DE3510937C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlmeßvorrichtung für zur Bearbeitung von Werkstücken vorgesehene Hochleistungslaser mit den Merkmalen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung.

Derartige Vorrichtungen sind an sich bekannt. So ist beispielsweise ein Laserstrahlmeßgerät bekannt, das über einen von einem Synchronmotor angetriebenen Nadelträger verfügt, auf dem die Nadeln radial nach außen abstehen und die Achse des Laserstrahls bei einer Umdrehung senkrecht schneiden. Dieser Nadel sind zwei seitlich gegeneinander versetzt angeordnete Detektoren zugeordnet, die die Intensitätsverteilung in x- und y-Richtung des Laserstrahls abtasten. Beim Durchlaufen der Nadel durch den Laserstrahl tasten die beiden seitlich versetzten Detektoren kreisförmige Bahnen des Laserstrahls ab. Es erfolgt also eine selektive Auskopplung des Laserstrahls auf gekrümmten Bahnen. Die Auflösung des Intensitätsprofils ist damit örtlich und zeitlich festgelegt, da sowohl die Ortsbahnen als auch die Umlaufgeschwindigkeit der Nadeln unveränderbar ist. Mit Hilfe eines Triggersignals läßt sich die aufgenommene Leistung des Laserstrahls summieren. Die Divergenzmessung des Laserstrahls ist nur dadurch möglich, daß das Gerät an zwei verschiedene Orte gegenüber dem Laserstrahl gebracht wird, was eine äußerst umständliche Handhabung bei der Messung darstellt.

Eine weitere Vorrichtung zur Messung der Intensität eines Laserstrahls ist aus dem DE-GM 82 27 494 bekanntgeworden. Der Gegenstand des DE-GM 82 27 494 umfaßt einen den Strahlengang des Laserstrahls zumindestens mit einem Teil des Querschnitts des Laserstrahls erfassenden Reflektor. Dieser Reflektor ist in einem Reflektorträger angeordnet und verfügt über eine im Bereich der reflektierten Strahlen angeordnete Strahlungsmeßeinrichtung, dabei besitzt der Reflektor mindestens ein stabförmiges Element mit beliebigem Querschnitt, das den Laserstrahl senkrecht schneidet.

Ferner ist noch der Gegenstand der DE-OS 28 51 879 bekannt­ geworden. Dieser Gegenstand stellt eine Vorrichtung zum Messen der Wärmestrahlleistung dar, wobei das Fühlelement mit einer stabilisierten Geschwindigkeit im Wärmestrahl verschiebbar angeordnet ist. Diese Vorrichtung zum Messen der Wärmestrahlleistung kann auch für die Leistungsmessung von Laserstrahlen verwendet werden. Das Fühlelement ist dabei als stromleitender Faden oder als Streifen ausgebildet. Das Fühlelement kann dabei auch als stromleitender Faden zickzackförmig zwischen zwei sich gegenüberliegenden Scheiben gespannt sein. Diese Fühlerausführung schneidet den Laserstrahl bei jedem Umlauf zweimal.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, unter geringer Laserstrahlbeeinflussung und unter Verwendung von wenigen Detektoren eine Laserstrahlmeßvorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, eine Laserstrahlvermessung mit hoher örtlicher und hoher zeitlicher Auflösung in einem Gerät sowie eine Erfassung von schnellen Modenstrukturveränderungen durchzuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 13 gekennzeichnet.

Mit der erfindungsgemäßen Laserstrahlmeßvorrichtung ist eine Erfassung und Bewertung sowie mittels eines Rechners eine Nachführung von prozeßspezifischen Größen während des Bearbeitungsprozesses möglich, und zwar ohne diesen maßgeblich zu beeinflussen. Mit der Laserstrahlmeßvorrichtung meßbare Kenngrößen des Laserstrahls sind dabei die Modenstruktur, Strahlabmessung, Leistung und Divergenz sowie deren zeitliche Änderung.

In einer Weiterbildung der Laserstrahlmeßvorrichtung ist die Umdrehungsgeschwindigkeit des Nadelträgers und des Blendenrades veränderbar ausgeführt. Dadurch wird die zeitliche und örtliche Auflösung der Laserstrahlvermessung veränderbar. Die Laserstrahlmeßvorrichtung ermöglicht durch diese in weiten Bereichen veränderbaren Drehzahlen des Nadelträgers bzw. des Blendenrades eine hohe Flexibilität.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel und zwei Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Erzielung einer hohen zeitlichen Auflösung des Intensitätsprofils des Laserstrahls und

Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Strahlvermessung mit hoher örtlicher Auflösung des Laserstrahls.

