DE10045191A1

DE10045191A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Echtzeitsteuerung der Strahlcharakteristiken bei einer mit einem Laser ausgerüsteten Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE10045191A1
Application number: DE10045191A
Authority: DE
Inventors: Ira E Cole; William B Scott
Original assignee: WHITNEY CO W; W A Whitney Co
Current assignee: WHITNEY CO W; W A Whitney Co
Priority date: 1999-09-15
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2001-05-03
Also published as: GB2354845B; GB0022471D0; CA2314442A1; CA2317389A1; GB2354845A; US6420674B1; US6462301B1; US6392192B1; CA2317389C

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Echtzeitsteuerung der Laserstrahlcharakteristiken einer mit einem Hochenergielaser ausgerüsteten Werkzeugmaschine wird ein Strahlweg-Eingangssignal erzeugt, das von Längenänderungen des Laserstrahlwegs abhängig ist, wenn ein Arbeitskopf der Werkzeugmaschine sich über das Werkstück bewegt. Ein Integrator erzeugt ein Signal in Abhängigkeit von Echtzeitänderungen der thermischen Belastung eines Laserausgangs-Kopplungselements, wenn der Laserstrahl angewandt wird und das Ausgangs-Energieniveau eingestellt ist. Das Strahlweg- und thermische Belastungssignal werden dazu benutzt, einen Kollimator anzutreiben, so daß in Echtzeit veränderte Strahlcharakteristiken korrigiert werden können, welche durch Weglängenänderungen und eine thermische Linsenbeeinflussung des Ausgangs-Kopplungselements hervorgerufen werden. Im Ergebnis kann so die Steuerung der Strahlgröße an einer fokussierenden Optik aufrechterhalten werden. Daneben erzeugt ein weiterer Integrator ein Signal, das von Echtzeitänderungen der thermischen Belastung der fokussierenden Optik abhängt, wenn der Laserstrahl angewandt wird, und das Eingangs-Energieniveau des Lasers eingestellt ist. Dieses Korrektursignal wird an den Einstellmechanismus der fokussierenden Optik angelegt und dient der Echtzeitkorrektur von Verschiebungen in dieser Optik, die durch thermische Linsenbeeinflussung der Optik hervorgerufen werden.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Echt zeitsteuerung der Strahlcharakteristiken bei einer mit einem Laser, insbesondere Hochenergielaser ausgerüsteten Werkzeugma schine nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Lasergestützte Werkzeugmaschinen werden oft dazu benutzt, um Teile aus Blech und relativ dünnen Platten herauszuschneiden. Ferner dienen sie auch dazu, ausgeschnittene und bearbeitete Teile zusammenzuschweißen. In derartigen Werkzeugmaschinen wird ein Laserstrahl zur Behandlung des betreffenden Materials ver wendet: Ein Laserstrahl, nachstehend auch kurz als Strahl be zeichnet, wird mit Hilfe eines Strahlanlieferungssystems auf einem Strahlweg ausgerichtet. Ein Strahlanlieferungssystem ist eine Ansammlung von optischen Elementen, beispielsweise reflek tiven Spiegeln und transmissiven (durchlässigen) optischen Ele menten, die den Strahl umlenken, die Ausbreitungscharakteristi ka des Strahls ändern oder diesen fokussieren. Das Strahlanlie ferungssystem ist aus Sicherheitsgründen und zur Steuerung des Strahlweges in einer besonderen Umgebung (Gehäuse) eingeschlos sen. Der Laserstrahl wird durch eine fokussierende Linsen- oder Spiegelanordnung auf einen Lichtfleck mit kleinem Durchmesser konzentriert, der mit Bezug auf die Oberfläche des zu behan delnden Materials in eine geeignete Lage gesteuert wird.

In den meisten Anwendungsfällen verläßt der Laserstrahl den La ser durch ein Ausgangs-Kopplungselement, ein teilweise trans missives und teilweise reflektives optisches Element, welches den Laserraum abdichtet und einen Teil des Strahles aus dem La serraum oder Resonator heraus überträgt. Der Strahl wird dann entlang eines Strahlweges zu einer fokussierenden Optik in ei nem Arbeitskopf in der Nähe des Werkstücks hingelenkt. Bei den meisten Schneidanwendungen wird der Strahl von der fokussieren den Optik durch eine Düse gerichtet, die unmittelbar oberhalb des zu schneidenden Werkstücks angeordnet ist. Durch die Düse wird gleichzeitig ein unter Druck stehendes Gas geführt, im we sentlichen koaxial zum Strahl, um den Schneidprozeß zu unter stützen. Das unter Druck stehende Gas dient dazu, den Schneid vorgang zu erleichtern und/oder abzuschirmen und erzeugt einen Gasstrom, der dazu beiträgt, verdampftes und geschmolzenes Ma terial aus dem Schnitt oder der erzeugten Kerbe zu entfernen. Der Ausdruck "Kerbe" bezieht sich auf diejenige Materialzone, die durch einen Schneidprozeß bearbeitet und abgetragen wird. "Kerbenbreite" bezieht sich auf die Breite des im Schneidpro zess erzeugten Schlitzes, und ist beispielsweise die Breite des von einem Laserstrahl ausgeschnittenen Schlitzes, wenn sich der Strahl entlang einem bestimmten Weg bewegt.

Schlüsselfaktoren bei der Laserbearbeitung umfassen den Durch messer des Brennflecks und die Lage des Brennpunktes relativ zum behandelten Material. Die Steuerung dieser fokalen Charak teristiken ist bei der Qualitätserhaltung des Prozesses von kritischer Bedeutung. Während der Bearbeitung kann eine unbeab sichtigte Abweichung der Fokusgröße und Fokusposition eine Ver schlechterung der Prozeßqualität hervorrufen und selbst ein völliges Versagen des Prozesses verursachen.

Der erste von zwei Hauptfaktoren, welche die Brennpunkt-Kenn daten beeinflussen, ist der Durchmesser des Laserstrahls an der fokalen Optik. Aufgrund von Beugung ist der minimale Brenn punktdurchmesser bei einer Optik mit vorgegebener Brennweite begrenzt. Die Beugung verursacht bekanntlich eine divergierende oder in Querrichtung gerichtete Ausbreitung von Lichtstrahlen.

Wenn der Durchmesser des eingegebenen Laserstrahls bei einer vorgegebenen Brennpunktoptik anwächst, nimmt der Durchmesser des Brennflecks aufgrund einer Verringerung der Beugung ab. Da neben verschiebt sich die Lage des Brennflecks dichter an die fokussierende Optik heran, wenn der eingegebene Laserstrahl durchmesser bei einer vorgegebenen fokalen Optik zunimmt.

Der rohe Laserstrahl, wie er aus einem Laserresonator austritt, zeigt die typischen Merkmale der Divergenz. Der Strahldurchmes ser ändert sich in Abhängigkeit von der Entfernung vom Aus gangs-Kopplungselement. Wenn sich der Arbeitskopf über das Be arbeitungsgebiet hinwegbewegt, ändert sich die Entfernung vom Ausgangs-Kopplungselement zur fokussierenden Optik. Wenn ein großes Bearbeitungsgebiet erforderlich ist, muß eine bestimmte Methode der Aufrechterhaltung des ordnungsgemäßen Strahldurch messer angewandt werden, um erhebliche Veränderungen des Durch messers und der Position des Brennpunkts zu vermeiden.

Außerdem beeinflussen Änderungen des Ausgangs-Energieniveaus des Lasers die Divergenz des austretenden Strahles. Der größte Einfluß auf die Strahldivergenz kommt von der thermischen Auf ladung oder Belastung des Ausgangs-Kopplungselements, was zu der sogenannten thermischen Linsenwirkung oder thermischen Lin senbeeinflussung führt. Diese thermische Linsenbeeinflussung ist eine Verformung einer optischen Komponente, die durch Hitze veranlaßt wird, die ihrerseits aus dem Eingangsstrahl absor biert wird. Der absorbierte Teil des Strahls veranlaßt eine Ausdehnung des Ausgangs-Kopplungselements derart, daß sich die Krümmung der Oberfläche verändert. Die Ausdehnung verursacht eine Veränderung der Divergenz des Ausgangsstrahls, wodurch sich die Ausmaße des Strahls an jeder vorgegebenen Entfernung vom Ausgangs-Kopplungselement ändern. Der Grad und das Ausmaß der Verformung hängt von der Energie des Strahls ab sowie von der optischen Verunreinigung, der thermischen Leitfähigkeit der Optik und deren Kühlsystem sowie von der Zeitdauer, während welcher der Strahl angewandt wird. Nach Erreichen des thermi schen Gleichgewichts, wenn also die absorbierte Wärme im Gleichgewicht mit der von der Linsenkühlung abgeführten Wärme ist, bleibt die Form der optischen Oberfläche konstant. Wenn der Strahl abgeschaltet wird, entspannt sich die optische Ober fläche allmählich und kehrt zu ihrer ursprünglichen Gestalt zu rück. Wenn ein Laser mit hoher Ausgangsenergie erforderlich ist, müssen bestimmte Methoden zur Aufrechterhaltung des rich tigen Strahldurchmessers in zeitlicher Abhängigkeit von Ände rungen der Ausgangsenergie angewandt werden, wenn erhebliche Veränderungen des Brennfleckdurchmessers und dessen Position vermieden werden sollen.

Der zweite von zwei Hauptfaktoren, welche die Brennpunktcharak teristiken beeinflussen, ist die Verformung der fokussierenden Optik aufgrund von Wärmeabsorption. In einer Art und Weise die derjenigen im Zusammenhang mit dem Laserausgangs-Kopplungsele ment beschriebenen ähnlich ist, tritt auch eine thermische Lin senbeeinflussung bei der fokussierenden Optik auf. Die Expan sion der fokussierenden Optik reduziert den wirksamen Krüm mungsradius, was den Brennfleck dazu veranlaßt, sich näher an die fokussierende Optik heran zu verschieben. Wenn ein Laser mit hoher Ausgangsenergie benötigt wird, müssen bestimmte Me thoden zur Aufrechterhaltung der richtigen Brennpunktposition in zeitlicher Abhängigkeit vor Veränderungen der Lasereingangs energie angewandt werden, wenn erhebliche Veränderungen der Brennpunktlage verhindert werden sollen.

Lasergestützte Werkzeugmaschinen sind im allgemeinen CNC-ge steuert (Computer Numerically Controlled) und werden in vielen Ausführungsformen und Größen sowie mit Lasern verschiedener Ty pen und Leistung hergestellt. Allgemein gesprochen gibt es im Hinblick auf die Strahlabgabe zwei Konfigurationen: Solche mit festgelegter Länge zwischen dem Laserausgangs-Kopplungselement und dem Arbeitskopf und solche mit variabler Weglänge zwischen dem Laserausgangs-Kopplungselement und dem Arbeitskopf.

Bei einer bestimmten Schneidmaschinenausführungsform, die all gemein als mit "fliegenden Optiken" versehen bezeichnet wird, kann sich der Arbeitskopf entlang einer Achse, beispielsweise der Y-Achse, bewegen, wobei diese Achse auf einer Brücke mon tiert ist, die ihrerseits in Richtung einer zur Y-Achse senk recht verlaufenden X-Achse verschieblich ist. Das Werkstück wird auf einer stationären Platte oder einem stationären Tisch unterhalb der Brücke abgestützt. Die Bewegung des Arbeitskopfes wird mit der Bewegung der Brücke koordiniert, so daß ein präzi ser Weg über das das Werkstück bildende Teil hinweg definiert ist. Der Schneidkopf und der Laser werden so gesteuert, daß das Material durchbohrt und geschnitten wird, so daß sich im Mate rial Ausnehmungen und Gestaltungen bilden und vom Material Tei le abgeschnitten werden. Derartige Maschinen können entweder mit einem Strahlweg fixierter Länge oder mit einem Strahlweg variabler Länge ausgestattet werden.

