DE20021369U1

DE20021369U1 - Laser beam optics in a robot axis

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Publication number: DE20021369U1
Application number: DE20021369U
Authority: DE
Original assignee: Thyssen Laser Technik GmbH
Current assignee: KUKA Industries GmbH and Co KG
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2010-12-19

Description

15.12.200015.12.2000

Laser beam optics in a robot axis

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserstrahloptik in einer Roboterachse, in deren Längsachse ein erster Strahlengang eines ersten Laserarbeitsstrahls anzuordnen ist, der werkstückseitig in einen achsparallelen zweiten Strahlengang umlenkbar ist, und in der ein dritter Strahlengang eines zweiten Laserarbeitsstrahls achsparallel zum ersten Strahlengang des ersten Laserarbeitsstrahls anzuordnen ist.The invention relates to a laser beam optics in a robot axis, in the longitudinal axis of which a first beam path of a first laser working beam is to be arranged, which can be deflected on the workpiece side into an axially parallel second beam path, and in which a third beam path of a second laser working beam is to be arranged axially parallel to the first beam path of the first laser working beam.

Eine Optik mit den vorgenannten Merkmalen ist aus der EP-A-O 901 87 5 bekannt. Der erste Laserarbeitsstrahl der bekannten Laserstrahloptik wird einer Ausbaueinheit zugeleitet, die die Aufgabe hat, die erste Laserstrahlung aus dem ersten Strahlengang in den dazu achsparallelen zweiten Strahlengang umzulenken. Bei der bekannten Laserstrahloptik kann ein dritter Strahlengang eines zweiten Laserarbeitsstrahls ausgebil-0 det werden und zwar so, daß er parallel zum ersten Strahlengang des ersten Laserarbeitsstrahls anzuordnen ist. Das ist jedoch nur dann möglich, wenn die Ausbaueinheit zur Umlenkung des ersten Laserarbeitsstrahls ausgebaut ist. Denn die Ausbaueinheit ragt in den zweiten bzw. auch in den dritten 5 Strahlengang hinein, weil diese beiden vorgenannten Strahlengänge miteinander fluchten. Wenn also mit unterschiedlicherAn optic with the aforementioned features is known from EP-A-0 901 87 5. The first laser working beam of the known laser beam optic is fed to an extension unit, which has the task of redirecting the first laser radiation from the first beam path into the second beam path parallel to it. In the known laser beam optic, a third beam path of a second laser working beam can be formed in such a way that it is arranged parallel to the first beam path of the first laser working beam. However, this is only possible if the extension unit for redirecting the first laser working beam is removed. This is because the extension unit extends into the second or even the third beam path because these two aforementioned beam paths are aligned with one another. If, therefore, with different

Laserarbeitsstrahlung gearbeitet werden soll, beispielsweise mit einer C02~Laserstrahlung oder einer Diodenlaserstrahlung, muß ein Umbau der Roboterachse erfolgen, bei der die Ausbaueinheit entweder eingebaut oder ausgebaut wird. Das ist aufwendig und bedarf anschließender Justierung. Außerdem kann nicht mit zwei Laserarbeitsstrahlen gleichzeitig gearbeitet werden.If you want to work with laser beams, for example with a CO2 laser beam or a diode laser beam, the robot axis must be modified by either installing or removing the extension unit. This is complex and requires subsequent adjustment. In addition, you cannot work with two laser beams at the same time.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Laserstrahloptik mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß sie umbaufrei für wechselweisen Einsatz unterschiedlicher Laserarbeitsstrahlung geeignet ist, vor allem aber auch für den gleichzeitigen Einsatz zweier unterschiedlicher Laserarbeitsstrahlungen.
15In contrast, the invention is based on the object of improving a laser beam optics with the features mentioned at the outset in such a way that it is suitable for the alternating use of different laser working radiation without modification, but above all also for the simultaneous use of two different laser working radiations.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem der Strahlengänge des ersten Laserarbeitsstrahls zwei davon zum Werkstück hin durchstrahlbare optische Elemente aufeinanderfolgend angeordnet sind, die im Sinne einer Kompensation eines Strahlenversatzes aufeinander abgestimmt sind, und daß dem zweiten der beiden optischen Elemente der zweite Laserarbeitsstrahl zugeleitet und von diesem zum Werkstück hin reflektierbar ist.This object is achieved in that two optical elements which can be transmitted through them to the workpiece are arranged one after the other in one of the beam paths of the first laser working beam and which are coordinated with one another in order to compensate for a beam offset, and in that the second laser working beam is fed to the second of the two optical elements and can be reflected from there to the workpiece.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß die Laserstrahloptik zwei Laserarbeitsstrahlen so zusammenzuführen erlaubt, daß beide wechselweise oder gemeinsam die gewünschte Bearbeitung eines Werkstücks in einem Arbeitsgang durchführen können. Dabei sollen die Laserarbeitsstrahlen jeweils auch unterschiedliche Strahlung aufweisen können, alsp solche, die unterschiedliche Strahlungsparameter haben. Die erste Laserarbeitsstrahlung soll beispielsweise CO2~Strahlung sein und die zweite Laserarbeitsstrahlung Nd:YAG-Strahlung. Es ist darauf zu achten, daß die Laserstrahloptik die beiden Strahlen fehlerfrei zu kombinieren vermag. Das wird insbesondere dadurch erreicht, daß der erste Laserarbeitsstrahl optischeIt is important for the invention that the laser beam optics allow two laser working beams to be combined in such a way that both can perform the desired processing of a workpiece in one operation, either alternately or together. The laser working beams can also each have different radiation, i.e. those that have different radiation parameters. The first laser working beam should be CO2 radiation, for example, and the second laser working beam Nd:YAG radiation. It is important to ensure that the laser beam optics can combine the two beams without errors. This is achieved in particular by the first laser working beam having optical

