DE2034341B2 - Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlen - Google Patents

Description

gang des Lasers (1) ein ringförmiger Spiegel (26) Es ist jedoch schwierig, die Bearbeitung derart zi

im Strahlengang des Lasers (1) angeordnet ist. 50 s'eucrn, daß die Bearbeitungsstelle stets mit derr

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Brennpunkt des Laserlichtes koinzidiert. Bishei kennzeichnet, daß die aus dem zur Materialbear- wurde mit dem Auge festgestellt, ob die Bearbeibeitung dienenden Laser (1) rückwärtig austre- tungsstelle mit dem Brennpunkt des Laserlichtei tenden Strahlen als Kontrollicht (151, 152) die- koinzidiert oder nicht (deutsche Offenlegungsschrif nen und derart zur Fokussierlinse (3) umgelenkt 55 1 565 264). Nötigenfalls wurde der Brennpunkt vor werden, daß die optische Achse des Kontrollichts Hand verstellt. Diese Prozedur ist zeitraubend unc (151, 152) und die optische Achse der der Mate- insbesondere schwierig, wenn man gekrümmte ode rialbearbeitung dienenden Laserstrahlen (2) nicht kugelförmige Oberflächen bearbeiten muß.
koinzidieren und Kontrollstrahlen und Bearbei- Es ist ferner ein mit Laserstrahlen arbeitendes Ge tungsstrahlen in geringem Abstand voneinander 60 rät bekannt (französische Patentschrift 1513 750) auf die Werkstückoberfläche treffen. mit dem die gekrümmte Oberfläche eines Probekör

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge- pers fortlaufend automatisch abgetastet und vermes kennzeichnet, daß das Kontrollicht (151, 152) in sen werden kann. Dieses Gerät wurde bisher jedocl Form zweier Kontrollichtstrahlen umgelenkt nicht für die Materialbearbcitung mittels Laserstrah wird, denen eine Zweilochblende (36), zwei 65 len eingesetzt.

Lichtdetektoren (37, 38) und zwei Einrichtungen Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung au

(41, 42) zum Vergleich der Phasenlagen der dem Gebiet der Bearbeitung von Werkstücken mil

Lichtdetektorausgangsspannungen mit den Pha- tels Laserstrahlen Mittel anzugeben, die bewirker

daß die Laserstrahlen einer Bearbeitungsvorrichtung daß sie eine Neioun* von 45^ in bezue uf die x-

der eingangs genannten Art bei beliebigen zu bear- und y-Achse des BeaVbeitunasaeräts 100 :ben. Der

beitenden V\ erkstuckkorpern stets automatisch auf Kontrollichtstrahl 15 fällt mit einem Win.^1 von 45-

_die Werkstückoberflache fokussiert sind. _{in bezu}„ _{au{ den Spieael 9 ein}. _{und seine} reflektierte

Diese Au.gabe wird erfindungsgemäß durch eine 5 Komponente fällt mifeinem Winkel von 45^: in den

Lasen-ornchtung zur Matenalbearbeitung gelöst. Spieael 10 ein Der Spiegel 10 ist im Strahlenaana

welche dadurch gekennzeichnet ist. daß zur Errei- des Laserlichtes 2 anaeoranet. so daß er einen^TeH

chung einer dauernden Überwachung und selbsttäti- dieses Laserlichtes 2" reflektiert, wobei jedoch die

_ien Nachstellung der Lage des Brennpunktes eine hindurchsehende Komponente durch die Linse 3 auf

bei einer mittels Laserstrahlen arbeitenden Abtast- io das Werkstück 5 projiziert wird. Der Spiegel 10 läßt

einrichtung bekannte Anordnung verwendet wird. ebenfalls einen Teil des Kontrollichtstrahls 15 durch.

bei der das zur Abbildung der Werkstückoberfläche Die reflektierte Komponente wird durch die Linse 3

verwendete Kontrollicht nach der Reflexion auf der auf das Werkstück 5 projiziert. An dieser Stelle koin-

Werkstückoberfläche einer in Richtung der optischen zidicrt die optische Achse des Laserlichtstrahls 2.

