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Laservorrichtung zur Matorialbearbeitung Die Erfindung betrifft eine
Laservorrichtung zur Dlaterialbearbeitung mit einem Laser zur Erzeugung eines Bearbeitungslichtstrahls
und mit einer Linse zur Fokussierung des 3earbeitungslichtstrahls auf einer Werkstückoberfläohe.
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Wenn man auf ein Werkstück, weiches zur Liohtabsorbtion befähigt ist,
mittels eines optischen Systems Licht fokussiert, so wird die Lichtenergie in Wärmeenergie
umgewandelt, wobei die Temperatur des Punktes an dem das Licht fokussiert wurde,
erhöht wird. Wenn die auf das Werkstück projizierte Licht energie erhöht wird, so
erhalt sich auch die Temperatur der Proektionsstelle des Werkstücks, wobei schließlich
das Werkstückmaterial geschmolzen oder sogar verdampft wird. Dabei wird eine Ausnehmung
oder ein Loch gebildet. Aut diese Weise kann man ein Werkstück bearbeiten. Wenn
ein solcher Vorgang an einer Vielzahl von benachbarten 3earbeitungsstellen durchgeführt
wird, so können Nuten gebildet werden oder -das Werkstück kann in zwei Teile zerschnitten
werden.
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Es ist bereits vorgeschlaen worden, ein Lasergerä;t als Lichtquelle
für ein solches Bearbeitungsverfahren zu, verwenden, wobei astaserlicht auf das
Werkstück projiziert wird. Das auf das Werkstück projizierte Laserlicht des Lasergerätes
hat eine hohe Dichte und ist in hohem Maße parallel. Hierdurch kann ie Bearbeitung
des Werkstückes in wirksamer Weise durch die in ausreichendem Maße auf das Werkstück
projizierte Lichtenergie durchgeführt werden.
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Dennoch ist es jedoch vorteilhaft das Laserlicht auf das Werkstück
zu fokussieren, um die Lichtenergie selbst bei Verwendung eines solchen Lasergerätes
im Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück noch zu höheren Dichten zu konzentrieren.
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Wenn die Bearbeitungsstelle genau mit dem Brennpunkt des Laserlichtes
coinzidiert, so nimmt die Lichtenergiedichte am Bearbeitungspunkt ein Maximum an.
Hierdurch wird das Werkstück in hochwirksamer Weise bearbeitet.
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Es ist jedoch schwierig, die Bearbeitung derart zu steuern, daß die
Bearbeitungsstelle stets mit dem Brennpunkt des La-Laserlichtes ooinzidiert. Bisher
wurde mit dem Auge festgestellt, ob die Bearbeitungsstelle mit dem Brennpuhkt des
Laserliohtes ooinzidiert oder nicht. Wurde festgestellt, daß die Bearbeitungsstjelle
nicht mit dem Brennpunkt ooinzidiert, so wurde der Brennpunkt von Hand bei den herkömmlichen
Lasergeräten zur Bearbeitung von Werkstücken verstellt0 Mit solschon herkömmlichen
Bearbeitungsgeräten bedarf es somit einer zeitraubenden Prozedur, den Brennpunkt
mit der Bearbeitungsstelle in Coinzidenz zu bringen. Dieser Nachteil ist insbesondere
drastisch, wenn man gekrümmteOberflächen,'odeY kug,elförmige Oberflächen bearbeiten
will. In einem solchen Fall ist es nämlich nötig, festzustellen, ob der jeweilige
Bearbeitungspunkt mit dem Brennpunkt des Laserlichtes coinzidiert, und zwar fUr
jede einzelne Bearbeitungsstelle. Eine solche Bearbeitungsweise ist sehr zeitraubend.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Lasergerät zur
Bearbeitung von Frerkstticken zu schaffen, welches derart gesteuert werden kann,
daß die Koinzidenz zwischen den Brennpunkten des Laserlichtes und der 3earbeitungsstelle
automatisch herbeigefUhrt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Laservorrichtung zur
Materialbearbeitung gelöst, welche einen Laser zur Erzeugung eines Bearbeitungslichtstrahls
und eine Linse zur Fokussierung des Bearbeitungslichtetahls auf einer Werkstückoberfläche
aufweist und welche durch eine Lichtquelle zur Erzeugung mindestens eines die erste
Linse durchlaufende und auf dem Werksttlck reflektierten Lichtstrahls von Kontrollicht
gekennzeichnet ist, sowie durch eine zweite Linse zum Pokussieren des auf dem Werkstück
reflektierten Kontrollicht., eine, mindestens ein Nadelloch im Strahlengang des
Kontrollichte aufweisende Schwingplatte, welche durch einen Schwingmechnaniemus
antreibbar ist, mindestens einen hinter der Schwingplatte angeordneten Lichtdetektor,
mindestens einen phasenempfindlichen Detektor zur synchronen Gleichrichtungdes Ausgangssignale
des Lichtdetektors und eines Bezugssignals des Schwingmechanismus und einen auf
das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors ansprechenden Vorschub zur
Steuerung des Abstandes zwischen Werkstück und erster Linse0 Die vorliegende Erfindung
licht von einem System zur konta)ctlosen Bestimmung der konfiguration von Gegenständen
Gebrauch, welches in der U.S.Patentsc}iift 3 O6 859 beschrieben wurde.
