AT408732B

AT408732B - Automatische fokussiervorrichtung für eine laserbearbeitungsmaschine

Info

Publication number: AT408732B
Application number: AT2412000A
Authority: AT
Original assignee: Great Computer Corp
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2002-02-25
Also published as: ATA2412000A

Description

AT 408 732 B

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine automatische Fokussiervorrichtung für eine Laserbearbeitungsanlage, und insbesondere auf eine elektronische Sondenanordnung, die in der Lage ist, den Fokus automatisch zu detektieren, und die bei einer Laserbearbeitungsmaschine od.dgl. anwendbar ist.

Das Grundprinzip einer Laserbearbeitungsmaschine ist, daß ein Ausgangslaserstrahl auf die Oberfläche eines Werkstückes geleitet und darauf fokussiert wird, Der fokussierte Lichtstrahl wird vom Material absorbiert und dieses verdampft auf Grund der plötzlich ansteigenden Temperatur. Dementsprechend wird die Oberfläche des Werkstückes eingetieft, so daß ein Relief- bzw. Skulptur- oder Schnittobjekt erhalten wird.

Der Fokussiervorgang wird bei einer herkömmlichen Laserbearbeitungsmaschine manuell durchgeführt. Der Laserstrahl wird über einen Spiegel durch eine Fokussierlinse geführt, so daß er im Brennpunkt der Linse fokussiert wird. Um das Werkstück in den Brennpunkten verschiedenster Arten von Linsen zu positionieren, werden spezielle Fokussierstäbe mit verschiedenen Längen in Verbindung mit den einzelnen Linsenspezifikationen verwendet. Ein solcher Fokussierstab wird in ein ausgespartes kreisrundes Loch des Schneidschlittens eingesetzt, und ein Handrad an der Oberseite der Maschine wird betätigt, um drei Gewindestangen so anzutreiben, daß die gesamte Bearbeitungsplattform angehoben oder gesenkt wird und das darauf befindliche Werkstück den Fokussierstab gerade berührt. Die Oberfläche des Werkstückes ist dann in der Brennebene des Laserstrahles positioniert, so daß die Fokussierung erreicht wird.

Es gibt eine weitere Art von Laserbearbeitungsmaschine, bei welcher eine automatische Fokussierung verwendet wird. Die linken und rechten unteren Seiten der X/Y-Achsenebene der Maschine sind jeweils mit einem Sendesensor und einem korrespondierenden Empfangssensor ausgestattet. Nachdem die Plattform angehoben worden ist und die Sensoren das Werkstück erfaßt haben, wird die Plattform bis auf die Brennebene abgesenkt, um den automatischen Fokussiervorgang abzuschließen. Diese Fokussiermaßnahme hat jedoch viele Nachteile, u.zw.: 1. Sie kann kein trogförmiges oder unregelmäßiges Werkstück erkennen. 2. Das Werkstück muß an einer Position auf der Oberseite festgeiegt werden. 3. Ein transparentes Werkstück führt zu Erfassungsfehlern. 4. Wenn ein Drehschaft montiert wird, geht die automatische Fokussierfunktion verloren.

Es ist daher ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine automatische Fokussiervorrichtung für eine Laserbearbeitungsmaschine zu schaffen, bei welcher der Bearbeitungsbereich des Werkstückes direkt detektiert wird, so daß der durch Unebenheiten des Werkstückes verursachte Fokussierfehler verringert wird.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine automatische Fokussiervorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, ein Werkstück aus beliebigem Material und mit beliebigem Profil (z.B. unregelmäßig gekrümmter Oberfläche, aus transparentem Material usw.) genau zu fokussieren.

Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine automatische Fokussiervorrichtung zu schaffen, die auch dann eine erfolgreiche Detektion ausführen kann, wenn ein Drehschaft montiert worden ist.

Gemäß den obigen Zielen weist die automatische Fokussiervorrichtung der Laserbearbeitungsmaschine der vorliegenden Erfindung eine elektronische Sondenanordnung auf, die auf einem Schneidschlitten der Laserbearbeitungsmaschine vertikal montiert ist. Die elektronische Sondenanordnung weist ein kreisförmiges Rohr mit einer bestimmten Länge auf. Der obere Abschnitt der Sondenanordnung ist mit einem Flansch versehen. Ein oberer und ein unterer Abschnitt des kreisförmigen Rohres sind mit zwei Ringnuten zur Positionierung eines Positionierstiftes des Schneidschlittens versehen. Die Kreismittelpunkte der oberen und unteren Stirnseiten des kreisförmigen Rohres sind jeweils mit Öffnungen für einen ersten und einen zweiten inneren elektronischen Detektionsstab versehen, die sich nach außen hindurch erstrecken. Eine elektrische Werkbank wird in Z-Achsenrichtung angehoben, um die Oberfläche eines Werkstückes in Kontakt mit der Sonde zu bringen. Der Fokus einer softwaregespeicherten Linse wird berechnet, und die Werkbank wird entsprechend auf die Brennebene abgesenkt, um den automatischen Fokussiervorgang abzuschließen. Während der Bearbeitung ist die elektronische Sondenanordnung nach oben zurückgefahren, so daß sie das Werkstück nicht berührt.

