DE3326636A1 - Optisches peilsystem - Google Patents
Optisches peilsystemInfo
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Description
21. JULI 1983
83 019 Kü/u
Uηi te_d_ Ki_ngdom Atomic Energy Authority, Il Charles II Street,
k91]Jon SWlY 4QP / England
A_NR|_ 10056 9 3
VNR: 106836
Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 8221520
vom 26. Juli 1982 beansprucht.
Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Peilsystem und insbesondere auf ein optisches System, das
sicherstellt, daß ein Laserstrahl genau durch die optische
Mitte eines Fokussierungssystems hindurchgeht.
5
Für viele Zwecke ist es notwendig sicherzustellen,
daß eine Einrichtung ihre Ausrichtung in einer gegebenen Richtung beibehält, selbst wenn sie Störungsfaktoren
unterliegt. Z.B. ist es in Verbindung mit Laser-Bearbeitungsgängen
notwendig sicherzustellen, daß ein Strahl
durch die optische Mitte eines Fokussierungssystems hindurchgeht, selbst wenn das Fokussierungssystem bewegt
werden kann, um einen Weg ausfindig zu machen, der einem Schneid- oder Schweißvorgang entspricht.
15
Das Fehlen einer solchen Sicherheit kann schädliche Auswirkungen auf das Strahl-Querschnitts-Energieprofi1
haben und auch den fokussierten Strahlfleck stören.
Erfindungsgemäß wird ein optisches Peilsystem geschaffen, das sich zusammensetzt aus einer Einrichtung zum Projizieren
eines Richstrahls auf einem Weg, der einen Teil eines optischen Systems,einschließlich einer Peilblende,
bildet, aus einer Einrichtung, die den Richtstrahl veranlaßt, um die Peripherie der Peilblende herum abzutasten, aus einer
Einrichtung zum Empfangen von Licht, welches von der Peripherie der Peilblende zurückgeworfen wird, und zum Erzeugen
eines elektrischen Signals, das zur Intensität des Lichts in Beziehung steht, aus einer Einrichtung zum Bestimmen der
Amplitude und Phase des elektrischen Signals relativ zu jenen der Bewegung des Richtstrahls um die Peripherie der Peilblende
herum und zum Erzeugen eines Richtsignals, sowie aus
einem Servomechanismus, der auf das Richtsignal anspricht, derart, daß er die Bewegungsachse des Richtstrahles und die
Mitte der Peilblende in Übereinstimmung bringt.
Die Peilblende kann eine Befestigung für eine BetrachtungsTinse oder einen Spiegel haben, der einen Teil eines
anderen optischen Systems bildet, wie beispielsweise eines
Laser-Bearbeitungssystems, wobei dem Servomechanismus die
Aufgabe zufällt, die Bewegung eines dem optischen Peilsystem und dem Laser-Bearbeitungssystem gemeinsamen Spiegels
um zwei senkrechte Achsen zu steuern.
Alternativ kann die Peilblende auch an einem Stück eines Gerätes befestigt sein, dessen Orientierung in einer
gegebenen Richtung aufrechterhalten werden soll, und der
Servomechanismus kann dabei dazu dienen, das Stück des Gerätes zu bewegen, um die gewünschte Orientierung beizubehalten.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung beschrieben,
die eine schematische Darstellung eines mit der Erfindung ausgestatteten Laser-Bearbeitungssystems wiedergibt.
In der Zeichnung ist ein Kohlendioxid-Laser-Bearbeitungssystem
dargestellt, welches ein optisches Peilsystem gemäß der Erfindung enthält, mit dem sichergestellt wird, daß der Kohlen-
dioxid-Laserstrahl zentral durch eine Fokussierungs1inse
hindurchgeht. Ein Laserstrahl 1 aus einer nicht dargestellten Quelle wird von einem Strahlmischspiegel reflektiert,
der eine zentrale öffnung 3 nach einem Spiegel 4 hin aufweist, der so angeordnet ist, daß er um zwei zueinander
senkrecht verlaufende Achsen mittels Antriebseinheiten 5 und 6 bewegt werden kann. Der Laserstrahl 1
verläuft dann zu einem Fokussierungskopf 7, der eine Peilblende
8 und eine Fokussierungs1inse 9 enthält, die so angeordnet ist, daß sie den Laserstrahl 1 auf einen Fokus
auf der Oberfläche eines Werkstücks 10 bringt.
