DD140117B1

DD140117B1 - ARRANGEMENT FOR PRECISION MATERIAL PROCESSING BY MEANS OF LASER RADIATION

Info

Publication number: DD140117B1
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: 1981-07-29
Also published as: GB2040074B; DD140117A1; DE2947071A1; GB2040074A

Description

Anmelder: Halle, den 05. 11. 1980Applicant: Halle, 05. 11. 1980

VEB KombinatVEB Combine

Feinmechanische Werke HallePrecision Engineering Works Halle

402 Halle/S., Rudolf-Breitscheid-Str. 71402 Halle / S., Rudolf-Breitscheid-Str. 71

Vertreter:representative:

Pat.-Ing. Klaus Echtermeyer 402 Halle/S., Saatv/eg 23Pat.-Ing. Klaus Echtermeyer 402 Halle / S., Saatv / eg 23

Titel der ErfindungTitle of the invention

Anordnung zur Justierung des Laserstrahles einer IdaterialbearbeitungseinrichtungArrangement for adjusting the laser beam of an ID material processing device

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Justierung des Laser strahles einer Liaterialbearbeitungseinrichtung zum Schneiden, Schweißen und Gravieren in vorgegebenen numerisch gesteuerten Bahnen und Konturen.The invention relates to an arrangement for adjusting the laser beam of a Liaterialbearbeitungseinrichtung for cutting, welding and engraving in predetermined numerically controlled paths and contours.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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 I£anipulation der Laserstrahlen auf den Ort der LIaterialbearbeitung erfolgt. Hierbei werden relative Bewegungen zwischen dem Laserstrahl und der zu bearbeitenden Werkstückebene ausgeführt. Der Nachteil dieser bekannten technischen Lösung besteht darin, daß bei derIn the journal Laser and Electro-Optics, Issue 1/1975, p. 18, the use of laser beams for the processing of various materials is already described, in which the manipulation of the laser beams takes place at the location of material processing. In this case, relative movements are carried out between the laser beam and the workpiece plane to be machined. The disadvantage of this known technical solution is that in the

Präzisionsbearbeitung im Bereich von hundertstel Jlillimetern der Laser und die Laseroptik gemeinsam über das Werkstück bewegt werden muß und infolge der LIassenträgheit dieser Aggregate nur verhältnismäßig geringe Bearbeitungsgeschwindigkeiten mit einem hohen Genauigkeitsgrad erzielt werden. Laser großer kontinuierlicher Ausgangsleistung weisen auch ein hohes Gewicht auf, wodurchPrecision machining in the range of hundredths of a millimeter of the laser and the laser optics must be moved together over the workpiece and due to the LIassenträgheit these units only relatively low processing speeds can be achieved with a high degree of accuracy. High continuous output lasers also have a high weight, thereby