Bei einer Schneidmaschine, die mit fliegenden Optiken ausge stattet ist, wird ein Strahlweg festgelegter Länge im allgemei nen in einer von zwei möglichen Weisen geschaffen. Bei einer Methode besteht der Strahlweg zwischen dem Ausgangs-Kopplungs element und dem Arbeitskopf aus Abschnitten rohrförmiger Arme. Die Armabschnitte sind über schwenkbare Gelenkverbindungen mit einander verbunden, welche vorgespannte Lager mit Spiegeln am Eingang und Ausgang enthalten, um den Strahl zu lenken. Wenn sich der Arbeitskopf verschiebt, führen die Rohrabschnitte translatorische Bewegungen aus und verschwenken sich um ihre Gelenke, um so der Verschiebung zu folgen. Während die festge legte Weglänge des Strahls eines solchen Systems Divergenzpro bleme, die auf die Weglänge zurückgehen, vermeidet, verbleiben hier doch Gesichtspunkte im Hinblick auf die Fähigkeit des Sy stems hohen Beschleunigungskräften zu widerstehen. Bei einem solchen System besteht auch die Schwierigkeit, die Arme adae quat abzustützen.

Eine weitere Möglichkeit für einen Strahlweg mit festgelegter Länge besteht darin, eine zusätzliche Achse im Strahlweg vorzu sehen und deren Bewegung entsprechend mit den anderen Bewegun gen zu koordinieren, um so die Positionierbewegungen des Ar beitskopfes derart zu kompensieren, daß sich die Länge des Strahlwegs nicht ändert. Eine Steuereinrichtung für eine derar tige Anordnung findet sich in der US-PS 5,406,048. Auch andere Methoden sind in Gebrauch.

Bei einigen Maschinen, beispielsweise bei einer Plattform ("gantry")-Schneidmaschine, bei welchen der Laser mitgeführt wird, läßt sich dieses Konzept der festgelegten Länge relativ leicht ausführen. Die Maschine umfaßt am Boden montierte Schie nen oder Laufbahnen zu beiden parallelen Seiten eines ortsfe sten Tisches, der das Werkstück trägt. Die Schienen führen eine Plattform, auf welcher der Laser montiert ist. Die Schienen führen ferner eine Plattform- oder Brückensektion über das Werkstück. Gewöhnlich ist die den Laser tragende Plattform über einer der Schienen derart angeordnet, daß der Strahl aus dem Laser parallel zu den Schienen austritt. Der Strahl wird von einem Spiegel zu einer Spiegelmontageplattform an der der La serplattform fern gelegenen Seite unter dem Arbeitskopf gerich tet. Die Plattform weist typischerweise zwei Spiegel auf, die so montiert sind, daß sie den Strahl zu einem weiteren Spiegel zurücklenken, der direkt auf dem Arbeitskopf über der fokussie renden Linse angeordnet ist. Der Schneidkopf befindet sich re lativ zu der Spiegelmontage-Plattform in seiner am nächsten ge legenen Position, wenn er seine extreme Laufposition in Rich tung auf die der Laserplattform fern gelegene Seite vom Laser ausgangs-Kopplungselement weggerichtet erreicht hat. Eine Bewe gung des Schneidkopfes auf der Plattform wird mit der Bewegung der Plattform auf den Schienen koordiniert. Wenn sich der Schneidkopf auf der Plattform verschiebt, wird die Plattform mit den beiden Spiegeln so koordiniert, daß sie sich mit dem Schneidkopf verschiebt, jedoch die halbe Distanz des Schneid kopfes durchläuft. Wenn sich der Schneidkopf an seiner extremen Laufposition in nächster Nähe zum Laser befindet, hat die Plattform, welche die beiden Umlenkspiegel trägt, sich etwa in den Mittelpunkt der Plattform verschoben. Auf diese Weise än dert sich die Gesamtlänge des Strahlwegs nicht. Diese Kompensa tionseinrichtung wird oft als "Posaune" bezeichnet, und zwar aufgrund der Ähnlichkeit der Gestalt des Strahlwegs und der Kompensationsbewegung mit der Form und der Bewegung dieses Mu sikinstruments. Ein solches Systems ist auf einer Maschine mit fliegender Optik schwer auszubilden, da es schwierig ist, die Posaunenelemente derart anzuordnen, daß sie andere Maschinen elemente oder andere Funktionen, beispielsweise Aufbringen und Abnehmen der Werkstücke nicht stören. Die optischen Elemente dieser Posaunenanordnung müssen auf einer Maschine mit fliegen der Optik eine größere Wegstrecke durchlaufen, da sowohl die Bewegung in der X- als auch der Y-Achse kompensiert werden muß. Neben der die Spiegel tragenden Plattform tragen Laufschienen, ein servogesteuertes Antriebssystem und Bearbeitungs-Montage flächen erheblich zu den Kosten einer solchen Maschine bei.

Ein Anwendung findendes Verfahren zur Reduzierung der Divergenz des Laserstrahls besteht darin, den Strahl mit einem Kollimator auszudehnen oder zu vergrößern. Der Divergenzgrad eines Strahls wird in umgekehrtem Verhältnis zu dem Betrag, mit dem er ver größert wird, reduziert. Wenn ein Strahl um 25% vergrößert wird, wird sein Divergenzgrad um 20% reduziert. Wenn er um 200 % vergrößert wird, reduziert sich der Divergenzgrad um 50%.

Kollimatoren sind optische Vorrichtungen, die auch als Strah lexpander und Strahlkondenser bekannt sind. Solche Vorrichtun gen besitzen weitere Charakteristika und Funktionen, die dem Fachmann bekannt sind. Die Hersteller von Laseroptiken veröf fentlichen Literatur, welche eine Information über Konstruk tionsvarianten und Anwendungsbeispiele vermitteln. Ein Beispiel für diese Literatur ist: "II-IV Incorporated publication, Beam Expander-Condensers", veröffentlicht 3/92. Kollimatoren können aus transmissiven optischen Elementen derart aufgebaut werden, daß der Strahl durch die optischen Elemente hindurchgeht. Der artige Kollimatoren werden gewöhnlich bei lasergestützten Ma schinen verwendet, und zwar bei einer Leistung bis zu etwa 3 kW und manchmal sogar darüber.

Kollimatoren, die an mit niederer Energie betriebenen Lasern eingesetzt werden, sind so konstruiert oder eingestellt, daß sie den Strahl in einem vorgegebenen Ausmaß vergrößern, und werden dann am Platz verriegelt. Die Verwendung transmissiver Kollimatoren zusammen mit Lasern, die Leistungsniveaus oberhalb 3 kW haben, werden zunehmend problematisch, und zwar aufgrund der thermischen Linsenbeeinflussung und der Grenzen der Ener giedichte, welcher transmissive optische Materialien standhal ten können. Verunreinigungen in den optischen Werkstoffen, Kri stallwachstumsverhältnisse, Oberflächenverunreinigung und Un vollkommenheiten der Oberfläche sind in erster Linie die Ursa chen dafür, daß ein Teil eines Laserstrahls absorbiert und in nerhalb eines transmissiven optischen Elements in Wärme umge wandelt wird.

Die Verformung, die durch eine thermische Linsenbeeinflussung hervorgerufen wird, kann Einfluß auf die Divergenz und die Mo dusqualität des Strahls haben, der durch die optische Anordnung und die fokussierenden Komponenten hindurch verläuft oder von ihnen reflektiert wird, und hierdurch nachteilige Verschiebun gen der Position des Brennpunkts zur Folge haben. Die ther mische Linsenbeeinflussung ist bei transmissiven Optiken ein größeres Problem. Wenn beispielsweise ein Laserstrahl hoher Energie auf die gekrümmte Oberfläche einer plankovexen Fo kallinse gerichtet wird, die eine erste gekrümmte Fläche und eine zweite ebene Fläche hat, verursacht der absorbierte Teil des Strahls eine Ausdehnung der Linse derart, daß deren Ober flächenkrümmung verändert wird. Die Ausdehnung reduziert den wirksamen Krümmungsradius, was dazu führt, daß sich der Brenn fleck nach aufwärts näher an die Linse heran verschiebt. Das Ausmaß der Krümmungsänderung ist in Richtung auf die Mitte der Linse größer, was auf die Energieverteilung des einfallenden Laserstrahls zurückzuführen ist. Daher wird die Aufheizung und die Ausdehnung zur Linsenmitte hin größer. Fixierte Kollimato ren, die unter Verwendung transmissiver optischer Elemente auf gebaut sind, sind gegenüber einer thermischen Linsenbeeinflus sung sehr empfindlich, was ihre Wirksamkeit bei einer Anwendung mit Hochenergielasern verringert.

Kollimatoren lassen sich auch aus reflektiven optischen Elemen ten aufbauen, nämlich aus Kombinationen von ebenen und gekrümm ten Spiegeln derart, daß der Lichtstrahl von den optischen Ele menten reflektiert wird. Reflektive optische Elemente werden typischerweise aus Werkstoffen, beispielsweise Kupfer, herge stellt, die größeren Energiedichten ohne Beschädigung standhal ten können. Auch ist eine thermische Linsenbeeinflussung im Vergleich mit transmissiven optischen Elementen bei reflektiven Optiken nicht so schwerwiegend. Daher sind reflektive Kolli matoren für eine Anwendung in Hochenergielasern geeigneter. Je doch kann ein fixierter, reflektiver Kollimator die thermische Linsenbeeinflussung eines Laserausgangs-Kopplungselements und auch die thermische Linsenbeeinflussung einer fokussierenden Optik nicht kompensieren.

Im Hinblick auf die voranstehenden Ausführungen ist es ein all gemeines Ziel der Erfindung, eine mit einem Hochenergielaser ausgerüstete Werkzeugmaschine zu schaffen, bei der eine Echt zeitkompensation des Strahlausmaßes an der fokussierenden Optik und an der Lage des Brennflecks mit Bezug auf die Oberfläche des zu behandelnden Materials vorgesehen ist.

Anders ausgedrückt besteht ein allgemeines Ziel der Erfindung darin, ein Steuersystem für eine mit einem Hochenergielaser ausgerüstete Werkzeugmaschine zu vermitteln, das in der Lage ist, optische Elemente in Echtzeit einzustellen, um so die Brennfleckgröße und die gewünschte Position desselben mit Bezug auf das zu behandelnde Werkstück aufrechtzuerhalten.

Ein besonderer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung eines Steuersystems, bei dem die Steuerung in Echtzeit erfolgt und auf thermischer Linsenbeeinflussung beruhende Veränderungen sowie Veränderungen der Strahlweglänge kompensiert sind.

Im einzelnen ist es Gegenstand der Erfindung, ein Steuersystem zur Anwendung mit einem servogetriebenen Präzisionskollimator in einer Werkzeugmaschine zu schaffen, die mit einem Hochener gielaser ausgerüstet ist, wobei das Steuersystem Kollimatorkor rekturen einführen kann, welche sowohl Weglängenänderungen als auch eine thermische Belastung von optischen Systemen kompen sieren.

Allgemeiner ausgedrückt ist es Gegenstand der Erfindung, ein Lasersystem für eine Werkzeugmaschine zu vermitteln, bei dem die Wiederholbarkeit durch automatische und ohne Eingriff einer Bedienungsperson erfolgende Kompensation verbessert ist, und zwar eine Kompensation der Einflüsse auf die Brennfleckgröße und die Lage des Brennflecks relativ zum Werkstück, wobei diese Einflüsse durch Änderungen der Strahlweglänge und durch das Ausmaß der Energie an den optischen Elementen sowie der Dauer (Frequenz) der jeweiligen Ein- und Ausschaltung der Energie eingeführt werden, derart, daß die Kompensationskorrekturen während des Betriebs des Systems in Echtzeit erfolgen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, ein Echtzeitsteu ersystem für eine mit einem Laser hoher Energie ausgerüstete Werkzeugmaschine mit transmissiver fokussierender Optik bereit zustellen, wobei das System befähigt ist, Änderungen der Strahlcharakteristiken zu kompensieren, und zwar mit Hilfe ei nes Kollimators. Weiterhin sollen Veränderungen kompensiert werden, die von der fokussierenden Optik durch Einstellung die ser Optik induziert werden.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, ein Steuersystem für eine mit einem Hochenergielaser ausgerüstete Werkzeugma schine mit Mitteln zu schaffen, mit denen die Energie oder Lei stung an der transmissiven fokussierenden Optik bestimmt wer den, wobei die Position der transmissiven fokussierenden Optik in Betracht gezogen und ein Ansprechen in Realzeit erfolgt, um so die Linsenposition zu korrigieren, so daß Beugungseffekte und eine thermische Linsenbeeinflussung von Fokallinsen kompen siert werden kann.

