CH616357A5

CH616357A5 - Method of accurately machining a workpiece arranged in the working zone of a machining laser and apparatus for carrying out the method

Info

Publication number: CH616357A5
Application number: CH488877A
Authority: CH
Inventors: Antoon Mattelin; Marcel Heerman
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1976-05-28
Filing date: 1977-04-20
Publication date: 1980-03-31
Also published as: JPS5653470B2; FR2352624A1; JPS52145898A; NL7705878A; SE411717B; SE7706257L; DE2624121A1; FR2352624B1; GB1575054A; IT1079230B; BE855155A; AT355140B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zum hochgenauen Bearbeiten eines im Arbeitsfeld eines Bearbeitungslasers angeordneten Werkstückes, wobei man in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahles einen Laser-Messstrahl einblendet und mindestens der La-ser-Messstrahl mittels gesteuerter Galvanometerspiegel in zwei orthogonalen Richtungen auslenkbar ist.

Bearbeitungslaser dienen u. a. zum Abgleichen von Bauelementen, wie z. B. von Schichtwiderständen oder von Kapazitäten, aber auch zum Abgleichen von Stahlbiegeschwingern, wie solche zur Konstanthaltung einer bestimmten Kanalfrequenz in Fernsprechanlagen zur Anwendung kommen. Bei Klein- und Mikrostruktur-Elementen finden Bearbeitungslaser Anwendung, z. B. zum Erzeugen von Fotomasken für integrierte Schaltkreise sowie fernerhin zum Teilen von Keramikoder Glassubstraten, oder zum Entfernen von auf Glasplatten aufgetragenen Metallschichten.

In der US-PS 3 902 036 ist eine Steuerung für einen Bearbeitungslaser beschrieben und dargestellt, in dessen Strahlengang ein Laser-Messstrahl eingeblendet ist. Ein gepulster Bearbeitungslaser, z. B. ein YAG-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1,06 pm, wird über geeignete Umlenkvorrichtun-gen auf ein Werkstück projiziert. Ein He-Ne-Laserstrahl mit einer Wellenlänge ca. 0,63 /im wird mittels eines Spiegels in den Strahlengang des Bearbeitungslasers eingeblendet. Der Laser-Messstrahl ist hier mittels eines Strahlenteilers und Phasenschiebers in zwei um 90° phasenverschobene Einzelstrahlen geteilt, wobei diese Einzelstrahlen über ein Beugungsgitter auf jeweils einen Achsendetektor gelenkt werden. Über eine mit den Achsendetektoren in Verbindung stehende Steuerlogik wird ein Steuerkreis für einen im Strahlengang des Bearbeitungslasers gelegenen optischen Schalter angesteuert. Durch diese Massnahme wird bewerkstelligt, dass bei stetigem Vorschub des gepulsten Bearbeitungslaserstrahles nach einem festen Programm Übersteuerungen an den Koordinaten-Umlenkpunkten vermieden werden. Bei diesem bekannten Steuersystem für einen Bearbeitungslaser wird indessen vorausgesetzt, dass das Werkstück hinsichtlich seines Bearbeitungsortes vor der Strahlenbehandlung genau zur optischen Achse, nämlich der Null-Achse des Bearbeitungslaserstrahles, ausgerichtet ist. Das Ausrichten eines Werkstückes ist jedoch recht zeitaufwendig. Sollen viele formgleiche Werkstücke behandelt werden, so genügt meist eine einmalige Einstellung, sofern man hierzu eine die Position des Werkstückes fixierende Aufnahmevorrichtung verwenden kann. Oft ist es jedoch so, dass das Werkstück nicht unmittelbar in der Aufnahmevorrichtung gehalten wird, sondern beispielsweise an mit dem Werkstück verbundenen Klemmen, Stiften oder Leisten. Diese Klemmen oder Stifte können z. B. Stromzuführungen an dem abzugleichenden Bauelement sein. Insbesondere bei Stahlbiegeschwingern ist die Fassung des Elementes in eine Aufnahmevorrich-tung nicht möglich; dadurch würde sein Schwingungsverhalten geändert. Man benutzt daher die Anschlusselemente des Bauteiles zu seiner Halterung in der Aufnahmevorrichtung des Lasers. Insbesondere bei Kleinbauteilen können derartige Anschlusselemente jedoch geringfügig aus ihrer Sollstellung gebogen sein. Dies hat zur Folge, dass die Mittelpunktskoordinaten des zu bearbeitenden Bauteiles ausserhalb der Sollage zur optischen Null-Achse innerhalb des Arbeitsfeldes des Bearbeitungslaserstrahles gelegen sind.