die Präzisionsmaterialbearbeitung erschwert wird. Diesen Nachteil wird in der DD-PS 127 550 dadurch begegnet, indem nor 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 Führungsmaschine angeordnete Umlenkspiegel ein jus tierbares 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 Dejustiarungen der Laserstrahlrichtungen auftreten. Aus der DS-OS 2222668 sind Justiarvorrichtungen von Laserspiegeln bekannt, die extern mit Mikromaterschrauben eingestellt werden, wobei 3 jeweils 120° versetzte Justierpunkte auf Konusmikromaterspindeln eine Justierung der Spiegel auf einer definierten Achse ermöglichen. Der Mangel dieser Anordnung besteht darin, daß neben der kostenintensiven Konstruktion eine ständige Hachjustierung an dar axialen Mikromatarschraube der Spiegel insbesondere bei der Präzisionsmaterialbearbeitung erforderlich ist. Alle diese bekannten Vorrichtungen besitzen den Nachteil, daß die Meßergebnisse, infolge einer bisher unkontrollierbaren Raflexionsstrahlung vom Werkstück auf die Meßwerke, verfälscht werden und demzufolge kein exakter Ist-Wert-Soll-7/ert-Vergleich angestellt werden kann.Precision material processing is difficult. This disadvantage is counteracted in the DD-PS 127 550 by nor the lightweight laser optics is moved at high speed over the workpiece level. This is between the coupling window of the laser and the. Laser beam arranged on two arranged on the guide machine deflection mirror a jus tierbares reflection mirror pair whose radii of curvature are coordinated. The mirror geometry is influenced by the change in the distance of the mirror of the reflection mirror pair. With this laser cutting device, precision machining of high reproducibility is not possible, since during the machining process, as a result of the movements, permanent misalignments of the laser beam directions occur. From DS-OS 2222668 Justiarvorrichtungen laser mirrors are known, which are set externally with micromater screws, with 3 each 120 ° offset adjustment points on cone micrometer spindles allow adjustment of the mirror on a defined axis. The shortcoming of this arrangement is that in addition to the costly construction, a constant Hachjustierung to the axial Mikromatarschraube the mirror is required especially in precision material processing. All these known devices have the disadvantage that the measurement results, as a result of previously uncontrollable Raflexionsstrahlung from the workpiece to the measuring units, are distorted and therefore no exact actual value-target 7 / ert comparison can be made.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung zur Justierung eines Laserstrahles, die während des Betriebes sowohl eine Steigerung der Arbeitsproduktivität, als auch eine reproduzierbar hohe Bearbeitungsqualität garantiert.The aim of the invention is to provide an arrangement for adjusting a laser beam, which guarantees both an increase in labor productivity, as well as a reproducible high quality processing during operation.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Justierung eines Laserstrahles zur numerisch gesteuerten Präzisionsmaterialbearbeitung, die mit einer beweglichen Bearbeitungsoptik ausgestattet ist, derart zu konzipieren, daß eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit im hundertstel Millimeter-Genauigkeitsbereich erreicht wird·The invention has for its object to design an arrangement for adjusting a laser beam for numerically controlled precision material processing, which is equipped with a movable processing optics, such that a high processing speed in the hundredths of a millimeter accuracy range is achieved ·

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird folgendermaßen gelöst: ober einer Bearbeitungsfläche ist eine Präzisionsführungseinrichtung, in der bekannten Bauart eines Querträgersupportes, fahrbar angeordnete Die Präzisionsführungseinrieb= tung enthält einen X- und einen Y-Antrieb, die mit einer numerischen Steuerung verbunden sind, ein Meßwerk mit ei= ner Meßlochblende und einem darunter angeordneten Laserschneidkopf der etwa in 2 bis 3-facher Brennweite von der Laserschneidoptik entfernt ist« Das Meßwerk ist durch eine U,^-Spannung mit einer Vergleichs- !einrichtung verbunden. Außerhalb der Präzisionsführungseinrichtung befindet sich die Laserstrahlungsquelle mit ihrem teleskopischen System, ein MeßwerJc, das aus einem Umlenkmeßkörper und aus einem Meßkegel besteht, ein Steller, ein automatisch verstellbarer Justierspiegel und ein weiterer Steller. Am Meßwerk ist über eine üg-Spannung die Yergieichseinrichtung angeschlossen, die wiederum über einen Verstärker, einen Regler mit einer Grenzwerteinstellung und dem Steller korrespondiert. Am Regler ist über eine externe Führungsspannung ein Verstärker mit dem Regler verbunden, der auch mit dem Verstärker sowie mit dem Steller 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 Fläche angeordnet· Beim Betrieb der Anlage wird die Laserstrahlungsquelle, die mit dem teleskapischen System korrespondiert, exakt inThe object according to the invention is achieved as follows: a precision guide device, in the known design of a crossmember support, is movably arranged. The precision guide unit contains an X- and a Y-drive, which are connected to a numerical control, a measuring mechanism with ei = ner Meßlochblende and an underlying laser cutting head is about 2 to 3 times the focal distance from the laser cutting optics away «The measuring mechanism is connected by a U, ^ - voltage with a comparison ! means. Outside the precision guide device is the laser radiation source with its telescopic system, a MeßwerJc, which consists of a Umlenkmeßkörper and a Meßkegel, a controller, an automatically adjustable adjustment mirror and another actuator. At the measuring unit, the Yergieichs device is connected via a üg voltage, which in turn via an amplifier, a controller with a limit value setting and the actuator corresponds. The controller is connected via an external control voltage, an amplifier to the controller, which is also connected to the amplifier and the controller in connection. The Umlenkmeßkörper is coated on its flat reflection surface highly reflective. Opposite the flat reflection surface, a curved optically imaging surface is arranged at a wedge angle of 5 ° to 17 °. · During operation of the system, the laser radiation source corresponding to the telescapic system becomes exactly in

