DD268773B1

DD268773B1 - LASER BEAM MEASURING DEVICE FOR HIGH PERFORMANCE LASER

Info

Publication number: DD268773B1
Application number: DD31283588A
Authority: DD
Inventors: Albert Dr-Ing Maslov; Georg Dr-Ing Siegmund
Original assignee: Zentralinstitut Fuer Festkoerp
Priority date: 1988-02-11
Filing date: 1988-02-11
Publication date: 1993-02-04
Also published as: DD268773A1

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Lasertechnik. Ihre Anwendung ist möglich und zweckt ibßig für die Messung der Leistungs- und Energiedichteverteilung im Querschnitt eines Laserstrahles zum Schweißen, Schneiden, Oberflächenbehandlung und dergleichen.The invention relates to the field of laser technology. Their application is possible and useful for measuring the power and energy density distribution in the cross section of a laser beam for welding, cutting, surface treatment and the like.

Bekannt ist (Firmenschrift »Laser Beam Analysator" der Firma All, BRD) eine Laserstrahlmeßvorrichtung, bei der eino von einem Synchronmotor angetriebene Nadel mit einer hochreflektierenden Oberfläche senkrecht zum Laserstrahl rotiert. Die Nadel bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit. Der reflektierte Anteil des Laserstrahles wird von zwei Detektoren verstärkt. Die beiden Detektoren sind von I land translatorisch begrenzt einstellbar. Die Darstellung des Intensitätsprofils erfolgt in den x- und y-Achsen auf einem Oszillator. Nachteilig ist dabei die translatorische Verschiebung der Detektoren infolge der geradlinigen Detektorführung, der hohe Darstellungsaufwand durch die geradlinige Verschiebung der Meßeinrichtung zum Gehäuse und die durch den Handantrieb bedingten langen Abtastzeiten.A laser beam measuring device in which a needle driven by a synchronous motor rotates with a highly reflecting surface perpendicular to the laser beam is known (company publication "Laser Beam Analyzer" from All, Germany) .The needle moves at a constant speed The intensity of the intensity profile is displayed in the x- and y-axes on an oscillator, the disadvantage being the translational displacement of the detectors due to the rectilinear detector guidance, the high display effort due to the rectilinear displacement of the measuring device to the housing and caused by the manual drive long sampling times.

Ziel der Erfindung ist es, die translatorische Verschiebung der Detektoren zu beseitigen, den Herstellungsaufwand zu senken und die Abtastzeiten zu verkürzen.The aim of the invention is to eliminate the translational displacement of the detectors, to reduce the production cost and to shorten the sampling times.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserstrahlmeßeinrichtung zu schaffen, die keine geradlinige Sensorführung und keinen Handbetrieb aufweist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß drehbar um eine Rotationsachse des Nadelträgers, der mit zwei in Richtung des Laserstrahles überein3n'-Hr angeordneten Nadeln bestückt ist, mindestens ein Sensor angeordnet ist, vor jedem Sensor zwei Spaltblenden, deren Spalte rechtwinklig zueinander stehen, angebracht sind und der Nadelträger gegenüber den Nadeln mit einer Ausgleichsmasse versehen ist.The invention has for its object to provide a laser beam, which has no linear sensor guide and no manual operation. According to the invention the object is achieved in that rotatably mounted about a rotational axis of the needle carrier, which is equipped with two arranged in the direction of the laser beam überein3n'-Hr needles, at least one sensor is arranged in front of each sensor two slit diaphragms whose column are perpendicular to each other, attached are and the needle carrier is provided opposite the needles with a leveling compound.

