DE4006148A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die laserbearbeitung eines werkstueckes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Laserbearbeitung eines Werkstückes nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 und auf ein Verfahren für die Laserbearbeitung eines Werkstückes nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 18.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das technische Gebiet der Materialbearbeitung mittels eines Lasers, auf Verfahren der Lasermaterialbearbeitung und insbesondere auf ein Lasermaterialverarbeitungsgerät, das durch Modifizieren eines X-Y-Plotters aufgebaut werden kann. Letztlich bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen modifizierten Plotters.

Bei einem typischen computergesteuerten X-Y-Plotter, der ge­ legentlich auch als X-Y-Kurvenzeichengerät bezeichnet wird, wird ein Stift auf einem Zeichenbrett mittels eines Paares von Motoren positioniert. Insbesondere werden zwei aufeinan­ der senkrecht stehende Komponenten der Bewegung des Stiftes durch einen X-Motor und einen Y-Motor gesteuert.

Obwohl jeder dieser Motoren mit einer konstanten Geschwin­ digkeit angetrieben werden kann, ist es für den Fachmann er­ sichtlich, daß die Geschwindigkeit des Stiftes von der Qua­ dratwurzel der Summe der Quadrate der Motorgeschwindigkeiten abhängt. Daher bewirkt jegliche Veränderung der Geschwindig­ keit eines Motors in aller Regel eine Veränderung der Ge­ schwindigkeit des Stiftes. Ferner kann die Geschwindigkeit eines Motors nicht unmittelbar verändert werden, da eine Geschwindigkeitsänderung während eines Zeitintervalles ge­ schieht, welches von der Motorzeitkonstante abhängt.

Eine Geschwindigkeitsabweichung des Stiftes von einer ge­ wünschten Geschwindigkeit hat lediglich eine niedrige Be­ deutung, wenn der Plotter beispielsweise zum Zeichnen einer Kurve eingesetzt wird. Falls man jedoch ein Laserschneidege­ rät oder Lasergraviergerät durch Ersetzen des Stiftes durch eine Vorrichtung zum Bündeln von kohärenten Licht auf ein Werkstück aufbauen wollte, würde die Abweichung der Ge­ schwindigkeit zu einer entsprechenden Tiefenänderung des Einschnittes oder der Gravur in das Werkstück führen.

Ferner sei angemerkt, daß die Nebenprodukte bei der Laser­ materialbearbeitung gasförmige Verschmutzungen in Abhän­ gigkeit von dem Werkstück sind. Bislang wurde jedoch bei Plottern kein verschmutzungsfreier optischer Weg für das kohärente Licht vorgesehen, um eine Beschädigung der opti­ schen Elemente in dem Gerät zu verhindern.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vor­ richtung für die Laserbearbeitung eines Werkstückes der ein­ gangs genannten Art so weiterzubilden, daß ein zuverlässiges und kostengünstiges Laserbearbeitungsverfahren bzw. eine Vorrichtung für die kostengünstige und zuverlässige Laserbe­ arbeitung eines Werkstückes geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale und bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 18 durch die im kennzeichnenden Teil dieses Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß sie durch Modifikation eines computerge­ steuerten Plotters geschaffen werden kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vor­ richtung sich das kohärente Licht im Inneren eines im we­ sentlichen abgeschlossenen optischen Weges ausbreitet.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lasermaterial­ bearbeitungsvorrichtung liegt darin, daß diese eine im we­ sentlichen einheitliche Energiedichte pro Weglängeneinheit der Verarbeitung für das Werkstück liefert.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung breitet sich kohärentes Licht von einem Laser durch einen im wesentlichen geschlossenen optischen Weg innerhalb einer Schleife eines Riemens aus, der von einem X-Motor angetrie­ ben wird, sowie innerhalb einer Schleife eines Riemens, der von einem Y-Motor angetrieben wird. Das kohärente Licht wird aus dem geschlossenen Weg zu einer Linse abgelenkt, die die­ ses auf ein Werkstück fokussiert.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erzeugt ein Laser pulse eines kohärenten Lichtes in Reaktion auf einen bekann­ ten Wert der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der beiden aufeinander senkrecht stehenden Komponenten eines Versatzes oder Weges einer Linse, die einen Strahl auf ein Werkstück fokussiert.

Ein Lasermaterialprozessor gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Modifikation eines computergesteuerten Plotters aufgebaut werden. Optische Elemente des Prozessors sind in Wegstrecken enthalten, die vorzugsweise frei von Verschmut­ zungen mittels eines komprimierten Gases gehalten werden, das diese durchläuft. Der Prozessor kann bei Verfahren wie beispielsweise dem Gravieren oder Schneiden, dem Löten oder dem Ätzen eingesetzt werden.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine anteilige, schematische, perspektivische Dar­ stellung, teilweise in Schnittdarstellung, von Rie­ menantrieben und optischen Komponenten eines X-Y- Plotters, der zur Verwendung als Lasermaterialpro­ zessor gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung modifiziert ist;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des in Fig. 1 gezeigten Prozessors längs der Linie 2-2;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung des in Fig. 1 gezeigten Prozessors längs der Linie 3-3;