Das optische Peilsystem besteht aus einer Helium-Neon-Laserquelle
21, die einen Richtstrahl 21' liefert, aus zwei Strahl-Klappspiegelη 22, einer rotierenden Drehkeil
anordnung 23, die durch einen Elektromotor, der nicht dargestellt ist, angetrieben wird, aus einem Sichtelement
24, einem Teleskop mit einer Fotoverstärkereinheit 25 und
einer Servomechanismus-Steuereinheit 26, die allgemein
durch strichpunktierte Linien angedeutet ist und die Antriebe
5 und 6 für den Spiegel 4 betätigt, der sowohl dem Laser-Bearbeitungssystem als auch dem optischen Peilsystem
gemeinsam ist. Die rotierende Kei1 anordnung 23 enthält ein
Positionskodierungssystem, das aus einer rotierenden Platte
27 besteht, welche die eine Komponente der rotierenden Keilanordnung 23 trägt und vier gleichmäßig beabstandete Positionsmarkierungen
aufweist, die durch vier Prüf- und Halte-Zeitdetektoren
28 (mit A, B, C und D bezeichnet) beobachtet werden. Die Signale der Zeitdetektoren 28 werden entsprechenden
Prüf- und Halteschaltungen A1, B1, C und D1 innerhalb
der Servomechanismus-Steuereinheit 26 übermittelt. Signale
vom Fotoverstärker 25 werden außerdem den Prüf- und Halteschaltungen A', B1, C und D1 zugeführt. Die Signale des
Fotoverstärkers 25 werden den Prüf- und Halteschaltungen A'
und B1 direkt und den Prüf- und Halteschaltungen C und D1
ό ό I b b J b
liber Di fferential verstärker E und F zugeführt. Der Ausgang
der Prüf- und Halteschaltung A1 wird außerdem dem Differentialverstärker
E zugeführt und derjenige der Prüf- und Halteschaltung B außerdem dem Differential verstärker F.
Der Ausgang der Prüf- und Halteschaltung D1 wird durch
einen Verstärker G verstärkt und dazu verwendet, die X-Antriebseinheit
5 des beweglichen Spiegels 4 zu betätigen, und der Ausgang der Prüf- und Halteschaltung C wird durch
einen Verstärker H verstärkt und dazu verwendet, die Y-Antriebseinheit
6 des beweglichen Spiegels 4 zu betätigen.
Der Betrieb der Anlage ist wie folgt: Der Richtstrahl 21' wird veranlaßt, zentral durch das Loch 3 im Strahl-Mischspiegel
2 hindurchzugehen, und zwar mittels entsprechender Einstellung der Spiegel 22, damit er allgemein koaxial
zum Hauptlaserstrahl 1 verläuft und auf einem identischen Weg fortschreitet. Die rotierende Kei1 anordnung 23 wird dann
eingesetzt. Die durch die rotierende Kei1 anordnung erzeugte
Ablenkung wird so gestaltet, daß der Richtstrahl 21' auf den Rand der Peilblende 8 fällt, wenn der Hauptlaserstrahl
1 zentral durch die Fokussierungslinse 9 hindurchverläuft.
Die rotierende Keilanordnung 23 wird dann in Bewegung gesetzt,
um den Richtstrahl 21' zu veranlassen, um die Peripherie der Peilblende 8 herum abzutasten. Das von der Peripherie
der Peilblende 8 zurückkehrende Licht wird vom Sichtelement 24 in die Teleskop- und Fotoverstärkereinheit 25 reflektiert.
Das Sichtelement 2-4 ist aus einem Material hergestellt, das für die COo-Strahlung im Hauptlaserstrahl 1
transparent ist und außerdem eine hohe, aber nicht perfekte Durchlässigkeit für die He-Ne-Strahlung des Richtstrahles
21' hat. Aus diesem Grunde ist ein Fotoverstärker notwendig. Sind einmal der Hauptlaserstrahl 1 und der Richtstrahl 21'
genau durch Einregelung des Spiegels 2 eingestellt, dann veranlaßt jede Fehlausrichtung zwischen dem Hauptlaserstrahl
1, der Peilblende 8 und der Fokussierungslinse 9 den Rieht-
strahl 21', zumindest teilweise den Rand der Peilblende 8
über ein Teilstück seines Weges zu überlappen, wodurch auf diese Weise eine Schwankung im Ausgangssignal der
Fotoverstärkereinheit 25 hervorgerufen wird. Die Amplitude
der Schwankung ist ein Maß für den Grad der Fehlausrichtung, und deren Phase ist eine Anzeige für die Richtung,
in welcher die Fehlausrichtung auftrat.Das Ausgangssignal
der Fotoverstärkereinheit 25 wird viermal während jeder
Abtastung des Richtstrahles 21' geprüft. Die entsprechenden Augenblicke für das Prüfen des Ausgangssignals des Fotoverstärkers
25 werden durch die Zeitdetektoren 28 von den Markierungen
auf der rotierenden Platte 27 abgeleitet, die einen Teil der rotierenden Kei1 anordnung 23 bildet. Die
geprüften Signale werden gepaart, und zwar ein Paar für jede Bewegungsachse des Spiegels 4. Die Differenz zwischen
den geprüften Signalen in jedem Paar ergibt ein Fehlersignal für jede Achse, welches, wenn durch die Verstärker G und H
verstärkt, den Antriebseinheiten 5 und 6 des beweglichen
Spiegels zugeführt werden, damit dieser sich in der Weise bewegt, daß er die Bewegungsachse des Richtstrahles 21'
und somit den Hauptstrahl in die Mitte der Fokussierungs-1 inse 9 bri ngt.
