DD140117B1

DD140117B1 - Anordnung zur praezisionsmaterialbearbeitung mittels laserstrahlen

Info

Publication number: DD140117B1
Application number: DD21013778A
Authority: DD
Inventors: Manfred Poehler; Gisbert Staupendahl; Fritz Echtermeyer
Original assignee: Manfred Poehler; Gisbert Staupendahl; Fritz Echtermeyer
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1978-12-27
Publication date: 1981-07-29
Also published as: GB2040074A; GB2040074B; DE2947071A1; DD140117A1

Description

Anmelder: Halle, den 05. 11. 1980

VEB Kombinat

Feinmechanische Werke Halle

402 Halle/S., Rudolf-Breitscheid-Str. 71

Vertreter:

Pat.-Ing. Klaus Echtermeyer 402 Halle/S., Saatv/eg 23

Titel der Erfindung

Anordnung zur Justierung des Laserstrahles einer Idaterialbearbeitungseinrichtung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Justierung des Laser strahles einer Liaterialbearbeitungseinrichtung zum Schneiden, Schweißen und Gravieren in vorgegebenen numerisch gesteuerten Bahnen und Konturen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der Zeitschrift Laser und Elektro-Optik, Heft 1/1975, S. 18 wird bereits der Einsatz der Laserstrahlen zur Bearbeitung von verschiedenen Materialien beschrieben, bei der die I£anipulation der Laserstrahlen auf den Ort der LIaterialbearbeitung erfolgt. Hierbei werden relative Bewegungen zwischen dem Laserstrahl und der zu bearbeitenden Werkstückebene ausgeführt. Der Nachteil dieser bekannten technischen Lösung besteht darin, daß bei der

Präzisionsbearbeitung im Bereich von hundertstel Jlillimetern der Laser und die Laseroptik gemeinsam über das Werkstück bewegt werden muß und infolge der LIassenträgheit dieser Aggregate nur verhältnismäßig geringe Bearbeitungsgeschwindigkeiten mit einem hohen Genauigkeitsgrad erzielt werden. Laser großer kontinuierlicher Ausgangsleistung weisen auch ein hohes Gewicht auf, wodurch

die Präzisionsmaterialbearbeitung erschwert wird. Diesen Nachteil wird in der DD-PS 127 550 dadurch begegnet, indem nor die leichte Laseroptik mit hoher Geschwindigkeit über die Werkstückebene bewegt wird. Hierbei wird zwischen dem Auskoppelfenster des Lasers und dem. Laserstrahl auf zwei an der Führungsmaschine angeordnete Umlenkspiegel ein jus tierbares Reflexionsspiegelpaar angeordnet, dessen Krümmungsradien aufeinander abgestimmt sind. Die Spiegelgeometrie wird durch die Abstandsänderung der Spiegel des Reflexionsspiegelpaares beeinflußt. Bei dieser Laserschneideinrichtung ist eine Präzisionsbearbeitung hoher Reproduzierbarkeit nicht möglich, da beim Bearbeitungsvorgang infolge der Bewegungen permanent Dejustiarungen der Laserstrahlrichtungen auftreten. Aus der DS-OS 2222668 sind Justiarvorrichtungen von Laserspiegeln bekannt, die extern mit Mikromaterschrauben eingestellt werden, wobei 3 jeweils 120° versetzte Justierpunkte auf Konusmikromaterspindeln eine Justierung der Spiegel auf einer definierten Achse ermöglichen. Der Mangel dieser Anordnung besteht darin, daß neben der kostenintensiven Konstruktion eine ständige Hachjustierung an dar axialen Mikromatarschraube der Spiegel insbesondere bei der Präzisionsmaterialbearbeitung erforderlich ist. Alle diese bekannten Vorrichtungen besitzen den Nachteil, daß die Meßergebnisse, infolge einer bisher unkontrollierbaren Raflexionsstrahlung vom Werkstück auf die Meßwerke, verfälscht werden und demzufolge kein exakter Ist-Wert-Soll-7/ert-Vergleich angestellt werden kann.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung zur Justierung eines Laserstrahles, die während des Betriebes sowohl eine Steigerung der Arbeitsproduktivität, als auch eine reproduzierbar hohe Bearbeitungsqualität garantiert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Justierung eines Laserstrahles zur numerisch gesteuerten Präzisionsmaterialbearbeitung, die mit einer beweglichen Bearbeitungsoptik ausgestattet ist, derart zu konzipieren, daß eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit im hundertstel Millimeter-Genauigkeitsbereich erreicht wird·