Elemente nacheinander durchläuft, die im Sinne einer Vermeidung eines Strahlenversatzes miteinander abgestimmt sind. Infolgedessen liegt die Kombinationsstelle der Laserstrahloptik konstruktiv fest. Es ist nicht erforderlich, andere optische Maßnahmen zu treffen, um den Strahlenversatz auszugleichen. Zur Durchführung ausgleichender Maßnahmen müßten sonst Bauelemente eingebaut werden, die dort nachgeordnet werden müßten, wo in der Roboterachse kein Platz ist.elements one after the other, which are coordinated with one another in order to avoid beam offset. As a result, the combination point of the laser beam optics is structurally fixed. It is not necessary to take other optical measures to compensate for the beam offset. In order to carry out compensating measures, components would otherwise have to be installed which would have to be arranged downstream where there is no space in the robot axis.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Laserstrahloptik zeichnet sich dadurch aus, daß das erste optische Element eine strahlendurchlässige Kompensationsplatte ist, daß das zweite optische Element eine ebenfalls strahlendurchlässige, jedoch den zweiten Laserarbeitsstrahl reflektierende Reflektorplatte ist, und daß die Eingangssymmetrieachse der Kompensationsplatte und die Ausgangssymmetrieachse der Reflektorplatte fluchten. Damit kann der Strahlenversatz durch zwei Platten kompensiert werden, deren Brechungseigenschaften identisch sind und die in Bezug aufeinander kompensatorisch wirken, was den Strahlenversatz betrifft.An advantageous embodiment of the laser beam optics is characterized in that the first optical element is a radiation-permeable compensation plate, that the second optical element is a reflector plate that is also radiation-permeable but reflects the second laser working beam, and that the input symmetry axis of the compensation plate and the output symmetry axis of the reflector plate are aligned. The beam offset can thus be compensated by two plates whose refractive properties are identical and which have a compensatory effect on one another as far as the beam offset is concerned.

Dabei ist zu bevorzugen, daß die beiden optischen Elemente in einem einen Strahlenversatz kompensierenden Winkel zueinander angeordnet sind.It is preferable that the two optical elements are arranged at an angle to each other that compensates for any beam offset.

Anstelle von Platten können alle optisch wirksamen Bauelemente eingesetzt werden, mit denen ein Strahlenversatz ausgeschaltet werden kann. In dieser Hinsicht kann es zweckmäßig sein, die Laserstrahloptik so auszubilden, daß zumindest ein optisches Element aus zwei, sich optisch plattenartig verhaltenden Prismen besteht.Instead of plates, all optically effective components can be used with which beam offset can be eliminated. In this respect, it can be expedient to design the laser beam optics in such a way that at least one optical element consists of two prisms that behave optically like plates.

Wenn die beiden optischen Elemente für CO2-StrahlungIf the two optical elements for CO2 radiation

durchlässig sind, können übliche Plattenwerkstoffe eingesetzt werden, die bezüglich der 10,6 [Im-Strahlung eines CO2~Lasers wohl erforscht und bewährt sind, zum Beispiel Zink-Selenid.are permeable, common plate materials can be used which have been well researched and proven with regard to the 10.6 [Im radiation of a CO2 laser, for example zinc selenide.

Es ist dann vorteilhaft und notwendig, die Laseroptik so auszubilden, daß das zweite optische Element für Nd:YAG-Strahlung hochreflektierend ist.It is then advantageous and necessary to design the laser optics in such a way that the second optical element is highly reflective for Nd:YAG radiation.

Um einen weitgehend verlustfreien Strahlungsdurchgang zu erreichen, kann die Laseroptik so ausgebildet werden, daß die beiden optischen Elemente jeweils strahleneintrittseitig und strahlenaustrittseitig antireflektierend beschichtet sind. Antireflektierende Beschichtung vermeidet Strahlungsverluste an den Ein- und Austrittsflächen der optischen Elemente.In order to achieve a largely loss-free radiation passage, the laser optics can be designed so that the two optical elements are each coated with an anti-reflective coating on the beam entry side and the beam exit side. Anti-reflective coating prevents radiation losses on the entry and exit surfaces of the optical elements.

Die Laseroptik kann ferner so ausgebildet werden, daß das zweite optische Element auf einer dem zweiten Laserarbeitsstrahl zugewandten Reflektorfläche diesen hochreflektierend beschichtet ist. Eine derartige hochreflektierende Beschichtung ist insbesondere dann erforderlich, wenn Strahlungsverluste des zweiten Laserstrahls vermieden werden sollen. Solche Strahlungsverluste wären insbesondere zu erwarten, wenn das zweite optische Element strahlungsdurchlässig wäre, wenn auch nur für eine Strahlung anderer Wellenlänge.The laser optics can also be designed in such a way that the second optical element has a highly reflective coating on a reflector surface facing the second laser working beam. Such a highly reflective coating is particularly necessary if radiation losses from the second laser beam are to be avoided. Such radiation losses would be expected in particular if the second optical element were transparent to radiation, even if only for radiation of a different wavelength.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Laseroptik wird dadurch erreicht, daß für die Zuleitung des zweiten Laserarbeitsstrahls zum zweiten optischen Element ein dessen Reflektorfläche paralleler Umlenkspiegel vorhanden ist. Es wird eine zum zweiten Strahlengang rechtwinklige Umlenkung des zweiten Laserstrahls erreicht.A practical design of the laser optics is achieved by providing a deflection mirror parallel to the reflector surface of the second optical element for feeding the second laser working beam to the second optical element. The second laser beam is deflected at a right angle to the second beam path.