Achse schwingenden Lochblende und einem der 15 welcher vom Spieael 10 durchaelassen wird, mit der

Lochblende nachgeschalteten Lichtdetektor derart optischen Achse des Kontrollichtstrahls 15, welcher

zugeführt wird, daß der Lichtdetektor eine elek- am Spiegel 10 reflektiert wird, und mit der optischen

trische Wechselspannung abgibt, deren Phasenlage Achse der Linse. Daher haben beide Lichtstrahlen

im Vergleich mit der die Schwingung der Loch- den gleichen Brennpunkt, und wenn das Werkstück 5

blende hervorrufenden Wechselspannung angibt, ob 20 am Brennpunkt der konvexen Ln,se 3 angeordnet

das Kontrollicht über oder unter der Werkstückober- wird, so hat der vom Laserlichtstrahl 2 und der vom

fläche fokussiert ist, und bei der das bei diesem Ver- Monitorlichtstrahl 15 bestrahlte Fleck seine geringste

gleich em stehende Signal zur Betätigung einer den Ausdehnung. Wenn das Werkstück 5 aus dem Rrenn-

Abstand des Werkstückes von der Fokussieroptik be- punkt h' "-ausgerückt wird, so werden diese von den

einflussenden Antriebseinrichtung zugeführt wird. 15 Lichtstrahlen bestrahlten Stellen gleichzeitig größer.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Er- Das Kontrollicht 15 wird anTWerkstück 5 reflek-

findung an Hand von Zeichnungen näher erläutert. tiert. Die Position der Reflexionsstelle in bezug auf

Es zeigt den Brennpunkt der Linse ist von Besonderer Bedeu-

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einei tung Wenn das Kontrollicht 15 im Brennpunkt der

Ausführungsform der automatisch fokussierten Vor- 30 Linse 3 reflektiert wird, so geht das reflektierte Licht

richtung. vom Brennpunkt der Linse 3 aus. Wenn die zu bear-

F i g. 2 a und 2 b schematische Darstellungen beitende Stelle des Werkstücks 5 aus dem Brenn-

zweier Stadien der Werkstücksbearbeitung mit der punkt der Linse 3 herausgerückt wird, so wird die

Vorrichtung, Steiie. von der das Reftexionslicht ausgeht, ebenfalls

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer 35 verschoben. Dieses reflektierte Licht geht durch die

weiteren Ausführungsform der automatisch fokus- konvexe Linse 3. wird am Spiegel 10 reflektiert und

sierten Vorrichtung, sodann vom Spiegel 9 durchgelassen.

F i a. 4 eine Ansicht eines Bauteils der Vorrichtung Im Bearbeitungsgerät 100 sind ferner ein reflektie-

gemäß F i g. 3, render Spiegel !(Tund eine Linse 17 vorgesehen. Der

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Laserlicht- 40 reflektierende Spiegel 16 ist um einen Winkel von

amplitude der Vorrichtung gemäß F i g. 3 und 45° in bezug auf die x-Achse und y-Achse geneigt

F i g. 6 ein schematisches Blockschaltbild einer und reflektiert das vom Spiegel 9 duichgelassene

dritten Austührungsform der automatisch fokussier- Kontrollicht 15. Die Zeichnung zeigt den Fall, daß

ten Vorrichtung. das Kontrollicht 15 im Brennpunkt der Linse 3 re-

Die Bewegungen des Bearbeitungsgeräts 100 sol- 45 flektiert wird. In diesem Fall wird das vom Werk-

len im folgenden an Hand der dreidimensionalen or- stück 5 reflektierte Licht durch die Linse 3 in einen

thogonalen Koordinaten x, y und ζ beschrieben wer- parallelen Lichtstrahl umgewandelt, welcher in die

den. Das Bearbeitungsgerät 100 ist so gelagert, daß Linse 17 einfällt. Daher fällt der Brennpunkt F_n die-