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Ausgehend von der bekannten Steuervorrichtung liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum hochgenauen Bearbeiten eines in einem Arbeitsfeld eines Bearbeitungslasers angeordneten, in seiner Flächenkontur bekannten Werkstückes zu schaffen, wobei die Mittelpunktskoordinaten des Arbeitsfeldes vor dem Auslösen des Laserstrahles automatisch auf die Mittelpunktskoordinaten des Werkstückes transformiert werden. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass man mittels des La-ser-Messstrahles die in ihrer Form und Grösse bekannte Werkstückoberfläche abtastet und das von der Werkstückoberfläche reflektierte Licht des Laser-Messstrahles zur Erkennung der Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes des Bearbeitungslasers nutzt.

Durch diese erfinderische Verfahrensweise ist es möglich, die Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes des Bearbeitungslasers zu erfassen und somit die Koordinaten der Arbeitsfläche auf die Mittelpunktskoordinaten der zu bearbeitenden bekannten Werkstücksfläche zu transformieren. So können meist nur geringfügige, jedoch eine genaue Bearbeitung der Werkstückoberfläche störende Fehler, und zwar ohne ein erneutes Ausrichten des Werkstückes von Hand, vermieden werden. Zur Ausübung des Verfahrens verwendet man einen programmierbaren, den Laserbearbeitungsstrahl steuernden Prozessrechner. Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung verfährt man derart, dass man durch Abtasten der bekannten Bearbeitungsfläche des Werkstückes mittels des im Strahlengang des Bearbeitungslasers eingeblendeten Laser-Messstrahles die Lagekoordinaten der Werkstückoberfläche in bezug auf die Mittelpunktskoordinaten der Arbeitsfläche des Bearbeitungslasers ermittelt, indem man die Intensitäten des von der Werkstückoberfläche reflektierten Lichtes in analoge Spannungsgrössen umwandelt und letztere dem Prozessrechner zuführt, der aus diesen Signalen die Mittelpunktskoordinaten der Werkstückoberfläche im Arbeitsfeld errechnet sowie das Steuerprogramm für den Laser-Bearbeitungsstrahl auf die Mittelpunktskoordinaten des Werkstückes transformiert. Die vom Programmgeber des Prozessrechners ausgegebenen Steu-ergrössen zur Führung des Bearbeitungsstrahles werden um die Transformations-Grössen geändert.

Das vom Werkstück reflektierende Licht wird mittels Licht-Sensoren erfasst, wobei die gemessenen Signale einer Auswertelogik zugeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn man zur deutlicheren Erkennung des vom Laser-Messstrahl an der Werkstückoberfläche erzeugten Reflexionssignals den Fremdlichtanteil eliminiert. Viele Werkstücke besitzen eine nicht vollkommen ebene Oberfläche. Das Laserlicht wird daher an der Oberfläche des Werkstückes gebeugt. Dabei wirkt sich das Fremdlicht zur Erzeugung eines eindeutigen Reflexsignals störend aus. Durch die Elimination des Fremdlichtes erhält man ein deutliches Reflexsignal, welches zur Bestimmung der Lage der abgetasteten Fläche innerhalb des Arbeitsfeldes ausreichend ist.

Ausgehend von einem Bearbeitungslaser mit von einem programmierbaren Prozessrechner gesteuerten Galvanometerspiegel-Antrieben zur Steuerung der optischen Achse des Laser-Bearbeitungsstrahles auf den jeweiligen Bearbeitungsort eines im Arbeitsfeld des Bearbeitungslasers angeordneten Werkstückes, wobei der Bearbeitungslaser in seinem Strahlengang einen Spiegel zum Einblenden des Laser-Messstrahles aufweist, weist dieser gemäss der Erfindung einen zwischen Werkstück und Einblendspiegel angeordneten, den Laserstrahlengang umgebenden und das vom Bearbeitungsort des Werkstückes reflektierte Licht des Laser-Messstrahles adaptierenden Sensor auf. Dieser Sensor ist vorteilhaft als Lichtleitfasern enthaltender Ring ausgebildet, wobei die Lichtleitfaser-Stirn-enden kranzförmig verteilt und auf die Arbeitsfläche des Bearbeitungslaserstrahles gerichtet sind.

