DE2658682C2 - Einrichtung zum Bearbeiten eines kontinuierlich bewegten Werkstückes mit mindestens einem Laserstrahlfokus - Google Patents
Einrichtung zum Bearbeiten eines kontinuierlich bewegten Werkstückes mit mindestens einem LaserstrahlfokusInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Bearbeiten eines kontinuierlich bewegten Werkstückes mit
mindestens einem Laserfokus, der mittels eines optischen Systems mit Ablenkspiegel auf das Werkstück
fokussiert und mit einer Ablenkbewegung längs einer geraden Bahn über das Werkstück bewegbar ist, wobei
die Bahn in einem solchen, von der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes abhängigen Winkel zur
Bewegungsrichtung des Werkstückes verläuft, daß sich auf dem bewegten Werkstück eine zu dessen Bewegungsrichtung rechtv.inkelige Bahn des Laserslrahlfokus ergibt.
Eine derartige Einrichtung ist durch die DE-OS 25 21 530 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, mit der mindestens ein Strichfokus in einem
entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes einstellbaren bzw. steuerbaren Winkel so
bewegt werden kann, daß uuf dem bewegten Werkstück die Richtung des Strichfokus und die Richtung der von
ihm durchlaufenden geraden Ablenkbahn zusammenfallend rechtwinkelig zur Bewegungsrichtung des Werkstückes liegen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung der eingangs genannten Ai t gelöst, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß der Ablenkspiegel als um eine
Achse drehbarer Polygonspiegel ausgebildet ist, daß das optische System eine zylindrische Linse oder einen zylindrischen Spiegel zur Erzeugung mindestens eines
Strichfokus des Laserstrahls auf dem Polygonspiegel sowie eine dem Polygonspiegel nachgeordnete sphärische
Linse oder ein sphärischer Spiegel zum Abbilden des Strichfokus auf dem Werkstück im rechten Winkel zu
dessen Bewegungsrichtung aufweist, und daß die Richtung der Achse des Polygonspiegels relativ zur Längsachse der zylindrischen Linse bzw. des zylindrischen
Spiegels in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes und der Drehgeschwindigkeit
des Polygonspiegels einstellbar oder steuerbar ist.
Weitere kennzeichnende Merkmale der Einrichtung sind den Unteransprüchen 2 bis 6 zu entnehmen.
Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
F i g. I zeigt ein Vektordiagramm zur Darstellung des
Prinzips der Erfindung.
F i g. 2 zeigt schematisch die optische Geometrie für die beiden Ausführungsformen gemäß F i g. 3 und 4.
Fig. 3 zeigt in Draufsicht und Seitenansicht eine
schcniiilischc Linscnnnordnung gemäß einer Ausführungsform.
I·' i g. 4 zeigt in Draufsicht und Seitenansicht ein Spiegelsystem gcniiiß einer anderen Ausführungsform.
F i g. 5 zeigt ein Blockschaltbild des Steuersystems für eine Ausführungsform.
Fig.6 und 7 veranschaulichen die Erzeugung eines
Doppellinien-Fokus.
Fig.8 veranschaulicht die Erzeugung eines Dreilinien-Fokus.
Das Vektordiagramm gemäß F i g. 1 illustriert das Prinzip der Erfindung. Wenn ein Werkstück 1 in Richtung
des Pfeiles 2 mit einer Werkstückgeschwindigkeit vw bewegt wird und ein Linienfokus 3 eines (nicht dargestellten)
Strahlungsbündels sich über das Werkstück längs einer geraden Linie 4 rechtwinklig zur Bewegungsrichtung
des Werkstücks 1 bewegen soll, wobei diese Linie eine Fortsetzung der Richtung des Linienfokus
3 darstellt dann gilt die folgende Vektorgleichung
V, = Vr, + Vp
wobei Vy die tatsächliche Ablenkgeschwindigkeit des Linienfokus
3 quer zum Werkstück und "p die effektive
oder resultierende Geschwindigkeit der Bewegung des Linienfokus 3 über das Werkstück 1 bedeuten. Der Winkel
Θ, den die tatsächliche Ablenkrichtung 5 des Linienfokus 3 mit der Bewegungsrichtung des Werkstücks einschließt,
beträgt arc cos VJv5. Der Winkel θ wird im
folgenden als der Spurwinkel bezeichnet
