DD140117A1

DD140117A1 - Anordnung zur praezisionsmaterialbearbeitung mittels laserstrahlen

Info

Publication number: DD140117A1
Application number: DD21013778A
Authority: DD
Inventors: Manfred Poehler; Gisbert Staupendahl; Fritz Echtermeyer
Original assignee: Manfred Poehler; Gisbert Staupendahl; Fritz Echtermeyer
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1978-12-27
Publication date: 1980-02-13
Also published as: GB2040074B; DE2947071A1; DD140117B1; GB2040074A

Description

Anmelder: .

VEB Feinmechanische Werke Halle,

Halle/S., Rudolf-Breitscheid-Str,

Vertreter: ·

Pat·-Ing «Klaus Echt ermeyer

Halle/S., Saatweg 23

Titel der Erfindung

Anordnung zur Präzisionsmaterialbearbeitung mittels Laserstrahlen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Präzisionsmaterialbearbeitung mittels Laserstrahlen verschiedenster Werkstoffe und Arbeitsverfahren, wie Schneiden, Schweißen und Gravieren in vorgegebenen numerisch gesteuerten Bahnen und Konturen«,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen . . In der Zeitschrift Laser und Elektro-Optik, Heft 1/1975, S, 18 wird bereits der Einsatz der Laserstrahlen zur Bearbeitung von verschiedenen Materialien beschrieben, bei der die Manipulation der Laserstrahlen auf den Ort der Materialbearbeitung erfolgt. Hierbei werden relative Bewegungen zwischen dem Laserstrahl und der zu bearbeitenden Werkstückebene ausgeführt. Der Nachteil dieser bekannten technischen Lösung besteht darin, daß bei der Präzisionsbearbeitung im Bereich von hundertstel. Millimetern der Laser und die Laseroptik gemeinsam über das Werkstück bewegt werden.muß und infolge der Massenträgheit dieser Aggregate nur verhältnismäßig geringe Bearbeitungsgeschwindigkeiten mit einen hohen Genauigkeitsgrad erzielt werden. Laser großer kontinuierlicher Ausgangsleistung weisen auch ein hohes Gewicht auf, wodurch

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die Präzisionsmaterialbearbeitung erschwert wird. Diesen Nachteil, wird in der DD-PS 127 550 dadurch begegnet, indem nur die leichte Laseroptik mit hoher Geschwindigkeit über die Werkstückebene bewegt wird. Hierbei wird zwischen dem Auskoppelfenster des Lasers und dem Laserstrahl auf zwei an der Pührungsmaschine angeordnete Umlenkspiegel ein justierbares Reflexionsspiegelpaar angeordnet, dessen Krümmungsradien aufeinander abgestimmt sind. Die Spiegelgeometrie wird durch die Abstandsänderung der Spiegel des Reflexionsspiegelpaares beeinflußt. Bei dieser Laserschneideinrichtung ist eine Präzisionsbearbeitung hoher Reproduzierbarkeit nicht möglich, da beim Bearbeitungsvorgang infolge der Bewegungen permanent Dejustierungen der Laser™ Strahlrichtungen auftreten. Aus der DE-OS 2222668 sind Justiervorrichtungen von Laserspiegeln bekannt, die extern mit Mikrometerschrauben eingestellt werden, wobei 3 jeweils 120° versetzte Justierpunkte auf Konusmikrometerspindeln eine Justierung der Spiegel auf einer definierten Achse ermöglichen. Der Mangel dieser Anordnung besteht darin, daß neben.der köstenintensiven Konstruktion eine ständige Nachjustierung an der axialen Mikrometerschraube der Spiegel insbesondere bei der Präzisionsmaterialbearbeitung erforderlich ist. Alle diese bekannten Vorrichtungen besitzen den Nachteil, daß die Meßergebnisse, infolge einer bisher unkontrollierbaren Reflexionsstrahlung vom Werkstück auf die Meßwerke, verfälscht werden und demzufolge kein exakter Ist-Wert-Soll-Wert-Vergleich angestellt werden kann·

d) Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung zur Präzxsionsmaterialbearbeitung mittels Laserstrahlen, die während des Betriebes sowohl eine Steigerung der Arbeitsproduktivität, als auch eine reproduzierbar hohe Bearbeitungsqualität garantierte