Fig. 1 zeigt in Teildarstellung eine Prinzipskizze der Laserstrahlmeßvorrichtung. Um die Übersichtlichkeit zu wahren, wurde auf die Darstellung der konstruktiven Details des Gerätes verzichtet. Einem Laserstrahl 1 ist ein Nadelträger 2 zugeordnet. Auf dem Nadelträger 2 sind senkrecht stehend Nadeln 3 befestigt. Die Rotationsachse 4 des Nadelträgers 2 ist zur Achse des Laserstrahls 1 ebenfalls senkrecht angeordnet. Der Nadelträger 2 wird in eine Position gebracht, die bei Umdrehung des Trägers es den Nadeln 3 ermöglicht, den Laserstrahl 1 bei einer vollen Umdrehung jeweils zweimal zu durchlaufen bzw. zu schneiden. Der Antrieb des Nadelträgers erfolgt mit einem Motor, beispielsweise einem Synchronmotor. Der Radius zur Befestigung der Nadeln 3 auf den Nadelträger 2 gerechnet vom Mittelpunkt 14 des Nadelträgers ist derart groß bemessen, daß beim Durchgang der Nadel 3 durch den Laserstrahl 1 praktisch eine geradlinige Stahlabtastung erfolgt, d. h., daß die Krümmung beim Durchgang der Nadel durch den Strahl vernachlässigbar klein ausfällt.

Die Nadeln 3 sind auf den Nadelträger 2 ferner in einem derartigen Abstand zueinander auf einem Radius angeordnet, daß beim Umlauf des Nadelträgers 2 stets nur eine Nadel 3 den Laserstrahl 1 durchschneidet. Der Durchmesser der Nadeln 3 ist außerdem möglichst klein gehalten, um bei der zeitlichen Auflösung einen möglichst kleinen Zeitabschnitt zu erreichen.

Bei dem ersten Durchgang einer Nadel 3 durch den Laserstrahl 1, der in Fig. 1 dargestellt ist, wird dieser erste Nadeldurchgang zur Ermittlung der zeitlichen Auflösung des Intensitätsprofils des Laserstrahls 1 benützt. Zu diesem Zweck bewegt sich die Nadel 3 beim Durchlaufen des Laserstrahls 1 zwischen zwei Detektoren 5 und 6, die sich gegenüberliegend auf einer Geraden angeordnet sind. Bei diesem oberen Strahlendurchgang der Nadel wird ein Teil der Laserstrahlung in die Detektoren 5 und 6 gespiegelt. Damit können Intensitätsprofile entlang dieser Bahn mit einer Zeitdifferenz Δ t = d _N /v _N detektiert werden, wobei d _N der Durchmesser der Nadel ist und v _N die Umfangsgeschwindigkeit der Nadel ist. Mit dieser Anordnung können Modeninstabilitäten bis in den KHz- Bereich nachgewiesen werden. Eine derartige Messung schneller Modenstrukturänderungen bei einem Laserstrahl war mit den bisher bekannten Geräten überhaupt nicht möglich. Diese arbeiteten beispielsweise mit einer Drehfrequenz von 50 Hz für den Nadelträger, die nicht veränderbar war. Die Geschwindigkeit der Nadeln bzw. des Nadelträgers 2 ist dagegen in weiten Grenzen mit Hilfe des angeschlossenen Motors veränderbar.

Die beiden Diagramme in Fig. 1, in denen das Intensitätsprofil des Detektors 5 und des Detektors 6 über der Zeit aufgetragen ist, zeigen derartige Modeninstabilitäten. Die Anzeige dieser Modeninstabilitäten kann selbstverständlich auch über einen Rechner digital erfolgen, als Trigger wird dazu ein vierter Detektor 11 auf einer zum Laserstrahl 1 senkrechten Achse 12 angeordnet. Dieser vierte Detektor 11 kann außerdem zusätzlich zur Intensitätsprofilmessung entlang einer Achse senkrecht zum Laserstrahl und in Bewegungsrichtung der Nadel verwendet werden.

Die Detektoren 5 und 6, die einander gegenüberliegend auf einer Geraden angeordnet sind, können beide gleichzeitig seitlich auf weitere parallele Gerade verschoben werden. Diese Verschiebung ist nach links und rechts möglich, so daß damit jeder beliebige Punkt des Laserstrahls 1 mit der Nadel 3 durch die beiden Detektoren abgetastet werden kann.

