CH616357A5 - Method of accurately machining a workpiece arranged in the working zone of a machining laser and apparatus for carrying out the method - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zum hochgenauen Bearbeiten eines im Arbeitsfeld eines Bearbeitungslasers angeordneten Werkstückes, wobei man in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahles einen Laser-Messstrahl einblendet und mindestens der La-ser-Messstrahl mittels gesteuerter Galvanometerspiegel in zwei orthogonalen Richtungen auslenkbar ist. The invention relates to a method and to a device for high-precision machining of a workpiece arranged in the working field of a machining laser, a laser measuring beam being faded into the beam path of the machining laser beam and at least the laser measuring beam being deflectable in two orthogonal directions by means of a controlled galvanometer mirror is.

Bearbeitungslaser dienen u. a. zum Abgleichen von Bauelementen, wie z. B. von Schichtwiderständen oder von Kapazitäten, aber auch zum Abgleichen von Stahlbiegeschwingern, wie solche zur Konstanthaltung einer bestimmten Kanalfrequenz in Fernsprechanlagen zur Anwendung kommen. Bei Klein- und Mikrostruktur-Elementen finden Bearbeitungslaser Anwendung, z. B. zum Erzeugen von Fotomasken für integrierte Schaltkreise sowie fernerhin zum Teilen von Keramikoder Glassubstraten, oder zum Entfernen von auf Glasplatten aufgetragenen Metallschichten. Processing lasers serve u. a. for matching components, such as. B. of sheet resistors or capacities, but also for matching steel bending transducers, such as those used to keep a certain channel frequency in telephone systems. Processing lasers are used for small and microstructure elements, e.g. B. for the production of photomasks for integrated circuits and also for dividing ceramic or glass substrates, or for removing metal layers applied to glass plates.

In der US-PS 3 902 036 ist eine Steuerung für einen Bearbeitungslaser beschrieben und dargestellt, in dessen Strahlengang ein Laser-Messstrahl eingeblendet ist. Ein gepulster Bearbeitungslaser, z. B. ein YAG-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1,06 pm, wird über geeignete Umlenkvorrichtun-gen auf ein Werkstück projiziert. Ein He-Ne-Laserstrahl mit einer Wellenlänge ca. 0,63 /im wird mittels eines Spiegels in den Strahlengang des Bearbeitungslasers eingeblendet. Der Laser-Messstrahl ist hier mittels eines Strahlenteilers und Phasenschiebers in zwei um 90° phasenverschobene Einzelstrahlen geteilt, wobei diese Einzelstrahlen über ein Beugungsgitter auf jeweils einen Achsendetektor gelenkt werden. Über eine mit den Achsendetektoren in Verbindung stehende Steuerlogik wird ein Steuerkreis für einen im Strahlengang des Bearbeitungslasers gelegenen optischen Schalter angesteuert. Durch diese Massnahme wird bewerkstelligt, dass bei stetigem Vorschub des gepulsten Bearbeitungslaserstrahles nach einem festen Programm Übersteuerungen an den Koordinaten-Umlenkpunkten vermieden werden. Bei diesem bekannten Steuersystem für einen Bearbeitungslaser wird indessen vorausgesetzt, dass das Werkstück hinsichtlich seines Bearbeitungsortes vor der Strahlenbehandlung genau zur optischen Achse, nämlich der Null-Achse des Bearbeitungslaserstrahles, ausgerichtet ist. Das Ausrichten eines Werkstückes ist jedoch recht zeitaufwendig. Sollen viele formgleiche Werkstücke behandelt werden, so genügt meist eine einmalige Einstellung, sofern man hierzu eine die Position des Werkstückes fixierende Aufnahmevorrichtung verwenden kann. Oft ist es jedoch so, dass das Werkstück nicht unmittelbar in der Aufnahmevorrichtung gehalten wird, sondern beispielsweise an mit dem Werkstück verbundenen Klemmen, Stiften oder Leisten. Diese Klemmen oder Stifte können z. B. Stromzuführungen an dem abzugleichenden Bauelement sein. Insbesondere bei Stahlbiegeschwingern ist die Fassung des Elementes in eine Aufnahmevorrich-tung nicht möglich; dadurch würde sein Schwingungsverhalten geändert. Man benutzt daher die Anschlusselemente des Bauteiles zu seiner Halterung in der Aufnahmevorrichtung des Lasers. Insbesondere bei Kleinbauteilen können derartige Anschlusselemente jedoch geringfügig aus ihrer Sollstellung gebogen sein. Dies hat zur Folge, dass die Mittelpunktskoordinaten des zu bearbeitenden Bauteiles ausserhalb der Sollage zur optischen Null-Achse innerhalb des Arbeitsfeldes des Bearbeitungslaserstrahles gelegen sind. A control for a processing laser is described and illustrated in US Pat. No. 3,902,036, in the beam path of which a laser measuring beam is superimposed. A pulsed processing laser, e.g. B. a YAG laser beam with a wavelength of 1.06 pm is projected onto a workpiece via suitable deflection devices. A He-Ne laser beam with a wavelength of approx. 0.63 / im is faded into the beam path of the processing laser by means of a mirror. The laser measuring beam is here divided by means of a beam splitter and phase shifter into two individual beams which are phase-shifted by 90 °, these individual beams being directed to a respective axis detector via a diffraction grating. A control circuit for an optical switch located in the beam path of the processing laser is controlled via control logic connected to the axis detectors. This measure ensures that, when the pulsed processing laser beam is fed continuously, overrides at the coordinate deflection points are avoided according to a fixed program. In this known control system for a processing laser, however, it is assumed that the workpiece is aligned precisely with respect to its processing location before the radiation treatment to the optical axis, namely the zero axis of the processing laser beam. Aligning a workpiece is, however, quite time consuming. If many workpieces of the same shape are to be treated, a single adjustment is usually sufficient, provided that a holding device that fixes the position of the workpiece can be used. However, it is often the case that the workpiece is not held directly in the holding device, but rather, for example, on clamps, pins or strips connected to the workpiece. These clamps or pins can e.g. B. power supplies to the component to be aligned. In the case of steel bending transducers in particular, it is not possible to mount the element in a receiving device; this would change its vibration behavior. The connection elements of the component are therefore used to hold it in the holder of the laser. In the case of small components in particular, however, such connection elements can be bent slightly out of their desired position. The result of this is that the center point coordinates of the component to be machined are located outside the target position in relation to the optical zero axis within the working field of the machining laser beam.

