DE3510937C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlmeßvorrichtung für
zur Bearbeitung von Werkstücken vorgesehene Hochleistungslaser
mit den Merkmalen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
beschriebenen Gattung.
Derartige Vorrichtungen sind an sich bekannt. So ist beispielsweise
ein Laserstrahlmeßgerät bekannt, das über einen
von einem Synchronmotor angetriebenen Nadelträger verfügt,
auf dem die Nadeln radial nach außen abstehen und die Achse
des Laserstrahls bei einer Umdrehung senkrecht schneiden.
Dieser Nadel sind zwei seitlich gegeneinander versetzt angeordnete
Detektoren zugeordnet, die die Intensitätsverteilung
in x- und y-Richtung des Laserstrahls abtasten. Beim Durchlaufen
der Nadel durch den Laserstrahl tasten die beiden
seitlich versetzten Detektoren kreisförmige Bahnen des Laserstrahls
ab. Es erfolgt also eine selektive Auskopplung des
Laserstrahls auf gekrümmten Bahnen. Die Auflösung des Intensitätsprofils
ist damit örtlich und zeitlich festgelegt, da
sowohl die Ortsbahnen als auch die Umlaufgeschwindigkeit der
Nadeln unveränderbar ist. Mit Hilfe eines Triggersignals
läßt sich die aufgenommene Leistung des Laserstrahls summieren.
Die Divergenzmessung des Laserstrahls ist nur dadurch
möglich, daß das Gerät an zwei verschiedene Orte gegenüber
dem Laserstrahl gebracht wird, was eine äußerst umständliche
Handhabung bei der Messung darstellt.
Eine weitere Vorrichtung zur Messung der Intensität eines
Laserstrahls ist aus dem DE-GM 82 27 494 bekanntgeworden.
Der Gegenstand des DE-GM 82 27 494 umfaßt einen den Strahlengang
des Laserstrahls zumindestens mit einem Teil des Querschnitts
des Laserstrahls erfassenden Reflektor. Dieser
Reflektor ist in einem Reflektorträger angeordnet und verfügt
über eine im Bereich der reflektierten Strahlen angeordnete
Strahlungsmeßeinrichtung, dabei besitzt der Reflektor mindestens
ein stabförmiges Element mit beliebigem Querschnitt,
das den Laserstrahl senkrecht schneidet.
Ferner ist noch der Gegenstand der DE-OS 28 51 879 bekannt
geworden. Dieser Gegenstand stellt eine Vorrichtung zum
Messen der Wärmestrahlleistung dar, wobei das Fühlelement
mit einer stabilisierten Geschwindigkeit im Wärmestrahl
verschiebbar angeordnet ist. Diese Vorrichtung zum Messen
der Wärmestrahlleistung kann auch für die Leistungsmessung
von Laserstrahlen verwendet werden. Das Fühlelement ist
dabei als stromleitender Faden oder als Streifen ausgebildet.
Das Fühlelement kann dabei auch als stromleitender Faden
zickzackförmig zwischen
zwei sich gegenüberliegenden Scheiben gespannt sein.
Diese Fühlerausführung schneidet den Laserstrahl bei jedem
Umlauf zweimal.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, unter
geringer Laserstrahlbeeinflussung und unter Verwendung
von wenigen Detektoren eine Laserstrahlmeßvorrichtung zu
schaffen, die es ermöglicht, eine Laserstrahlvermessung
mit hoher örtlicher und hoher zeitlicher Auflösung
in einem Gerät sowie eine Erfassung von schnellen Modenstrukturveränderungen
durchzuführen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes
sind in den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 13
gekennzeichnet.
Mit der erfindungsgemäßen Laserstrahlmeßvorrichtung ist eine
Erfassung und Bewertung sowie mittels eines Rechners eine
Nachführung von prozeßspezifischen Größen während des Bearbeitungsprozesses
möglich, und zwar ohne diesen maßgeblich
zu beeinflussen. Mit der Laserstrahlmeßvorrichtung meßbare Kenngrößen
des Laserstrahls sind dabei die Modenstruktur, Strahlabmessung,
Leistung und Divergenz sowie deren zeitliche
Änderung.