Das vom Werkstück reflektierte Licht des Messlaserstrahles wird in bekannter Weise über die Lichtleitfasern an lichtempfindliche Elemente geführt; sie wandeln die Lichtintensität in eine Spannungsgrösse um. Durch die Ausbildung des Sensors in Form eines Lichtleitfasern enthaltenden Ringes wird auch bei rauher oder z. B. Riefen enthaltender Oberfläche eines Werkstückes eine gute Adaption des reflektierten Lichtes möglich, und zwar unabhängig vom Verlauf bzw. der Richtung der Riefen innerhalb des Arbeitsfeldes des Bearbeitungslasers. Die im Sensor gehaltenen Lichtleitfasern sind in zwei Gruppen gegliedert. Die Lichtleitfasern einer jeden Gruppe sind unter Zwischenschaltung eines Interferenzfilters mit jeweils einem Fotoelement gekoppelt. Innerhalb des Ringes sind die Lichtleitfasern der einen Gruppe in der Teilungsfolge 1, 3, 5 .. . und die Lichtleitfasern der anderen Gruppe in der Teilungsfolge 2, 4, 6 ... im Kranz des Ringes gehalten. Der der ersten Gruppe zugeordnete Interferenzfilter ist für eine dem Tageslicht entsprechende Lichtwellenlänge und der andere, der zweiten Gruppe zugeordnete Interferenzfilter nur für die Lichtwellenlänge des Laser-Messstrahles durchlässig. Mittels einer den Fotoelementen nachgeordneten Diskriminatorschal-tung wird so der Anteil des Tageslichtes am Messsignal eliminiert; das erhaltene Signal wird einem Koordinatenrechner zugeführt.

Im nachfolgenden wird anhand der Zeichnungen das erfinderische Verfahren sowie eine zur Ausübung des Verfahrens dienende Vorrichtung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Bearbeitungslasers mit in den Strahlengang des Bearbeitungslasers eingeblendetem Laser-Messstrahl.

In Fig. 1 ist eine Anordnung zum hochgenauen Bearbeiten eines im Arbeitsfeld 1 eines Bearbeitungslasers 2 angeordneten Werkstückes 3 dargestellt. Der z. B. als YAG-Laser gebildete Bearbeitungslaser steht mit einer Spannungsquelle 4 in Verbindung; die Wellenlänge des Laserstrahles 5 beträgt 1,06 fj.m. Der Bearbeitungslaserstrahl wird über eine Fokussie-rungsoptik 6 mittelbar über einen Spiegel 7 einer Laserstrah-len-Steueroptik 8 in das Arbeitsfeld 1 des Bearbeitungslasers gelenkt. In der dargestellten Nullage schneidet der Laserstrahl senkrecht den Koordinaten-Nullpunkt 0 der Arbeitsfeldebene. Eine weitere Spannungsquelle 9 steht in Verbindung mit einem He-Ne-Laser 19, der einen Messstrahl 10 liefert, der über eine Fokussierungsoptik 11 mittels des Spiegels 7 in den Laserstrahl 5 einblendbar ist; er schneidet daher ebenfalls den Koordinaten-Nullpunkt 0 der Arbeitsfeldebene 1. Die Auslenkung der Laserstrahlen in den beiden orthogonalen Koordinatenrichtungen X und Y der Arbeitsfeldebene erfolgt mittels Galvanometermotoren 8x und 8y. Das vom Werkstück reflektierte Licht des Messlaserstrahles wird über einen Adapter 12 lichtempfindlichen Zellen (Sensoren) 13,14 zugeleitet, die ein dem Lichtimpuls proportionales Signal einem Diskriminator 15 zuleiten, dessen Ausgangssignal 16 an einem Prozessrechner 17 liegt. Der Prozessrechner wertet das Reflexionssignal im Vergleich mit einem gespeicherten Programm und steuert die Galvanometermotoren 8x und 8y. Fernerhin gibt er nach erfolgter Bearbeitung des Werkstückes 3 - unter Zwischenschaltung einer hier nichtdargestellten Abgleich-Messvorrich-tung — über den Leitungszug 18 Steuerbefehle zum Bestücken und Entladen des Arbeitsfeldes 1 mit einem Werkstück.

