DE2208114A1 - Anlage zur automatischen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen - Google Patents

Description

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Pierres Holding SA., rue du Rüschli 6, 2500 Biel, Schweiz und Firma

Turlabor AG., Geissacherstrasse 8, B126 Zumikon, Schweiz

Anlage zur automatischen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur automatischen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen, bei welcher ein im transversalen Grundmode schwingender Laserresonator, ein Strahlungsteiler, eine Fokussierungsoptik und ein Werkstückzubringer miteinander ausgerichtet auf einer optischen Bank montiert sind, und der Laserresonator mit einem einen Laserstab und eine Blitzlichtlampe enthaltenden Laserkopf versehen ist, wobei die den Laserstab erregende Blitzlichtlampe von einem Netzgerät mit elektrischen Impulsen gespeist wird, die durch den Werkstückzubringer ausgelöst werden, und von einem Kontrollgerät geregelt werden, dem vom Strahlungsteiler ein dem Nutzstrahl proportionaler Messstrahl zugeführt wird. Um eine grosse Regelmässigkeit der aufeinander folgenden Laserlichtimpulse und damit auch der Werkstücke zu erzielen, ist erfindungsgemäss der effektive Abstand zwischen den Spiegeln etwa halb so gross wie die Brennweite f des bei Betriebstemperatur als Sammellinse wirkenden Laserstabes.

Um eine Störung der aus den später näher erläuterten Gründen durch diese Massnahme erzielten Regelmässigkeit der Laserlichtimpulse bzw. Bearbeitung durch mechanische Vibrationen zu vermeiden, welche die Aufrechterhaltung der Grundmodeschwingung stark beeinträchtigen wurden, empfiehlt es sich, einen Resonator von relativ grosser geo-

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metrischer Länge und entsprechendem effektiven Spiegelabstand von z.B. etwa 3 m äusserst sorgfältig auf einer praktisch vibrationsfreien optischen Bank aufzubauen oder einen geometrisch kurzen Resonator von grossem effektiven Spiegelabstand vorzusehen.

Anhand der Zeichnung werden nun Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es ist:

Fig. 1 ein Schema einer automatischen Laserbohranlage;

Fig. 2 ein Biagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des in der Anlage nach Fig. 1 enthaltenen Resonators;

Fig. 3 ein Querschnitt durch das Fundament der Anlage nach Fig.l und

Fig. 4 eine Variante des Resonators.

In der Anlage nach Fig. 1 werden Laserlichtimpulse für das Bohren von Werkstücken, z.B. Uhrensteinen, erzeugt, wobei in an sich bekannter Weise jeweils nach dem Bohren eines Uhrensteines ein anderer Stein automatisch in Bohrstellung gebracht wird und dabei einen neuen Impuls auslöst. Die Anlage umfasst einen Laserresonator 6, einen Strahlungsteiler 7, eine Fokussierungsoptik 8 und einen Werkstückzubringer 9, die auf einer optischen Bank 10 montiert sind. Der Resonator 6 umfasst zwei Spiegel 11 und 12, die einen Abstand L voneinander haben. Im vorliegenden Fall ist ein langer Resonator vorgesehen, indem L etwa 3 m lang ist. Die Länge L ist einstellbar, indem die beiden Spiegel 11 und 12 auf Supporten 13 und 14 angebracht sind, die je für sich auf der optischen Bank IG montiert sind. Zwischen den Spiegeln 11 und 12, aber in der Nähe des Auskopplungsspiegels 12, aus welchem der Nutzstrahl 3 austritt, ist ein Laserkopf 15 auf der Bank 10 montiert, dessen Gehäuse 16 einen Laserstab 17, z.B. aus neodymgedoptem Yttrium-Aluminium-Granat ("YAG") und eine Blitzlichtlampe 18 enthält. Das auf seiner Innenseite verspiegelte Gehäuse 16 hat einen elliptischen Querschnitt, durch dessen Brennpunkte der Stab 17 und die

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Lampe IB hindurchgehen, so dass die von letzterer ausgehenden "Pump"-Lichtstrahlen im Stab IT konzentriert werden, um die für den Lasereffekt erforderliche Inversion der Elektronenbesetzung der fraglichen .Energieniveaus hervorzurufen. Die Blitzlichtlampe

18 wird mittels eines Netzgerätes 19 erregt, welches an das elektrische Netz 20 angeschlossen ist, wie im 5chema einpolig dargestellt ist. Blitzlichtlampe 18 und Laserstab 17 sind von Glasrohren umgeben, durch welche Kühlwasser fliesst.