Ein weiterer spezieller Gegenstand ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Bereitstellung eines Echt zeitsteuersystems für eine mit einem Hochenergielaser ausgerü stete Werkzeugmaschine mit variablem Strahllängenweg und mit einer transmissiven fokussierenden Optik, um Veränderungen in den Strahlcharakteristiken unter Verwendung eines servogesteu erten Kollimators sowie Änderungen, die von der fokussierenden Optik durch die Justierung dieser Optik eingeführt werden, zu kompensieren.

Daher besteht ein Gegenstand der Erfindung darin zu erreichen, daß die jeweiligen Kompensationsmechanismen tandemartig oder gemeinsam arbeiten, um auf diese Weise eine konsistente und wiederholbare Größe des Strahlbrennflecks sowie dessen Position zu erzielen.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß ein Realzeitsteu ersystem für eine mit einem Hochenergielaser ausgerüstete Werk zeugmaschine mit variabler Länge des Strahlwegs zu schaffen, wobei das Steuersystem in der Lage ist, das Ausmaß (die Größe) und die Durchmesser-Charakteristika eines Laserstrahls an einer fokussierenden Linse aufrechtzuerhalten sowie ferner auch eine Aufrechterhaltung der Position eines Brennflecks mit Bezug auf die Oberfläche des zu behandelnden Materials zu gewährleisten.

Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, daß separate Inte gratoren in Echtzeit der thermischen Belastung des Laseraus gangs-Kopplungselements und der fokussierenden Linse mit jewei ligen, den Integratoren zugeordneten Zeitkonstanten folgen, wo bei diese Zeitkonstanten an die thermische Verformung und den Entspannungsgrad der jeweiligen Optik angepaßt sind, und daß von den Integratorausgängen Kompensationswerte bestimmt und in das jeweilige Antriebssystem des Kollimator- und Brennpunkt positioniersystems derart eingeführt werden, daß die Größe und die Lage des Brennflecks relativ zu dem zu behandelnden Werk stück genau aufrechterhalten bleibt, und zwar ohne Rücksicht auf die Position des Arbeitskopfes innerhalb dessen Laufwegs und ohne Rücksicht auf der an den Optiken anliegenden Größe der Laserenergie sowie ohne Rücksicht auf die Dauer oder Frequenz, mit welcher der Laserstrahl ein- oder ausgeschaltet wird.

Es ist von Vorteil, wenn bei einem solchen System ein servoge steuerter reflektiver Kollimator eingesetzt wird. Ein solcher Kollimator ist in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmel dung 09/353,936 (deutsche Patentanmeldung 100 34 408.9 "Re flektiver Laser-Kollimator" beschrieben.

Vorteilhaft ist es auch, wenn bei einem solchen System ein Schneidkopf Einsatz findet, der von relativ geringem Gewicht und leicht manövrierbar ist, einen von einer Servoantriebsein richtung gesteuerten Antrieb besitzt, um die Position der Schneiddüse ordnungsgemäß relativ zum Werkstück zu positionie ren, einen separaten servogesteuerten vertikalen Einstellan trieb aufweist, um einen optischen Träger oder Schlitten mit fokussierender Optik zu positionieren, sowie ein Gegenbalan ciersystem einschließt, welches die Wirkkräfte, die durch ein unter hohem Druck stehendes Hilfsgas auf eine fokussierende Op tik ausgeübt werden, ausgleicht. Ein derartiger Schneidkopf ist in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung 09/302,279 im Namen von John C. Legge mit dem Titel "Laser-Equipped Machine Tool Cutting Head with Pressurized Counterbalance" beschrieben.

Diese und andere Gegenstände und Merkmale der Erfindung ergeben sich im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung aus der nach stehenden detaillierten Beschreibung. Es zeigen:

Fig. 1: eine teilweise vereinfachte und aufgebrochene Vor deransicht einer lasergestützten Werkzeugmaschine, in welcher die Erfindung verkörpert werden kann;

Fig. 2: eine Draufsicht der Maschine aus Fig. 1;

Fig. 3: eine Stirnansicht der Maschine aus Fig. 1;

Fig. 4a bis 4d: Schemazeichnungen mit der Darstellung des Phänomens der thermischen Linsenbeeinflussung;

Fig. 5: ein Diagramm mit der Darstellung von Fokalposi tionen, die in Abhängigkeit von einer in stationä rem Zustand befindlichen Ausgangsleistung bei zwei typischen fokussierenden Linsen verschoben sind;

Fig. 6: ein Diagramm mit der Darstellung des Ausmaßes, in welchem eine Linse Energie aus einem einfallenden Laserstrahl bei verschiedenen Energieniveaus absor biert, wodurch sich die Größe der Linse und deren transmissive Eigenschaften verändern;

Fig. 7: ein Diagramm für die thermische Belastung einer Linse mit einer Darstellung der an den Laser ange legten Signale und einer relativen Verformung der Linse;

Fig. 8: eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine dreidimensionale Korrekturkurve, wie sie bei der praktischen Ausübung der Erfindung verwendet wird und

Fig. 9: ein Blockdiagramm mit der Darstellung eines Steuer systems, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.

Obwohl die Erfindung nachstehend im Zusammenhang mit bestimmten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, besteht keine Absicht, die Erfindung auf diese Ausführungsformen zu beschrän ken. Im Gegenteil ist beabsichtigt, alle Alternativen, Abwand lungen und Äquivalente abzudecken, welche durch den von den Pa tentansprüchen definierten Schutzbereich und Erfindungsgedanken umschlossen werden.

In den Fig. 1 und 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform ei nes Steuersystems gemäß der Erfindung im Zusammenhang mit einer lasergestützten Schneidmaschine dargestellt. Jedoch sind die erfindungsgemäßen Prinzipien der Strahlsteuerung auch auf eine lasergestützte Schweißmaschine anwendbar. Bei der dargestellten Ausführungsform umfaßt eine Laser-Schneidmaschine 20 einen Kol limator 22, der zwischen einem Laser 21 und einem Schneid- oder Arbeitskopf 23 angeordnet ist. Die Laser-Schneidmaschine 20 um faßt ein Untergestell 30 zur Abstützung eines Werkzeugtisches 31, auf dem ein Werkstück 32 aufruht. Der Laser 21 wird im ein zelnen hier nicht beschrieben mit der Ausnahme, daß es sich in diesem Falle um eine Hochenergieeinrichtung handelt, die einen Strahl mit einer Leistung von mehr als 3 kW besitzt.

Der Arbeitskopf 23 enthält ein optisches Gehäuse 35, das eine fokussierende Optik 36 umschließt. Die fokussierende Optik 36 (vgl. Fig. 3 die Schlitze 36a, in denen die Optik geführt wird) ist in einem Halter montiert, der in dem als Schlitten ausgebildeten Gehäuse 35 angeordnet ist. Die Laserquelle 21 liefert einen Laserstrahl hoher Energie an den Kollimator 22, der einen kollimierten Strahl 60 zunächst zu einem ersten Ab lenkspiegel 56 richtet, alsdann zu einem zweiten Ablenkspiegel 56a, der oberhalb des Arbeitskopfes 23 angeordnet ist, und schließlich zu der fokussierenden Optik 36. Der Laserstrahl wird aus der fokussierenden Optik 36 durch eine Düse 37 ge lenkt, die unmittelbar oberhalb des Werkstücks angeordnet ist. Durch die Düse 37 wird auch ein unter Druck stehendes Gas ge richtet, und zwar koaxial zum Laserstrahl, um so den Schneid prozeß zu unterstützen. Das Druckgas dient zur Erleichterung und/oder Abschirmung des Schneidvorgangs und vermittelt einen Gasstrom, der dazu beiträgt, durch den Schneidvorgang verdampf tes und geschmolzenes Material zu entfernen.

Der Arbeitskopf 23 ist für eine Verschiebebewegung entlang ei ner Achse eingerichtet, die hier als Y-Achse bezeichnet wird und auf einer Brücke 24 angeordnet ist. Die Brücke 24 ist ent lang einer senkrecht zur Y-Achse ausgerichteten X-Achse ver schieblich. Das vorzugsweise in Gestalt einer Platte vorliegen de Werkstück 32 ist auf dem tafelförmigen Tisch 31 unterhalb der Brücke 24 abgestützt. Eine Bewegung des Arbeitskopfes 23 wird mit der Bewegung der Brücke 24 koordiniert, um so auf dem Werkstück 32 einen genauen Laufweg zu definieren. Der Laser 21 und der Arbeitskopf 23 werden so gesteuert, daß der Strahl das Werkstück durchdringt und aus ihm Löcher und andere Formen so wie schließlich die Begrenzungen eines Teilstücks ausschneidet. Es ist zu beachten, daß diese Konfiguration sogenannter "flie gender Optiken" nicht die einzige Konfiguration ist, auf welche die Erfindung anwendbar ist. Die Erfindung besitzt vielmehr ei ne breitere Anwendbarkeit. Die in den Fig. 1 und 2 darge stellte Maschine ist lediglich eine beispielsweise Ausführungs form.

Der Arbeitskopf 23 überquert die volle Länge des Werkzeug tisches 31 (in Fig. 2 von links nach rechts) sowie die volle Breite dieses Tisches (in Fig. 2 von oben nach unten oder in Fig. 3 von links nach rechts). Diese Grenzlinien bestimmen den Schneidbereich und die maximale Werkstückgröße, die die Maschi ne verarbeiten kann. Bei dieser Maschinenkonfiguration verän dert sich die Länge des Laserstrahlweges zwischen einem Laser ausgangs-Kopplungselement und der fokussierenden Optik im Ar beitskopf 23, wenn der Arbeitskopf 23 sich über den Schneidbe reich hinweg bewegt.

Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, wird der Strahl 60 aus dem Kollimator 22 zum Ablenkspiegel 56 hin gerichtet, der mit Hilfe einer Platte 25 an der Stirnseite der Brücke 24 befestigt ist. Der Spiegel 56 bewegt sich zusammen mit der Brücke 24 der art, daß die Entfernung zwischen Kollimator 22 und Spiegel 56 variiert und von der Position der Brücke 24 auf ihrem Laufweg abhängt.

Wie am besten aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, wird der Strahl 60, der nach Reflektion am Spiegel 56 mit dem Bezugszei chen 60a bezeichnet ist, zum Spiegel 56a umgelenkt, der ober halb des Arbeitskopfes 23 angeordnet ist. Der Spiegel 56a be wegt sich zusammen mit dem Arbeitskopf 23 derart, daß die Ent fernung zwischen den Spiegeln 56 und 56a und damit die Länge des Strahlwegs 60a variiert und von der Position des Arbeits kopfes 23 auf seiner Laufbahn abhängt.

Wie in Fig. 3 dargestellt, wird der Strahl 60a als Strahl 60b vom Spiegel 56a über eine oder mehrere Linsen der Optik 36 und die Düse 37 entlang einer Z-Achse zum Werkstück 32 hin gelenkt. Der Arbeitskopf 23 ist in Fig. 3 in einer zurückgezogenen Po sition oberhalb des Werkstücks dargestellt. Die Düse 37 liegt im allgemeinen nur wenige Millimeter über der Oberfläche des Werkstücks, wenn der Schneidvorgang ausgeführt wird. Die Länge des Strahls 60b ist variabel und hängt von der Dicke des bear beiteten Werstückmaterials ab sowie von der Position der fokus sierenden Optik innerhalb ihres Laufwegs und der vertikalen Po sition des Arbeitskopfes 23 auf seinem Laufweg.

Zusammengefaßt ausgedrückt ist die Länge des Strahlwegs zwi schen dem Laserausgangs-Kopplungselement und dem Werkstück bei einer Schneidmaschine mit fliegenden Optiken variabel. Der Va riationsbereich der Weglänge hängt von der Laufweglänge entlang den X-, Y- und Z-Achsen ab. In der Praxis ist das Variations ausmaß entlang der Z-Achse unbedeutend und kann vernachlässigt werden. Bei einigen Ausführungsformen jedoch ist das Varia tionsausmaß in der Z-Achse wichtig, so daß es kompensiert wer den muß. Bei der dargestellten Konfiguration ist der Strahlweg dann am kürzesten, wenn der Arbeitskopf 23 am äußersten linken Ende des Werkstücktisches 31, vgl. Fig. 1, und an der äußer sten rechten Seite des Tisches 31, vgl. Fig. 3, positioniert ist und wenn ein dickes Werkstückmaterial geschnitten wird. Dieser Bereich ist als "Nahfeld" bekannt. Der Strahlweg ist dann am längsten, wenn sich der Arbeitskopf 23 am äußersten rechten Ende des Tisches 31, vgl. Fig. 1, und an der äußersten linken Seite des Tisches 31, vgl. Fig. 3, befindet und wenn dünnes Material geschnitten wird. Dieser Bereich ist als "Fernfeld" bekannt. Bei der beispielhaft dargestellten Maschine beträgt der Unterschied der Strahlweglänge zwischen diesen bei den Extrempositionen etwas über 6 m.

