DE2947071A1

DE2947071A1 - Anordnung zur praezisionsmaterialbearbeitung mittels laserstrahlen

Info

Publication number: DE2947071A1
Application number: DE19792947071
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl Ing Echtermeyer; Manfred Dipl Phys Dr R Poehler; Gisbert Dipl Phys Staupendahl
Original assignee: HALLE FEINMECH WERKE VEB; VEB KOMBINAT FEINMECHANISCHE WERKE HALLE
Current assignee: HALLE FEINMECH WERKE VEB; VEB KOMBINAT FEINMECHANISCHE WERKE HALLE
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1979-11-22
Publication date: 1980-07-10
Also published as: DD140117A1; GB2040074A; DD140117B1; GB2040074B

Description

Anmelder:

VEE Feinmechanische Werke Halle

402 Halle/S., Budolf-Breitscheid-Str

Anordnung zur Präzisionsmaterialbearbeitung mittels Laserstrahlen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Präzisionsmaterialbearbeitung mittels Laserstrahlen verschiedenster Werkstoffe und Arbeitsverfahren, wie Schneiden, Schweißen und Gravieren in vorgegebenen numerisch gesteuerten Bahnen und Konturen.

In der Zeitschrift Laser und Elektro-Optik, Heft 1/1975, S· 18 wird bereits der Einsatz der Laserstrahlen zur Bearbeitung von verschiedenen Materialarten beschrieben, bei der die Manipulation der Laserstrahlen auf den Ort der Materialbearbeitung erfolgt. Hierbei werden relative Bewegungen zwischen dem Laserstrahl und der zu bearbeitenden Werkstückebene ausgeführt. Der Nachteil dieser bekannten technischen Lösung besteht darin, daß bei der Präzisionsbearbeitung im Bereich von hundertstel Millimetern der Laser und die Laseroptik gemeinsam über das Werkstück bewegt werden muß und infolge der Massenträgheit dieser Aggregate nur verhältnismäßig geringe Bearbeitungsgeschwindigkeiten mit einen hohen Genauigkeitsgrad erzielt werden. Laser großer kontinuierlicher Ausgangsleistung weisen auch ein hohes Gewicht auf, wodurch die Präzisionsmaterialbearbeitung erschwert wird. Diesen Nachteil wird in der DD-PS 12? 550 dadurch begegnet, indem nur dia leichte Laseroptik mit hoher Geschwindigkeit über die Werkstückebene bewegt wird. Hierbei wird

030028/0572

-z-

zwischan dein Auskoppelfenstar des Lasers und dem Laserstrahl auf zwei an dar iPuhrungsinaschina angeordnete Umlenkspiegel ein justierbares Reflexionsspiegelpaar angeordnet, dessen ICr umia angsr a die η aufeinander abgestimmt sind. Die Spie ge Ige oma tr ie wild durch die Abstandsänderung der »Spiegel des Reflexionsspiegelpaares beeinflußt, liei dieser Laserschneideinrichtung ist eine Präzisionsbearbeitung hoher Reproduzierbarkeit nicht möglich, da beim Searbaitungsvoxgang infolge der Bewegungen permanent De Justierungen der Laserstrahlrichtungen auftreten. Aus der Dd-OS 2222668 sind Jus tier vorrichtungen von Laserspiegala bekannt, dia extern mit Mikrometerschrauben eingestellt werden, wobai 3 mm der jeweils 120° versetzte Justierpunkte auf Konusuiikrotaeterspindaln aina Justierung der Spiegel auf einer definierten Achse ermöglichen. Der Mangel diasar Anordnung besteht darin, daß neben der kostanintensiven Konstruktion eine ständige Nach justierung an der axialen ulikr oma tar schraube der Spiegel insbesondere bei der Priizisionsmaterialbearbeitung erforderlich ist. Alle diese bekannten Vorrichtungen besitzen den Nachteil, daß die Meßergebnisse, infolge einer bishex unkontrollierbaren Reflexionsstrahlung vom Werkstick auf die Meßwerke, verfälscht werden und demzufolge kain exaktar Ist-Wert-Soll-Wert-Vergleich angestellt werden kann.