Eine konstruktiv besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Laseroptik kann dadurch erreicht werden, daß die beiden optischen Elemente und bedarfsweise ein Umlenkspiegel in einem einzigen Gehäuse angeordnet sind. Damit ergibt sich eine Baueinheit, die eine feste Zuordnung der optischen Elemente zueinander gewährleistet, unabhängig vom Zusammenbau dieser Baueinheit mit der Roboterachse. Das Gehäuse kann robustA particularly advantageous design of the laser optics can be achieved by arranging the two optical elements and, if required, a deflection mirror in a single housing. This results in a structural unit that ensures a fixed assignment of the optical elements to one another, regardless of the assembly of this structural unit with the robot axis. The housing can be robust

sein, so daß die Ausbildung und Funktion der beiden optischen Elemente nicht gefährdet ist, insbesondere nicht beim Zusammenbau des Gehäuses mit der Roboterachse.so that the design and function of the two optical elements is not endangered, especially when assembling the housing with the robot axis.

In Anpassung an die wichtigsten Ausgestaltungsmerkmale der Laseroptik kann diese so ausgebildet werden, daß ein einen Strahlenausgang aufweisendes Gehäuse an einer werkstückseitigen Stirnwand der Roboterachse angebracht ist und werkstückabgewendet einen ersten Strahleneingang des ersten Laserarbeitsstrahls und einen zweiten Strahleneingang des zweiten Laserarbeitsstrahls aufweist. Damit wird eine einfache und zuverlässige Befestigung des Gehäuses erreicht sowie eine zutreffende Zuordnung der Strahleneingänge zu den Strahlengängen .In accordance with the most important design features of the laser optics, this can be designed in such a way that a housing having a beam output is attached to a workpiece-side front wall of the robot axis and, facing away from the workpiece, has a first beam input for the first laser working beam and a second beam input for the second laser working beam. This allows for simple and reliable fastening of the housing and correct allocation of the beam inputs to the beam paths.

In besonderer Weise kann die Laserstrahloptik dahingehend ausgebildet werden,- daß an das Gehäuse im Bereich seines ersten Strahleneingangs ein Strahlenversatzmodul angebaut ist, der im Bereich des ersten Strahlengangs einen ersten Versatzspiegel und zu Beginn des zweiten Strahlengangs einen zweiten Versatzspiegel aufweist. Die Umlenkung des ersten Laserarbeitsstrahls erfolgt infolgedessen mit einem besonderen Bauteil, das speziell auf seine Umlenk- bzw. Versatzaufgabe ausgebildet ist und zusätzlich mit dem Gehäuse zusammengebaut werden kann, das die beiden optischen Elemente aufweist.The laser beam optics can be designed in a special way in such a way that a beam offset module is attached to the housing in the area of its first beam input, which has a first offset mirror in the area of the first beam path and a second offset mirror at the beginning of the second beam path. The deflection of the first laser working beam is therefore carried out with a special component that is specially designed for its deflection or offset task and can also be assembled with the housing that has the two optical elements.

Eine besondere Ausbildung der Laserstrahloptik ist dahingehend möglich, daß das Gehäuse im Bereich des zweiten Strahlengangs einen Einbaueinschnitt hat, in den ein die op-0 tischen Elemente aufweisender Elemententräger eingebaut ist. Der Elemententräger läßt insbesondere eine zutreffende Anordnung der optischen Elemente in Bezug aufeinander erreichen. Das Gehäuse kann im übrigen unabhängig vom Elemententräger ausgebildet werden und braucht lediglich im Bereich eines Zusammenbaus mit diesem Elemententräger genau genug ausgebildetA special design of the laser beam optics is possible in that the housing has an installation recess in the area of the second beam path, into which an element carrier containing the optical elements is installed. The element carrier allows in particular a correct arrangement of the optical elements in relation to one another. The housing can also be designed independently of the element carrier and only needs to be designed precisely enough in the area of assembly with this element carrier.

zu werden, um den optischen Anforderungen an eine Vermeidung des Strahlenversatzes zu genügen.in order to meet the optical requirements to avoid beam offset.

Die Laserstrahloptik; kann desweiteren dahingehend verbessert werden, daß der dem zweiten optischen Element optisch vorgeordnete Umlenkspiegel an einer Gehäuseaußenwand festgelegt ist, die einer werkstückseitigen Wand des Einbaueinschnitts parallel ist. Die Gehäuseaußenwand und die Wand des Einbauabschnittes können hochgenau parallel gefertigt werden. Das ist für die optische Präzision der Strahlenkombination von Vorteil.The laser beam optics can be further improved in that the deflection mirror arranged optically upstream of the second optical element is fixed to an outer housing wall that is parallel to a workpiece-side wall of the installation recess. The outer housing wall and the wall of the installation section can be manufactured parallel with high precision. This is advantageous for the optical precision of the beam combination.

