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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Gaslaseroszillator, bei dem ein eingestellter Pegel der Laserenergieversorgung gesteuert ist.
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2. Zum Stand der Technik
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Zum Bohren hochgenauer Löcher oder zum genauen Schneiden eines Werkstückes werden Gaslaseroszillatoren mit induzierter Entladungsanregung eingesetzt. Ein Gaslaseroszillator beinhaltet hauptsächlich eine Mehrzahl von Entladungsröhren, durch welche ein Lasergas zirkuliert, eine Mehrzahl von Hauptentladungselektroden, welche entsprechend der Mehrzahl von Entladungsröhren angeordnet sind und eine Hauptentladung einleiten für eine Entladungsanregung des Lasergases, und eine Mehrzahl von Hilfselektroden, welche neben der Mehrzahl von Hauptentladungselektroden angeordnet sind und eine Hilfsentladung im Lasergas in einem Zustand auslösen, in dem der Anregungszustand kleiner ist als bei der Hauptgasentladung.
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In diesem Zusammenhang zeigen die 3A bis 3C die Beziehung X zwischen der Befehlsspannung (Zielspannung) und der Entladungsröhrenspannung. In diesen Figuren gibt die Abszisse die Befehlsspannung an die Laserspannungsversorgung wieder während die Ordinate die Spannung der Entladungsröhren wiedergibt.
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Gemäß 3A steigt die Entladungsröhrenspannung linear steil von 0 kV bis zum Punkt P an während sie nach Erreichen des Punktes P allmählich linear ansteigt. Dieser Punkt P entspricht dem Hauptentladungs-Aussetzungspegel V1. Wird die Spannung der Entladungsröhre kleiner als dieser Wert, erlischt die Hauptentladung. Übersteigt die Spannung der Entladungsröhre den Hauptentladungs-Aussetzungspegel V1, beginnt die Hauptentladung und der Laser emittiert. Wie sich aus 3A ergibt, ist der Aussetzungspegel V2 bezüglich der Hilfsentladung kleiner als der Aussetzungspegel V1 bezüglich der Hauptentladung.
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Ein Befehl, der erforderlich ist zum Aufrechterhalten der Hilfsentladung im Zustand, in dem die Laseremission 0 W beträgt, wird als „Basis-Entladungsbefehl” bezeichnet. In 3A wird der Basis-Entladungsbefehl in der Zone Z1 zwischen dem Hauptentladungs-Aussetzungspegel V1 und dem Hilfsentladungs-Aussetzungspegel V2 eingestellt. Der Laser-Emissionsbefehl, welcher bestimmt ist entsprechend der vom Gaslaseroszillator geforderten Laserleistung, wird zum Basis-Entladungsbefehl hinzugefügt und von der Befehlserzeugungseinrichtung in die Laserenergieversorgung eingegeben.
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Kühlt der Gaslaseroszillator ab und ändert sich beispielsweise die Lasergastemperatur von 7°C auf etwa 47°C, wie in 3B mit der gestrichelten Linie dargestellt ist, dann verschiebt sich die Beziehung X nach oben. Damit einhergehend steigen der Hauptentladungsaussetzungspegel V1 und der Hilfsentladungsaussetzungspegel V2 auf den Hauptentladungsaussetzungpegel V1max bzw. den Hilfsentladungsaussetzungspegel V2max. Aus diesem Grunde kann bei Einstellung des Basis-Entladungsbefehls auf den Hilfsentladungsaussetzungspegel V2 die Hilfsentladung erlöschen.
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Wird in diesem Zustand der Spannungsbefehl für die Laserenergieversorgung vergrößert, kann sich eine Situation ergeben, in welcher die Impedanzanpassung zwischen der Laserenergieversorgung und der Gasentladungslast nicht mehr möglich ist. Deshalb wird eine große Spannung an die Entladungsröhren angelegt und es fließt es exzessiver Strom durch die Laserenergieversorgung und die Entladungsröhren und auch die Laserenergieversorgung können Schaden nehmen.