Zwack der iärfindung ist die Schaffung einer Anordnung zur Präzisionsmaterialbearbeitung mittels Laserstrahlen, dia während des Betriebes sowohl eine Steigerung der Arbeitsproduktivität, als auch eine reproduzierbar hohe Bearbeitungsqualität garantiert.

Der ü&findung liagt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur numerisch gesteuerten Präzisionsmatarialbearbeitung mittels Laserstrahlen und mit einer beweglichen Bearbeitungsoptik ausgestattet, derart zu konzipieren, daß eine

Ö3ÖÖ28/0S72

hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit im hundertstel luillimetex-Genauigkeitsbereich erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird folgendermaßen gelöst: Über einer Bearbeitungsfläche ist eine Präzisionsführungseinrichtung, in der bekannten Bauart eines ouerträgersupportes, fahrbar angeordnet. Die Präzisionsführungseinrichtung enthält einen X- und einen Y-.\ntrieb, die mit einer numerischen Steuerung verbunden sind, ein Meßwerk II mit einer Meßlochblende und einem darunter angeordneten Laserschneidkopf, der etwa in 2 bis 3-facher Brennweite von der Laserschneidoptik entfernt ist. Das Meßwerk II ist durch eine XL·-Spannung mit einer Meßwartspannungseinrichtung verbunden. Außerhalb der Präzisionsführungseinrichtung befindet sich die Lasers trahlungsquelle mit ihrem teleskopischen System, ein Meßwerk I, das aus einem Umlenkmeßkörper und aus einem Meßkegel besteht, ein Steller I₁ ein automatisch verstellbarer Justiarspiegel und ein Steller II. Am Meßwerk I ist über eine U₂-Spannung die Meßwertspannungseinrichtung angeschlossen, die wiederum über einen Verstärker I, einen Reeler I mit einer Gxenzwexteinstellung und dorn .Stellar II korrespondiert. Am Regler I ist über eine externe Führungsspannung ein Vexstäxkex II mit dem Reglex II vexbunden, dex auch mit den Vexstäxkex I sowie mit dem Stellex I in Vexbindung steht. Dex Umlenkmeßköxpex ist an sainei ebenen Reflexionsfläche hochreflektierend vergütet, (iegenüber dex ebenen Reflexionsfläche ist unter einem Keilwinkel von 5° bis 17° eine gewölbte optisch abbildende Fläche angeordnet. Beim Betrieb der Anlage wird die Laserstrahlungsquelle, die mit dem teleskopischen System korrespondiert, exakt in Richtung der ersten Koordinate der Präzisionsfahrungseiorichtung gelenkt. Einer der Spiegel des teleakopischen Sys tames ist ebenfalls zusätzlich als Umlenkmeßkörper ausgebildet. Der hochreflektierende Teil der Laserstrahlung des Umlenkmeßkörpers reflektiert den Laserstrahl über den Umlenkspiegel,

030028/0572

durch die Meßlochblende zum Meßwerk II in den Laserschneidkopf. Der transmit tier ende Anteil der Laserstrahlung gelangt als Meßsignal in den Meßkegel und wird hier als U^- Spannung sowie als Ug-Spannung zur Meßwertspannungseinrichtung geführt. Das Meßsignal dient der Messung der Laserstrahlungsleistung während der Material bear bei tang und wird zusätzlich der Stabilisierung der Laserstrahlungsquelle verwendet, j&n Spiegel des teleskopischen Sys tames ist an einer Justier halterung befestigt, die in zwei senkrecht zueinander justierbaren Koordinaten über die steuerbaren Steller I und Steller II unabhängig voneinander einstellbar schwenkbar angeordnet ist. Störungen bei der Übertragung des hochreflektier erden !feiles der Laserstrahlung, dar Bewegung der Fräzisionsführungseinrichtung, der Leistungsschwankungan, der Strahlrichtungsänderungen und Netzspannungsschwankungen werden derart kompensiert, indem am Meßwerk I des Umlenkmeßkörpers und am Meßwerk II de zentrierende Strahlungsabschattungen an der Meßlochblende als Differenzwerte erfaßt werden und als Regelgrößen der dynamischen Nachjustage des automatischen Justier3piegels dienen.