Fig. 4 eine Darstellung einer Linsenbefestigungsvorrich­ tung gemäß Fig. 3 längs der Linie 4-4;

Fig. 5a eine Darstellung einer Verbindung eines Gehäuses mit dem Rahmen des in Fig. 1 gezeigten Prozessors;

Fig. 5b eine Darstellung des Prozessors gemäß Fig. 2 längs der Linie 5-5;

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Steuersystems des Prozes­ sors gemäß Fig. 1;

Fig. 7 ein schematisches Diagramm der Ausbreitung von ko­ härentem Licht zu einem Werkstück in dem Prozessor gemäß Fig. 1; und

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung des Prozessors ge­ mäß Fig. 1.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung breitet sich kohärentes von einer Laserlichtquelle durch einen opti­ schen Weg aus, der im wesentlichen innerhalb von Schleifen von Riemen liegt, welche durch einen X-Motor und einen Y-Mo­ tor angetrieben werden. Das kohärente Licht wird von dem op­ tischen Weg abgelenkt und auf ein Werkstück fokussiert.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung erzeugt der Laser eine bekannte, konstante Pulszahl des kohärenten Lichtes pro Längeneinheit des Versatzes oder der Verschiebung einer Lin­ se, die das kohärente Licht auf das Werkstück fokussiert.

Wie in den Fig. 1, 5b, 2 und 7 gezeigt ist, beinhalten gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung optische Elemente des La­ sermaterialprozessors einen CO₂-Laser 10, der einen Strahl 12 aus gebündeltem, kohärenten Licht erzeugt. Gemäß alterna­ tiven Ausführungsformen kann entweder ein ND-YAG-Laser oder ein Eximer-Laser verwendet werden.

Der Strahl 12 breitet sich durch einen Kanal 14 durch dessen eingangsseitiges Ende 16 zu dem Ausgang des Lasers 10 aus. Insbesondere erstreckt sich der Strahl 12 zu einem Spiegel 18, der innerhalb des Kanales 14 in geeigneter Weise be­ festigt ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist innerhalb des Kanals 14 ferner ein Strahlformer 20 (Fig. 7) befestigt. Der Strahl­ former 20 erzeugt aufgrund eines Lichtstrahles von vorgege­ benem Durchmesser einen Lichtstrahl mit vergrößertem Durch­ messer. Bei abweichenden Ausführungsformen können andere Ar­ ten eines Strahlformers Einsatz finden. Strahlformer sind für Fachleute an sich bekannt. Die Bauweise und der Zweck des Strahlformers 20 wird nachfolgend erläutert.

Der Strahl 12 wird durch den Spiegel 18 zu dem Eingang des Strahlformers 20 reflektiert. In Reaktion auf den Strahl 12 erzeugt der Strahlformer 20 einen Strahl aus einem gebündel­ ten, kohärenten Licht. Der Strahl 22 breitet sich durch ein Ausgangsende 24 des Kanales 14 aus. Es sei angemerkt, daß der Durchmesser des Strahles oder Lichtbündels 22 größer als derjenige des Strahles oder Lichtbündels 12 ist.

Das ausgangsseitige Ende 24 ist mit einem Durchgang 26 in­ nerhalb einer Schleife eine X-Antriebsriemens 28 (nachfol­ gend als benachbart angeordnete X-Schleife bezeichnet) befe­ stigt. Ein Riemen 28 hat Zähne zur Eingriffnahme mit Zähnen eines Antriebsritzels 30 an einem Ende 32 der benachbart an­ geordneten X-Schleife. Ferner nehmen die Zähne des Riemens 28 Eingriff mit den Zähnen eines Leerlaufritzels 34 an einem Ende 36 der benachbart angeordneten X-Schleife. Nachfolgend wird die Befestigung bzw. Lagerung der Zahnräder 30, 34 er­ läutert.

Zwei Seiten und ein Boden des Durchgangs 26 werden durch ei­ nen Kanal 38 gebildet, der an seinen beiden Enden geschlos­ sen ist. Der Kanal 38 ist fest mit I-Balken 39 an dem Rahmen des Prozessors verbunden. Die Oberseite des Durchganges 26 wird durch einen Riemen 28 gebildet. Daher ist der Durchgang 26 im wesentlichen umschlossen. Die Verbindung des ausgangs­ seitigen Endes 24 mit dem Durchgang 26 erfolgt über ein Loch 40 in dem Kanal 38.

Ein Spiegel 42 ist fest mit dem Kanal 38 innerhalb des Durchganges 26 nahe des Loches 40 verbunden. Ferner ist ein Spiegel 44 innerhalb des Durchganges 26 an einer Oberseite 46 der benachbart angeordneten X-Schleife (Fig. 5b) be­ festigt. Daher ist der Spiegel 44 in der Richtung eines Pfeiles 48 sowie in der entgegengesetzten Richtung gemäß der Bewegung des Riemens 28 bewegbar. Da der Durchgang 26 im we­ sentlichen umschlossen ist, hält ein Fluß von komprimierten Gas durch diesen Durchgang, der in der nachfolgend erläuter­ ten Weise geschieht, die Spiegel 42, 44 frei von Verschmut­ zungen. Das Gas kann entweder Luft oder Sauerstoff oder ein Inertgas oder jedes andere geeignete Gas sein.

