DE102011082627A1 - Device for guiding light beam, comprises angular adjustable optical component, measuring light beam, detector, plane-parallel plate having two plane-parallel surfaces, wedge plate, actuator, focusing optics, and second plane-parallel plate - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for guiding a light beam according to the preamble of
Derartige Vorrichtungen zum Führen eines Lichtstrahls werden üblicherweise verwendet, um mit Hilfe eines Laserstrahls feste Materialien zu bearbeiten. Der Laserstrahl sorgt an der Stelle, bei welcher er auf das Material auftrifft, für eine punktuelle Energiezufuhr, was zur lokalen Zersetzung des Materials führt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Teil eines Werkstücks abgetrennt oder die Oberfläche bearbeitet werden. Da die Bearbeitung jeweils punktuell an der Stelle erfolgt, an welcher der Lichtstrahl auftrifft, ist eine exakte Führung des Lichtstrahls von hoher Wichtigkeit.Such devices for guiding a light beam are commonly used to process solid materials by means of a laser beam. The laser beam, at the point at which it impinges on the material, provides for a selective energy supply, which leads to the local decomposition of the material. In this way, for example, a part of a workpiece can be separated or the surface can be processed. Since the processing takes place in each case at the point where the light beam impinges, an exact guidance of the light beam is of great importance.
Das Dokument
Wünschenswert wäre es, den Kippwinkel während des Betriebs der Vorrichtung messen zu können.It would be desirable to be able to measure the tilt angle during operation of the device.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.This is achieved according to the invention by the subject matter of
Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls vorgesehen, und zwar mit einer winkelverstellbaren optischen Komponente, welche um eine Rotationsachse rotierend antreibbar ist. Die winkelverstellbare optische Komponente ist so angeordnet und ausgebildet, dass ein parallel zur Rotationsachse einfallender Lichtstrahl durch die winkelverstellbare optische Komponente hindurchtritt und dabei infolge von Refraktion parallelversetzt und/oder abgelenkt wird, so dass der Lichtstrahl infolge der Refraktion durch die winkelverstellbare optische Komponente und deren Rotation eine Kreisbahn in einer Ebene quer zur Rotationsachse beschreibt. Die winkelverstellbare optische Komponente ist somit eine Strahlversatzeinrichtung. Die winkelverstellbare optische Komponente weist ferner wenigstens eine Reflexionsfläche auf und ist derart gehalten, dass ein Kippwinkel der winkelverstellbaren optischen Komponente um eine quer zur Rotationsachse angeordnete Kippachse verstellbar ist. Über den Kippwinkel ist der Parallelversatz bzw. die Ablenkung eines durch die winkelverstellbare optische Komponente hindurchtretenden Lichtstrahls einstellbar. Außerdem ist eine Einrichtung zum Ermitteln des Kippwinkels vorhanden, so dass beispielweise ein bestimmter Parallelversatz oder eine bestimmte Ablenkung geregelt oder laufend überwacht werden kann.According to the invention, an apparatus for guiding a light beam is provided, namely with an angle-adjustable optical component which is rotatably drivable about a rotation axis. The angle-adjustable optical component is arranged and designed such that a light beam incident parallel to the axis of rotation passes through the angle-adjustable optical component and is parallel offset and / or deflected as a result of refraction, so that the light beam is due to the refraction by the angle-adjustable optical component and its rotation describes a circular path in a plane transverse to the axis of rotation. The angle-adjustable optical component is thus a Strahlversatzeinrichtung. The angle-adjustable optical component further has at least one reflection surface and is held such that a tilt angle of the angle-adjustable optical component is adjustable about a tilt axis arranged transversely to the axis of rotation. About the tilt angle of the parallel offset or the deflection of a passing through the angle-adjustable optical component light beam is adjustable. In addition, a device for determining the tilt angle is present, so that, for example, a certain parallel offset or a specific deflection can be controlled or continuously monitored.