Richtung der ersten Koordinate der Präzisionsführungsein^ richtung 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 in den Laserschneidkopf. Der transmittierende Anteil der Laserstrahlung gelangt als Meßsignal in den Meßkegel und wird hier als U^-Spannung sowie als U«-»Spannung zur Vergleichs- — einrichtung geführt· Das Meßsignal dient der Messung der Laserstrahlungsleistung während der Materialbearbeitung und wird zusätzlich der Stabilisierung der Laserstrahlungs«· quelle verwendet· Ein Spiegel des teleskopischen Systemes ist an einer Justierhalterung befestigt, die in zwei senkrecht zueinander justierbaren Koordinaten über die steuerbaren Steller und Steller unabhängig voneinander schwenkbar angeordnet sind. Störungen bei der Übertragung des hochreflektierenden Teiles aer Laserstrahlung, der Bewegung der Präzisionsführuxigseinrichtung der Leistungsechwankungen, der Strahlrichtungsänderungen und Netzspannungsschwankungen werden derart kompensiert, indem am Meßwerk des Umlenkmeßkörpers und am Meßwerk dezentrierende Strahlungsabschattungen an der Meßlochblende als Differenzwerte erfaßt werden und als Regelgrößen der dynamischen Nachjustage des automatischen Justierspiegels dienen»One of the mirrors of the telescopic system is also additionally designed as Umlenkmeßkörper. The highly reflective part of the laser radiation of Umlenkmeßkörpers reflects the laser beam over the deflection mirror, through the Meßlochblende to the measuring unit in the laser cutting head. The transmissive portion of the laser radiation passes as a measuring signal in the Meßkegel and here as U ^ - voltage as well as U «-» voltage to comparison - device guided · The measurement signal is used to measure the laser radiation power during material processing and is additionally the stabilization of the laser radiation A mirror of the telescopic system is attached to an alignment fixture, which are arranged in two mutually adjustable coordinates on the controllable actuator and actuator independently pivotable. Disturbances in the transmission of the highly reflective part of the laser radiation, the movement of the precision guiding device of the power fluctuations, the beam direction changes and mains voltage fluctuations are compensated for by detecting decentering radiation shading at the measuring orifice as difference values at the measuring device of the deflection measuring body and at the measuring device and as controlled variables of the dynamic readjustment of the automatic Adjusting mirrors serve »

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to drawings. Show it:

Fig. 1j eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung,1j is a schematic representation of the arrangement according to the invention,

Pig· 2* einen Schnitt durch einen UmlenkmeßkörperPig * 2 * a section through a Umlenkmeßkörper

3» einen Schnitt durch einen steuerbaren Steller3 »a section through a controllable actuator