Zweckmäßigerweise ist der Nadelträger mit zwei in Richtung des Laserstrahles übereinander angeordneten Nadeln versehen, deren freie Enden zwecks Schwingungsdämpfung miteinander verbunden sind. Vorteilhafterweise ist die untere Nadel mit einem abschirmenden Profil versehen, um den Sensor vor den von der Bearbeitungsfläche reflektierten Wärmestrahlen zu schützen. Eine Variante der Erfindung sieht vor, daß mehrere Sensoren konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet sind. Zweckmäßig ist es, daß die Sensoren mit den Blenden in Kugelgelenken einstellbar befestigt sind. Das gestattet, die aktive durch die Blenden begrenzte Fläche jedes Sensors zu dem von der Nadel reflektierten Strahl optimal einzustellen. Auf diese Weise wird die geometrisch bedingte Verzerrung der registrierten Strahlintensität ausgeglichen, die infolge des Unterschieds zwischen Laserstrahl und Sensordurchmesser als auch der asymmetrischen Anordnung des Sensors zum Querschnitt des Laserstrahles entsteht. Vorteilhaft ist es, daß die Sensoren mit einem elektromechanischen Antrieb versehen sind. Eine weitere Variante der Erfindung besteht darin, daß den Sensoren je ein Stellungsdetektor und der Nadel ein weiterer Stellungsdetektor zur Erfassung der Stellung zugeordnet sind. Vorzugsweise ist als Ausgleichmasse ein exzentrischer Hohlzylinder angeordnet. Der Sensor wird langsam auf einer Kreisbahn und gegen die Richtung der Nadelbewegung bewegt. Äquivalenten Sensorpositionen auf dieser Bahn sind annähernd parallel verlaufende Abtastbahnen auf dem Laserstrahlquerschnitt zugeordnet. Der Sensor kann manuell in die gewünschte Position gebracht werden, wodurch die Beobachtung der zeitlichen Konstanz des Intensitätsprofils entlang der zugeordneten Abtastlinie möglich wird. Mit dem elektromechanischen Antrieb des Sensors ist die schnelle Abtastung des Laserstrahlquerschnitts in Form eines Linearrasters möglich. Der Sensor wird dabei kontinuierlich entlang der Kreisbahn bewegt und so gesteuert, daß an bestimmten Positionen die Auswertung des von der Nadel entlang dar Profillinie reflektierten Signals erfolgt. Der Abstand der Positionen bestimmt die Ortsauf lösung in der einen Koordinate, während sie in der anderen Koordinate von der Nadelgeometrie bestimmt wird. Die zeitliche und damit örtliche Zuordnung der einzelnen aufgenommenenThe needle carrier is expediently provided with two needles arranged one above the other in the direction of the laser beam, whose free ends are connected to one another for the purpose of vibration damping. Advantageously, the lower needle is provided with a shielding profile to protect the sensor from the reflected heat rays from the processing surface. A variant of the invention provides that a plurality of sensors are arranged concentrically to the axis of rotation. It is expedient that the sensors are mounted adjustable with the panels in ball joints. This allows to optimally adjust the active aperture area of each sensor to the beam reflected by the needle. In this way, the geometrically induced distortion of the registered beam intensity is compensated, which arises as a result of the difference between the laser beam and the sensor diameter and the asymmetrical arrangement of the sensor to the cross section of the laser beam. It is advantageous that the sensors are provided with an electromechanical drive. A further variant of the invention consists in that the sensors are each assigned a position detector and the needle a further position detector for detecting the position. Preferably, an eccentric hollow cylinder is arranged as a balancing mass. The sensor is moved slowly on a circular path and against the direction of needle movement. Equivalent sensor positions on this path are assigned approximately parallel scan paths on the laser beam cross section. The sensor can be manually set to the desired position, thereby allowing observation of the temporal constancy of the intensity profile along the associated scan line. With the electromechanical drive of the sensor, the fast scanning of the laser beam cross-section in the form of a linear grid is possible. The sensor is thereby moved continuously along the circular path and controlled so that at certain positions, the evaluation of the signal reflected by the needle along the profile line takes place. The spacing of the positions determines the spatial resolution in one coordinate, while in the other coordinate it is determined by the needle geometry. The temporal and thus local assignment of the individual recorded