Um die Laserstrahloptik dafür geeignet zu machen, daß sie in einer solchen Roboterachse angewendet werden kann, der weitere Achsen einer Rototerhand nachgeordnet sind, kann diese Laserstrahloptik so ausgebildet werden, daß der zweite Strahlengang und ein am reflektierenden optischen Element beginnender vierter, beiden Laserarbeitsstrahlen gemeinsamer Strahlengang in einer von der Längsachse der Roboterachse und von einer dazu senkrechten Schwenkachse einer weiteren Roboterachse gebildeten Ebene mit einem vorbestimmten Abstand von der Längsachse der Roboterachse angeordnet sind. Infolgedessen kann sich der beiden Arbeitsstrahlen gemeinsame Strahlengang in der Nähe eines Außenumfangs der Roboterachse befinden, in deren Längsachse können für nachfolgende Achsen notwendige Bauteile angeordnet werden und es ist nur ein einziger Spiegel zur Strahlenumlenkung in die Schwenkachse der weiteren Roboterachse notwendig.In order to make the laser beam optics suitable for use in a robot axis that has further axes of a rotary hand arranged downstream, this laser beam optics can be designed in such a way that the second beam path and a fourth beam path that begins at the reflective optical element and is common to both laser working beams are arranged in a plane formed by the longitudinal axis of the robot axis and a pivot axis of a further robot axis that is perpendicular to it, at a predetermined distance from the longitudinal axis of the robot axis. As a result, the beam path common to both working beams can be located near an outer circumference of the robot axis, components required for subsequent axes can be arranged in its longitudinal axis, and only a single mirror is required to deflect the beam into the pivot axis of the further robot axis.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:The invention is explained using embodiments shown in the drawing. It shows:

Fig.l eine schematische Darstellung eines Knickarmroboters, Fig.l a schematic representation of an articulated arm robot,

Fig.2 eine Unteransicht einer Roboterachse, an der werk-Fig.2 a bottom view of a robot axis on which work

stückseitig zwei weitere Handachsen angeordnetTwo additional hand axes arranged on the piece side

sind, mit teilweisen Schnittdarstellungen,
Fig.3 eine vereinfachte Seitendarstellung der Roboterachse
der Fig.2 mit Schnittdetails,are, with partial sectional views,
Fig.3 a simplified side view of the robot axis
Fig.2 with cut details,

Fig.3a eine vergrößerte Detaildarstellung A der Fig.3,
Fig.4,5 schematisierte Strahlengänge in RoboterachsenFig.3a is an enlarged detail view A of Fig.3,
Fig.4,5 schematic beam paths in robot axes

und
Fig.4a das Detail B der Fig.4.and
Fig.4a the detail B of Fig.4.

Der in Fig.l schematisch dargestellte Knickarmroboter ist so ausgebildet, daß er in allen Richtungen kartesischer Koordinaten x,y und &zgr; die erforderlichen Bewegungen im Rahmen der Reichweiten seiner Achsen 37,38,39,10,35 und 36 ausführen kann. Sämtliche vorgenannten Achsen sind Drehachsen, deren Drehverstellung durch Motorkraft erfolgt. Fig.2 zeigt schematisch die Anordnung eines Antriebsmotors 3 7 für die Roboterachse 10. Der Stellmotor 37 wird, wie auch die Stellmotoren der anderen Drehachsen, von einer nicht näher erläuterten Bahnsteuerung so beaufschlagt, daß er die gewünschten Achsendrehbewegungen veranlaßt. Der Roboter soll für die 3-D-Bearbeitung von Werkstücken mit Laserstrahlung eingesetzt werden, wozu er eine spezielle Roboterhand hat, die in den Fig. 2,3 dargestellt ist. Diese Roboterhand besteht im wesentlichen aus der roboterseitigen Roboterachse 10 und zwei baulich miteinander kombinierten Handachsen 35,36. Die Achse 3 6 ist mit Hilfe von Drehlagern 40 um ihre Längsachse drehbar, was durch den Doppelpfeil 36' in Fig.l angedeutet ist. In dieser Achse 3 6 befindet sich eine Fokussieroptik 40, mit der zwei Laserarbeitsstrahlen 13,16 auf ein Werkstück fokussiert werden können. Die Handachse 3 5 ist um eine Schwenkachse 34 schwenkbar, die von einem Drehlager 42 gebildet ist. Die Doppelpfeile 35' in den Fig.l und 3 kennzeichnen die infolgedessen vorhandene Drehverstellbarkeit der Handachse 35, so daß die Handachse 3 6 in die in Fig.3 dargestellten Stellungen gelangen kann. Die Handachse 3 5 ist im übrigen fest von der Roboterachse 10 gehalten, die werkstückseitig eine Stirnwand 24 für diese Befestigung aufweist.The articulated arm robot shown schematically in Fig. 1 is designed so that it can carry out the required movements in all directions of Cartesian coordinates x, y and ζ within the range of its axes 37, 38, 39, 10, 35 and 36. All of the axes mentioned above are rotary axes whose rotation is adjusted by motor power. Fig. 2 shows a schematic of the arrangement of a drive motor 37 for the robot axis 10. The servo motor 37, like the servo motors of the other rotary axes, is actuated by a path control (not explained in detail) in such a way that it causes the desired axis rotation movements. The robot is to be used for the 3D processing of workpieces with laser radiation, for which it has a special robot hand, which is shown in Figs. 2, 3. This robot hand consists essentially of the robot-side robot axis 10 and two structurally combined hand axes 35, 36. The axis 3 6 can be rotated about its longitudinal axis with the aid of pivot bearings 40, which is indicated by the double arrow 36' in Fig. 1. In this axis 3 6 there is a focusing optic 40 with which two laser working beams 13, 16 can be focused on a workpiece. The hand axis 3 5 can be pivoted about a pivot axis 34 which is formed by a pivot bearing 42. The double arrows 35' in Figs. 1 and 3 indicate the resulting rotary adjustability of the hand axis 35, so that the hand axis 3 6 can reach the positions shown in Fig. 3. The hand axis 3 5 is otherwise held firmly by the robot axis 10, which has an end wall 24 on the workpiece side for this attachment.

