CH653587A5

CH653587A5 - Detektor zur feststellung der auslenkung der optischen achse eines laserstrahls.

Info

Publication number: CH653587A5
Application number: CH5656/81A
Authority: CH
Inventors: Akira Tsutsumi
Original assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 1980-09-02
Filing date: 1981-09-02
Publication date: 1986-01-15
Also published as: JPS6121192Y2; SE452418B; AU549219B2; IT1142729B; GB2083217B; GB2083217A; SE8105215L; IT8149210A0; DE3134556A1; US4520261A; AU7480681A; CA1165138A; FR2491370B1; FR2491370A1; DE3134556C2; JPS5749089U

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Detektor zur Feststellung der Auslenkung der optischen Achse eines Laserstrahls an einer Laser-Werkzeugmaschine gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.

In Werkzeugmaschinen, bei denen mittels Laserstrahlen insbesondere plattenförmige Werkstücke geschnitten werden, werden die Werkstücke mittels einer numerischen Steuerung oder mittels eines Rechners geführt. Bei derartigen Laser-Werkzeugmaschinen ist es wichtig, die relative Lage zwischen einer ursprünglichen Stellung oder Referenzstellung als Ausgangslage auf einem plattenförmigen Material und einer Verarbeitungslage, wo die optische Achse des Laserstrahls auf das Werkstück auftrifft, genau zu bestimmen. Die Ausgangslage ist bezüglich der optischen Achse eines Laserstrahls angegeben. Dementsprechend, nach Eingabe eines Eingangssignals an eine Steuereinrichtung, wie beispielsweise eine numerische Steuerung, wird die optische Achse des Laserstrahls von der Ausgangslage zu der Lage geführt, die mit dem Eingangssignal angegeben ist. Darauf werden die nachfolgenden Lagen für die Bearbeitung auch dieser ursprünglichen Stellung als Referenz nachgeführt, die gemäss den weiteren Signalen aus der Steuervorrichtung zugeführt werden. Wenn die Laserverarbeitung, wie das Laserstrahlschneiden, nach der Positionierung des Werkstücks durchgeführt wird, entstehen keine Probleme, wenn die Lagebeziehung zwischen der Ursprungslage und der optischen Achse des Laserstrahls genau eingehalten wird. Jedoch können geringe Auslenkungen bezüglich der axialen Zentrierung des Laserstrahls infolge des Auswechseins eines Kondensors oder dgl. entstehen und der Fehler, der durch diese Auslenkung entsteht, kann oft unerwünschte Einflüsse auf die Bearbeitungsgenauigkeit ausüben. Weil heute oftmals C02-Gas-Laser mit unsichtbarem Licht verwendet werden, ist es sehr schwierig, die Auslenkung der optischen Achse des Laserstrahls festzustellen.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die genannten Probleme zu lösen und einen Detektor zu schaffen, um auf einfache Art die Auslenkung der optischen Achse eines Laserstrahls bei einer Laser-Werkzeugmaschine mit einem handelsüblichen C02-Laser-Resonator festzustellen.

Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Aufriss einer Laser-Werkzeugmaschine für die Anwendung des Detektors gemäss der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 einen Grundriss der Maschine nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Prinzips des Detektors, und

Fig. 4 und 5 erläuternde Darstellungen zur Bestimmung der Auslenkung der optischen Achse.

Gemäss Fig. 1 und 2 umfasst die Laser-Werkzeugmaschine 1 einen Laser-Resonator 3 wie ein C02-Laser-Resonator und eine Verarbeitungseinheit 5 mit einem C-förmigen Rahmen. Weil der Laser-Resonator 3 ein handelsüblich erhältlicher Resonator sein kann, wird an dieser Stelle auf eine ins Detail gehende Beschreibung verzichtet.

Die Werkzeugmaschine 5 besteht aus einem Sockel 9 für den Tisch 7, auf dem ein plattenförmiges Werkstück W verschiebbar gehaltert ist, einem oberen Träger 11, der sich über dem Sockel 9 befindet und einer vertikalen Säule 13 zur Verbindung des Sockels und des oberen Trägers zur Bildung eines C-förmigen Rahmens. Mehrere reibungsvermindernde Mittel 7a aus drehbaren Stahlkugeln befinden sich auf der oberen Fläche des Tisches 7 zur leichtbeweglichen Halterung des Werkstücks W. Beidseitig des Sockels 9 (vorn und hinten in der Zeichnung gemäss Fig. 1) befinden sich ein Paar Führungsschienen 15 in horizontaler Richtung (links und rechts in Fig. 1) als Y-Achsen und ein Paar Schlitten 17 sind auf diesen Schienen von links nach rechts verschieblich angeordnet und sind einstückig miteinander durch ein Verbindungsglied 19 verbunden, das sich in Richtung der X-Achse erstreckt (in horizontaler Richtung senkrecht zu den Führungsschienen 15). Das Verbindungsglied 19 weist einen geringen Spalt zur oberen Fläche des Tisches 7 auf. Dementsprechend werden beide Schlitten 17 einstückig in Richtung der Y-Achse verschoben (rechts und links in Fig. 1).