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e) Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur numerisch gesteuerten Präzisionsmaterialbearbeitung mittels Laserstrahlen und mit einer beweglichen Bearbeitungsoptik ausgestattet, derart zu konzipieren, daß eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit im hundertstel Millimeter-Genauigkeit sber eich erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird folgendermaßen gelöst: Über einer Bearbeitungsfläche ist eine Präzisionsführungs« einrichtung, in der bekannten Bauart eines Querträgersupportes, fahrbar angeordnet. Die PräzisionsfUhrungseinrichtung enthält einen X- und einen Y-Antrieb, die mit einer numerischen Steuerung verbunden sind, ein Meßwerk II mit einer Meßlochblende und einem darunter angeordneten Laserschneidkopf der etwa in 2 bis 3-facher Brennweite von der Laserschneidoptik entfernt ist. Das Meßwerk II ist durch eine U-j-Spannung mit einer MeßwertSpannungseinrichtung verbunden. Außerhalb der Präzisionsführungseinrichtung befindet sich die Laserstrahlungsquelle mit ihrem teleskop pischen System, ein Meßwerk I, das aus einem Umlenkmeßkörper und aus einem Meßkegel besteht, ein Steller I, ein automatisch verstellbarer Justierspiegel und ein Steller II© Am Meßwerk I ist über eine Up-Spannung die Meßwertspannungseinrichtung angeschlossen, die wiederum über einen Verstärker I, einen Regler I mit einer Grenzwerteinstellung und dem Steller II korrespondiert. Am Regler I ist über eine externe Führungsspannung ein Verstärker II mit dem Regler II verbunden, der auch mit den Verstärker I sowie mit dem Steller I in Verbindung steht. Der Umlenkmeßkörper ist an seiner ebenen Reflexionsfläche hochreflektierend vergütet. Gegenüber der ebenen Reflexionsfläche ist unter einem Keilwinkel von 5° bis 17° eine gewölbte optisch abbildende iPläche angeordnet. Beim Betrieb der Anlage wird die Laserstrahlungsquelle, die mit dem teleskopischen System korrespondiert, exakt in Richtung der

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ersten Koordinate der Präzisionsführungseinrichtung gelenkt. Einer der Spiegel des teleskopischen Systemes ist ebenfalls zusätzlich als Umlenkmeßkörper ausgebildet· Der hochreflektierende Teil der Laserstrahlung des Umlenkmeßkörpers reflektiert den Laserstrahl über den Umlenkspiegel, durch die Meßlochblende zum Meßwerk II in den Laserschneidkopf . Der transmittierende Anteil der Laserstrahlung gelangt als Meßsignal in den Meßkegel und wird hier als Urspannung sowie als Ug-Spannung zur Meßwertspannungseinrichtung geführt. Das Meßsignal dient der Messung der Laserstrahlungsleistung während der Materialbearbeitung und wird zusätzlich der Stabilisierung der Laserstrahlungsquelle verwendet. Ein Spiegel des teleskopischen Systemes ist an einer Justierhalterung befestigt, die in zwei senkrecht zueinander justierbaren Koordinaten über die steuerbaren Steller I und Steller II unabhängig voneinander schwenkbar angeordnet sind. Störungen bei der Übertragung des hochreflektierenden Teiles der Laserstrahlung, der Bewegung der Präzisionsfuhrungseinrichtung der Leistungsschwankungen,-der Strahlrichtungsänderungen und iietzspannungsschviankungen werden derart kompensiert, indem am Meßwerk I des Umlenkmeßkörpers und am Meßwerk II dezentrierende Strahlungsabschattungen an der Meßlochblende als Diff erenzv/erte erfaßt werden und als Regelgrößen der dynamischen Efachjustage, des automatischen Justierspiegels dienen.

f) Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand von Zeichnungen näher erläutert werden« Es zeigen:

Pig· 1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung,

Figo 2: eine Draufsicht des steuerbaren Stellers,-

Pig. 3i eine Seitenansicht nach Fig. 2 mit Koordinatensteiler,

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Pig. 4: eine Seitenansicht nach Pig. 2, spiegelseitig

Pig. 5s einen Schnitt Pig. 2 des steuerbaren Stellers,

Pig. 6: einen Schnitt durch einen Umlenkmeßkörper.

Ein bekannter Querträgersupport ist als Präzisionsführungseinrichtung 38 über einer Bearbeitungsfläche 13 fahrbar angeordnet. Die Präzisionsf übungseinrichtung 38 enthält einen X-Antrieb 16 sowie einen Y-Antrieb -15» die mit einer numerischen Steuerung H gekoppelt sind, ein Me'ßwerk II 12 mit einer Meßlochblende 21 und einen darunter angeordneten Laserschneidkopf, der etwa in zwei- bis dreifacher Brennweite von der Laserschneidoptik entfernt ist_e Das Meßwerk II 12 ist durch eine U₁-Spannung 9 mit einer Meßwertspannungseinrichtung 3 verbunden. Außerhalb der Präzisionsführungseinrichtung 38 befindet sich die Laserstrahlungsquelle 1 mit ihrem teleskopischen System 2, ein Meßwerk I 11 mit einem Umlenkmeßkörper 36, das einen Meßkegel 28 besitzt, ein Steller I 17, ein automatisch verstellbarer Justierspiegel 22 und ein Steller IX-18· Am Meßwerk 111 ist über eine Up^-Spannung 10 die Meßwertspannungseinrichtung 3 angeschlossen, die wiederum über einen Verstärker I 4, einen Regler I 6 mit einer Grenzwerteinstellung 19 und dem Steller II 18 korrespondiert. Am Regler I 6 ist über eine externe Pührungsspannung 8 ein Verstärker II 5 nii.t dem Regler II 7 verbunden, der auch mit dem Verstärker I '4 sowie mit dem Steller I 17 in Verbindung steht. Der an einer Systemhalterung 35 schwenkbar befestigte Umlenkmeßkörper 36 mit Kühlung 33 ist an seiner ebenen Reflexionsfläche 41 hochreflektierend vergütet. Gegenüber der. ebenen Reflexionsfläche 41 ist unter einem Jieilwlnkel 42 von 5° bis 17° eine gewölbte optisch abbildende Fläche 40 angeordnet.

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Beim Betrieb der Anlage wird die Laserstrahlungsquelle 1, die mit dem teleskopischen System 2 korrespondiert, exakt in Richtung der ersten Koordinate der Präzisionsf übungseinrichtung 38 gelenkt* Einer der Spiegel des teleskopischen Systemes 2 ist ebenfalls zusätzlich als Umlenkmeßkörper 36 ausgebildetο Der hochreflektierende Teil der laserstrahlung 25 des Umlenkmeßkörpers 36 reflektiert den Laserstrahl 27 über den Umlenkspiegel 20, durch die Meßlochblende 21 zum Meßwerk II 12 in den Laserschneidkopf. Der transmittierende Anteil der Laserstrahlung 26 gelangt als Meßsignal 29 in den Meßkegel 28 und wird hier als U.^- Spannung 9 sowie als U₂~Spannung 10 zur Meßwertspannungseinrichtung 3 geführt. Das Meßsignal 29 dient der Messung der Laserstrahlungsleistung während der Materialbearbeitung und wird zusätzlich zur Stabilisierung der laserstrahl ungs quelle 1 verwendet. Ein Spiegel des teleskopischen Systemes 2 ist an einer Justierhalterung 39 befestigt, die in zwei senkrecht zueinander justierbaren Koordinaten 30 über die steuerbaren Steller I 1? und Steller II 18 durch eine Einstellschraube 34, eine Regelsignaleingabe 31.und einen steuerbaren Steller 24 unabhängig voneinander schwenkbar angeordnet sind. Störungen bei der Übertragung des hochreflektierenden Teiles der Laserstrahlung 25> der Bewegung der Präzisionsführungseinrichtung 38, der Leistungsschwankungen, der Strahlrichtungsänderungen sowie Netzspannungss.chwankungen werden derart kompensiert, indem am Meßwerk I des Umlenkmeßkörpers 11 und am Meßwerk II 12, dezentrierende Strahlungsabschattungen an der Meßlochblende 21 als Differenzwerte erfaßt werden und als Regelgrößen der dynamischen Nachjustierung des automatischen Justierspiegels 22 dienen. Für den Einsatz der Spektralanalyse wird während der Bearbeitung der Umlenkmeßkörper 36 um gedreht. Damit erhält der Meßkegel 28 unverfälschte Werte