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Ausgehend von der bekannten Steuervorrichtung liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum hochgenauen Bearbeiten eines in einem Arbeitsfeld eines Bearbeitungslasers angeordneten, in seiner Flächenkontur bekannten Werkstückes zu schaffen, wobei die Mittelpunktskoordinaten des Arbeitsfeldes vor dem Auslösen des Laserstrahles automatisch auf die Mittelpunktskoordinaten des Werkstückes transformiert werden. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass man mittels des La-ser-Messstrahles die in ihrer Form und Grösse bekannte Werkstückoberfläche abtastet und das von der Werkstückoberfläche reflektierte Licht des Laser-Messstrahles zur Erkennung der Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes des Bearbeitungslasers nutzt. Starting from the known control device, the invention is therefore based on the object of providing a method for high-precision machining of a workpiece which is arranged in a working area of a processing laser and which has a known surface contour, the center point coordinates of the working field automatically releasing the center point coordinates of the workpiece before the laser beam is triggered be transformed. This object is achieved according to the invention in that the workpiece surface known in its shape and size is scanned by means of the laser measuring beam and the light of the laser measuring beam reflected from the workpiece surface is used to detect the position of the workpiece within the working field of the machining laser .

Durch diese erfinderische Verfahrensweise ist es möglich, die Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes des Bearbeitungslasers zu erfassen und somit die Koordinaten der Arbeitsfläche auf die Mittelpunktskoordinaten der zu bearbeitenden bekannten Werkstücksfläche zu transformieren. So können meist nur geringfügige, jedoch eine genaue Bearbeitung der Werkstückoberfläche störende Fehler, und zwar ohne ein erneutes Ausrichten des Werkstückes von Hand, vermieden werden. Zur Ausübung des Verfahrens verwendet man einen programmierbaren, den Laserbearbeitungsstrahl steuernden Prozessrechner. Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung verfährt man derart, dass man durch Abtasten der bekannten Bearbeitungsfläche des Werkstückes mittels des im Strahlengang des Bearbeitungslasers eingeblendeten Laser-Messstrahles die Lagekoordinaten der Werkstückoberfläche in bezug auf die Mittelpunktskoordinaten der Arbeitsfläche des Bearbeitungslasers ermittelt, indem man die Intensitäten des von der Werkstückoberfläche reflektierten Lichtes in analoge Spannungsgrössen umwandelt und letztere dem Prozessrechner zuführt, der aus diesen Signalen die Mittelpunktskoordinaten der Werkstückoberfläche im Arbeitsfeld errechnet sowie das Steuerprogramm für den Laser-Bearbeitungsstrahl auf die Mittelpunktskoordinaten des Werkstückes transformiert. Die vom Programmgeber des Prozessrechners ausgegebenen Steu-ergrössen zur Führung des Bearbeitungsstrahles werden um die Transformations-Grössen geändert. This inventive procedure makes it possible to detect the position of the workpiece within the working field of the processing laser and thus to transform the coordinates of the working surface to the center coordinates of the known workpiece surface to be processed. In this way, usually only minor errors, which, however, interfere with precise machining of the workpiece surface, can be avoided without having to realign the workpiece by hand. A programmable process computer controlling the laser processing beam is used to practice the method. According to a further feature of the invention, the procedure is such that, by scanning the known machining surface of the workpiece by means of the laser measuring beam superimposed in the beam path of the machining laser, the position coordinates of the workpiece surface are determined with respect to the center coordinates of the working surface of the machining laser by determining the intensities of the converts light reflected from the workpiece surface into analog voltage quantities and feeds the latter to the process computer, which uses these signals to calculate the center coordinates of the workpiece surface in the work area and transforms the control program for the laser machining beam to the center coordinates of the workpiece. The control variables issued by the programmer of the process computer for guiding the processing beam are changed by the transformation variables.

Das vom Werkstück reflektierende Licht wird mittels Licht-Sensoren erfasst, wobei die gemessenen Signale einer Auswertelogik zugeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn man zur deutlicheren Erkennung des vom Laser-Messstrahl an der Werkstückoberfläche erzeugten Reflexionssignals den Fremdlichtanteil eliminiert. Viele Werkstücke besitzen eine nicht vollkommen ebene Oberfläche. Das Laserlicht wird daher an der Oberfläche des Werkstückes gebeugt. Dabei wirkt sich das Fremdlicht zur Erzeugung eines eindeutigen Reflexsignals störend aus. Durch die Elimination des Fremdlichtes erhält man ein deutliches Reflexsignal, welches zur Bestimmung der Lage der abgetasteten Fläche innerhalb des Arbeitsfeldes ausreichend ist. The light reflecting from the workpiece is detected by means of light sensors, the measured signals being fed to an evaluation logic. It is particularly advantageous if the extraneous light component is eliminated for clearer detection of the reflection signal generated by the laser measuring beam on the workpiece surface. Many workpieces do not have a completely flat surface. The laser light is therefore diffracted on the surface of the workpiece. The extraneous light has a disruptive effect on the generation of a clear reflex signal. By eliminating the extraneous light, a clear reflex signal is obtained, which is sufficient to determine the position of the scanned area within the working field.