es in vertikaler oder .v-Richtung bewegt werden ses parallelen Lichtstrahls mit dem Brennpunkt der

kann. Das Werkstück 5 ist unterhalb des Bearbei- 50 Linse 17 zusammen. Wenn jedoch die Bearbeitungs-

tungsgerätes 100 suf einem nicht dargestellten Tisch ^elie des Werkstücks aus dem Brennpunkt der

befestigt, welcher in den beiden Richtungen entlang Linse 3 herausgerückt wird, so ist ebenfalls der

der y-Achse und s-Achs; bewegbar ist. Brennpunkt des parallelen Lichts von dem Brenn-

Das Bearbeitungsgerät 100 umfaßt stationär eine punkt der Linse 17 verschieden.

Lasereinrichtung 1 und eine konvexs Linse3. Die 55 Wenn die Bearbeilungsstelle z.B. näher an die

Lasereinrichtung strahlt ihr Laserlicht2 nach unten Linse 3 herangerückt wird, so kommt beim Durch-

ab. Das Laserlicht 2 wird als ein Bearbeitungslaser- gang des Reflexionslichtes durch die Linse 3 kein

licht an der Bearbeitungsstelle der Oberfläche des paralleler Lichtstrahl zustande. Dies hat zur Folge,

Werkstückes 5 zu einem Brennfleck 4 fokussiert. Es daß der Lichtstrahl bei Erreichen der Linse 3 diver-

kann eines der verschiedenen bekannten Lascrsy- 60 giert. Aus diesem Grunde rückt auch der Brennpunkt

sterne verwendet werden. des Lichtes vom Brennpunkt der Linse 17 auf der

Ferner ist eine Kontrollichtquelle 14 derart im Bc- optischen Achse der Linse 17 weg. Wenn dagegen

rbeitungsgeiät 100 angeordnet, daß sie einen paral- die Bearbeitungsstelle von der Linse3 wegbewegt

.elen Kontrollichtstrahl 15 abwärts aussendet. Unter- wird, so bewegt sich der Brennpunkt der Abbildung

halb der Kontrollichtquelle 14 ist ein halbdurchlässi- 65 auf die Linse 17 zu. Die Veränderung des Brenn-

gcr Spiegel vorgesehen, und unterhalb der Laserein- punktcs des Kontrollichtes 15 an der Linse 17 dient

richtung 1 ist ein halbdurchlässiger Spieael 10 vorge- dazu, die Position der Arbeitsstelle des Werkstücks

selien. Diese Spiegel 9 und 10 sind so angeordnet, zu überwachen.

Die Kontrollichtquelle 14 kann eine gewöhnliche bearbeitet werden, während eine ständige Fokussic-

Lampc sein. Ein Laser ist jedoch bevorzugt. Bevor- rung stattfindet.

