CN101778691B - 用于检测工件棱边的位置的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有一传感器体(12)的接触传感器(11)，所述传感器体能固定在一机床(1)的激光加工头(4)上，所述机床(1)用于加工优选板状的工件(7)、尤其是板材。所述传感器体(12)在所述激光加工头(4)上能安置在一激光加工喷嘴(10)的位置上，并且一导电的且可电接通的测量探头(15)可移动地在所述传感器体(12)中导向，所述测量探头(15)能沿着移动方向从一静止位置运动到一测量位置中，在所述静止位置中所述测量探头(15)不伸出超过所述传感器体(12)，在所述测量位置中所述测量探头(15)从所述传感器体(12)中伸出。本发明还涉及一种具有这样的接触传感器的机床以及一种用于借助这样的接触传感器(11)检测工件棱边的位置的方法。

Description

用于检测工件棱边的位置的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种具有传感器体的接触传感器，该传感器体可固定在机床的激光加工头上，该机床用于加工优选板状的工件、尤其是板材；还涉及一种具有这样的接触传感器的机床，以及一种用于借助接触传感器检测工件棱边的位置的方法，该接触传感器具有一固定在机床的激光加工头上的传感器体，该机床用于加工优选板状的工件、尤其是板材。
背景技术
在用于激光加工的机床中，需要在可以对工件进行加工之前尽可能精确地检测该工件的位置。如果未识别出通常板状的工件或板材的位置倾斜，则这会导致对工件的错误加工，因而使废品数量急剧上升。在现有技术中，例如通过借助光学方法检测板材棱边和参考孔来识别板材位置。在此，板材通过辅助光源(例如激光二极管)照亮并且经反射的(激)光借助一传感器检测。如果激光射束出现在工件的孔或棱边上，则这会被识别出来，因为在这种情况下被反射的射束小。
工件的棱边也可以通过用于激光加工的机床的高度调节来检测，其方式是下降的激光加工头例如通过固定在激光加工头上的激光加工喷嘴的喷嘴体的外棱边来探索板材棱边。然而，这与光学方法相比显然更不精确。此外，激光加工喷嘴由于其外部尺寸而不适合于触碰任何孔。
由JP 05071907A已经公开了一种用于激光加工的机床，在该机床中，接触传感器的一固定的、销状的传感器体作为测量尖端安放在激光加工头的激光加工喷嘴上，以便检测被加工的板材的尺寸。在传感器体和板材之间施加一电压，使得传感器体与板材的接触可以通过短路或由此引发的电流来检测。
发明内容
本发明的目的是，如下地进一步开发开头所述类型的接触传感器、机床和方法，使得能够以特别快速的、简单的且优选自动化的方式精确地检测工件棱边的位置。
按本发明，该目的通过一种具有传感器体的接触传感器实现，该传感器体在激光加工头上可安装在激光加工喷嘴的位置上，其中，一导电的且可电接通的测量探头可移动地在该传感器体中导向，该测量探头可在移动方向上从一静止位置运动到一测量位置中，在静止位置中测量探头不伸出传感器体，在测量位置中测量探头从传感器体中伸出。
机床的激光加工头在其面向工件的端部上具有一激光加工喷嘴，保护气体或者说辅助气体或激光气体传导通过该激光加工喷嘴。当在激光加工喷嘴上出现磨损时，或者当应该加工一具有其它工件材料或具有其它工件厚度的工件时，可能显示要更换激光加工喷嘴。为了能够实现这样的更换，激光加工喷嘴通过可拆卸的连接(例如通过螺纹)固定在激光加工头上。为了也能够将接触传感器安置在加工头上，传感器体被这样地设计，使得传感器体同样能够可拆卸地固定在激光加工头上，例如其方式是该传感器体具有一外螺纹，该外螺纹可以与设置在激光加工头上的内螺纹拧紧。如果接触传感器在激光加工头上被安置在激光加工喷嘴的位置处，则能够例如有利地利用为激光加工头中的加工喷嘴设置的保护气体，如下面详细描述的那样。