Die Reflexionsfläche ist vorzugsweise eine Seitenfläche der jeweiligen winkelverstellbaren optischen Komponente und besitzt vorzugsweise eine Flächennormale, die quer zum Lichtstrahl ausgerichtet ist.The reflection surface is preferably a side surface of the respective angle-adjustable optical component and preferably has a surface normal, which is aligned transversely to the light beam.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die winkelverstellbare optische Komponente eine planparallele Platte, welche zwei planparallele Oberflächen aufweist, die quer zum Lichtstrahl ausgerichtet sind. Der Kippwinkel ist in diesem Fall ein Winkel einer Oberflächennormalen der planparallelen Oberflächen relativ zur Rotationsachse.According to a preferred embodiment, the angle-adjustable optical component is a plane-parallel plate, which has two plane-parallel surfaces, which are aligned transversely to the light beam. The tilt angle in this case is an angle of a surface normal of the plane-parallel surfaces relative to the rotation axis.
Teil der Einrichtung zum Ermitteln des Kippwinkels ist eine Lichtquelle, welche benachbart zur winkelverstellbaren optischen Komponente angeordnet ist und im Betrieb der Vorrichtung einen Messlichtstrahl in Richtung der winkelverstellbaren optischen Komponente derart abgibt, dass der Messlichtstrahl zumindest während eines Teils einer vollständigen Umdrehung der winkelverstellbaren optischen Komponente von der Reflektionsfläche der winkelverstellbaren optischen Komponente reflektiert wird. Weiterer Teil der Einrichtung ist ein Detektor, welcher derart angeordnet ist, dass der reflektierte Messlichtstrahl auf ihn auftrifft.Part of the device for determining the tilt angle is a light source, which is arranged adjacent to the angle-adjustable optical component and emits a measurement light beam in the direction of the angle-adjustable optical component such that the measurement light beam during at least part of a complete revolution of the angle-adjustable optical component of the reflection surface of the angle-adjustable optical component is reflected. Another part of the device is a detector which is arranged such that the reflected measuring light beam impinges on him.
Die winkelverstellbare optische Komponente bzw. die planparallele Platte kann aus Kunststoff, Glas oder einem anderen transparenten Material hergestellt sein. Typischerweise ist eine planparallele Platte kreisförmig, wobei planparallelen Oberflächen durch zwei gegenüberliegende Kreisflächen gebildet werden, während die Seitenfläche eine ringförmige Fläche zwischen diesen beiden planparallelen Oberflächen ist.The angle-adjustable optical component or the plane-parallel plate can be made of plastic, glass or another transparent material. Typically, a plane-parallel plate is circular, with plane-parallel surfaces formed by two opposing circular surfaces, while the side surface is an annular surface between these two plane-parallel surfaces.
Die Rotationsachse der Vorrichtung ist bevorzugt parallel, besonders bevorzugt identisch mit einer optischen Achse der Vorrichtung, welche diejenige Achse ist, auf welcher der Lichtstrahl bevorzugt einfällt.The axis of rotation of the device is preferably parallel, more preferably identical to an optical axis of the device, which is the axis on which the light beam is preferably incident.
Mit Hilfe einer planparallelen Platte, deren Oberflächennormalen einen Kippwinkel relativ zur Drehachse, und damit nach der typischen Ausführungsform auch relativ zur optischen Achse aufweist, kann der einfallende Lichtstrahl parallel versetzt werden. Die Richtung des Parallelversatzes ist dabei von der aktuellen Stellung der planparallelen Platte abhängig. Wird diese gedreht, kann somit der Lichtstrahl auf einer Kreisbahn geführt werden. By means of a plane-parallel plate whose surface normal has a tilt angle relative to the axis of rotation, and thus according to the typical embodiment also relative to the optical axis, the incident light beam can be offset in parallel. The direction of the parallel offset is dependent on the current position of the plane-parallel plate. If this is rotated, the light beam can thus be guided on a circular path.
Der Antrieb der winkelverstellbaren optischen Komponente erfolgt bevorzugt mit Hilfe eines Elektromotors, welcher über ein Antriebsmittel, beispielsweise ein Zahnrad, einen Riemen oder eine Kette, eine Drehbewegung auf die Vorrichtung überträgt. Die winkelverstellbare optische Komponente kann hierzu bevorzugt in eine Halterung eingebaut sein, wobei die Halterung rotierend angetrieben wird, beispielsweise durch einen Hohlwellenantrieb. Auch andere Antriebsmechanismen sind jedoch denkbar.The drive of the angle-adjustable optical component is preferably carried out by means of an electric motor, which transmits via a drive means, such as a gear, a belt or a chain, a rotary motion to the device. The angle-adjustable optical component can for this purpose preferably be installed in a holder, wherein the holder is driven in rotation, for example by a hollow shaft drive. However, other drive mechanisms are conceivable.