Der He-Ne-Laser 19 liefert einen Laserstrahl 10, dessen Wellenlänge 0,63 fi m beträgt. Die Leistung dieses Lasers ist gering; sie beträgt beispielsweise 10 bis 20 mW.

Wird das Arbeitsfeld 1 des Bearbeitungslasers mit einem Werkstück 3 beschickt, so ist in vielen Fällen nicht auszu-schliessen, dass der Flächenmittelpunkt M des Werkstückes 3 ausserhalb der Mitte 0 des Arbeitsfeldes gelegen ist. Soll das Werkstück über einen Prozessrechner, wie bei 17 dargestellt, gemäss einem gespeicherten Programm bearbeitet werden, so

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ist dies nur möglich, wenn die Mittelpunktkoordination M des Werkstückes mit den Mittelpunktkoordinaten 0 - des Arbeitsfeldes — zusammenfallen. Da jedoch die Lage des Werkstückes im Arbeitsfeld nicht genau definiert ist, ist es erforderlich, die Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes zu bestimmen. Kennt man die Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes des Bearbeitungslasers, so können durch eine vom Prozessrechner 17 vorzunehmende Koordinatentransformation die aus dem gespeicherten Programm des Prozessrechners ausgelesenen Steuerkoordinaten auf den Werkstück-Mittelpunkt transformiert und nunmehr an die Galvanometermotoren 8x und 8y geliefert werden. Um diese Korrekturwerte zu erhalten, ist es jedoch zunächst erforderlich, die Lage des Werkstückes 3 innerhalb des Arbeitsfeldes 1 zu bestimmen. Dazu wird in einem ersten Arbeitsschritt durch den Lasermessstrahl 10 die Werkstückoberfläche abgetastet, wobei diese abgetasteten Werte mit den gespeicherten, der Werkstückform und -grosse entsprechenden bekannten Werten im Prozessrechner verglichen werden. Aus diesen abgetasteten Werten lässt sich sodann der Bearbeitungsmittelpunkt oder Koordinatenmittelpunkt M des Werkstückes innerhalb der Koordinaten des Arbeitsfeldes 1 errechnen.

Fig. 2 zeigt eine in der Ebene des Arbeitsfeldes 1 gelegene Werkstückoberfläche 3, die hier in Form einer kreisförmigen Scheibe gebildet ist. Zum Erkennen der Lage der hinsichtlich Form und Grösse bekannten Werkstückoberfläche im Arbeitsfeld des Bearbeitungslasers wird zunächst der Messlaserstrahl aus der O-Lage des Arbeitsfeldes entlang der X-Achse zum Koordinatenfeldrand Ry 1 bewegt. Dabei entsteht über die Strecke Sx 1 ein Reflexions-Signal, welches im Punkt P 1 erlischt. Nunmehr wird der Messlaserstrahl wieder entlang der X-Achse des Arbeitsfeldes bis zum Arbeitsfeldrand Ry 2 zurückgesteuert; dabei entsteht ein Reflexions-Signal Sx 2. Ist das Reflexions-Signal Sx 1 grösser als Sx 2, so liegt der Kreismittelpunkt M links um die Grösse —Ax, andernfalls rechts von der Y-Achse. Ist bei einer kreisförmigen Fläche die Grösse bekannt, so ist damit auch der Mittelpunkt des Kreises M bekannt. Indessen genügt diese Feststellung zur Lage des Kreismittelpunktes innerhalb der Arbeitsfläche nicht. Die Streckengrösse Sx kann oberhalb oder unterhalb des Mittelpunktes gelegen sein. Dazu ist es erforderlich, den Lasermessstrahl um eine Streckengrösse Y' abzulenken und erneut parallel zur Strecke Sx zu führen. Man erhält ein zweites Signal Sx' — im vorliegenden Beispiel ist die Streckengrösse Sx' grösser als die Streckengrösse Sx. Dadurch ist bekannt, dass der Kreismittelpunkt M oberhalb der X-Achse des Koordinatenmittelpunktes 0 des Arbeitsfeldes gelegen ist. Durch Halbieren der Strecke Sx sind bei einer bekannten Kreisfläche nunmehr die Mittelpunktkoordinaten M der Kreisfläche bzw. des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes errechenbar. Sind die Mittelpunktkoordinaten der Werkstückfläche M bekannt, so sind auch die Korrekturgrössen Ax bzw. Ay bestimmbar bzw. bekannt. Soll mittels des Bearbeitungslaserstrahles eine kreisförmige Nut 20 in die Werkstückoberfläche eingearbeitet werden, so sind die Steuerkoordinaten für die Galvanometermotoren zur Ablenkung des Laserstrahles um die vorgenannten Korrekturwerte zu berichtigen.