Der Kollimator 22 dient als ein Mittel, um die Divergenz des Laserstrahls 60 am Kollimatorausgang zu variieren und hierdurch die Größe des Strahls an der fokussierenden Optik 36 zu steu ern. Der Kollimator wird vorzugsweise mit Hilfe eines Servomo tors oder eines anderen Präzisionsantriebsmotors angetrieben und mit Hilfe von CNC-Steuerung positioniert, um sich ändernde Strahlcharakteristiken zu korrigieren und kompensieren.

Weglängenänderungen der angegebenen Größenordnung können auf die Größe des Strahls, der auf die fokussierende Optik auf trifft und dementsprechend auf die Gestalt und Lage des fokus sierten Strahls, wie er zum Werkstück hin gerichtet wird, einen markanten Einfluß haben. Beobachtbare Veränderungen machen sich in einer Qualität des Schnittes bemerkbar, wenn der Arbeitskopf von der Nahfeld- in die Fernfeldposition quer über die Maschine hinweg verschoben wird.

In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung betätigt ein Steuersystem den Kollimator 22, um die Strahldivergenz derart zu steuern, daß an der fokussierenden Optik eine gesteuerte Strahlgröße aufrechterhalten bleibt. Im einfachsten Fall wird die Strahlgröße an der fokussierenden Optik so gesteuert, daß eine konstante Strahlgröße erhalten bleibt. Jedoch gibt es Fäl le, in denen das System gesteuerte Variationen der Strahlgröße einführen kann, um andere Variablen des Systems zu kompensie ren. Wenn nicht anders angegeben, soll der Ausdruck "gesteuerte Strahlgröße" beide Alternativen umfassen. Bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein reflektiver Kollimator eingesetzt, der befähigt ist, in einem "Hoch energie"-Bereich, allgemein oberhalb 3 kW zu arbeiten. Trans missive Kollimatoren oder andere transmissive Strahlkorrek tureinrichtungen werden in Hochenergieanwendungsfällen vorzugs weise vermieden, und zwar wegen der zusätzlich auftretenden Probleme einer thermischen Linsenbeeinflussung und -verformung, die auftreten, wenn derartige Einrichtungen bei hohen Energie niveaus eingesetzt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform ei nes Kollimators 22 ist in der schwebenden US-Patentanmeldung 09/353,936 (deutsche Patentanmeldung 100 34 408.9) beschrieben, die hiermit in die vorliegende Beschreibung mit eingeschlossen wird. Andere kontinuierlich einstellbare Kollimatoren können bei Anwendung der Erfindung ebenfalls benutzt werden. Die US-PS 5,442,436 zeigt einen einstellbaren Kollimator mit vier reflek tiven optischen Elementen. Ein solcher Kollimator kann mit ei nem zusätzlichen Servomotor, der seinen Einstellmechanismus an treibt, bei Ausübung der Erfindung ebenfalls eingesetzt werden.

Der Betrieb eines kontinuierlich einstellbaren Kollimators, durch den Strahldivergenzänderungen korrigiert werden sollen, erfordert ein steuerbares Antriebssystem, beispielsweise einen Servomotorantrieb. Andere Formen steuerbarer Antriebssysteme, beispielsweise Schrittmotoren, servogesteuerte Linearmotoren oder servogesteuerte Druckmediumzylinder können ebenfalls ver wendet werden. Derartige Systeme sind durch ihre Fähigkeit ge kennzeichnet, eine angetriebene Einrichtung, beispielsweise ei nen Kollimator genau positionieren zu können. Solche Servosy steme schließen gewöhnlich auch eine bestimmte Form einer Posi tionsrückkopplung ein. Adaptive Optiken, welche die Krümmung eines Spiegels verändern, können zum gleichen Zwecke wie ein Kollimator eingesetzt werden, sie sind jedoch sehr kostspielig und weniger robust.

Neben den in Abhängigkeit von der Weglänge verursachten Ände rungen der Strahlkenndaten wird eine weitere Veränderung durch die sogenannte thermische Linsenbeeinflussung verursacht. Unter thermischer Linsenbeeinflussung versteht man die Verformung ei ner optischen Komponente, die durch aus dem auftreffenden Strahl absorbierte Wärme verursacht ist. Absorbierte Wärme ver formt die Optik und verursacht eine Änderung der Brennweiteei genschaften. Der Grad und das Ausmaß der Verformung hängen von der Strahlenergie ab, von der thermischen Leitfähigkeit der Op tik und deren Kühlsystem sowie der Zeitdauer, während welcher der Strahl ein- oder ausgeschaltet ist. Nach Erreichen eines thermischen Gleichgewichts, wenn also die absorbierte Hitze im Gleichgewicht mit derjenigen vom Linsenkühlungssystem abgeführ ten Wärme ist, bleibt die Gestalt der optischen Oberfläche kon stant. Wenn der Strahl abgeschaltet wird, entspannt sich die Optik und kehrt zu ihrer ursprünglichen Gestalt zurück.

Die thermische Linsenbeeinflussung ist bei transmissiven Opti ken ausgeprägter, wie beispielsweise bei dem Ausgangs-Kopp lungselement eines Lasers oder einer fokalen Linse. Die Fig. 4a bis 4d illustrieren die thermische Linsenbeeinflussung. Fig. 4a zeigt ein Laserausgangs-Kopplungselement 80, welches ei nen Strahl 81 teilweise reflektiert und durchläßt. Wie allge mein üblich sind die Innenfläche 82a und die Außenfläche 82b des Kopplungselements 80 so konturiert, daß der durchgehende Strahl 83 eine kleinere Weite oder Taillierung 84 besitzt, die vom Kopplungselement 80 eine Wegstrecke "L" entfernt ist und, einen Durchmesser 85 hat. Fig. 4b zeigt die Effekte der ther mischen Linsenbeeinflussung. Das Ausgangs-Kopplungselement 80 dehnt sich aus, wenn Wärme absorbiert wird. Die ursprünglichen optischen Flächen 82a und 82b, die strichpunktiert dargestellt sind, werden verformt, wie mit ausgezogenen Linien und über trieben bei 82c und 82d dargestellt ist, so daß sich eine Ver änderung der Kenndaten des austretenden Strahls 83' ergibt. Die Strahlweite 84 wird vom Durchmesser 85 auf eine Strahlweite 84' mit dem Durchmesser 85' verkleinert und um eine Wegstrecke ΔL in eine andere Position verschoben.

Die Veränderung der Strahlausbreitungskenndaten einer Optik, die bei verschiedenen Energieniveaus arbeitet, kann durch Ver suche bestimmt werden und ist im wesentlichen reproduzierbar. Aus Versuchsdaten ist es möglich, eine Gleichung abzuleiten, aufgrund welcher die Größe der Verschiebung der Strahlweite 84/84' sowie eine Änderung der Divergenz in Abhängigkeit von der integrierten Zeit und Energie vorhergesagt werden kann. Wie weiter unten im einzelnen noch beschrieben, vermittelt die Er findung die Möglichkeit, eine solche Information mit der Infor mation betreffend die Strahlweglänge zu kombinieren, um den Kollimator zu positionieren, so daß Änderungen der Strahlcha rakteristiken kompensiert und korrigiert werden können, um so die gewünschten Charakteristiken aufrechtzuerhalten.

Fokussierende Optiken unterliegen ebenfalls der thermischen Linsenbeeinflussung. Fig. 4c zeigt eine plankonvexe Fokallinse 86 mit einem Brennpunkt 87. Fig. 4d zeigt die Linse 86' mit übertriebener Verformung, um so die thermische Linsenbeeinflus sung zu illustrieren, die in diesem Falle zu einer Verschiebung des Brennpunkts 87' führt. Der Abstand d₁ zwischen den Brenn punkten 87 und 87' zeigt in übertriebener Weise die Brennpunkt verschiebung, welche durch die thermische Linsenbeeinflussung veranlaßt ist. Bei mit hoher Energie betriebenen Lasereinrich tungen kann diese Verschiebung erheblich sein. So wurde bei spielsweise festgestellt, daß eine plankonvexe Zinkselenidlinse mit einer Brennweite von etwa 25 cm, die einem Laserstrahl von 6 kW und 35 mm Durchmesser unterworfen wurde, eine Fokusver schiebung von mehr als 6 mm aufwies. Bei der Erfindung wird ei ne thermische Linsenbeeinflussung der fokussierenden Optik se parat von der thermischen Linsenbeeinflussung des Ausgangs- Kopplungselements kompensiert und dadurch bewerkstelligt, daß dem Antriebssystem, welches die fokussierende Optik positio niert, ein Korrektursignal zugefügt wird.

Fig. 3 zeigt den Arbeitskopf 23 mit der Düse 37, wie er über dem Werkstück 32 liegt. Der Antriebsmechanismus für die Z- Achsenrichtung ist schematisch dargestellt und mit D₁ bezeich net. Dieser Antrieb verschiebt den Arbeitskopf in der vertikal verlaufenden Z-Achsenrichtung und positioniert die Düse in ei ner vorgegebenen Entfernung oberhalb des Werkstücks 32, um den Schneidvorgang auszuführen. Ein zweiter Antrieb, der schema tisch dargestellt und mit D₂ bezeichnet ist, verschiebt das als Linsenträger dienende Gehäuse 35 innerhalb des Arbeitskopfes 23. Der Linserträgerantrieb, worauf hier manchmal Bezug genom men wird, stellt die Position des Brennflecks relativ zur Ober fläche des Werkstücks 32 ein, ohne dabei die Grundposition der Düse mit Bezug auf diese Fläche zu ändern. Dieser Antrieb dient dazu, um die Lage des Brennflecks zum Zwecke einer Durchdrin gung und Durchschneidung verschiedener Materialien korrekt zu positionieren. In manchen Fällen wird die Linse während eines Teils eines Durchbohrzyklusses nach unten hin angetrieben. In allen Fällen hat die Lage des Brennflecks eine angestrebte, vorbestimmte Position. Jedoch verursacht die thermische Linsen beeinflussung eine unerwünschte Verschiebung der Brennfleckpo sition. Erfindungsgemäß ist der Antrieb D₂ mit einer Steuerung für die Z-Achsenpositionierung und einer Verschiebung der Δz- Position versehen, wodurch eine durch thermische Linsenbeein flussung hervorgerufene Brennfleckverschiebung korrigiert wird.

Fig. 5 zeigt für zwei verschiedene Optiken das Ausmaß der Brennfleckverschiebung in Abhängigkeit von einer auf die jewei lige Optik einfallenden Energie. Die Kurve A repräsentiert die Brennfleckverschiebung, die durch verschiedene Energieniveaus von 0 bis 6 kW hervorgerufen wird. Die Kurve B entspricht der gleichen Information bei einer Optik mit unterschiedlicher Brennweite. Die Erfindung kompensiert diese Verschiebungen durch Einführung von Korrekturmaßnahmen.

Die Kompensierung der thermischen Linsenbeeinflussung ist nicht ein einfaches, auf einem stationären Zustand beruhendes Pro blem, wie durch Fig. 5 nahegelegt. Eine Linse kann als thermi scher Integrator aufgefaßt werden, der mit dem Veränderungsgrad Hitze speichert und freigibt, je nach der Energie des Strahles, der Wirksamkeit des Kühlsystemes und der Dauer, während der der Strahl angewandt wird. Die resultierenden Änderungen der Fokus charakteristiken treten in einem Ausmaß auf, das durch eine Ex ponentialkurve beschrieben werden kann. Typische Laserausgangs- Kopplungselemente haben eine Zeitkonstante in der Größenordnung von 6 s nach dem Einschalten, bevor 63% des vollen thermischen Effekts realisiert sind. In Fig. 6 geben die Exponentialkurven P₁, P₂ und P₃ den Änderungsgrad der Strahlencharakteristiken, basierend auf unterschiedlichen Durchschnittsenergiewerten, die an ein Ausgangs-Kopplungselement abgegeben werden, graphisch wieder. P₁ bezieht sich auf das niedrigste Energieniveau, P₃ auf das höchste.