Der Kippwinkel relativ zur Rotationsachse ist bevorzugt auch während des Betriebs, dass heißt, während die winkelverstellbare optische Komponente rotierend angetrieben wird, verstellbar. Hierzu können elektrische und/oder mechanische Mittel vorgesehen sein.The tilt angle relative to the axis of rotation is preferably also during operation, that is, while the angle-adjustable optical component is driven in rotation, adjustable. For this purpose, electrical and / or mechanical means may be provided.
Alternativ kann die Vorrichtung jedoch auch derart ausgeführt sein, dass der Kippwinkel lediglich dann verstellt werden kann, wenn die Vorrichtung ruht.Alternatively, however, the device may also be designed such that the tilt angle can only be adjusted when the device is at rest.
Mit Hilfe der Einrichtung zum Ermitteln des Kippwinkels kann der Kippwinkel auch während des Betriebs, dass heißt während die winkelverstellbare optische Komponente rotierend angetrieben wird, ermittelt werden. Dies ermöglicht es, den Kippwinkel nicht nur laufend zu überprüfen, sondern auch bei etwa beabsichtigten Veränderungen des Kippwinkels während des Betriebs die Veränderung zu überwachen und/oder eine Regelung des Kippwinkels vorzusehen.With the aid of the device for determining the tilt angle, the tilt angle can also be determined during operation, that is, while the angle-adjustable optical component is driven in rotation. This makes it possible not only continuously to check the tilt angle, but also to monitor the change in any intended changes in the tilt angle during operation and / or to provide a regulation of the tilt angle.
Die benachbart zur winkelverstellbaren optischen Komponente angeordnete Lichtquelle gibt im Betrieb Licht ab, welches als Messlichtstrahl dient. Typischerweise wird hierfür ein Laser verwendet. Auch gewöhnliches Licht mit einem besonders weit entfernten Brennpunkt kommt hierfür jedoch in Betracht. Die Lichtquelle kann derart verschaltet sein, dass sie grundsätzlich Licht abgibt, wenn die Vorrichtung in Betrieb ist, beispielsweise wenn die winkelverstellbare optische Komponente rotierend angetrieben wird. Alternativ kann die Lichtquelle jedoch auch lediglich zu bestimmten Zeiten eingeschaltet werden, beispielsweise wenn eine Überprüfung des Kippwinkels vorgenommen werden soll.The light source arranged adjacent to the angle-adjustable optical component emits light during operation, which serves as measuring light beam. Typically, a laser is used for this purpose. However, ordinary light with a particularly distant focus comes for this purpose into consideration. The light source may be connected such that it generally emits light when the device is in operation, for example, when the angle-adjustable optical component is driven in rotation. Alternatively, however, the light source can also be switched on only at certain times, for example when a check of the tilt angle is to be made.
Der Messlichtstrahl soll derart abgegeben werden, dass er zumindest während eines Teils einer vollständigen Umdrehung der winkelverstellbaren optischen Komponente auf die Seitenfläche der winkelverstellbaren optischen Komponente trifft. Sofern die winkelverstellbare optische Komponente von einer Halterung umgeben ist, kann die Halterung wenigstens an einer entsprechenden Stelle eine Öffnung aufweisen oder transparent ausgeführt sein. Anstelle der den Messstrahl reflektierenden Seitenflächen der winkelverstellbaren optischen Komponente kann auch eine entsprechende reflektierende Fläche an der Halterung vorgesehen sein, insbesondere wenn die Halterung eine Art Fassung für die winkelverstellbare optische Komponente ist, die zusammen mit der winkelverstellbaren optischen Komponente gekippt wird um den Kippwinkel einzustellen.The measuring light beam should be emitted in such a way that it strikes the side surface of the angle-adjustable optical component, at least during part of a complete revolution of the angle-adjustable optical component. If the angle-adjustable optical component is surrounded by a holder, the holder can have an opening at least at a corresponding point or be made transparent. Instead of the measuring beam reflecting side surfaces of the angle-adjustable optical component and a corresponding reflective surface may be provided on the holder, in particular if the holder is a kind version for the angle-adjustable optical component, which is tilted together with the angle-adjustable optical component to adjust the tilt angle.
