定连接，第一和第二板式构件可以借助至少一个锁定螺钉抗移动地相互连接。在此优选地，至少一个锁定螺钉延伸通过第一板式构件中的通孔，并且为了锁定而旋拧到第二板式构件中。

因此借助定心装置可能的是，调节与定心单元连接的准直器，使得引导通过准直器的激光射束最佳地到达透镜。由此精密地在光路中引导激光射束，这有利地提高了工件加工的品质。

有利地规定的是，倾摆装置布置在准直器的面对光学设备的侧面与定心装置之间。

根据另一适宜的设计方案规定的是，激光工具具有第一喷嘴系统，其中，第一喷嘴系统具有至少一个空气喷嘴、尤其是至少两个空气喷嘴。借助至少一个空气喷嘴，从激光工具发出的激光射束被空气流包围，从而借助激光射束从工件表面去除的工件颗粒减速，并且/或者至少一个空气喷嘴的空气射束对准材料表面，以便清洁材料表面。

通过在激光射束到达前清洁材料表面可以有利地加工结果。

第一喷嘴系统包括第一空气喷嘴和第二空气喷嘴，所述空气喷嘴本身在激光射束在激光工具上的出口的相互对置的侧面上。由此有利地实现对工件表面的预清洁和/或后清洁。空气射束分别从第一空气喷嘴和第二空气喷嘴发出，空气射束相应锥形地构造并且对准材料表面。因此，两个空气射束至少局部形成围绕在激光射束周围的空气幕帘(luftvorhang)，空气幕帘阻止剧烈加速的工件颗粒排放到激光工具的周围环境中。以如下方式实现这一点，使工件颗粒到达空气射束、被空气射束卷携并且通过方向改变减速。

除了第一空气喷嘴和第二空气喷嘴以外，有利地也可以设置另外围绕激光射束的出口地布置的空气喷嘴，以便因此使得空气幕帘增大和/或紧密。

根据另一适宜的设计方案规定的是，激光工具具有第二喷嘴系统，其中，第二喷嘴系统具有至少一个第三空气喷嘴，第三空气喷嘴的空气射束在激光工具的激光射束出口前延伸经过激光射束，从而阻止颗粒通过激光射束出口侵入激光工具的内部。有利地布置第三空气喷嘴，使得从第三空气喷嘴发出的空气射束与激光射束相交。为了特别有效地阻止颗粒侵入激光工具的内部，第三空气喷嘴有利地靠近激光射束出口地布置并且与激光射束形成一个很大的角度。由此，靠近激光射束出口地形成空气幕帘。如果现在颗粒、尤其是去除的工件颗粒朝激光射束出口的方向运动，那么颗粒通过空气射束基本上横向于激光射束方向地偏转。由此可以有利地阻止对激光工具、尤其是光学装置的内部的污染。

根据另一适宜的设计方案规定的是，激光工具具有起振装置，借助起振装置，透镜能够受到平行于激光射束的振动，其中，可以根据丝杠的旋转速度控制振动频率。通过透镜平行于激光射束的、即沿z方向的振动，随着透镜的运动，激光射束的焦点的位置也在工件表面上或其附近移动。在激光工具的旋转期间，可以以该方式在工件表面上产生精细的结构。尤其地，在工件表面中可以实现周期性出现的凹陷部，其中，每个凹陷部对应于透镜的振动最大值。通过激光工具的旋转速度确定两个凹陷部的距离。此外，通过借助频率进行的旋转控制的焦点调节能够实现的是，借助旋转速度和所产生的振动的频率高品质地确定产生的结构的距离。

通过在工件表面中添加精细的结构可以有利地改进工件表面的特性、尤其是工件表面与其他的材料的粘附。当气缸体曲轴箱设有涂层时，这例如在处理气缸体曲轴箱的内表面时是特别有利的。

根据有利的设计方案规定的是，起振装置包括磁体和线圈，其中，透镜借助磁体和线圈发生振动。线圈与透镜连接并且布置在磁体的磁场中。与扩音器中的薄膜的振动激励类似地，通过流经线圈的电流基于洛伦兹力能够实现线圈和布置在线圈上的透镜沿z方向的运动。以该方式可以实现透镜和因此焦点沿z方向的周期性的运动，以便如上所述地沿激光工具的旋转线在工件表面中加工出结构。