Ferner muß in Betracht gezogen werden, daß der Laser nicht kon tinuierlich eingeschaltet bleibt, sondern in ziemlich kurzen. Intervallen ein- und ausgeschaltet wird. Wenn der Laser ausge schaltet ist, kühlt sich die Linse in einem Ausmaß ab, das ebenfalls durch eine Exponentialkurve beschreibbar ist. Zusam menfassend, ist das Ausmaß der thermischen Verformung eines Ausgangs-Kopplungselements oder einer anderen Optik eine Varia ble, und zwar in Abhängigkeit von der an der Optik anliegenden Energie, wobei der Änderungsgrad durch eine Exponentialfunktion beschreibbar ist, die ihrerseits eine Zeitkonstante aufweist, welche an diejenige des optischen Systems angepaßt ist und von der Zeit abhängt, die nach dem Ein- und Ausschalten des Strahls verstrichen ist. Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung, in welcher Energie gegen Zeit bei einer typischen Optik, bei spielsweise einem Ausgangs-Kopplungselement für einen Hochener gielaser aufgetragen ist. Der Kurvenabschnitt 90, der von t₀ bis t₁ verläuft, zeigt die Geschwindigkeit des thermischen Auf baus in der Optik nach anfänglichem Anlegen der Energie. Im Zeitpunkt t₁ wird der Laser ausgeschaltet. Die Kurve 91 zeigt den exponentiellen Abkühlgrad der Optik bis der Zeitpunkt t₂ erreicht ist, zu welchem der Laser wieder eingeschaltet wird. Die Kurve 92 zeigt den thermischen Ausbildungsgrad ab dem Zeit punkt t₂. Die Kurvendarstellung in Fig. 7 kann als eine inte grierte Energie-Zeitdarstellung des Ausmaßes der thermischen Energie aufgefaßt werden, die in einer Optik gespeichert wird. Eine solche Information wird in der Praxis der vorliegenden Er findung dazu ausgenutzt, Kompensationswerte zu bestimmen, um thermisch verursachte Änderungen der Strahlcharakteristik zu korrigieren.

Erfindungsgemäß wird ein Signal benutzt, das für das integrier te Energieniveau indikativ ist, welches im Ausgangs-Kopplungs element gespeichert ist, das seinerseits zwischen seinen beiden Energiepunkten des stationären Zustands, dem ausgeschalteten und dem der vollen Sättigung arbeitet. Das Ausmaß der in der Optik gespeicherten thermischen Energie wird in Echtzeit ver folgt und bestimmt. Diese Information wird dazu benutzt, einen Korrekturwert zu bestimmen. Der Korrekturwert wird in Echtzeit in ein Antriebssystem eingeführt, um die Kollimatoroptik einzu stellen, so daß die fokalen Charakteristiken des Strahls korri giert werden können. Bei Systemen, wie das hier beispielhaft Vorgeführte, in denen sich die Strahlweglänge ändert, werden das Ausmaß der im Ausgangs-Kopplungselement gespeicherten ther mischen Energie und die Länge des Strahlwegs in Kombination und in Echtzeit ausgenutzt, um den Kompensationswert zu bestimmen. Bei Werkzeugmaschinen mit einer festgelegten (unveränderlichen) Strahlweglänge würde lediglich die im Ausgangs-Kopplungselement gespeicherte thermische Energie zur Bestimmung des Kompensati onswertes verwendet.

Bei der gegenwärtig bevorzugten Praxis der Erfindung wird ein reflektiver Kollimator zwischen dem Laser und der fokussieren den Optik angeordnet. Dieser Kollimator hat einen Einstellme chanismus, der so betätigt wird, daß sowohl Änderungen der thermischen Linsenbeeinflussung als auch Änderungen der Weglän ge kompensiert werden können. Die Natur der Änderungen kann dem Konzept nach beschrieben werden als die Einführung einer Kor rektur, die auf einer dreidimensionalen Kurve basiert, von der ein Ausführungsbeispiel in Fig. 8 dargestellt ist. In dieser Figur ist ein Gitternetz mit drei Achsen dargestellt, wobei ei ne erste Achse 100 Weglängenänderungen ausgehend von einer festgelegten Referenz, beispielsweise 0, im Ursprung bis zu ma ximalen Weglängenänderungen definiert. Somit entspricht der Ar beitskopf 23 in der Position der kürzesten Weglänge einem Punkt auf der Achse 100 im Ursprung, und eine Bewegung des Arbeits kopfes in Richtungen, bei denen die Weglänge anwächst, ver schiebt den Punkt in Richtung des Pfeils 100.

Auf der Achse 101 ist die integrierte Ausgangsenergie in geeig neten Einheiten, beispielsweise kW aufgetragen. Der Punkt mini maler Energie liegt bei oder in der Nähe des Ursprungs, und ein Anwachsen der Energieniveaus führt zu einer Verschiebung vom Ursprung in eine Richtung, die durch den Pfeil 101 angegeben ist. Die Ausgangsenergie, die auf diese Achse aufgetragen wird, ist in irgendeinem vorgegebenen Zeitpunkt die integrierte Aus gangsenergie, wie in Fig. 7 dargestellt.

Die dritte Achse der dreidimensionalen Darstellung in Fig. 8 ist der Versatz oder die Verschiebung bezüglich des Kolli mators. Diese Größe hat beispielsweise eine Null-Stellung im Ursprung und eine wachsende positive Abweichung, wie durch den Pfeil 103 angegeben. Die Skala kann auch so angeordnet werden, daß sich eine Null-Verschiebung an einer Zwischenposition er gibt, so daß sich zu beiden Seiten des Nullpunkts sowohl posi tive als auch negative Verschiebungen ergeben.

Fig. 8 zeigt eine dreidimensionale Fläche 105, welche die Be ziehung zwischen der Ausgangsenergie (oder Ausgangsleistung), der Weglänge und der Kollimator-Verschiebung bei einer bestimm ten Werkzeugmaschine darstellt. Somit ist es bekannt, daß für irgendein vorgegebenes Ausmaß der integrierten Energie an der Optik und für irgendeine vorgegebene Weglänge in der Maschine, der Kollimator durch eine angepaßte Verschiebung eingestellt oder justiert werden muß, wobei diese Verschiebung durch die Fläche 105 bestimmt ist, so daß die Strahlweite (Fig. 4a und 4b) mit der geeigneten Größe und an der richtigen Position auf rechterhalten werden kann, um so die Größe des Laserstrahls, der auf die fokussierende Optik einfällt, bei dem gewünschten Durchmesser zu halten. Wie es sich aus Fig. 7 ergibt, ändert sich die integrierte Ausgangsenergie an der Linse mit der Zeit in Abhängigkeit davon, ob der Laser ein- oder ausgeschaltet ist, und daher ändert sich der Eingang entlang der Achse 101 kontinuierlich, wenn der Laserstrahl getriggert wird. In ähnli cher Weise ändert sich die Weglänge, wenn der Arbeitskopf über das Werkstück verschoben wird, um einen besonderen Teil auszu schneiden, was dazu führt, daß sich die Weglänge entlang der Achse 100 kontinuierlich ändert. Im Ergebnis veranlaßt die dreidimensionale Beziehung, welche durch die Fläche 105 identi fiziert ist, daß die resultierende Verschiebung kontinuierlich geändert wird, und die Verschiebung an einen Servo- oder ande ren Antrieb im Kollimator angekoppelt wird, um so kontinuier lich und in Echtzeit den Kollimator einzustellen oder zu ju stieren, so daß die Größe des Strahls an der fokussierenden Op tik bei dem gewünschten Wert gehalten wird.

Es werde beispielsweise davon ausgegangen, daß zu einem be stimmten Zeitpunkt die Betriebsbedingungen für das System an einem Punkt P₁ auf der Fläche 105 definiert sind. Dies verlangt eine vorgegebene Verschiebung, wie sie durch die dreidimensio nale Beziehung bestimmt ist. Wenn der Laser eingeschaltet bleibt, wächst jedoch die thermische Belastung und der Be triebspunkt beginnt sich in der durch den Pfeil 107 angegebenen Richtung zu verschieben. Wenn in ähnlicher Weise der Arbeits kopf verschoben wird, bewegt sich der Betriebspunkt P₁ in der einen oder anderen Richtung, wie durch den Doppelpfeil 108 an gegeben. Im Ergebnis kann beispielsweise eine Verschiebung vom Punkt P₁ zum Punkt P₂ entlang dem Weg 109 erfolgen. Dies ver langt eine kontinuierliche Änderung in der Verschiebung, die an den Kollimator weitergegeben wird, um so die Strahlgröße bei dem erforderlichen Wert zu halten.

Zur Korrektur der thermischen Linsenbeeinflussung der fokussie renden Optik wird eine integrierte Energie-Zeit-Information für diese Optik benutzt, um so einen Kompensationswert zu bestim men, der in Echtzeit dem Linsenantriebssystem zugeführt wird, um eine Korrektur zu bewirken und hierdurch die angestrebte La ge des Brennflecks aufrechtzuerhalten. Bei der dargestellten Ausführungsform wird das Korrektursignal als eine Verschiebung zu dem Signal addiert, welches den Servomotor antreibt, der seinerseits die Position des Linsenträgers im Gehäuse 35 des Arbeitskopfes 23 steuert. Bei anderen Systemen, beispielsweise solchen, die adaptive Optiken benutzen, kann das Verschiebesi gnal als eine Verschiebung in der Steuereinrichtung der adapti ven Optik genutzt werden. In manchen Fällen kann das Verschie besignal auch als eine Verschiebung für die Z-Achsensteuerung des Arbeitskopfes verwendet werden.

Wenn Kompensationen sowohl für das Ausgangs-Kopplungselement als auch die fokale Optik vorgenommen werden, wird die Position des Brennpunkts relativ zum Werkstück im wesentlichen in Ein klang gebracht, ohne Rücksicht auf die Lage des Arbeitskopfes, auf das Betriebsenergienivau, auf die auf einem stationären Zu stand beruhenden Bedingungen der vollen Ein- und Ausschaltung des Strahls und auf die Zwischenbedingungen zwischen diesen stationären Zuständen.

In Fig. 9 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems darge stellt, das in der Lage ist, die oben erwähnten Korrekturen in Übereinstimmung mit der Erfindung auszuführen. Ein CNC-System (Computer Numerical Control)-System 120 wird durch den großen in Fig. 9 dargestellten Block repräsentiert, der eine Anzahl kleinerer funktioneller Blöcke enthält. Ein zentrales CNC- Steuergerät 121 (Central Processor) ist separat dargestellt, obwohl der Fachmann weiß, daß Funktionen, die innerhalb des Blockes 120 separat dargestellt sind, ganz oder teilweise von diesem zentralen Steuergerät 121 ausgeführt werden können. In Fig. 9 sind diese Funktionen nur zum besseren Verständnis der Erfindung gesondert dargestellt.

Das dargestellte numerische Steuersystem ist eine Vier-Achsen- Vorrichtung mit konventionellen X-, Y- und Z-Achsen und einer vierten zur Z-Achse parallelen Achse, die der Position des Lin senträgers zugeordnet ist. Die Erfindung läßt sich auch mit mehr oder weniger Achsen anwenden. Das CNC-System 120 schließt ein Positions- und -Geschwindigkeitssteuermodul für jede der Achsen X, Y und Z ein. So spricht ein X-Positions- und -Ge schwindigkeitssteuermodul 123 auf Signale aus dem zentralen Steuergerät 121 an, und steuert einen X-Achsen-Servoantrieb 124, der seinerseits einen X-Achsen-Servomotor 125 steuert. Die Position der Brücke entlang der X-Achse wird durch ein Kästchen 126 repräsentiert, wobei ersichtlich ist, daß ein Rückkopp lungs-Positionierelement 127 einen Ausgang 128 besitzt, der als Rückkopplungseingang mit dem X-Positions- und -Geschwindig keitssteuermodul 123 verbunden ist. Somit ist die CNC-Steuerung in der Lage, in herkömmlicher Weise die Brücke entlang der X- Achse zu jedem Koordinatenpunkt hin und mit irgendeiner ausge wählten Geschwindigkeit anzutreiben.