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Im folgenden'wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 ein schematisches Blockdiagramm einer AusSühr,ungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figur 2a und 2b schematische Darstellungen zweier
Stadien der Werkstücksbearbeitung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figur 3
ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung; Figur 4 eine Ansicht eines Bauteils der Vorrichtung gemäß Figur 3;
Figur 5 eine graphische Darstellung der Laserlichtamplitude der Vorrichtung gemäß
Figur 3 und Figur 6 ein schematisches Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In Figur 1 ist das Bearbeitungsgerät durch strichpunktierte Linien
als Block 100 dargestellt. Die Bewegungen dieses Bearbeitungsgeräts sollen im Folgenden
anhand der dreidmensionalen orthogonalen Roordinatenx, y und z beschrieben werden.
Das Bearbeitungsgerät 100 ist so gelagert, daß es in vertikaler Richtung oder in
dex-Richtung bewegt werden kann. Das Werkstück 5 ist unterhalb des Bearbeitungsgerätes
100 angeordnet. Das Werkstück 5 ist auf einem nicht dargestellten Tisch befestigt,
welcher in den beiden Richtungen entlang der y-Achse und z-Achse bewegbar ist.
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Das Bearbeitungsgerät 100 umfaßt eine Lasereinrichtung 1 und eine
konvexe Linse 3, welche beide im Bearbeitungsgerät 100 stationär angeordnet sind.
In der Darstellung gemäß Figur 1 strahlt die Lasereinrichtung 1 ein Laserlicht 2
nach unten ab. Bekanntermaßen hat ein solcher Lichtstrom
eine hohe
Parallelität. Die konvexe Linse 3 befindet sich unter dem Bearbeitungsgerät 100
und zwar gegenüber dem Werkstück 5, sodaß das Laserlicht 2 als ein Bearbeitungslaserlicht
an der Bearbeitungsstelle der Oberfläche des Werkstückes 5 zu einem Lichtpunkt 4
fokussiert wird.
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Es kann irgendeine der verschiedenen herkömmlichen Lasereinrichtungen
verwendet werden. Es eignen sich Gaslaser, wie z.B. He-Ne-Laser, Argon-Ionen-Lasr,
rypton-Ionen-Laser, C02-Laser; Halbleiterlaser, wie z.B. GaAs-Dioden-Laser; Kristallaser,
wie z.B. Rubinlaser sowie Neodynffaser mit den Wirtmaterialien, Glas, CaF2, CaW04,
SeOOl2 und YAG:Nd3-§-(YAG = Yttrium-Aluminium-Granat ) .
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Das Bearbeitungsgerät 100 umfaßt ferner eine Hilfslichtquelle 14,
welche derart im Bearbeitungsgerät 100 angeordnet ist daß sie einen parallelen Lichtstrahl
15 in einer gemäß Figur 1 abwärts weisenden Richtung aussendet. Dieser parallele
Lichtstrahl 15 wird als Monitorlichtstrahl oder Kontroll-Lichtstrahl verwendet.
Unterhalb der Lichtquelle 14 ist ein halbdurchlässiger Spiegel vorgeseheh und unterhalb
der Lasereinrichtung 1 ist ein halbdurchlässiger Spiegel 10 vorgesehen.
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Diese Spiegel 9 und 10 sind so angeordnet, daß sie eine Neigung von
z.3. einem Winkel von 450 Xin Bezug auf die x- und y-Achse des Bearbeitungsgeräts
100 haben. Der Kontroll-Lichtstrahl 15 fällt mit einem Winkel von 450 in Bezug auf
den Spiegel 9 ein und seine reflektierte Komponente fällt mit einem Winkel von 450
in den Spiegel 10 ein. Der Spiegel 10 ist im Strahlengang des Laserlichtes 2 angeordnet,
sodaß er einen Teil dieses-Saserlichtes 2 reflektiert, wobei jedoch die transparente
Komponente dieses Lichtes durch die Linse 3 auf das Werkstück 5 projiziert wird.
Der Spiegel 10 läßt ebenfalls einen Teil des Kontroll-Lichtstrahls 15 durch. Die
reflektierte Komponente dieses Kontroll-Lichtetrahle 15 wird jedoch durch die Linse
3 auf das Werkstück 5 projiziert. An dieser Stelle ooinzidiert die optische Achse
des Laserlichtstrahls 2,
welcher vom Spiegel 10 durchgelassen wird,
mit der optischen Achse des Kontroll-Lichtstrahls 15 welcher arn Spiegel 10 reflektiert
wird, derart, daß beide mit der optischen Achse der Linse coinzidieren. Daher erteilt
die Linse 3 sowohl deLa Laserlichtstrahl 2 als auch dem Monitorlichtstrahl 15 den
gleichen Brennpunkt. enn somit das Werkstück 5 am Brennpunkt der konvexen Linse
3 angeordnet wird, so hat der vom Laserlichtstrahl 2 bestrahlte Fleck 4 die geringste
Ausdehnung und ferner hat auch der vom Monitorlichtstrahl 15 bestrahlte Fleck seine
geringste Ausdehnung. Wenn die Position des Werkstückes 5 aus dem Brennpunkt herausgerückt
wird, so werden diese von den Lichtstrahlen bestrahlten Stellen gleichzeitig größer.