zugt ist insbesondere ein kontinuierlich oszillierender Wenn die Repetitionsfrequenz des Lasers den oben Laser, insbesondere ein Gaslaser, wie z. B. ein angegebenen Wert übersteigt oder wenn ein kontinu-He-Ne-Gaslaser. Bei einem derartigen Laser ist die 5 ierlich oszillierender Laser verwendet wird, so wird Energie des Kontrollichts 15 im Vergleich zur Ener- der Laser bei ruhendem Werkstück 5 fokussiert. Das gie des Laserlichts 2 klein, und das Werkstück 5 wird Werkstück S wird sodann an dieser Stelle bearbeitet. von diesem Kontrollicht 15 nicht bearbeitet. In die- Danach wird das Werkstücks in die nächste Position sem Fall werden Steuerfehler vermieden, welche auf- weiterbewegt und wiederum zur Fokussierung und treten, wenn die Bearbeitungsstelle des Werkstücks io Bearbeitung angehalten. Dabei wird das Werkstück S durch das Konrollicht 15 bearbeitet wird. Wenn schrittweise bearbeitet. Das Werkstück kann bei honämlich unter der Einwirkung des Kontrollichts 15 her Repetitionsfrequenz oder im Falle eines kontinuein Loch an der Bearbeitungsstelle in das Werkstück ierlich oszillierenden Lasers effektiv bearbeitet wereingearbeitet wird, so kommt durch das am Buden den. während die Fokussierung durchgeführt wird des Loches reflektierte Licht ein Steuerfehler zu- 15 oder wenn die Fokussierung noch nichi beendet ist. stände. Wenn zur Bearbeitung des Werkstücks ein Rubin-Eine automatische Fokussiereinrichtung 200 um- laser verwendet wird, so beträgt die Wellenlänge faßt einen Lichtdetektor 20 und eine Lochblende 18 0,69 μ, und wenn ein Neodymlaser verwendet wird, zwischen der Linse 17 und dem Lichteingangsteii des wie ein mit Nd^{3 +}-Ionen dotierter Glaslaser, CaWo₄-Lichtdetektors 20, welche in der optischen Achse ao Laser oder YAG-Laser, so beträgt die Wellenlänge der Linse 17 ein Nadelloch 18/4 aufweist. Die Loch- 1,06 μ. Wenn demgegenüber als Kontrollichtquelle blende 18 ist derart gelagert, daß sie in der Richtung 14 ein Gaslaser, wie z. B. ein He-Ne-Gaslaser, verder optischen Achse der Linse 17 schwingen kann. wendet wird, so beträgt die Wellenlänge von dessen Hierzu dient ein Schwingmechanismus 19. Die Loch- Strahlen 0,63 μ. Ist der Bearbeitungslaser 1 ein Rublende 18 schwingt mit einer vorbestimmten Ampli- as biiuaser und der als Kontrollichtquelle 14 verwentude und einer vorbestimmten Frequenz hin und her. dete Laser ein He-Ne-Gaslaser, so treten hinsichtlich Diese Schwingung erfolgt um eine Mittellage, in wel- der konvexen Linse 3 keine Farbaberrationsprocher das Nadelloch 18/1 mit dem Brennpunkt F₀ zu- bleme auf. Wenn als Bearbeitungslaser 1 jedoch ein sammenfällt, falls der Brennpunkt der Linse3 und Neodymlaser (z.B. ein mit Nd³⁺-Ionen dotierter die Bearbeitungsstelle zusammenfallen. Das durch 30 Glaslaser. CaWO₄-Laser oder YAG-Laser) und als das Nadelloch 18/1 der Lochblende 18 hindurchtre- Kontrollichtquelle 14 ein Gaslaser (z.B. ein tende Licht wird durch die Schwingung der Loch- He-Ne-Gaslaser) verwendet wird, so ist es erforderblende 18 moduliert. Der Lichtdetektor 20 gibt ein Hch. eine für die beiden Wellenlängen 1.06 und 0,63 u Wechselstrom-Ausgangssignal ab. achromatisierte Linse als Linse 3 zu verwenden.

Außerhalb des Bearbeitungsgerätes 100 ist ein 35 Gemäß dem linken Bild in Fig. 2 hat das zu bear-Verstärker 21 vorgesehen, welcher das vom Lichtde- behende Werkstück 5 eine Oberfläche SB, welche tektor 20 erhaltene Signal verstärkt. Ein phasenemp- sehr ungleichmäßig bearbeitet wird. Bisher wurde findlicher Detektor 22 wird von dem Ausgangssignal eine sehr lange Zeit benötigt, in diesem Fall das Va des Verstärkers 21 und einem Bezugssignal Vo Laserlicht zu fokussieren. Mit der erfindungsgemädes Schwingmechanismus 19 beaufschlagt. Der De- 40 ßen Vorrichtung verringert sich die Bearbeitungszeit tektor bewirkt die gleichzeitige Gleichrichtung des außerordentlich. Das rechte Bild in Fig. 2 zeigt Ausgangssignals Va und des Bezugssignals Vo, wo- einen Behälter 25 A, welcher mit Flüssigkeit 25 gebei ein Gleichstrom-Ausgangssignal Vd gebildet füllt ist, so daß das Werkstücks vollständig von wird. Flüssigkeit bedeckt ist. Die Bearbeitung des Werk-Wenn F₀ im Schwingungszentrum liegt, ist das 45 Stücks kann auch unter derartigen Bedingungen er-Ausgangssignal Vd des phasenempfindlichen Detek- folgen.