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Ist andererseits der Gaslaseroszillator heiß und nimmt die Lasergastemperatur beispielsweise Werte von 127°C oder mehr an, dann verschiebt sich gemäß der gemäß der strich-punktierten Linie nach 3C die Beziehung X nach unten. Damit einhergehend fallen der Hauptentladungsaussetzungspegel V1 und der Hilfsentladungsaussetzungspegel V2 auf den Hauptentladungsaussetzungspegel V1min und den Hilfsentladungsaussetzungspegel V2min. Wenn der Hauptentladungsaussetzungspegel V1 auf den Hauptentladungsaussetzungspegel V1min abfällt, dann wird ein Aussetzen der Hauptentladung verhindert auch wenn die Laserausgangsleistung auf einen Wert 0 W gesteuert ist.
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Wenn in diesem Zustand der vor dem Ausgangsspiegel des Gaslaseroszillators angeordnete mechanische Verschluss geöffnet wird, wird Laserstrahlung unnötigerweise auf das Werkstück abgegeben und die Werkstückoberfläche kann Schaden nehmen. Normalerweise ist die Öffnungsgeschwindigkeit und Schließgeschwindigkeit des mechanischen Verschlusses (der Blende) um einige Sekunden langsamer (als dieser Vorgang), sodass der eingestellte Pegel der Basisentladung so eingestellt ist, dass solche Bearbeitungsdefekte nicht auftreten. Das Einstellen eines solchen eingestellten Pegels für die Basisentladung wird hier als „elektrischer Verschluss” bezeichnet. Ein elektrischer Verschluss ist auch in den japanischen Patentveröffentlichungen
JP 3157470 B2 und
JP S58 155643 A beschrieben.
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Der Einstellpegel zur Aufrechterhaltung der Hilfsentladung und der Einstellpegel zur Verwirklichung des elektrischen Verschlusses stehen aber in wechselseitig entgegengesetztem Verhältnis. Deshalb ist es auch dann, wenn der Gaslaseroszillator kalt ist, schwierig, die Hilfsentladung aufrechtzuerhalten und dann, wenn der Gaslaseroszillator warm ist, ist es schwierig, den elektrischen Verschluss zu realisieren.
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Wenn bei der japanischen Patentveröffentlichung
JP 3157470 B2 der Laserausgangsbefehl auf „0” gestellt wird, ist es erforderlich, den Basis-Entladungsbefehl um genau einen vorgegebenen Wert abzusenken. Weiterhin sind der Laserausgangsbefehl und der Basis-Entladungsbefehl, welche von der CNC (numerischen Steuerung) an die Verbindungsschaltung (IC) abgegeben werden, asynchron und die Verzögerungszeit der Verarbeitungsschaltkreise unterscheiden sich auch. Aus diesem Grund ist ein Schaltkreis zur Erzeugung einer Synchronisation erforderlich, beispielsweise eine Verriegelungsschaltung. Das erhöht die Kosten und die Software für die Steuerung wird kompliziert.
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Können der Laser-Abgabebefehl (Emissionsbefehl) und der Basis-Entladungsbefehl nicht perfekt synchronisiert werden, werden die Befehle diskontinuierlich. Das kann zu einem Bearbeitungsfehler am Werkstück führen. Bei der japanischen Patentveröffentlichung
JP 3157470 B2 wird der Basis-Entladungsbefehl so eingestellt, dass er von einem vorgegebenen Wert abfällt, um einen elektrischen Verschluss zu realisieren. Aus diesem Grunde kann in manchen Fällen in Abhängigkeit vom Betrag des Abfalls oder der Zeitfolge der Effekt eines elektrischen Verschlusses nicht erhalten werden oder die Hilfsentladung kann erlöschen.