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Es muß bemerkt werden, daß das Kontrollicht 15 am Werkstück 5 reflektiert
wird. Die Position der Reflektionsstelle in Bezug auf den Brennpunkt der Linse ist
von besonderer Bedeutung, Wenn das Kontrollicht 15 am Brennpunkt der Linse 3 reflektiert
wird, so geht das reflektierte Licht vom Brennpunkt der Linse 3 aus. Wenn nun die
bearbeitete Stelle des Werkstückes 5 aus dem Brennpunkt der Linse 3 herausgerückt
wird, so wird die Stelle von der das Reflektionslicht ausgeht, ebenfalls verschoben.
Dieses reflektierte Licht geht durch die convexe Linse 3 und wird am Spiegel 10
reflektiert und sodann vom Spiegel 9 durchgelassen.
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Im Bearbeitungsgerät 100 ist ferner ein reflektierender Spiegel 16
und eine Linse 17 vorgesehen. Der reflektierende Spiegel 16 ist um einen Winkel
von 450 in Bezug auf die x-Achse undy-Achse geneigt und im Bearbeitungsger:-%t 100
derart angeordnet, daß er das vom Spiegel 9 durchgelassene Koutrollicht 15 reflektiert.
Im folgenden soll der Brennpunkt der Linse 17 beschrieben werden. Die Zeichnungen
bezichen sich auf den Fall, daß das Kontrollicht 15 am Brennpunkt der Linse 3, welcher
mit der Bearbeitungsstelle am l.eth -ttick 5 zusammenfällt, replektiert wird, oder
da13 die 8earael un,<sstelle des Werkstückes 5 im BrennpunlLt der Linse 3 liegt.
In diesem
prall wird das vom Werkstück 5 reflektierte Licht durch
die Linse 3 in einen parallelen Lichtstrahl umgewandelt und es fällt somit als ein
paralleler Lichtstrahl in die Linse 17 ein. Dementsprechend fällt der Brennpunkt
So dieses parallelen Lichtstrahls mit dem Brennpunkt der Linse 17 zusammen.
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Wem jedoch die Bearbeitungsstelle des Werkstückes aus dem Brennpunkt
der Linse 3 herausgerückt wird, so wird ebenfalls die Abbildung an einer Stelle
fokussiert, welche von dem Brennpunkt der Linse 17 verschieden ist.
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ieiul zc3. die Bearbeitungsstelle aus dem Brennpunkt der Linse 3 weg
näher diese Linse 3 herangerückt wird, so wird das Kontrollicht 15 von einer Stelle
reflektiert, welche näher als der Brennpunkt der Linse 3 an dieser Linse liegt,
Auf diese Weise kommt beim Durchgang des Reflektionslichtes durch die Linse 3 kein
paralleler Lichtstrahl zustande.-Dies hat zur Folge, daß der Lichtstrahl bei Erreichen
der Linse 3 divergiert. Aus diesem Grunde rückt auch der Brennpunkt des Lichtes
vom Brennpunkt der Linse 17 auf der optischen Achse der Linse 17 weg. Wenn dagegen
die Bearbeitungsstelle von dem Brennp[unkt der Linse 3 wegbewegt wird, so bewegt
sich der Brennpunkt der Abbildung ebenfalls vom Brennpunkt der Linse 17 weg und
zwar auf der optischen Achse der Linse 17 auf diese Linse 17 zu. Auf diese Weise
kann eine Veränderung des Brennpunktes des Kontrollichts 15 an der Linse 17 dazu
verwendet werden, um die Position der Arbeitsstelle des Werkstückes zu überwachen.
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Die Hilfslichtquelle 14 kann mit einer gewöhnlichen Lampe betrieben
werden, uni zu erreichen, daß die Veränderung des Brennpunkts des Eontrollichts
der Linse 17 genau der Veränderung der Position der Bearbeitungsstelle entspricht.
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Es ist jedoch bevorzugt, auch hierzu einen Laser zu verwenden. Als
Hilfslichtquelle 14 kann jeder beliebige Laser verwendet werden0 Bevorzugt ist jedoch
ein kontinuierlicher oszillierender Laser, insbesondere. ein Gaslaser, wie zOBO
ein He-Ne-Gaslaser. Bei Verwendung eines derartigen Lasers kann das Kontrollicht
15 ein Laserlicht sein, wobei jedoch die Energie des Laserlichts 15 im Vergleich
zur'Energie- des Xaserlichts 2 klein genug ist. Sodann hat das Laserlicht 2 die
Funktion des Bearbeftungslaserlichtes. Zumindest ist es bevorzugt, die Energie des
laserlichtes 15 klein genug zu machen. Die Energie des. Laserlichtes. 2 wird derart
hoch gewählt, daß das Werkstück 5 bearbeitet werden kann. Demgegen über wird die
Energie des Laserlichtes 15 derart gewählt, daß das Werkstück 5 von diesem, Laserlicht
1'5- nicht-- baarbeitet wird. Bei einem derartigen Kontrollicht 15 von ger-inger
Energie wird der Kontrollfehler vermieden, welcher für den Fall auftritt, daß die
Bearbeitungsstelle des Werkstücks vom Kontrollicht 15 bearbeitet wird. Wenn nämlich
unter der Einwirkung des Kontrollichtes 15 ein Loch an der Bearbeitungsstelle in
das Werkstück eingearbeitet wird, so kommt durch das am Boden des Loches reflektierte
Licht ein Kontrollfehler zustande.