Ein bekannter Querträgersupport ist als Präzisionsfübungseinrichtung 38 über einer Bearbeitungsfläche 13 fahrbar angeordnet· Die Präzisionsführungseinrichtung 38 enthält einen Z-Antrieb 16 sowie einen Y-Antrieb 15» die mit einer numerischen Steuerung 14 gekoppelt sind, ein Meßwerk 12 mit ei*· ner Meßlochblende 21 und einen darunter angeordneten Laserschaeidkopf, der etwa in zwei- bis dreifacher Brennweite von der Laserschneidoptik entfernt ist* Das Meßwerk 12 ist durch eine U₁-Spannung 9 mit einer Meßwertspannungseinrichtung 3 verbunden. Außerhalb der Vergleichs - einrich* tung 38 befindet sich die Laserstrahlungsquelle 1 mit ihrem teleskopischen System 2, ein Meßwerk 11 mit einem Umlenkmeßkörper 36, das einen Meßkegel 28 besitzt, ein Steller 17, ein automatisch verstellbarer Justierspiegel 22 und ein Steller 18. Am Meßwerk 11 ist über eine U₂-Spannung 10 die Vergleichs - einrichtung 3 angeschlossen, die wiederum über einen Verstärker 4» einen Regler 6 mit einer Grenzwerteinstellung 19 und dem Steller 18 korrespondiert. Am Regler 6 ist über eine externe Führungsspannung 8 ein Verstärker 5 mit dem Regler 7 verbunden, der auch mit dem ver·^ stärker 4 sowie mit dem Steller 17 in Verbindung steht. Der an einer Systemhalterung 35 schwenkbar befestigte Umlenkmeßkörper 36 mit Kühlung 33 ißt an seiner ebenen Reflexionsfläche 41 hochreflektierend vergütet. Gegenüber der ebenen Reflexionsfläche 41 ist unter einem Keilwinkel 42 von 5° bis 17° eine gewölbte optisch abbildende Fläche 40 an^ geordnet. Beim Betrieb der Anlage wird die Laserstrahlungsquelle 1, die mit dem teleskopischen System 2 korrespondiert, exakt in Richtung der ersten Koordinate der Präzisionsführungseinrichtung 38 gelenkt· Einer der Spiegel des teleskop pischen Systems 2 ist ebenfalls zusätzlich als Umlenkmeßkörper 36 ausgebildet. Der hochreflektierende Teil der Laserstrahlung 25 des Umlenkmeßkörpers 36 reflektiert den Laserstrahl 27 über den Umlenkspiegel 20, durch die Meßlochblende 21 zum Meßwerk 12 in den Laserschneidkopf·A known cross member support is arranged to be movable as a precision attachment device 38 over a working surface 13. The precision guide device 38 contains a Z drive 16 and a Y drive 15 which are coupled to a numerical control 14, a measuring mechanism 12 with a metering orifice 21 and a Laserschaeidkopf arranged thereunder, which is approximately two to three times the focal distance from the laser cutting optical system * The measuring unit 12 is connected by a U ₁ voltage 9 with a Meßspannungsspannungseinrichtung 3. Outside the comparison device 38 is the laser radiation source 1 with its telescopic system 2, a measuring mechanism 11 with a Umlenkmeßkörper 36 which has a Meßkegel 28, a controller 17, an automatically adjustable adjusting mirror 22 and a controller 18. On the measuring unit 11th is via a U ₂ voltage 10, the comparison device 3 is connected, which in turn via an amplifier 4 »a controller 6 with a limit value setting 19 and the actuator 18 corresponds. On the controller 6, an amplifier 5 is connected to the controller 7 via an external control voltage 8, which amplifier is also connected to the controller 4 and to the controller 17. The Umlenkmeßkörper 36 with cooling 33 pivotally mounted on a system holder 35 eats on its flat reflection surface 41 highly reflective coated. Opposite the flat reflection surface 41, a curved optically imaging surface 40 is arranged at a wedge angle 42 of 5 ° to 17 °. During operation of the system, the laser radiation source 1, which corresponds to the telescopic system 2, directed exactly in the direction of the first coordinate of the precision guide means 38 · One of the mirror of the telescopic system 2 is also additionally designed as Umlenkmeßkörper 36. The highly reflective part of the laser radiation 25 of Umlenkmeßkörpers 36 reflects the laser beam 27 via the deflection mirror 20, through the Meßlochblende 21 to the measuring unit 12 in the laser cutting head ·