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Bei einem Aufbau gemäß der japanischen Patentveröffentlichung
JP S58 155643 A sind eine Stromversorgung für die Hauptentladung und eine Stromversorgung für die Hilfsentladungselektrode vorgesehen. Diese werden unabhängig gesteuert. Dies erfordert aber getrennte Spannungsversorgungen für die Hilfselektrode und die Kosten steigen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft obige Erwägungen und hat zum Ziel die Bereitstellung eines Gaslaseroszillators, der eine Hilfsentladung auch im kalten Zustand aufrechterhält, wobei ein elektrischer Verschluss auch im warmen Zustand realisiert werden kann.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2009 051 988 A1 zeigt einen zur vorliegenden Erfindung vergleichbaren Aufbau, jedoch ohne eine Lösung für die beschriebene Problemstellung anzubieten.
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Das US-Patent
US 5 091 914 A beschreibt einen Gaslaserozillator mit mechanischen Verschluss, wobei dieser neben seiner originären Verschlussfunktion nicht zusätzlich zur Steuerung weiterer Komponenten nutzbar gemacht wird.
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US 6 097 747 A wiederum widmet sich in Teilen der vorgenannten Problemstellung, zeigt jedoch eine von der vorliegenden Erfindung klar verschiedenen Lösungsansatz auf.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Um dieses Ziel zu erreichen, wird gemäß einer ersten Merkmalskombination ein Gaslaseroszillator bereitgestellt, folgendes aufweisend: eine Mehrzahl von Entladungsröhren, durch welche ein Lasergas zirkuliert, eine Mehrzahl von Hauptentladungselektroden, die entsprechend der Mehrzahl von Entladungsröhren angeordnet sind und welche eine Hauptentladung einleiten zur Entladungsanregung des Lasergases, eine Mehrzahl von Hilfselektroden, welche den mehreren Hauptentladungselektroden zugeordnet sind und eine Hilfsentladung einleiten, in welcher das Lasergas in einem energetischen Zustand ist, der kleiner ist als bei Beginn der Hauptentladung, einen Ausgangsspiegel, der einen Laserstrahl abgibt, der in der Mehrzahl von Entladungsröhren oszilliert ist, und einen mechanischen Verschluss, welcher die Laseremission aus dem Ausgangsspiegel abschneidet, wobei ein Basisbefehl für die Aufrechterhaltung der Hilfsentladung in einem Zustand, in dem die Laseremission null ist, als erster Befehlswert eingesetzt wird wenn der mechanische Verschluss geschlossen ist, und auf einen zweiten Befehlswert eingestellt wird, der kleiner ist als der erste Befehlswert, wenn der mechanische Verschluss geöffnet ist.
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Gemäß einer zweiten Merkmalskombination ist die erste Merkmalskombination dahingehend ergänzt, dass der erste Befehlswert ein Befehlswert zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert eines Hauptentladungsaussetzungspegels ist, und der zweite Befehlswert ein Wert ist entsprechend einem Minimalwert des Hauptentladungsaussetzungspegels und einem Maximalwert des Hilfsentladungsaussetzungspegels.
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Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung von typischen Ausführungsbeispielen mit Blick auf die Figuren.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist eine schematische Darstellung eines Gaslaseroszillators gemäß der Erfindung.
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2 zeigt eine Zeitfolge eines mechanischen Verschlusses und eines Basis-Entladungsbefehls eines Gaslaseroszillators gemäß der Erfindung.
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3A zeigt die Beziehung zwischen einem Befehlswert an die Laserenergieversorgung und einer Entladungsröhrenspannung.
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3B zeigt die Beziehung zwischen einem Befehlswert an die Laserenergieversorgung und einer Entladungsröhrenspannung in einem Zustand, in dem der Gaslaseroszillator kalt ist.
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3C zeigt die Beziehung zwischen einer Befehlsspannung an die Laserenergieversorgung und einer Entladungsröhrenspannung in einem Zustand, in dem der Gaslaseroszillator heißt ist.
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BESCHREIBUNG IM EINZELNEN
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren sind einander entsprechende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zur Erleichterung des Verständnisses sind die Figuren hinsichtlich der Skalierung geeignet geändert.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Gaslaseroszillators nach der Erfindung. Der Gaslaseroszillator 20 ist vom Gasentladungstyp mit relativ hoher Ausgangsleistung. Die vom Gaslaseroszillator 20 abgegebene Laserstrahlung dient zur Bearbeitung eines Werkstückes (nicht gezeigt) in einem ebenfalls nicht gezeigten Laserbearbeitungssystem.