Der Strahl oder das Lichtbündel 22 erstreckt sich durch das Loch 40 zu dem Spiegel 42 und wird von diesem zu dem Spiegel 44 reflektiert. Da der Strahl 22 gebündelt ist, beeinträch­ tigt die Bewegung des Spiegels 44 nicht die Reflektion des Strahles 22.

Ein Durchgang 50, der dem Durchgang 26 ähnelt, liegt inner­ halb einer Schleife eines Y-Antriebsriemens 52 (welche nach­ folgend als Y-Schleife bezeichnet wird). Der Riemen 52 hat Zähne, die mit Zähnen eines Antriebsrades 54 am entfernten Ende 56 der Y-Schleife (Fig. 2) Eingriff nehmen. Ferner neh­ men die Zähne des Riemens 52 Eingriff mit Zähnen des Leer­ laufzahnrades 58 am benachbarten oder nahen Ende 60 der Y- Schleife. Die Zahnräder 54, 58 ähneln den bereits beschrie­ benen Zahnrädern 30, 34. Die Befestigung bzw. Lagerung der Zahnräder 30, 34 wird nachfolgend erläutert.

Wie in Fig. 5a gezeigt ist, werden eine Seite 63, eine Ober­ seite 66 und ein Boden 68 des Durchganges 50 durch einen Y-Kanal 62 gebildet, der an beiden Enden geschlossen ist. Ferner bildet eine Seite 70 der Y-Schleife eine Seite des Durchganges 50. Daher ist der Durchgang 50 im wesentlichen geschlossen.

Das zugewandte Ende 60 (Fig. 1 und 2) sowie der Boden 68 (Fig. 5a) sind von der Oberseite 46 durch einen Abstands­ halter 64 getrennt, durch den sich ein mittiges Loch 65 erstreckt. Ferner haben der Boden 68, die Oberseite 46 und der Abstandshalter 64 ein Paar von Löchern, die ausgerichtet sind, in denen Bolzen 71 angeordnet sind. Muttern 72 nehmen mit Gewindeenden der Bolzen 71 Eingriff, wodurch der Boden 68, die Oberseite 46 und der Abstandshalter 64 sämtlich mit­ einander verbunden sind. Daher können der Spiegel 44 und der Durchgang 50 in der Richtung des Pfeiles 48 sowie in der entgegengesetzten Richtung gemäß der Bewegung des Riemens 28 bewegt werden.

Der Boden 68 hat ein Loch 74, das mit dem Loch 65 ausgerich­ tet ist. In ähnlicher Weise hat die Oberseite 46 ein Loch 76, das mit dem Loch 65 ausgerichtet ist. Daher sind die Durchgänge 26, 50 mittels der Löcher 65, 74, 76 miteinander verbunden.

Ein Spiegel 78 ist fest mit dem Kanal 62 innerhalb des Durchganges 50 nahe des Loches 74 verbunden. Ferner ist ein Spiegel 80 innerhalb des Durchganges 50 mit der Seite 70 verbunden, wie dies nachfolgend erläutert wird. Daher ist der Spiegel 80 in der Richtung eines Pfeiles 82 sowie in der entgegengesetzten Richtung gemäß der Bewegung des Riemens 52 verbunden. Da der Durchgang 50 im wesentlichen umschlossen ist, hält ein Fluß von komprimierten Gas, der in der nach­ folgend erläuterten Weise erzeugt wird, die Spiegel 78, 80 frei von Verunreinigungen. Es sei angemerkt, daß die Rich­ tungen der Pfeile 48, 82 aufeinander senkrecht stehen.

Ein Strahl oder Lichtbündel 22 wird von einem Spiegel 44 durch Löcher 65, 74, 76 zu dem Spiegel 78 reflektiert. Fer­ ner wird ein Strahl 22 von dem Spiegel 78 zu dem Spiegel 80 reflektiert. Da der Strahl 22 gebündelt ist, beeinträchtigt die Bewegung des Spiegels 80 nicht dessen Reflexion.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist der Spiegel 80 auf einer Platte 84 befestigt, die sich durch ein Loch 86 in dem Seitenteil 70 erstreckt. Eine Stütze 85 ist einstückig mit einer Platte 84 ausgebildet und erstreckt sich von dieser. Eine Schraube 87 verbindet die Stütze 85 mit der Seite 70.

Eine V-Bahn 88 ist fest mit dem Boden 68 mittels einer Mehr­ zahl von Stützen 90 (von denen nur eine gezeigt ist) verbun­ den. Die V-Bahn 88 erstreckt sich im wesentlichen von einem Zahnrad 54 zu dem anderen Zahnrad 58 (Fig. 2). Die V-Bahn 88 trägt mit Kerben versehene Räder 92, 94.