Ausgehend von einem Bearbeitungslaser mit von einem programmierbaren Prozessrechner gesteuerten Galvanometerspiegel-Antrieben zur Steuerung der optischen Achse des Laser-Bearbeitungsstrahles auf den jeweiligen Bearbeitungsort eines im Arbeitsfeld des Bearbeitungslasers angeordneten Werkstückes, wobei der Bearbeitungslaser in seinem Strahlengang einen Spiegel zum Einblenden des Laser-Messstrahles aufweist, weist dieser gemäss der Erfindung einen zwischen Werkstück und Einblendspiegel angeordneten, den Laserstrahlengang umgebenden und das vom Bearbeitungsort des Werkstückes reflektierte Licht des Laser-Messstrahles adaptierenden Sensor auf. Dieser Sensor ist vorteilhaft als Lichtleitfasern enthaltender Ring ausgebildet, wobei die Lichtleitfaser-Stirn-enden kranzförmig verteilt und auf die Arbeitsfläche des Bearbeitungslaserstrahles gerichtet sind. Starting from a processing laser with galvanometer mirror drives controlled by a programmable process computer for controlling the optical axis of the laser processing beam onto the respective processing location of a workpiece arranged in the working area of the processing laser, the processing laser having a mirror in its beam path for fading in the laser measuring beam, According to the invention, the sensor has a sensor which is arranged between the workpiece and the fading-in mirror, surrounds the laser beam path and adapts the light of the laser measuring beam which is reflected from the machining location of the workpiece. This sensor is advantageously designed as a ring containing optical fibers, the ends of the optical fibers being distributed in a ring shape and directed onto the working surface of the processing laser beam.

Das vom Werkstück reflektierte Licht des Messlaserstrahles wird in bekannter Weise über die Lichtleitfasern an lichtempfindliche Elemente geführt; sie wandeln die Lichtintensität in eine Spannungsgrösse um. Durch die Ausbildung des Sensors in Form eines Lichtleitfasern enthaltenden Ringes wird auch bei rauher oder z. B. Riefen enthaltender Oberfläche eines Werkstückes eine gute Adaption des reflektierten Lichtes möglich, und zwar unabhängig vom Verlauf bzw. der Richtung der Riefen innerhalb des Arbeitsfeldes des Bearbeitungslasers. Die im Sensor gehaltenen Lichtleitfasern sind in zwei Gruppen gegliedert. Die Lichtleitfasern einer jeden Gruppe sind unter Zwischenschaltung eines Interferenzfilters mit jeweils einem Fotoelement gekoppelt. Innerhalb des Ringes sind die Lichtleitfasern der einen Gruppe in der Teilungsfolge 1, 3, 5 .. . und die Lichtleitfasern der anderen Gruppe in der Teilungsfolge 2, 4, 6 ... im Kranz des Ringes gehalten. Der der ersten Gruppe zugeordnete Interferenzfilter ist für eine dem Tageslicht entsprechende Lichtwellenlänge und der andere, der zweiten Gruppe zugeordnete Interferenzfilter nur für die Lichtwellenlänge des Laser-Messstrahles durchlässig. Mittels einer den Fotoelementen nachgeordneten Diskriminatorschal-tung wird so der Anteil des Tageslichtes am Messsignal eliminiert; das erhaltene Signal wird einem Koordinatenrechner zugeführt. The light of the measuring laser beam reflected from the workpiece is guided in a known manner via the optical fibers to photosensitive elements; they convert the light intensity into a voltage variable. By designing the sensor in the form of a ring containing optical fibers, even in rough or z. B. grooves-containing surface of a workpiece a good adaptation of the reflected light possible, regardless of the course or the direction of the grooves within the working field of the machining laser. The optical fibers held in the sensor are divided into two groups. The optical fibers of each group are coupled to a photo element with the interposition of an interference filter. Inside the ring are the optical fibers of one group in the division sequence 1, 3, 5 ... and the optical fibers of the other group in the division sequence 2, 4, 6 ... held in the ring of the ring. The interference filter assigned to the first group is transparent to a light wavelength corresponding to daylight and the other interference filter assigned to the second group is only transparent to the light wavelength of the laser measurement beam. The proportion of daylight in the measurement signal is thus eliminated by means of a discriminator circuit downstream of the photo elements; the signal obtained is fed to a coordinate computer.

Im nachfolgenden wird anhand der Zeichnungen das erfinderische Verfahren sowie eine zur Ausübung des Verfahrens dienende Vorrichtung näher erläutert. In the following, the inventive method and an apparatus used to practice the method are explained in more detail with reference to the drawings.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Bearbeitungslasers mit in den Strahlengang des Bearbeitungslasers eingeblendetem Laser-Messstrahl. 1 shows the schematic structure of a processing laser with a laser measuring beam superimposed on the beam path of the processing laser.

In Fig. 1 ist eine Anordnung zum hochgenauen Bearbeiten eines im Arbeitsfeld 1 eines Bearbeitungslasers 2 angeordneten Werkstückes 3 dargestellt. Der z. B. als YAG-Laser gebildete Bearbeitungslaser steht mit einer Spannungsquelle 4 in Verbindung; die Wellenlänge des Laserstrahles 5 beträgt 1,06 fj.m. Der Bearbeitungslaserstrahl wird über eine Fokussie-rungsoptik 6 mittelbar über einen Spiegel 7 einer Laserstrah-len-Steueroptik 8 in das Arbeitsfeld 1 des Bearbeitungslasers gelenkt. In der dargestellten Nullage schneidet der Laserstrahl senkrecht den Koordinaten-Nullpunkt 0 der Arbeitsfeldebene. Eine weitere Spannungsquelle 9 steht in Verbindung mit einem He-Ne-Laser 19, der einen Messstrahl 10 liefert, der über eine Fokussierungsoptik 11 mittels des Spiegels 7 in den Laserstrahl 5 einblendbar ist; er schneidet daher ebenfalls den Koordinaten-Nullpunkt 0 der Arbeitsfeldebene 1. Die Auslenkung der Laserstrahlen in den beiden orthogonalen Koordinatenrichtungen X und Y der Arbeitsfeldebene erfolgt mittels Galvanometermotoren 8x und 8y. Das vom Werkstück reflektierte Licht des Messlaserstrahles wird über einen Adapter 12 lichtempfindlichen Zellen (Sensoren) 13,14 zugeleitet, die ein dem Lichtimpuls proportionales Signal einem Diskriminator 15 zuleiten, dessen Ausgangssignal 16 an einem Prozessrechner 17 liegt. Der Prozessrechner wertet das Reflexionssignal im Vergleich mit einem gespeicherten Programm und steuert die Galvanometermotoren 8x und 8y. Fernerhin gibt er nach erfolgter Bearbeitung des Werkstückes 3 - unter Zwischenschaltung einer hier nichtdargestellten Abgleich-Messvorrich-tung — über den Leitungszug 18 Steuerbefehle zum Bestücken und Entladen des Arbeitsfeldes 1 mit einem Werkstück. 1 shows an arrangement for high-precision machining of a workpiece 3 arranged in the working field 1 of a processing laser 2. The z. B. formed as a YAG laser processing laser is connected to a voltage source 4; the wavelength of the laser beam 5 is 1.06 fj.m. The processing laser beam is directed via a focusing optics 6 indirectly via a mirror 7 of a laser beam control optics 8 into the working area 1 of the processing laser. In the zero position shown, the laser beam perpendicularly intersects the coordinate zero point 0 of the working field level. Another voltage source 9 is connected to a He-Ne laser 19, which supplies a measuring beam 10 which can be faded into the laser beam 5 via a focusing lens 11 by means of the mirror 7; it therefore also intersects the coordinate zero point 0 of the working field level 1. The deflection of the laser beams in the two orthogonal coordinate directions X and Y of the working field level takes place by means of galvanometer motors 8x and 8y. The light of the measuring laser beam reflected from the workpiece is fed via an adapter 12 light-sensitive cells (sensors) 13, 14, which feed a signal proportional to the light pulse to a discriminator 15, the output signal 16 of which is at a process computer 17. The process computer evaluates the reflection signal in comparison with a stored program and controls the galvanometer motors 8x and 8y. Furthermore, after the workpiece 3 has been machined - with the interposition of a comparison measuring device (not shown here) - it gives control commands via the cable 18 for loading and unloading the working area 1 with a workpiece.