Die vorliegende Erfindung kann am besten aus der folgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in denen Fig. 1 eine perspektivische Zusammenstel- 2

AT 408 732 B lungszeichnung der vorliegenden Erfindung ist; Fig. 2 eine gesprengte Perspektivansicht der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 eine querschnittliche Zusammenstellungsansicht der vorliegenden Erfindung in einem Zustand; Fig. 4 eine querschnittliche Zusammenstellungsansicht der vorliegenden Erfindung in einem anderen Zustand; Fig. 5 die Anwendung der vorliegenden Erfindung bei einer Laserbearbeitungsmaschine zeigt; und Fig. 6 den Weg des Laserstrahles der Laserbearbeitungsmaschine zeigt.

Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine elektronische Sondenanordnung 20 auf einem herkömmlichen Klingensitz bzw. Schneidschlitten 10 parallel zu einer Linse 11 vertikal montiert.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 weist die Sondenanordnung 20 eine bestimmte Länge eines kreisförmigen Rohres 21 auf, dessen oberes Ende mit einem Flansch 22 versehen ist. Der obere und der untere Abschnitt des kreisförmigen Rohres 21 sind mit zwei Ringnuten 23, 24 versehen. Die Kreismittelpunkte der oberen und unteren Stirnseiten des kreisförmigen Rohres 21 sind jeweils mit Öffnungen 28 für einen ersten und einen zweiten inneren Detektionsstab 25, 26 ausgebildet, so daß sich diese dadurch hindurcherstrecken können. Zusätzlich ist die obere Stirnseite des kreisförmigen Rohres 21 mit einer Kabelöffnung 27 in der Nähe des Kreismittelpunktes versehen. Ein Kabel 31, das mit dem oberen Abschnitt des ersten Detektionsstabes 25 verbunden ist, ist nach außen durch die Kabelöffnung 27 geführt.

Der Schneidschlitten 10 ist mit einer kreisförmigen Öffnung ausgebildet, in welcher die Sondenanordnung 20 angeordnet wird. Eine Positionieröffnung 14 ist parallel auf dem Schneidschlitten 10 ausgebildet und steht mit der kreisförmigen Öffnung in Verbindung. Ein Positionierstift 15, der mit einem Außengewinde 16 versehen ist, wird in die Positionieröffnung 14 eingeschraubt. Das rückwärtige Ende des Positionierstiftes 15 ist mit einer Kerbe 19 für ein Werkzeug versehen, damit der Positionierstift 15 in die Positionieröffnung 14 eingeschraubt werden kann. Eine Feder 18 ist im Positionierstift 15 installiert. Eine Stahlkugel 17 liegt am vorderen Ende der Feder 18, um mit einem vorderen Ende des Positionierstiftes 15 in Eingriff zu gelangen. Die Sondenanordnung 20 wird vertikal in die kreisförmige Öffnung der Plattform neben der Linse 11 des Schneidschlittens 10 eingesetzt. Dabei wird die Stahlkugel 17 am vorderen Ende des Positionierstiftes 15 vom kreisförmigen Rohr der Sondenanordnung 20 eingedrückt bzw. zurückgeschoben, was es gestattet, die Sondenanordnung 20 kontinuierlich nach unten zu schieben, bis der Flansch 22 des oberen Abschnittes des kreisförmigen Rohres 21 an der Plattform anschlägt. Zu diesem Zeitpunkt rastet die Stahlkugel 17 des Positionierstiftes 15 in der oberen Ringnut 23 des kreisförmigen Rohres 21 ein (wie in Fig. 3 gezeigt), so daß die Sondenanordnung auf dem Schneidschlitten 10 positioniert und installiert ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird der Schneidschlitten 10 dann auf der Arbeitsachse 51 (X-Achse) der Laserbearbeitungsmaschine 50 montiert. Mit Hilfe von Rollen 13, 13' wird der Schneidschlitten 10 auf der Arbeitsachse 51 nach links und rechts hin- und hergeschoben. Die Arbeitsachse 51 kann mit Hilfe von Gleitschienen 52 (Y-Achse) an ihren beiden Enden vor- und zurückgeschoben werden. Daher kann der Schneidschlitten 10 frei zu jeder gewünschten Position bewegt werden. Zusätzlich kann in Zusammenarbeit mit der vertikal beweglichen Werkbank 53 (Z-Achse) eine dreidimensionale Messung an einem Werkstück mit glattem und gekrümmtem Profil erreicht werden.