测量探头在传感器体中的可移动性是有利的，因为当测量探头位于静止位置中时能够借助通常存在于机床中的距离传感器通过测量通常由导电材料组成的传感器体和同样导电的板材之间的电容来获得工件表面的高度(z坐标)。高度调节使加工头(在Z方向上)下降，直到接触传感器到板材表面已经达到一预定的距离。然后，激光加工头被定位在工件的参考孔上方或者在工件的参考棱边旁。测量探头唯有现在才从传感器体中移出并且通过该测量探头来触碰孔边缘或板材边缘。与板材的接触通过可电接通的测量探头和典型地由导电材料组成的工件之间的短路来检测。工件上的参考棱边在此尤其也可以设置在参考孔中并且例如形成参考孔的侧壁或底部，也就是说，不仅可以确定工件棱边在X-Y方向上的位置，而且可以确定Z方向上的工件厚度。
在一种优选的实施形式中，传感器体具有激光加工喷嘴的喷嘴体的外部尺寸和形状。如果传感器体的外部尺寸与激光加工喷嘴的外部尺寸相一致，则接触传感器能够通过一自动化的喷嘴更换器换到用于对工件进行切割加工的激光加工喷嘴的位置上并且安置在该激光加工头上，从而在机床的加工模式和测量模式之间实现自动化的且快速的切换。
在另一种有利的实施形式中，测量探头可克服复位力的、尤其是弹簧力的作用从静止位置运动到测量位置中，并且，所述接触传感器为此优选具有一弹簧，所述弹簧一方面支承在测量探头上，另一方面支承在传感器体上。在静止状态中，测量探头借助弹簧完全退回到传感器体的内部中。此外，z方向上的弹性悬挂防止测量探头在触碰例如位于参考孔底部上的棱边时被损坏。
在另一种有利的实施形式中，测量探头在静止位置中贴靠在传感器体的一个孔中的止挡上，由此能够防止测量探头过弹压(
Figure GPA00001022461800031
)。该止挡可以例如通过一设置在传感器体的孔的一槽中的卡环构成。
在另一种优选的实施形式中，测量探头被构造成活塞形并且具有一用于压力加载的控制面，以便从静止位置运动到测量位置中。所述活塞形的测量探头优选地由刚度高的硬化钢组成并且优选地具有一圆柱形的或管形的尖端。机床中现有的切割气体、保护气体或者辅助气体的压力被用于使测量探头从传感器体中移出。在此，所述气体以典型地大于10巴的压力流到控制面上并且将测量探头从传感器体中压出来。在此，对活塞的刚性的导向保证了高的测量精度。
本发明也可以在用于加工优选板状的工件、尤其是板材的机床中实现，所述机床具有一激光加工头和一接触传感器，所述接触传感器如上所述地构造。在对工件进行加工之前，能够以特别简单的方式在按本发明的机床上自动化地确定工件位置。
在一种有利的实施形式中，激光加工头具有一个衔接在测量探头的控制面上的压力室，该压力室用于以空气对控制面进行压力加载。所述压力室这样地构造，使得其能经受住具有10巴及10巴以上的压力的气体，以至于测量探头能够以高的速度从传感器体中移出。
在一种有利的扩展形式中，压力室与自排气的阀连接。一个这样的、设置在压力室之前的阀负责快速地降低气体压力并因此负责测量探头的快速复位。
在一种优选的实施形式中，所述机床具有一用于以激光加工喷嘴换下接触传感器的喷嘴更换器，因此能够在一用于确定板材位置的测量模式和一接着的加工模式之间实现自动化的切换。在此，接触传感器的传感器体具有与激光加工喷嘴相同的形状和相同的尺寸，以至于该传感器体可以被喷嘴更换器的夹盘抓取并且放到一设置在机床中的刀库中以及从该刀库中取出。
在一种优选的实施形式中，所述机床具有一控制单元，所述控制单元被设计用于存储测量探头在工件棱边上的接触点的坐标。这样获得的坐标可供接着的激光加工范围内的其它用途使用。
在另一种有利的实施形式中，所述机床具有一检测器，所述检测器用于检测测量探头与工件棱边的接触。所述检测器可以例如在导电的工件和测量探头或者通常同样导电的、与测量探头相连接的传感器体之间产生一电压。在此，通过在测量探头和板材之间出现短路并因此出现电流，由此可以非常精确地检测工件和测量探头之间的接触。
此外，本发明在开头所述类型的方法中实现，该方法包括以下步骤：使导电的且可电接通的测量探头从一静止位置运动到一测量位置中，所述测量探头沿着移动方向在传感器体中可移动地导向，在所述静止位置中测量探头不伸出超过传感器体，在所述测量位置中所述测量探头伸出超过所述传感器体，并且，使所述激光加工头在至少一个空间方向上运动，以使测量探头触碰到棱边，以及通过检测测量探头与棱边的接触，由此获得所述棱边的位置。
在一种有利的变型中，在一个先前的步骤中，激光加工头在所述移动方向上运动，直到在传感器体和工件之间达到一可预给定的距离。因此，接触传感器在移动方向上这么远地伸向工件表面，使得测量探头在测量位置中以其位于工件侧的端部处于板材表面下方，以至于该测量探头能够触碰到板材的参考棱边，所述参考棱边例如形成在参考孔上。显然，为了使测量探头触碰到一孔的底部，激光加工头也可以在移动方向上运动超过所述可预定的距离。