Die mit Kerben versehenen Räder 92, 94 sind drehbar an den benachbarten Enden von Wellen 96, 98 angeordnet. Die Wellen 96, 98 haben mit einem Gewinde versehene entfernte Enden, die sich durch Löcher 100, 102 in der Platte 84 erstrecken. Muttern 104, 106 an entgegengesetzten Seiten der Platte 84 nehmen mit den Gewinden der Welle 96 Eingriff. Entsprechend sind Muttern 108, 110 an entgegengesetzten Seiten der Platte 84 angeordnet, wo sie mit Gewinden der Welle 98 Eingriff nehmen. Daher sind die Wellen 96, 98 fest mit der Platte 84 verbunden, wodurch die Platte 84 durch die Räder 92, 94 längs der V-Bahn 88 gemäß der Bewegung des Riemens 52 getra­ gen wird.

Außerhalb des Durchganges 50 bildet die Platte 84 den Boden eines Linsengehäuses 112 (Fig. 1). Wie die Platte 84 ist eine Oberseite 114 (Fig. 3) des Gehäuses 112 mit der Seiten­ wand 70 verbunden. Ein Spiegel 116 ist mit der Oberseite 114 verbunden.

Innerhalb des Gehäuses 112 hat die Platte 84 eine ringförmi­ ge Klammer 118, die eine Linse 120 trägt. Die Linse 120 hat eine Fokussierebene, an der ein Werkstück 122 angeordnet ist.

Der Spiegel 80 reflektiert den Strahl 22 zu Linsen 120 über einen Spiegel 116. In Reaktion auf den Strahl 22 verbreiten die Linsen einen fokussierten Strahl 124, der auf das Werk­ stück 122 gerichtet ist.

Wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, hat die Platte 84 eine Mehr­ zahl von Löchern 126, die sich durch diese erstrecken. Die Löcher 126 sind kreisförmig um die Achse der Linse 120 an­ geordnet. Eine Düse 128 ist mit der Platte 84 verbunden, liegt außerhalb des Gehäuses 112 und koaxial zu den Linsen 120. Wie nachfolgend erläutert wird, durchläuft ein kompri­ miertes Gas das Gehäuse 112 sowie die Durchgangslöcher 126, wodurch die Linsen 120 frei von Verschmutzungen gehalten werden. Das Gas wird durch eine Düse 128 auf das Werkstück 122 gerichtet.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein X-Motor 130 fest mit dem Rahmen des Prozessors mittels einer Klammer 132 gehalten. Der X-Motor 130 hat eine Welle 134, die sich durch ein Loch 136 erstreckt, sowie ein hierzu entgegengesetzt angeordnetes Loch (nicht dargestellt) durch den Kanal 38. Das Zahnrad 30 ist fest auf der Welle 134 befestigt.

Ein Riemen 138 bildet eine Schleife (nachfolgend als ent­ fernt angeordnete oder entfernte X-Schleife bezeichnet), welche Zähne aufweist, die mit Zähnen eines Antriebszahn­ rades 140 an einem Ende 142 der entfernten X-Schleife Ein­ griff nehmen. Ferner nehmen an einem Ende 144 der entfernten X-Schleife deren Zähne Eingriff mit Zähnen eines Leerlauf­ zahnrades 146. Die entfernte X-Schleife ist innerhalb eines Kanales 148 eingeschlossen, welcher einen Boden (nicht dar­ gestellt) aufweist, der fest mit den I-Balken 39 verbunden ist. Es sei angemerkt, daß die benachbart angeordneten und entfernt angeordneten X-Schleifen parallel zueinander ver­ laufen.

Eine Welle 134 erstreckt sich durch ein Loch 150 in dem Kanal 148. Innerhalb des Kanales 148 ist das Zahnrad 140 fest mit einer Welle 134 verbunden.

In ähnlicher Weise sind die Zahnräder 34, 146 beide auf einer Leerlaufwelle 152 befestigt, die sich durch Löcher (nicht dargestellt) in den Kanälen 38, 148 erstreckt. Da die Zahnräder 30, 140 fest auf der Welle 134 und da die Zahnrä­ der 34, 146 fest auf der Welle 152 befestigt sind, gibt die Bewegung der nahen X-Schleife um die Zahnräder 30, 34 dieje­ nige der entfernten X-Schleife 138 um die Zahnräder 140, 146 wieder.

Eine Oberseite 154 der entfernten X-Schleife liegt nahe an einer Oberseite 156 des Kanales 134. Ein Boden 68 ist mit der Oberseite 154 nahe des Endes 56 (Fig. 2) in geeigneter Weise verbunden. Daher bewegt sich der Kanal 62 in der Rich­ tung des Pfeiles 48 sowie in der entgegengesetzten Richtung gemäß der Drehung des X-Antriebes 130. Ferner bilden die Oberseiten 154 und 46 bewegbare Halterungen für den Kanal 62.