Das Netzgerät 19 ist mit dem Ausgang eines Strahlkontrollgerätes

21 und mit einer vom Werkstückzubringer 9 kommenden Signalleitung

22 verbunden. Es enthält in bekannter Weise einen Hauptkondensator, der über Regelglieder auf eine einstellbare Spannung aufgeladen wird und sich beim Eintreffen eines Signals, welches anzeigt, dass im Werkstückzubringer ein'Uhrenstein bei 23 in die Bohrstellung gebracht worden ist, entlädt; dadurch speist er über eine aus Induktivitäten und Kapazitäten aufgebaute L-C-Laufzeitkette die Blitzlichtlampe IB. Vor Beginn der Produktion kann man aber mittels eines im Zubringer 9 vorgesehenen Impulsgebers dem Netzgerät

19 über die Leitung 22 auch Entladungsauslöseimpulse zuführen, ohne dass ein zu bohrender Uhrenstein in die Bohrstellung 23 gebracht worden ist.

Das Strahlkontrollgerät 21, dem mittels des Strahlungsteilers 7 ein kleiner Teil 3¹ des Strahles 3 zugeführt wird, enthält unter anderem ein Kathodenstrahloszilloskop, auf dessen Bildschirm die Form des Laserlichtimpulses erscheint. Wenn man auf dem Bildschirm feststellt, dass die Laserlichtimpulse, die durch den erwähnten Impulsgeber ausgelöst werden, die gewünschte Form haben, insbesondere die 5pikes und Spikesintervalle experimentell begründeten Forderungen entsprechen, kann man den Zubringer 9 von "Kontrolle" auf "Zubringer" schalten und mit dem automatischen Bohren beginnen. Das Kontrollgerät 21 gibt an das Netzgerät 19 auch Regelimpulse ab, um die Energie der Laserimpulse konstant zu halten.

Wenn die Form der Spikes bzw. des Impulses den Erfordernissen nicht entspricht, so kann man durch Bedienung von Einstellknöpfen 24 des

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Netzgerätes 19 die Form der Blitzlichtimpulse, insbesondere ihre Dauer, maximale Intensität und Flankensteilheit verändern, um dadurch die Entwicklung der Spikes zu beeinflussen. Die Knopfe 24 gestatten unter anderem die Höhe der Ladespannung des Hauptkondensators sowie die Grosse der einzelnen Glieder der L-C-Laufzeitkette zu variieren. Vor dem Bohren ist es notwendig, das Durchlaufen einer Anzahl von Impulsen abzuwarten, damit sich sowohl im Laserstab 17 als in der Blitzlichtlampe 18, die beim ersten Einschalten des Netzgerätes 19 noch Zimmertemperatur haben, eine gleichmässige Betriebstemperatur einstellen kann.

Zur Erzielung einer zylindrischen, schön runden Bohrung ist es von grösster Bedeutung, dass der Resonator 6 nur im transversalen Grundmode schwingt, und dass der Nutzstrahl 3, nachdem er durch die Optik B fokussiert worden ist, eine praktisch zylindrische Kaustik von sehr kleinem Durchmesser hat, der etwas geringer ist als der Durchmesser d des gewünschten Bohrloches. Wie in der Patentschrift No. (Anmeldung No. 296B/69) des Anmelders gezeigt worden ist, kann man mit einem einige Meter langen Resonator mit planparallelen Spiegeln erzielen, dass ein grosser Teil des Volumens des Laserstabes 17 an der Schwingungserregung bzw. -aufrechterhaltung des transversalen Grundmodes beteiligt ist, und dass die Schwingung nur im transversalen Grundmode erfolgt. Der genannte Volumenteil, das sogenannte "aktive Modevolumen" V des Laserstabes 17 ist in Fig. 2 für eine Resonatorlänge von L = 3 m in einer voll ausgezogenen Kurve und für L = 6 m, 4m, 2 m und 9 cm gestrichelt dargestellt, und zwar in Funktion der Brennweite f des Laserstabes, die ihrerseits von der Temperatur des Stabes selbst abhängt. Dabei handelt es sich um einen YAG-Stab ν
geben.