Der Detektor soll mindestens derart ausgeführt sein, dass er erkennt, ob der Lichtstrahl auf ihn trifft oder nicht. Er kann auch dazu ausgebildet sein, die Intensität des auftreffenden Lichtstrahls zu messen. Der Detektor gibt typischerweise ein elektrisches Signal ab, welches ein Auftreffen des Lichtstrahls anzeigen kann. Somit können für eine solchen Detektor Fotodioden, Lawinenfotodioden, Fotowiderstände, Charge-Coupled-Devices (CCD), Fotovervielfacherröhren oder Silicon Photomultiplier (SiPM) verwendet werden.The detector should at least be designed in such a way that it detects whether or not the light beam strikes it. It can also be designed to measure the intensity of the incident light beam. The detector typically outputs an electrical signal indicative of an impact of the light beam. Thus photodiodes, avalanche photodiodes, photoresistors, charge-coupled devices (CCDs), photomultiplier tubes or silicon photomultipliers (SiPM) can be used for such a detector.
Bevorzugt ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass die Ausbreitungsrichtung des reflektierten Messlichtstrahls abhängig von dem Kippwinkel ist. Damit bildet der Messlichtstrahl den Kippwinkel auf eine technisch messbare Größe ab. Da die geometrischen Parameter der Vorrichtung bekannt sind, ist es möglich, aus dem Auftreffen des Messlichtstrahls an einem bestimmten Ort auf den Kippwinkel exakt zurückzurechnen.Preferably, the device is designed such that the propagation direction of the reflected measuring light beam is dependent on the tilt angle. Thus, the measuring light beam maps the tilt angle to a technically measurable size. Since the geometric parameters of the device are known, it is possible to exactly calculate back from the impact of the measuring light beam at a specific location on the tilt angle.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Detektor derart ausgebildet, dass er die Position des Auftreffens des reflektierten Messlichtstrahls detektieren kann. Hierzu kann der Detektor beispielsweise mit einer Vielzahl von gleichartigen oder unterschiedlichen Detektionselementen ausgebildet sein. Diese Detektionselemente verteilen sich über die Gesamtfläche des Detektors. Damit kann der Detektor nicht nur ein Signal liefern, welches anzeigt, ob der Messlichtstrahl überhaupt auftrifft, sondern kann auch anzeigen, an welcher Stelle des Detektors der Messlichtstrahl auftrifft. Dies ermöglicht es, mit einem feststehenden Detektor einen gewissen Bereich von Kippwinkeln und zugehörigen Auftreffpunkten des Messlichtstrahls sofort zu detektieren.In a preferred embodiment, the detector is designed such that it can detect the position of the impact of the reflected measuring light beam. For this purpose, the detector may be formed, for example, with a plurality of identical or different detection elements. These detection elements are distributed over the total area of the detector. Thus, the detector can not only provide a signal indicating whether the measuring light beam is incident at all, but can also indicate at which point of the detector the measuring light beam impinges. This makes it possible to detect with a fixed detector a certain range of tilt angles and associated points of impact of the measuring light beam immediately.
Alternativ kann auch ein Detektor, welcher nur ein Detektionselement aufweist, verschiebbar angeordnet sein, sodass die Position des Lichtstrahls dadurch ermittelt werden kann, dass der Detektor solange verschoben wird, bis der Messlichtstrahl auf ihn auftrifft und/oder maximale Intensität erreicht wird.Alternatively, a detector, which has only one detection element, can be arranged to be displaceable, so that the position of the light beam can be determined by the fact that the detector as long as shifted until the measuring light beam impinges on him and / or maximum intensity is achieved.
Sofern der Detektor derart ausgebildet ist, dass er die Position des Auftreffens des reflektierten Messlichtstrahls detektieren kann, weist der Detektor bevorzugt mehrere in einer Zeile angeordnete Detektionselemente auf. Die Vorrichtung ist dabei bevorzugt derart ausgebildet, dass der Messlichtstrahl während einer Umdrehung der winkelverstellbaren optischen Komponente einmal über die in einer Zeile angeordneten Detektionselemente streicht. Dies ermöglicht es, pro Umdrehung eine Messung der Position des Messlichtstrahls, und damit auch des Kippwinkels durchzuführen. Aufgrund der meistens hohen Geschwindigkeiten, mit welchen die winkelverstellbare optische Komponente gedreht wird, ist dies häufig ausreichend.If the detector is designed such that it can detect the position of the impact of the reflected measuring light beam, the detector preferably has a plurality of detection elements arranged in a row. In this case, the device is preferably designed such that the measuring light beam sweeps once over the detection elements arranged in a row during one rotation of the angle-adjustable optical component. This makes it possible to carry out a measurement of the position of the measurement light beam, and thus also of the tilt angle, per revolution. Due to the usually high speeds with which the angle-adjustable optical component is rotated, this is often sufficient.
