DE2658682C2

DE2658682C2 - Einrichtung zum Bearbeiten eines kontinuierlich bewegten Werkstückes mit mindestens einem Laserstrahlfokus

Info

Publication number: DE2658682C2
Application number: DE2658682A
Authority: DE
Inventors: Brooke Armitage Goring Reading Ward; Harry Reed Wallingford Oxfordshire Whittle
Original assignee: Aj Bingley Ltd Bristol Gb
Current assignee: Aj Bingley Ltd Bristol Gb
Priority date: 1976-12-15
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1985-01-17
Also published as: FR2375964B1; DE2658682A1; FR2375964A1; US4099830A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Bearbeiten eines kontinuierlich bewegten Werkstückes mit mindestens einem Laserfokus, der mittels eines optischen Systems mit Ablenkspiegel auf das Werkstück fokussiert und mit einer Ablenkbewegung längs einer geraden Bahn über das Werkstück bewegbar ist, wobei die Bahn in einem solchen, von der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes abhängigen Winkel zur Bewegungsrichtung des Werkstückes verläuft, daß sich auf dem bewegten Werkstück eine zu dessen Bewegungsrichtung rechtv.inkelige Bahn des Laserslrahlfokus ergibt.

Eine derartige Einrichtung ist durch die DE-OS 25 21 530 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, mit der mindestens ein Strichfokus in einem entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes einstellbaren bzw. steuerbaren Winkel so bewegt werden kann, daß uuf dem bewegten Werkstück die Richtung des Strichfokus und die Richtung der von ihm durchlaufenden geraden Ablenkbahn zusammenfallend rechtwinkelig zur Bewegungsrichtung des Werkstückes liegen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung der eingangs genannten Ai t gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Ablenkspiegel als um eine Achse drehbarer Polygonspiegel ausgebildet ist, daß das optische System eine zylindrische Linse oder einen zylindrischen Spiegel zur Erzeugung mindestens eines Strichfokus des Laserstrahls auf dem Polygonspiegel sowie eine dem Polygonspiegel nachgeordnete sphärische Linse oder ein sphärischer Spiegel zum Abbilden des Strichfokus auf dem Werkstück im rechten Winkel zu dessen Bewegungsrichtung aufweist, und daß die Richtung der Achse des Polygonspiegels relativ zur Längsachse der zylindrischen Linse bzw. des zylindrischen Spiegels in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes und der Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels einstellbar oder steuerbar ist.

Weitere kennzeichnende Merkmale der Einrichtung sind den Unteransprüchen 2 bis 6 zu entnehmen.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

F i g. I zeigt ein Vektordiagramm zur Darstellung des Prinzips der Erfindung.

F i g. 2 zeigt schematisch die optische Geometrie für die beiden Ausführungsformen gemäß F i g. 3 und 4.

Fig. 3 zeigt in Draufsicht und Seitenansicht eine schcniiilischc Linscnnnordnung gemäß einer Ausführungsform.

I·' i g. 4 zeigt in Draufsicht und Seitenansicht ein Spiegelsystem gcniiiß einer anderen Ausführungsform.

F i g. 5 zeigt ein Blockschaltbild des Steuersystems für eine Ausführungsform.

Fig.6 und 7 veranschaulichen die Erzeugung eines Doppellinien-Fokus.

Fig.8 veranschaulicht die Erzeugung eines Dreilinien-Fokus.

Das Vektordiagramm gemäß F i g. 1 illustriert das Prinzip der Erfindung. Wenn ein Werkstück 1 in Richtung des Pfeiles 2 mit einer Werkstückgeschwindigkeit v_w bewegt wird und ein Linienfokus 3 eines (nicht dargestellten) Strahlungsbündels sich über das Werkstück längs einer geraden Linie 4 rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Werkstücks 1 bewegen soll, wobei diese Linie eine Fortsetzung der Richtung des Linienfokus 3 darstellt dann gilt die folgende Vektorgleichung

V, = Vr, + Vp

wobei Vy die tatsächliche Ablenkgeschwindigkeit des Linienfokus 3 quer zum Werkstück und "_p die effektive oder resultierende Geschwindigkeit der Bewegung des Linienfokus 3 über das Werkstück 1 bedeuten. Der Winkel Θ, den die tatsächliche Ablenkrichtung 5 des Linienfokus 3 mit der Bewegungsrichtung des Werkstücks einschließt, beträgt arc cos VJv₅. Der Winkel θ wird im folgenden als der Spurwinkel bezeichnet