Diese Bedingungen können erfüllt werden in einem optischen System, bei dem ein Strahlungsbündel mittels
einer zylindrischen Linse oder eines zylindrischen Spiegels zu einem strichförmigen Fokus auf oder nahe einem
Ablenkspiegel fokussiert wird, der um eine Achse rotiert oder oszilliert, so daß das Strahlungsbündel ein
Werkstück in einer von der Richtung der Bewegungsachse des Spiegels abhängigen Richtung überstreicht
Unter diesen Umständen wird die Orientierung des Linienfokus nach Reflexion am Spiegel unbeeinflußt bleiben
von der Orientierung der Bewegungsachse des Ablenkspiegels relativ zur Achse der zylindrischen Linse
oder zylindrischen Spiegel, sondern die als Strichfckus
erscheinende Abbildung wird durch die Bewegung des Ablenkspiegels mit einer Ablenkbewegung bewegt. Die
allgemeine geometrische Anordnung ist in F i g. 2 dargestellt wobei die aus Fig. 1 übernommenen Bezugszeichen die gleiche Bedeutung haben. Der Pfeil ^deutet
an, daß die Bewegungsachse 6 des (nicht dargestellten) Ablenkspiegels um die optische Achse 7 des Systems
gedreht werden kann, um die Richtung der Ablcnklinie 5 einzustellen. Der Pfeil ~ deutet die Bewegung des
Ablenkspiegels an, die die Ablenkbewegung des StrahlungsbündiMs quer über das Werkstück 1 bewirkt
Fig.3 zeigt eine Ausfuhrjngsform eines optischen
Systems zur Erzeugung eines Strichfokus eines Strahlungsbündels und zu dessen Bewegung über ein sich
bewegendes Werkstück, auf welches die Strahlung einwirken soll, derart, daß der Strichfokus sich über das
Werkstück 1 längs einer geraden Linie rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Werkstücks 1 bewegt. Das optische
System umfaßt einen Aufweiter oder Kollimator, der allgemein mit 8 bezeichnet ist und aus zwei Linsen
8a und 86 besteht. Dieser empfängt einen Strahl 9 von &o
einem (nicht dargestellten) Laser und erzeugt ein paralleles Lichtbündel 10, dessen Durchmesser die Abmessungen
des zu erzeugenden Strichfokus des Lichtbündels bestimmt
Das aufgeweitete Licntbündel 10 läuft durch eine Zylinderlirisc
11 und durch eine. Übertragungs- oder FcIdlinse
12, die zusammenwirken, um eine Abbildung in Form eines Sirichfokus bei oder nahe einem rotierenden
Ablenkspiegel 13 zu erzeugen, der die Form eines regelmäßigen Polygons hat Die Achse 6 des Spiegels 13
ist so gelagert daß ihre Orientierung in der vorstehend beschriebenen Art verändert werden kann, um die Richtung
der Ablenkbewegung des schließlich erzeugten Strichfokus 3 des Lichtbündels 10 über das sich bewegende
Werkstück 1 zu verändern und so einzustellen, daß sich der Strichfokus 3 über das Werkstück längs
einer geraden Linie rechtwinklig zu der Bewegungsrichtung des Werkstücks bewegt Die Drehachse 6 des Spiegels
13 verläuft durch die optische Achse 7 des optischen Systems. Durch die Drehung des Spiegels 13 wird
das nacheinander von jeder der Facetten 14 des Spiegels reflektierte Licht mit einer Ablenkbewegung quer
über eine anschließende sphärische Linse 15 abgelenkt, die den endgültigen Strichfokus 3 auf dem Werkstück
erzeugt In Wirklichkeit sind die Linse il und der Bildpunkt
7 in der Zeichnung links von dem Spiegel 13 angeordnet zur Vereinfachung der Darstellung wurde
das System jedoch längs einer gerade-- iinie auseinandergezogen
dargestellt
In der Seitenansicht wird der Strahl 9 durch die Linsen 11 und 15 auf dem Werkstück 1 fokussiert In der
Draufsicht wird der die Linse 11 in Querrichtung umfokussiert verlassende Strahl von der Linse 12 exakt oder
ungefähr auf die entsprechende Facette 14 des Ablenkspiegels 13 fokussiert und läuft dann zu der Linse 15, die
den Strichfokus 3 erzeugt Der Spurwinkel θ zwischen der Abtastrichtung 4 des Strichfokus 3 über das Werkstück
und der Bewegungsrichtung des Werkstücks 1 wird durch den Orientierungswinkel Φ, um den die
Drehachse 6 des Spiegels 13 um die optische Achse 7 des Systems relativ zur Längsachse der zylindrischen
Linse 11 verdreht ist bestimmt.
