DE2624039C3 - Verfahren und Vorrichtung zum automatischen Abgleichen eines Biegeschwingers durch Materialabtrag mittels Laserstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum automatischen Abgleichen eines mit stiftförmigen Halteorganen ausgerüsteten liiegeschwingers - auch Resonator genannt - durch Materialabtrag mittels Laserstrahlung von seiner Ist-Frequenz auf eine vorgegebene Soll-Frequenz, wobei man den jeweiligen Biegeschwinger in seiner Abgleichposition an seinen Halteorganen im Arbeitsfeld des Bearbeitungslasers hält und ihn zu Schwingungen anregt sowie während oder in Intervallen des Materialabtrages seine jeweilige Ist-Frequenz ermittelt, diese mit der Soll-Frequenz vergleicht und in Abhängigkeit von der ermittelten Soll-Ist-Wert-Differenz den Bearbeitungslaser in Einzelschüssen steuert, derart, daß der Materialabtrag in Form eines Rastermusters aus der Stirnfläche des Biegeschwingers erfolgt.

jo Eine derartige Verfahrensweise ist beispielsweise in der deutschen Patentschrift 1929994 beschrieben. Die meist aus Stahl gebildeten Biegeschwinger werden als mechanische Resonatoren bezeichnet; sie werden wegen ihrer hohen Schwingungsgüte und wegen ihres

J5 geringen Raumbedarfs als Frequenznormale oder als mechanische Filter eingesetzt. Wegen der bei der Fertigung auftretenden Toleranzen ist es erforderlich, in einem nachfolgenden Arbeitsgang den Biegeschwinger auf die gewünschte Soll-Frequenz abzugleichen.

Dieser Abgleich erfolgt meist unter Anwendung eines Bearbeitungslasers (vgl. CH-PS 514956), z. B. eines YAG-Lasers, dessen optische Achse auf die Stirnfläche des Biegeschwingers gerichtet ist. Der hochenergetische Strahl verdampft bei einem »Einschuß« eine in Abhängigkeit von seiner Energie und Einwirkungszeit bestimmte Materialmenge aus der Stirnfläche des Biegeschwingers. Die Messung der jeweiligen Ist-Frequenz erfolgt mittels eines nahe dem zu Schwingungen angeregten Biegeschwinger angeordneten Mikrofons, welches die Schallschwingungen in elektrische Schwingungen umsetzt. Die gemessenen Werte werden einem Rechner zugeführt, der aus der ermittelten Differenzfrequenz zwischen der Soll- und Ist-Frequenz nach einem gespeicherten Programm den La-

,5 serstrahl steuert. Die Steuerung erfolgt derart, daß die sogenannten »Einschußstellen« in einem nahezu gleichen radialen und vorgegebenen Teilungsabstand in der Stirnfläche des Stahlbiegeschwingers eingebracht werden. Dabei kann es indessen vorkommen, daß bei

Mi einem der Einschüsse die Soll-Frequenz noch nicht erreicht ist, hingegen beim nachfolgenden Einschuß die Soll-Frequenz bereits überschritten ist. Es muß auch dafür Sorge getragen werden, daß die kraterförmigcn Einschußstcllcn möglichst gleichmäßig beidsei-

(,-, tig von einer Bicgclinie des Stahlbiegeschwingcrs ungeordnet sind, um so das Schwingungsverhalten möglichst frei von Oberwellen zu halten. Befinden sich eine Vielzahl von Eiinschußstellcn in der Stirnfläche

des Stahlbiegeschwingers, so kann es vorkommen, daß sich die Kraterwülste der einzelnen Einschußstellen überlappen. Der scharfkantige Kratergrat kann während des Betriebes des Stahlbiegeschwingers z. T. abbrechen; eine Änderung der Eigenfrequenz des Resonators ist sodann nicht auszuschließen. Zur Vermeidung dieses Nachteiles werden daher (vgl. DE-OS 2 355 428) die über die Stirnfläche vorstehenden Kraterränder durch Aufschmelzen mittels eines Laserstrahles mit der Stirnfläche des Stahlbiegeschwingers verschweißt.