Der He-Ne-Laser 19 liefert einen Laserstrahl 10, dessen Wellenlänge 0,63 fi m beträgt. Die Leistung dieses Lasers ist gering; sie beträgt beispielsweise 10 bis 20 mW. The He-Ne laser 19 delivers a laser beam 10, the wavelength of which is 0.63 μm. The power of this laser is low; for example, it is 10 to 20 mW.

Wird das Arbeitsfeld 1 des Bearbeitungslasers mit einem Werkstück 3 beschickt, so ist in vielen Fällen nicht auszu-schliessen, dass der Flächenmittelpunkt M des Werkstückes 3 ausserhalb der Mitte 0 des Arbeitsfeldes gelegen ist. Soll das Werkstück über einen Prozessrechner, wie bei 17 dargestellt, gemäss einem gespeicherten Programm bearbeitet werden, so If the work field 1 of the processing laser is loaded with a workpiece 3, it cannot be ruled out in many cases that the center of the surface M of the workpiece 3 is located outside the center 0 of the work field. If the workpiece is to be processed using a process computer, as shown at 17, in accordance with a stored program, so

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ist dies nur möglich, wenn die Mittelpunktkoordination M des Werkstückes mit den Mittelpunktkoordinaten 0 - des Arbeitsfeldes — zusammenfallen. Da jedoch die Lage des Werkstückes im Arbeitsfeld nicht genau definiert ist, ist es erforderlich, die Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes zu bestimmen. Kennt man die Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes des Bearbeitungslasers, so können durch eine vom Prozessrechner 17 vorzunehmende Koordinatentransformation die aus dem gespeicherten Programm des Prozessrechners ausgelesenen Steuerkoordinaten auf den Werkstück-Mittelpunkt transformiert und nunmehr an die Galvanometermotoren 8x und 8y geliefert werden. Um diese Korrekturwerte zu erhalten, ist es jedoch zunächst erforderlich, die Lage des Werkstückes 3 innerhalb des Arbeitsfeldes 1 zu bestimmen. Dazu wird in einem ersten Arbeitsschritt durch den Lasermessstrahl 10 die Werkstückoberfläche abgetastet, wobei diese abgetasteten Werte mit den gespeicherten, der Werkstückform und -grosse entsprechenden bekannten Werten im Prozessrechner verglichen werden. Aus diesen abgetasteten Werten lässt sich sodann der Bearbeitungsmittelpunkt oder Koordinatenmittelpunkt M des Werkstückes innerhalb der Koordinaten des Arbeitsfeldes 1 errechnen. this is only possible if the center coordinate M of the workpiece coincides with the center coordinate 0 - the work area. However, since the position of the workpiece in the work area is not precisely defined, it is necessary to determine the position of the workpiece within the work area. If the position of the workpiece within the working field of the processing laser is known, the coordinate coordinates read out from the stored program of the process computer can be transformed to the center of the workpiece by a coordinate transformation to be carried out by the process computer 17 and can now be delivered to the galvanometer motors 8x and 8y. In order to obtain these correction values, however, it is first necessary to determine the position of the workpiece 3 within the working field 1. For this purpose, the workpiece surface is scanned in a first work step by the laser measuring beam 10, these scanned values being compared with the stored values stored in the process computer corresponding to the shape and size of the workpiece. The machining center or coordinate center M of the workpiece within the coordinates of the working field 1 can then be calculated from these sampled values.