Eine Steigerung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Nadelträgers führt zu einer hohen zeitlichen Auflösung. Die Geschwindigkeit des Nadelträgers 2 ist regelbar mit Hilfe des nicht dargestellten Motors zum Antrieb dieses Nadelträgers. Damit ist auch die zeitliche Auflösung der Laserstrahlvermessung veränderbar. Die seitliche Verschiebung der Detektoren 5 und 6 kann beispielsweise mit Hilfe eines Servomotors durchgeführt werden.

Neben der vorstehend beschriebenen Messung der zeitlichen Auflösung des Laserstrahls findet gleichzeitig eine Messung der örtlichen Auflösung des Laserstrahls statt. Der zweite Nadeldurchgang durch den Laserstrahl dient zur Ermittlung der örtlichen Auflösung des Strahls. Dazu ist bei dem unteren Nadeldurchgang ein auf einen dritten Detektor 7 fokussierender Konkavspiegel 8 vorgesehen. Zwischen dem Konkavspiegel 8 und dem dritten Detektor 7 ist ein Blendenrad 9 angeordnet. Dieses Blendenrad 9 wird ebenfalls von einem Motor wie beispielsweise Synchronmotor angetrieben, der der Übersichtlichkeit halber wie auch der Antriebsmotor für den Nadelträger nicht dargestellt ist. Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Blendenrades 9 ist dabei stets größer gehalten als die Umdrehungsgeschwindigkeit des Nadelträgers 2. Auch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Blendenrades 9 ist regelbar und kann so der Geschwindigkeit des Nadelträgers entsprechend angepaßt werden.

Die Blenden 10 in dem Blendenrad 9 sind schlitzförmig ausgeführt, siehe dazu Fig. 2. Durch fünf hochreflektierend ausgeführte Nadeln, die den Laserstrahl in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse schneiden, erfolgt eine annähernd lineare Abtastung des Laserstrahlquerschnittes. Aus Fig. 2 ist das Meßprinzip zur Strahlvermessung mit hoher örtlicher Auflösung ersichtlich. Der ausgekoppelte parallele Teilstrahl des Lasers wird mit Hilfe eines Konkavspiegels 8 auf den Detektor 7 fokussiert. Das sehr schnell rotierende Blendenrad erzeugt geradlinige Profilschnitte des Laserstrahls, wie sie in Fig. 2 unten in einer Prinzipdarstellung für den TEM 00 Mode mit Hilfe einer Rechnersimulation dargestellt sind. Durch die variablen Drehzahlen des Nadelträgers 2 und des Blendenrades 9 kann man die Anzahl der abgetasteten Bahnen und damit die Ortsauflösung variieren. Die Formel für ein Wegstück Δ x lautet:

wobei n _N die Drehzahl des Nadelträgers, n _B die Drehzahl des Blendenrades, D _N der Durchmesser des Nadelträgers und z _B die Blendenanzahl darstellt.

Zur Divergenzmessung des Laserstrahls 1 werden die Detektoren 5 und 11 eingesetzt. Dazu sind die Detektoren 5 und 11 ausgerichtet auf den Laserstrahl zueinander parallel und in der gleichen Ebene liegend angeordnet. Somit können mit den Detektoren 5 und 11 gleiche Bahnen des Laserstrahlquerschnittes vermessen werden. Bei genügend großer Modenstabilität kann auf Grund dieses zweifachen Strahlendurchganges der Nadel 3 eine Divergenzmessung vorgenommen werden.

Zum Schutz von Strahlungseinflüssen aus der Umgebung werden alle Detektoren 5, 6, 7 und 11 soweit wie möglich durch geeignete Maßnahmen abgeschirmt. Da Verschmutzungen der spiegelnden Oberflächen des Gerätes zu lokalen Verfälschungen der Meßergebnisse führen, wird das in den beiden Figuren nicht dargestellte Gehäuse der Laserstrahlmeßvorrichtung vor dem Eindringen von Staub durch Erzeugen eines Überdrucks in dem Laserstrahlmeßgerät gegenüber dem außen herrschenden Luftdruck geschützt.

Das Laserstrahlmeßsystem ist für einen Einbau in den horizontalen und vertikalen Laserstrahlengang vorgesehen. Die Justierung des Gerätes an seinem Einsatzort erfolgt auf optischem Wege, indem beispielsweise ein Laser mit Hilfe einer Nadel auf Strichplatten abgebildet wird.