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des Reflexionsanteiles des hochreflektierenden Teiles der laserstrahlung 25 vom zu untersuchenden Y/erkstoff, wodurch Spektralanalysen auch an großflächigen Werkstoffen durchgeführt werden können. Die erfindungsgemäße Anordnung garantiert, infolge einer leichten, schnell arbeitenden und massearmen, automatisch justierbaren Regelung der Richtung der Laserstrahlen 27, eine Steigerung der Arbeitsproduktivität und einem Genauigkeitsgrad bei der Präzisionsmaterialbearbeitung im Bereich von hundertstel Millimetern.

Claims

210 137-s- Erfindungsanspruch.:

1. Anordnung zur Präzisionsmaterialbearbeitung mittels Laserstrahlen und einer numerischen Steuerung der Koordinaten einer PräzisionsfUhrungseinrichtung, wobei die Laserstrahlungsquelle mit ihrem teleskopischen System außerhalb der Bearbeitungsfläche angeordnet ist und der hochreflektierende Teil der Laserstrahlung, von der Laserstrahlungsquelle über Umlenkspiegel in den Laserschneidkopf geleitet wird, g ek ennzeichn et dadurch,, daß ein Meßwerk I (11), ein Steller I (17)y ein automatisch verstellbarer Justierspiegel (22) und ein Steller II (18) im Bereich der Laserstrahlungsquelle (1) angeordnet sind und mit einem Meßwerk II (12), das eine Meßlochblende (21) enthält, und an der Präsisionsführungseinrichtung (38) arretiert ist, miteinander verknüpft über eine U-j-Spannung (9), eine Meßwertspannungseinrichtung (3) einen Verstärker I (4)> einen Regler I (6), einer Grenzwerteinstellung (19) angeordnet sind, wobei am Regler 1(6) über eine externe Führungsspannung (8) ein Verstärker II (5) mit einem Regler II (7) verbunden ist, der auch mit dem Verstärker I (4) sowie mit dem Steller I (17) korrespondiert, daß gegenüber einer ebenen Reflexionsfläche (41) eines Umlenkmeßkörpers (36) unter einem Keilwinkel (42) von 5° bis .17° eine gewölbte optisch abbildende Fläche (40) angeordnet ist, die Umlenkmeßkörper (36) sowohl im Meßwerk I (11), als auch im Meßwerk II (12) verstellbar befestigt sind und daß am automatisch verstellbaren Justierspiegel (22) eine Justierhalterung (39) mit den zwei senkrecht zueinander justierbaren Koordinaten (30), dem Steller I (17) und dem Steller II (18), mit einer Regel-Signaleingabe (31) sowie mittels steuerbaren Steller (24) schwenkbar verbunden sind·

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2. Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet d a du rc h , dai3 der Umlenkmeßkörper (36) an einer um 180° schwenkbaren Syst einhalt er ung (35) angeordnet ist

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3 Seiten Zeichnungen