DE3326636A1 - Optisches peilsystem - Google Patents

Optisches peilsystem

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Description

21. JULI 1983
83 019 Kü/u
Uηi te_d_ Ki_ngdom Atomic Energy Authority, Il Charles II Street, k91]Jon SWlY 4QP / England
A_NR|_ 10056 9 3
VNR: 106836
Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 8221520 vom 26. Juli 1982 beansprucht.
Optisches Peilsystem
Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Peilsystem und insbesondere auf ein optisches System, das sicherstellt, daß ein Laserstrahl genau durch die optische Mitte eines Fokussierungssystems hindurchgeht. 5
Für viele Zwecke ist es notwendig sicherzustellen, daß eine Einrichtung ihre Ausrichtung in einer gegebenen Richtung beibehält, selbst wenn sie Störungsfaktoren unterliegt. Z.B. ist es in Verbindung mit Laser-Bearbeitungsgängen notwendig sicherzustellen, daß ein Strahl
durch die optische Mitte eines Fokussierungssystems hindurchgeht, selbst wenn das Fokussierungssystem bewegt werden kann, um einen Weg ausfindig zu machen, der einem Schneid- oder Schweißvorgang entspricht. 15
Das Fehlen einer solchen Sicherheit kann schädliche Auswirkungen auf das Strahl-Querschnitts-Energieprofi1 haben und auch den fokussierten Strahlfleck stören.
Erfindungsgemäß wird ein optisches Peilsystem geschaffen, das sich zusammensetzt aus einer Einrichtung zum Projizieren eines Richstrahls auf einem Weg, der einen Teil eines optischen Systems,einschließlich einer Peilblende,
bildet, aus einer Einrichtung, die den Richtstrahl veranlaßt, um die Peripherie der Peilblende herum abzutasten, aus einer Einrichtung zum Empfangen von Licht, welches von der Peripherie der Peilblende zurückgeworfen wird, und zum Erzeugen eines elektrischen Signals, das zur Intensität des Lichts in Beziehung steht, aus einer Einrichtung zum Bestimmen der Amplitude und Phase des elektrischen Signals relativ zu jenen der Bewegung des Richtstrahls um die Peripherie der Peilblende herum und zum Erzeugen eines Richtsignals, sowie aus einem Servomechanismus, der auf das Richtsignal anspricht, derart, daß er die Bewegungsachse des Richtstrahles und die Mitte der Peilblende in Übereinstimmung bringt.
Die Peilblende kann eine Befestigung für eine BetrachtungsTinse oder einen Spiegel haben, der einen Teil eines anderen optischen Systems bildet, wie beispielsweise eines Laser-Bearbeitungssystems, wobei dem Servomechanismus die Aufgabe zufällt, die Bewegung eines dem optischen Peilsystem und dem Laser-Bearbeitungssystem gemeinsamen Spiegels um zwei senkrechte Achsen zu steuern.
Alternativ kann die Peilblende auch an einem Stück eines Gerätes befestigt sein, dessen Orientierung in einer gegebenen Richtung aufrechterhalten werden soll, und der Servomechanismus kann dabei dazu dienen, das Stück des Gerätes zu bewegen, um die gewünschte Orientierung beizubehalten.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung beschrieben, die eine schematische Darstellung eines mit der Erfindung ausgestatteten Laser-Bearbeitungssystems wiedergibt.
In der Zeichnung ist ein Kohlendioxid-Laser-Bearbeitungssystem dargestellt, welches ein optisches Peilsystem gemäß der Erfindung enthält, mit dem sichergestellt wird, daß der Kohlen-
dioxid-Laserstrahl zentral durch eine Fokussierungs1inse hindurchgeht. Ein Laserstrahl 1 aus einer nicht dargestellten Quelle wird von einem Strahlmischspiegel reflektiert, der eine zentrale öffnung 3 nach einem Spiegel 4 hin aufweist, der so angeordnet ist, daß er um zwei zueinander senkrecht verlaufende Achsen mittels Antriebseinheiten 5 und 6 bewegt werden kann. Der Laserstrahl 1 verläuft dann zu einem Fokussierungskopf 7, der eine Peilblende 8 und eine Fokussierungs1inse 9 enthält, die so angeordnet ist, daß sie den Laserstrahl 1 auf einen Fokus auf der Oberfläche eines Werkstücks 10 bringt.