Fig. 2 zeigt eine in der Ebene des Arbeitsfeldes 1 gelegene Werkstückoberfläche 3, die hier in Form einer kreisförmigen Scheibe gebildet ist. Zum Erkennen der Lage der hinsichtlich Form und Grösse bekannten Werkstückoberfläche im Arbeitsfeld des Bearbeitungslasers wird zunächst der Messlaserstrahl aus der O-Lage des Arbeitsfeldes entlang der X-Achse zum Koordinatenfeldrand Ry 1 bewegt. Dabei entsteht über die Strecke Sx 1 ein Reflexions-Signal, welches im Punkt P 1 erlischt. Nunmehr wird der Messlaserstrahl wieder entlang der X-Achse des Arbeitsfeldes bis zum Arbeitsfeldrand Ry 2 zurückgesteuert; dabei entsteht ein Reflexions-Signal Sx 2. Ist das Reflexions-Signal Sx 1 grösser als Sx 2, so liegt der Kreismittelpunkt M links um die Grösse —Ax, andernfalls rechts von der Y-Achse. Ist bei einer kreisförmigen Fläche die Grösse bekannt, so ist damit auch der Mittelpunkt des Kreises M bekannt. Indessen genügt diese Feststellung zur Lage des Kreismittelpunktes innerhalb der Arbeitsfläche nicht. Die Streckengrösse Sx kann oberhalb oder unterhalb des Mittelpunktes gelegen sein. Dazu ist es erforderlich, den Lasermessstrahl um eine Streckengrösse Y' abzulenken und erneut parallel zur Strecke Sx zu führen. Man erhält ein zweites Signal Sx' — im vorliegenden Beispiel ist die Streckengrösse Sx' grösser als die Streckengrösse Sx. Dadurch ist bekannt, dass der Kreismittelpunkt M oberhalb der X-Achse des Koordinatenmittelpunktes 0 des Arbeitsfeldes gelegen ist. Durch Halbieren der Strecke Sx sind bei einer bekannten Kreisfläche nunmehr die Mittelpunktkoordinaten M der Kreisfläche bzw. des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes errechenbar. Sind die Mittelpunktkoordinaten der Werkstückfläche M bekannt, so sind auch die Korrekturgrössen Ax bzw. Ay bestimmbar bzw. bekannt. Soll mittels des Bearbeitungslaserstrahles eine kreisförmige Nut 20 in die Werkstückoberfläche eingearbeitet werden, so sind die Steuerkoordinaten für die Galvanometermotoren zur Ablenkung des Laserstrahles um die vorgenannten Korrekturwerte zu berichtigen. 2 shows a workpiece surface 3 located in the plane of the working field 1, which is formed here in the form of a circular disk. To detect the position of the workpiece surface known in terms of shape and size in the working field of the machining laser, the measuring laser beam is first moved from the O position of the working field along the X axis to the coordinate field edge Ry 1. This creates a reflection signal over the distance Sx 1, which goes out at point P 1. Now the measuring laser beam is steered back along the X axis of the working field up to the working field edge Ry 2; this produces a reflection signal Sx 2. If the reflection signal Sx 1 is greater than Sx 2, the center of the circle M lies on the left by the size —Ax, otherwise to the right of the Y axis. If the size of a circular surface is known, the center of the circle M is also known. However, this statement about the position of the center of the circle within the working area is not sufficient. The route size Sx can be located above or below the center point. To do this, it is necessary to deflect the laser measuring beam by a distance Y 'and to guide it again parallel to the distance Sx. A second signal Sx 'is obtained - in the present example, the link size Sx' is larger than the link size Sx. It is thereby known that the center of the circle M is located above the X axis of the center of coordinate 0 of the working field. With a known circular area, the center point coordinates M of the circular area or of the workpiece within the working field can now be calculated by halving the distance Sx. If the center coordinates of the workpiece surface M are known, then the correction variables Ax and Ay can also be determined or known. If a circular groove 20 is to be machined into the workpiece surface by means of the processing laser beam, the control coordinates for the galvanometer motors for deflecting the laser beam are to be corrected by the aforementioned correction values.

In Fig. 3 ist innerhalb der Arbeitsfläche 1 des Bearbeitungslasers ein Werkstück mit einer bekannten rechteckigen Arbeitsfläche 3 gelegen. Dieses Werkstück kann hier auch um seine durch den Werkstückmittelpunkt M geführte Z-Achse gedreht sein. Auch hier verfährt man wie vorbeschrieben. Zunächst wird der Lasermessstrahl in X-Richtung entlang der X-Achse über die Werkstückoberfläche bewegt, so dass die Punkte P 1 und P 2 bzw. die Streckenlängen (Signaldauer) A Sx und Sx bekannt sind. Sodann wird der Laserstrahl um die Streckengrösse Y' ausgesteuert und erneut parallel zur X-Achse über die Werkstückoberfläche geführt. Man erhält sodann die Punkte P 1' und P 2' bzw. das Signal Sx', womit die Lage des Werkstückes indessen noch nicht eindeutig innerhalb des Arbeitsfeldes festgelegt ist. Diese Grössen Sx und Sx' können offenbar hier oberhalb und unterhalb des Mittelpunktes M des Werkstückes vorkommen. Zur genauen Erkennung der Lage des Werkstückes im Arbeitsfeld ist es daher vorteilhaft, durch eine Auslenkung des Lasermessstrahles in Richtung der Y-Achse die Streckengrössen Sy 1 und Sy 2 zu ermitteln. Damit ist die Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes eindeutig. Aus den gemessenen Werten lässt sieh nunmehr die Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes bestimmen. In entsprechender Weise kann man auch zur Bestimmung der Lage eines Werkstückes im Arbeitsfeld bei anderen bekannten Flächenformen verfahren. Auch ist es möglich, durch zeilenförmiges mehrfaches Abtasten nur in einer Koordinaten-Richtung, z. B. in der X-Richtung, die Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes ebenfalls eindeutig zu bestimmen. 3, a workpiece with a known rectangular working surface 3 is located within the working surface 1 of the processing laser. This workpiece can also be rotated here about its Z axis, which is guided through the workpiece center M. Here too, the procedure is as described above. First, the laser measuring beam is moved in the X direction along the X axis over the workpiece surface, so that the points P 1 and P 2 or the path lengths (signal duration) A Sx and Sx are known. The laser beam is then steered by the path size Y 'and again guided parallel to the X axis over the workpiece surface. The points P 1 'and P 2' or the signal Sx 'are then obtained, whereby the position of the workpiece, however, is not yet clearly defined within the working field. These sizes Sx and Sx 'can obviously occur here above and below the center M of the workpiece. For precise detection of the position of the workpiece in the working area, it is therefore advantageous to determine the path sizes Sy 1 and Sy 2 by deflecting the laser measurement beam in the direction of the Y axis. The position of the workpiece within the working area is therefore clear. From the measured values, the position of the workpiece within the work area can now be determined. A corresponding procedure can also be used to determine the position of a workpiece in the working area in the case of other known surface shapes. It is also possible, by line-shaped multiple scanning, only in one coordinate direction, e.g. B. in the X direction, the position of the workpiece within the work area also clearly to determine.