Die Roboterachse 10 besteht entsprechend den Fig.2,3 im wesentlichen aus einem Rohrgehäuse 43, das an seinem der Stirnwand 24 gegenüberliegenden Ende an ein Getriebegehäuse 44 des Motors 37 angebaut ist. Das Getriebegehäuse 44 hat Anbauflansche 45 für einen in Fig.l schematisch dargestellten ersten Laser 46. Die von diesem Laser 46 erzeugte Laserstrahlung wird durch eine Laserstrahlungszuleitung 47 und einen in Fig.2 angedeuteten Stahlungseingang 48 in einen ersten Strahlengang 12 gebracht, der mit einer Längsachse 11 der Roboterachse 10 gleichachsig ist. Des weiteren ist ein nicht dargestellter zweiter Laser vorhanden, dessen Laserstrahlung mit einer weiteren Laserstrahlungszuleitung 49 in einen dritten Stahlengang 15 gebracht wird, der sich innerhalb des Rohrgehäuses 43 parallel zum ersten Strahlengang 12 befindet. Während der erste Laser 46 beispielsweise ein CO2-Laser ist, ist der zweite Laser beispielsweise ein Nd:YAG-Laser, so daß die beiden von den Lasern erzeugten Laserarbeitsstrahlen 13,16 entsprechend unterschiedliche Wellenlängen haben. Der Laser 46 ist beispielsweise mit einer Leistung von 3 00 Watt bei einer Strahlqualität von k = 0,7 ausgestattet, während der nicht dargestellte Nd:YAG-Laser eine Leistung von 200 Watt hat. Die Zuleitung der Laserstrahlung des zweiten Laserarbeitsstrahls 16 erfolgt beispielsweise mit einer flexiblen Zuleitung in Gestalt einer Glasfaserleitung zu einem Anschlußelement 50 oder auch Getriebegehäuse 44.According to Fig. 2, 3, the robot axis 10 consists essentially of a tubular housing 43, which is attached to a gear housing 44 of the motor 37 at its end opposite the front wall 24. The gear housing 44 has mounting flanges 45 for a first laser 46, shown schematically in Fig. 1. The laser radiation generated by this laser 46 is brought by a laser radiation feed line 47 and a radiation input 48 indicated in Fig. 2 into a first beam path 12, which is coaxial with a longitudinal axis 11 of the robot axis 10. Furthermore, there is a second laser (not shown), the laser radiation of which is brought by a further laser radiation feed line 49 into a third beam path 15, which is located inside the tubular housing 43 parallel to the first beam path 12. While the first laser 46 is, for example, a CO2 laser, the second laser is, for example, an Nd:YAG laser, so that the two laser working beams 13, 16 generated by the lasers have correspondingly different wavelengths. The laser 46 is, for example, equipped with an output of 300 watts with a beam quality of k = 0.7, while the Nd:YAG laser (not shown) has an output of 200 watts. The laser radiation of the second laser working beam 16 is fed, for example, with a flexible feed line in the form of a fiber optic cable to a connection element 50 or gear housing 44.

Damit die Laserarbeitsstrahlen 13,16 einem Werkstück 18 in gewünschter Weise raumsparend zugeführt werden können, müssen sie in vorbestimmter Weise kombiniert werden können. Diese Kombination erfolgt in erster Linie mit einer der Stirnwand 24 nahen Laserstrahloptik, die in einem Gehäuse 22 untergebracht ist. Das Gehäuse 22 ist an der Stirnwand 24 mit Befestigungsstellen 22' befestigt und hat hier einen Strahlenausgang 23, der in einen Strahlendurchtritt 24' der Stirnwand 24 mündet. Dem Strahlenausgang 23 gegenüberliegend, alsoIn order to be able to supply the laser working beams 13, 16 to a workpiece 18 in the desired way in a space-saving manner, they must be able to be combined in a predetermined manner. This combination is primarily carried out with a laser beam optics system which is close to the front wall 24 and which is housed in a housing 22. The housing 22 is attached to the front wall 24 with fastening points 22' and has a beam outlet 23 which opens into a beam passage 24' of the front wall 24. Opposite the beam outlet 23, i.e.

werkstückabgewendet trägt das Gehäuse 22 ein Strahlenversatzmodul 27. Dieses Modul 27 hat einen ersten Versatzspiegel 28, der im ersten Strahlengang 12 des ersten Laserarbeitsstrahls 13 angeordnet ist, so daß dieser Laserarbeitsstrahl 13 auf den Versatzspiegel 28 trifft und vertikal zum ersten Strahlengang 12 umgelenkt wird. Infolge dieser Umlenkung trifft der erste Laserarbeitsstrahl 13 auf einen zweiten Versatzspiegel 29, mit dem der erste Laserarbeitsstrahl 13 in einen zweiten Strahlengang 14 umgelenkt wird. Durch den zweiten Strahlengang 14 gelangt der erste Laserarbeitsstrahl 13 in das Gehäuse 22 bis zu dessen Strahlenausgang 23.Away from the workpiece, the housing 22 carries a beam offset module 27. This module 27 has a first offset mirror 28 which is arranged in the first beam path 12 of the first laser working beam 13, so that this laser working beam 13 hits the offset mirror 28 and is deflected vertically to the first beam path 12. As a result of this deflection, the first laser working beam 13 hits a second offset mirror 29, with which the first laser working beam 13 is deflected into a second beam path 14. The first laser working beam 13 passes through the second beam path 14 into the housing 22 to its beam output 23.