Das Verbindungsglied 19 ist mit einer Führungsschiene 21 in Richtung der X-Achse senkrecht zur Y-Achse angeordnet, und auf der Führungsschiene 21 befindet sich ein Schlitten 23, der auf der Führungsschiene 21 in Richtung der X-Achse verschiebbar ist. Mehrere Klammern 25 zum Haltern der Endpartien eines Werkstücks W sind auf dem X-Achsen-Schlitten 23 befestigt. Dementsprechend, wenn der Schlitten 23 entlang der Schiene 21 verschoben wird, wird das Werkstück W in Richtung der X-Achse bewegt, wenn es mittels der Klammern 25 gehaltert ist. Auf diese Weise kann das Werkstück W sowohl in der Richtung der X-Achse als auch in Richtung der Y-Achse bewegt und eingestellt werden, indem der Schlitten 17 in Richtung der Y-Achse und der Schlitten 23 in Richtung der X-Achse bewegt wird.

Ein Arm 27 erstreckt sich parallel zur Führungsschiene 15 und ist am einen Ende des Verbindungsgliedes 19 befestigt, und ein Paar von beweglichen Tischen 29a und 29b sind beidseits des Tisches 7 einstückig befestigt. Die obere Fläche des Arms 27, der Tisch 7 und die beweglichen Tische 29a und 29b liegen in einer gemeinsamen Ebene und ein Bezugsanschlag 31 in Richtung der X-Achse befindet sich nahe am oberen Ende des Arms 27 und ist in vertikaler Richtung bezüglich der oberen Flächen verschiebbar. Als Folge davon befindet sich ein mit der Kante gegen den Anschlag 31 ange2

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schlagenes Werkstück W in der Ausgangslage, nämlich in der Referenzlage bezüglich der X-Achse. Auch ist für das Werkstück W in Richtung der Y-Achse ein Anschlag vorgesehen, um das Werkstück auszurichten, wenn es mit den Klammern 25 gehaltert ist, wobei der Schlitten 17 in seine Stellung ganz links gemäss Fig. 1 und 2 geschoben ist und die Klammern 25 geöffnet sind.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich ist, befindet sich die Ursprungslage (Lage für X = 0, Y = 0) im Kreuzungspunkt einer geraden Linie in Richtung der Y-Achse durch die Anschlagfläche des Anschlags 31 und einer geraden Linie in Richtung X-Achse durch die Anschlagfläche des Anschlags bei den Klammern 25, wenn der Schlitten 17 nach ganz links in Fig. 1 und 2 geschoben ist. Dementsprechend befindet sich die Ecke des Werkstücks W in der Ausgangslage (X = 0, Y = 0), wenn die beiden sich schneidenden Kanten des Werkstücks in Berührung mit dem Anschlag 31 und mit den Klammern 25 sind. In dieser Stellung kann das Werkstück W exakt auf die Richtungen der X-Achse und Y-Achse ausgerichtet werden und mittels der Klammern 25 befestigt werden, so dass das Werkstück in Richtung der X-Achse und Y-Achse mit dieser Stellung als Ausgangslage bewegt werden kann.

In diesem Zusammenhang wird daraufhingewiesen, dass der Schlitten 17 für die Y-Achse und der Schlitten 23 für die X-Achse automatisch durch Steuerung eines geeigneten Steuerungsmittels, wie eine numerische Steuerung oder ein Rechner automatisch bewegt und angehalten wird.