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Das Bearbeitungsgerät 100 umfaßt ferner eine Schwingplatte 18 und
einen Lichtdetektor 20. Die Schwingplatte 18 ist zwischen der Linse 17 und dem Lichteingangsteil
des Lichtdetektors 20 angeordnet und weist in der optischen Achse der Linse 17 ein
Nadelloch 18 A auf. Diese Schwingplatte 18 ist derart gelagert, daß sie in der Richtung
der optischen Achse der Linse 17 schwingen kann. Zur Ausführung dieser Schwingung
wird sie durch einen Schwingmechanismus 19 bewegt.
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Die Schwingplatte 18 schwingt mit einer vorbestimmten Amplitude und
einer vorbestimmten- Frequenz hin und her und zwar in einer Lage, in welcher das
Nadelloch 18 A mit dem Brennpunkt Po zusammenfällt. Somit wird das durch das Nadelloch
i8
A der Schwingplatte 18 hindurchtretende Licht durch die Schwingung der Schwingplatte
18 moduliert und sodann in den Lichtde'tektor 20 eingegeben. Der Lichtdetektor 20
wandelt das derart modulierte licht in ein elektrisches Signal um.
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Somit ist das vom Lichtdetektor 20 abgegebene elektrische Signal ein
Wechselstrom-Ausgangssignal, welches durch die Schwingung der Sohwingplatte 18 moduliert
ists Außerhalb des Bearbeitungsgerätes 100 ist ein Verstärker 21 vorgiesehen. Dieser
Verstärker 21 verstarit das vom Lichtdetektor 20 erhaltene elektrische Signal. Ferner
ist ein phasenempfindlicher Detektor 22 außerhalb des Bearbeitungsgerätes 100 vorgesehen.
Dieser phasenempfindliche Detektor 22 erhält das Ausgangssignal Va des Verstar'kera
21 und ein Besugssignal Vo des Schwingungsmechanismus 19. Der Detektor bewirkt die
gleichzeitige Gleichrichtung des Ausgangssignals Va und des Bezugssignals Vo, wobei
ein Gleichstrom-Ausgangssignal Vd gebildet wird.
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Wenn der Bearbeitungspunkt am Werkstück 5 mit dem Brennpunkt der Linse
3 zusammenfällt, so schwingt die Schwingplatte 18 um den Brennpunkt Fo der Linse
17 als Schwingungszentrum.
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Demgemäß wird das Ausgangssignal Vd des phasenempfindlichen Detektors
22 gleich null. Wenn jedoch der Bearbeitungspunkt des Werkstückes 5 aus dem Brennpunkt
der Linse 3 herausgerückt wird, so ergibt sich ein Ausgangssignal Vd des phasenempfindlichen
Detektors 22, dessen Polarität der Richtung der Verschiebung entspricht und dessen
Amplitude dem Abstand zwischen dem Brennpunkt der Linse 3 und der. Bearbeitungsstelle
proportional ist. Vergleicht man den Fall, daß der Brennpunkt der Linse 17 vom Brennpunkt
Vo zur Linse 10 hinwandert, mit dem Fall, daß sich der Brennpunkt umgekehrt bewegt,
so stellt man fest, daß sich die Phase des durch die Schwingplatte 18 modulierten
Lichtes umkehrt, sodaß die Polarität des Ausgangssignals Vd des phasenempfindlichen
Detektors 22 sich ebenfalls urkehrt.
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Das Ausgangs signal Vd des phasenempfindlichen Detektors 22 wird im
Servoverstärker 23 verstärkt, und sodann in einen Servomotor 24 eingegeben, wodurch
der Servomotor in Tätigkeit versetzt wird. Der Servomotor 24 ist derart mit dem
Bearbeitungsgerät 100 verbunden, daß er dieses Gerät in Richtung der x-Achse bewegt,
Als Servomotor 24 kann ein elektrischer Servomotor oder ein hydraulischer Servo-motor
verwendet werden. Der Servomotor 24 bewegt das Bearbeitungsgerät 100 derart, daß
das Ausgangssignal Vd des phasenempfindlichen Detektors 22 gleich null wird, Daher
wird das Bearbeitungsgerät 100 in solcher ',reise bewegt, daß die Bearbeitungsstelle
des Werkstückes in den Brennpunlrt der Linse 3 verlegt wird.
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Der Servomotor 24 kann derart konstruiert Sein, daß er nur die konvexe
Linse 3 bewegt und nicht das gesante Bearbeitungsgerät 100. Ferner kann der Servomotor
auch mit einem Tisch verbunden sein, auf welchem das Werkstück 5 angeordnet ist,
sodaß das Werkstück 5 in der Richtung der x-Achse bewegt wird.
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Die Schwingungafrequenz der Schwingplatte 18 kann z.B. ein kHz betragen.
Andererseits kann die Wiederholungsfrequenz des Lasers 1 in weitem Bereich variiert
werden. Die Wiederholungsfrequenz des Lasers 1 soll jedoch im Vergleich zur Schwingungsfrequenz
der Schwingplatte 18 klein genug sein, wie z.B. 1 bis 15 Hz. Da die Schwingungsfrequenz
der Schwingplatte 18 im Vergleich zur Wiederholungs- oder- Oszillierfrequenz des
Lasers 1 groß genug ist, kann jede Bearbeitungsstelle des Werkstückes 5 bearbeitet
erdea, wobei ein automatischer Fokussiermechanismus 200 stets in fliätigkeit ist,
welcher die Schwingplatte 18, den Lichtdetektor 20,-den Verstärker 21, den phasenempfindlichen
Detektor 22, den Servoverstärker 23, den Servomotor 24 und die BilSslichtquelle
14 umfaßt. In diesem Falle ist die Fokussierung stets gewährleistet,
wenn
der Laser 1 Zmpulse erzeugt, sodaß die Bearbeitung der Bearbeitungsstelle des Werkstückes
mit großer Genauigkeit erfolgt.