Prufilliniensignale zueinander sichert das von der Nadelbewegung mittels zusätzlicher Stellungsdetektoren abgeleitete Triggersignal. Die Abtastsignale werden üdo. «Ine analoge Signalverarbeitungselektronik einem Speicheroszilloskop zugeführt und bilden auf dem Bildschirm sofort eine qunsiräumliche Darstellung de« Leisti ngsdichteprofils innerhalb des Lasurstrahlquerschnitts ab.Prufilliniensignale each other ensures the derived from the needle movement by means of additional position detectors trigger signal. The scanning signals become üdo. "Analogue signal processing electronics are fed to a storage oscilloscope and immediately display a qunsiraumliche representation of the power density profile within the glaze beam cross section on the screen.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Beispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention will be explained in more detail below by means of an example. In the accompanying drawings show

Fig. 1: eine perspektivische Darstellung der Laserstrahlmeßeinrichtung Fig. 2: eine Darstellung des geometrischen Zusammenhanges.Fig. 1: a perspective view of the laser beam measuring Fig. 2: a representation of the geometric relationship.

Der Grundkörper besteht aus einem Rohr mit Flansch und ist im Gerätegehäuse befestigt. Im Inneren des Rohres des Grundkörpers 1 ist ein Gleichstrom-Mikromotor 2 eingeordnet, mit dessen Welle ein Nadelträger 3 verbunden ist, der das Rohr des Grundkörpers 1 nach einer Seite abschließt. Im Nadelträger 3 sind in Richtung des Laserstrahles 4 übereinander zwei Nadeln 5 und 6 angebracht. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität im Nadelträger 3 sind die übereinander angebrachten Nadeln δ, β an ihren freien Enden mit einem Dämpfungsglied 7 spielfrei verbunden, wobei die Nadel 5 im Sitz des Dämpfungsgliedes 7 eine thermische Ausdehnung gestattet. Die Nadel 6 ist auf ihrer Unterseite plangeschliffen, so daß ein kreisförmiger Querschnitt mit Abflachung entsteht. Gegenüber den Nadeln 5 und 6 ist im Nadelträger 3 als Ausgleichsmasse 8 ein exzentrischer Hohlzylinder angeordnet. Auf dem Rohr/auf der anderen Seite des Flansches des Grundkörpers 1, sind zwei Halterungen 9 und 10 in Kugellagern 11 drehbar um die Rotationsachse 12 des Nadelträgers 3 gelagert. An den Halterungen 9, 10 sind je ein Sensor 13 und 14 in einem Kugelgelenk allseitig einstellbar befestigt. Vor den Sensoren 13,14 sind je zwei Spaltblenden 15 und 16, deren Spalte rechtwinklig zueinander stehen, angeordnet. Die Halterungen 9,10 und damit die Sensoren 13,14, sind je über ein Schneckengetriebe 17 durch einen Gleichstrommotor-Mikromotor 18 oder von Hand mittels eines Drehelementes 19 auf einer Kreisbahn vom Radius 2 R₂ schwenkbar. Am Flansch des Grundkörpers 1 sind je zwei Stellungsdetektoren 20, von denen nur einer in der Zeichnung sichtbar ist, zur Erfassung der Stellung der Sensoren 13,14 und ein Stellungsdetektor 21 zur Erfassung der Stellung der Nadeln 5, β angebracht. Die Laserstrahlmeßeinrichtung wird so justiert, daß der Mittelpunkt der Laserstrahlquerschnittsfläche vor der Rotationsachse 12 den Abstand 1, hat. In Fig. 2 ist der Rotationsmittelpunkt der Nadeln 5,6 mit 0 bezeichnet. Senkrecht durch diesen verläuft die Rotationsachse 12 (Fig. 1}. Der Punkt O, der Mittelpunkt der in der x-y-Ebene projizierten aktiven Fläche 5 des Sensors 13,14 und der vor der Nadel 5 reflektierte Bildpunkt P bilden das rechtwinklige