Die Erfindung soll anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Ss zeigen*

Fig. 1s eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung,

Pig. 2s eine Draufsicht des steuerbaren Steilere,

Fig. 3s eine Seitenansicht nach Fig. 2 mit Koordinatensteller,

Fig. 4s eine Seitenansicht nach Fig. 2, spiegelseitig,

Fig. 5s einen Schnitt Fig. 2 des steuerbaren Stellers,

Fig. 6s einen Schnitt durch einen Umlenkmeßkörper .

030029/0572

-*- 2947Ü71

Jäin bekannbar .,uiar träger support ist als Pxäzisionsfühiungseinrichtung 38 aber einer Bearbeitungsflache 13 fahrbar angeordnet. Die Präzisionsfuhrungsainrichtang 38 enthält einen X-Antxieb 16 sowie einen Y-Anbrieb 15, die mit einex numerischen Steuerung Ϊ4 gekoppalt sind, ein Meßwerk II 12 mit einax Maßlochblende 21 und einen darunter angeordneten Laserschnaidkopf, dex etwa in zwei- bis dreifacher Brennweite von der Laserschneidoptik entfernt ist. Das Maßwerk II 12 ist durch eine XL·—Spannung 9 mit einex Meßwertspannungseinrichtung 3 verbunden. Außerhalb der Präzisionsführungseinrichtung 38 befindet sich die Laserstrahlungsquelle 1 mit ihrem telaskopischen System 2, ein ivießwerk I Il mit einem Umlankmeßkör-pex 36, das ainan Meßkegel 28 besitzt, ein Stellar I 17i ein automatisch vexsteilbarer Justierspiegel 22 und ein Steller II 18, Am Meßwerk I 11 ist über eine U₂-Spannung 10 dia Llaßwar tspannungseinrichtung J angeschlossen, die wiederum über ainan Verstärker I 4, einen Reglar I 6 mit einer Gxanzwarteinstellung 19 und dem Steller II 18 korrespondiert. Am Reglar I 6 ist über eine externe Führungsspannung 8 ain Versbarkar II 5 ^i t data Ragler II 7 verbunden, dar auch mit dem Verstärker I 4 sowie mit dem Staller I 17 in Verbindung steht. Der an einer Systemhalterung 35 schwenkbar befestigte UmIankmaßkörper 36 mit Kühlung 33 ist an seiner ebenan Reflexionsfläche 41 hochxeflektierend vergütet. Gegenüber der ebenan Raflaxionsfläche 41 ist unter einem Keilwinkel 42 von 5° bis 17° eine gewölbte optisch abbildende Fläche 40 angeordnet. Beim Betrieb der Anlage wird die Lasexstrahlungsquella Ί, die mit data taleskopischen System 2 korrespondiert, exakt in Richtung der ersten Koordinate dex Präzisionaführungseinrichtung 38 gelankt. Einer dar Spiegel des teleskopischen Sysbeiüies 2 ist ebenfalls zusätzlich als UmIenkmeßköxpex 36 ausgebildet, Dex hochxeflektiaxende Teil dax Laserstrahlung 25 des Umlenkmeßkörpers 36 reflektiert den Laserstrahl 27 über den Umlenkspiegel 20, durch die Meßlochblende 21 zum kleßwerk II 12 in dan Laserschneidkopf.