Aus der DE-OS 2356658 ist es bereits bekannt, den Prozeß zum Abgleichen derartiger Biegeschwinger bzw. Resonatoren zu automatisieren. Die Biegeschwinger werden mittels einer Schute in ihrer Abgleichposition, d. h. in das Arbeitsfeld des Bearbeitungslasers gefördert und nach erfolgtem Abgleich automatisch aus der Arbeitsstation entfernt. In der Arbeitsstation werden die Stahlbiegeschwinger an ihren stiftförmigen Halteorganen in einer Einspannvorrichtung gehalten. Dabei kommt es VGr, daß die dünnen stiftförmigen Halteorgane etwas verbogen oder nicht hinreichend fluchten. Dadurch ist die Stirnfläche des Biegeschwingers nicht genau mit ihrem Mittelpunkt bzw. ihrer Biegeachse fluchtend unter der optischen Achse des Bearbeitungslasers gelegen. Das im Prozeßrechner gespeicherte Programm für die Teilung und Lage der Einschußstellen in der Stirnfläche des Biegeschwingers (auch »Muster« genannt) kann somit asymmetrisch zur Biegeachse des Stahlbiegeschwingers bzw. Resonators gelegen sein; auch in diesem Falle wird das Biegeverhalten des Resonators beeinträchtigt.

Z\ 'eck der Erfindung ist es, die beim Abgleich von Biege schwingern vorkommenden Ausschußquoten zu verrii gern, wobei es Aufgabe der Erfindung ist, durch verfa irensmäßiges Handeln den Bearbeitungslaserstrahl selbsttätig auf die Mittelpunktkoordinaten der Stirnfläche des Biegeschwingers auszurichten, derart, daß die vorprogrammierte Konfiguration (Muster) der Einschußstellen mit größter Packungsdichte und im gleichmäßigen Abstand von der Biegelinie des Biegeschwingers bzw. Resonators gelegen sind, wobei jedoch eine Überlagerung der Kraterwülste vermieden werden soll. Ausgehend vom eingangs genannten Verfahren besteht die Erfindung darin, daß man

a) in an sich bekannter Weise vor Beginn des Abgleichvorganges in einem Soll-Ist-Frequenzvergleich die voraussichtlich von der Stirnfläche des Stahlbiegeschwingers abzutragende Materialmenge ermittelt und aus diesem Wert die Konfiguration und/oder Tiefe der Einschußstellen in der Stirnfläche des Biegeschwingers bestimmt und

b) die genaue Lage der Stirnfläche des Biegeschwingers im Arbeitsfeld des Bearbeitungslasers ermittelt und aus diesen selbsttätig gemessenen und ermittelten Werten die programmierten Steuerwerte für den Bearbeitungslaserstrahl korrigiert sowie

c) daß man das Rastermuster der Laser-Einschußstellen in Abhängigkeit von der aus der Stirnfläche des Stahlbiegeschwingers abzutragenden Materialmenge dehnt oder engt, derart, daß sich die Kraterwülste überlappen.