Eine weitere Halterung für den Kanal 62 wird durch eine V-Bahn 170 entsprechend der V-Bahn 88 gebildet. Die V-Bahn 170 liegt nahe an dem Kanal 148 parallel zu dem Riemen 138. Die V-Bahn 170 ist mit dem I-Balken 39 in geeigneter Weise verbunden.

Eine Winkelklammer 172 ist mit den Rändern 174 des Kanales 62 mittels Schrauben 176 verbunden. Ferner sind mit Kerben versehene Räder 178 (von denen eines dargestellt ist) dreh­ bar auf Wellen angeordnet, die fest mit der Klammer 172 ver­ bunden sind. Die Räder 178 werden durch die V-Bahn 170 ge­ führt. Die Räder 178 ähneln den bereits beschriebenen Rädern 92, 94.

Eine Winkelklammer 180, die der Klammer 172 ähnelt, ist mit einer Seite 63 in ähnlicher Weise verbunden, wie dies bei der Klammer 172 der Fall ist. In ähnlicher Weise wie die mit Kerben versehenen Räder 178 sind mit Kerben versehene Räder 182 (von denen eines dargestellt ist) mit der Klammer 180 verbunden. Die Räder 182 werden durch die V-Bahn 170 getra­ gen. Daher bildet die V-Bahn 170 eine bewegliche Halterung für einen Kanal 62, wenn sich dieser in Richtung des Pfeiles 48 sowie in der entgegengesetzten Richtung bewegt. Ein zu­ sätzliches Tragteil für den Kanal 62 wird durch eine V-Bahn 184 gebildet, die der B-Bahn 88 ähnelt. Eine V-Bahn 184 liegt nahe an dem Kanal 38 parallel zu dem Riemen 28. Eine V-Bahn 184 ist mit dem I-Balken 39 in einer geeigneten Weise verbunden.

Eine Winkelklammer 186, die der Klammer 172 ähnelt, ist mit Rändern 174 mittels Schrauben 188 verbunden. Ferner sind mit Kerben versehene Räder 190 (von denen eines dargestellt ist) drehbar auf Wellen befestigt, die fest mit der Klammer 186 verbunden sind. Räder 190 werden durch eine V-Bahn 184 ge­ tragen. Die Räder 190 ähneln den Rädern 92, 94, auf die be­ reits Bezug genommen wurde.

Eine Winkelklammer 192, die der Klammer 172 ähnelt, ist mit einer Seite 63 in einer Weise verbunden, die der Verbindung der Klammer 180 ähnlich ist. In einer ähnlichen Weise wie die mit Kerben versehenen Räder 182 sind die mit Kerben ver­ sehenen Räder 194 (von denen eines dargestellt ist) mit der Klammer 192 verbunden. Die Räder 194 werden durch V-Bahnen 184 getragen. Daher bildet die V-Bahn 184 eine bewegliche Halterung für einen Kanal 62, wenn sich dieser in der Rich­ tung des Pfeiles 48 sowie in der entgegengesetzten Richtung bewegt.

Ein Y-Motor 156 ist fest mit einer Befestigungsklammer 158 verbunden, die mit der Oberseite mittels vier Schrauben 160 (von den drei dargestellt sind) verbunden ist. Der Y-Motor 156 hat eine Welle 162, die sich durch ein Loch 164 in dem Kanal 62 (Fig. 2) erstreckt. Das Zahnrad 54 ist fest auf der Welle 162 befestigt. Daher entspricht die Bewegung der Lin­ sen 120 (Fig. 3 und 4) in der Richtung des Pfeiles 82 sowie in der entgegengesetzten Richtung der Drehung des Y-Motors 156.

Vorzugsweise ist eine Röhre 166 mit dem Durchgang 26 mittels eines Loches in dem Kanal 38 verbunden, in dem eine Buchse 168 geführt wird. Wenn das komprimierte Gas durch die Röhre 166 zugeführt wird, durchläuft es die Durchgänge 26, 50 im Inneren des Gehäuses 112 zu dem Werkstück 122 durch die Löcher 126 und die Düse 128. Das Gas hält die Spiegel 42, 44, 78, 80 und die Linsen 120 frei von Verunreinigungen.

Es sei angemerkt, daß der Durchmesser des Strahles 124 auf dem Werkstück 122 umgekehrt zum Durchmesser des Strahles 122 ist. Daher wird der Strahlformer 20 zum Reduzieren des Durchmessers des Strahles 124 auf das Werkstück 122 verwen­ det. Bei einer anderen Ausführungsform wird kein Strahlfor­ mer eingesetzt.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, besteht der Strahlformer 20 aus Linsen 196, 198, die axial mit den Strahlen 12, 22 ausge­ richtet sind. Die Linsen 196 haben eine kürzere Fokuslänge als die Linsen 98. Ferner sind die Linsen 196, 198 mit einem gegenseitigen Versatz angeordnet, der im wesentlichen der Summe ihrer Fokuslängen oder Brennweiten entspricht.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, kann der Prozessor in einer Kon­ sole enthalten sein, in die das Werkstück 122 einsetzbar und aus der dieses mittels eines Schubteiles 300 herausnehmbar ist. Ein Gebläse (nicht dargestellt) ist betätigbar, um Luft innerhalb der Konsole durch einen oberen Abschnitt derselben oberhalb des Werkstückes 122 zirkulieren zu lassen, wenn das Schubteil 300 geschlossen ist. Die Luft wird durch ein Fil­ ter 302 sowie über das Werkstück 122 durch eine Einlaßröhre 304 und eine Auslaßröhre 306 zirkulierend geführt.