Ein Y-Achsen-Positions- und -Geschwindigkeitssteuermodul 133 weist zugeordnete Elemente auf, zu denen ein Y-Achsen-Servo antrieb 134 und ein Y-Achsen-Servomotor 135 gehören, die die Position des Arbeitskopfes entlang der Y-Achse steuern (Käst chen 136). Ein Positionier-Rückkopplungselement 137 vermittelt eine Rückkopplung zum Y-Achsen-Positions- und -Geschwindig keitssteuermodul 133. Der Z-Achsen-Positions- und -Geschwin digkeitssteuermodul 143 ist ähnlich wie die den Achsen X und Y zugeordneten Module ausgebildet. Auch der Modul 143 wirkt über einen Z-Achsen-Servoantrieb 144 auf einen Z-Achsen-Servomotor 145 ein. In diesem Falle weist jedoch der Servomotor 145 ein Rückkopplungselement 146 auf, das direkt dem Motor zugeordnet ist, wobei die Positionierrückkopplung mit dem Rückkopplungs eingang des Z-Achsen-Positions- und -Geschwindigkeitssteuer moduls 143 gekoppelt ist. Die Z-Achsenposition wird durch ein Kästchen 147 repräsentiert. Ein Block 148 zeigt an, daß es der Arbeitskopf 23 ist, der auf der Z-Achse positioniert wird, und insbesondere die Düse 37, die durch einen Block 149 wiedergege ben werden soll. Weiterhin ist eine zusätzliche Positionsrück kopplung 150 von der Düse vorgesehen und mit dem Z-Achsen-Posi tions- und -Geschwindigkeitssteuermodul 143 rückgekoppelt. Der Arbeitskopf 23 kann beispielsweise eine Positionsrückkopplung haben, die von deren Nähe zum Werkstück abhängt, das offen sichtlich in seiner Dicke variieren kann. Daher kann das Posi tions-Rückkopplungselement 146 in absoluten Koordinaten auf die Position des Antriebs ansprechen, während die Positionsrück kopplung 150 auf die Positionsdaten der Düse 37 (Block 149) mit Bezug auf das Werkstück ansprechen kann.

Wenn immer im praktischen Betrieb der Anordnung ein Schnitt ausgeführt wird, arbeitet das zentrale Steuergerät 121 über die Modulen 123, 133 und 143, um den Arbeitskopf 23 mit der Düse 37 oberhalb eines ausgewählten Punktes auf dem Werkstück zu posi tionieren. Es wird eine Durchbohrung des Werkstücks vollzogen und anschließend wird die Düse quer über das Werkzeug in Rich tungen hinweggeführt, die mit der Form und Größe des zu schnei denden Teils koordiniert sind, wobei der Laserstrahl, während der Arbeitskopf das Werkstück überquert, um den betreffenden Teil auszuschneiden, ein- und ausgeschaltet wird.

Bei der praktischen Ausübung der Erfindung schließt das numeri sche Steuersystem 120 einen Modul 151 ein, der in Verbindung mit den Modulen 123 und 133 arbeitet, um zum Zwecke einer Kom pensierung bezüglich des Strahlwegs eine X-, Y-Weglängen berechnung auszuführen. Daher haben die Modulen 123 und 133 ei ne genaue Information über die Position des Arbeitskopfes mit Bezug auf das Werkstück und somit diejenige Information, die erforderlich ist, um die Weglänge oder Abweichungen der Weglän ge, gemessen von einer eingestellten Position oder der Aus gangsposition aus zu berechnen. Der Modul 151 führt diese Be rechnung durch und erzeugt die Weglängenkorrektur, die eines der Eingangsdaten in die dreidimensionale Korrektur von Fig. 8 ist.

Das zentrale CNC-Steuergerät 121 besitzt auch die Fähigkeit, den Linsenhalter entlang der Z-Achse zu positionieren. Dies ist eigentlich eine vierte numerisch gesteuerte Achse, die manchmal auch U-Achse genannt wird. Ein Brennpunkts-Positionssteuermodul 153, der ähnlich wie die Modulen 123, 133 und 143 ausgebildet ist, spricht auf Befehle aus dem zentralen Steuergerät 121 an und steuert die Position des Linsenträgers innerhalb des Ar beitskopfes. Ein Ausgangssignal aus dem Modul 153 wird an einen Brennpunkts-Servoantrieb 154 angekoppelt, der einen Brenn punkts-Servomotor 155 steuert. Der Servomotor 155 besitzt einen ihm zugeordneten Rückkopplungsmodul 156, der ein Positionsrück kopplungssignal an den Modul 153 ankoppelt. Der Servomotor 155 steuert die vertikale Positionierung des Linsenträgers, wie durch einen Block 157 dargestellt. Der Linsenträger trägt dabei einen durch einen Block 158 repräsentierten Linsenträger, der seinerseits eine durch den Block 159 wiedergegebene Linse trägt.

Daher arbeitet, soweit beschrieben, die Brennpunktspositions steuerung ähnlich wie der Z-Positionssteuermodul 143, um die Position der Linse innerhalb des Arbeitskopfes zu steuern. Eine Betätigung des Brennpunkts-Positionssteuermoduls 153, wobei die Z-Position konstant gehalten wird, tendiert dazu, den Brenn punkt entweder zum Werkstück hin oder von diesem weg zu ver schieben, und zwar in jeweiliger Abhängigkeit von der Richtung der gesteuerten Bewegung.

Das zentrale Steuergerät 121 steuert weiterhin auch bestimmte Aspekte des Laserbetriebs einschließlich der Ein- und Ausschal tung des Laserstrahls, des Energieniveaus, auf welchem der La ser betrieben wird, und im Falle eines Impulsbetriebs mit im pulsbreitenmodulierter Steuerung des Lasers auch die Frequenz und den Arbeitszyklus der Impulsbreite des modulierten Aus gangsstrahls. Daher ist das zentrale Steuergerät 121 mit einem Modul 160 zur Ein- und Ausschaltsteuerung des Strahls verbun den, wobei der Modul 160 seinerseits mit einem Lasersteuergerät 161 in einem Lasersteuermodul gekoppelt ist, der seinerseits allgemein mit dem Bezugszeichen 162 bezeichnet ist. Das Laser steuergerät 161 empfängt Signale aus einem numerischen Steuer gerät, um insbesondere die Ein- und Ausschaltung des Strahls vorzunehmen. Der Modul 160 ist befähigt, diejenigen Signale zum computerisierten Steuergerät 161 hin auszusenden, die dann auf grund der Steuerung des Ein- und Auszustands des Strahls an sprechen. Der Steuermodul 162 schließt ferner eine Laserener gie-Steuereinheit 163 ein. Dem CNC-Steuergerät 121 ist ein Energieniveau-Steuermodul 164 zugeordnet, der eine Schnittstel le zur Laserenergie-Steuereinheit 163 besitzt. Daher wird, wenn beispielsweise ein besonderer Schnitt mit dem auf eine Leistung von 3000 W eingestellten Laser ausgeführt werden soll, das Steuergerät 121 zum Steuermodul 164 Daten aussenden, die anzei gen, daß die Laserenergie-Steuereinheit 163 so instruiert wird, daß sie den Laser bei einem Niveau von 3000 W betreibt. Der Mo dul 164 gibt hierauf ein Signal zur Steuereinheit 163 ab, wel ches den Prozessor im Modul 163 veranlaßt, den Laser mit einer 3 kW-Ausgangsleistung zu betreiben.

Zum Betrieb des Lasers mit impulsbreitenmodulierter Steuerung besitzt das Steuergerät 121 Schnittstellenelemente, die einen Frequenzsteuermodul 170, einen Arbeitszyklus-Steuermodul 171 und eine impulsbreitenmodulierte Impulssteuerung 172 ein schließen, um so die Frequenz der EIN- und AUS-Perioden und den Arbeitszyklus innerhalb der Frequenz, bei welcher der Laser strahl betrieben wird, einzustellen. Die Frequenz wird an der Schnittstelle durch den Modul 170, der Arbeitszyklus an der Schnittstelle durch den Modul 171 eingestellt. Diese Signale werden in der impulsbreitenmodulierten Impulssteuerung mittels einer Schnittstelle 172 kombiniert und erzeugen auf einer Lei tung 177 ein Arbeitszyklus-Ausgangssignal, welches mit der La serenergie-Steuereinheit 133 gekoppelt wird, um den Laser im Impulsbetrieb bei einem vorgegebenen Arbeitszyklus mit vorgege bener Frequenz, wie durch das Steuergerät 121 vorgeschrieben, ein- und auszuschalten.

Bei der praktischen Ausübung der Erfindung ist ein Paar von La serenergie-Integratoren 180, 181 zur Überwachung derjenigen Energie vorgesehen, die in zwei unterschiedlichen optischen Elementen des Systems gespeichert ist. Im typischen Anwendungs fall haben die Integratoren (Integrationsmodulen) 180 und 181 unterschiedliche Zeitkonstanten und unterschiedliche Energieni veaus. Sie sind ferner besonderen optischen Elementen des Sy stems zugeordnet, um den gespeicherten Energiezustand dieser Elemente zu überwachen. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß die Integratoren 180 und 181 in der Lage sind, die Position entlang der Kurve zu überwachen, die sich auf die Zeit gegenüber der gespeicherten Energie bezieht. Somit gibt ein Ausgangssignal aus dem Integrator kontinuierlich in Echtzeit die Energie an, die in dem zugeordneten optischen Element gespeichert ist.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Integrator 181 dem Ausgangs-Kopplungselement des Lasers zugeordnet. Er kann beispielsweise eine Zeitkonstante in der Größenordnung von 6 bis 10 s besitzen und befähigt sein, die in der zugeordneten Optik gespeicherte Energie anzuzeigen, wobei die Ausgangsener gie beispielsweise bei einer Maximalenergie in der Größenord nung von 5 kW liegt. Es wird daran erinnert, daß die Kurve in Fig. 7 diejenige Energie darstellen soll, die im Laseraus gangs-Kopplungselement gespeichert ist, und daher überwacht der Integrator 181 die EIN- und AUS-Intervalle des Lasers während des normalen PWM-Betriebs. Im Integrator 181 ist eine Kurve ge speichert, welche den Energievorrat und die freigegebenen Ener giewerte sowie Zeitkonstanten für die zugeordneten optischen Elemente repräsentiert. Der Integrator 181 integriert hierauf in positiver Weise, um das gespeicherte Energieniveau zu erhö hen, wann immer der Laser eingeschaltet ist (wie beispielsweise in Fig. 7 bei 90 und 92 dargestellt). Der Integrator 181 inte griert negativ, um das gespeicherte Energieniveau abzusenken, wann immer der Laser ausgeschaltet ist (wie in Fig. 7 bei 91 dargestellt). Daher werden Kurven, wie in Fig. 7 dargestellt, über die Zeit vom Integrator 181 gewonnen und dienen als Maß für die im Laserausgangs-Kopplungselement gespeicherte Energie.

Der Integrator 180 ist von ähnlichem Aufbau, ihm ist jedoch ge wöhnlich eine unterschiedliche Zeitkonstante zugeordnet. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Integrator 180 mit der fokussierenden Optik verbunden. In diesem Fall kann er häufig eine Zeitkonstante haben, die erheblich näher bei 20 s als bei den 6 s der fokussierenden Optik liegt. Jedoch hat er einen ex ponentiellen Aufbau und ein exponentielles Abklingen weitgehend wie das Ausgangs-Kopplungselement. Da es nicht typisch ist ein Kühlelement mit einer fokussierenden Optik zu verbinden, kann die Kühlkurve etwas flacher als die Erwärmungskurve verlaufen. Diese Verhältnisse werden jedoch bei der betreffenden Vorrich tung durch das Experiment bestimmt, um so einen besonderen Satz von Parametern zu erzeugen, welche eine Kurve, wie in Fig. 7 dargestellt, erzeugen, jedoch mit Werten und Konstanten, die durch das physikalische Ansprechen der besonderen Optik auf die einfallende Laserenergie bei vorgegebenen Energiewerten defi niert sind. Es ist ferner zu beachten, daß ein Laser häufig ei nen Verschluß besitzt, der zeitweise verschlossen wird, selbst wenn der Laserstrahl eingeschaltet bleibt. Unter diesen Umstän den empfängt das Ausgangs-Kopplungselement gewöhnlich einfal lende Energie, nicht jedoch die fokussierende Optik, so daß die Integratoren unter verschiedenen Betriebsbedingungen arbeiten.