Mehrere Umlenkspiegel 33a, 33b und 33c befinden sich am oberen Träger 11, um den Laserstrahl LB aus dem Laser-Resonator 3 umzulenken, so dass der Laserstrahl LB in seinem letzten Abschnitt vertikal gegen die Fläche des Tisches 7 durch den Spiegel 33c nahe am vorderen Ende des oberen Trägers 11 umgelenkt wird. Auch ist ein Kondensor 35 vertikalbeweglich am vorderen Ende des oberen Trägers 11 angeordnet, um den Laserstrahl konvergierend auf einen Punkt auf dem Werkstück W oder auf die Ebene der Lagefühlerplatte 43 zu fokussieren. Obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt, ist eine Düse vorhanden, um ein Gas an die Stelle, wo der Laserstrahl das Werkstück W trifft, zu werfen und diese Düse befindet sich üblicherweise auf der Unterseite des vorderen Endes am oberen Träger 11 und ein Staubsammler ist darunter im Sockel 9 angeordnet, um Schlacke oder Gase aus der Laserstrahlbearbeitung anzusaugen. Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, dass das Werkstück W mittels eines Laserstrahls in eine gewünschte Form verarbeitet werden kann, indem ein Laserstrahl LB aus dem Laser-Resonator 3 auf das Werkstück W auf dem Tisch 7 projiziert wird und gleichzeitig Gas aus der Düse gegen das Werkstück W geblasen wird und das Werkstück in Richtung der X- und Y-Achse bewegt wird.

In einer derartigen Anordnung wird jedoch die Verarbeitungsgenauigkeit benachteiligt, wenn ein Fehler oder eine Auslenkung in der Beziehung zwischen der Verarbeitungslage, nämlich der optischen Achse des Laserstrahls LB und der Ausgangslage (X = 0, Y = 0) entsteht, nachdem die Laserverarbeitung bei Bewegung des Werkstücks W in Richtung der X- und Y-Achsen begonnen wurde. Um diesen Nachteil zu beheben, ist ein Detektor 37 zur Feststellung der Auslenkung der optischen Achse des Laserstrahls LB gemäss der Erfindung vorgesehen.

Gemäss Fig. 2 und 3 umfasst der Detektor 37 eine Lagefühlerplatte 43 mit mehreren Lichtempfängern 41 auf einer Referenzplatte 39 mit Seitenkanten 39a und 39b, die senkrecht aufeinanderstellen. Jeder Lichtempfänger 41 enthält einen photoempfmdlichen Abschnitt, in dem mehrere kleine Photoelemente in Halbleitertechnik linear angeordnet sind,

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sowie einen elektronischen Abtaster aus einem Schieberegister, um die Photozellen des photoempfindlichen Abschnitts einzeln abzutasten, um ein Signal (Photostrom) gemäss der Anzahl der Photozellen, die mit einem Lichtstrahl beaufschlagt wurden, zu erzeugen. Damit kann der belichtete Bereich eines photoempfindlichen Abschnitts durch Detektion des Ausgangssignals bestimmt werden.

Wie insbesondere in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Lichtempfänger 41 radial um einen Punkt A als Zentrum in den Richtungen der Achsen X und Y angeordnet, und der Abstand zwischen dem Punkt A zum inneren Ende von jedem Lichtempfänger 41 ist gleich gross. Der Punkt A mit den Koordinaten a in Richtung X-Achse und b in Richtung der Y-Achse befindet sich beim Schnittpunkt der Seitenkanten 39a und 39b der Referenzplatte 39 und stimmt mit dem ursprünglichen Nullpunkt überein. Dementsprechend koinzi-diert der Punkt A mit der optischen Achse des Laserstrahls LB, der in einen vorbestimmten Punkt B (X = a+c, Y = b+d) durch Bewegung über die Distanz c in Richtung der X-Achse und über die Distanz d in Richtung der Y-Achse übergeht. Somit, wenn der Punkt A bewegt wurde und auf den Punkt B zu liegen kommt und wenn der Laserstrahl LB auf die Lichtempfänger 41 gemäss Fig. 4 und 5 strahlt, so erhält jeder Lichtempfänger 41 den Laserstrahl LB durch Projektion des Laserstrahls LB auf den Lichtempfänger 41. Es ist erwünscht, die Energie des Laserstrahls LB durch geeignete Mittel, wie einen halbdurchlässigen Spiegel, zu vermindern. Wenn der Punkt A und der Punkt B miteinander koinzidieren, sind die Distanzen vom Punkt A zu den Grenzpunkten pl, p2, p3, p4 zwischen den Partien, die vom Laserstrahl beaufschlagt werden und den Partien, die nicht bestrahlt werden, in jedem Lichtempfänger 41 einander gleich. Wenn die optische Achse des Laserstrahls LB ausgelenkt sein sollte, entsteht eine Differenz entsprechend den Abständen zwischen dem Punkt A und den Grenzpunkten pl, p2, p3, p4. Entsprechend kann die Auslenkung Q für die optische Achse des Laserstrahls LB bezüglich des Punktes A durch Detektion der Lagen von geeigneten drei Punkten bestimmt werden. Beispielsweise der Grenzpunkte pl, p2, p3 und durch Errechnen der Lage des Kreuzungspunktes B' zwischen einer Mittelsenkrechten auf der Verbindungslinie pl, p2 und einer Mittelsenkrechten auf der Verbindungslinie p2, p3. Somit kann durch Korrektur des Auslenkungsab-standes zum Punkt Q die Bearbeitung eines Werkstücks mittels Laserstrahlen mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden auch im Fall, dass eine Auslenkung der optischen Achse des Laserstrahls LB vorkommen sollte.

