DE2208114C3 - Anlage zur automatischen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur automatischen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen, bei welcher ein im transversalen Grundmode schwingender, zwei Spiegel aufweisender Laserresonator, ein Strahlungsteiler, eine Fokussierungsoptik und ein Werkstückzubringer miteinander ausgerichtet auf einer optischen Bank montiert sind, bei welcher Anlage ferner der Laserresonator mit einem einen Laserstab und eine Blitzlichtlampe enthaltenden Laserkopf versehen ist, wobei die den Laserstab erregende Blitzlichtlampe von wobei Λ und h die Brennweiten der beiden Linsen und c bzw. a die Abstände dieser Linsen von den entsprechenden Spiegeln bedeuten, und wobei Λ > h ist, derart daß der optische Spiegelabstand mindestens fünfmal größer als der geometrische Spiegelabstand ist und daß die optische Bank einen massiven, den Laserresonator, den Strahlungsteiler, die Fokussieroptik und den Werkstückzubringer tragenden Natursteinbalken umfaßt der in einem Sandbett liegt welches auf einer Kombination von Schaumstoffblöcken und Luftschläuchen ruht

Mit der Erfindung wird die Vibrationsempfindlichkeit des Laserresonators wesentlich vermindert und zwar zum einen durch Verkürzung des geometrischen Abstandes zwischen den Spiegeln unter Aufrechterhaltung des bekannten, für die Erregung des transversalen Grundmode erforderlichen optischen Abstandes (Anordnung eines teleskopischen Systems), und zum anderen durch Verwendung eines im Sand und mittels Druckluft gelagerten Natursteinbalkens als optische Bank für die Anlage. Diese Verminderung der Vibrationsempfindlichkeit des Laserresonators führt dazu, daß die Anlage störungsfrei im transversalen Grundmode betrieben werden kann, mit der Folge maßhaltiger, einwandfreier Bohrlöcher beim Bohren von Uhrensteinen und ähnlichen kleinen Werkstücken.

Der Aufbau eines Laserresonators auf einer optischen Bank aus Naturstein und die Lagerung dieser optischen

Bank auf Luftschläuchen ist aus der DT-OS 20 12 023 bekannt

An Hand der Zeichnung werden, ausgehend vom Stand der Technik, Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Schema einer bekannten automatischen Laserbohranlage,

Fig.2 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des in der Anlage nach F i g. 1 enthaltenen Resonators,

F i g. 3 einen Querschnitt durch das Fundament der erfindungsgemäß ausgestalteten Anlage nach F i g. 1 und

Fig.4 einen optischen Resonator der erfindungsgemäßen Anlage.

In der bekannten Anlage nach Fig. 1 werden Laserlichtimpulse für das Bohren von Werkstücken, z.B. Uhrensteinen, erzeugt, wobei 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 It 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 10 montiert sind. Zwischen den Spiegeln 11 und 12, aber in der Nähe des Auskopplungsspicgels 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 neodymdotiertem Yttriurn-Ahirhinium-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 Lampe 18 hindurchgehen. Die Blitzlichtlampe 18 wird mittels eines Netzgerätes 19 erregt welches an das elektrische Netz 20 angeschlossen ist wie im Schema 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. Über die Signalleitung 22 wird angezeigt daß im Werkstückzubringer ein Uhrenstein bei 23 in die Bohrstellung gebracht worden ist und die Blitzlichtlampe 18 wird gezündet Vor Beginn der Produktion kann man mittels eines im Zubringer 9 vorgesehenen Impulsgebers dem Netzgerät 19 über die Leitung 22 auch Blitzauslöseimpulse zuführen, ohne daß ein zu bohrender Uhrenstein in die Bohrstellung 23 gebracht worden ist Dabei erhält der Laserstab die gewünschte Betriebstemperatur.

Das Strahlungskontrollgerät 21, dem mittels des Strahlungsteilers 7 ein kleiner Teil 3' des Strahles 3 zugeführt wird, enthält unter anderem ein Kathodenstrahloszilloskop, auf dessen Bildschirm die Form des Laserlichtimpulses erscheint. Wenn die Form der Laserimpulse den Erfordernissen nicht entspricht, so kann man durch Bedienung von Einstellknöpfen 24 des Netzgerätes 19 die Form der Blitzlichtimpulse verän- f>₅ dem.

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 8 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 20 09 335 des Anmelders gezeigt worden ist kann man mit einem einige Meter langen Resonator mit planparalleien 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« Vm des Laserstabes 17 ist in bekannter Weise in Fig.2 für eine Rescnatorlänge von L=3 m in einer voll ausgezogenen Kurve und für L=6 m, 4 m, 2 m und 9 cm gestrichelt dargestellt und zwar in Funktion der Brennweite /des Laserstabes, die ihrerseits von der Temperatur des Stabes selbst abhängt Dabei handelt es sich um einen YAG-Stab von 5 cm Länge und 0,6 cm Durchmesser und Vm ist in mm³ angegeben.