Das Werkstück 122 ist auf einer Tragplatte 308 installiert, die innerhalb eines Gerätes 110 gehalten wird, das betätig­ bar ist, um die Tragplatte 308 in vertikaler Richtung zu be­ wegen, um das Werkstück 122 in die Brennebene der Linsen 120 zu bringen.

Die Konsole hat eine Oberseite mit einem Fenster 312, das aus Kunststoff besteht und bei der Wellenlänge des kohären­ ten Lichtes undurchlässig, jedoch ansonsten durchsichtig ist. Daher kann das Werkstück 122 während des Schneidens oder Gravierens durch eine Bedienungsperson beobachtet wer­ den. Die beobachtende Bedienungsperson kann beispielsweise ein Gerät 310 zum Einstellen der Entfernung zwischen dem Werkstück 122 und der Linse 120 während des Beobachtens einer Testbearbeitung des Werkstückes 122 betätigen.

Es wurde eine Lasermaterialbearbeitungsvorrichtung beschrie­ ben, bei der kohärentes Licht von einer Laserlichtquelle durch einen umschlossenen optischen Weg geschickt wird, aus diesem reflektiert und auf ein Werkstück fokussiert wird.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist gemäß einem zweiten Haupt­ aspekt der Erfindung eine Hauptsteuerung 200 mit einer X- Motor-Leistungssteuerung 202 und einer Y-Motor-Leistungs­ steuerung 204 durch Signalleitungen 206, 208 verbunden. Die X-Steuerung 202 und die Y-Steuerung 204 steuern jeweils die Drehung des X-Motores 130 und des Y-Motores 156.

Der X-Motor 130 verursacht in bekannter Weise inkrementale Bewegungen des Riemens 28 in Reaktion auf einen Puls auf der Leitung 206. In ähnlicher Weise bewirkt der Y-Motor 156 in an sich bekannter Weise inkrementale Bewegungen des Riemens 154 in Reaktion auf Pulse auf der Leitung 208.

Die Steuerung 200 ist ein Typ, wie er in einem X-Y-Plotter verwendet wird, um mittels eines X-Motores und eines Y-Moto­ res einen Stift gemäß einem Plotterprogramm zu bewegen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bewirkt die Steuerung 200 die Bewegung der Linsen 120 gemäß einem Verarbeitungs­ programm.

Die Steuerung 200 ist ferner mit einer Anzeige 210 durch Signalleitungen 212, 214 verbunden. Die Steuerung 200 er­ zeugt auf einer Leitung 212 eine digitale Signaldarstellung einer Bewegung des Riemens 28 (oder des X-Riemens 138). Ent­ sprechend erzeugt die Steuerung 200 auf der Leitung 214 eine digitale Signaldarstellung der Bewegung des Riemens 52. Die Leitungen 206, 208 sind ferner mit der Anzeige 210 verbun­ den. In Reaktion auf Signale von der Steuerung 200 erzeugt die Anzeige 210 eine Sichtanzeige des Fokussierungsortes, an dem die Linsen 120 den Strahl 124 auf dem Werkstück 122 fokussieren.

Die Steuerung 200 ist durch Leitungen 206, 208 mit einer Be­ rechnungseinheit 213 verbunden. Ferner sind eine Tasten­ fläche 214 und eine Programmauswahleinrichtung 216 mit der Einheit 213 durch eine Mehrzahl von Signalleitungen 218 bzw. eine Mehrzahl von Signalleitungen 220 verbunden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Anzahl der Pulse des kohärenten Lichtes pro Wegstrecke der Verschiebung des Strahles 124 gegenüber dem Werkstück 122 und die Dauer eines jeden Pulses gemäß einem von acht Laserpulsprogrammen über die Auswahleinrichtung 216 gewählt. Digitale Signaldarstel­ lungen der Parameter, die den Pulsprogrammen zugeordnet sind, werden durch die Tastenfläche 214 erzeugt und in der Einheit 213 gespeichert. Die Tastenfläche 214 ist an sich bekannt. Die Tastenfläche 214 wird zum Erzeugen der Pulspro­ gramme verwendet.

Die Tastenfläche 214 kann beispielsweise zum Erzeugen der nachfolgenden Pulsprogramme verwendet werden:

Wenn das Pulsprogramm Nummer 1 ausgewählt wird, erzeugt die Einheit 213 intern eine inkrementale Lagespannung propor­ tional zur Quadratwurzel der Summe der Quadrate einer Kom­ ponente der Bewegung der Linsen 120 in der Richtung des Pfeiles 48 und einer Komponente einer Bewegung der Linse 120 in der Richtung des Pfeiles 82 (Fig. 1). Wenn die inkremen­ tale Lagespannung proportional zu 0,001 Inch entsprechend 0,00254 cm ist, erzeugt die Einheit 213 einen Puls mit 50 Mikrosekunden Dauer auf der Ausgangssignalleitung 222. Da­ raufhin wird die inkrementale Lagespannung plötzlich auf Null Volt eingestellt, und es wird ein weiterer 50 Mikrose­ kunden-Puls in der beschriebenen Art erzeugt.