Stab von 5 cm Länge und 0,6 cm Durchmesser und V ist in mm anqe·

m ³

Im Betrieb erwärmt sich der Stab 17 und durch die notwendige Kühlung entsteht ein radialer Temperaturgradient, was eine konvexe Krümmung seiner Stirnflächen hervorruft, die ihrerseits eine Linsenwirkung zur Folge hat. Die Laserstabbrennweite f ist in m angegeben, und in beiden Koordinatenachsen ist ein logarithmischer

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Massstab benützt. Die Laserstabbrennweite f ist.im wesentlichen durch die Blitzlichtleistung gegeben, die benötigt wird, um die zürn Bohren gewünschten Laserimpulse zu erzeugen, sie liegt z.B. bei f <-\-/ 6 m.

Je grosser das aktive Modevolumen V ist, umso besser ist der Wirkungsgrad des Laserresonators für die Erzeugung von Strahlung im transversalen Grundmode. Trotzdem ist es, und zwar im Hinblick auf die Ausbildung von reproduzierbaren Impulsen der gewünschten Art, zweckmässig, bei der Resonatorlänge L = 1 f zu arbeiten, weil

die V -Kurve für L = 3 m im Punkt P ein Minimum hat. Der Grund m m

dafür ist der, dass unvermeidliche Temperaturschwankungen des Laserstabes, die ihrerseits Schwankungen der Brennweite f zur Folge haben, sich dann am wenigsten auf die Grosse und Form des Modevolumens V und damit am wenigsten auf die Energie und Form der Laserlichtimpulse auswirken.

Ein Grund für Temperaturschwankungen des Laserstabes ist schon darin zu sehen, dass der Werkstückzubringer 9 für das jeweilige Instellungbringen eines Werkstückes nicht immer genau die gleiche Zeit braucht, so dass die Blitzlichtentladungen nicht immer in gleichen Zeitintervallen aufeinander folgen. Selbst wenn die Energie der einzelnen Entladungen genau konstant bleibt, ist somit die vom Laserstab aufgenommene Leistung nicht konstant, was notwendigerweise zu einer Temperatur- und somit Brennweiteschwankung des Laserstabes 17 führt.

Man kann den Parameter L zur Einstellung des Arbeitspunktes P durch gegenseitiges Verschieben der 5piegel verändern.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, liegt bei dom vorliegenden Resonator 6 der günstige Arbeitspunkt P bei einem Modevolumen von 3 · IQ mnW, d.h. um tiinen Faktor IG höher als bei gebräuchlichen kurzen Resona türen (L = 9 cm).

Um eine Serie von gloichförrnigen Impulsen zu erhalten, ist es sehr wichtig, Vibrationen des Lascrresonators bzw. seiner Komponenten

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zu vermeiden. Wenn Vibrationen auftreten, verändern sich die aufeinanderfolgenden Impulse sehr stark, so dass man nach Beobachtung eines zum Bohren geeigneten Impulses keineswegs erwarten kann, dass der nächste Impuls ebenfalls hierzu geeignet ist. Dabei ist ein Resonator umso vibrationsempfindlicher, je langer er ist. Die Vibrationen können einerseits hervorgerufen werden durch die die Blitzlichtlampe 18 speisenden Entladungsströme, und anderseits durch den Werkstückzubringer 9, in welchem notwendigerweise ungleichförmige mechanische Antriebs- und Trägheitskräfte wirksam sind. Benützt man irgend eine der in optischen Laboratorien üblichen optischen Bänke, die im wesentlichen aus einer Strahlschiene bestehen, so erhält man keine gleichförmigen Laserlichtimpulse.