备选地规定，起振装置具有高频电机和偏心件，其中，电机驱动偏心件。偏心件与透镜连接，从而透镜发生沿z方向的振动。

此外，根据该方法的有利的设计方案规定的是，透镜固定地布置在透镜管中，透镜管固定在准直器上，从而透镜跟随准直器的运动。

随后根据附图详细阐述本发明的实施例。其中：

图1示出激光工具的横截面图；

图2示出布置在准直器与套筒之间的倾摆装置和定心装置的分解图；

图3示出第一喷嘴系统和第二喷嘴系统的侧视图；

图4示出垂直于起振装置的激光射束的横截面图；

图5从斜上方示出准直器和布置在该准直器上的倾摆装置和定心装置的视图；

图6示出准直器和布置在准直器上的倾摆装置和定心装置的侧视图；和

图7示出准直器和布置在准直器上的倾摆装置和定心装置的俯视图。

图1以横截面图示出了一种激光工具(100)。激光源(10)的光纤通过准直器(11)与激光工具(100)连接。准直器(11)固定在固定的套筒(26)上，套筒通过调节角度(25)与驱动器(15)连接。驱动器(15)沿引导轴(23)借助滚珠丝杠(21)移动。在套筒(26)上同样固定有透镜管(18)，在透镜管的背对套筒(26)的端部上固定有透镜(12)。从激光源(10)发出的激光射束(10a)的射束走向在此延伸通过准直器(11)、套筒(26)、透镜管(18)和透镜(12)延伸至光学设备(14)。

由激光源(10)、准直器(11)、套筒(26)、透镜管(18)和透镜(12)构成的单元通过调节角度(25)与驱动器(15)连接，并且因此可以作为整体平行于激光射束地运动。聚焦单元的运动通过上方的止挡部(17)和下方的止挡部(16)限界。

激光工具(100)此外具有在附图中未详细示出的用于控制准直器(11)的运动的控制设备。为了控制准直器(11)的运动可以预设一个或多个参数，因此例如可以预设准直器(11)朝光学设备(14)的方向的进给，或者准直器(11)朝激光源(10)的方向的进给。此外，激光工具(100)具有未详细示出的调校单元，调节单元在工艺过程中根据例如来自于传感器的信号调校准直器(11)的运动并且因此调校焦点位置，并且在焦点位置方面校准系统。

为了使激光射束旋转，激光工具(100)具有丝杠(13)，丝杠固定在空心轴电机(19)的空心轴(20)上并且通过空心轴电机(19)驱动丝杠。在此，透镜管(18)和透镜(12)布置在空心轴(20)内。通过轴承(24)支承空心轴电机(19)的所有部件。

在丝杠(13)的背对空心轴电机(19)的端部上固定有光学设备(14)。光学设备(14)与丝杠(13)一起旋转。光学设备(14)包括偏转棱镜(28)或镜子，偏转棱镜将激光射束(10a)转向至工件表面(30)。此外，在丝杠的区域中布置有具有扫描头的传感器(22)，扫描头检查丝杠和因此激光射束(10a)的位置。

图2以分解图示出布置在准直器(11)与套筒(26)之间的倾摆装置(11b)和定心装置(11a)。沿激光射束(10a)的传播方向，倾摆装置(11b)布置在准直器(11)的后方和定心装置(11a)的前方。定心装置(11a)布置在倾摆装置(11b)的后方，并且例如借助螺钉固定在透镜(12)上。借助倾摆装置(11b)，准直器(11)可以从相对激光射束(11a)的倾斜位置以角度α倾摆到垂直于激光射束(10a)的平面(e)。通过拧紧和松开倾斜螺钉(35a、35b、35c)实现激光射束(10a)的倾转。

倾摆装置(11b)具有半球形的元件(36)，该元件利用其平坦侧固定在准直器(11)上。在半球形的元件(36)上布置有环绕的环形的具有通孔的凸出部(37)，其中，倾斜螺钉(35a、35b、35c)引导通过所述通孔。倾斜螺钉(35a、35b、35c)旋拧到环形的贴靠部件(38)中，其中，半球形的元件(36)支承在环形的贴靠部件(38)的中间开口中，从而半球形的元件(36)可以球窝关节式地运动。倾摆装置(11b)优选固定拧紧在定心装置(11a)上。