Die Leitung 222 ist mit dem Laser 10 verbunden. In Reaktion auf den 50-Mikrosekunden-Puls erzeugt der Laser 10 einen Strahl 12, der aus einem Puls von gebündeltem, kohärenten Licht von 50 Mikrosekunden Dauer besteht. Eine Einheit 213 kann in Abweichung hiervon angeordnet sein, um Pulse von einer konstanten Rate und Dauer dem Laser 10 zuzuführen.

Die Einheit 213 ist mittels einer Mehrzahl von Signallei­ tungen 226 mit der Anzeige 210 verbunden. In Reaktion auf die auf den Leitungen 226 erzeugten Signale bildet die An­ zeigeeinrichtung 210 eine Anzeige der ausgewählten Pulspro­ grammnummer sowie der Pulse pro Inch (2,54 cm) sowie der hierzu zugeordneten Pulsdauer.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die Programmauswahlvor­ richtung 216 eine Bank mit acht Schaltern 228, die mit dem Rahmen verbunden sind. Den Schaltern 228 ist jeweils eines der Pulsprogramme zugeordnet. Am Anfang der Ausführung eines Materialverarbeitungsprogrammes bewirkt die Steuerung 120, daß die Riemen 24, 158 das Gehäuse 112 bewegen, um für einen kurzen Moment einen der Schalter 128 zu schließen, der dem gewünschten Pulsprogramm zugeordnet ist. Das momentane Schließen von einem der Schalter 128 ist analog zu einer automatischen Auswahl eines Stiftes, bevor ein Computer des X-Y-Plotters ein Plotter-Programm ausführt. Die automatische Auswahl eines Stiftes ist für Fachleute bekannt.

Claims (22)