Der dritte Strahlengang 14 für den zweiten Laserarbeitsstrahl 16 fluchtet mit einem zweiten Strahleneingang 2 6 des Gehäuses 22. Der zweite Laserarbeitsstrahl 16 trifft auf einen Umlenkspiegel 22, von dem aus er senkrecht zur Längsachse 11 umgelenkt wird und auf eine Reflektorfläche 20' einer Reflektorplatte 20 trifft, welche den zweiten Laserarbeitsstrahl 17 erneut rechtwinklig umlenkt, nämlich in einen vierten Strahlengang 33.The third beam path 14 for the second laser working beam 16 is aligned with a second beam inlet 26 of the housing 22. The second laser working beam 16 strikes a deflection mirror 22, from which it is deflected perpendicular to the longitudinal axis 11 and strikes a reflector surface 20' of a reflector plate 20, which deflects the second laser working beam 17 again at a right angle, namely into a fourth beam path 33.

Die Reflektorplatte 2 0 dient außer der Umlenkung des zweiten Laserarbeitsstrahls 16 auch einem Strahlendurchtritt des ersten Laserarbeitsstrahls 13. Dieser durchläuft auf seinem Weg über den zweiten Strahlengang 40 zum beiden Laserstrahlen 13,16 gemeinsamen Strahlengang 33 zwei in Strahlungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnete optische Elemente, nämlich zunächst eine Kompensationsplatte 19 und dann die Reflektorplatte 20. Die Kompensationsplatte 19 hat Brechungseigenschaften, aufgrund der ein Strahlenversatz 17 entsteht. Die Reflektorplatte 2 0 hat ebenfalls Brechungseigenschaften, die einen entgegengesetzten, nicht näher bezeichneten Strahlenversatz zur Folge haben. Beide Platten 19,20 sind so ausgebildet und angeordnet, daß die Eingangssymmetrieachse 19 der Kompensationsplatte 19 und die Ausgangssymmetrieachse 20"' der Reflektorplatte 20 fluchten. Infolgedessen wird derThe reflector plate 20 serves not only to deflect the second laser working beam 16 but also to allow the first laser working beam 13 to pass through. On its way via the second beam path 40 to the beam path 33 common to both laser beams 13, 16, the first beam passes through two optical elements arranged one after the other in the direction of radiation, namely first a compensation plate 19 and then the reflector plate 20. The compensation plate 19 has refractive properties which result in a beam offset 17. The reflector plate 20 also has refractive properties which result in an opposite beam offset which is not specified in more detail. Both plates 19, 20 are designed and arranged in such a way that the input symmetry axis 19 of the compensation plate 19 and the output symmetry axis 20"' of the reflector plate 20 are aligned. As a result, the

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Strahlenversatz 17 im Bezug auf eine Strahlenaustrittsstelle 20''' der Reflektorplatte 20 kompensiert. Der Einbau der Kompensationsplatte 19 bewirkt, daß der die Reflektorplatte 20 verlassende Laserarbeitsstrahl 13 genau an einer vorbestimmten Strahlaustrittsstelle 20' '' erfolgt. Diese Strahlaustrittsstelle 20 ' ' ' kann genau mit der Ref lektionsstelle zusammenfallen, die zur Reflektion des Laserarbeitsstrahls 16 auf der Reflektorfläche 20' vorbestimmt ist. Es ergibt sich damit die in Fig.4 dargestellte Möglichkeit, die Arbeitsstrahlen 13,16 koaxial anzuwenden, ohne im Bereich der Laserstrahloptik im Hinblick auf einen Strahlenversatz 17 besondere bauliche oder sonstige Justiermaßnahmen durchführen zu müssen. Vielmehr kann die Laseroptik als Baueinheit ausgebildet werden, die mit hoher Präzision wirkt.Beam offset 17 is compensated in relation to a beam exit point 20''' of the reflector plate 20. The installation of the compensation plate 19 causes the laser working beam 13 leaving the reflector plate 20 to exit precisely at a predetermined beam exit point 20'''. This beam exit point 20''' can coincide precisely with the reflection point which is predetermined for the reflection of the laser working beam 16 on the reflector surface 20'. This results in the possibility shown in Fig.4 of using the working beams 13,16 coaxially without having to carry out special structural or other adjustment measures in the area of the laser beam optics with regard to a beam offset 17. Rather, the laser optics can be designed as a structural unit which works with high precision.