Wie schon eingangs vermerkt, benutzt man zum Abgleichen des Biegeschwingers einen Bearbeitungslaser mit gepulsten Laserstrahlen. Die Pulsfrequenz beträgt z. B. 15 Hz. Bisher war es üblich, zum Abtragen des Materials bei einem Laser-»Schuß« mit vier Impulsen zu arbeiten. Ist das Material des Werkstükkes, hier des Biegeschwingers, stets gleichbleibend und sind die Betriebsbedingungen des Lasers unveränderlich, so ist auch die bei einem »Laserschuß«, z. B. bei einem Impuls abgetragene Materialmenge nahezu konstant. Durch Vorversuche ist ermittelbar, welche Materialmenge zum Abgleichen des Biegeschwingers von einer bestimmten Ist- auf eine vorgegebene Soll-Frequenz abzutragen ist. Ist nach einem ersten Soll-Ist-Frequenzvergleich wenig Material abzutragen, so verwendet man ein enges Rasterfeld, welches symmetrisch zur Biegelinie des Stahlbiegeschwingers gelegen ist. Vorteilhaft ist es, den Bearbeitungslaser derart zu betreiben, daß man die Rasterpunkte des Rasterfeldes nacheinander, z. B. mit jeweils einem Laserimpuls belegt, bis in einem der Rasterpunkte die 5>oll-Frequenz erreicht ist. Soll indessen eine größere Materialmenge aus der Stirnfläche des Biegeschwingers abgetragen werden, so ist es erforderlich, das Rasterfeld zu dehnen, derart, daß sich die Einschußkraterwülste an den verschiedenen Einschußstellen im Rasterfeld nicht überlappen. Das Rasterfeld wird nunmehr mehrfach mit jeweils einem oder zwe: Impulsen des Laserlichtes belegt. Dabei verfährt man derart, daß man die Rasterpunkte des Rasterfeldes nacheinander und wiederholt mit Einschüssen belegt, und zwar solange, bis die Soll-Frequenz erreicht ist. Das Rastermuster kann auch verschiedene Konfigurationen aufweisen, die man jeweils im Prozeßrechner speichert, wobei man in Abhängigkeit von der zuerst ermittelten Differenz zwischen der Soll- und Ist-Frequenz ein geeignetes Muster aus-

J5 wählt. Derartige Muster können z. B. eine Gitterkonfiguration aufweisen oder in Form einer Kreis-, Halbkreis- oder Halbmondkette im Prozeßrechner gespeichert sein.

In den Zeichnungen sind eine zur Ausübung des Verfahrens dienende Biegeschwinger- bzw. Resonator-Abgleichvorrichtung nebst Einzelheiten sowie ein das Verfahren veranschaulichendes Block-Schaltbild dargestellt.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Biegeschwinger-Abgleichvorrichtung. Ein z. B. als YAG-Laser 1 ausgebildeter Bearbeitungslaser liefert über eine Strahlenoptik 2 den Bearbeitungsstrahl 3. Dieser Bearbeitungslaser besitzt beispielsweise eine Wellenlänge von 1,06 μ, wobei die Strahlenoptik 2

so derart ausgebildet ist, daß der Bearbeitungsstrahl 3 einen wirkssamen Querschnitt von etwa 0,5 mm besitzt. Die Impulsfrequenz des Lasers beträgt vorzugsweise 15 Hz. Der Laser selbst ist über einen Generator 4 ar steuerbar; seine Wirkungsdauer ist auf einen Impuls oder wahlweise z. B. auf vier Impulse einschränkbar. Ein He-Ne-Laser 5, der eine Wellenlänge von 0,63 μ besitzt, liefert über eine Strahlenoptik 6 einen Lasermeßstrahl, der mittels eines Spiegels 8 in den Strahlengang 3' des Bearbe'.tungslaserstrahles 3

bo einblendbar ist. Der Spiegel besitzt eine für den Bearbeitungslasenstrahl Antireflexionssghicht 8'. Ein mittels Galvanometermotore 9,10 betriebener Galvanometer 11 dient zur Auslenkung des Bearbeitungs- und Meßstrahles in den beiden orthogonalen Koordina-

tn tenrichtungen X₁ Y. Die optische O-Achse der Laserstrahlen soll mittig aut die Stirnfläche 12 eines Biegeschwingers 13 zeigen. Der Stahlbiegeschwinger ist mit stiftförmigen Halteelementen 14 ausgerüstet, mittels