Es wird nun auf Fig. 6 Bezug genommen. Ein Werkstück 40 wird auf der Werkbank 53 angeordnet und diese wird so angehoben, daß die Oberfläche des Werkstückes 40 den ersten Detektionsstab 25 berührt. Der Brennpunkt bzw. Fokus der von der Software gespeicherten Linse wird berechnet und die Werkbank 53 wird entsprechend auf die Brennebene abgesenkt. Zu diesem Zeitpunkt kann die gesamte Sondenanordnung 20 nach oben gezogen werden, wobei die Stahlkugel 17 des Positionierstiftes 15 in der unteren Ringnut 24 des kreisförmigen Rohres 21 einrastet. Die Sondenanordnung 20 befindet sich dann in einer Aufbewahrungsstellung an der oberen Kante der Linse 11, so daß verhindert wird, daß die Sondenanordnung 20 das Werkstück 40 berührt oder verschiebt, wenn die Maschine 50 arbeitet und sich bewegt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird der vom Laserrohr 54 der Maschine emittierte Lichtstrahl von einem Spiegel 55 zu einem Spiegel 57 neben der Gleitschiene und dann zu einem Spiegel 58 an einem Ende der Arbeitsachse 51 reflektiert. Schließlich wird der Lichtstrahl von einem Spiegel 12 auf dem Schneidschlitten 10 zur Brennebene des Werkstückes 40 geführt. Die Oberfläche des 3

Claims

AT 408 732 B Werkstückes 40 wird dabei auf Grund des plötzlichen Temperaturanstieges verdampft, so daß die gewünschten Ziele des Formens, Gravierens bzw. Schneidens usw. erreicht werden. Die oben genannte automatische Detektions- und Fokussiermaßnahme der vorliegenden Erfindung hat die folgenden Vorteile: 1. Die Bearbeitungsstellung des Werkstückes ist nicht beschränkt.
2. Der Werkstückbearbeitungsbereich wird direkt detektiert, so daß Fokussierungsfehler, die durch Unebenheiten des Werkstückes verursacht werden könnten, reduziert werden.
3. Ein unregelmäßiges Profil des Werkstückes führt nicht zu einer Fehlfokussierung.
4. Die Schwierigkeiten einer Detektion einer gekrümmten Oberfläche und das Problem, daß es unmöglich ist, die Detektion nach Installation eines Drehschaftes durchzuführen, werden überwunden.
5. Eine allfällige Transparenz des Werkstückes führt zu keiner Fehlerfassung. Die oben beschriebene Ausführungsform dient nur zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung und nicht als Beschränkung ihres Umfanges. Zahlreiche Modifikationen dieser Ausführungsform können vorgenommen werden, wie für den Fachmann ersichtlich ist. PATENTANSPRÜCHE: 1. Automatische Fokussiervorrichtung für eine Laserbearbeitungsmaschine, mit einer elektronischen Sondenanordnung, die vertikal auf einem Schneidschlitten der Laserbearbeitungsmaschine montiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Sondenanordnung (20) eine bestimmte Länge eines kreisförmigen Rohres (21) aufweist, dessen oberes Ende mit einem Flansch (22) ausgestattet ist, wobei ein oberer und ein unterer Abschnitt des kreisförmigen Rohres (21) mit zwei Ringnuten (23,24) zur Positionierung eines Positionierstiftes (15) des Schneidschlittens (10) versehen sind, wobei die Kreismittelpunkte der oberen und unteren Stirnseiten des kreisförmigen Rohres (21) mit Öffnungen (28) für den Durchtritt eines ersten und eines zweiten inneren elektronischen Detektionsstabes (25, 26) versehen sind. 2. Automatische Fokussiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionierstift (15) ein hohler Gewindestift ist, in dem eine Feder (18) montiert ist, wobei eine Stahlkugel (17) am vorderen Ende der Feder liegt, um mit einem vorderen Ende des Positionierstiftes in Eingriff zu gelangen. 3. Automatische Fokussiervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionierstift (15) in eine Positionieröffnung (14) des Schneidschlittens (10) in Querrichtung und senkrecht zur elektronischen Sondenanordnung (20) eingeschraubt ist. HIEZU
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