Das optische Peilsystem besteht aus einer Helium-Neon-Laserquelle 21, die einen Richtstrahl 21' liefert, aus zwei Strahl-Klappspiegelη 22, einer rotierenden Drehkeil anordnung 23, die durch einen Elektromotor, der nicht dargestellt ist, angetrieben wird, aus einem Sichtelement 24, einem Teleskop mit einer Fotoverstärkereinheit 25 und einer Servomechanismus-Steuereinheit 26, die allgemein durch strichpunktierte Linien angedeutet ist und die Antriebe 5 und 6 für den Spiegel 4 betätigt, der sowohl dem Laser-Bearbeitungssystem als auch dem optischen Peilsystem gemeinsam ist. Die rotierende Kei1 anordnung 23 enthält ein Positionskodierungssystem, das aus einer rotierenden Platte 27 besteht, welche die eine Komponente der rotierenden Keilanordnung 23 trägt und vier gleichmäßig beabstandete Positionsmarkierungen aufweist, die durch vier Prüf- und Halte-Zeitdetektoren 28 (mit A, B, C und D bezeichnet) beobachtet werden. Die Signale der Zeitdetektoren 28 werden entsprechenden Prüf- und Halteschaltungen A1, B1, C und D1 innerhalb der Servomechanismus-Steuereinheit 26 übermittelt. Signale vom Fotoverstärker 25 werden außerdem den Prüf- und Halteschaltungen A', B1, C und D1 zugeführt. Die Signale des Fotoverstärkers 25 werden den Prüf- und Halteschaltungen A' und B1 direkt und den Prüf- und Halteschaltungen C und D1
ό ό I b b J b
liber Di fferential verstärker E und F zugeführt. Der Ausgang der Prüf- und Halteschaltung A1 wird außerdem dem Differentialverstärker E zugeführt und derjenige der Prüf- und Halteschaltung B außerdem dem Differential verstärker F. Der Ausgang der Prüf- und Halteschaltung D1 wird durch einen Verstärker G verstärkt und dazu verwendet, die X-Antriebseinheit 5 des beweglichen Spiegels 4 zu betätigen, und der Ausgang der Prüf- und Halteschaltung C wird durch einen Verstärker H verstärkt und dazu verwendet, die Y-Antriebseinheit 6 des beweglichen Spiegels 4 zu betätigen.
Der Betrieb der Anlage ist wie folgt: Der Richtstrahl 21' wird veranlaßt, zentral durch das Loch 3 im Strahl-Mischspiegel 2 hindurchzugehen, und zwar mittels entsprechender Einstellung der Spiegel 22, damit er allgemein koaxial zum Hauptlaserstrahl 1 verläuft und auf einem identischen Weg fortschreitet. Die rotierende Kei1 anordnung 23 wird dann eingesetzt. Die durch die rotierende Kei1 anordnung erzeugte Ablenkung wird so gestaltet, daß der Richtstrahl 21' auf den Rand der Peilblende 8 fällt, wenn der Hauptlaserstrahl 1 zentral durch die Fokussierungslinse 9 hindurchverläuft. Die rotierende Keilanordnung 23 wird dann in Bewegung gesetzt, um den Richtstrahl 21' zu veranlassen, um die Peripherie der Peilblende 8 herum abzutasten. Das von der Peripherie der Peilblende 8 zurückkehrende Licht wird vom Sichtelement 24 in die Teleskop- und Fotoverstärkereinheit 25 reflektiert. Das Sichtelement 2-4 ist aus einem Material hergestellt, das für die COo-Strahlung im Hauptlaserstrahl 1 transparent ist und außerdem eine hohe, aber nicht perfekte Durchlässigkeit für die He-Ne-Strahlung des Richtstrahles 21' hat. Aus diesem Grunde ist ein Fotoverstärker notwendig. Sind einmal der Hauptlaserstrahl 1 und der Richtstrahl 21' genau durch Einregelung des Spiegels 2 eingestellt, dann veranlaßt jede Fehlausrichtung zwischen dem Hauptlaserstrahl 1, der Peilblende 8 und der Fokussierungslinse 9 den Rieht-
strahl 21', zumindest teilweise den Rand der Peilblende 8 über ein Teilstück seines Weges zu überlappen, wodurch auf diese Weise eine Schwankung im Ausgangssignal der Fotoverstärkereinheit 25 hervorgerufen wird. Die Amplitude der Schwankung ist ein Maß für den Grad der Fehlausrichtung, und deren Phase ist eine Anzeige für die Richtung, in welcher die Fehlausrichtung auftrat.Das Ausgangssignal der Fotoverstärkereinheit 25 wird viermal während jeder Abtastung des Richtstrahles 21' geprüft. Die entsprechenden Augenblicke für das Prüfen des Ausgangssignals des Fotoverstärkers 25 werden durch die Zeitdetektoren 28 von den Markierungen auf der rotierenden Platte 27 abgeleitet, die einen Teil der rotierenden Kei1 anordnung 23 bildet. Die geprüften Signale werden gepaart, und zwar ein Paar für jede Bewegungsachse des Spiegels 4. Die Differenz zwischen den geprüften Signalen in jedem Paar ergibt ein Fehlersignal für jede Achse, welches, wenn durch die Verstärker G und H verstärkt, den Antriebseinheiten 5 und 6 des beweglichen Spiegels zugeführt werden, damit dieser sich in der Weise bewegt, daß er die Bewegungsachse des Richtstrahles 21' und somit den Hauptstrahl in die Mitte der Fokussierungs-1 inse 9 bri ngt.