030028/0 572

Dar br anstait tier ende Anbau der Lasers ei ablung 26 gelangt als Meßsignal 29 in den Maßkegal 28 und wird hier als U₁-Öpannung 9 sowie als !^-Spannung 10 zui Maßwertspannungseinrichtung 3 geführt. Das Meßsignal 29 dient der iüassung der Lasers trahlungsleistung während der Materialbearbeitung und wird zusätzlich zur Stabilisierung der Lasarstrahlangsquelle i verwendet, täin Spiegel des teleskopischen Systeiaes 2 ist an einer Justierhalterung 39 befestigt, die in zwei senkrecht zueinander justierbaren Koordinaten 30 über die steuerbaren Steiler I 17 und Steller II *"|8 durch eine jünstelischraube 3^·, eine Hegelsignaleingabe 31 und einen steuerbaren Steller 24 unabhängig voneinander einstellbar schwenkbar angeordnet ist. Störungen bei der übertragung des hochreflektierenden Seiles der Laserstrahlung 25, der Bewegung der Präzisionsführungseinrichtung 38, der Leistungsschwankungan, der Strahlrichtungsänderungen sowie Netzspannungsschwankungan werden derart kompensiert, indem am Maßwerk I das Urnlankmeßkörpers 11 und an Meßwerk II 12, dezenbriarenda Strahlungsabschat tungen an der Ließlochblende 21 als Differenzwerte erfaßt werden und als Regelgrößen dar dynamischen Nachjustierung das automatischen Justiarspiegels 22 dienen. Für den Einsatz der Spektralanalyse wird während dar Bearbeitung dar Umlenlcaaßkörper 36 um 180° gedreht. Damit erhält dar Meßkegel 28 unverfälschte Werte des Reflaxionsanteilas des hochreflektierenden Teiles der Laserstrahlung 25 vom zu untersuchenden Werkstoff, wodurch Spektralanalysen auch an großflächigen Werkstoffen durchgeführt werden können. Die erfindungsgamäße Anordnung garantiert, infolge einer leichten, schnall arbeitenden und automatisch justierbaren Regelung der Richtung der Laserstrahlen 27, aina Steigerung dar Arbeitsproduktivität und ainam Genauigkeitsgrad bei der Präzisionsmaterialbearbeitung im Bereich von hundertstal Millimetern.

030028/0572

Claims

Patentanspruch:

Anordnung zur Pr U zisionsma bei ial be arbeitung mittels Laserstrahlen und öiner numerischen Steuerung der Koordinaten einer Präzisionsiübrungseinrichtung, wobei die Lasers tr ablu tigs quelle mit ihreu teleskopischen System außerhalb der liearbeitungsfläche angeordnet ist und der üochxeflektierende i'eil der Lasorstxahlung von der Lasers trat)lungscjuell6 übex umlenkspiegel in den Laserschneirikopi geleitet wird, ge kennzeichne t dadurch , daß ein Heßwerk I (11), ein Steller I (17), ein automatisch verstellbarer Justierspiegel (22) und ein dteller II (18) im Bereich der Lasers trab, lungsquelle (1) angeordnet sind und mit einem Meßwerk: II (12), das eine ueßlochblende (2I) enthält, und an der Präzisionsl'ühxungsainrichtung (38) arretiert ist, miteinander verknüpft über eine U.,-Spannung (9), eine IJeßwextspajinungseinrichtung (3) einen Verstärker I (4), einen Regler I (6), einer Grenzwerteinstellung (19) angeordnet sind, wobei am negier I (6) über eine externe l'ührungsspannung (8) ein Verstärker II (5) lait einem Regler Il (7) verbunden ist, der auch iait dem Verstärker I (4) sowie mit dem ütellar I (17) korrespondiert, daß gegenüber einer ebenen uei'lexionsf lache (41) eines Uialenkmeßkörpexs (36) unter einem Keilwinkel (42) von 5 bis 17° eine gewölbte optisch aboildende Fläche (40) angeordnet ist, die Umlenkmeßkörper (36) sowohl im Lleßwexk I (11), als auch im hießwerk II (12) verstellbar befestigt sind und daß am automatisch verstellbaren Justierspiegel (22) eine Justierhalterung (39) ^it den zwei senkrecht zueinandex justierbaren Koordinaten (30), dem Steller I (17) und den Steller II (18), mit einer Regelsignaleingabe (5Ό sowie mittels steuerbaren Steller (24) schwenkbar verbunden sind.

— 2 — 030028/0572

ORIGINAL INSPECTED
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch , daß der Umlenkmeßkörper (36) an einer um 180° schwenkbaren Systemhalterung (35) angeordnet ist.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

030028/05