Claims (10)
1. Optisches Peilsystem, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (21) zum Projizieren eines Richtstrahles (211)
auf einem Weg, der einen Teil eines optischen Systems, einschließlich einer Peilblende (8), bildet, durch eine
Einrichtung (4), die den Richtstrahl (211) veranlaßt, um die Peripherie der Peilblende (8) herum abzutasten,
durch eine Einrichtung (24, 25) zum Empfangen von Licht, welches von der Peripherie der Peilblende (8) zurückgeworfen
wird, und zur Erzeugung eines zur Intensität desselben in Beziehung stehenden elektrischen Signals, durch
eine Einrichtung zur Bestimmung der Amplitude und Phase des elektrischen Signals relativ zu jenen der Bewegung des
Richtstrahles (21') um die Peripherie der Peilblende (8) herum und zur Erzeugung eines Richtsignals, sowie durch
einen Servomechanismus (5, 6), der auf das Richtsignal anspricht, um die Bewegungsachse des Richtstrahles (21')
und die Mitte der Peilblende (8) zur Deckung zu bringen.
2. Optisches Peilsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Peilblende (8) eine Befestigung für ein optisches Element (9) aufweist, welches einen Teil
eines optischen Systems bildet.
3. Optisches Peilsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomechanismus (5, 6) um zwei
senkrechte Achsen (X, Y) die Bewegung eines beweglichen Spiegels (4) steuert, der dem optischen Peilsystem und dem
genannten optischen System gemeinsam ist.
4. Optisches Peilsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System eine Laser-Bearbeitungsanlage
i st.
5. Optisches Peilsystem nach Anspruch I5 dadurch gekennzeichnet,
daß die Peilblende (8) an einem Stück eines Gerätes befestigt ist, dessen Ausrichtung in einer gegebenen Richtung
aufrechtzuerhalten ist, und daß der Servomechanismus
(5, 6) das Stück des Gerätes bewegt, um die gewünschte Ausrichtung aufrechtzuerhalten.
6. Optisches Peilsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die den Richtstrahl
(211) um die Peripherie der Peilblende (8) herum abtasten läßt, eine optische Keilanordnung (23) aus transparentem
Material aufweist, welche einen einfallenden Lichtstrahl in einer Richtung im rechten Winkel zur optischen
Achse des optischen Peilsystems ablenkt, und daß eine Einrichtung zum Drehen der optischen Keilanordnung (23) um
eine Achse vorgesehen ist, die mit derjenigen des optischen Peilsystems zusammenfällt.
7. Optisches Peilsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende optische Kei1 anordnung (23) einen
Positionskodierer enthält, mit welchem der Azimut des verlagerten
Richtstrahles (211) relativ zu einer Bezugsstellung
ermittelt werden kann.
8. Optisches Peilsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bestimmung der Amplitude
und Phase des auf die Intensität des von der Peripherie der Peilblende (8) zurückgeworfenen Lichtes bezogenen elektrischen
Signals relativ zur Bewegung des Richtstrahles (211)
eine Vielzahl von Prüf- und Halteschaltungen (A1, B1, C9 D1)
aufweist, die durch Signale betätigbar sind, welche aus dem Positionskodierer hergeleitet werden.
9. Optisches Peilsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Richtsignals Mittel aufweist, welche aus dem Inhalt einer
ersten Gruppe von Prüf- und Halteschaltungen eine erste
Komponente des Richtsignals ableiten, welche die Verlagerungen des Richtstrahles (211) in einer ersten Richtung
anzeigt, sowie Mittel aufweist, die aus dem Inhalt einer zweiten Gruppe von Prlif-und Halteschaltungen eine zweite
Komponente des Richtsignals ableitet, die die Verlagerungen des Richtstrahles (211) in einer zweiten Richtung im rechten
Winkel zu derjenigen der ersten Komponente anzeigt.
10. Optisches Peilsystem nach Anspruch 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Richtung
den Bewegungsachsen (X, Y) des beweglichen Spiegels (4) entsprechen.
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