Bei der praktischen Ausübung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die vom Modul 151 ausgeführte Weglängenbe stimmung mit der vom Integrator 181 aufgesammelten, integrier ten Energieinformation kombiniert, um aus einer Charakteristik, wie beispielsweise der oben erwähnten dreidimensionalen Bezie hung, eine Positionssteuerkorrektur zu gewinnen, die über den Kollimator 22 in den Laserstrahl eingeführt wird. Daher hat ein Kollimator-Positionssteuermodul 190 einen ersten Eingang, der an den Energieintegrator 181 angekoppelt ist, sowie einen zwei ten Eingang, der mit den X-, Y-Weglängenberechnungsmodul 151 gekoppelt ist. Der Kollimator-Positionssteuermodul 190 enthält Speicherdaten, die der dreidimensionalen Beziehung der Fig. 8 entsprechen, oder ein Paar zweidimensionaler Äquivalente hier von und erzeugt ein Ausgangssignal, das ein Korrektursignal ist, welches zum Kollimator hin abgegeben wird. Bei der bevor zugten Ausführungsform wird dieses Ausgangssignal als ein Ver setz- oder Verschiebesignal auf einer Signalleitung erzeugt, die an einen Kollimator-Servoantrieb 191 angeschlossen ist. Der Antrieb 191 betätigt einen Kollimator-Servomotor 192, der sei nerseits den Kollimator 194 so positioniert, daß die Divergenz des Laserstrahls entsprechend einjustiert wird, um auf diese Weise an der fokussierenden Optik eine Strahlgröße der ge wünschten Dimension aufrechtzuerhalten. Der Kollimator-Servo motor 192 hat ein ihm zugeordnetes Positions-Rückkopplungs element 193, das ein Rückkopplungssignal zum Kollimator-Posi tionssteuermodul 190 zurückleitet.

Der Integrator 180 für die fokussierende Optik hat einen Aus gang, der mit einem Eingang zum Brennpunkts-Positionssteuer modul 153 verbunden ist. Es wird daran erinnert, daß der Modul 153 aufgrund eines Primärsignals aus dem zentralen Steuergerät 121 arbeitet, um die Position der Linse 159 zu steuern. Vom In tegrator 180 wird ein Verstellsignal vermittelt, das dazu dient, das Ausgangssignal der Brennpunkts-Positionssteuerung in Übereinstimmung mit derjenigen Energie zu modifizieren, die in der fokussierenden Optik gespeichert ist. Daher wird das Aus gangssignal aus dem Brennpunkts-Positionssteuermodul 153 modi fiziert und trägt so dem Ausmaß der Verformung der fokussieren den Optik Rechnung, welche über einen Laserstrahl besonderer Energie, der während seiner Ein- und Ausschaltzeiten auftrifft, verursacht wird. Dieses Verstellsignal stellt das Ausgangs signal der Brennpunkt-Positionssteuerung so ein, daß die tat sächliche Lage der Linse 159 nicht nur in Übereinstimmung mit den Maschinenpositionierbefehlen des zentralen Steuergeräts 121 eingestellt wird, sondern auch zum Zwecke einer Korrektur der Verformung in den Optiken, die von dem Laserstrahl hervorgeru fen wird, der durch die fokussierende Optik bei bestimmten Energieniveaus während bestimmter Zeitdauer hindurch verläuft.

Zusammengefaßt arbeitet das in Fig. 9 dargestellte Steuersy stem in konventioneller Art und Weise, um den Arbeitskopf quer über das Werkstück hinweg zu führen und um das Energiniveau so wie den EIN- und AUS-Zustand des Laserstrahls zu steuern, so daß Teile vom Werkzeug abgeschnitten werden können. Daneben be sitzt die Laserenergie-Steuereinheit 163 ein Paar ihr zugeord neter Integratoren, um diejenige Energie zu integrieren, die in den beiden Primäreinrichtungen gespeichert ist, welche in Folge der auffallenden hohen Laserenergie zu einer Verformung führt. Im Zusammenhang mit dem Ausgangs-Kopplungselement wird die Energie entsprechend dem für den Laser eingestellten Energieni veau und entsprechend den aktuellen EIN- und AUS-Intervallen des Lasers integriert, und das entsprechende Signal wird mit einer Strahlweglängenkorrektur gekoppelt, um über eine dreidi mensionale Korrekturkurve eine Einstellung des Kollimators zu bewirken, so daß an der fokussierenden Optik bei allen Positio nen des Arbeitskopfes und allen möglichen Verformungszuständen des Ausgangs-Kopplungselements eine konstante Strahlgröße auf rechterhalten werden kann. Daher arbeitet das CNC-Steuergerät 121 in der Weise, daß sich der Arbeitskopf quer über das Werk stück hinweg bewegt, um besondere Formen auszuschneiden, wobei die Weglängenberechnung kontinuierlich vom Modul 151 ausgeführt und die Kollimator-Positionssteuerung kontinuierlich einge stellt wird, um so in Echtzeit die gewünschte Größe des Brenn flecks an der fokussierenden Optik aufrechtzuerhalten. In ähn licher Weise wird, wenn der Laser während längerer Zeitperioden eingeschaltet ist und zu einer wachsenden Verzerrung des Aus gangs-Kopplungselements neigt, bis zur Erreichung des Gleichge wichts vom Integrator 181 ein Signal produziert, um ebenfalls den Kollimator einzustellen und der während des Schneidvorgangs aufgetretenen Verformung des Ausgangs-Kopplungselements Rech nung zu tragen.

Weiterhin hält ebenfalls in Echtzeit ein zweiter Integrator mit separater Zeitkonstante das integrierte Energieniveau der fo kussierten Optik aufrecht und verkoppelt das entsprechende Sig nal über den Brennpunkts-Positionssteuermodul 153, um so sepa rat die Position der Linse mit Bezug auf das Werkstück einzu stellen. Daher hält beispielsweise das erste Korrektursteuer system eine konstante Brennfleckgröße oder einen konstanten Strahldurchmesser an der fokussierenden Optik aufrecht, und das zweite Steuersystem, welches der Verformung in der fokussieren den Optik Rechnung trägt, justiert den Brennpunkt dieser Optik, um die Brennfleckgröße aufrechtzuerhalten, wie es vom zentralen Steuergerät 121 vorgegeben wird.

Es ist zu beachten, daß bei weniger komplexen Einrichtungen die Erfindung ihre Brauchbarkeit beibehält, jedoch auf weniger be deutsamen Wegen. Wenn beispielsweise eine Maschine mit konstan ter Weglänge verwendet wird, sind die Eingangssignale aus dem X-, Y-Weglängenberechnungs-Modul 151 Konstante, und daher braucht der Frequenzsteuermodul 170 (Kollimator-Positions steuerung) lediglich auf ein einziges Eingangssignal aus der integrierten, an das Ausgangs-Kopplungselement angelegten Ener gie anzusprechen.

Es ist ferner offensichtlich, daß die Erfindung in gleicher Weise bei Laserschneid- und Laserschweißmaschinen einsetzbar ist, obwohl die bevorzugte Ausführungsform im Zusammenhang mit einer Laserschneidmaschine beschrieben wurde. Die Modulen zur Steuerung der Arbeitskopfposition, zur Steuerung der Strahlein- und Strahlausschaltung sowie für die Weglängenberechnungen sind alle auch auf Laserschweißmaschinen anwendbar, und der Fachmann weiß aufgrund der vorliegenden Erfindungsbeschreibung, insbe sondere im Hinblick auf Fig. 9, daß das beschriebene Steuersy stem in vollem Umfang auf beide Maschinenklassen anwendbar ist. Zu Fig. 9
120 CNC-Steuersystem
121 Zentrales CNC-Steuergerät
123 X-Posisitons- und -Geschwindigkeitssteuerung
124 X-Servo-Antrieb
125 X-Servo-Motor
126 X-Achse
127 X-Positionsrückkopplung
128 Rückkopplungs-Ausgang
133 Y-Positions- und -Geschwindigkeitssteuerung
134 Y-Servo-Antrieb
135 Y-Servo-Motor
136 Y-Achse
137 Y-Positionsrückkopplung
143 Z-Positions- und -Geschwindigkeitssteuerung
144 Z-Servo-Antrieb
145 Z-Servo-Motor
146 Z-Positionsrückkopplung
147 Z-Achse
148 Arbeitskopf
149 Düse
150 Positionsrückkopplung
151 X, Y-Weglängenberechnung
153 Brennpunkts-Positionssteuerung
154 Brennpunkts-Servoantrieb
155 Brennpunkts-Servomotor
156 Positionsrückkopplung
157 Linsenträger
158 Linsenhalter
159 Linse
160 Strahl EIN/AUS
161 Laser
162 Laser-Steuermodul
163 Laser-Energiesteuerung
164 Energieniveau
170 Frequenz
171 Arbeitszyklus
172 PWM-Impulssteuerung
180 Laserenergie-Integrator
181 Laserenergie-Integrator
190 Kollimator-Positionssteuerung
191 Kollimator-Servoantrieb
192 Kollimator-Servomotor
193 Positionsrückkopplung
194 Kollimator

Claims

1. Verfahren zur Echtzeitsteuerung der Strahlcharakteristi ken bei einer mit einem Hochenergielaser ausgerüsteten Werkzeugmaschine, mit einem in wenigstens einer Ebene be weglichen Arbeitskopf, der einen Bearbeitungsweg über ein Werkstück bestimmt, mit einer fokussierenden Optik im Ar beitskopf, die einen Strahl aus einem Laser empfängt und einen fokussierten Strahl erzeugt, und mit einem Brenn punkts-Einstellmechanismus für die fokussierende Optik zur Einstellung der Brennpunktsposition relativ zum Werk stück,
umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
Erzeugung eines Strahlweg-Eingangssignals in Abhängigkeit von Längenänderungen des Laserstrahlwegs, wenn sich der Arbeitskopf über das Werkstück bewegt;
Integrierung der EIN- und AUS-Intervalle des Laserstrahls und des an ein Laserausgangs-Kopplungselement angelegten Laserstrahl-Energieniveaus mit einer Integrations- Zeitkonstante, die auf eine thermische Zeitkonstante des Laserausgangs-Kopplungselements bezogen ist, um so ein thermisches Eingangssignal zu gewinnen;
Ausnutzung des Strahlweg- und des thermischen Eingangs signals in einer dreidimensionalen Beziehung zur Bestim mung einer Korrektur;
kontinuierliche Erzeugung aktualisierter Strahlweg-Ein gangssignale, thermischer Eingangssignale und der resul tierenden Korrektur, die in Echtzeit mit den Strahlweg- und thermischen Eingangssignalen variiert;
Anwendung der variierenden Korrektur in Echtzeit zur Ein stellung der Strahldivergenz, um so eine gesteuerte Strahlabmessung am Eingang der fokussierenden Optik auf rechtzuerhalten;
Integrierung der EIN- und AUS-Intervalle und des an die fokussierende Optik angelegten Laserstrahl-Energieniveaus mit einer Integrations-Zeitkonstante, die auf die thermi sche Zeitkonstante der fokussierenden Optik bezogen ist; und
kontinuierliche Berechnung einer Korrektur der Brenn punkt-Position, basierend auf der zuletzt erwähnten Inte grierung und Anwendung dieser Korrektur auf den Brenn punkt-Einstellmechanismus, um so jede Positionsverschie bung des Brennpunkts zu eliminieren, die auf eine thermi sche Linsenbeeinflussung der fokussierenden Optik zurück zuführen ist, so daß hierdurch die Lage eines Brennflecks relativ zum Werkstück aufrechterhalten bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verfahrensschritt der Anwendung der Korrektur zur Einstellung der Strahldi vergenz die Anwendung der Korrektur auf einen motorge triebenen reflektiven Kollimator ohne Linsen umfaßt, die eine thermisch induzierte Verformung des Laserstrahls ho her Energie verursachen könnten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verfahrensschritt der Anwendung der Korrektur auf den Brennpunkt-Einstell mechanismus die Einstellung des Arbeitskopfes relativ zum Werkstück umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verfahrensschritt der Anwendung der Korrektur auf den Brennpunkt-Einstell mechanismus die Einstellung der Position der fokussieren den Optik relativ zum Werkstück umfaßt, während die Posi tion des Arbeitskopfes relativ zum Werkstück konstant ge halten wird.