Die örtliche Auflösung des Intensitätsprofils des Laserstrahls kann durch geeignete Maßnahmen noch erhöht werden. Neben der Abtastung durch den Detektor 7 können auch die sonst zur Messung der zeitlichen Auflösung vorgesehenen Detektoren 5 und 6 zur zusätzlichen örtlichen Auflösung des Laserstrahlquerschnittes herangezogen werden. Dazu werden die beiden Detektoren 5 und 6 seitlich gegeneinander versetzt, was beispielsweise mit Servomotoren geschehen kann, wodurch dann insgesamt drei Bahnen zur Abtastung des örtlichen Intensitätsprofils zur Verfügung stehen. Gleichzeitig kann damit auch der Strahlquerschnitt des Laserstrahls 1 ermittelt werden.

Claims (13)

1. Laserstrahlmeßvorrichtung für zur Bearbeitung von Werkstücken vorgesehene Hochleistungslaser, die während des Bearbeitungsprozesses mißt und die über einen durch einen Motor angetriebenen Nadelträger mit darauf angeordneten Nadeln verfügt, wobei die Nadeln die Achse des Laserstrahls bei einer Umdrehung des Nadelträgers senkrecht schneiden und den Nadeln Detektoren zugeordnet sind, die zur Ermittlung des zeitlichen und örtlichen Intensitätsprofils des Laserstrahls das von den Nadeln reflektierte Laserlicht erfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadeln (3) auf dem Nadelträger (2) derart angeordnet sind, daß jede Nadel (3) bei einer vollen Umdrehung des Nadelträgers (2) zweimal den Laserstrahl (1) schneidet,
daß dabei der eine Nadeldurchgang zur Ermittlung des zeitlichen und der andere Nadeldurchgang zur Ermittlung des örtlichen Intensitätsprofils des Laserstrahls dient, wobei zur Messung des zeitlichen Intensitätsprofils des Laserstrahls (1) sich die Nadeln (3) zwischen zwei sich auf einer Geraden gegenüberstehenden Detektoren (5, 6) bewegen und zur Messung des örtlichen Intensitätsprofils des Laserstrahls (1) den Nadeln ein dritter Detektor (7) zugeordnet ist.

2. Laserstrahlmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des örtlichen Intensitätsprofils des Laserstrahls (1) ein auf den dritten Detektor (7) fokussierender Konkavspiegel (8) vorgesehen ist und daß zwischen dem Konkavspiegel (8) und dem dritten Detektor (7) ein Blendenrad (9) angeordnet ist, daß ferner die Geschwindigkeit des Blendenrades (9) größer als die Geschwindigkeit des Nadelträgers (2) gehalten wird und daß schließlich den Nadeln (3) ein vierter Detektor (11) auf einer zum Laserstrahl (1) senkrechten Achse (12) zugeordnet ist.

3. Laserstrahlmeßvorrichtung nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit des Nadelträgers (2) und des Blendenrades (9) veränderbar ausgeführt ist, wodurch die zeitliche und die örtliche Auflösung der Laserstrahlvermessung veränderbar ist.

4. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich auf einer Geraden gegenüberstehenden Detektoren (5, 6) gleichzeitig seitlich verschiebbar angeordnet sind.

5. Laserstrahlmeßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen seitlichen Verschiebung der Detektoren (5, 6) ein Servomotor dient.

6. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (10) des Blendenrades (9) schlitzförmig ausgebildet sind.

7. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Nadeln (3) senkrecht auf dem Nadelträger (2) stehen und daß weiterhin die Rotationsachse (4) des Nadelträgers (2) zur Achse des Laserstrahls (1) senkrecht steht.

8. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadeln (3) auf dem Nadelträger (2) in derartigem Abstand angeordnet sind, daß beim Umlauf des Nadelträgers (2) stets nur eine Nadel den Laserstrahl (1) schneidet.

9. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Divergenzmessung des Laserstrahls (1) einer (5) der beiden Detektoren zur Messung des zeitlichen Intensitätsprofils sowie der vierte Detektor (11) vorgesehen und, ausgerichtet auf den Laserstrahl, zueinander parallele Detektionsrichtungen aufweisen und in der gleichen Ebene liegend angeordnet sind.

10. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des vierten Detektors (11) ein Triggersignal zum rechnergestützen Auswerten erzeugt wird.

11. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlmeßvorrichtung mit einem Gehäuse versehen ist, in dem ein Überdruck gegenüber dem außerhalb des Gehäuses herrschenden Luftdruck herrscht.

12. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (5, 6, 7, 11) gegen Einstrahlung aus der Umgebung abgeschirmt sind.

13. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Laserstrahlquerschnittes die zwei sich auf einer Geraden gegenüberstehenden Detektoren (5, 6) seitlich gegeneinander versetzbar ausgeführt sind.