Dreieck OPS. Es liegt innerhalb eines Kreises vom Radius R₂, dessen Mittelpunkt M sich in der Hälfte der Strecke OS befindet. Von der Anfangsstellung Sa der Sensoren 13,14 bis zur Endstellung S_E verschiebt sich der Mittelpunkt des das Dreieck OPS umschließenden Halbkreises von Ma über M zu Me. Den Sensorpositionen auf der Kreisbogenbahn vom Radius 2 R₂ zwischen den Punkten Sa und Se sind annähernd parallel verlaufende Abtastbahnen auf der Lasecstrahlquerschnittsfläche vom Radius R₂ äquivalent.The basic body consists of a tube with flange and is fixed in the device housing. Inside the tube of the main body 1, a DC micromotor 2 is arranged, with the shaft of a needle carrier 3 is connected, which closes the tube of the base body 1 to one side. In the needle carrier 3, two needles 5 and 6 are mounted one above the other in the direction of the laser beam 4. To increase the mechanical stability in the needle carrier 3, the superposed needles δ, β are connected without play at their free ends with an attenuator 7, wherein the needle 5 in the seat of the attenuator 7 allows thermal expansion. The needle 6 is ground flat on its underside, so that a circular cross section with flattening arises. Compared with the needles 5 and 6, an eccentric hollow cylinder is arranged in the needle carrier 3 as a balancing mass 8. On the tube / on the other side of the flange of the base body 1, two brackets 9 and 10 are mounted in ball bearings 11 rotatably about the axis of rotation 12 of the needle carrier 3. On the brackets 9, 10 are each a sensor 13 and 14 attached in all directions adjustable in a ball joint. In front of the sensors 13,14 are each two slit panels 15 and 16, whose columns are perpendicular to each other, arranged. The brackets 9,10 and thus the sensors 13,14 are each about a worm gear 17 by a DC motor microengine 18 or by hand by means of a rotary member 19 on a circular path of radius 2 R ₂ pivotally. At the flange of the base body 1 are each two position detectors 20, of which only one is visible in the drawing, for detecting the position of the sensors 13,14 and a position detector 21 for detecting the position of the needles 5, β attached. The laser beam measuring device is adjusted so that the center of the laser beam cross-sectional area in front of the axis of rotation 12 has the distance 1 ,. In FIG. 2, the center of rotation of the needles 5, 6 is denoted by 0. Perpendicular to it runs the axis of rotation 12 (Figure 1) The point O, the center of the xy-plane projected active area 5 of the sensor 13,14 and the pixel P reflected in front of the needle 5 form the right-angled triangle OPS lies within a circle of radius R ₂ whose center M is in the half of the distance OS From the initial position Sa of the sensors 13, 14 to the end position S _E , the center of the semicircle enclosing the triangle OPS shifts from Ma to M Me. The sensor positions on the circular arc path of radius 2 R ₂ between the points Sa and Se are approximately parallel scan paths on the Lasecstrahlquerschnittsfläche the radius R ₂ equivalent.

Wenn die Nadeln 5,6 mit einer Drehgeschwindigkeit ω rotieren, so beschreibt der reflektierte Bildpunkt P der Nadel 5 einen Kreisbogen mit dem Radius R₂ und bewegt sich mit der GeschwindigkeitWhen the needles 5, 6 rotate at a rotational speed ω, the reflected pixel P of the needle 5 describes a circular arc with the radius R ₂ and moves at the speed