Das Gehäuse 22 ist mit einem in der Darstellungsebene der Fig.3a ersichtlichen Einbaueinschnitt 30 versehen. Dieser Einbaueinschnitt 3 0 ist V-förmig und hat einen Spitzenwinkel CX. Dieser Winkel ist vorzugsweise ein rechter. In den Einbaueinschnitt 30 kann ein Elemententräger 31 eingebaut sein, der die beiden Platten 19,20 trägt. Diese beiden Platten 19,20 sind ebenfalls in einem rechten Winkel angeordnet, so daß sich ein mechanisch vorteilhafter, nämlich präziser Zusammenbau des Elemententrägers 31 mit dem Einbaueinschnitt 30 des 5 Gehäuses 22 ergibt. Mit diesem Zusammenbau wird dazu beigetragen, daß sich die Brechungseigenschaften der Platten 19,20 möglichst genau kompensieren. Weitere Voraussetzungen dafür sind, daß die Platten 19,20 gleiche Brechungseigenschaften aufweisen, bei gleichem Werkstoff insbesondere gleich dick sind.The housing 22 is provided with an installation recess 30 which can be seen in the plane of the illustration in Fig. 3a. This installation recess 30 is V-shaped and has an acute angle CX. This angle is preferably a right angle. An element carrier 31 which carries the two plates 19, 20 can be installed in the installation recess 30. These two plates 19, 20 are also arranged at a right angle, so that a mechanically advantageous, namely precise, assembly of the element carrier 31 with the installation recess 30 of the housing 22 results. This assembly helps to ensure that the refractive properties of the plates 19, 20 compensate for one another as precisely as possible. Further prerequisites for this are that the plates 19, 20 have the same refractive properties and, in particular, are the same thickness if they are made of the same material.

Damit die Ausgangssymmetrieachse 20' ' und die Mitte des auf die Reflektorfläche 20' fallenden zweiten Laserarbeitsstrahls 16 identisch sind bzw. zusammenfallen, muß auch der Umlenkspiegel 21 präzise angeordnet sein. Dies wird dadurch erreicht, daß der Umlenkspiegel an einer Gehäuseaußenwand 32In order for the output symmetry axis 20'' and the center of the second laser working beam 16 falling on the reflector surface 20' to be identical or coincide, the deflection mirror 21 must also be arranged precisely. This is achieved by attaching the deflection mirror to an outer housing wall 32

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festgelegt ist, die einer werkstückseitigen Wand 30' des Einbaueinschnittes 30 parallel ist. Beide Wände 30',32 können exakt parallel hergestellt werden, um den Genauigkeitsanforderungen zu genügen.
5which is parallel to a workpiece-side wall 30' of the installation recess 30. Both walls 30', 32 can be manufactured exactly parallel in order to meet the accuracy requirements.
5

Die Laserstrahloptik soll möglichst verlustfrei ausgebildet sein. Für die beiden Platten 19,20 wird beispielsweise Zink-Selenid vorgesehen. Außerdem kann mit Beschichtungen erreicht werden, daß die Laserstrahloptik möglichst wenig optisehe Verluste hat. Beispielsweise kann jede Plattenseite der Platten 19,20 antireflektierend beschichtet sein. Das gelingt beispielsweise mit einer dielektrischen Schicht, die aus zwei Schichten mit je unterschiedlichem Brechungsindex aus der Reihe der Fluoride BaF2, MgF2, oder YbM3 besteht. Die Reflektorfläche 20' der Reflektorplatte 20 muß für die Strahlung des zweiten Laserarbeitsstrahls 16 hingegen möglichst gut reflektieren, was durch eine hochreflektierende Beschichtung erreicht werden kann. Eine solche Beschichtung wurde mit mehr als fünf Schichten aus den vorgenannten Stoffen erreicht, so daß sie für CC>2-Strahlung antiref lektierend, für Nd ^AG-Strahlung hingegen hochreflektierend war.The laser beam optics should be designed to be as loss-free as possible. For example, zinc selenide is provided for the two plates 19, 20. In addition, coatings can be used to ensure that the laser beam optics have as little optical loss as possible. For example, each side of the plates 19, 20 can be coated with an anti-reflective coating. This can be achieved, for example, with a dielectric layer consisting of two layers, each with a different refractive index from the series of fluorides BaF2, MgF2, or YbM3. The reflector surface 20' of the reflector plate 20, on the other hand, must reflect the radiation of the second laser working beam 16 as well as possible, which can be achieved by a highly reflective coating. Such a coating was achieved with more than five layers of the aforementioned materials, so that it was anti-reflective for CC>2 radiation, but highly reflective for Nd ^AG radiation.

Der vierte Strahlengang 33, der für beide Laserarbeitsstrahlen 13,16 gemeinsam ist, führt durch die Stirnwand 24 zu der Achse 35. Hier ist ein Umlenkprisma 35' ' im Bereich der Schwenkachse 34 mit Abstand 66 zu einer Symmetrieachse eines mit der Handachse 36 drehbaren Fokussierspiegels 41 angeordnet, so daß die Laserarbeitsstrahlen 13,16 zum Fokussierspie-The fourth beam path 33, which is common to both laser working beams 13,16, leads through the front wall 24 to the axis 35. Here, a deflection prism 35'' is arranged in the area of the pivot axis 34 at a distance 66 from an axis of symmetry of a focusing mirror 41 that can be rotated with the hand axis 36, so that the laser working beams 13,16 to the focusing mirror

gel 41 umgelenkt werden.
30gel 41 can be diverted.
30

Ein Vergleich der Fig.4,5 zeigt, daß die Laserarbeitsstrahlen 13,16 im gemeinsamen vierten Strahlengang 33 nicht notwendigerweise gleichachsig angeordnet sein müssen. Es ist vielmehr auch eine Parallelachsigkeit denkbar. Während bei gleichachsigen Laserarbeitsstrahlen 13,16 eine gleichzeitige und/oder taktweise aufeinanderfolgende Bearbeitung des Werkstücks 18 erfolgen kann, indem beispielsweise eine Schneidstelle 52 und eine Schweißstelle 53 ausgebildet werden, läßtA comparison of Fig.4,5 shows that the laser working beams 13,16 in the common fourth beam path 33 do not necessarily have to be arranged coaxially. Rather, parallel axes are also conceivable. While with coaxial laser working beams 13,16, simultaneous and/or sequential processing of the workpiece 18 can take place, for example by forming a cutting point 52 and a welding point 53,