In einer Weiterbildung der Laserstrahlmeßvorrichtung ist die
Umdrehungsgeschwindigkeit des Nadelträgers und des Blendenrades
veränderbar ausgeführt. Dadurch wird die zeitliche und
örtliche Auflösung der Laserstrahlvermessung veränderbar.
Die Laserstrahlmeßvorrichtung ermöglicht durch
diese in weiten Bereichen veränderbaren Drehzahlen des
Nadelträgers bzw. des Blendenrades eine hohe Flexibilität.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel
und zwei Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Erzielung einer hohen
zeitlichen Auflösung des Intensitätsprofils
des Laserstrahls und
Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Strahlvermessung mit
hoher örtlicher Auflösung des Laserstrahls.
Fig. 1 zeigt in Teildarstellung eine Prinzipskizze der
Laserstrahlmeßvorrichtung. Um die Übersichtlichkeit zu
wahren, wurde auf die Darstellung der konstruktiven Details
des Gerätes verzichtet. Einem Laserstrahl 1 ist ein
Nadelträger 2 zugeordnet. Auf dem Nadelträger 2 sind senkrecht
stehend Nadeln 3 befestigt. Die Rotationsachse 4
des Nadelträgers 2 ist zur Achse des Laserstrahls 1 ebenfalls
senkrecht angeordnet. Der Nadelträger 2 wird in eine Position
gebracht, die bei Umdrehung des Trägers es den Nadeln
3 ermöglicht, den Laserstrahl 1 bei einer vollen Umdrehung
jeweils zweimal zu durchlaufen bzw. zu schneiden. Der Antrieb
des Nadelträgers erfolgt mit einem Motor, beispielsweise
einem Synchronmotor.
Der Radius zur Befestigung der Nadeln 3
auf den Nadelträger 2 gerechnet vom Mittelpunkt 14 des
Nadelträgers ist derart groß bemessen, daß beim Durchgang
der Nadel 3 durch den Laserstrahl 1 praktisch eine geradlinige
Stahlabtastung erfolgt, d. h., daß die Krümmung beim
Durchgang der Nadel durch den Strahl vernachlässigbar klein
ausfällt.
Die Nadeln 3 sind auf den Nadelträger 2 ferner in einem
derartigen Abstand zueinander auf einem Radius angeordnet,
daß beim Umlauf des Nadelträgers 2 stets nur eine Nadel 3
den Laserstrahl 1 durchschneidet. Der Durchmesser der Nadeln
3 ist außerdem möglichst klein gehalten, um bei der zeitlichen
Auflösung einen möglichst kleinen Zeitabschnitt zu
erreichen.
Bei dem ersten Durchgang einer Nadel 3 durch den Laserstrahl
1, der in Fig. 1 dargestellt ist, wird dieser erste Nadeldurchgang
zur Ermittlung der zeitlichen Auflösung des Intensitätsprofils
des Laserstrahls 1 benützt. Zu diesem Zweck
bewegt sich die Nadel 3 beim Durchlaufen des Laserstrahls 1
zwischen zwei Detektoren 5 und 6, die sich gegenüberliegend
auf einer Geraden angeordnet sind. Bei diesem oberen Strahlendurchgang
der Nadel wird ein Teil der Laserstrahlung
in die Detektoren 5 und 6 gespiegelt. Damit können Intensitätsprofile
entlang dieser Bahn mit einer Zeitdifferenz
Δ t = d N /v N detektiert werden, wobei d N der Durchmesser der
Nadel ist und v N die Umfangsgeschwindigkeit der Nadel ist.