Diese Bedingungen können erfüllt werden in einem optischen System, bei dem ein Strahlungsbündel mittels einer zylindrischen Linse oder eines zylindrischen Spiegels zu einem strichförmigen Fokus auf oder nahe einem Ablenkspiegel fokussiert wird, der um eine Achse rotiert oder oszilliert, so daß das Strahlungsbündel ein Werkstück in einer von der Richtung der Bewegungsachse des Spiegels abhängigen Richtung überstreicht Unter diesen Umständen wird die Orientierung des Linienfokus nach Reflexion am Spiegel unbeeinflußt bleiben von der Orientierung der Bewegungsachse des Ablenkspiegels relativ zur Achse der zylindrischen Linse oder zylindrischen Spiegel, sondern die als Strichfckus erscheinende Abbildung wird durch die Bewegung des Ablenkspiegels mit einer Ablenkbewegung bewegt. Die allgemeine geometrische Anordnung ist in F i g. 2 dargestellt wobei die aus Fig. 1 übernommenen Bezugszeichen die gleiche Bedeutung haben. Der Pfeil ^deutet an, daß die Bewegungsachse 6 des (nicht dargestellten) Ablenkspiegels um die optische Achse 7 des Systems gedreht werden kann, um die Richtung der Ablcnklinie 5 einzustellen. Der Pfeil ~ deutet die Bewegung des Ablenkspiegels an, die die Ablenkbewegung des StrahlungsbündiMs quer über das Werkstück 1 bewirkt

Fig.3 zeigt eine Ausfuhrjngsform eines optischen Systems zur Erzeugung eines Strichfokus eines Strahlungsbündels und zu dessen Bewegung über ein sich bewegendes Werkstück, auf welches die Strahlung einwirken soll, derart, daß der Strichfokus sich über das Werkstück 1 längs einer geraden Linie rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Werkstücks 1 bewegt. Das optische System umfaßt einen Aufweiter oder Kollimator, der allgemein mit 8 bezeichnet ist und aus zwei Linsen 8a und 86 besteht. Dieser empfängt einen Strahl 9 von &o einem (nicht dargestellten) Laser und erzeugt ein paralleles Lichtbündel 10, dessen Durchmesser die Abmessungen des zu erzeugenden Strichfokus des Lichtbündels bestimmt

Das aufgeweitete Licntbündel 10 läuft durch eine Zylinderlirisc 11 und durch eine. Übertragungs- oder FcIdlinse 12, die zusammenwirken, um eine Abbildung in Form eines Sirichfokus bei oder nahe einem rotierenden Ablenkspiegel 13 zu erzeugen, der die Form eines regelmäßigen Polygons hat Die Achse 6 des Spiegels 13 ist so gelagert daß ihre Orientierung in der vorstehend beschriebenen Art verändert werden kann, um die Richtung der Ablenkbewegung des schließlich erzeugten Strichfokus 3 des Lichtbündels 10 über das sich bewegende Werkstück 1 zu verändern und so einzustellen, daß sich der Strichfokus 3 über das Werkstück längs einer geraden Linie rechtwinklig zu der Bewegungsrichtung des Werkstücks bewegt Die Drehachse 6 des Spiegels 13 verläuft durch die optische Achse 7 des optischen Systems. Durch die Drehung des Spiegels 13 wird das nacheinander von jeder der Facetten 14 des Spiegels reflektierte Licht mit einer Ablenkbewegung quer über eine anschließende sphärische Linse 15 abgelenkt, die den endgültigen Strichfokus 3 auf dem Werkstück erzeugt In Wirklichkeit sind die Linse il und der Bildpunkt 7 in der Zeichnung links von dem Spiegel 13 angeordnet zur Vereinfachung der Darstellung wurde das System jedoch längs einer gerade-- iinie auseinandergezogen dargestellt

In der Seitenansicht wird der Strahl 9 durch die Linsen 11 und 15 auf dem Werkstück 1 fokussiert In der Draufsicht wird der die Linse 11 in Querrichtung umfokussiert verlassende Strahl von der Linse 12 exakt oder ungefähr auf die entsprechende Facette 14 des Ablenkspiegels 13 fokussiert und läuft dann zu der Linse 15, die den Strichfokus 3 erzeugt Der Spurwinkel θ zwischen der Abtastrichtung 4 des Strichfokus 3 über das Werkstück und der Bewegungsrichtung des Werkstücks 1 wird durch den Orientierungswinkel Φ, um den die Drehachse 6 des Spiegels 13 um die optische Achse 7 des Systems relativ zur Längsachse der zylindrischen Linse 11 verdreht ist bestimmt.

