Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Universität Erlangen-Nürnberg

Laserstrahlregulierung und Optikdiagnostik in der Strahlführung einer CO2-Hochleistungslaseranlage



Datum: 11.12.1992


Autor


Berichterstatter

  • Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr.h.c. M. Geiger
  • Prof. Dr. rer.nat J. Christiansen

Im Rahmen der Arbeit wurde die Leistungsfähigkeit neuer eigenentwickelter Sensorik- und Stelleinheiten zur Überwachung, Steuerung und Regelung der beiden Systemkomponenten Laserstrahl und Optik getestet und zur Regelung entscheidender Bearbeitungsparameter an einer CO2-Hochleistungslaseranlage eingesetzt. Das Gesamtkonzept zielt auf einen möglichst maschinennahen Einsatz und auf On-Line Fähigkeit. Die Laserstrahlregelung setzt sowohl Systeme zur Laserstrahlüberwachung als auch zur Steuerung der Laserstrahleigenschaften voraus. Mit einer Thermoelement-Sensorik, die den CO2-Hochleistungslaserstrahl im Randbereich mit Thermoelementen abtastet, sind Veränderungen der Laserstrahllage und der -divergenz mit Zeitkonstanten von wenigen Sekunden on-line erfassbar. Zur Korrektur der Laserstrahllage und des -radius wurden zwei unabhängig voneinander arbeitende optomechanische Stelleinheiten neu entwickelt. Mit diesem Regelsystem sind Abweichungen der Laserstrahlkenngrößen Strahllage und –radius vom vorher definierten Sollwert vollautomatisch nachregelbar. Der Einsalz des Gesamtsystems wurde an einer CO2-Laserstrahlschneidanlage ausführlichen Tests unterzogen. Die Überwachung des optischen Systems zielt in erster Linie auf die Erfassung der thermischen Belastung der Optiken. Der Schwerpunkt der Arbeiten lag dabei auf der Realisierung eines Messprinzips zur Optikdiagnose, das sich zum On-Line Einsatz eignet. Dieses beruht auf einem geometrisch-optischen Messverfahren, das für den Einsatz an transmissiven ZnSe-Optiken optimiert und erstmals in der Anwendung an einer CO2-Hochleistungslaseranlage getestet wurde. Mit dieser Linsensensonk wurden die wichtigsten Kenngrößen, die die Qualität und den Alterungszustand der Optik definieren, experimentell ermittelt. Die Untersuchungen wurden an Auskoppelfenstern, Strahlteilern und Fokussierlinsen durchgeführt, da diese im Betrieb besonders starken thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Für die Auswertung werden Strahldurchrechnungsalgorithmen (Raytracing) angewandt. Im Rahmen einer theoretischen Untersuchung wurden insbesondere der Einfluss der Linsenform, des mechanischen Auflagers und der Kühlung untersucht. Diese Simulationsergebnisse liefern wertvolle Zusatzinformation zu den Messergebnissen der Linsensensonk. Aus den grundlegenden Untersuchungen an verschiedenen Optiken wurde ein Konzept für die Integration des Messverfahrens in einen Bearbeitungskopf entworfen, das die Möglichkeit der On-Line Fokuslageregelung aufzeigt.