Bevorzugt weist die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Berechnen des Kippwinkels in Abhängigkeit von der Position des Auftreffens des reflektierten Messlichtstrahls auf. Mit Hilfe einer solchen Vorrichtung kann aus einem Signal, welches angibt, auf welches der Detektionselemente der Messlichtstrahl auftrifft beziehungsweise auftraf, unmittelbar der Kippwinkel ermittelt werden. Die Einrichtung zum Berechnen des Kippwinkels verwendet hierfür typischerweise die geometrischen Parameter der Vorrichtung, nach welchen bekannt ist, von woher der Messlichtstrahl kommt, wo er reflektiert wird und wo er auf den Detektor auftrifft. Die Einrichtung kann beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, eines integrierten Schaltkreises, einer festverdrahteten Elektronik oder dergleichen ausgeführt sein.Preferably, the device further comprises means for calculating the tilt angle in dependence on the position of the impact of the reflected measuring light beam. With the aid of such a device, the tilt angle can be determined directly from a signal which indicates which of the detection elements the measurement light beam impinges on or impinges on. The means for calculating the tilt angle typically uses the geometrical parameters of the device for this purpose, from which it is known from where the measuring light beam comes from, where it is reflected and where it impinges on the detector. The device can be embodied for example in the form of a microprocessor, an integrated circuit, hard-wired electronics or the like.
Bevorzugt ist die Reflexionsfläche der winkelverstellbaren optischen Komponente zumindest teilweise reflektierend beschichtet. Besonders bevorzugt befindet sich die Beschichtung mindestens an der Stelle der winkelverstellbaren optischen Komponente, an welcher der Messlichtstrahl in Richtung des Detektors reflektiert werden soll. Die reflektierende Beschichtung führt dazu, dass ein höherer Anteil des einfallenden Messlichtstrahls in Richtung des Detektors reflektiert wird, so dass die Detektion des Messlichtstrahls verbessert wird. Eine solche Beschichtung kann beispielsweise aus Aluminium, Silber, poliertem Silizium oder einer dielektrischen Schicht bestehen.Preferably, the reflection surface of the angle-adjustable optical component is coated at least partially reflective. Particularly preferably, the coating is located at least at the location of the angle-adjustable optical component, at which the measuring light beam is to be reflected in the direction of the detector. The reflective coating results in a higher proportion of the incident measuring light beam being reflected in the direction of the detector, so that the detection of the measuring light beam is improved. Such a coating may for example consist of aluminum, silver, polished silicon or a dielectric layer.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner ein Stellglied auf, welches den Kippwinkel einstellen kann. Das Stellglied ist bevorzugt derart ausgebildet, dass es durch ein elektrisches oder mechanisches Signal auch während des Betriebs der Vorrichtung den Kippwinkel verändern kann. Beispielsweise kann das Stellglied einen Servomotor oder eine elektrisch betriebene Gewindestange aufweisen. Mit Hilfe des Stellglieds ist es zum Einen möglich, bei durch den Detektor erkannten Abweichungen des Kippwinkels von einem vorgegebenen Sollwert eine Nachstellung des Kippwinkels auf den Sollwert vorzunehmen. Außerdem kann das Stellglied auch dazu verwendet werden, den Sollwert des Kippwinkels während des Betriebs auf einen anderen Wert zu verändern. Dies ist beispielsweise dann relevant, wenn während des Betriebs der Vorrichtung ein Parallelversatz des Lichtstrahls auf einen anderen Wert verändert werden soll, ohne dabei eine planparallele Platte zum Stillstand zu bringen.In a preferred embodiment, the device further comprises an actuator which can adjust the tilt angle. The actuator is preferably designed such that it can change the tilt angle by an electrical or mechanical signal during operation of the device. For example, the actuator may have a servomotor or an electrically operated threaded rod. With the aid of the actuator, it is firstly possible to make an adjustment of the tilt angle to the desired value in the case of deviations of the tilt angle from a predefined setpoint detected by the detector. In addition, the actuator can also be used to change the setpoint of the tilt angle during operation to another value. This is relevant, for example, when a parallel offset of the light beam is to be changed to a different value during operation of the device, without bringing a plane-parallel plate to a standstill.