F i g. 4 zeigt ein optisches System aus Spiegeln für den gleichen Zweck. In der im oberen Teil von F i g. 4 gezeigten
Seitenansicht läuft ein Laserstrahl 20 von einem Laser durch einen Expander oder Strahlaufweiter (verier der Laser noch der Slrahlaufweiter sind dargestellt)
und fällt auf einen zylindrischen Spiegel 21. Der Spiegel
21 ist so angeordnet, daß er einen Strichfokus des Laserstrahls 20 auf oder nahe der Oberfläche eines sphärischen
Spiegels 22 erzeugt. Der Spiegel 22 reflektiert den Laserstrahl 20 auf einen rotierenden Polygonspiegel 23,
der dem Spiegel 13 der vorherigen Ausführungsform entspricht. Der rotierende Polygonspiegel 23 lenkt den
Laserstrahl 20 über die Oberflächs eines anschließenden
sphärischen Spiegels 24 ab, von wo der Strahl nach Reflexion an einem Planspiegel 25 auf ein sich bewegendes
Werkstück 27 als Strichfokus fokussiert und mit einer Ablenkbewegung über das Werkstück 27 abgelenkt
wird. In der Draufsicht' im unteren Teil von F i g. 4
wird der Laserstrahl 20 durch den sphärischen Spiegel
22 an oder nahe dem Polygonspiegel 23 fokussiert.
Der Laserstrahl 20 erhält durch den Spiegel 24 seine Ablenkbewegung in Querrichtung über den Spiegel 24
und wird von diesem über den Planspiegel 25 auf das Werkstück 27 mit entsprechender Ablenkbewegung reflektiert.
Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist die Richtung der Drehachse des Polygonspiegels
23 veränderbar, und die erforderliche Vcrwärtskomponente der Ablenkgeschwindigkeit des Strichfokus
26 des Laserstrahls 20 über das sich bewegende Werkstück 27 wird dui ,*h Drehung eines den rotierenden
Spiegel 22 tragenden Rahmens 28 um eine Achse 29 erhalten, die rechtwinklig zur Drehachse des Spiegels 23
steht, und zwar um den jeweiligen Winkel Φ relativ zur Längsachse des zylindrischen Spiegels 21.
Die Einfallswinkel λ und /zwischen dem einfallenden
Laserstrahl 20 und der Normalen auf der Oberfläche des Spiegels 23 bzw. zwischen der Ablenkebene und der
Normalen auf der Oberfläche des Spiegels 24 bewirken Aberrationen, die als Krümmungen der Ablenkspur auf
dem Werkstück 27 in Erscheinung treten. Durch geeignete Auswahl der Winkel λ und/im jeweiligen Anwendungsfall kann erreicht werden, daß diese Fehler sich
gegenseitig aufheben.
Bei denen anhand von Fig.3 und 4 beschriebenen
optischen Systemen muß die Orientierung Φ der Ablenkspiegel 13 bzw. 23 relativ zur Achse der zylindrischen Linse 11 (F i g. 3) bzw. des zylindrischen Spiegels
22 (F i g. 4) so eingestellt werden, daß die Ablenkung mit dem gewünschten Spurwinkel Verfolgt. Im allgemeinen
ist die Größenordnung von θ die gleiche wie die Größenordnung von #und hängt von der Ablenkgeschwindigkeit v, und der Werkstückgeschwindigkeit v„ ab, wie
in F i g. i veranschaulicht. Wenn bei einer fest vorgegebenen Ablenkgeschwindigkcit v, Schwankungen der
Werkstückgeschwindigkeit v». z. B. beim Anfahren und Abstoppen eines kontinuierlichen Arbeitsprozesses, berücksichtigt werden sollen, muß ein Steuersystem vorgesehen sein, welches den Spurwinkcl θ ständig überwacht und auf dem gewünschten Wert hält. F i g. 5 zeigt
eine Ausführungsform eines solchen Steuersystems, welches für jedes der beiden in F i g. 3 und F i g. 4 dargestellten optischen Systeme verwendbar ist.