welchen er in einer Klemmvorrichtung 15 gehalten ist, derart, daß seine Stirnfläche 12 in der Arbeitsebene des Arbeitsfeldes liegt. Ein Schwingungserreger 16 ist nahe an den - hier aus Stahl gebildeten - Biegeschwinger herangeführt. Ein Mikrofon 17 dient als ■-, Meßvorrichtung zur Ermittlung der Eigen- bzw. Ist-Frequenz des Biegeschwingers. Die Galvanometermotoren 9, 10 stehen in Verbindung mit einem Prozeßrechner 18. Die gemessene Ist-Frequenz wird mittels eines Signalumsetzers und Verstärkers 19 über eine Signalleitung 20 ebenfalls dem Prozeßrechner 18 zugeleitet. Über dem Arbeitsfeld des Bearbeitungslascrs ist ein Retlcxionslicht-Adapter 21 angeordnet, der dazu dient, die Lage des Biegeschwingers innerhalb des Arbeitsfeldes des Bearbeitungslasers zu er- r> kennen und die ermittelten Werte über einen Signalwandler 22' sowie einen Koordinaten-Rechner 22 ebenfalls dem Prozeßrechner 18 zuzuleiten. In Abhängigkeit von der Lage der Flächen 12 im Arbeitsfeld des Bearbeitungsiasers werden vom Prozeßrechner j S ->n die gespeicherten Steuerinformationen korrigiert und diese den Galvanometermotoren 9, 10 zugestellt.

In den Fig. 2 bis 4 sind verschiedene Einschuß-Figurationen in die Stirnfläche 12 eines hier etwa 1 Ofach >■> vergrößerten Biegeschwingers bzw. Resonators 13 dargestellt.

Gemäß Fig. 2 sind die Einschüsse 23 nahezu halbkreisförmig mil gleichbleibendem Abstand R in die Stirnfläche 12 des Biegeschwingers eingebracht. Der jo Teilungsabstand der Einschüsse φ ist ebenfalls eine konstante gespeicherte Größe. Während des Abgleichens wird z. B. der Laser mit vier Impulsen betrieben, so daß bei jedem Einschuß eine bestimmte Materialmenge aus der Stirnfläche des Lasers verdampft. Die r, dabei entstehenden Krater 23 besitzen einen Kraterwulst 24. Der Teilungsabstand soll derart bemessen sein, daß sich die Kraterwülste 24 nach Möglichkeit nicht überlappen. Die einzelnen Einschüsse erfolgen nacheinander, und zwar so oft, bis daß die Soll-Frequenz erreicht ist. Wenn wenig Material abzutragen ist, so ist die Soll-Frequenz schon nach wenigen »Einschüssen« erreicht. Dadurch kann es vorkommen, daß der Materialabtrag nicht symmetrisch von der Biegelinie bzw. Biegefläche 25 des Biegeschwingers gelegen ist. Wenn der Biegeschwinger bzw. seine Stirnfläche 12 nicht genau mittig im Arbeitsfeld des Bearbeitungslasers angeordnet sind, d. h. wenn die Biegelinie mit der optischen O-Achse des Lasers nicht axial fluchtet, so liegt der Durchstoßpunkt der Biegelinie in der Stirnfläche - im nachfolgenden kurz »Flächen-Mittelpunkt« M genannt -verschoben im Arbeitsfeld des Bearbeitungslasers. Der Kreisbogen B, auf welchem sich die Einschüsse befinden, kann daher entsprechend - wie übertrieben dargestellt - exzentrisch zur Stirnfläche 12 gelegen sein.

Gemäß Fig. 3 sind die Einschüsse 23 i.i Form eines — hier gestrichelt dargestellt — Rasterfeldes 26 eingebracht. Das Rasterfeld liegt symmetrisch zum Flächen-Mittelpunkt M bzw. auch zur Biegelinie 25 in w der Fläche 12 des Biegeschwingers 13.

Fig. 4 zeigt eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung, jedoch ist hier das Rasterfeld 26 im Vergleich mit dem Rasterfeld 26 der Fig. 3 gedehnt. Ist ein erhöhter Materialabtrag nach einem ersten Soll-Ist-Fre- (,5 quenzvergleich erforderlich, erfolgt vom Prozeßrechner 18 eine Streckung der Teilungsabstände der Rasterpunkte, derart, daß sich die wulstförmigen Kraterränder 24 der Einschüsse 23 im Rasterfeld nichl überlappen. Vorzugsweise verfährt man derart, dali man beim Abgleich des Biegeschwingers unabhängig von der Dehnung des Rasterfeldes 26 die einzelnen Rasterpunkte a, b, c, d bis ρ mit jeweils einem Einschußimpuls belegt und sodann rückkehrend auf den Rasterpunkt α den Vorgang wiederholt und diese Verfahrensweise fortsetzt, bis der Soll-Wert erreich! ist. Durch diese Verfahrensweise erreicht man einer weitgehendst gleichmäßigen Materialabtrag in bezug auf die Biegelinie bzw. Biegefläche 25 des Biegeschwingers.