Die optische Bank 10 der Anlage nach Fig. 1 umfasst gemäss Fig.

einen massiven Balken 25 aus Naturstein, z.B. Serpentin, dessen

2
quadratischer Querschnitt z.B. 900 cm beträgt, und der eine Länge von z.B. 5 m hat. Wichtig ist eine hohe Dämpfungskonstante des Balkenmaterials, z.B. S ^ 0,1. Der Balken 25 ruht in einem ersten Sandbett 26, das in einem ersten Holzkasten 27 enthalten ist. Die Lagerung in Sand verhindert die Erzeugung von transversalen Schwin gungen des Balkens durch auf dem Balken angebrachte störende Ele mente. Der Holzkasten 27 ruht auf Druckluft enthaltenden Schläuchen 2B, deren Druck zur Einstellung der Dämpfungsfrequenz verändert werden kann, und die auf einer Zwischenbasis 29 abgestützt sind. Die Zwischenbasis 29 weist einen aus Schaumkunststoff, z.B. dem unter der Marke "Wannerit" bekannten Kunststoff, bestehenden Körper 30 auf, der oben von einer Holzplatte 31 bedeckt ist. Die Zwischenba:;is 29 ruht auf einem zweiten Sandbett 32, das in einem zweiten Holzkasten 33 enthalten ist, der seinerseits auf einem Basissückel 34 aus Wannerit liegt. Der Wannerit-Sockel 34 ruht auf dem Fussboden 35 und ist seitlich durch nicht mit ihm in Berührung stehende Verkleidungen 36 abgedeckt.

Die dargestellte optische üank 10 vermeidet in sehr hohem Masse die Uebertragung von irgendwelchen Vibrationen auf den fiüsonator 6, so dass sehr gleichrnüssige Impulse erhalten werden. Die Bank 10 kann auch einen unterteilten Natursteinbalken 25 aufweisen,

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z.B. einen etwa 3 m langen Teilbalken für den Resonator und einen etwa 2 m langen Teilbalken für die Vorrichtung 7 - 9, wobei die Unterteilung natürlich auch anders vorgesehen werden kann.

In Fig. 4 ist ein Laserresonator 6·, dargestellt, der in der Anlage nach Fig. 1 anstelle des Resonators 6 verwendet werden kann und bei welchem der geometrische Abstand L zwischen den Spiegeln 11 und 12 wesentlich weniger als 3 m beträgt, so dass seine Vibrationsempfindlichkeit viel geringer ist als diejenige des Resonators 6. Zwischen dem Laserstab 17 und dem Spiegel 11 ist ein aus zwei sammelnden Linsen 37-, und 38. bestehendes teleskopisches System angeordnet. Statt dessen könnte man auch eine zerstreuende und eine sammelnde Linse vorsehen (Galilei-Fernrohr statt Kepler-Fernrohr). Es kann nachgewiesen werden, dass sich der Resonator 6,

in bezug auf das aktive Modevolumen V ebenso verhält wie ein Rein

sonator vom Typ des Resonators 6, Fig. 4, mit einer geometrischen

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Länge L¹ = c/ ±\ -f., + a. Die Länge L¹ wird nachfolgend als die

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"effektive Länge" des Resonators 6. bezeichnet und ist gleich der geometrischen Länge eines äquivalenten Resonators 6, zwischen dessen planparallelen Spiegeln 11, 12 sich lediglich der Laserstab 17 befindet. Die Brennweite f der Linse 37·, kann z.B. 10 cm betragen, die Brennweite f_ der Linse 3B₁ z.B. 2 cm, der Abstand c der Linse 3B₁ vom Spiegel 11 z.B. 13,2 cm und der Abstand a der Linse 37 vom Spiegel 12 z.B. 30 cm. Die geometrische Länge L = c + f_ + f^ + a 6 beträgt somit nur 55,2 cm, aber die effektive Länge L¹ ist 3 m.