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 Folgt hat Die Laserstabbrennweite f ist in m angegeben, und in beiden Koordinatenachsen ist ein logarithmischer Maßstab benutzt Die Laserstabbrennweite / ist im wesentlichen durch die Blitzlichtleistung gegeben, die benötigt wird, um die zum Bohren gewünschten Laserimpulse zu erzeugen; sie liegt z. B. bei/"~6m.

Im Hinblick auf die Ausbildung von reproduzierbaren Impulsen der gewünschten Art ist es zweckmäßig, bei der Resonatorlänge

zu arbeiten, weil die Vm-Kurve für L = 3 m im Punkt Pm ein Minimum hat. Der Grund dafür ist der, daß unvermeidliche Temperaturschwankungen des Laserstabes, die ihrerseits Schwankungen der Brennweite f zur Folge haben, sich dann am wenigsten auf die Größe und Form des Modevolumens Vm und damit am wenigsten auf die Energie und Form der Laserlichtim pulse auswirken.

Man kann den Parameter L zur Einstellung des Arbeitspunktes Pm durch gegenseitiges Verschieben der Spiegel verändern.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich, liegt bei dem vorliegenden Resonator 6 der günstige Arbeitspunkt Pm bei einem Modevolumen von 3 ■ 10² mm³, d. h. um einen Faktor 10 höher als bei gebräuchlichen kurzen Resonatoren fL=9cm).

Bei der bekannten Anlage ist der Einfluß der Temperatur des Laserstabs auf die Laserimpulse weitgehend beseitigt. Um eine Serie von gleichförmigen Impulsen zu erhalten, ist es aber auch wichtig, Vibrationen des Laserresonators bzw. seiner Komponenten 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 um so vibrationsempfindlicher, je langer er ist. Die Vibrationen können einerseits hervorgerufen

werden durch die die Blitzlichtlampe 18 speisenden Entladungsströme, und andererseits durch den Werkstückzubringer 9, in welchem notwendigerweise ungleichförmige mechanische Antriebs- und Trägheitskräfte wirksam sind. Benutzt man irgendeine der in optischen Laboratorien üblichen optischen Bänke, die im wesentlichen aus einer Stahlschiene bestehen, so erhält man keine gleichförmigen Laserlichtimpulse.

Wie aus F i g. 3 zu sehen ist, weist die optische Bank 10 der erfindungsgemäßen Anlage einen massiven Balken 25 aus Naturstein, z. B. Serpentin, auf, dessen quadratischer Querschnitt z. B. 900 cm² beträgt, und der eine Länge von z.B. 5m hat Wichtig ist eine hohe Dämpfungskonstante des Balkenmaterials, z. B. <5>0,l. 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 Schwingungen des Balkens durch auf dem Balken angebrachte störende Elemente. Der Holzkasten 27 ruht auf Druckluft enthaltenden Schläuchen 28, deren Druck zur Einstellung der Dämpfungsfrequenz verändert werden kann, und die auf einer Zwischenbasis 29 abgestützt sind. Die Zwischenbasis 29 weist einen aus Schaumkunststoff bestehenden Körper 30 auf, der oben von einer Holzplatte 31 bedeckt ist Die Zwischenbasis 29 ruht auf einem zweiten Sandbett 32, das in einem zweiten Holzkasten 33 enthalten ist, der seinerseits auf einem Basissockel 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 Bank 10 vermeidet in sehr hohem Maße die Übertragung von irgendwelchen Vibrationen auf den Resonator 6, so daß sehr gleichmäßige Impulse erhalten werden. Die Bank 10 kann auch einen unterteilten Natursteinbalken 25 aufweisen, z. B. einen etwa 3 m langen Teilbalken für den Resonator und einen etwa 2 m langen Teilbalken für die Vorrichtung 7 bis 9, wobei die Unterteilung natürlich auch anders vorgesehen werden kann.

In F i g. 4 ist ein Laserresonator 6i dargestellt, der erfindungsgemäß in der Anlage nach F i g. 1 an Stelle des bekannten Resonators 6 verwendet wird 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 d«m Spiegel 11 ist ein aus zwei sammelnden Linsen 37i und 38t 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 6i in bezug auf das aktive Modevolumen Vm ebenso verhält wie ein Resonator vom Typ des Resonators 6, Fig.4, mit einer geometrischen Länge

L = c

G; J -

/ι +«■

Die Länge U wird nachfolgend als die »effektive Länge« des Resonators 6t bezeichnet und ist gleich der geometrischen Länge eines äquivalenten Resonators 6,

■ 5 zwischen dessen planparallelen Spiegeln U, 12 sich lediglich der Laserstab 17 befindet Die Brennweite f\ der Linse 37i kann z. B. 10 cm betragen, die Brennweite h der Linse 38i z. B. 2 cm, der Abstand c der Linse 38i 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+k+f\ + a

beträgt somit nur 55,2 cm, aber die effektive Länge L'ist 3 m.