在一种特别有利的变型中，在激光加工头的运动过程中确定工件和测量探头和/或传感器体之间的电容。因此，工件和传感器体或者说测量探头之间的距离可以被确定和调节。
在另一种优选的变型中，如果测量探头到棱边的距离小于5mm、优选小于1mm，则激光加工头的速度小于10毫米/分钟，优选地小于5毫米/分钟，因此，可以防止工件在触碰过程中由于测量探头而移动。所述触碰仅仅在工件的移动不超过1/100毫米的公差值时才能再现。
关于该发明的其它的有利变型应参考权利要求书，关于通过这些变型可实现的优点应参考上述与接触传感器或者与机床相关的说明。
附图说明
该发明的其它优点由说明书和附图给出。以上所述的和尚待进一步说明的特征同样可以单独地或者多个组合地应用。所示的和所述的实施形式不应理解为穷尽性的列举，而是具有用于保护本发明的更多是示意性的特征。其示出：
图1示出按本发明的机床的一种实施形式的示意图；
图2a，b以纵剖视图示出具有测量探头的接触传感器的一种实施形式的示意图，该测量探头位于静止位置(图2a)和测量位置(图2b)；
图3以纵剖视图示出具有出自图2a、b的接触传感器的激光加工头的示意图。
具体实施方式
图1示出一种用于激光加工的机床1，该机床1具有一带有多个光学元件2.1至2.5的射束导向光学装置，所述射束导向光学装置用于将激光束3导向到激光加工头4上。为了使激光加工头4沿着一个定义了工作平面5的加工台在XYZ坐标系的第一空间方向X上运动，该激光加工头4固定在一个可在第一空间方向X上行进的滑座6上，如通过双箭头所示的那样。该激光加工头4还可以沿第二空间方向Y在工作平面5中行进，其方式是激光加工头4沿着滑座6移动，如同样通过双箭头所示的那样。该激光加工头4能够以这种方式沿这两个空间方向X、Y在加工台的整个工作平面5上移动并且在此对定位在该加工台上的工件7进行加工。附加地，激光加工头4还可以在第三空间方向Z上相对于滑座6运动，以调节激光束3和工作平面5或者设置在那里的工件7之间的距离，如通过另一个双箭头所示的那样。
为了对在图1所示的工件7上执行激光机工，需要精确地识别工件7相对于机床1的定向。例如工件7上的棱边7a可以用于确定工件7的位置；附加地可以在工件7上设置多个参考孔8，这些参考孔中的一个在图1中示出。为了获得所述棱边7或者参考孔8的位置，激光加工头4被带到位于加工台5边缘处的一位置中，在该位置中设置有喷嘴更换器9，该喷嘴更换器9能够以一在图2a、b中示出的接触传感器11替换一安置在激光加工头4上的激光加工喷嘴10。该接触传感器11为此具有一传感器体12，该传感器体12的外部形状和尺寸与激光加工喷嘴10的外部形状和尺寸相一致。为了更换，喷嘴更换器9以卡盘/夹盘抓取激光加工喷嘴10并且将该激光加工喷嘴从激光加工头4中旋拧出来。在喷嘴更换器9已经将激光加工喷嘴10放入到一(未示出的)刀库的空的喷嘴容纳部中之后，该喷嘴更换器9从刀库的另一个喷嘴容纳部中接收接触传感器11并且将该接触传感器11旋拧到激光加工头4上。
带有接触传感器11的激光加工头4如下地从加工台5边缘上的位置在X方向或Y方向上运动，直到激光加工头到达工件7的参考孔8上方的一个在图2a中所示的位置，该位置的大致位置是机床1的在图1中所示的控制单元13已知的。传感器体12在工件7上侧上方的高度通过检测器14检测，该检测器14获取导电的传感器体12和工件7之间的电容。传感器体12和工件7之间的距离被控制单元13如此地调节，使得一设置在传感器体12中的、活塞形的测量探头15在其从图2a中所示的静止位置(在该静止位置中测量探头15与传感器体12齐平地闭合或者沉降低设置在传感器体12中)运动到一在图2b中所示的测量位置中之后以其圆柱形的尖端这么远地从传感器体12中伸出来，使得该测量探头以位于工件侧的端部伸入到参考孔8中，以触碰参考孔8的棱边7b。