F i g. 4 zeigt ein optisches System aus Spiegeln für den gleichen Zweck. In der im oberen Teil von F i g. 4 gezeigten Seitenansicht läuft ein Laserstrahl 20 von einem Laser durch einen Expander oder Strahlaufweiter (verier der Laser noch der Slrahlaufweiter sind dargestellt) und fällt auf einen zylindrischen Spiegel 21. Der Spiegel

21 ist so angeordnet, daß er einen Strichfokus des Laserstrahls 20 auf oder nahe der Oberfläche eines sphärischen Spiegels 22 erzeugt. Der Spiegel 22 reflektiert den Laserstrahl 20 auf einen rotierenden Polygonspiegel 23, der dem Spiegel 13 der vorherigen Ausführungsform entspricht. Der rotierende Polygonspiegel 23 lenkt den Laserstrahl 20 über die Oberflächs eines anschließenden sphärischen Spiegels 24 ab, von wo der Strahl nach Reflexion an einem Planspiegel 25 auf ein sich bewegendes Werkstück 27 als Strichfokus fokussiert und mit einer Ablenkbewegung über das Werkstück 27 abgelenkt wird. In der Draufsicht' im unteren Teil von F i g. 4 wird der Laserstrahl 20 durch den sphärischen Spiegel

22 an oder nahe dem Polygonspiegel 23 fokussiert.

Der Laserstrahl 20 erhält durch den Spiegel 24 seine Ablenkbewegung in Querrichtung über den Spiegel 24 und wird von diesem über den Planspiegel 25 auf das Werkstück 27 mit entsprechender Ablenkbewegung reflektiert. Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist die Richtung der Drehachse des Polygonspiegels 23 veränderbar, und die erforderliche Vcrwärtskomponente der Ablenkgeschwindigkeit des Strichfokus 26 des Laserstrahls 20 über das sich bewegende Werkstück 27 wird dui ,*h Drehung eines den rotierenden Spiegel 22 tragenden Rahmens 28 um eine Achse 29 erhalten, die rechtwinklig zur Drehachse des Spiegels 23 steht, und zwar um den jeweiligen Winkel Φ relativ zur Längsachse des zylindrischen Spiegels 21.

Die Einfallswinkel λ und /zwischen dem einfallenden Laserstrahl 20 und der Normalen auf der Oberfläche des Spiegels 23 bzw. zwischen der Ablenkebene und der Normalen auf der Oberfläche des Spiegels 24 bewirken Aberrationen, die als Krümmungen der Ablenkspur auf dem Werkstück 27 in Erscheinung treten. Durch geeignete Auswahl der Winkel λ und/im jeweiligen Anwendungsfall kann erreicht werden, daß diese Fehler sich gegenseitig aufheben.

Bei denen anhand von Fig.3 und 4 beschriebenen optischen Systemen muß die Orientierung Φ der Ablenkspiegel 13 bzw. 23 relativ zur Achse der zylindrischen Linse 11 (F i g. 3) bzw. des zylindrischen Spiegels 22 (F i g. 4) so eingestellt werden, daß die Ablenkung mit dem gewünschten Spurwinkel Verfolgt. Im allgemeinen ist die Größenordnung von θ die gleiche wie die Größenordnung von #und hängt von der Ablenkgeschwindigkeit v, und der Werkstückgeschwindigkeit v„ ab, wie in F i g. i veranschaulicht. Wenn bei einer fest vorgegebenen Ablenkgeschwindigkcit v, Schwankungen der Werkstückgeschwindigkeit v». z. B. beim Anfahren und Abstoppen eines kontinuierlichen Arbeitsprozesses, berücksichtigt werden sollen, muß ein Steuersystem vorgesehen sein, welches den Spurwinkcl θ ständig überwacht und auf dem gewünschten Wert hält. F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform eines solchen Steuersystems, welches für jedes der beiden in F i g. 3 und F i g. 4 dargestellten optischen Systeme verwendbar ist.