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Wenn die Wiederholdungsfrequenz des Lasers den oben angegebenen Wert
übersteigt oder wenn ein kontinuierlicher Laser verwendet wird, so wird der automatische
Fokussiermechanismus 200 zunächst derart betätigt, daß der Laser bei ruhendem Werkstück
5 fokussiert wird. Das Werkstück 5 wird sodann in diesem Zustand durch den Laser
bearbeitet. Danach wird das Werkstück 5 in die gewünschte Position bewegt und wiederum
angehaltei, wobei in diesem Ruhezustand wieder fokussiert wird und eine Bearteitung
ari werkstück 5 vorgenommen wird.
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Dabei wird das Werkstück 5 in aufeinander folgenden Schritten bearbeitet.
Die beschriebene Bearbeitungsweise ist sehr effektiv, wenn man einen Laser 1 mit
einer hohen Wiederholungsfrequenz oder venn man einen kontinuierlichen Laser verwendet,
da hierbei das Werkstück durch das Bearbeitungsgerät bearbeitet wird, selbst wenn
die Fokussierung durch den automatischen Fokussiermechanismus 200 durchgeführt wird
oder selbst wen die Fokussierung noch nicht beendet ist.
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Wenn für den zur Bearbeitung des Werkstücks dienenden Laser 1 ein
Rubinlaser verwendet wird, so wird eine Wellenlänge von o,G9 mienon gewählt und
wenn eine Neodymlaser verwendet vftd, vie z.B. ein nit Nd3+Ionen dotierter Glaslaser,
CaWO40-Laser oder YAG-Laser, so wird eine Wellenlänge von 1,06 mikron gewäbit. Wenn
andererseits als Hilfslichtquelle 14 ein Gaslaser, wie z.B. ein He-Ne-Gaslaser verwendet
wird, so wird eine Wellenlänge von 0,63 micron gewählt. Wenn als Bearbeitungslaser
1 ein Rubinlaser verwendet wird und wenn als Hilfslichtquelle 14 ein He-Ne-Gaslaser
verwendet wird, so treten hinsichtlich der Oonvexlinse 3 keine Parbaberrationsprobleme
auf. Wenn als Bearbeitungslasser 1 ein Neodymlasser
verwendet wird,
wie z.BO ein mit Nd3 --Ionen Gaslaser CaW04-Laser oder YAG-Laser verwendet wird
und wenn als Hilfslichtquelle 14 ein Gaslaser, wie z,B, ein He-Ne-Gaslaser, so ist
es erforderlich als Oonvexlinse D eine zweipunkt-achromatische Linse für die Wellenlängen
von 1,06 und Q63 mieron zu verwenden.
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Im folgenden wendet sich die Beschreibung den Figuren 2a und 2b zu,
welche die Bearbeitung von Werkstücken veransdaulichen. Gemäß Figur 2a hat das zu
bearbeitende Werkstück 5 eine Oberfläche 5B, welche sehr ungleichmäßig bearbeitet
wird. Bisher wurde eine sehr lange Zeit benötigt, um für die Bearbeitung einer derart
ungleichmäßigen Oberfläche SB eines Werkstücks 5 einen Laserlichtstrahl auf der
Oberfläche zu fokussieren. Wenn jedoch der automatischen Bokussiermechanismus 200
gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird, so verringert sich die Bearbeitungszeit
außerordentlich. In Figur 2b ist ein Behälter 25A dargestellt, welcher mit Flüssigkeit
25 gefüllt ist, sodaß das Werkstück 5 vollständig in die Flüssigkeit des Behälters
25t eingetaucht ist. Gemäß vqrliegender Erfindung kann die Bearbeitung eines Werkstückes
auch unter derartigen Bedingungen erfolgen0 Die Figuren 3 und 4 zeigen eine weitere
Ausführungsforin der Erfindung. Diese Ausführungsform ist insbesondere für ein Bearbeitungsgerät.geeignet,
welches als Bearbeitungslas,er 1 einen kontinuierlichen Laser enthält. Gemäß dieser
Ausführungsform wird die Hilfslichtquelle 14 und der halbdurchlässige Spiegel 9
gemäß der ersten Auführungsform gemäß Figur 1 weggelassen und anstelle des halbdurchlässigen
Spiegels 10 der Ausführungsform gemäß Figur 1 wird ein reflektierender Spiegel 26
verwendet. Der reflektierende Spiegel 26 ist in gleicher Weise wie der halbdurchlässige
Spiegel 10 im Strahlengang des Laserlichtes 2 vorgesehen und er ist ebenfalls in
einem
Winkel von 450 in Bezug auf die x- und y-Achse des Bearbeitungsgeräts 100 geneigt.
Dieser reflektierende Spiegel 26 weist mittig ein Loch 27 auf, durch welches das
Laserlicht 2 hindurchgeht. Figur 4 zeigt eine Draufsicht des reflektierenden Spiegels
26o Um das Loch 27 herum befindet sich ein ringförmiges reflektierendes Teil 28.