In den Fig. 4 und 5 ist der gemäss Fig. 1 bis 12 dargestellte Adapter im Längsschnitt und in der Ansicht gegen seine dem Werkstück zugekehrte Stirnfläche dargestellt. Der Adapter 12 besitzt einen mittigen Kanal 21, durch welchen die Laserstrahlen auf die Werkstückoberfläche gelangen. Er besteht aus einem Tubus 22 mit darin eingelassenen Lichtleitfasern 23; diese Lichtleitfasern schliessen mit ihren Stirnenden 23' bündig mit der Stirnfläche 24 des Adapters ab. Wie insbesondere aus Fig. 5 zu ersehen ist, sind die Lichtleitfasern in Form eines Kranzes um den Kanal 21 angeordnet. Die Lichtleitfaser-Stirnflächen sind in der Fig. 5 als Punkt A 23' oder Kreuz B 23' dargestellt und in zwei Gruppen A und B gegliedert. Die mit einem Kreuz bezeichneten Stirnenden B 23' sind der Gruppe B und die mit einem Punkt bezeichneten Stirnenden A 23' der Gruppe A zugehörig, derart, dass die der Gruppe A zugehörigen Lichtleitfasern in der Teilungsfolge 1, 3, 5 ... und die der Gruppe B zugehörigen Lichtleitfasern in der Teilungsfolge 2, 4, 6 ... im Kranz angeordnet sind. 4 and 5, the adapter shown in FIGS. 1 to 12 is shown in longitudinal section and in view against its end face facing the workpiece. The adapter 12 has a central channel 21 through which the laser beams reach the workpiece surface. It consists of a tube 22 with optical fibers 23 embedded therein; These optical fibers terminate with their ends 23 'flush with the end face 24 of the adapter. As can be seen in particular from FIG. 5, the optical fibers are arranged in the form of a ring around the channel 21. The optical fiber end faces are shown in FIG. 5 as point A 23 'or cross B 23' and divided into two groups A and B. The ends B 23 'denoted by a cross belong to group B and the ends A 23' denoted by a dot belong to group A, such that the optical fibers belonging to group A in the division sequence 1, 3, 5 ... and the the optical fibers belonging to group B are arranged in the division sequence 2, 4, 6 ... in the ring.

Wie weiter aus den Fig. 6 und 7 zu ersehen ist, ist die Werkstüekoberfläche 3 nicht absolut eben, sondern sie besitzt je nach ihrem Herstellungsprozess eine mehr oder weniger rauhe, z. B. Riefen aufweisende Oberfläche. Beim Abtasten des Werkstückes durch den Lasermessstrahl wird daher das Reflexionslicht an der Oberfläche gebeugt bzw. unterschiedlich abgelenkt. Wie Fig. 7 zeigt, entsteht dadurch eine Beugungsfigur, die von der Flächenstruktur und Lage der Oberfläche innerhalb des Arbeitsfeldes abhängig ist. Besonders stark tritt dieser Effekt in Erscheinung, wenn die Oberfläche F gemäss Fig. 6 Schleifriefen 25 od. dgl. aufweist, die meist parallel zueinander verlaufen. Ein Ausrichten des Werkstückes 3 im Arbeitsfeld 1, z. B. derart, dass die Schleifriefen parallel zur X-Achse verlaufen, ist nur schwer möglich. Verlaufen die Schleifriefen, wie in Fig. 6 dargestellt, unter einem Winkel zur X-Achse, so entsteht ein der Fig. 7 ähnliches Beugungsbild. Um dieses Beugungsbild erfassen zu können, sind, wie in Fig. 4 und 5 dargestellt, die Lichtleitfasern ringförmig über den Behandlungsort angeordnet. Besonders störend wirkt sich bei nicht ebenen Oberflächen sowie nicht gleichmässig ausgeleuchteten Arbeitsflächen der Einfluss des Tageslichtes aus. Zur genauen Erfassung des Reflexions-Signals ist es daher dienlich, den Tageslichteinfluss zu eliminieren. Aus diesem Grunde sind die Lichtleitfasern im Sensor 12 in zwei Gruppen A und B angeordnet. As can further be seen from FIGS. 6 and 7, the workpiece surface 3 is not absolutely flat, but it has, depending on its manufacturing process, a more or less rough, e.g. B. Grooved surface. When the workpiece is scanned by the laser measuring beam, the reflection light on the surface is therefore diffracted or deflected differently. As shown in FIG. 7, this creates a diffraction figure that depends on the surface structure and position of the surface within the working field. This effect is particularly pronounced when the surface F according to FIG. 6 has grinding grooves 25 or the like, which usually run parallel to one another. Aligning the workpiece 3 in the work area 1, for. B. such that the grinding grooves run parallel to the X-axis is difficult. If the grinding grooves, as shown in FIG. 6, run at an angle to the X axis, a diffraction pattern similar to FIG. 7 is produced. In order to be able to record this diffraction pattern, as shown in FIGS. 4 and 5, the optical fibers are arranged in a ring over the treatment site. The influence of daylight is particularly disruptive for non-flat surfaces and for work surfaces that are not evenly illuminated. For the exact detection of the reflection signal it is therefore useful to eliminate the influence of daylight. For this reason, the optical fibers in the sensor 12 are arranged in two groups A and B.

Fig. 8 zeigt die Anordnung der Lichtleitfaserbündel in den Gruppen A und B. Das von der Werkstück-Oberfläche reflektierte Licht wird von den Lichtleitfasern zu jeweils einem Fotoelement 27 und 28 übertragen. Durch Vorschalten von jeweils einem Inteferenzfilter 29, 30 erreicht man, dass das Fotoelement 27 das He-Ne-Laserlicht und ein Band des Umgebungslichtes mit 633 nm detektiert und ferner, dass das 8 shows the arrangement of the optical fiber bundles in groups A and B. The light reflected from the workpiece surface is transmitted from the optical fibers to a photo element 27 and 28, respectively. By inserting an interference filter 29, 30 in each case, it is achieved that the photo element 27 detects the He-Ne laser light and a band of the ambient light with 633 nm and furthermore that

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

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Fotoelement 28 nur ein Band des Umgebungslichtes mit 601 nm detektiert. Der Anteil des Umgebungslichtes verursacht auf den beiden Detektoren 27, 28 nahezu den gleichen Spannungshub. Photo element 28 only detected a band of ambient light at 601 nm. The proportion of ambient light causes almost the same voltage swing on the two detectors 27, 28.