Gemäß F i g. 5 erzeugt ein Taktimpulsgenerator 30 eine Folge von Taktimpulsen, die einem binären Impulsvervielfacher 3t zugeführt werden, der die Frequenz der
Takt- oder Steuerimpulse um einen Faktor multipliziert, der durch ein Geschwindigkeitsvorgabeglied 32 bestimmt wird. Der entstehende Impulszug wird dann einer Steuereinheit 33 zugeführt, um die Geschwindigkeit
des Antriebsmotors 34 für die Ablenkung zu steuern. Eine ähnliche Anordnung νοη rrequerizvervieifacher
37, Geschwindigkeitseinsteller 38 und Steuereinheit 40 dient zur Steuerung der Geschwindigkeit des Antriebsmotors 41 für die Werkstückbewegung. (Die Steuereinrichtung für den Werkstückmotor kann eine zusätzliche
Einrichtung 39 aufweisen, die für die Steuerung der Beschleunigungsrate beim Anlaufen bzw. der Abbremsrate beim Abstoppen des Werkstückvorlaufes dient, wenn
das System in einer Anlage zur kontinuierlichen Bearbeitung verwendet werden soll.) Das Ausgangssignal
der Vervielfacher 31,37 besteht aus Impulszügen, deren Frequenzen der Ablenkgeschwindigkeit v, bzw. der
Werkstückgeschwindigkeit vw entsprechen. Diese Impulszüge werden durch zwei Zähler 42 und 43 integriert
und durch eine Divisionsstufe 44 mathematisch dividiert, so daß ein Signal erzeugt wird, welches den Kosinus des Spurwinkels ö darstellt. Das Ausgangssignal der
Divisionsstufe 44 wird in einem Komparator 45 mit einem Signal verglichen, welches ein Maß für die tatsächliche Spurstellung der Ablenkeinrichtung ist, die durch
einen Winkelkodierer 48 gemessen wird, der nach einer Kosinusskala geeicht ist. Ein Differenzsignal (d. h. der
Fehler der Winkelstellung) wird einem Sieuerglied 46 zugeführt, welches einen Motor 47 in der einen oder
anderen Richtung antreibt, um den Fehler auszugleichen.
Die vorstehend beschriebenen optischen Systeme können erforderlichenfalls abgeändert werden, so daß
sie zwei oder sogar drei strichförmige Fokusiinieii erzeugen. Bei dem Linsensystem entsprechend Fig.3
können die beiden strichförmigen Brennlinien dadurch erzeugt werden, daß entsprechend Fig.b ein Fresncl
sches Doppclprismu 50 in den Weg des vom Strahlaufweiter kommenden Strahles 3, bevor dieser auf die Zylinderlinse Il auftrifft, eingesetzt wird. Das Doppelprisma 50 kann mit zwei getrennten und gegeneinander
ί beweglichen Hälften ausgebildet sein, so daß das Ausmaß der Trennung zwischen den beiden Strahlhälften
des geteilten Strahls 51 verändert werden kann. Bei dem Spiegelsystem gemäß Fig.4 können die beiden Fokusstrichc dadurch erzeugt werden, daß zwei im Winkel
ίο zueinander stehende Planspiegel in das vom Strahlaufweiter kommende Lichtbündcl eingesetzt werden, oder
indem gemäß F i g. 5 der zylindrische Spiegel 21 in Axialrichtung geteilt und die beiden Hälften 61,62 so angeordnet werden, daß ihre Flächennormalcn 63,64 kopla·
nar, aber in einem Winkel zueinander liegen. Wie im Fall des Doppclprismas können auch die beiden Teile 61,62
des Spiegels 21 gegeneinander verstellt werden, damit das Ausmaß der Trennung der beiden Teile des Strahlfaüncicis veränderlich ist.
Ein dreifacher Strichfokus kann erzeugt werden durch die in F i g. 8 dargestellte Anordnung, die sowohl
bei der mit Linsen als auch bei der mit Spiegeln arbeitenden Ausführungsform verwendet werden kann. In
beiden Fällen ist dann das zylindrisch fokussierende EIc
ment cine zylindrische Linse 71, und ein kreisförmiger
Planspiegel 72 mit drei Facetten ist so angeordnet, daß er den vom (nicht dargestellten) Strahlaufweiter kommenden strahl 73 empfängt und auf die Linse 71 reflektiert, die den Strahl 73 dann, wie beschrieben, auf den
rotierenden Polygonspiegel 74 fokussiert. Von den drei Facetten des Spiegels 72 sind die beiden Facetten 75 und
76 Quadranten oder Viertelkreise, während die dritte Facette 77 ein Halbkreis ist. Die Facetten sind gegeneinander um die für die Strahlaufteilung geeigneten Winkel
geneigt. Durch Bewegung des Spiegels 72 relativ zum einfallenden Strahl 73 senkrecht zur Trennlinie zwischen den Facetten 75 und 76 kann die Energieverteilung zwischen den beiden äußeren Brennlinien 78 und
79 des Strahls verändert werden, während durch Bcwe
gung des Spiegels 72 relativ zum einfallenden Strahl 73
parallel zur Trennlinie der Facetten 75 und 76 die Energieverteilung zwischen den beiden äußeren Brennstrichen 78 und 79 und dem mittleren Strichfokus 80 verändert werden kann. Wenn z. B. das Werkstück aus zwei
« Lagen einer Plastikfolie besteht, aus der Beutel für Verpackungszwecke hergestellt werden sollen, so kann man
eine solche"Energieverteilung erreichen, daß der mittlere Strichfokus 80 das Werkstück durchschneidet, während jeder äußere Strichfokus 78,79 nur so viel Energie
so hat, daß er das Werkstück verschweißt Dies ist besonders vorteilhaft bei der Anwendung der Vorrichtung bei
der Herstellung von Beuteln oder Tüten aus einem flach gelegten Plastikschlauch.