Mit dieser Anordnung können Modeninstabilitäten bis in den KHz-
Bereich nachgewiesen werden. Eine derartige Messung schneller
Modenstrukturänderungen bei einem Laserstrahl war mit den
bisher bekannten Geräten überhaupt nicht möglich. Diese
arbeiteten beispielsweise mit einer Drehfrequenz von 50 Hz
für den Nadelträger, die nicht veränderbar war. Die Geschwindigkeit
der Nadeln bzw. des Nadelträgers 2 ist dagegen
in weiten Grenzen mit Hilfe des angeschlossenen Motors veränderbar.
Die beiden Diagramme in Fig. 1, in denen das Intensitätsprofil
des Detektors 5 und des Detektors 6 über der Zeit aufgetragen
ist, zeigen derartige Modeninstabilitäten. Die Anzeige
dieser Modeninstabilitäten kann selbstverständlich auch
über einen Rechner digital erfolgen, als Trigger wird dazu
ein vierter Detektor 11 auf einer zum Laserstrahl 1 senkrechten
Achse 12 angeordnet. Dieser vierte Detektor 11
kann außerdem zusätzlich zur Intensitätsprofilmessung entlang
einer Achse senkrecht zum Laserstrahl und in Bewegungsrichtung
der Nadel verwendet werden.
Die Detektoren 5 und 6, die einander gegenüberliegend auf
einer Geraden angeordnet sind, können beide gleichzeitig
seitlich auf weitere parallele Gerade verschoben werden.
Diese Verschiebung ist nach links und rechts möglich, so
daß damit jeder beliebige Punkt des Laserstrahls 1 mit
der Nadel 3 durch die beiden Detektoren abgetastet werden
kann.
Eine Steigerung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Nadelträgers
führt zu einer hohen zeitlichen Auflösung. Die Geschwindigkeit
des Nadelträgers 2 ist regelbar mit Hilfe des
nicht dargestellten Motors zum Antrieb dieses Nadelträgers.
Damit ist auch die zeitliche Auflösung der Laserstrahlvermessung
veränderbar. Die seitliche Verschiebung der Detektoren
5 und 6 kann beispielsweise mit Hilfe eines Servomotors
durchgeführt werden.
Neben der vorstehend beschriebenen Messung der zeitlichen
Auflösung des Laserstrahls findet gleichzeitig eine Messung
der örtlichen Auflösung des Laserstrahls statt. Der zweite
Nadeldurchgang durch den Laserstrahl dient zur Ermittlung
der örtlichen Auflösung des Strahls. Dazu ist bei dem
unteren Nadeldurchgang ein auf einen dritten Detektor 7
fokussierender Konkavspiegel 8 vorgesehen. Zwischen dem
Konkavspiegel 8 und dem dritten Detektor 7 ist ein Blendenrad
9 angeordnet. Dieses Blendenrad 9 wird ebenfalls von
einem Motor wie beispielsweise Synchronmotor angetrieben,
der der Übersichtlichkeit halber wie auch der Antriebsmotor
für den Nadelträger nicht dargestellt ist. Die Umdrehungsgeschwindigkeit
des Blendenrades 9 ist dabei stets
größer gehalten als die Umdrehungsgeschwindigkeit des
Nadelträgers 2. Auch die Umdrehungsgeschwindigkeit des
Blendenrades 9 ist regelbar und kann so der Geschwindigkeit
des Nadelträgers entsprechend angepaßt werden.
Die Blenden 10 in dem Blendenrad 9 sind schlitzförmig
ausgeführt, siehe dazu Fig. 2. Durch fünf hochreflektierend
ausgeführte Nadeln, die den Laserstrahl in einer
Ebene senkrecht zur Strahlachse schneiden, erfolgt eine
annähernd lineare Abtastung des Laserstrahlquerschnittes.