Fig. 5 zeigt die Stirnfläche F eines im Arbeitsfeld A gelegenen Biegeschwingers 13. Wie bereits vorbeschrieben, kann es vorkommen, daß wählend des automatischen Einspannvorganges des Bicgeschwingers in die Klemmvorrichtung 15 gemäß Fig. 1 der Flächenmittelpunkt M außerhalb des Durchstoöpunktes der optischen 0-Achs« des Lasers durch das Arbeitsfeld A gelegen ist. Die Kasterpunktkoordinaten α bis ρ des Rasterfeldes 26, welche im Prozeßrechner 18 gespeichert sind, bedürfen einer Korrekturgröße, im vorliegenden Beispiel um die Größe AX bzw. AY. Zur Ermittlung dieser Korrekturgröße isi es erforderlich, die Lage der Fläche F im Arbeitsfeld A zu ermitteln. Hierzu dient der Meßlaserstrahl 1 gemäß Fig. 1. Der Meßlaserstrahl wird zunächst aus der Lage 0 in Richtung der A"-Achse in Pfeilrichtunj 28 zwin Rasterfeldrand 29 ausgesteuert. Dabei entsteht ein Reflexionsimpuls über die Strecke SxI. Sodann erfolgt eine Rücksteuerung des Lasermeßstrahles vom Rand 29 zum Rand 29' des Arbeitsfeldes A Dabei entsteht ein Reflexionsimpuls SxI. Da der Werl Sxi kleiner ist als 5x2/2, liegt der Mittelpunkt M um die Größe Ax verschoben im Arbeitsfeld A des Bearbeitungslasers. Da die Abmessungen und die Form der Fläche F bekannt sind und auch der Abstand de; Punktes M, beispielsweise von einer Flächenkante 30. sind die Koordinaten des Punktes M errechenbar Das Errechnen der Mittelpunktkoordinaten geschiehl ebenfalls vom Prozeßrechner 18.

In der Fig. 6 ist in Form eines Blockschaltbildes der Abgleichprozeß dargestellt. Nach erfolgtem Spannvorgang des Biegeschwingers 13 im Arbeitsfeld A des Bearbeitungslasers erfolgt, wie bei 31 angedeutet, zunächst ein erster Soll-Ist-Frequenzvcrgleich, wobei im Prozeßrechner 18 die Soll-Ist-Wert-Differenz 32 ermittelt wird. Der Rechner bestimmt aus der Größe Af aus einem gespeicherten Rasterprogramm gemäß den Fig. 3 oder 4 die Dehnungsgröße des Rasterfeldes 26. Gleichzeitig wird der Meßlaser 5 eingeschaltet, wobei der Galvanometermotoi, z. B. 9, vom Prozeßrechner 18 angesteuert wird. Es erfolgt die Ermittlung der Lage der Fläche F im Arbeitsfeld A des Bearbeitungslasers, wie dies gemäß Fig. 5 dargestellt ist. Das mittels des Sensors 21 erfaßte Reflexionssignal 21' gelangt über die Signalwandler 22' und den Koordinatenrechner 22 - der die Lage des Flächen-Mittelpunktes M im Arbeitsfeld A ermittelt - in den Prozeßrechner 18. Die ermittelten Korrekturwerte werden den gespeicherten Rasterpunktkoordinaten zusammen mit den Dehnungs-Korrekturen als additive oder subtraktive Größe beigefügt. Der Prozeßrechner schaltet den Bearbeitungslaser ein und steuert nunmehr die Gaivanometermotore 9, 10 gemäß dem gespeicherten Programm für den Abgleichprozeß des Stahlbiegeschwingers. Während des Abgleichens erfolgt eine ständige Messung der Ist-Fre-