In Fig. 3 ist innerhalb der Arbeitsfläche 1 des Bearbeitungslasers ein Werkstück mit einer bekannten rechteckigen Arbeitsfläche 3 gelegen. Dieses Werkstück kann hier auch um seine durch den Werkstückmittelpunkt M geführte Z-Achse gedreht sein. Auch hier verfährt man wie vorbeschrieben. Zunächst wird der Lasermessstrahl in X-Richtung entlang der X-Achse über die Werkstückoberfläche bewegt, so dass die Punkte P 1 und P 2 bzw. die Streckenlängen (Signaldauer) A Sx und Sx bekannt sind. Sodann wird der Laserstrahl um die Streckengrösse Y' ausgesteuert und erneut parallel zur X-Achse über die Werkstückoberfläche geführt. Man erhält sodann die Punkte P 1' und P 2' bzw. das Signal Sx', womit die Lage des Werkstückes indessen noch nicht eindeutig innerhalb des Arbeitsfeldes festgelegt ist. Diese Grössen Sx und Sx' können offenbar hier oberhalb und unterhalb des Mittelpunktes M des Werkstückes vorkommen. Zur genauen Erkennung der Lage des Werkstückes im Arbeitsfeld ist es daher vorteilhaft, durch eine Auslenkung des Lasermessstrahles in Richtung der Y-Achse die Streckengrössen Sy 1 und Sy 2 zu ermitteln. Damit ist die Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes eindeutig. Aus den gemessenen Werten lässt sieh nunmehr die Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes bestimmen. In entsprechender Weise kann man auch zur Bestimmung der Lage eines Werkstückes im Arbeitsfeld bei anderen bekannten Flächenformen verfahren. Auch ist es möglich, durch zeilenförmiges mehrfaches Abtasten nur in einer Koordinaten-Richtung, z. B. in der X-Richtung, die Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes ebenfalls eindeutig zu bestimmen.

In den Fig. 4 und 5 ist der gemäss Fig. 1 bis 12 dargestellte Adapter im Längsschnitt und in der Ansicht gegen seine dem Werkstück zugekehrte Stirnfläche dargestellt. Der Adapter 12 besitzt einen mittigen Kanal 21, durch welchen die Laserstrahlen auf die Werkstückoberfläche gelangen. Er besteht aus einem Tubus 22 mit darin eingelassenen Lichtleitfasern 23; diese Lichtleitfasern schliessen mit ihren Stirnenden 23' bündig mit der Stirnfläche 24 des Adapters ab. Wie insbesondere aus Fig. 5 zu ersehen ist, sind die Lichtleitfasern in Form eines Kranzes um den Kanal 21 angeordnet. Die Lichtleitfaser-Stirnflächen sind in der Fig. 5 als Punkt A 23' oder Kreuz B 23' dargestellt und in zwei Gruppen A und B gegliedert. Die mit einem Kreuz bezeichneten Stirnenden B 23' sind der Gruppe B und die mit einem Punkt bezeichneten Stirnenden A 23' der Gruppe A zugehörig, derart, dass die der Gruppe A zugehörigen Lichtleitfasern in der Teilungsfolge 1, 3, 5 ... und die der Gruppe B zugehörigen Lichtleitfasern in der Teilungsfolge 2, 4, 6 ... im Kranz angeordnet sind.