Der transmittierende Anteil der Laserstrahlung 26 gelangt als Meßsignal 29 in den Meßkegel 28 und wird hier als U₁-Spannung 9 sowie als Üp-Spannung 10 zur YergLe'ichs -einrichtung 3 geführt. Das Meßsignal 29 dient der Messung der Laserstrahlungsleistung während der Materialbearbeitung und wird zusätzlich zur Stabilisierung der Laserstrahlungsquelle 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 17 und Steller 18, durch eine Einstellschraube 34, eine Regelsignaleingabe 31 und einen steuerbaren Steller 24, der vorzugsweise als piezoelektrisches Bauelement ausgeführt ist, unabhängig voneinander schwenkbar angeordnet sind. Störungen bei der übertragung des hochreflektierenden Teiles der Laserstrahlung 25, der Bewegung der Präzisionsführungseinrichtung 38, der Leistungsechwankungen, der Strahlrichtungsänderungen sowie NetzspannungsSchwankungen werden derart kompensiert, indem am Meßwerk des Umlenkmeßkörpers 11 und am Meßwerk 12, dezentrierende Strahlungsabschattungen an der Meßlochblende 21 als Differenzwerte erfaßt werden und als Regelgrößen der dynamischen Nachjustierung des automatischen Justierspiegels dienen. Pur den Einsatz der Spektralanalyse wird während der Bearbeitung der Unilenkmeßkörper 36 um 180° gedreht· Damit erhält der Meßkegel 28 unverfälschte Werte des Reflexionsanteiles des hochreflektierenden Teiles der Laserstrahlung 25 vom zu untersuchenden Werkstoff, 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.The transmissive portion of the laser radiation 26 passes as a measuring signal 29 in the measuring cone 28 and is here as U ₁ voltage 9 and as Üp voltage 10 to YergLe'ichs - device 3 out. The measuring signal 29 is used to measure the laser radiation power during material processing and is used in addition to the stabilization of the laser radiation source 1. A mirror of the telescopic system 2 is attached to a Justierhalterung 39, which in two mutually perpendicular coordinates 30 on the controllable actuator 17 and actuator 18, by an adjusting screw 34, a control signal input 31 and a controllable actuator 24, preferably designed as a piezoelectric device is independently pivotally arranged. Disturbances in the transmission of the highly reflective part of the laser radiation 25, the movement of the precision guide device 38, the power fluctuations, the beam direction changes and mains voltage fluctuations are compensated such that at the measuring unit of Umlenkmeßkörpers 11 and the measuring unit 12, decentering Strahlungsabschattungen be detected at the Meßlochblende 21 as difference values and serve as control variables of the dynamic readjustment of the automatic adjustment mirror. The use of the spectral analysis is rotated by 180 ° during machining of Unilenkmeßkörper 36 · Thus receives the measuring cone 28 unadulterated values of the reflection component of the highly reflective part of the laser radiation 25 from the material to be examined, whereby spectral analyzes can also be performed on large-area materials. The arrangement according to the invention guarantees, as a result of a light, fast-working and low-mass, automatically adjustable control of the direction of the laser beams 27, an increase in work productivity and a degree of accuracy in precision material processing in the range of one hundredth of a millimeter.

Claims

Invention claim:

1 arrangement for adjusting the laser beam of a material processing device with numerical control of the coordinates of a guide device, wherein the laser radiation source is arranged with its telescopic system outside the processing surface and the highly reflective part of the laser radiation is directed from the laser radiation source via adjustable deflection mirror in the laser cutting head, characterized characterized that on the transmission path of the laser beam after the laser radiation source (1) and in front of the laser cutting head depending on a transmitting An * - part of the laser radiation (25) detecting and this in a measuring voltage transforming axs Umlenkmeßkörper (36) formed measuring device is arranged, their voltages as difference values to be given to a comparison device and amplified via controller (6; 7) two actuators (17; 18) drive, one in a pivotable in two coordinates holder mirror of the telescopic system s adjust ©

Arrangement according to item 1, characterized in that the Umlenkmeßkörper (36) relative to its flat reflecting surface (41) at a wedge angle of 5 to 17 ° curved optically imaging surface (40) in which in its Hßkegel (28) means for Forming the laser radiation (25) are arranged in a Meßspannubg.

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