Aus Fig. 2 ist das Meßprinzip zur Strahlvermessung mit
hoher örtlicher Auflösung ersichtlich. Der ausgekoppelte
parallele Teilstrahl des Lasers wird mit Hilfe eines Konkavspiegels
8 auf den Detektor 7 fokussiert. Das sehr schnell
rotierende Blendenrad erzeugt geradlinige Profilschnitte
des Laserstrahls, wie sie in Fig. 2 unten in einer Prinzipdarstellung
für den TEM 00 Mode mit Hilfe einer Rechnersimulation
dargestellt sind. Durch die variablen Drehzahlen
des Nadelträgers 2 und des Blendenrades 9 kann man die
Anzahl der abgetasteten Bahnen und damit die Ortsauflösung
variieren. Die Formel für ein Wegstück Δ x lautet:
wobei n N die Drehzahl des Nadelträgers, n B die
Drehzahl des Blendenrades, D N der Durchmesser des
Nadelträgers und z B die Blendenanzahl darstellt.
Zur Divergenzmessung des Laserstrahls 1 werden die Detektoren
5 und 11 eingesetzt. Dazu sind die Detektoren 5 und
11 ausgerichtet auf den Laserstrahl zueinander parallel
und in der gleichen Ebene liegend angeordnet. Somit können
mit den Detektoren 5 und 11 gleiche Bahnen des Laserstrahlquerschnittes
vermessen werden. Bei genügend großer Modenstabilität
kann auf Grund dieses zweifachen Strahlendurchganges
der Nadel 3 eine Divergenzmessung vorgenommen werden.
Zum Schutz von Strahlungseinflüssen aus der Umgebung werden
alle Detektoren 5, 6, 7 und 11 soweit wie möglich durch
geeignete Maßnahmen abgeschirmt. Da Verschmutzungen der
spiegelnden Oberflächen des Gerätes zu lokalen Verfälschungen
der Meßergebnisse führen, wird das in den beiden Figuren
nicht dargestellte Gehäuse der Laserstrahlmeßvorrichtung
vor dem Eindringen von Staub durch Erzeugen eines Überdrucks
in dem Laserstrahlmeßgerät gegenüber dem außen herrschenden
Luftdruck geschützt.
Das Laserstrahlmeßsystem ist für einen
Einbau in den horizontalen und vertikalen Laserstrahlengang
vorgesehen. Die Justierung des Gerätes an seinem Einsatzort
erfolgt auf optischem Wege, indem beispielsweise
ein Laser mit Hilfe einer Nadel
auf Strichplatten abgebildet
wird.
Die örtliche Auflösung des Intensitätsprofils des Laserstrahls
kann durch geeignete Maßnahmen noch erhöht werden.
Neben der Abtastung durch den Detektor 7 können auch die
sonst zur Messung der zeitlichen Auflösung vorgesehenen
Detektoren 5 und 6 zur zusätzlichen örtlichen Auflösung
des Laserstrahlquerschnittes herangezogen werden. Dazu
werden die beiden Detektoren 5 und 6 seitlich gegeneinander
versetzt, was beispielsweise mit Servomotoren geschehen
kann, wodurch dann insgesamt drei Bahnen zur Abtastung
des örtlichen Intensitätsprofils zur Verfügung stehen.
Gleichzeitig kann damit auch der Strahlquerschnitt des
Laserstrahls 1 ermittelt werden.
Claims (13)
1. Laserstrahlmeßvorrichtung für zur Bearbeitung von Werkstücken
vorgesehene Hochleistungslaser, die während des
Bearbeitungsprozesses mißt und die über einen durch einen
Motor angetriebenen Nadelträger mit darauf angeordneten
Nadeln verfügt, wobei die Nadeln die Achse des Laserstrahls
bei einer Umdrehung des Nadelträgers senkrecht
schneiden und den Nadeln Detektoren zugeordnet sind, die
zur Ermittlung des zeitlichen und örtlichen Intensitätsprofils
des Laserstrahls das von den Nadeln reflektierte
Laserlicht erfassen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Nadeln (3) auf dem Nadelträger (2) derart angeordnet
sind, daß jede Nadel (3) bei einer vollen Umdrehung
des Nadelträgers (2) zweimal den Laserstrahl (1)
schneidet,
daß dabei der eine Nadeldurchgang zur Ermittlung des zeitlichen und der andere Nadeldurchgang zur Ermittlung des örtlichen Intensitätsprofils des Laserstrahls dient, wobei zur Messung des zeitlichen Intensitätsprofils des Laserstrahls (1) sich die Nadeln (3) zwischen zwei sich auf einer Geraden gegenüberstehenden Detektoren (5, 6) bewegen und zur Messung des örtlichen Intensitätsprofils des Laserstrahls (1) den Nadeln ein dritter Detektor (7) zugeordnet ist.