tors 22 Null. Andernfalls ergibt sich ein Ausgangs- Die Ausführungsform gemäß F i g.., und 4 ist ins-

signal Vd, dessen Polarität der Richtung der Abwei- besondere im Falle eines kontinuierlich oszillierenchung des Schwingungszentrams von F₀ entspricht den Lasers geeignet. An Stelle des halbdurchlässiger

und dessen Amplitude dem Abstand zwischen dem so Spiegels 10 der Ausführungsform gemäß F i g. 1 wire

Brennpunkt der Linse 3 und der Bearbeitungsstelle ein reflektierender Spiegel 26 verwendet, welchei

proportional ist. mittig ein Loch 27 aufweist, durch welches da

Das Ausgangssignal Vd wird im Servoverstärker Laserlicht2 hindurchgeht. Fig.4 zeigt eine Drauf 23 verstärkt und steuert einen Servomotor 24, wel- sieht des reflektierenden Spiegels 26 mit dem ringför eher das Bearbeitungsgerät 100 in Richtung der 55 migen reflektierenden Teil 28.

.r-Achse derart bewegt, daß das Ausgangssignal Vd Das auf das Werkstücks projizierte Laserlicht;

des phasenempfindlichen Detektors 22 Null ist und wird vom Werkstück reflektiert und Fällt wiederur

die Bearbeitungsstelle im Brennpunkt der Linse 3 ge- durch die Linse 3, worauf es am reflektierenden Te

halten wird. Es kann ein elektrischer oder ein hy- 28 des Spiegels 26 und am reflektierenden Spiegel 1

draulischer Servomotor vorgesehen sein. Es kann 60 reflektiert wird und mittels der Linse 17 fokussiei

auch lediglich die Linse 3 oder das Werkstück be- wird. Das vom Werkstück reflektierte Licht dient a

wegt werden. Kontrollicht 15.

Die Schwingungsfrequenz der Lochblende 18 kann Fig.5 zeigt die Veränderungen der Energie d<

z.B. IkHz betragen. Die Repetitionsfrequenz des Laserlichtes 2 des Lasers 1, wobei die Ordinate d

Lasers 1 kann in weitem Bereich variiert werden; sie 65 Energie P und die Abszisse die Zeit f ar.gibt. P₀ i

soll jedoch im Vergleich zur Schwingungsfrequenz die Energie während der Bearbeitung, und P₁ ist d

der Lochblende 18 klein genug sein, z.B. 1 bis 15 Energie während der Fokussierung. Die Energiei

Hz. In diesem Fall kann das Werkstück fortwährend reicht nicht rar Bearbeituns des Werkstücks aus. '

Claims (3)

ι 2 senlasen der schwingenden Lochblende (36) zuPatentansprüche· geordnet sind, wobef die den Abstand des Werkstücks (5) von der Fokussieroptik (3) beemflus-

1. Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels senden Antriebseinrichtungen (23, 24) auf die Laserstrahlen, bei der die Fokussierung de! Brenn- 5 Summe der Ausgangssignale der beiden Einrichflecks auf der Werkstückoberfläche mit Hilfe tungen zum Phasenlagenvergleich (41. 42) aneiner Abbildung der Werkstückoberfläche durch sprechen.