Die an Hand von Fig.2 erläuterten Beziehungen gelten auch für den erfindungsgemäßen Resonator 61, wenn man U an Stelle von L setzt Insbesondere ist es günstig, wenn im Arbeitspunkt

ist, wobei / wiederum von der Temperatur des Laserstabes 17 bzw. der Pumpleistung abhängt während zur Variierung der effektiven Länge L' der

Abstand c verändert werden kann. Die Stirnflächen des Laserstabes 17 sind in F i g. 7 konvex dargestellt, also im erwärmten Betriebszustand, um die Wirkung des Stabes als Sammellinse von der Brennweite / anzudeuten. Ferner sind die Grenzen des Strahlengangs gestrichelt angedeutet, der im Inneren des Laserstabes 17 das aktive Modevolumen begrenzt

Es ist vorteilhaft, wenn der Nutzstrahl 3 durch den Spiegel 12 des Resonators 61 hindurch austritt in dessen Nähe sich der Laserstab 17 befindet, und nicht durch den vom Stab 17 ferneren Spiegel 11. Eingehende Untersuchungen haben nämlich gezeigt, daß dadurch die Divergenz d«s Nutzstrahlenbündels verkleinert wird und, wie das Modevolumen Vm, unkritisch ist gegenüber Schwankungen der Laserstabbrennweite f.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anlage zur automatischen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen, bei welcher ein im transversalen Grundmode schwingender, zwei Spiegel aufweisender Laserresonator, ein Strahlungsteiler, eine Fokussierungsoptik und ein Werkstückzubringer miteinander ausgerichtet auf einer optischen Bank montiert sind, bei welcher Anlage ferner 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 Strahlitngste:!er ein dem Nutzstrahl proportionaler MeBsirahl zugeführt wird, und bei welcher Anlage der optische Abstand zwischen den Spiegeln des Laserresonators etwa halb so groß wie die Brennweite des bei Betriebstemperatur als Sammellinse wirkenden Laserstabes ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator (61) ein aus zwei Linsen (37i, 38i) bestehendes teleskopisches System umfaßt, das sich zwischen einem (11) der Spiegel (11,12) und dem Laserstab (17) befindet und mit welchem der optische Spiegelabstand (U) gegeben ist durch

JJ Ii

-/1

wobei Λ und h die Brennweiten der beiden Linsen (37i, 38i) und c bzw. a die Abstände dieser Linsen von den entsprechenden Spiegeln (11,12) bedeuten, und wobei h>h ist, derart, daß der optische Spiegelabstand (L') mindestens fünfmal größer als der geometrische Spiegelabstand (L) ist und daß die optische Bank (10) einen massiven, den Laserresonator (6), den Strahlungsteiler (7), die Fokussieroptik (8) und den Werkstückzubringer (9) tragenden Natursteinbalken (25) umfaßt, der in einem Sandbett (26) liegt, welches auf einer Kombination von Schaumstoffblöcken (34,30) und Luftschläuchen (28) ruht

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutzstrahl durch denjenigen Spiegel (12) hindurch aus dem Laserresonator (61) austritt, der dem Laserstab (17) näher liegt

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Balken (25) einen Querschnitt von mindestens 500 cm^J und einen inneren Dämpfungskoeffizienten δ von mindestens 0,1 hat.

55 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, und bei welcher Anlage der optische Abstand zwischen den Spiegeln des Laserresonators etwa halb so groß wie die Brennweite des bei Betriebstemperatur als Sammellinse wirkenden Laserstabes ist

Eine derartige Anlage mit im transversalen Grundmode schwingendem Laserresonator ist aus der DT-OS 2009335 bekannt Dabei wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, zum Bohren von Uhrensteinen und ähnlichen kleinen Werkstücken nur Eigenschwingungen sehr niedriger Ordnung, also insbesondere den transversalen Grundmode, anzuwenden. Praktische Versuche haben jedoch gezeigt, daß es auch bei. Anwendung dieser Betriebsweise mit der bekannten Anlage nicht möglich ist, in Uhrensteine Bohrlöcher zu bohren, welche den üblichen Anforderungen bezüglich Maßhaltigkeit und Einwandfreiheit genügen. Damit die bekannte Anlage bei guter Ausnutzung des Laserstabs im Grundmode arbeiten kann, wird ein optischer Resonator von großer geometrischer Länge verwendet. Dadurch wird die Anlage empfindlich für Vibrationen, durch die die Maßhaltigkeit der Bohrlöcher beeinträchtigt wird.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Anlage zur automatischen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen anzugeben, bei der der Einfluß von Vibrationen möglichst gering ist

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß der Laserresonator ein aus zwei Linsen bestehendes teleskopisches System umfaßt das sich zwischen einem der Spiegel und dem Laserstab befindet und mit welchem der optische Spiegelabstand gegeben ist durch