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird folgendermaßen gelöst: ober einer Bearbeitungsfläche ist eine Präzisionsführungseinrichtung, in der bekannten Bauart eines Querträgersupportes, fahrbar angeordnete Die Präzisionsführungseinrieb= tung enthält einen X- und einen Y-Antrieb, die mit einer numerischen Steuerung verbunden sind, ein Meßwerk mit ei= ner Meßlochblende und einem darunter angeordneten Laserschneidkopf der etwa in 2 bis 3-facher Brennweite von der Laserschneidoptik entfernt ist« Das Meßwerk ist durch eine U,^-Spannung mit einer Vergleichs- !einrichtung verbunden. Außerhalb der Präzisionsführungseinrichtung befindet sich die Laserstrahlungsquelle mit ihrem teleskopischen System, ein MeßwerJc, das aus einem Umlenkmeßkörper und aus einem Meßkegel besteht, ein Steller, ein automatisch verstellbarer Justierspiegel und ein weiterer Steller. Am Meßwerk ist über eine üg-Spannung die Yergieichseinrichtung angeschlossen, die wiederum über einen Verstärker, einen Regler mit einer Grenzwerteinstellung und dem Steller korrespondiert. Am Regler ist über eine externe Führungsspannung ein Verstärker mit dem Regler verbunden, der auch mit dem Verstärker sowie mit dem Steller in Verbindung steht. Der Umlenkmeßkörper ist an seiner ebenen Reflexionsfläche hochreflektierend vergütet. Gegenüber der ebenen Reflexionsfläche ist unter einem Keilwinkel von 5° bis 17° eine gewölbte optisch abbildende Fläche angeordnet· Beim Betrieb der Anlage wird die Laserstrahlungsquelle, die mit dem teleskapischen System korrespondiert, exakt in

Richtung der ersten Koordinate der Präzisionsführungsein^ richtung gelenkt· Einer der Spiegel des teleskopischen Systemes ist ebenfalls zusätzlich als Umlenkmeßkörper ausgebildet. Der hochreflektierende Teil der Laserstrahlung des Umlenkmeßkörpers reflektiert den Laserstrahl über den Umlenkspiegel, durch die Meßlochblende zum Meßwerk in den Laserschneidkopf. Der transmittierende Anteil der Laserstrahlung gelangt als Meßsignal in den Meßkegel und wird hier als U^-Spannung sowie als U«-»Spannung zur Vergleichs- — einrichtung geführt· Das Meßsignal dient der Messung der Laserstrahlungsleistung während der Materialbearbeitung und wird zusätzlich der Stabilisierung der Laserstrahlungs«· quelle verwendet· Ein Spiegel des teleskopischen Systemes ist an einer Justierhalterung befestigt, die in zwei senkrecht zueinander justierbaren Koordinaten über die steuerbaren Steller und Steller unabhängig voneinander schwenkbar angeordnet sind. Störungen bei der Übertragung des hochreflektierenden Teiles aer Laserstrahlung, der Bewegung der Präzisionsführuxigseinrichtung der Leistungsechwankungen, der Strahlrichtungsänderungen und Netzspannungsschwankungen werden derart kompensiert, indem am Meßwerk des Umlenkmeßkörpers und am Meßwerk dezentrierende Strahlungsabschattungen an der Meßlochblende als Differenzwerte erfaßt werden und als Regelgrößen der dynamischen Nachjustage des automatischen Justierspiegels dienen»

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1j eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung,

Pig· 2* einen Schnitt durch einen Umlenkmeßkörper

3» einen Schnitt durch einen steuerbaren Steller

Ein bekannter Querträgersupport ist als Präzisionsfübungseinrichtung 38 über einer Bearbeitungsfläche 13 fahrbar angeordnet· Die Präzisionsführungseinrichtung 38 enthält einen Z-Antrieb 16 sowie einen Y-Antrieb 15» die mit einer numerischen Steuerung 14 gekoppelt sind, ein Meßwerk 12 mit ei*· ner Meßlochblende 21 und einen darunter angeordneten Laserschaeidkopf, der etwa in zwei- bis dreifacher Brennweite von der Laserschneidoptik entfernt ist* Das Meßwerk 12 ist durch eine U₁-Spannung 9 mit einer Meßwertspannungseinrichtung 3 verbunden. Außerhalb der Vergleichs - einrich* tung 38 befindet sich die Laserstrahlungsquelle 1 mit ihrem teleskopischen System 2, ein Meßwerk 11 mit einem Umlenkmeßkörper 36, das einen Meßkegel 28 besitzt, ein Steller 17, ein automatisch verstellbarer Justierspiegel 22 und ein Steller 18. Am Meßwerk 11 ist über eine U₂-Spannung 10 die Vergleichs - einrichtung 3 angeschlossen, die wiederum über einen Verstärker 4» einen Regler 6 mit einer Grenzwerteinstellung 19 und dem Steller 18 korrespondiert. Am Regler 6 ist über eine externe Führungsspannung 8 ein Verstärker 5 mit dem Regler 7 verbunden, der auch mit dem ver·^ stärker 4 sowie mit dem Steller 17 in Verbindung steht. Der an einer Systemhalterung 35 schwenkbar befestigte Umlenkmeßkörper 36 mit Kühlung 33 ißt an seiner ebenen Reflexionsfläche 41 hochreflektierend vergütet. Gegenüber der ebenen Reflexionsfläche 41 ist unter einem Keilwinkel 42 von 5° bis 17° eine gewölbte optisch abbildende Fläche 40 an^ geordnet. Beim Betrieb der Anlage wird die Laserstrahlungsquelle 1, die mit dem teleskopischen System 2 korrespondiert, exakt in Richtung der ersten Koordinate der Präzisionsführungseinrichtung 38 gelenkt· Einer der Spiegel des teleskop pischen Systems 2 ist ebenfalls zusätzlich als Umlenkmeßkörper 36 ausgebildet. Der hochreflektierende Teil der Laserstrahlung 25 des Umlenkmeßkörpers 36 reflektiert den Laserstrahl 27 über den Umlenkspiegel 20, durch die Meßlochblende 21 zum Meßwerk 12 in den Laserschneidkopf·