Gemäß F i g. 5 erzeugt ein Taktimpulsgenerator 30 eine Folge von Taktimpulsen, die einem binären Impulsvervielfacher 3t zugeführt werden, der die Frequenz der Takt- oder Steuerimpulse um einen Faktor multipliziert, der durch ein Geschwindigkeitsvorgabeglied 32 bestimmt wird. Der entstehende Impulszug wird dann einer Steuereinheit 33 zugeführt, um die Geschwindigkeit des Antriebsmotors 34 für die Ablenkung zu steuern. Eine ähnliche Anordnung νοη rrequerizvervieifacher 37, Geschwindigkeitseinsteller 38 und Steuereinheit 40 dient zur Steuerung der Geschwindigkeit des Antriebsmotors 41 für die Werkstückbewegung. (Die Steuereinrichtung für den Werkstückmotor kann eine zusätzliche Einrichtung 39 aufweisen, die für die Steuerung der Beschleunigungsrate beim Anlaufen bzw. der Abbremsrate beim Abstoppen des Werkstückvorlaufes dient, wenn das System in einer Anlage zur kontinuierlichen Bearbeitung verwendet werden soll.) Das Ausgangssignal der Vervielfacher 31,37 besteht aus Impulszügen, deren Frequenzen der Ablenkgeschwindigkeit v, bzw. der Werkstückgeschwindigkeit v_w entsprechen. Diese Impulszüge werden durch zwei Zähler 42 und 43 integriert und durch eine Divisionsstufe 44 mathematisch dividiert, so daß ein Signal erzeugt wird, welches den Kosinus des Spurwinkels ö darstellt. Das Ausgangssignal der Divisionsstufe 44 wird in einem Komparator 45 mit einem Signal verglichen, welches ein Maß für die tatsächliche Spurstellung der Ablenkeinrichtung ist, die durch einen Winkelkodierer 48 gemessen wird, der nach einer Kosinusskala geeicht ist. Ein Differenzsignal (d. h. der Fehler der Winkelstellung) wird einem Sieuerglied 46 zugeführt, welches einen Motor 47 in der einen oder anderen Richtung antreibt, um den Fehler auszugleichen.

Die vorstehend beschriebenen optischen Systeme können erforderlichenfalls abgeändert werden, so daß sie zwei oder sogar drei strichförmige Fokusiinieii erzeugen. Bei dem Linsensystem entsprechend Fig.3 können die beiden strichförmigen Brennlinien dadurch erzeugt werden, daß entsprechend Fig.b ein Fresncl sches Doppclprismu 50 in den Weg des vom Strahlaufweiter kommenden Strahles 3, bevor dieser auf die Zylinderlinse Il auftrifft, eingesetzt wird. Das Doppelprisma 50 kann mit zwei getrennten und gegeneinander ί beweglichen Hälften ausgebildet sein, so daß das Ausmaß der Trennung zwischen den beiden Strahlhälften des geteilten Strahls 51 verändert werden kann. Bei dem Spiegelsystem gemäß Fig.4 können die beiden Fokusstrichc dadurch erzeugt werden, daß zwei im Winkel

ίο zueinander stehende Planspiegel in das vom Strahlaufweiter kommende Lichtbündcl eingesetzt werden, oder indem gemäß F i g. 5 der zylindrische Spiegel 21 in Axialrichtung geteilt und die beiden Hälften 61,62 so angeordnet werden, daß ihre Flächennormalcn 63,64 kopla· nar, aber in einem Winkel zueinander liegen. Wie im Fall des Doppclprismas können auch die beiden Teile 61,62 des Spiegels 21 gegeneinander verstellt werden, damit das Ausmaß der Trennung der beiden Teile des Strahlfaüncicis veränderlich ist.

Ein dreifacher Strichfokus kann erzeugt werden durch die in F i g. 8 dargestellte Anordnung, die sowohl bei der mit Linsen als auch bei der mit Spiegeln arbeitenden Ausführungsform verwendet werden kann. In beiden Fällen ist dann das zylindrisch fokussierende EIc ment cine zylindrische Linse 71, und ein kreisförmiger Planspiegel 72 mit drei Facetten ist so angeordnet, daß er den vom (nicht dargestellten) Strahlaufweiter kommenden strahl 73 empfängt und auf die Linse 71 reflektiert, die den Strahl 73 dann, wie beschrieben, auf den rotierenden Polygonspiegel 74 fokussiert. Von den drei Facetten des Spiegels 72 sind die beiden Facetten 75 und 76 Quadranten oder Viertelkreise, während die dritte Facette 77 ein Halbkreis ist. Die Facetten sind gegeneinander um die für die Strahlaufteilung geeigneten Winkel geneigt. Durch Bewegung des Spiegels 72 relativ zum einfallenden Strahl 73 senkrecht zur Trennlinie zwischen den Facetten 75 und 76 kann die Energieverteilung zwischen den beiden äußeren Brennlinien 78 und 79 des Strahls verändert werden, während durch Bcwe gung des Spiegels 72 relativ zum einfallenden Strahl 73 parallel zur Trennlinie der Facetten 75 und 76 die Energieverteilung zwischen den beiden äußeren Brennstrichen 78 und 79 und dem mittleren Strichfokus 80 verändert werden kann. Wenn z. B. das Werkstück aus zwei