为了从静止位置运动到测量位置中，测量探头15克服弹簧17的复位力可移动地在传感器体12中的沿着移动方向(Z方向)延伸的孔16中导向，所述弹簧17一方面制成在测量探头15的一个环形台阶上，另一方面支撑在孔16的一个环形台阶上。通过以下方式阻止测量探头15在静止位置中的过弹簧压力，即，该测量探头15贴靠在一个作为止挡18的、安置在孔16的一槽中卡环上。在测量位置中，测量探头15以一环形的台阶贴靠在阶梯式孔16的环形棱边上，以至于测量探头15在测量位置中也在Z方向上占据一定义的位置。测量探头15由硬化钢组成并且具有高的刚度。Z方向上的弹性悬挂可以防止测量探头15在触碰到参考孔的棱边或者例如底部上时受到损坏。
为了使测量探头15从静止位置运动到测量位置中，该测量探头15具有一可压力加载的控制面19。该控制面与激光加工头4的一在图3中所示的压力室20相连接，保护气体(例如氮气)以大于10巴的压力通过阀21流到该压力室20中，所述阀21与激光加工头4的环形槽22相连接。所述保护气体通过多个径向的横孔23从环形槽22导入到压力室20中，由此在压力室中产生均一的、恒定的气体压力。为了使测量探头15快速地从测量位置回到静止位置中，阀21构造成自通风的。因此，具有保护气体的压力室20可以有利地用于使测量探头15从静止位置运动到测量位置中，反之亦然，图1中的借助会聚透镜3会聚的激光束3在激光加工期间穿过所述压力室20。
在图2b所示的测量位置中，带有测量探头15的激光加工头4在X方向上驶近参考孔8的棱边7b。在此，通过检测器14借助电容式测量确定测量探头15和棱边7b之间的大致距离，为此不是接通导电的测量探头15本身，而是接通与该测量探头15相连接的、导电的传感器体12，如图2b所示。显然，检测器14在图2a、b中仅仅示例性地直接与传感器体12相连接，因为传感器体12通常与激光加工头4的其它的导电部件相连接，这些导电部件更好地适合接通。
如果检测器显示测量探头15到棱边7b的距离小于5mm或者小于1mm，则激光加工头4的速度降低到小于10mm/min，必须要是小于5mm/min。因此可以实现的是，即便在重复触碰的情况下，工件5由测量探头15引起的移动不会超过1/100的公差值，以至于重复触碰是可再现的。
如果测量探头15接触到棱边7b，则由于这两者都是被施加了电压，检测器14检测到短路并且测量探头15与工件7的棱边7b的接触点的坐标被存储在图1的控制单元13中。随后，测量探头15可以是驶近孔的相对置的棱边7c并且那里的接触点的坐标也可以被存储。附加地，也可以这么长地触碰图1中所示的、位于工件边缘上的棱边7a或者工件7的其它棱边、例如在其它一些参考孔中的棱边，直到工件7在机床1的加工台5上的定向被明确地确定。在获得工件7的定向之后，激光机工头4再次向喷嘴更换器9运动，以如上所述地以激光加工喷嘴10更换下接触传感器11。
因此，以上述方式能够实现加工模式和用于工件7的测量的测量模式之间的自动化的切换。此外，测量探头的运动可以通过使用在激光加工头4中提供的保护气体、辅助气体或切割气体来进行，以至于不需要为此设置附加的运动单元。显然，接触传感器也可以有利地安装在不同于在此所示的机床的其它机床上，例如在所谓的组合式机床上，所述组合式机床除了用于激光加工的站之外配设有至少一个另外的加工站(例如冲压站)。

Claims (19)

1.具有一传感器体(12)的接触传感器(11)，所述传感器体能固定在一机床(1)的激光加工头(4)上，所述机床(1)用于加工板状的工件(7)，其特征在于，
所述传感器体(12)在所述激光加工头(4)上能安置在一激光加工喷嘴(10)的位置上，并且
一导电的且可电接通的测量探头(15)可移动地在所述传感器体(12)中导向，所述测量探头(15)能沿着移动方向(Z)从一静止位置运动到一测量位置中，在所述静止位置中所述测量探头(15)不伸出超过所述传感器体(12)，在所述测量位置中所述测量探头(15)从所述传感器体(12)中伸出。
2.如权利要求1所述的接触传感器，其特征在于，所述传感器体(12)具有一激光加工喷嘴(10)的喷嘴体的外部尺寸和形状。
3.如权利要求1或2所述的接触传感器，其特征在于，所述测量探头(15)能克服复位力的作用从所述静止位置运动到所述测量位置中。
4.如权利要求3所述的接触传感器，其特征在于，所述接触传感器具有一弹簧(17)，所述弹簧(17)一方面支承在所述测量探头(15)上，另一方面支承在所述传感器体(12)上。