Der transmittierende Anteil der Laserstrahlung 26 gelangt als Meßsignal 29 in den Meßkegel 28 und wird hier als U₁-Spannung 9 sowie als Üp-Spannung 10 zur YergLe'ichs -einrichtung 3 geführt. Das Meßsignal 29 dient der Messung der Laserstrahlungsleistung während der Materialbearbeitung und wird zusätzlich zur Stabilisierung der Laserstrahlungsquelle 1 verwendet. Ein Spiegel des teleskopischen Systemes 2 ist an einer Justierhalterung 39 befestigt, die in zwei senkrecht zueinander justierbaren Koordinaten 30 über die steuerbaren Steller 17 und Steller 18, durch eine Einstellschraube 34, eine Regelsignaleingabe 31 und einen steuerbaren Steller 24, der vorzugsweise als piezoelektrisches Bauelement ausgeführt ist, unabhängig voneinander schwenkbar angeordnet sind. Störungen bei der übertragung des hochreflektierenden Teiles der Laserstrahlung 25, der Bewegung der Präzisionsführungseinrichtung 38, der Leistungsechwankungen, der Strahlrichtungsänderungen sowie NetzspannungsSchwankungen werden derart kompensiert, indem am Meßwerk des Umlenkmeßkörpers 11 und am Meßwerk 12, dezentrierende Strahlungsabschattungen an der Meßlochblende 21 als Differenzwerte erfaßt werden und als Regelgrößen der dynamischen Nachjustierung des automatischen Justierspiegels dienen. Pur den Einsatz der Spektralanalyse wird während der Bearbeitung der Unilenkmeßkörper 36 um 180° gedreht· Damit erhält der Meßkegel 28 unverfälschte Werte des Reflexionsanteiles des hochreflektierenden Teiles der Laserstrahlung 25 vom zu untersuchenden Werkstoff, wodurch Spektralanalysen auch an großflächigen Werkstoffen durchgeführt werden können. Die erfindungsgemäße Anordnung garantiert, infolge einer leichten, schnell arbeitenden und massearmen, automatisch justierbaren Regelung der Richtung der Laserstrahlen 27, eine Steigerung der Arbeitsproduktivität und einem Genauigkeitsgrad bei der Präzisionsmaterialbearbeitung im Bereich von hundertstel Millimetern.

Claims

Erfindungsanspruch:

1« Anordnung zur Justierung des Laserstrahles einer Materialbearbeitungseinrichtung mit numerischer Steuerung der Koordinaten einer Führungseinrichtung, wobei die Laserstrahlungsquelle mit ihrem teleskopischen System außerhalb der Bearbeitungsfläche angeordnet ist und der hochreflektierende Teil der Laserstrahlung von der Laserstrahlungsquelle über justierbare Umlenkspiegel in den Laserschneidkopf geleitet wird, gekennzeichnet dadurch, daß auf dem übertragungsweg des Laserstrahles nach der Laserstrahlungsquelle (1) und vor dem Laserschneidkopf je ein einen transmittierenden An*- teil die Laserstrahlung (25) erfassendes und diese in eine Meßspannung umformendes axs Umlenkmeßkörper (36) ausgebildetes Meßwerk angeordnet ist, deren Spannungen als Differenzwerte auf eine Vergleichseinrichtung gegeben werden und verstärkt über Regler (6;7) zwei Steller (17;18) ansteuern, die einen in einer in zwei Koordinaten schwenkbaren Halterung aufgenommenen Spiegel des teleskopischen Systems justieren©

· Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Umlenkmeßkörper (36) gegenüber seiner ebenen Reflexionsfläche (41) eine unter einem Keilwinkel von 5 bis 17° gewölbte optisch abbildende Fläche (40) aufweist, in der in seinem Heßkegel (28) Mittel zur Umformung der Laserstrahlung (25) in eine Meßspannubg angeordnet sind.

Hierzu_J..„_Seiten Zeichnungen