1. Vorrichtung für die Lasermaterialbearbeitung eines Werkstückes, mit
einer Linse (120), deren Brennebene dort liegt, wo das Werkstück angeordnet ist, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (28, 52) zum Bewegen der Linse (120) gemäß einem Materialbearbeitungsprogramm; und
eine Einrichtung (213) zum Zuführen von gebündeltem, kohärenten Licht zu der Linse in Reaktion auf eine bekannte Verschiebung derselben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen des Lichtes folgende Merkmale aufweist:
Eine Einrichtung (200) zum Erzeugen eines inkrementalen Lagesignales proportional zu einer Verschiebung der Linse; und
einen Laser (10), der mit dieser erzeugenden Einrichtung verbunden ist, welcher einen Puls des Lichtstrahls in Reaktion auf das Lagesignal erzeugt, welcher propor­ tional zu der bekannten Verschiebung ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (10) entweder ein CO₂-Laser oder ein ND-YAG-Laser oder ein Eximer-Laser ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen des Lichtes folgende Merkmale aufweist:
Einen X-Riemen (28), der betätigbar ist, um in einer X-Richtung und in einer hierzu entgegengesetzten Richtung bewegt zu werden;
einen X-Kanal (38), innerhalb dessen der X-Riemen (28) angeordnet ist, wobei der X-Kanal und der X-Riemen einen X-Durchgang (26) bilden, welcher ein Loch (40) hat, durch das der Lichtpuls empfangen wird, wobei der X-Ka­ nal mit dem Rahmen der Vorrichtung verbunden ist;
einen ersten X-Spiegel (42), der fest mit dem X-Kanal (38) innerhalb des X-Durchganges (26) verbunden ist, um das empfangene Licht zu reflektieren;
einen zweiten X-Spiegel (44), der mit dem X-Riemen (28) verbunden ist, wobei Licht von dem ersten X-Spiegel durch den zweiten X-Spiegel reflektiert wird;
einen Y-Riemen (52), der betätigbar ist, um in einer Y- Richtung und in einer hierzu entgegengesetzten Richtung bewegt zu werden, wobei die X-Richtung und die Y-Rich­ tung aufeinander senkrecht stehen;
einen Y-Kanal (62), innerhalb dessen der Y-Riemen (52) angeordnet ist, wobei der Y-Kanal und der Y-Riemen einen Y-Durchgang (50) bilden, wobei der Y-Kanal an seinem nahen Ende mit dem X-Riemen verbunden ist und wobei der X-Riemen und das nahe Ende des Y-Kanales im wesentlichen zueinander ausgerichtete Löcher aufweisen, durch die der X-Durchgang und der Y-Durchgang miteinander verbunden sind;
einen ersten Y-Spiegel (78), der fest mit dem Y-Kanal innerhalb des Y-Durchganges verbunden ist, wobei Licht von dem zweiten X-Spiegel (44) durch die ausgerichteten Löcher zu dem ersten Y-Spiegel reflektiert werden;
einen zweiten Y-Spiegel (80), der mit dem Y-Riemen (52) verbunden ist, wobei Licht von dem ersten Y-Spiegel zu dem zweiten Y-Spiegel reflektiert wird, wobei der Y- Durchgang (50) ein Loch aufweist, durch das von dem zweiten Y-Spiegel reflektiertes Licht den Y-Durchgang (50) zu der Linse (120) durchläuft.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Bewegen folgende Merkmale auf­ weist:
Ein X-Antriebsrad (30), das fest auf einer X-Antriebs­ welle (134) an einem Ende des X-Durchganges (26) befe­ stigt ist,
ein X-Leerlaufrad (34), das fest auf einer drehbaren X-Leerlaufwelle (152) an dem anderen Ende des X-Durch­ ganges (26) befestigt ist, wobei der X-Riemen (28) in einer X-Schleife angeordnet ist, wobei Zähne des X-Rie­ mens mit Zähnen der X-Räder Eingriff nehmen; und
eine X-Antriebseinrichtung (130, 202) zum Drehen der X-Antriebswelle (134) gemäß dem Verarbeitungsprogramm.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zum Bewegen folgende Merkmale aufweist:
Ein Y-Antriebsrad (54), das fest auf einer Y-Antriebs­ welle (164) an einem Ende des Y-Durchganges (50) befe­ stigt ist;
ein Y-Leerlaufrad (58), das fest auf einer drehbaren Welle am anderen Ende des Y-Durchganges (50) befestigt ist, wobei der Y-Riemen in einer Y-Schleife angeordnet ist, wobei Zähne des Y-Riemens mit Zähnen der Y-Räder Eingriff nehmen; und
eine Y-Antriebseinrichtung (156, 204) zum Drehen der Y-Antriebswelle gemäß dem Verarbeitungsprogramm.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekenn­ zeichnet durch eine Einrichtung (166) zum Erzeugen eines Flusses von komprimiertem Gas durch die Durchgänge zu dem Werkstück.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine koaxial zu der Linse (120) angeordnete Düse (128) , wobei das Gas durch die Düse zu dem Werkstück fließt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gas Luft oder Sauerstoff oder Inertgas umfaßt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekenn­ zeichnet durch einen Strahlformer (20), der Licht empfängt und dieses zu dem ersten X-Spiegel (42) als im wesentlichen gebün­ deltes Licht zuführt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, gekenn­ zeichnet durch eine Einrichtung (213, 214, 216) zum Auswählen der be­ kannten Dauer und der bekannten Verschiebung.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, gekenn­ zeichnet durch eine Einrichtung (210) zum Erzeugen einer Anzeige des Ortes der Fokussierung des Lichtes auf dem Werkstück, der bekannten Dauer und der bekannten Verschiebung.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekenn­ zeichnet durch eine Einrichtung (302, 304, 306) zum Zirkulieren von ge­ filterter Luft oberhalb des Werkstückes.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekenn­ zeichnet durch eine Einrichtung (308, 310) zum Einstellen des Abstandes der Linse von dem Werkstück.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekenn­ zeichnet durch eine Konsole, auf der die Linse (120) angeordnet ist, wobei die Konsole ein Schubteil (300) aufweist, in dem das Werkstück angeordnet ist, wobei das Schubteil inner­ halb der Konsole und die Einrichtung (308, 310) zum Ein­ stellen betätigbar sind, wenn das Schubteil (300) ge­ schlossen ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Konsole ein Oberteil (312) aufweist, das aus ei­ nem Material besteht, das bei der Wellenlänge des kohä­ renten Lichtes undurchlässig ist, wobei das Oberteil ei­ nen Blick auf das Werkstück ermöglicht.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekenn­ zeichnet durch eine Einrichtung (302, 304, 306) zum Zirkulieren von ge­ filterter Luft innerhalb der Konsole oberhalb des Werk­ stückes.

18. Verfahren für die Laserbearbeitung eines Werkstückes,
mit dem Verfahrensschritt des Vorsehens einer Linse, de­ ren Brennebene dort liegt, wo ein Werkstück angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Bewegen der Linse gemäß einem Laserverarbeitungspro­ gramm; und
Zuführen eines Pulses eines gebündelten kohärenten Lichtes von bekannter Dauer zu der Linse in Reaktion auf eine bekannte Verschiebung der Linse.

19. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Erzeugen von inkrementalen Lagesignalen eines bekannten Wertes in Reaktion auf eine vorbestimmte Verschiebung der Linse; und
Erzeugen des Pulses von Licht in Reaktion auf das inkrementale Lagesignal.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verfahrensschritt des Zuführens von Licht das Zuführen desselben durch einen geschlossenen Durchgang umfaßt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, gekenn­ zeichnet durch den Verfahrensschritt des Durchführens eines kompri­ mierten Gases durch den Durchgang zu dem Werkstück.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, gekenn­ zeichnet durch den Verfahrensschritt des Zirkulierens eines Flusses von gefilterter Luft oberhalb des Werkstückes.