5. Verfahren zur Echtzeitsteuerung der Strahlcharakteristi ken bei einer mit einem Hochenergielaser ausgerüsteten Werkzeugmaschine, mit einem in wenigstens einer Ebene be weglichen Arbeitskopf, der einen Bearbeitungsweg über ein Werkstück bestimmt, mit einer fokussierenden Optik im Ar beitskopf, die einen Strahl aus einem Laser empfängt und einen fokussierten Strahl erzeugt, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
kontinuierliche Erzeugung von Strahlweg-Eingangssignalen in Abhängigkeit von Längenänderung des Laserstrahlwegs, wenn sich der Arbeitskopf über das Werkstück bewegt;
kontinuierliche Integrierung der EIN- und AUS-Intervalle des Laserstrahls und des am Lasereingangs-Kopplungsele ment angelegten Laserstrahlniveaus mit einer Integra tions-Zeitkonstante, die auf eine thermische Zeitkonstan te des Laserausgangs-Kopplungselements bezogen ist, um so ein thermisches Eingangssignal zu gewinnen;
Ausnutzung der Strahlweg-Eingangssignale und der thermi schen Eingangssignale in einer dreidimensionalen Bezie hung zur Gewinnung einer Echtzeit-Korrektur in Überein stimmung mit Strahlwegfehlern, die durch Weglängenände rungen und thermische Linsenbeeinflussung verursacht sind;
Anwendung der Korrektur auf einen einstellbaren Kolli mator, der eine Mehrzahl gekoppelter Spiegel ohne trans missive optische Elemente umfaßt, die auf thermischer Linsenbeeinflussung beruhende Fehler einführen könnten; und
Einstellung des Kollimators in Proportion zu der vari ierenden Korrektur, um so die Strahldivergenz zum Zwecke einer Korrektur der Strahlwegfehler einzustellen.

6. Verfahren zur Echtzeitsteuerung der Strahlcharakteristi ken bei einer mit einem Hochenergielaser ausgerüsteten Werkzeugmaschine mit einem in wenigstens einer Ebene über ein Werkstück beweglichen Arbeitskopf, der einen Bearbei tungsweg über ein Werkstück bestimmt, mit einer fokussie renden Optik im Arbeitskopf, die einen Strahl aus einem Laser empfängt und einen fokussierenden Strahl erzeugt mit einem Brennpunkt-Einstellmechanismus für die fokus sierende Optik zur Einstellung der Brennpunkt-Position relativ zum Werkstück und mit einem einstellbaren Kolli mator, der zwischen dem Laser und dem Arbeitskopf zur Einstellung der Strahldivergenz angeordnet ist, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
Erzeugung eines Strahlweg-Eingangssignals in Abhängigkeit von der Längenänderung des Laserstrahlweges, wenn sich der Arbeitskopf über das Werkstück bewegt;
Integrierung der EIN- und AUS-Intervalle des Laserstrahls und des an ein Laserausgangs-Kopplungselement angelegten Laserstrahl-Energieniveaus mit einer Integrations- Zeitkonstante, die auf eine thermische Zeitkonstante des Laserausgangs-Kopplungselements bezogen ist, um so ein thermisches Eingangssignal zu gewinnen;
kontinuierliche Berechnung einer Kollimator-Korrektur, basierend auf dem Strahlweg- und dem thermischen Ein gangssignal, wobei die Kollimatorkorrektur von solcher Größe und Richtung ist, daß sie eine Korrektur von Weglängenänderungen und einer thermischen Linsenbeein flussung unter allen Betriebsbedingungen des Lasers und der Werkzeugmaschine ermöglicht;
Anwendung der Korrektur auf den Kollimator in Echtzeit zur Einstellung der Strahlwegdivergenz, um so eine ge steuerte Strahlabmessung am Eingang der fokussierenden Optik aufrechtzuerhalten;
Integrierung der EIN- und AUS-Intervalle und des an die fokussierende Optik angelegten Laserstrahl-Energieniveaus mit einer Intergrations-Zeitkonstante, die auf die ther mische Zeitkonstante der fokussierenden Optik bezogen ist; und
kontinuierliche Berechnung einer Korrektur der Brenn punkt-Position, basierend auf der zuletzt erwähnten Inte grierung und Anwendung dieser Korrektur auf den Brenn punkt-Einstellmechanismus, um so jede Positionsverschie bung des Brennpunkts zu eliminieren, der auf eine thermi sche Linsenbeeinflussung der fokussierenden Optik zurück zuführen ist, so daß hierdurch die Lage eines Brennflecks relativ zum Werkstück aufrechterhalten bleibt.

7. Verfahren zur Echtzeitsteuerung der Strahlcharakteristi ken bei einer mit einem Hochenergielaser ausgerüsteten Werkzeugmaschine, mit einem in wenigstens einer Ebene be weglichen Arbeitskopf, der einen Bearbeitungsweg über ein Werkstück bestimmt, mit einer fokussierenden Optik im Ar beitskopf, die einen Strahl aus einem Laser empfängt und einen fokussierten Strahl erzeugt, mit einem Brennpunkt- Einstellmechanismus für die fokussierende Optik zur Ein stellung der Brennpunkt-Position relativ zum Werkstück, und mit einem einstellbaren, zwischen dem Laser und dem Arbeitskopf angeordneten Kollimator zur Einstellung der Strahldivergenz, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
Integrierung der EIN- und AUS-Intervalle des Laserstrahls und des am Laserausgangs-Kopplungselement angelegten La serstrahl-Energieniveaus mit einer Integrations-Zeitkon stante, die auf eine thermische Zeitkonstante des Laser ausgangs-Kopplungselements und dessen Kühlsystem bezogen ist, um so ein thermisches Eingangssignal zu gewinnen;
kontinuierliche Berechnung einer Kollimator-Korrektur, basierend auf wenigstens dem thermischen Eingangssignal und Anwendung dieser Korrektur auf den Kollimator, um so eine gewünschte Strahlabmessung am Eingang der fokussie renden Optik aufrechtzuerhalten;
Integrierung der EIN- und AUS-Intervalle und des an die fokussierende Optik angelegten Laserstrahl-Energieniveaus mit einer Integrations-Zeitkonstante, die auf die thermi sche Zeitkonstante der fokussierenden Optik bezogen ist; und
kontinuierliche Berechnung einer Korrektur der Brenn punkt-Position, basierend auf der zuletzt erwähnten Inte grierung und Anwendung dieser Korrektur auf den Brenn punkt-Einstellmechanismus, um so jede Positionsverschie bung des Brennpunkts zu eliminieren, die auf eine thermi sche Linsenbeeinflussung der fokussierenden Optik zurück zuführen ist, so daß hierdurch die Lage eines Brennflecks relativ zum Werkstück aufrechterhalten bleibt.

8. Echtzeit-Laserstrahl-Steuervorrichtung für eine laserge stützte Werkzeugmaschine, bei der ein Laser einen Strahl durch einen Kollimator zu einer in einem Arbeitskopf an geordneten, fokussierenden Optik abstrahlt, die ihrer seits einen fokussierten Strahl mit einem bezüglich eines Werkstücks an einen an vorbestimmter Stelle gelegenen Brennpunkt abgibt, und bei der ein Brennpunkt-Positions mechanismus zur Einstellung der Lage des Strahlbrenn punkts relativ zum Werkstück vorgesehen ist, umfassend die folgenden Merkmale:
eine Weglängen-Steuereinrichtung (151), die bei Bewegung des Arbeitskopfes (23) auf Änderungen der Strahlweglänge anspricht;
eine thermische Steuereinrichtung (190) mit einer Zeit konstantencharakteristik, die mit der thermischen Zeit konstante einer Laserausgangs-Kopplungselements (80) ko ordiniert ist, wobei die Steuereinrichtung (190) einen Integrator (181) einschließt, der den Verlauf ("history") der Ausgangsenergie des Kopplungselements (80) inte griert, um den Kollimator (22) so einzustellen, daß die thermische Linsenbeeinflussung des Kopplungselements (80) kompensiert ist; und
eine Steuereinrichtung (153) für die thermische Linsenbe einflussung der fokussierenden Optik (36, 86) mit einer Zeitkonstantencharakterik, die mit der thermischen Zeit konstante der fokussierenden Optik koordiniert ist, wobei die Steuereinrichtung (153) einen Integrator (180) auf weist, der den Verlauf ("history") der an die fokussie rende Optik angelegten Eingangsenergie integriert, um den Brennpunkt-Positioniermechanismus (154) so einzustellen, daß Verschiebungen der Brennpunktlage, die auf eine ther mische Linsenbeeinflussung der fokussierenden Optik zu rückgehen, kompensiert und hierdurch eliminiert sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher der integrierte Energieverlauf des Laserausgangs-Kopplungselements (80) eine Information über das Arbeitsenergieniveau des Lasers (21) sowie eine Information über den EIN- oder AUS-Zu stand des das Kopplungselement (80) durchdringenden La serstrahls (81, 83) einschließt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher der integrierte Energieverlauf der fokussierenden Optik (36, 86) eine In formation über das Energieniveau des Lasers (21) sowie eine Information über den EIN- oder AUS-Zustand des die fokussierende Optik (36, 86) durchdringenden Laserstrahls einschließt.

11. Verfahren zur Echtzeitsteuerung der Strahlcharakteristi ken bei einer mit einem Hochenergielaser ausgerüsteten Werkzeugmaschine, mit einem Laser, der einen durch ein Laserausgangs-Kopplungselement geleiteten Ausgangsstrahl mit einem maximalen Ausgangs-Leistungsniveau von wenig stens etwa 3 kW erzeugt, mit einem in wenigstens einer Ebene beweglichen Arbeitskopf, der einen Bearbeitungsweg über ein Werkstück bestimmt, und mit einer fokussierenden Optik im Arbeitskopf zur Erzeugung eines fokussierten Strahls,
umfassend die folgenden Schritte:
Bereitstellung eines einstellbaren optischen Systems zur Festlegung eines Strahlwegs zwischen dem Laserausgangs- Kopplungselement und der fokussierenden Optik, wobei das optische System keine transmissiven optischen Elemente aufweist;
kontinuierliche Erzeugung von Strahlweg-Eingangssignalen in Abhängigkeit von Längenänderungen des Strahlwegs, wenn sich der Arbeitskopf über das Werkstück bewegt;
kontinuierliche Integrierung der EIN- und AUS-Intervalle des Laserstrahls und des an das Kopplungselement angeleg ten Laserstrahl-Energieniveaus mit einer Integrations- Zeitkonstante, die von der thermischen Zeitkonstante des Kopplungselements abhängig ist, um so thermische Ein gangssignale zu gewinnen;
kontinuierliche Berechnung einer Kollimatorkorrektur, ba sierend auf den Strahlwegs- und den thermischen Eingangs signalen, um so ein Korrektursignal zu erzeugen in Über einstimmung mit Strahldurchmesserfehlern, die durch Weglängenänderungen und thermische Linsenbeeinflussung verursacht sind;
Anwendung der Korrektur in Echtzeit auf einen elektro nisch reagierenden, reflektiven Kollimator in dem ein stellbaren optischen System, wobei der Kollimator eine Mehrzahl gekoppelter Spiegel umfaßt ohne transmissive op tische Elemente, die Fehler aufgrund thermischer Linsen beeinflussung einführen könnten; und
Einstellung des Kollimators in Proportion zu dem variie renden Korrektursignal, um so die Strahldivergenz einzu stellen, so daß Längenveränderungen des Strahlwegs und eine thermische Linsenbeeinflussung korrigiert sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Schritt der Be reitstellung eines einstellbaren optischen Systems die Bereitstellung eines einstellbaren Kollimators mit wenig stens zwei und nicht mehr als drei Spiegeln umfaßt, sowie eines motorgetriebenen Spiegelantriebs, der so angekop pelt ist, daß er die relative Position zwischen den Spie geln einstellt, um so die Divergenz des Strahlaustritts aus dem Kollimator in kontrollierter Weise einzujustie ren.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Werkzeugmaschine weiterhin eine motorgetriebene Steuerung zur Einstellung der fokussierenden Optik mit Bezug auf das Werkstück ein schließt und der Verfahrensschritt der kontinuierlichen Integrierung eine Integration der an die fokussierende Optik angelegten EIN- und AUS-Intervallen mit einer Zeit konstanten für die Integration einschließt, die von der Zeitkonstanten für die fokussierende Optik abhängig ist.