« Lagen einer Plastikfolie besteht, aus der Beutel für Verpackungszwecke hergestellt werden sollen, so kann man eine solche"Energieverteilung erreichen, daß der mittlere Strichfokus 80 das Werkstück durchschneidet, während jeder äußere Strichfokus 78,79 nur so viel Energie

so hat, daß er das Werkstück verschweißt Dies ist besonders vorteilhaft bei der Anwendung der Vorrichtung bei der Herstellung von Beuteln oder Tüten aus einem flach gelegten Plastikschlauch.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Bearbeiten eines kontinuierlich bewegten Werkstückes mit mindestens einem Laserstrahlfokus, der mittels eines optischen Systems mit Ablenkspiegel auf das Werkstück fokussiert und mit einer Ablenkbewegung längs einer geraden Bahn über das Werkstück bewegbar ist, wobei die Bahn in einem solchen, von der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes abhängigen Winkel zur Bewegungsrichtung des Werkstückes verläuft, daß sich auf dem bewegten Werkstück eine zu dessen Bewegungsrichtung rechtwinkelige Bahn des Laserstrahlfokus ergibt, dadurch gekennzeichnet,

daß der Ablenkspiegel als um eine Achse (6) drehbarer Polygonspiegel (13,23) ausgebildet ist. daß das optische System eine zylindrische Linse _x'll) oder einen £>lindrischen Spiegel (21) zur Erzeugung mindestens eines Strichickiis des Laserstrahls auf dem Polygonspiegel (13, 23) sowie eine dem Polygonspiegel (13, 23) nachgeordnete sphärische Linse (15) oder ein sphärischer Spiegel (24) zum Abbilden des Strichfokus auf dem Werkstück (1) im rechten Winkel zu dessen Bewegungsrichtung aufweist, und daß die Richtung der Achse (6) des Polygonspiegels (13,23) relativ zur Längsachse der zylindrischen Linse (11) bzw. des zylindrischen Spiegels (21) in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit jo des Werkstückes (1) und der Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels (13,23) einstellbar oder steuerbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung mehr als eines Strichfo- kus des Strahlenbündels ein Fresnelsches Doppelprisma (50) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung mehr als eines Strichfokus des Strahlenbündels zwei im Winkel zueinander stehende Planspiegel vorgesehen sind, die ein einziges einfallendes Strahlungsbündel in zwei Strahlungsbündel aufteilen.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine selbsttätige Steuereinrichtung zum Einstellen der Ablenkeinrichtung für das Lichtbündel in Abhängigkeit von der Ablenkgeschwindigkeit und von der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Bauelemente (31,32,33) zum Erzeugen eines ersten Steuersignals in Abhängigkeit von der Ablenkgeschwindigkeit des Strahlungsbündels über das Werkstück, Bauelemente (37,38, 40) zum Erzeugen eines zweiten Steuersignals in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks, Signalverarbeitungseinrichtungen (42, 43,44), um aus den beiden Steuersignalen ein drittes Signal zu erzeugen, welches den Wert cos θ darstellt, wobei Öder Spurwinkel zwischen der Ablenkspur des Strahlungsbün- w) dels auf dem Werkstück und der Bewegungsrichtung des Werkstücks ist, und eine von dem dritten Signal steuerbare Steuereinrichtung (45, 46, 47, 48) zum Ändern des Orientierungswinkels Φ zwischen der Längsachse des zylindrischen Spiegels und der Bcwegungsachsc des Ablenkspiegcls derart, daß die tatsächliche Bewegungsbahn des .Strichfokus relativ zu dem sich bewegenden Werkstück eine zur Bewegungsrichtung des Werkstücks rechtwinklige, gerade Linie ist.

6. Optisches System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (48) zum Erfassen des Ist-Wertes von cos θ und zur Abgabe eines entsprechenden Signals, einen Komparator (45) zum Vergleichen des Ist-Wertes und des Soll-Wertes von cos θ und zum Erzeugen eines Fehlersignals, und eine von dem Fehiersignal steuerbare Steuereinrichtung (46) zum Verändern des Winkels Φ der Bewegungsachsc des Ablenkspiegels derart, daß der Fehler verschwindet.