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Das vom Lesergerät 1 kommende Laserlicht 2 fällt durch das Loch 27
des reflektierenden Spiegels 26 und wird sodann mittels der Linse 3 auf dem Werkstück
fokussiert. In diesem Båll coinzidiert die optische Achse des Laserlichtes 2 mit
der optischen Achse der Linse 3. Das auf das Werkstück S projizierte Laserlicht
2 wird vom Werkstück reflektiert und fällt wiederum durch die Linse 3, sodaß es
am reflektierenden Teil 28 des reflektierenden Spiegels 26 reflektiert wird, wonach
es am reflektierenden Spiegel 16 reflektiert wird und mittels der 17 fokussiert
wird. Das vom Werkstück reflektierte und von der Linse 17 fokussierte Licht kann
als Kontrollicht 15 verwendet werden. Dabei variiert der Brennpunkt der Linse 17
in Abhängigkeit von der Lage des Werkstückes 5.
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Der automatische Fokussiermechanismus 200 ist ähnlicher Weise aufgebaut,
wie der in Figur 1 gezeigte Fokussiermechanissodaß der Servomotor 24 ansprechend
auf Veränderungen des Brennpunktes der durch die Linse 17 bewirkten Abbildung der
Oberfläche betätigt wird.
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Figur 5 zeigt die Veränderungen der Energie des Laserlichtes 2 des
Lasergerätes 1 gemäß Figur 3, wobei die Ordinate der graphischen Darstellung die
Energie P des Laserlichtes 2 angibt, während die Abszisse der graphischen Darstellung
die Zeit t angibt. Das Symbol Po bezeichnet die Energie für den Fall, daß die Bearbeitung
durchgeführt wird, während das Symbol P1 die Energie für den Fall angibt, daß die
Fokussierung durchgeführt wird. Hierbei ist Po derart gewählt, daß
die
Energie zur Bearbeitung des Werkstücks 5 ausreicht, während P1 derart gewählt ist,
daß aie Energie zur Bearbeitung des Werkstücks 5 nicht ausreicht. DemgemG,3 betet
die Beziehung Po > P1. Der kleinere Wert P1 reicht aus um Fokussierfehler zu
vermeiden und zwar ähnlich wie in dem Fall, daß ein Lasergerät geringer Energie
als Hilfalichtquelle 14 verwendet wird. Po bezeichnet die tatsächliche Bearbetungsperiode,
wahrend T1 die Fokussierperiode bezeichnet. Die Veränderung der Energie des Laserlichtes
2 wird herbeigeführt, indem man den Anregungszustand des Lasergerätes 1 steuert.
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Es ist bevorzugt, einen kontinuierlichen Laser zu verwenden, da gemäß
Figuren 3 und 4 das Laserlicht 2 des Lasers 1 als Monitorlicht oder Kontrollicht
verwendet wird. Es können bei dieser Ausführungsform verschiedene Typen Yen Lasern
als kontinuierlicher Laser verwendet werden. So können.z.B. ein Rubinlaser, ein
Glaslaser, ein CaWO4-Laser oder ein YAG-Laser als kontinuierlicher Laser verwendet
-erden, ebenso wie ein He-Ne-Gaslaser. Ferner kann auch ein kontinuierlicher lnfrarotlaser,
wie z.B. ein CO2-Gaslaser verwendet werden. Durch die Linse 3 fällt stets Licht
der gleichen Wellenlänge, welcher Laser auch immer verwendet wird.
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Somit tritt kein Problem der Farbaberration auf.
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Außer dem Lasergerät 1 bedarf die Ausführungsform gemäß Figuren 3
und 4 keiner weiteren Hilfslichtquelle. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt
in der Vereinfachung des Gerätes durch Auslassung der Hilfslichtquelle.
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Figur 6 zeigt eine weitere Austührungslorm des Erfindungsgemäßen Gerätes.
Auch diese Ausführungsform ist zur Verwendung eines kontinuierlichen Lasers geeignet.
werner ist diese Ausführungsform auch für eine kontinuierliche Pearbeitung
geeignet.
Bei der Ausführungsform gemäß Figuren 3 und 4 treten die Perioden To für die Bearbeitung
und T1 für die Kontrolle alternativ auf, soda die eigentliche Bearbeitung in;terraittierend
erfolgt. Bei der Ausführungsform gemäß Siur 6 wird jedoch eine kontinuierliche Bearbeitung
erzielt, Bei der Ausführungsform gemäß Figur 6 wird ein Lasergerät 1 Verwendet,
welches gleichzeitig Laserlicht nach hoben und unten ausstrahlt. Dus in Abwärtsrichtung
ausgestrahlte Laserlicht 2 dient zur Bearbeitung des Werkstücks, während-das in
Aufwärtsrichtung ausgestrahlte Laserlicht 15 als Monitorlicht oder Kontrollicht
verwendet wird. Bei dieser -Ausf.ührungsform liegt der halbdurchlässige Spiegel
10 wie bei der Aus Führungsform gemäß Figur 1 im Strahlengang des Laserlichts 2,
sodaß nach Durchgang des Laserlichtes 2 durch den S Spiegel 10.
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dasselbe unter der fokussierenden Wirkung der Linse auf das Werkstück
5 projiziert wird.