Claims (10)

■ι ■[ _': ζ .- .."..'; 33zbO3ü PATENTANWALT Friedrich-Ebert-Su. DIPL-ING. ROLF PÜRCKHAUER Telefon (0271) 331970 Telegramm-Anschrift: Patschub. Siegen 83 019 Kü/u 21. JULI 1983 United Kingdom Atomic Energy Authority ANR: 1005693 VNR: 106836 Patentansprüche
1. Optisches Peilsystem, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (21) zum Projizieren eines Richtstrahles (211) auf einem Weg, der einen Teil eines optischen Systems, einschließlich einer Peilblende (8), bildet, durch eine Einrichtung (4), die den Richtstrahl (211) veranlaßt, um die Peripherie der Peilblende (8) herum abzutasten, durch eine Einrichtung (24, 25) zum Empfangen von Licht, welches von der Peripherie der Peilblende (8) zurückgeworfen wird, und zur Erzeugung eines zur Intensität desselben in Beziehung stehenden elektrischen Signals, durch eine Einrichtung zur Bestimmung der Amplitude und Phase des elektrischen Signals relativ zu jenen der Bewegung des Richtstrahles (21') um die Peripherie der Peilblende (8) herum und zur Erzeugung eines Richtsignals, sowie durch einen Servomechanismus (5, 6), der auf das Richtsignal anspricht, um die Bewegungsachse des Richtstrahles (21') und die Mitte der Peilblende (8) zur Deckung zu bringen.
2. Optisches Peilsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Peilblende (8) eine Befestigung für ein optisches Element (9) aufweist, welches einen Teil eines optischen Systems bildet.
3. Optisches Peilsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomechanismus (5, 6) um zwei senkrechte Achsen (X, Y) die Bewegung eines beweglichen Spiegels (4) steuert, der dem optischen Peilsystem und dem genannten optischen System gemeinsam ist.
4. Optisches Peilsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System eine Laser-Bearbeitungsanlage i st.
5. Optisches Peilsystem nach Anspruch I5 dadurch gekennzeichnet, daß die Peilblende (8) an einem Stück eines Gerätes befestigt ist, dessen Ausrichtung in einer gegebenen Richtung aufrechtzuerhalten ist, und daß der Servomechanismus (5, 6) das Stück des Gerätes bewegt, um die gewünschte Ausrichtung aufrechtzuerhalten.
6. Optisches Peilsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die den Richtstrahl (211) um die Peripherie der Peilblende (8) herum abtasten läßt, eine optische Keilanordnung (23) aus transparentem Material aufweist, welche einen einfallenden Lichtstrahl in einer Richtung im rechten Winkel zur optischen Achse des optischen Peilsystems ablenkt, und daß eine Einrichtung zum Drehen der optischen Keilanordnung (23) um eine Achse vorgesehen ist, die mit derjenigen des optischen Peilsystems zusammenfällt.
7. Optisches Peilsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende optische Kei1 anordnung (23) einen Positionskodierer enthält, mit welchem der Azimut des verlagerten Richtstrahles (211) relativ zu einer Bezugsstellung ermittelt werden kann.
8. Optisches Peilsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bestimmung der Amplitude und Phase des auf die Intensität des von der Peripherie der Peilblende (8) zurückgeworfenen Lichtes bezogenen elektrischen Signals relativ zur Bewegung des Richtstrahles (211) eine Vielzahl von Prüf- und Halteschaltungen (A1, B1, C9 D1) aufweist, die durch Signale betätigbar sind, welche aus dem Positionskodierer hergeleitet werden.
9. Optisches Peilsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Richtsignals Mittel aufweist, welche aus dem Inhalt einer ersten Gruppe von Prüf- und Halteschaltungen eine erste Komponente des Richtsignals ableiten, welche die Verlagerungen des Richtstrahles (211) in einer ersten Richtung anzeigt, sowie Mittel aufweist, die aus dem Inhalt einer zweiten Gruppe von Prlif-und Halteschaltungen eine zweite Komponente des Richtsignals ableitet, die die Verlagerungen des Richtstrahles (211) in einer zweiten Richtung im rechten Winkel zu derjenigen der ersten Komponente anzeigt.
10. Optisches Peilsystem nach Anspruch 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Richtung den Bewegungsachsen (X, Y) des beweglichen Spiegels (4) entsprechen.
DE19833326636 1982-07-26 1983-07-23 Optisches peilsystem Withdrawn DE3326636A1 (de)

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