Kontrollicht erfolgt, welches vor und nach der Re- 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4

flexion auf der Werkstückoberfläche die Fokus- und 5. dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlen-

sieroptik passiert, dadurch gekennzeich- io gang der der Materialbearbeitung dienenden

net. daß zur Erreichung einer~dauernden über- Laserstrahlen (2) und des vom Werkstück reflek-

wachung und selbsttätigen Nachstellung der Lage tierten Kontrollichts (151/1. 152^-4) ein halb-

des Brennpunktes eine bei einer mittels Laser- durchlässiger Spiegel (10) angeordnet ist.
strahlen arbeitenden Abtasteinrichtung bekannte
Anordnung verwendet wird, bei der das zur Ab- 15

bildung der Werkstückoberfläche verwendete

Kontrollicht (15; 151. 152) nach der Reflexion

*uf der Werkstückoberfläche einer in Richtung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mateder optische. Achse schwingenden Lochblende rialbearbeitung mittels Laserstrahlen, bei der die Fo-(18: 36) und einem der Lochblende (18; 36) ao kussierung des Brennflecks auf der Werkstückobernachgestalteten Lichtdetektor (20: 37, 38) der- fläche mit Hilfe einer Abbildung der Werkstückoberart zugeführt wird, daß der Lichtdetektor (20. 37, fläche durch Kontrollicht erfolgt, welches vor und 38) eine elektrische Wechselspannung abgibt, de- nach der Reflexion auf der Werkstückoberfläche die ren Phasenlage im Vergleich mit der die Schwin- Fokussieroptik passiert.

gung der Lochblende (18. ?6) hervorrufenden 25 Wenn man auf ein Werkstück, welches zur Licht-WechseNpannung angibt, ob das Kontrollicht absorption befähig! ist, mittels eines optischen Syiiber oder unter "der Werkstückoberfläche fokus- stems Laserlicht fokussiert, so wird die Lichtenergie siert ist, und bei der das bei diesem Vergleich in Wärmeenergie umgewandelt, wobei die Temperaentstehende Signal zur Betätigung einer den Ab- tür des Punktes, an dem das Licht fokussiert wurde, stand des Wegstückes (5) von der Fokussieroptik 30 erhöht wird. Wenn die auf das Werkstück projizierte (3) beeinflussenden Abtriebs "^:nrichtung (23, 24) Lichtenergie erhöht wird, so erhöht sich auch die zugeführt wird. Tem · ratur der Projektionssteile des Werkstücks.

2. Vorrichtung nach Anspru h 1, gekennzeich- wobei schließlich das Werkstückmaterial geschmolnet durch eine Hilfslichtquelle (14) zur Erzeu- zen oder sogar verdampft wird. Dabei wird eine Ausgung des Kontrollichts (15) und durch einen im 35 nehmung oder ein Loch gebildet. Auf diese Weise Strahlengang der zur Materialbearbeitung dienen- kann man ein Werkstück bearbeiten. Wenn ein solden Laserstrahlen (2) angeordneten halbdurch- eher Vorgang an einer Vielzahl von benachbarten lässigen Spiegel (10), der das Kontrollicht (15) Bearbeitungsstellen durchgefühlt wird, so können zunächst in den Strahlengang der Laserstrahlen Nuten gebildet werden, oder das Werkstück kann in (2) hinein- und nach der Reflexion auf der Werk- 40 zwei Teile zerschnitten werden.
Stückoberfläche wieder aus dem Strahlengang der Das auf das Werkstück projizierte Laserlicht des Laserstrahlen (2) hinauslenkt. Lasergerätes hat eine hohe Dichte und ist in hohem

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Maße parallel. Es ist jedoch vorteilhaft, das Laserkennzeichnet, daß der zur Materialbearbeitung licht auf das Werkstück zu fokussieren,
verwendete Laser (1) auch als Quelle für das 45 Wenn die Bearbeitungsstelle genau mit dem Kontrollicht (15) dient und daß zur Herauslen- Brennpunkt des Laserlichtes koinzidiert, so hat die kung des Kontrollichts (15) nach der Reflexion Lichtenergiedichte am Bearbeitungspunkt ein Maxiauf der Werkstückoberfläche aus dem Strahlen- mum.