图3示出靠近激光工具的激光射束出口(33)布置的第一喷嘴系统(31)和第二喷嘴系统(32)。第一喷嘴系统(31)包括至少一个布置在激光射束逸出开口(33)上方的空气喷嘴(31a)。从空气喷嘴(31a)发出的空气射束(31a’)锥形地构造并且朝工件表面(30)指向，其中，空气射束(31a’)大体平行于激光射束(10a)地延伸并且不与激光射束相交。

为了阻止颗粒通过激光射束逸出开口(33)侵入激光工具的内部，设置第三喷嘴系统，第三喷嘴系统包括第三喷嘴(32a)，第三喷嘴的空气射束(32a’)布置在激光射束入口(33)的前方，从而在激光出口(33)前方形成空气幕帘。为此，在靠近激光射束出口(33)的区域中，第三空气射束(32a’)与激光射束(10a)相交。该系统也适用于在加工过程后隔离激光器的开口，以便使飞溅的颗粒转向或者防止其侵入系统中。

图4以穿过激光射束(10a)且垂直于x-y平面(e)的横截面图示出使透镜(12)发生振动的起振设备(34)。借助被电流流过的在磁体(35)的磁场中运动的线圈(39)，布置在线圈(39)上的透镜(12)可以处于振动中。如借助箭头示出的那样，沿z方向平行于激光射束地进行振动，由此能够实现焦点相对于工件表面的位置改变，从而可以工件表面中加工出精细的结构。

图5示出具有倾摆装置(11b)的准直器(11)，倾摆装置布置在准直器(11)的背对激光源(10)的端部上。倾摆装置(11b)借助三个连接螺钉(41a、41b、41c)固定在定心装置(11a)上，所述连接螺钉导引通过环形的贴靠部件(38)中的钻孔并且优选实施为埋头螺钉，从而将倾摆装置(11b)布置在准直器(11)与定心装置(11a)之间。另外三个导引通过倾摆装置(11b)中的环形的贴靠部件(38)的螺钉用作倾斜螺钉(35a、35b、35c)。通过松开和拧紧倾斜螺钉(35a、35b、35c)，可以改变准直器(11)和因此激光射束(10a)相对于平面(e)的位置。

图6以侧视图示出由准直器(11)、定心装置(11a)和倾摆装置(11b)构成的单元。在倾摆装置(11b)的环形的贴靠部件(38)与定心装置(42)的借助连接螺钉(41a、41b、41c)与准直器(11b)连接的第一移动部件(42)之间布置有至少一个第一间隔件(45a、45b、45c)。借助至少一个第一间隔件(45a、45b、45c)可以以高的重复精确度对准直器(11)进行准确定义的和可再现的调节。通过准直器(11)的倾摆可以将激光射束(10a)朝通过箭头示出的方向调节。

图7以俯视图示出定心装置(11a)、倾摆装置(11b)和准直器(11)，其中，在穿过准直器(11)的横截面图中示出准直器(11)。通过定心装置的第一和第二移动部件(42、43)相对彼此的移动实现对准直器(11)或激光射束(10a)的校准。为此设置两个定心螺钉(47a、47b)，定心螺钉通过钻孔引导至第二移动部件(43)中的凸出部中，并且通过第二移动部件(43)相对于第一移动部件(42)的拧紧移动定心螺钉，准直器(11)通过倾摆装置(11b)连接在第一移动部件上。因此，借助定心螺钉实现准直器沿x或y方向的通过箭头示出的运动。同样在此，至少一个第二间隔件(46a、46b)可以布置在第一移动部件(42)与第二移动部件(43)之间，以便能够实现以规定间距的位移。

附图标记清单

100激光工具

10激光源

10a激光射束

11准直器

11b倾摆装置

11a定心装置

12透镜

13丝杠

14光学设备

15驱动器

16下方的止挡部

17上方的止挡部

18透镜管

19空心轴电机

20空心轴

21滚珠丝杠

22传感器

23引导轴

24轴承

25调节角度

26套筒

28偏转棱镜/镜子

30工件表面

31第一喷嘴系统

31a第一空气喷嘴

31a’第一空气射束

31b第二空气喷嘴

31b’第二空气射束

32第二喷嘴系统

32a第三空气喷嘴

32a’第三空气射束

33激光射束出口

35a、35b、35c倾斜螺钉

36半球形的元件

37环形的凸出部

38环形的贴靠部件

39线圈

40磁体

41a、41b、41c连接螺钉

42第一移动部件

43第二移动部件

45a、45b、45c第一间隔件

46a、46b第二间隔件

47a、47b定心螺钉

α角度

ex-y平面