Der Aufbau der Diskriminatorschaltung zum Eliminieren 5 des Tageslichteinflusses ist in Fig. 9 dargestellt. An den Eingängen 27' und 28' der Verstärker 31 und 32 liegen die Ausgänge der fotoempfindlichen Elemente 27 und 28. Die Potentiometer 33 und 34 sind derart gestellt, dass bei ausgeschaltetem He-Ne-Laser am Ausgang des Messwertverstärkers 37 ein 10 Nullpotential anliegt. Während eines Messzyklus ist lediglich der Filter 29 für die Wellenlänge des Messlaserstrahles durchlässig, so dass der durch den Lasermessstrahl verursachte Spannungshub als Messwert am Ausgang 35 des Messwertver-stärkers 37 erscheint, der nunmehr einem Endverstärker 38 15 zugeleitet wird, dessen Ausgang an einem Schmitt-Trigger 39 liegt; er setzt das Messsignal in auswertbare Messsignale 40 um, welche über den Ausgang 41 dem Prozessrechner zugeleitet werden. The structure of the discriminator circuit for eliminating 5 the influence of daylight is shown in FIG. 9. The outputs of the photosensitive elements 27 and 28 are located at the inputs 27 'and 28' of the amplifiers 31 and 32. The potentiometers 33 and 34 are set such that a 10 zero potential is present at the output of the measured value amplifier 37 when the He-Ne laser is switched off. During a measuring cycle, only the filter 29 is transparent to the wavelength of the measuring laser beam, so that the voltage swing caused by the laser measuring beam appears as a measured value at the output 35 of the measured value amplifier 37, which is now fed to a power amplifier 38 15, the output of which is sent to a Schmitt Trigger 39 lies; it converts the measurement signal into evaluable measurement signals 40 which are fed to the process computer via the output 41.

Der Prozessrechner ist vorteilhaft als Mikroprozessor mit 20 16 Byte-Speichern mit wahlweisem Zugriff (RAM) und 1,5 kByte-Auslesespeichern (RPROM) sowie mit einer Über616 357 The process computer is advantageous as a microprocessor with 20 16 byte memories with optional access (RAM) and 1.5 kbyte readout memories (RPROM) as well as with an over 616 357

wachungsschaltung (Kontrollhardware) gebildet. Wegen des grossen Störpegels bei gepulsten Laseranlagen sind die Überwachungsschaltungen und Speicher in CMOS-Technik aufgebaut. guard circuit (control hardware) formed. Because of the high level of interference in pulsed laser systems, the monitoring circuits and memory are constructed using CMOS technology.

Der digitale Ausgang des Mikroprozessor wird einem 12-Bit-Digital-Analogwandler zugeführt, dessen analoger Ausgang einen Leistungsverstärker und die nachgeschalteten galvanometrischen Motoren (Fig. 1) steuert. Die eigentliche Berechnung des Mittelpunktes erfolgt durch die Software, wobei die bekannte Oberflächen-Figur des Werkstückes im Auslesespeicher (RPROM) gespeichert ist. Durch eine programmierte Überschwingung wird die Hysterese der galvanometrischen Motoren 8x und 8y innerhalb enger Grenzen gehalten. Die freiprogrammierbare Steuerung hat den Vorteil, dass durch Änderung der Software die Position von anderen Flächenformen oder einfachen Figuren mit der gleichen Hardware bestimmbar ist. Unter Verwendung dieser Vorrichtung ist eine Positionsbestimmung des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes etwa bei Flächengrössen von 15 mm2 mit einer Genauigkeit von 1,3% möglich. Diese Genauigkeit ist nicht vom Mikroprozessor abhängig, sondern von den Ablenkorganen und von der Fokussieroptik. The digital output of the microprocessor is fed to a 12-bit digital-to-analog converter, the analog output of which controls a power amplifier and the downstream galvanometric motors (FIG. 1). The actual calculation of the center point is carried out by the software, the known surface figure of the workpiece being stored in the readout memory (RPROM). A programmed overshoot keeps the hysteresis of the 8x and 8y galvanometric motors within narrow limits. The freely programmable control has the advantage that the position of other surface shapes or simple figures can be determined with the same hardware by changing the software. Using this device, it is possible to determine the position of the workpiece within the working field, for example with area sizes of 15 mm 2, with an accuracy of 1.3%. This accuracy does not depend on the microprocessor, but on the deflection elements and the focusing optics.

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2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims (9)