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Wie dargestellt ist, enthält der Lasergas-Zirkulationsweg 25 des Gaslaseroszillators 20 Entladungsröhren 21, 22. Der Lasergas-Zirkulationsweg 25 ist an ein Steuersystem 33 für den Lasergasdruck angeschlossen und Lasergas wird in dieses System eingegeben und aus ihm herausgeführt, um so den Druck im Lasergas-Zirkulationsweg 25 zu steuern.
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Im Lasergas-Zirkulationsweg 25 ist ein Turbogebläse 26 angeordnet. Stromauf und stromab des Turbogebläses 26 sind jeweils Wärmetauscher 27, 28 angeordnet. Weiterhin ist der Gaslaseroszillator 20 an ein Kühlwasser-Zirkulationssystem 34 angeschlossen. Auf diese Weise wird das Lasergas im Lasergas-Zirkulationsweg 25, und insbesondere das Lasergas in den Entladungsröhren 21, 22 etc., in geeigneter Weise gekühlt.
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Wie 1 zeigt, ist ein Ende der Entladungsröhre 21 mit dem Rückspiegel 29 versehen (interner Resonator-Spiegel), mit partiellen Reflexionseigenschaften, während das andere Ende der Entladungsröhre 22 mit einem Ausgangsspiegel 30 (auch „Auskoppelspiegel”) versehen ist, ebenfalls mit partiell reflektierenden Eigenschaften. Der Ausgangsspiegel 30 ist aus ZnSe geformt, während die Innenfläche des Ausgangsspiegels 30 mit einer partiell reflektierenden Beschichtung versehen ist und die äußere Oberfläche des Ausgangsspiegels 30 mit einer anti-reflektierenden Beschichtung versehen ist. An der Rückfläche des hinteren Spiegels 6 ist ein Laserleistungssensor 36 vorgesehen.
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Die oben erwähnten zwei Entladungsröhren 21, 22 sind innerhalb des Strahlungsresonatorraumes entsprechend dem Rückspiegel 29 und dem Ausgangsspiegel 30 angeordnet. Die Entladungsröhren 21, 22 sind beidseitig eingefasst von einem Paar von Hauptentladungselektroden 23, 24. Diese Hauptentladungselektroden 23, 24 sind mit Metall versehen oder haben metallische Komponenten daran befestigt. Die Hauptentladungselektroden 23, 24 starten die Hauptentladung für die Entladungsanregung des Lasergases.
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Die Hilfselektroden 31, 32 sind jeweils bezüglich der Lasergasströmung stromauf der Hauptentladungselektroden 23, 24 der Entladungsröhren 21, 22 angeordnet. Diese Hilfselektroden 31, 32 initiieren eine Hilfsentladung im Lasergas in einem energetischen Zustand, der tiefer liegt als beim Initiieren der Hauptentladung.
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Die Hilfselektroden 31, 32 und die Hauptentladungselektroden 23, 24 der Entladungsröhren 21, 22 werden über Anpassungseinheiten mit den gleichen Spannungen versorgt. Die Hilfsentladungen mittels der Hilfselektroden 31, 32 treten gewöhnlich bei Spannungen auf, die geringer sind als die Spannung, welche an die Hauptelektroden 23, 24 angelegt wird, sodass auch dann, wenn die Hauptentladung zwischen den Hauptentladungselektroden 23, 24 aussetzt, die Hilfsentladung aufrechterhalten bleibt. Auf diese Weise kann bei Aufrechterhaltung der Hilfsentladung auch dann, wenn der Befehl für die Laserenergieversorgung schnell angehoben wird, ein übermäßiges Ansteigen der Entladungsröhrenspannung verhindert und Schaden von der Laserenergieversorgung abgewendet werden.