Die Bewegung der Referenzplatte 39 zum Punkt B hin gemäss der vorbeschriebenen Art wird durch Verstellen des Schlittens 17 auf der Y-Achse soweit links in den Fig. 1 und 2 wie es geht und Verschieben der Referenzplatte 39 in den Richtungen der Achsen X und Y gleich wie für das Werkstück W und danach Verschieben der Referenzplatte 39 in den Richtungen der Achsen X und Y, wenn diese durch die Klammern 25 in gleicher Weise wie sonst das Werkstück gehaltert wird, bewirkt.

Eine Anzeigeanordnung 45 befindet sich beim Detektor 37. Die Anzeigevorrichtung 45 ist elektrisch mit jedem Lichtempfänger 41 verbunden und kann die Rechenoperationen zur Bestimmung der Lage des Punktes B' aufgrund der Eingangssignale auf jedem Lichtempfänger 41 entsprechend der Grenzpunkte pl, p2, p3, p4 durchführen, um die Auslenkungsdistanz Q darzustellen. Entsprechend kann die Auslenkung für das Zentrum des Laserstrahls LB durch Ablesen der Anzeige auf der Anzeigevorrichtung 45 bestimmt werden und so kann die Auslenkung mit Leichtigkeit korrigiert werden.

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Wie aus der vorangehenden Beschreibung hervorgeht, kann durch die leichte Feststellung der Auslenkung der optischen Achse des Laserstrahls die Bearbeitungsgenauigkeit durch Korrektur der Auslenkung in Laser-Werkzeugmaschinen verbessert werden. Somit kann die Laserbearbeitung mit hoher Genauigkeit ohne Schwierigkeit auch dann durchgeführt werden, wenn die optische Achse des Laserstrahls infolge eines Wechsels des Kondensors und ähnliches oder durch Fehler im optischen Weg des Laserstrahls ausgelenkt sein sollte.

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1 Blatt Zeichnungen

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653 587 PATENTANSPRÜCHE

1. Detektor zur Feststellung der Auslenkung der optischen Achse eines Laserstrahles von einer Mittellage an einer Laser-Werkzeugmaschine, gekennzeichnet durch einen entfernbar an einer in X- und Y-Richtung verschiebbaren Werkstückverschiebevorrichtung (15,17,19,21,23) vorhandenen Lagefühler (37) mit einer Anzahl radial um einen die Mittenlage darstellenden Punkt (A) verteilt angeordnete Lichtempfänger (41) und durch eine Anzeigevorrichtung (45) zur Darstellung der auf Grund von wenigstens drei durch die Lichtempfanger (41) bestimmten Lagepunkten berechneten Mittenlage des aus dem Laser-Resonator zu den Lichtempfangern abgestrahlten Laserstrahles.

2. Detektor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtempfänger (41) auf einer Lagefühlerplatte (43) angeordnet sind, und dass jeder Lichtempfänger einen photoempfindlichen Abschnitt mit mehreren, li-nienförmig ausgerichteten Halbleiterphotozellen aufweist.

3. Detektor nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet durch eine an den auf der Werkstückverschiebevorrichtung (15,17,19,21,23) vorhandenen Werkstückklammern (25) lösbar gehalterten Referenzplatte (39) für die Halterung der Lagefühlerplatte (43) und der Anzeigevorrichtung (45) und durch Umlenkspiegel (33a, 33b, 33c) im Strahlengang zur vertikalen Ausrichtung des gegen das Werkstück (W) gerichteten letzten Strahlenabschnittes sowie durch eine in diesem letzten Strahlenabschnitt vertikal verschiebbar gehalterten Kondensors (35).