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Um das Monitorlicht oder Kontrollicht 15 auf die zu bearbeitende
Oberfläche. des Werkstückes 5 zu werfen, ist ein Prisma 29 vorgesehen, sowie reflektierende
Spiegel 30, 31, 32 ; 3, 34 und 35. An den reflektierenden Oberflächen 29A u,nd 293
des Prismas 29 wird das Kontrollicht 15 in zwei Strahlengäng,e zerlegt, nämlich
in einen ersten Kontrollichtstrahl 151 und einen zweiten Kontrollichtstrahl 152.
Nachdem der erste Kontrollichtstrahl 151 von den Spiegeln 30, 31 und 32 reflek--
tiert ist, fällt er durch die Linse 3 und wird auf das Werk-'^' stück 5 projiziert.
In gleicher Weise fällt der Kontrolljcht-. -strahl 152 nach der Reflektierung an
den Spiegeln 33, 34 und 35 durch die Linse 3 und wird auf das Werkstück projiziert.
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Im folgenden soll angenommen werden, daß der Brennpunkt der Linse
3 für den Laserlichtstrahl 2 an der Stelle 0 liegt und daß der Brennpunkt der Linse
3 für den ersten Wontrollicht- , strahl 151 bei P und der Brennpunkt der Linse 3
für den zwei-.
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ten Kontrollichtstrahl 152 bei Q liegt. Die Punkte P und Q
sind
in Bezug auf den Punkt 0 symethrisch angeordnet und haben zu dem Punkt 0 einen gleichen
Abstand. Dieser Abstand ist klein gewählt. Die Punkte P und Q sind so gewählt, daß
sie in einer zur optischen Achse der Linse 3 senkrechten und den Punkt 0 enthaltenden
Ebene liegen. Die reflektierenden Spiegel 30, 31, 32 33, 34 und 35 stehen in einem
derartigen Winkel, daß der erste und der zweite Kontrollichtstrahl 151 und 152 an
den Stellen P und Q fokussiert sind.
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In dieser Stellung sind die Spiegel innerhalb des Bearbeitungsgerätes
100 fixiert.
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Die Kontrollichtstrahlen 151 und 152, welche auf das Werkstück 5 projiziert
sind, werden von dessen Oberfläche rereflektiert. Im folgenden soll angenommen werden,
daß das reflektierte Licht des Kontrollichtstrahls 151 das Bezugszeichen 151A trägt
und dass das reflektierte Licht des Kontroll-Lichtstrahls t52 das Bezugszeichen
152A trägt. Die Lichtstrahlen 151A und 152A passieren die Linse 3 und werden am
Spegel 19 reflektiert, worauf sie durch die Linse 17 fokussiert werden. Die Brennpunkte
der Lichtstrahlen 151A und.
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152A.der Linse 17 bewegen sich in Richtung auf die optische Achse
der Linse 17 hin, und zwar durch Ansprechen auf den ProJektionspzlnkt der Lichtstrahlen
151 und 152 am Werkstück 5. Wenn das Kontrollicht 151 an der Stelle P auf das Werk-'
stück projiziert wird, so liegt der Brennpunkt des Lichtstrahls 151A an der Stelle
F10. Wenn der Kontrollichtstrahl 152 an der Stelle Q auf das Werkstück projiziert
wird, so liegt der Brennpunkt des Lichtstrahls 152A an der Stelle F20.
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Die Punkte F10 und F20 liegen'in Bezug auf die optische Achse der
Linse 17 in einer vèrtIcalen Ebene, sodaß die Schwingplatte 36 in Richtung der optischen
Achse der Linse 17 um diese Ebene als Zentrum schwingt. In der Schwingplatte 36
sind Nadellöcher 36A und 363 an Stellen vorgesehen, welche den Brefinpunkten F10
und F20 entsprechen. Die Schwingplatte 36 wird durch den SWchwingmechanismus 19
betätigt. Wenn die Projektionsetellen der Kontrolliohtatrahlen 151 und 152 auf dem
Werkstück 5 von den Stellen P und Q weg zur Seite der Linse 3 hin bewegt werden,
s° werden die Brennpunkte der
Lichtstrahlen 151A und 152A derart
aus den Punkten F10 und F20 herausgerückt, daß sie sich von der Linse 17 entfernen.
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Wenn demgegenüber die Projektionsstellen der Kontrollichtstrahlen
auf dem Werkstück 5 derart von den Stellen P und Q wegbewegt werden, daß sie sich
von der Linse 3 wegbewegen, so werden die Brennpunkte der Lichtstrahlen 1511 und
152A von den Stellen F10 und 220 verschoben und nähern sich der Linse 17. Das durch
die Nadellöcher 36A und 363 fallende Licht wird durch die Schwingfrequenz der Schwingplatte
36 moduliert und sodann in die Lichtdetektoren 37 und 38 eingegeben, wo dasselbe
in elektrische Signale umgewandelt wird, Die Bezugszeichen 39 und 40 bezeichnen
Verstärker zllYE,Verstärkung der von den Lichtdetektoren 37 und 38 kommenden elektrischen
Signale. Ferner sind phäsenempfindliche Detektoren 41 und 42 vorgesehen. Der phasenempfindliahe
Detektor 41 empfängt das Ausgangssignal Val .-ae.s Verstärkers 39 sowie, das,-Bezugsaignal
Vo des Schwingmechanismus 19, sodaß das Sig nal Val synchronisiert mit dem Signal
Vo gleichgerichtet wird, wobei ein Gleichstrom-Ausgangsafgnal Vdl gebildet wird.