Die Vorrichtung mit einem solchen Stellglied weist ferner bevorzugt eine Steuerung auf, welche das Stellglied derart steuert, dass der reflektierte Messlichtstrahl in einer Soll-Position auf dem Detektor auftrifft. Hierdurch kann die Soll-Position durch einen Bediener der Vorrichtung eingegeben werden, wobei die Steuerung deren Einhaltung sicherstellt. Sollte es während des Betriebs zu Abweichungen einer Ist-Position des Messlichtstrahls von der Soll-Position kommen, kann die Steuerung mit Hilfe des Stellglieds den Kippwinkel nachstellen. Da eine Soll-Position auf dem Detektor aufgrund der vorgegebenen Geometrie der Vorrichtung zu einem Soll-Wert des Kippwinkels korrespondiert, ist es damit auch möglich, dass ein Benutzer einen Soll-Wert des Kippwinkels vorgibt. Die Vorgabe einer Soll-Position des Messlichtstrahls auf dem Detektor und die Vorgabe eines Soll-Werts für den Kippwinkel können damit als gleichwertig angesehen werden.The device with such an actuator also preferably has a control, which controls the actuator such that the reflected measuring light beam impinges in a desired position on the detector. As a result, the desired position can be entered by an operator of the device, the controller ensures their compliance. If, during operation, deviations of an actual position of the measurement light beam from the desired position occur, the controller can adjust the tilt angle with the aid of the actuator. Since a desired position on the detector due to the predetermined geometry of the device corresponds to a desired value of the tilt angle, it is thus also possible for a user to specify a desired value of the tilt angle. The specification of a desired position of the measuring light beam on the detector and the specification of a desired value for the tilt angle can thus be regarded as equivalent.
Die Steuerung ist bevorzugt ein proportional-(P-)Regler, ein proportional-integral-(PI-)Regler, ein proportional-integral-differenzial-(PID-)Regler oder ein proportional-differenzial-(PD-)Regler. Der Proportionalanteil eines solchen Reglers liefert bei einer Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert eine unmittelbare Sprungantwort. Allerdings führt die reine Verwendung eines Proportionalanteils bekanntermaßen dazu, dass auch im statischen Fall eine Regelabweichung verbleibt. Sofern diese bekannt ist, kann diese dadurch kompensiert werden, dass der Soll-Wert entsprechend angepasst wird. Mit Hilfe des Integralanteils wird der Regler um eine Integralgröße ergänzt, welche die bleibende Regelabweichung ausschließen kann. Dies geschieht jedoch erst nach einer gewissen Zeit. Der Differenzialanteil sorgt dafür, dass bei besonders abrupten Änderungen des Ist-Werts (ein gleichbleibender Soll-Wert vorausgesetzt) oder auch bei instantanen Änderungen des Soll-Werts eine sofort wirksame Regelgröße erzeugt wird, welche das Einstellen des Ist-Werts beschleunigt.The controller is preferably a proportional (P) controller, a proportional-integral (PI) controller, a proportional-integral-derivative (PID) controller, or a proportional-differential (PD) controller. The proportional component of such a controller supplies an immediate step response in the event of a deviation between the setpoint and the actual value. However, the pure use of a proportional component is known to result in a control deviation also in the static case. If this is known, this can be compensated by the fact that the target value is adjusted accordingly. With the aid of the integral component, the controller is supplemented by an integral variable, which can rule out the remaining control deviation. However, this happens only after a certain time. The differential component ensures that in the case of particularly abrupt changes in the actual value (assuming a constant desired value) or even in the case of instantaneous changes in the desired value, an immediately effective controlled variable is generated which accelerates the setting of the actual value.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner eine Fokussieroptik auf. Diese kann beispielsweise durch eine Sammellinse gebildet werden. Sie dient dazu, den Fokus des Lichtstrahls einzustellen, beispielsweise derart, dass der Fokus mit der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werksstücks zusammenfällt. Damit kann eine besonders intensive lokale Energieabgabe auf einer besonders kleinen Fläche erreicht werden. Alternativ kann der Fokus jedoch auch derart eingestellt werden, dass der Durchmesser des Strahls beim Auftreffen auf das Werkstück größer ist. Dann wird die Energie des Lichtstrahls über eine größere Fläche verteilt.According to a preferred embodiment, the device further comprises a focusing optics. This can be formed for example by a converging lens. It serves to adjust the focus of the light beam, for example, such that the Focus coincides with the surface of a workpiece to be machined. Thus, a particularly intensive local energy release can be achieved on a particularly small area. Alternatively, however, the focus can also be adjusted such that the diameter of the beam is greater when hitting the workpiece. Then the energy of the light beam is distributed over a larger area.