5.如权利要求1或2所述接触传感器，其特征在于，所述测量探头(15)在所述静止位置中贴靠在所述传感器体(12)的一孔(16)中的止挡(18)上。
6.如权利要求1或2所述接触传感器，其特征在于，所述测量探头(15)构造成活塞形并且为了从所述静止位置运动到所述测量位置中而具有一用于压力加载的控制面(19)。
7.机床(1)，用于加工工件(7)，所述机床(1)具有一激光加工头(4)和一如上述权利要求之一所述的接触传感器(11)。
8.如权利要求7所述的机床，其特征在于，所述激光加工头(4)具有一与所述测量探头(15)的所述控制面(19)衔接的压力室(20)，所述压力室用于以空气对所述控制面(19)进行压力加载。
9.如权利要求8所述的机床，其特征在于，所述压力室(20)与一自排气的阀(21)相连接。
10.如权利要求7至9之一所述的机床，其特征在于，所述机床具有一喷嘴更换器(9)，所述喷嘴更换器(9)用于以一激光加工喷嘴(10)更换所述接触传感器(11)。
11.如权利要求7至9之一所述的机床，其特征在于，所述机床具有一检测器(14)和一控制单元(13)，所述检测器(14)用于检测所述测量探头(15)与所述工件(7)的棱边(7a-7d)的接触，所述控制单元(13)设计用于存储所述测量探头(15)与所述工件(7)的棱边(7a-7d)的接触点的坐标。
12.用于借助一接触传感器(11)检测一工件(7)的棱边(7a-7d)的位置的方法，所述接触传感器具有一传感器体(12)，所述传感器体(12)固定在一机床(1)的激光加工头(4)上，所述机床(1)用于加工工件(7)，所述方法包括以下步骤：使一导电的且可电接通的测量探头(15)从一静止位置运动到一测量位置中，所述测量探头(15)沿着一移动方向(Z)可移动地在所述传感器体(12)中导向，在所述静止位置中所述测量探头(15)不伸出超过所述传感器体(12)，在所述测量位置中所述测量探头(15)伸出所述传感器体(12)，并且，使所述激光加工头(4)在至少一个空间方向(X、Y、Z)上运动，以使所述测量探头(15)触碰到所述棱边(7a-7d)，以及通过检测所述测量探头(15)与所述棱边(7a-7d)的接触来获得所述棱边(7a-7d)的位置。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述测量探头(15)与所述棱边(7a-7d)的接触通过在所述工件(7)和所述测量探头(15)之间出现的短路来检测。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，在一个先前的步骤中，借助一用于更换激光加工喷嘴(10)的喷嘴更换器(9)将所述接触传感器(11)固定在所述激光加工头(4)上。
15.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，在一个先前的步骤中，使所述激光加工头(14)在所述移动方向(Z)上运动，直到所述传感器体(12)和所述工件(7)之间达到一可预给定的间距(H)。
16.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，在所述激光加工头(4)的运动过程中确定所述工件(7)和所述测量探头(15)和/或所述传感器体(12)之间的电容。
17.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，如果所述测量探头(15)到所述棱边(7a-7d)的距离小于5mm，则所述激光加工头(4)的速度小于10毫米/分钟。
18.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，为了使所述测量探头(15)从所述静止位置运动到所述测量位置中，通过来自所述机床的切割气体、保护气体或辅助气体在一控制面(19)上对所述测量探头(15)压力加载。
19.如权利要求12或13之一所述的方法，其特征在于，如果所述测量探头(15)到所述棱边(7a-7d)的距离小于1mm，则所述激光加工头(4)的速度小于5毫米/分钟。
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