Die anhand von Fig. 2 erläuterten Beziehungen gelten auch für den Resonator 6-, wenn man L¹ anstelle von L setzt. Insbesondere ist es günstig, wenn im Arbeitspunkt L' = If ist, wobei f wiederum von der Temperatur des Laserstabes 17 bzw. der Pumpleistung abhängt, während zur Variierung der effektiven Länge L¹ der Abstand c verändert werden kann. Die Stirnflächen des Laserstabes 17 sind in Fig. 7 konvex dargestellt, also im erwärmten Betriebszustand, um die Wirkung des Stabes als Sammellinse von der Brennweite f anzudeuten. Ferner sind die Grenzen des Strahlenganges gestrichelt an-

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gedeutet, der im Inneren des Laserstabes 17 das aktive Modevolumen begrenzt.

Bei den Resonatoren 6 und 6, ist es vorteilhaft, dass der Nutzstrahl 3 durch den Spiegel 12 hindurch austritt, in dessen Nähe sich der Laserstab 17 befindet, und nicht durch den vom Stab 17 ferneren Spiegel 11, wie dies z.B. bei der in der schweizerischen Patentschrift No. (Anmeldung 2968/69) gezeigten Bohranlage

der Fall ist. Eingehende Untersuchungen haben nämlich gezeigt, dass dadurch die Divergenz des Nutzstrahlenbundels verkleinert wird und, wie das Modevolumen V , unkritisch ist gegenüber Schwankungen der Laserstabbrennweite f.

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Claims (8)

1. 22081U

   Patentanspruch -e

   Anlage zur automatischen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen, bei welcher ein im transversalen Grundmode schwingender Laserresonator, ein Strahlungsteiler, eine Fokussierungsoptik und ein Werkstückzubringer miteinander ausgerichtet auf einer optischen Bank montiert sind, und der Laserresonator mit einem einen Laserstab und eine Blitzlichtlampe enthaltenden Laserkopf versehen ist, wobei die den Laserstab erregende Blitzlichtlampe von einem Netzgerät mit elektrischen Impulsen gespeist wird, die durch den Werkstückzubringer ausgelöst werden, und von einem Kontrollgerät geregelt werden, dem vom Strahlungsteiler ein dem Nutzstrahl proportionaler Messstrahl zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der effektive Abstand (L¹) zwischen den Spiegeln (11, 12) etwa halb so gross ist wie die Brennweite (f) des bei Betriebstemperatur als Sammellinse wirkenden Laserstabes (17).
2. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass tier Werkstückzubringer einen Impulsgeber aufweist, um vor der Zuführung von Werkstücken im Netzgerät Impulse auszulösen, welche die Blitzlichtlampe speisen, und dass das Kontrollgerät (21) ein Oszilloskop enthält, mit dem die während des Betriebes dieses Impulsgebers die Form der Laserimpulse beobachtbar ist.
3. 3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Bank (10) einen massiven Natursteinbalken (25) umfasst, auf welchem der Laserresonator, der Strahlungsteiler (6), die Fokussierungsoptik (8) und der Werkstückzubringer (9) befestigt sind, und dass dieser Balken (25) in einem Sandbett (26) liegt, welches auf einer Kombination von Schaumstoffblöcken (34, 30) und Luftschläuchen (28) ruht.
4. 4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Balken (25) einen Querschnitt von mindestens 500 cm und einen inneren Dämpfungskoeffizienten S von mindestens 0,1 hat.

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5. 5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator (6.) in bezug auf das Modevolumen des Laserstabes (17) einen effektiven Spiegelabstand (L') aufweist, der mindestens 5-mal grosser ist als sein geometrischer Spiegelabstand (L).
6. 6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator (6,) ein aus zwei Linsen (37,, 38,) bestehendes teleskopisches System umfasst, das sich zwischen einem (11) der Spiegel (11, 12) und dem Laserstab (17) befindet.
7. 7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der effektive Spiegelabstand sich ergibt aus

   ) ^f

   wobei f. und f_ die Brennweiten der beiden Linsen (37,, 38p) und c bzw. a die Abstände dieser Linsen von den entsprechenden Spiegeln (11, 12) bedeuten, und wobei f, ~z^- f~ ist.
8. 8. Anlage nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzstrahl durch denjenigen Spiegel (12) hindurch aus dem Resonator (6; 6,) austritt, der dem Laserstab (17) näher liegte

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