Die Fokussieroptik ist bevorzugt in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls vor der winkelverstellbaren optischen Komponente angeordnet, also so, dass der Lichtstrahl zunächst auf die Fokussieroptik trifft, bevor er auf die winkelverstellbare optische Komponente, beispielsweise die planparallele Platte trifft. Besonders bevorzugt ist die Fokussieroptik dasjenige optische Element der Vorrichtung, auf welches der einfallende Lichtstrahl zuerst trifft. Dies ermöglicht es, den Fokus des Lichtstrahls einzustellen, bevor der Lichtstrahl durch weitere optische Elemente weiter verändert wird.The focusing optics is preferably arranged in the propagation direction of the light beam in front of the angle-adjustable optical component, that is to say in such a way that the light beam initially strikes the focusing optics before it strikes the angle-adjustable optical component, for example the plane-parallel plate. Particularly preferably, the focusing optics is that optical element of the device, to which the incident light beam strikes first. This makes it possible to adjust the focus of the light beam before the light beam is further changed by other optical elements.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner eine zweite planparallele Platte auf. Die zweite planparallele Platte kann dabei bevorzugt unabhängig von einer (ersten) planparallelen Platte rotierend angetrieben werden, sofern eine solche vorhanden ist. Dies ermöglicht es, die beiden planparallelen Platten mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren zu lassen. Damit kann beispielsweise eine kreisförmige spiralförmige Bahn des Lichtstrahls auf dem Werkstück erreicht werden, womit ein zylinderförmiges Stück aus dem Werkstück herausgeschnitten werden kann und dabei die Schnittbreite eingestellt werden kann. Die in Bezug auf die (erste) planparallele Platte getätigten Ausführungen sind ebenso auf die zweite planparallele Platte anwendbar. Insbesondere kann die Vorrichtung eine Einrichtung zum Ermitteln eines Kippwinkels der zweiten planparallelen Platte aufweisen. Der Kippwinkel der zweiten planparallelen Platte ist dabei der Winkel zwischen einer Oberflächennormalen von planparallelen Oberflächen der zweiten planparallelen Platte relativ zur Rotationsachse. Auch kann der Kippwinkel der zweiten planparallelen Platte relativ zur Rotationsachse verstellbar sein. Die in Bezug auf die (erste) planparallele Platte erwähnten Optionen, Möglichkeiten und Vorteile gelten ebenso für die zweite planparallele Platte.In a preferred embodiment, the device further comprises a second plane-parallel plate. The second plane-parallel plate can preferably be driven in rotation independently of a (first) plane-parallel plate, if one is present. This makes it possible to rotate the two plane-parallel plates at different speeds. Thus, for example, a circular spiral path of the light beam can be achieved on the workpiece, whereby a cylindrical piece can be cut out of the workpiece and thereby the cutting width can be adjusted. The statements made with respect to the (first) plane-parallel plate are also applicable to the second plane-parallel plate. In particular, the device may have a device for determining a tilt angle of the second plane-parallel plate. The tilt angle of the second plane-parallel plate is the angle between a surface normal of plane-parallel surfaces of the second plane-parallel plate relative to the axis of rotation. Also, the tilt angle of the second plane-parallel plate can be adjusted relative to the axis of rotation. The options, possibilities and advantages mentioned in relation to the (first) plane-parallel plate also apply to the second plane-parallel plate.