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quenz des Stahlbiegeschwingers. Sobald die Differenz schwinger wird'nutomatisch der Einspannvorrichtung

zwischen Soll- und Ist-Wert eine vorgegebene Min- 15 entnommen und ein neu abzugleichender Stalhlbie-

destgröße unterschreitet, beispielsweise »Null« ist. geschwinger wiederum in das Arbeitsfeld des Bear-

erfolgt das Sperrsignal für den Abgleichvorgang. Der beitungslasers eingesetzt; der vorbeschriebene Prozeß

ProzeB ist beendet; der abgeglichene Stahlbicge- ■-, wird wiederholt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum automatischen Abgleichen eines mit stiftförmigen Halteorganen ausgerüsteten Biegeschwingers durch Materialabtrag mittels Laserstrahlung von seiner Ist-Frequenz auf eine vorgegebene Soll-Frequenz, wobei man den jeweiligen Biegeschwinger in seiner Abgleichposition an seinen Halteorganen im Arbeitsfeld des Bearbeitungslasers hält und ihn zu Schwingungen anregt sowie während oder in Intervallen des Materialabtrages seine jeweilige Ist-Frequenz ermittelt, diese mit der Soll-Frequenz vergleicht und in Abhängigkeit von der ermittelten Soll-Ist-Wert-Differenz den Bearbeitungslaser in Einzelschüssen steuert, derart, daß der Materialabtrag in Form eines Rastermusters aus der Stirnfläche des Biegeschwingers erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) in an sich bekannter Weise vor Beginn des Abgleichvorganges in einem Soll-Ist-Frequenzvergleich die voraussichtlich von der Stirnfläche des Stahlbiegeschwingers abzutragende Materialmenge ermittelt und aus diesem Wert die Konfiguration und/oder Tiefe der Einschußstelle ι in der Stirnfläche des Biegeschwingers bestimmt und

b) die genaue Lage der Stirnfläche des Biegeschwingers im Arbeitsfeld des Bearbeitungslasers ermittelt und aus diesen selbsttätig gemessenen und ermittelten Werten die programmierten Steuerwerk für den Bearbeitungslaserstrahl korrigiert sowie

c) daß man das Rastermuster der Laser-Einschußstellen (23) in Abhängigkeit von der aus der Stirnfläche des Stahlbiegeschwingers abzutragenden Materialmenge dehnt oder engt, derart, daß sich die Kraterwülste (24) nicht überlappen.

2. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Rasterpunkte (a, b, c,...) des Rasterfeldes (26) nacheinander mit jeweils einem oder mehreren Laserimpulsen belegt, und diesen Vorgang wiederholt, bis die Soll-Frequenz erreicht ist.

3. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, bestehend aus einem Bearbeitungslaser, in dessen Strahlengang ein von einem Meßlaser erzeugter Meßstrahl einblendbar ist, und die Galvanometermotore aufweist, welche den Bearbeitungs- und Meßlaserstrahl im Arbeitsfeld des Bearbeitungslasers in zwei orthogonale Richtungen auslenken, wobei die Steuerung der Galvanometermotore mittelbar von einem Prozeßrechner erfolgt, gekennzeichnet durch die kombination, daß

a) die Vorrichtung einen Schwingungserreger (16) zur Erregung des in einer Einspannvorrichtung (15) gehaltenen Biegeschwingers (13) sowie ein Mikrofon (17) als Meßvorrichtung zur Ermittlung der Eigen- bzw. Ist-Frequenz des Biegeschwingers aufweist und

b) über dem Arbeitsfeld (/I) des Bearbeitungslasers ein das von der Stirnfläche (12) des Biegeschwingers (13) reflektierte Licht des Meßlasers adaptierender Sensor (21) angeordnet ist, wobei dem Sensor Signalwandler (22') nachgeordnet sind, welche die Helligkeitssignale in Spannungssignale umwandeln und mit dem Prozeßrechner (18)
Verbindung stehen.