616 357616 357 1. Verfahren zum hochgenauen Bearbeiten eines im Arbeitsfeld eines Bearbeitungslasers angeordneten Werkstückes, wobei man in den Strahlengang des Laser-Bearbeitungsstrah-les einen Laser-Messstrahl einblendet und die Laserstrahlen mittels gesteuerter Galvanometerspiegel in zwei orthogonalen Richtungen auslenkt, dadurch gekennzeichnet, dass man mittels des Laser-Messstrahles die in ihrer Form und Grösse bekannte Werkstückoberfläche abtastet und das von der Werkstückoberfläche reflektierte Licht des Laser-Messstrahles zur Erkennung der Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes des Bearbeitungslasers nutzt. 1. A method for high-precision machining of a workpiece arranged in the working field of a processing laser, wherein a laser measuring beam is faded into the beam path of the laser processing beam and the laser beams are deflected in two orthogonal directions by means of a controlled galvanometer mirror, characterized in that one uses the laser -Measurement beam scans the workpiece surface known in its shape and size and uses the light of the laser measurement beam reflected from the workpiece surface to detect the position of the workpiece within the working area of the processing laser. 2. Bearbeitungslaser zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, mit von einem programmierbaren Prozessrechner gesteuerten Galvanometerspiegel-Antrieben zur Steuerung der optischen Achse des Laserbearbeitungsstrahles auf den jeweiligen Bearbeitungsort eines im Arbeitsfeld des Bearbeitungslasers angeordneten Werkstückes, wobei der Bearbeitungslaser in seinem Strahlengang einen Spiegel zum Einblenden des Laser-Messstrahles aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass er einen zwischen Werkstück (3) und Einblendspiegel (7) angeordneten, den Laserstrahlengang umgebenden und das vom Bearbeitungsort des Werkstückes reflektierte Licht des Laser-Messstrahles adaptierenden Sensor (12) aufweist. 2. Processing laser for performing the method according to claim 1, with a programmable process computer controlled galvanometer mirror drives for controlling the optical axis of the laser processing beam on the respective processing location of a workpiece arranged in the working area of the processing laser, the processing laser in its beam path a mirror for fading in Laser measuring beam, characterized in that it has a sensor (12) arranged between the workpiece (3) and the fading-in mirror (7), surrounding the laser beam path and adapting the light of the laser measuring beam reflected from the machining location of the workpiece. 2 2nd PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 3. Verfahren nach Patentanspruch 1 unter Verwendung eines programmierbaren, den Laser-Bearbeitungsstrahl mittelbar steuernden Prozessrechners, dadurch gekennzeichnet, dass man durch Abtasten der bekannten Bearbeitungsfläche (3) des Werkstückes mittels des im Strahlengang des Bearbeitungslasers eingeblendeten Laser-Messstrahles (10) die Lagekoordinaten der Werkstückoberfläche in bezug auf die Mittelpunktkoordinaten der Arbeitsfläche (1) des Bearbeitungslasers ermittelt, indem man die Intensitäten des von der Werkstückoberfläche reflektierenden Lichtes in analoge Spannungsgrös-sen umwandelt und letztere dem Prozessrechner (17) zuführt, der aus diesen Signalen die Mittelpunktskoordinaten der Werkstückoberfläche im Arbeitsfeld errechnet sowie das Steuerprogramm für den Laser-Bearbeitungsstrahl auf die Mittelpunktskoordinaten der Werkstückoberfläche transformiert. 3. The method according to claim 1 using a programmable, the laser processing beam indirectly controlling process computer, characterized in that by scanning the known processing surface (3) of the workpiece by means of the laser measuring beam (10) superimposed in the beam path of the processing laser, the position coordinates of the Workpiece surface in relation to the center coordinates of the working surface (1) of the processing laser is determined by converting the intensities of the light reflecting from the workpiece surface into analog voltage values and feeding the latter to the process computer (17), which uses these signals to determine the center coordinates of the workpiece surface in the working field calculated and the control program for the laser machining beam transformed to the center coordinates of the workpiece surface. 4. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass man zur deutlicheren Erkennung des vom Laser-Messstrahl (10) an der Werkstückoberfläche (3) erzeugten Reflexionssignals den Fremdlichtanteil eliminiert. 4. The method according to claims 1 and 3, characterized in that the extraneous light component is eliminated for clearer detection of the reflection signal generated by the laser measuring beam (10) on the workpiece surface (3). 5. Bearbeitungslaser nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (12) als Lichtleitfasern (23) enthaltender Ring ausgebildet ist, wobei die Lichtleitfaser-Stirnenden (23') kranzförmig verteilt und auf die Arbeitsfläche (1) des Bearbeitungslaserstrahles (5) gerichtet sind. 5. Processing laser according to claim 2, characterized in that the sensor (12) is designed as an optical fiber (23) containing ring, the optical fiber end faces (23 ') distributed in a ring shape and directed onto the working surface (1) of the processing laser beam (5) are. 6. Bearbeitungslaser nach den Patentansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die im Sensor (12) enthaltenen Lichtleitfasern (23) in zwei Gruppen (A und B) gegliedert sind, wobei die Lichtleitfasern einer jeden Gruppe unter Zwischenschaltung eines Interferenzfilters (29, 30) mit jeweils einem die Lichtintensität in eine Spannungsgrösse umwandelnden Element (27, 28) gekoppelt sind. 6. Processing laser according to claims 2 and 5, characterized in that the optical fibers (23) contained in the sensor (12) are divided into two groups (A and B), the optical fibers of each group with the interposition of an interference filter (29, 30 ) are each coupled to an element (27, 28) converting the light intensity into a voltage variable. 7. Bearbeitungslaser nach den Patentansprüchen 2, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfasern (23) der einen Gruppe (A) in der Teilungsfolge 1,3,5 ... und die Lichtleitfasern der anderen Gruppe (B) in der Teilungsfolge 2, 4, 6 ... und untereinander im gleichen Teilungsabstand angeordnet sind. 7. Processing laser according to claims 2, 5 and 6, characterized in that the optical fibers (23) of one group (A) in the division sequence 1,3,5 ... and the optical fibers of the other group (B) in the division sequence 2, 4, 6 ... and are arranged at the same pitch apart. 8. Bearbeitungslaser nach den Patentansprüchen 2 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fotoelement (27) He-Ne-Laserlicht und ein Band des Umgebungslichtes mit 633 nm mittlerer Wellenlänge und das andere Fotoelement (28) nur ein Band des Umgebungslichtes mit 601 nm mittlerer Wellenlänge detektiert. 8. Processing laser according to claims 2 and 5 to 7, characterized in that a photo element (27) He-Ne laser light and a band of ambient light with 633 nm medium wavelength and the other photo element (28) only a band of ambient light with 601 nm medium wavelength detected. 9. Bearbeitungslaser nach den Patentansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass den Fotoelementen (27, 28) ein Diskriminator (Fig. 9) zum Eliminieren des Tageslichteinflusses nachgeschaltet ist. 9. Processing laser according to claims 2 and 8, characterized in that the photo elements (27, 28) is followed by a discriminator (Fig. 9) for eliminating the influence of daylight.