Die zweite planparallele Platte ist in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls gesehen bevorzugt hinter der winkelverstellbaren optischen Komponente bzw. hinter einer (ersten) planparallelen Platte angeordnet, und hat vorzugsweise eine geringere Dicke.The second plane-parallel plate, viewed in the propagation direction of the light beam, is preferably arranged behind the angle-adjustable optical component or behind a (first) plane-parallel plate, and preferably has a smaller thickness.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich oder alternativ eine optische Komponente auf, die sowohl als planparallele Platte als auch als Keilplatte wirken kann und der Vereinfachung halber im folgenden als Keilplatte bezeichnet wird, auch wenn sie zugleich eine planparallele Platte ist. Die Keilplatte ist aus einem ersten und einem zweiten optischen Element gebildet, und zwei plane Oberflächen als Stirnflächen aufweist, wobei die optischen Elemente der Keilplatte
- – einander zugewandte, komplementäre sphärische Oberflächen aufweisen, von denen die eine sphärische Oberfläche eine konkave Fläche des ersten optischen Elementes bildet und die andere sphärische Oberfläche eine konvexe Fläche des zweiten optischen Elementes bildet und die konkave Fläche und die konvexe Fläche den gleichen Krümmungsradius besitzen, und
- – derart relativ zueinander entlang der einander zugewandten sphärischen Oberflächen zu verschieben sind, dass die planen Oberflächen als der jeweiligen sphärischen Oberfläche eines jeweiligen optischen Elementes abgewandte Oberflächen wahlweise planparallel oder in einem Keilwinkel zueinander verlaufen.
- - have mutually facing, complementary spherical surfaces, of which one spherical surface forms a concave surface of the first optical element and the other spherical surface forms a convex surface of the second optical element and the concave surface and the convex surface have the same radius of curvature, and
- - To move relative to each other along the mutually facing spherical surfaces, that the flat surfaces as the respective spherical surface of a respective optical element facing away from surfaces either plane-parallel or at a wedge angle to each other.
Mit Hilfe einer solchen Keilplatte kann ein Winkel des Lichtstrahls beim Austritt aus der Vorrichtung relativ zum eintreffenden Lichtstrahl eingestellt werden. Die Keilplatte weist dabei den Vorteil auf, dass sie auch bei Einstellen eines Keilwinkels eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Masseverteilung beibehält und somit nicht zu einer Unwucht der Vorrichtung führt.With the aid of such a wedge plate, an angle of the light beam when exiting the device relative to the incoming light beam can be adjusted. The wedge plate has the advantage that it retains a substantially rotationally symmetric mass distribution even when setting a wedge angle and thus does not lead to an imbalance of the device.
Die Keilplatte ist in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls gesehen bevorzugt hinter einer planparallelen Platte angeordnet. Sofern die Vorrichtung eine zweite planparallele Platte aufweist, ist die Keilplatte bevorzugt zwischen der planparallelen Platte und der zweiten planparallelen Platte angeordnet.The wedge plate is preferably arranged in the propagation direction of the light beam behind a plane-parallel plate. If the device has a second plane-parallel plate, the wedge plate is preferably arranged between the plane-parallel plate and the second plane-parallel plate.
Gemäß einer Ausführungsform ist die winkelverstellbare optische Komponente das erste optische Element. Der Kippwinkel ist in diesem Fall ein Winkel einer Oberflächennormalen der Stirnfläche des ersten optischen Elements relativ zur Rotationsachse.According to one embodiment, the angle-adjustable optical component is the first optical element. The tilt angle in this case is an angle of a surface normal of the end face of the first optical element relative to the rotation axis.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die winkelverstellbare optische Komponente das zweite optische Element. Der Kippwinkel ist in diesem Fall ein Winkel einer Oberflächennormalen der Stirnfläche des zweiten optischen Elements relativ zur Rotationsachse.According to another embodiment, the angle-adjustable optical component is the second optical element. The tilt angle in this case is an angle of a surface normal of the end face of the second optical element relative to the rotation axis.
Gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsvarianten kann die Vorrichtung auch mehrere winkelverstellbare optische Komponenten aufweisen, für die jeweils auch ein zugeordneter Messlichtstrahl und jeweils ein Detektor und ggf. auch ein Stellglied sowie eine Steuerung vorgesehen sind. Im Falle der zwei komplementäre optische Elemente aufweisenden Keilplatte können beispielsweise beide optische Elemente jeweils eine winkelverstellbare optische Komponente sein. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Bezug auf
Diese zeigt eine Vorrichtung
Die Sammellinse
Die Halterung
Der untere Teil
Der Lichtstrahl
Die planparallele Platte
Die Vorrichtung
Ferner weist die Vorrichtung
Der Messlichtstrahl
Der Detektor
Der Wert des Kippwinkels
Durch das von dem PID-Regler
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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