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Wie 1 zeigt, sind die Hauptentladungselektroden 23, 24 und die Hilfselektroden 31, 32 über Anpassungsschaltkreise 15, 16 an jeweils eine Laserenergieversorgung 11, 12 angeschlossen ist. Zwei Laserenergieversorgungen 11, 12 sind an eine gemeinsame Befehlsausgabeeinheit 10 angeschlossen. Die Befehlsausgabeeinheit 10 ist an eine CNC 5 angeschlossen (numerische Steuerung). Der Laserleistungssensor 36 ist mit der Befehlsausgabeeinheit 10 verbunden. Sein Detektionswert wird in die Befehlsausgabeeinheit 10 eingegeben.
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Weiterhin ist gemäß 1 vor dem Ausgangsspiegel 30 ein mechanischer Verschluss 35 (Blende) angeordnet. Wird Laserlicht über den Ausgangsspiegel 30 ausgekoppelt, öffnet die Befehlsausgabeeinheit 10 den mechanischen Verschluss 35. Dementsprechend erreicht die Laserstrahlung das Werkstück (nicht gezeigt) und kann dieses bearbeiten. Wird über den Ausgangsspiegel 30 keine Laserstrahlung ausgekoppelt, schließt die Befehlsausgabeeinheit 10 den mechanischen Verschluss 35. Die Zeitfolge für das Öffnen und Schließen des mechanischen Verschlusses 30 wird durch die Befehlsausgabeeinheit 10 bestimmt aufgrund des Inhaltes des Betriebsprogramms der CNC 5.
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2 zeigt die Zeitfolge bezüglich des mechanischen Verschlusses und des Basis-Entladungsbefehls beim Gaslaseroszillator gemäß der Erfindung. Nachfolgend wird mit Bezug auf 2 und die oben bereits erwähnten 3A bis 3C der Betrieb des Gaslaseroszillators 20 gemäß der Erfindung näher erläutert.
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Stellt die Befehlsausgabeeinheit 10 auf Basis des Inhaltes des Betriebsprogramms fest, dass momentan keine Laserbearbeitung durchgeführt werden soll, ist der mechanische Verschluss 35 im Schließzustand. Ist der mechanische Verschluss 35 geschlossen, wird keine Laserstrahlung gekoppelt, sodass davon ausgegangen werden kann, dass die Temperatur des Gaslaseroszillators 20 relativ niedrig ist. Deshalb steigt gemäß 3B der Aussetzungspegel V1 der Hauptentladung auf den erhöhten Aussetzungspegel V1max der Hauptentladung.
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Deshalb wird in diesem Fall der Basis-Entladungsbefehl V auf einen vorgegebenen ersten Befehlswert A1 gesetzt zwischen dem Hauptentladungsaussetzungspegel V1max und dem Hauptentladungsaussetzungspegel V1min. Wie sich aus 2 ergibt, ist der Hauptentladungsaussetzungspegel V1min größer als der Hilfsentladungsaussetzungspegel V2max. Wird deshalb der Basis-Entladungsbefehl V auf den ersten Befehlswert A1 gesetzt, ist es auch dann, wenn der Gaslaseroszillator 20 kalt ist, möglich, die Hilfsentladung mit Reserve sicher aufrechterhalten, also ihr Aussetzen (Erlöschen) zu vermeiden. Auch kann gemäß einem nicht näher erläuterten Ausführungsbeispiel der erste Befehlswert A1 gewählt werden zwischen dem Hauptentladungsaussetzungspegel V1max und dem Hilfsentladungsaussetzungspegel V2max.
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Stellt die Befehlsausgabeeinheit 10 fest, dass momentan eine Laserbearbeitung durchzuführen ist, öffnet sie den mechanischen Verschluss 35 und Laserstrahlung wird vom Gaslaseroszillator 20 zur Bearbeitung des Werkstückes (nicht gezeigt) abgegeben. Öffnet der mechanische Verschluss 35, wird Laserstrahlung ausgekoppelt, sodass davon ausgegangen werden kann, dass die Temperatur des Gaslaseroszillators 20 relativ hoch ist. Deshalb fällt gemäß 3C der Hauptentladungsaussetzungspegel V1 auf den Hauptentladungsaussetzungspegel V1min.