Wie weiter aus den Fig. 6 und 7 zu ersehen ist, ist die Werkstüekoberfläche 3 nicht absolut eben, sondern sie besitzt je nach ihrem Herstellungsprozess eine mehr oder weniger rauhe, z. B. Riefen aufweisende Oberfläche. Beim Abtasten des Werkstückes durch den Lasermessstrahl wird daher das Reflexionslicht an der Oberfläche gebeugt bzw. unterschiedlich abgelenkt. Wie Fig. 7 zeigt, entsteht dadurch eine Beugungsfigur, die von der Flächenstruktur und Lage der Oberfläche innerhalb des Arbeitsfeldes abhängig ist. Besonders stark tritt dieser Effekt in Erscheinung, wenn die Oberfläche F gemäss Fig. 6 Schleifriefen 25 od. dgl. aufweist, die meist parallel zueinander verlaufen. Ein Ausrichten des Werkstückes 3 im Arbeitsfeld 1, z. B. derart, dass die Schleifriefen parallel zur X-Achse verlaufen, ist nur schwer möglich. Verlaufen die Schleifriefen, wie in Fig. 6 dargestellt, unter einem Winkel zur X-Achse, so entsteht ein der Fig. 7 ähnliches Beugungsbild. Um dieses Beugungsbild erfassen zu können, sind, wie in Fig. 4 und 5 dargestellt, die Lichtleitfasern ringförmig über den Behandlungsort angeordnet. Besonders störend wirkt sich bei nicht ebenen Oberflächen sowie nicht gleichmässig ausgeleuchteten Arbeitsflächen der Einfluss des Tageslichtes aus. Zur genauen Erfassung des Reflexions-Signals ist es daher dienlich, den Tageslichteinfluss zu eliminieren. Aus diesem Grunde sind die Lichtleitfasern im Sensor 12 in zwei Gruppen A und B angeordnet.

Fig. 8 zeigt die Anordnung der Lichtleitfaserbündel in den Gruppen A und B. Das von der Werkstück-Oberfläche reflektierte Licht wird von den Lichtleitfasern zu jeweils einem Fotoelement 27 und 28 übertragen. Durch Vorschalten von jeweils einem Inteferenzfilter 29, 30 erreicht man, dass das Fotoelement 27 das He-Ne-Laserlicht und ein Band des Umgebungslichtes mit 633 nm detektiert und ferner, dass das

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Fotoelement 28 nur ein Band des Umgebungslichtes mit 601 nm detektiert. Der Anteil des Umgebungslichtes verursacht auf den beiden Detektoren 27, 28 nahezu den gleichen Spannungshub.

Der Aufbau der Diskriminatorschaltung zum Eliminieren 5 des Tageslichteinflusses ist in Fig. 9 dargestellt. An den Eingängen 27' und 28' der Verstärker 31 und 32 liegen die Ausgänge der fotoempfindlichen Elemente 27 und 28. Die Potentiometer 33 und 34 sind derart gestellt, dass bei ausgeschaltetem He-Ne-Laser am Ausgang des Messwertverstärkers 37 ein 10 Nullpotential anliegt. Während eines Messzyklus ist lediglich der Filter 29 für die Wellenlänge des Messlaserstrahles durchlässig, so dass der durch den Lasermessstrahl verursachte Spannungshub als Messwert am Ausgang 35 des Messwertver-stärkers 37 erscheint, der nunmehr einem Endverstärker 38 15 zugeleitet wird, dessen Ausgang an einem Schmitt-Trigger 39 liegt; er setzt das Messsignal in auswertbare Messsignale 40 um, welche über den Ausgang 41 dem Prozessrechner zugeleitet werden.

Der Prozessrechner ist vorteilhaft als Mikroprozessor mit 20 16 Byte-Speichern mit wahlweisem Zugriff (RAM) und 1,5 kByte-Auslesespeichern (RPROM) sowie mit einer Über616 357

wachungsschaltung (Kontrollhardware) gebildet. Wegen des grossen Störpegels bei gepulsten Laseranlagen sind die Überwachungsschaltungen und Speicher in CMOS-Technik aufgebaut.

Der digitale Ausgang des Mikroprozessor wird einem 12-Bit-Digital-Analogwandler zugeführt, dessen analoger Ausgang einen Leistungsverstärker und die nachgeschalteten galvanometrischen Motoren (Fig. 1) steuert. Die eigentliche Berechnung des Mittelpunktes erfolgt durch die Software, wobei die bekannte Oberflächen-Figur des Werkstückes im Auslesespeicher (RPROM) gespeichert ist. Durch eine programmierte Überschwingung wird die Hysterese der galvanometrischen Motoren 8x und 8y innerhalb enger Grenzen gehalten. Die freiprogrammierbare Steuerung hat den Vorteil, dass durch Änderung der Software die Position von anderen Flächenformen oder einfachen Figuren mit der gleichen Hardware bestimmbar ist. Unter Verwendung dieser Vorrichtung ist eine Positionsbestimmung des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes etwa bei Flächengrössen von 15 mm2 mit einer Genauigkeit von 1,3% möglich. Diese Genauigkeit ist nicht vom Mikroprozessor abhängig, sondern von den Ablenkorganen und von der Fokussieroptik.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zum hochgenauen Bearbeiten eines im Arbeitsfeld eines Bearbeitungslasers angeordneten Werkstückes, wobei man in den Strahlengang des Laser-Bearbeitungsstrah-les einen Laser-Messstrahl einblendet und die Laserstrahlen mittels gesteuerter Galvanometerspiegel in zwei orthogonalen Richtungen auslenkt, dadurch gekennzeichnet, dass man mittels des Laser-Messstrahles die in ihrer Form und Grösse bekannte Werkstückoberfläche abtastet und das von der Werkstückoberfläche reflektierte Licht des Laser-Messstrahles zur Erkennung der Lage des Werkstückes innerhalb des Arbeitsfeldes des Bearbeitungslasers nutzt.