V = (UiR₂ = 2<i)R₂,V = (UiR ₂ = 2 <i) R ₂ ,

die aus der Betrachtung des Dreiecks OPM abgeleitet ist. Der Sensor kann manuell, mit Hilfe des Drehelementes 19, in jede mögliche Position gebracht werden, wodurch die Beobachtung der zeitlichen Konstanz des Instensitätsprofils entlang der zugeordneten Abtastlinie ermöglicht wird. Mittels des Gleichstrom-Mikromotors 18 ist die schnelle Abtastung der gesamten Laserstrahlquercchnittsfläche in Form eines Linearrasters möglich. Durch den Antrieb wird der Sensor kontinuierlich auf der Kreisbogenbahn vom Radius 2R₂ bewegt. Vom Sensorantrieb gesteuert, ei folgt an bestimmten Sensorpositionen S die Auswertung des von der Nadel 5 entlang der entsprechenden Profillinie reflektierten Signals. Der Abstand dieser Position bestimmt die Ortsauflösung in der einen Koordinate, während sie in der anderen Koordinate von der NadHgeometrie bestimm! wird.which is derived from the consideration of the triangle OPM. The sensor can be manually placed in any position by means of the rotary member 19, thereby enabling observation of the temporal constancy of the instability profile along the associated scan line. By means of the DC micromotor 18, the rapid scanning of the entire laser beam cross-sectional area in the form of a linear grid is possible. Due to the drive, the sensor is continuously moved on the arc of the radius 2R ₂ . Controlled by the sensor drive, ei follows at certain sensor positions S, the evaluation of the reflected signal from the needle 5 along the corresponding profile line signal. The distance of this position determines the spatial resolution in the one coordinate, while in the other coordinate of the NadHgeometrie determine! becomes.

Die zeitliche und damit örtliche Zuordnung der einzelnen aufgenommenen Profilliniensignale zueinander sichert ein von der Nadelbewegung mittels eines zusätzlichen Stellungsdetektors 21 abgeleitetes Triggersignal. Die erhaltenen Abtastsignale werden über eine analoge Signalverarbeitungselektronik einem Speicheroszilloskop zugeführt und orzeugen auf diesem sofort eine quasiräumliche Darstellung des Leistungsdichteprofils innerhalb der Laserstrahlquerschnittsfläche.The temporal and thus local assignment of the individual recorded profile line signals to one another ensures a trigger signal derived from the needle movement by means of an additional position detector 21. The obtained scanning signals are fed via an analog signal processing electronics to a storage oscilloscope and onzeugzeugen on this immediately a quasi-spatial representation of the power density profile within the laser beam cross-sectional area.

Claims

1. Lasers'irahlmeßeinrichtung for high-power laser, based on the principle of the rotating needle, characterized in that rotatable about an axis of rotation (12) of the needle carrier (3) with two in the direction of the laser beam (4) arranged one above the other needles (5,6 ), at least one sensor (13) is arranged, in front of each sensor (13) has two slit diaphragms (15,16) whose columns are perpendicular to each other, and the needle carrier (3) with respect to the needles (5,6) with a balancing mass (8) is provided.

2. Strahlmeßeinrichtung according to claim 1, characterized in that the superposed needles (5,6) are interconnected at their free ends.

3. Laserstrahlmeßoinrichtung according to claim 1 and 2, characterized in that the lower needle (6) is equipped with a shielding profile.

4. Laserstrahlmeßeinrichtung according to claim 1, characterized in that a plurality of sensors (13, 14) are arranged concentrically to the axis of rotation (12).

5. Laserstrahlmeßeinrichtung according to claim 1, characterized in that the sensors (13,14) are adjustably mounted in ball joints.

6. Laserstrahlmeßeinrichtung according to claim 1,4 and 5, characterized in that the sensors (13,14) are provided with an electromechanical drive.

7. Laserstrahlmeßeinrichtung according to claim 1,4,5 and 6, characterized in that the sensors (13,14) each have a position detector (20) and the needle (5) are associated with a position detector (21).

8. Laserstr / ihlmeßeinrichtung according to claim 1, characterized in that an eccentric hollow cylinder is arranged as a balancing mass (8).