Der phasenempfindliche Detektor 42 empfängt das Ausgangssignal Va2 des Verstärkers
40 und das Bezugssignal Vo des Schwingmechanismus 19, sodaß das Signal Va2 synchron
mit dem Signal Vo gleichgerichtet wird und ein Gleichstrom-Ausgangssignal Vd2 gebildet
wird. Die-Signale Vdl und Vd2 haben eine Polarität, welche von der Verschiebungsrichtung
abhängt und AmpIituden, welche dem Maß der Verschiebungen der Refiektionsstellen
der Kontrollichtstrahlen 151 und 152 von den Stellen P und Q weg proportional sind.
Die Signale val und Vd2 werden in den Servoverstärker 23 eingegeben und addiert
und der Servomotor 24 ist so eingestellt, daß der Abstand zwischen der Linse 3 und
dem Werkstück 5 so lange verändert wird, bis die Summe der Signale Vd1 und Vd2 null
wird.
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Wenn die Projektionsstellen der Kontrollichtstrahlen 151 und 152 am
Werkstück 5 mit den Stellen P und Q zusaflaiaenfallen, so wird die Summe der Signale
Vdl und Vd2 null, wobei der Servomotor 24 nicht in Tätigkeit ist. Dies hat zum Ergebnis,
daß der Abstand zwischen der Linse 3 und dem Werkstück 5 konstant gehalten vviri.
Die Stellen P und Q liegen in einer Ebene mit dem Punkt 0, sie sind jedoch in einer
äußerst geringen Entfernung zu dem Punkt 0 angeordnet. Es kann somit angenommen
werden, daß der Punkt 0 genau an der Bearbeitungsstelle liegt, wenn die Projektionsetellen
der einfallenden Lichtstrahlen 151 und 152 am Werkstück 5 mit den Stellen P und
Q zusammenfallen.
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Wenn die Projektionsstellen der Kontrollichtstrahlen 151 und 152 am
Werkstück 5 aus den Stellen P-und Q herausrücken, so arbeitet der Servomotor 24
unter Korrektur der Verschie-' bung. Nimmt man an, daß die Projektionsstelle desKontroll-Lichtes
151 am;Werkstück 5 z.B. ui:i eine vorbestimmte Strecke vom Punkt P zur Seite der
Linse 3 hin verschoben ist'und daß die Projektionsstelle des kontrollichtes 152
am Werks tück 5 von der Stelle Q um den gleichen Abstand zur entgegengesetzten Seite
dar Linse 3 verschoben ist, so haben die Signale Vd1 und Vd2 die gleiche Amplitude
und entgegengesetzte Polarität.
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Daher ist die Summe dieser Signale null und der Abstand zwischen der
Linse 3 und.dem Werkstück 5 wird konstant gehalten.
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Wie man aus diesem Beispiel sieht, liegt die Projektionsstelle des
Laserlichts 2 am Werkstück 5 zwischen der Projektions-' stelle des einfallenden
Lichtstrahls 15 und der Projektiònsstelle des einfallenden Lichtstrahls 152 am Werkstück
5 Somit kann der Abstand zwischen den Werkstück 5 und der Linse 3 leicht eingestellt
werden. Die Punkte P und Q sind jedoch in gleichem Abstand von Punkt 0 angeordnet
und dieser Abstand ist extrem gering, sodaß bei den Einstelloperationen eine exakte
Fokussierung gelingt.
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-Es ist wichtig, daß bei der Ausführungsform gemäß Figur 6 das gleichzeitig
mit dem Laserlicht 2 und in entgegengesetzt er Richtung emittierte Laserlicht 15
als-Monitorlicht oder Kontrollicht verwendet wird. Selbst bei Lasern, die für aie
E:;iission von Licht in nur einer Richtung gebaut sind, eine Abstrahlung von Laserlicht
in entgegengesetzter Richtung nicht vollständig eliminiert werden kann, So kann
auch bei Laser, welche für die Lichtabstrahlung in Abwärtsrichtung Gebaut sind,
eine Abstrahlungvon Laserlicht 15 in der Aufwärtsrichtung nicht vollständig verhindert
werden.'.
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Das Laserlicht 15 hat eine geringere Energie als das Laserlicht 2
und dieses Laserlicht 15 von geringer Energie wird bei dieser Ausführungsform gemäß
vorliegender Erfindung als Monitorlicht oder Kontrollicht verwendet. Hierdurch wird
eine separate Lichtquelle fid Kontrollzwecke überflüssg' und die gesamte Einrichtung-
wird wesentlich vereinfacht.
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Das Kontrollicht 15 hat vorzugsweise eine Energie, welche nicht zur
Bearbeitung des Werkstücks 5 ausreicht. Diese Forderung ist bei der zuletzt beschriebenen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besonderswichtig, da das enfallende Licht
15 neben die Bearbeitungsstelle auf das Werkstück 5 projiziert wird. Ein zufriedenstellendes
Laserlicht.
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15 muß dieser Anforderung genügen. Der wicdhtigste Vorteil dieser
Ausführuiigsforn besteht darin, daß das Werkstück 5 ;kontinuierlichbe'arbeitet werden
kann. Wenn nämlich das Werkstück durch kontinuierliche Projizierung des Laserlichtes.2
bearbeitet wird, während dasWerkstück 5 in der Richtung der' - y- und z-Achse bewegt
wird, so gelingt stets eine genaue Fokussierung.
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- Ansprüche -