daß dabei der eine Nadeldurchgang zur Ermittlung des zeitlichen und der andere Nadeldurchgang zur Ermittlung des örtlichen Intensitätsprofils des Laserstrahls dient, wobei zur Messung des zeitlichen Intensitätsprofils des Laserstrahls (1) sich die Nadeln (3) zwischen zwei sich auf einer Geraden gegenüberstehenden Detektoren (5, 6) bewegen und zur Messung des örtlichen Intensitätsprofils des Laserstrahls (1) den Nadeln ein dritter Detektor (7) zugeordnet ist.
2. Laserstrahlmeßvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Messung des örtlichen Intensitätsprofils des
Laserstrahls (1) ein auf den dritten Detektor (7)
fokussierender Konkavspiegel (8) vorgesehen ist und daß
zwischen dem Konkavspiegel (8) und dem dritten Detektor
(7) ein Blendenrad (9) angeordnet ist, daß ferner die Geschwindigkeit
des Blendenrades (9) größer als die Geschwindigkeit
des Nadelträgers (2) gehalten wird und daß
schließlich den Nadeln (3) ein vierter Detektor (11) auf
einer zum Laserstrahl (1) senkrechten Achse (12) zugeordnet
ist.
3. Laserstrahlmeßvorrichtung nach den Patentansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umdrehungsgeschwindigkeit des Nadelträgers (2)
und des Blendenrades (9) veränderbar ausgeführt ist,
wodurch die zeitliche und die örtliche Auflösung der
Laserstrahlvermessung veränderbar ist.
4. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die sich auf einer Geraden gegenüberstehenden Detektoren
(5, 6) gleichzeitig seitlich verschiebbar angeordnet sind.
5. Laserstrahlmeßvorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur gleichzeitigen seitlichen Verschiebung der
Detektoren (5, 6) ein Servomotor dient.
6. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Blenden (10) des Blendenrades (9) schlitzförmig
ausgebildet sind.
7. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Achsen der Nadeln (3) senkrecht auf dem Nadelträger
(2) stehen und daß weiterhin die Rotationsachse (4)
des Nadelträgers (2) zur Achse des Laserstrahls (1)
senkrecht steht.
8. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nadeln (3) auf dem Nadelträger (2) in derartigem
Abstand angeordnet sind, daß beim Umlauf des Nadelträgers
(2) stets nur eine Nadel den Laserstrahl (1) schneidet.
9. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Divergenzmessung des Laserstrahls (1) einer (5)
der beiden Detektoren zur Messung des zeitlichen Intensitätsprofils
sowie der vierte Detektor (11) vorgesehen
und, ausgerichtet auf den Laserstrahl, zueinander
parallele Detektionsrichtungen aufweisen und in der
gleichen Ebene liegend angeordnet sind.
10. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß mittels des vierten Detektors (11) ein Triggersignal
zum rechnergestützen Auswerten erzeugt wird.
11. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Laserstrahlmeßvorrichtung mit einem Gehäuse versehen
ist, in dem ein Überdruck gegenüber dem außerhalb
des Gehäuses herrschenden Luftdruck herrscht.
12. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Detektoren (5, 6, 7, 11) gegen Einstrahlung aus der
Umgebung abgeschirmt sind.
13. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Messung des Laserstrahlquerschnittes die zwei
sich auf einer Geraden gegenüberstehenden Detektoren
(5, 6) seitlich gegeneinander versetzbar ausgeführt sind.
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