2. Bearbeitungslaser zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, mit von einem programmierbaren Prozessrechner gesteuerten Galvanometerspiegel-Antrieben zur Steuerung der optischen Achse des Laserbearbeitungsstrahles auf den jeweiligen Bearbeitungsort eines im Arbeitsfeld des Bearbeitungslasers angeordneten Werkstückes, wobei der Bearbeitungslaser in seinem Strahlengang einen Spiegel zum Einblenden des Laser-Messstrahles aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass er einen zwischen Werkstück (3) und Einblendspiegel (7) angeordneten, den Laserstrahlengang umgebenden und das vom Bearbeitungsort des Werkstückes reflektierte Licht des Laser-Messstrahles adaptierenden Sensor (12) aufweist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 unter Verwendung eines programmierbaren, den Laser-Bearbeitungsstrahl mittelbar steuernden Prozessrechners, dadurch gekennzeichnet, dass man durch Abtasten der bekannten Bearbeitungsfläche (3) des Werkstückes mittels des im Strahlengang des Bearbeitungslasers eingeblendeten Laser-Messstrahles (10) die Lagekoordinaten der Werkstückoberfläche in bezug auf die Mittelpunktkoordinaten der Arbeitsfläche (1) des Bearbeitungslasers ermittelt, indem man die Intensitäten des von der Werkstückoberfläche reflektierenden Lichtes in analoge Spannungsgrös-sen umwandelt und letztere dem Prozessrechner (17) zuführt, der aus diesen Signalen die Mittelpunktskoordinaten der Werkstückoberfläche im Arbeitsfeld errechnet sowie das Steuerprogramm für den Laser-Bearbeitungsstrahl auf die Mittelpunktskoordinaten der Werkstückoberfläche transformiert.

4. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass man zur deutlicheren Erkennung des vom Laser-Messstrahl (10) an der Werkstückoberfläche (3) erzeugten Reflexionssignals den Fremdlichtanteil eliminiert.

5. Bearbeitungslaser nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (12) als Lichtleitfasern (23) enthaltender Ring ausgebildet ist, wobei die Lichtleitfaser-Stirnenden (23') kranzförmig verteilt und auf die Arbeitsfläche (1) des Bearbeitungslaserstrahles (5) gerichtet sind.

6. Bearbeitungslaser nach den Patentansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die im Sensor (12) enthaltenen Lichtleitfasern (23) in zwei Gruppen (A und B) gegliedert sind, wobei die Lichtleitfasern einer jeden Gruppe unter Zwischenschaltung eines Interferenzfilters (29, 30) mit jeweils einem die Lichtintensität in eine Spannungsgrösse umwandelnden Element (27, 28) gekoppelt sind.

7. Bearbeitungslaser nach den Patentansprüchen 2, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfasern (23) der einen Gruppe (A) in der Teilungsfolge 1,3,5 ... und die Lichtleitfasern der anderen Gruppe (B) in der Teilungsfolge 2, 4, 6 ... und untereinander im gleichen Teilungsabstand angeordnet sind.

8. Bearbeitungslaser nach den Patentansprüchen 2 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fotoelement (27) He-Ne-Laserlicht und ein Band des Umgebungslichtes mit 633 nm mittlerer Wellenlänge und das andere Fotoelement (28) nur ein Band des Umgebungslichtes mit 601 nm mittlerer Wellenlänge detektiert.

9. Bearbeitungslaser nach den Patentansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass den Fotoelementen (27, 28) ein Diskriminator (Fig. 9) zum Eliminieren des Tageslichteinflusses nachgeschaltet ist.