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sich bei Parallelachsigkeit erreichen, daß in vorbestimmtem Abstand voneinander angeordnete Bearbeitungsstellen 54 oder 55 gleichzeitig und/oder taktweise nacheinander bearbeitet werden können. In allen Fällen ist die Ausbildung einer Laserstrahloptik vorteilhaft, die aufgrund der vorbeschriebenen Konstruktionen justierunempfindlich ist.With parallel axes, it can be achieved that processing points 54 or 55 arranged at a predetermined distance from one another can be processed simultaneously and/or in cycles one after the other. In all cases, the design of a laser beam optics is advantageous, which is insensitive to adjustment due to the previously described constructions.

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Claims

1. Laser beam optics in a robot axis ( 10 ), in the longitudinal axis ( 11 ) of which a first beam path ( 12 ) of a first laser working beam ( 13 ) is to be arranged, which can be deflected on the workpiece side into an axially parallel second beam path ( 14 ), and in which a third beam path ( 15 ) of a second laser working beam ( 16 ) is to be arranged axially parallel to the first beam path ( 12 ) of the first laser working beam ( 13 ), characterized in that in one of the beam paths ( 12 or 14 ) of the first laser working beam ( 13 ) two optical elements are arranged one after the other, through which light can pass to a workpiece, which are coordinated with one another in the sense of compensating for a beam offset ( 17 ), and that the second laser working beam ( 13 ) is fed to the second of the two optical elements and is guided from there to the workpiece ( 18 ) is reflectable.

2. Laser beam optics according to claim 1, characterized in that the first optical element is a radiation-permeable compensation plate ( 19 ), that the second optical element is a reflector plate ( 20 ) which is also radiation-permeable but reflects the second laser working beam ( 16 ), and that the input symmetry axis ( 19 ') of the compensation plate ( 19 ) and the output symmetry axis ( 20 ") of the reflector plate ( 20 ) are aligned.

3. Laser beam optics according to claim 1 or 2, characterized in that the two optical elements are arranged at an angle (α) to one another which compensates for a beam offset ( 17 ).

4. Laser beam optics according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one optical element consists of two prisms which behave optically like plates.

5. Laser beam optics according to one of claims 1 to 4, characterized in that the two optical elements are permeable to CO ₂ radiation.

6. Laser beam optics according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second optical element is highly reflective for Nd:YAG radiation.

7. Laser beam optics according to one of claims 1 to 6, characterized in that the two optical elements are each coated with an anti-reflective coating on the beam entrance side and the beam exit side.

8. Laser beam optics according to one of claims 1 to 7, characterized in that the second optical element is coated in a highly reflective manner on a reflector surface ( 20 ') facing the second laser working beam ( 16 ).

9. Laser beam optics according to one of claims 1 to 8, characterized in that a deflection mirror ( 21 ) parallel to the reflector surface ( 20 ') of the second optical element is provided for supplying the second laser working beam ( 16 ) to the second optical element.

10. Laser beam optics according to one of claims 1 to 9, characterized in that the two optical elements and, if required, a deflection mirror ( 21 ) are arranged in a single housing ( 22 ).

11. Laser beam optics according to one of claims 1 to 10, characterized in that a housing ( 22 ) having a beam outlet ( 23 ) is attached to a workpiece-side end wall ( 24 ) of the robot axis ( 10 ) and, facing away from the workpiece, has a first beam inlet ( 25 ) of the first laser working beam ( 13 ) and a second beam inlet ( 26 ) of the second laser working beam ( 16 ).

12. Laser beam optics according to one of claims 1 to 11, characterized in that a beam offset module ( 27 ) is attached to the housing ( 22 ) in the region of its first beam input ( 25 ), which has a first offset mirror ( 28 ) in the region of the first beam path ( 12 ) and a second offset mirror ( 29 ) at the beginning of the second beam path ( 14 ).

13. Laser beam optics according to one of claims 1 to 12, characterized in that the housing ( 22 ) has a mounting recess ( 30 ) in the region of the second beam path ( 14 ), into which an element carrier ( 31 ) having the optical elements is installed.

14. Laser beam optics according to one of claims 1 to 13, characterized in that the deflection mirror ( 21 ) arranged optically upstream of the second optical element is fixed to a housing outer wall ( 32 ) which is parallel to a workpiece-side wall ( 30 ') of the installation recess ( 30 ).

15. Laser beam optics according to one of claims 1 to 14, characterized in that the second beam path ( 16 ) and a fourth beam path ( 33 ) beginning at the reflecting optical element and common to both laser working beams ( 13 , 16 ) are arranged in a plane formed by the longitudinal axis ( 11 ) of the robot axis ( 10 ) and by a pivot axis ( 34 ) perpendicular thereto of a further robot axis ( 35 ) at a predetermined distance ( 59 ) from the longitudinal axis ( 11 ) of the robot axis ( 12 ).