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Deshalb wird in diesem Falle der Basis-Entladungsbefehl V auf einen zweiten vorgegebenen Befehlswert A2 gesetzt zwischen dem Hauptentladungsaussetzungspegel V1min und dem Hilfsentladungsaussetzungspegel V2max. Der zweite Befehlswert A2 ist kleiner als der oben erläuterte erste Befehlswert A1. Deshalb kann bei Einstellung des Basis-Entladungsbefehls V auf den zweiten Befehlswert A2 auch dann, wenn der Gaslaseroszillator 20 heiß ist, der elektrische Verschluss zuverlässig betrieben werden.
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Auf diese Weise wird erfindungsgemäß dann, wenn der mechanische Verschluss 35 geschlossen ist, wenn also keine Laserbearbeitung durchgeführt wird, der Basis-Entladungsbefehl V auf den ersten Befehlswert A1 gesetzt während dann, wenn der mechanische Verschluss 35 offen ist, also eine Laserbearbeitung durchgeführt wird, der Basis-Entladungsbefehl V auf den zweiten Befehlswert A2 gesetzt wird. Deshalb kann auch dann, wenn der Gaslaseroszillator 20 kalt ist, die Hilfsentladung aufrechterhalten werden, während dann, wenn der Gaslaseroszillator 20 heiß ist, der elektrische Verschluss betätigt werden kann und deshalb können Bearbeitungsfehler vermieden werden.
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Mit der Erfindung ist eine Hardware und eine Software für die Synchronisation des Basis-Entladungsbefehls V und des Laser-Ausgabebefehls nicht mehr nötig. Auch ist eine Energiequelle für die Verwendung für die Hilfselektroden nicht mehr nötig. Aus diesem Grund kann mit der Erfindung ein Gaslaseroszillator 20 mit relativ geringen Kosten bereitgestellt werden.
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Weiterhin können mit der Erfindung der erste Befehlswert und der zweite Befehlswert ausgewählt werden ohne Einsatz eines Temperatursensors für die Temperatur des Gaslaseroszillators 20. Deshalb wird der Aufbau des Gaslaseroszillators 20 relativ einfach und Kosten wären vermieden. Es sei angemerkt, dass dann, wenn der Detektionswert eines Temperatursensors kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert, der erste Befehlswert bestimmt werden kann während dann, wenn er gleich ist oder größer als ein vorgegebener Schwellenwert, der zweite Befehlswert ausgewählt werden kann. Auch diese Fälle entsprechen der Erfindung.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Bei den ersten und zweiten Merkmalskombinationen wird dann, wenn der mechanische Verschluss geschlossen ist, also keine Laserbearbeitung durchgeführt wird, der Basis-Entladungsbefehl auf den ersten Befehlswert gesetzt, während dann, wenn der mechanische Verschluss geöffnet ist, also eine Laserbearbeitung durchgeführt wird, der Basis-Entladungsbefehl auf den zweiten Befehlswert gesetzt wird. Deshalb kann auch dann, wenn der Oszillator kalt ist, die Pulsentladung aufrechterhalten werden, während dann, wenn der Oszillator heiß ist, es möglich ist, einen elektronischen Verschluss zu implementieren und so das Auftreten von Bearbeitungsfehlern zu vermeiden. Ein Verriegelungsschaltkreis und eine eigene Energieversorgungsquelle für die Hilfselektroden sind nicht mehr nötig, sodass der Gaslaseroszillator mit relativ geringem Aufwand bereitgestellt werden kann.
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Oben wurden typische Ausführungsbeispiele zur Erläuterung der Erfindung herangezogen, jedoch versteht eine Fachperson, dass Änderungen und Abwandlungen, Weglassungen und Hinzufügungen möglich sind ohne vom Inhalt der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