Claims (6)
1. Einrichtung zum Bearbeiten eines kontinuierlich bewegten Werkstückes mit mindestens einem
Laserstrahlfokus, der mittels eines optischen Systems mit Ablenkspiegel auf das Werkstück fokussiert und mit einer Ablenkbewegung längs einer geraden Bahn über das Werkstück bewegbar ist, wobei
die Bahn in einem solchen, von der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes abhängigen Winkel
zur Bewegungsrichtung des Werkstückes verläuft, daß sich auf dem bewegten Werkstück eine zu dessen Bewegungsrichtung rechtwinkelige Bahn des
Laserstrahlfokus ergibt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ablenkspiegel als um eine Achse (6) drehbarer Polygonspiegel (13,23) ausgebildet ist.
daß das optische System eine zylindrische Linse x'll)
oder einen £>lindrischen Spiegel (21) zur Erzeugung
mindestens eines Strichickiis des Laserstrahls auf dem Polygonspiegel (13, 23) sowie eine dem Polygonspiegel (13, 23) nachgeordnete sphärische Linse
(15) oder ein sphärischer Spiegel (24) zum Abbilden des Strichfokus auf dem Werkstück (1) im rechten
Winkel zu dessen Bewegungsrichtung aufweist,
und daß die Richtung der Achse (6) des Polygonspiegels (13,23) relativ zur Längsachse der zylindrischen
Linse (11) bzw. des zylindrischen Spiegels (21) in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit jo
des Werkstückes (1) und der Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels (13,23) einstellbar oder steuerbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung mehr als eines Strichfo-
kus des Strahlenbündels ein Fresnelsches Doppelprisma (50) vorgesehen ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung mehr als eines Strichfokus des Strahlenbündels zwei im Winkel zueinander
stehende Planspiegel vorgesehen sind, die ein einziges einfallendes Strahlungsbündel in zwei Strahlungsbündel aufteilen.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine selbsttätige Steuereinrichtung zum Einstellen der Ablenkeinrichtung für
das Lichtbündel in Abhängigkeit von der Ablenkgeschwindigkeit und von der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Bauelemente (31,32,33) zum Erzeugen eines
ersten Steuersignals in Abhängigkeit von der Ablenkgeschwindigkeit des Strahlungsbündels über das
Werkstück, Bauelemente (37,38, 40) zum Erzeugen eines zweiten Steuersignals in Abhängigkeit von der
Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks, Signalverarbeitungseinrichtungen (42, 43,44), um aus den
beiden Steuersignalen ein drittes Signal zu erzeugen, welches den Wert cos θ darstellt, wobei Öder Spurwinkel zwischen der Ablenkspur des Strahlungsbün- w)
dels auf dem Werkstück und der Bewegungsrichtung des Werkstücks ist, und eine von dem dritten Signal
steuerbare Steuereinrichtung (45, 46, 47, 48) zum Ändern des Orientierungswinkels Φ zwischen der
Längsachse des zylindrischen Spiegels und der Bcwegungsachsc des Ablenkspiegcls derart, daß die
tatsächliche Bewegungsbahn des .Strichfokus relativ
zu dem sich bewegenden Werkstück eine zur Bewegungsrichtung des Werkstücks rechtwinklige, gerade Linie ist.
6. Optisches System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (48) zum Erfassen
des Ist-Wertes von cos θ und zur Abgabe eines entsprechenden Signals, einen Komparator (45) zum
Vergleichen des Ist-Wertes und des Soll-Wertes von cos θ und zum Erzeugen eines Fehlersignals, und
eine von dem Fehiersignal steuerbare Steuereinrichtung (46) zum Verändern des Winkels Φ der Bewegungsachsc des Ablenkspiegels derart, daß der Fehler verschwindet.
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