CN110494252B - 用于调节工作激光射束的焦点位置的方法和设备以及具有所述设备的激光加工头 - Google Patents

用于调节工作激光射束的焦点位置的方法和设备以及具有所述设备的激光加工头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于调节用于加工工件(20)的工作激光射束(14)的焦点位置的一种方法和一种设备以及配备有所述设备的激光加工头(10)，其中，通过借助伺服电机(28)使光学器件(24)沿着所述光学器件(24)的光轴(26)移位来调节所述工作激光射束(14)的焦点位置。所述方法包括以下步骤：借助位置调节器(38)产生并且输出所述伺服电机(28)的电流调节回路(40)的预给定，以便使所述光学器件(24)运动到期望位置并且保持在那里；借助加速度传感器(48)检测作用在所述光学器件的光轴的方向上的加速度；基于所检测到的加速度在使用预控制电路(50)的情况下改变所输出的、所述伺服电机(28)的电流调节回路(40)的预给定，从而所述伺服电机(28)产生反作用于由所检测到的加速度产生的力的附加力。

Description

用于调节工作激光射束的焦点位置的方法和设备以及具有所 述设备的激光加工头
技术领域
本发明涉及用于调节用于加工工件的工作激光射束的焦点位置的一种方法和一种设备以及具有所述设备的激光加工头。
在激光材料加工的情况下，通常存在以下必要性：使工作激光射束的焦点位置匹配于相应的加工情况。实现此目的的一种可能性是，激光加工头中的光学器件的一个或多个透镜沿着该光学器件的光轴、即沿着内部的Z轴的、内部受控或受调节的电机式的运动。
背景技术
在DE 10 2014 101 477 A1中示出一种用于借助激光射束加工工件的激光加工头，在该激光加工头中，进行射束成型的光学器件在激光射束的纵向方向上可移位地支承在保持装置上。为了使光学器件移位，设有带驱动器，其由电机、尤其由无刷直流电机或步进电机驱动，以便使光学器件运动到所期望的位置并且将所述光学器件保持在其经调节的位置上，即使由于大的加速度而出现大的惯性力。
EP 2 302 433 A2描述另一种用于借助激光射束加工工件的激光加工头，该激光加工头具有光学器件，该光学器件相对于该激光加工头可移位地支承在该激光加工头中。为了使光学器件在激光射束的纵向方向上移位，设置具有同步线性电机的调节设备。
这样的驱动器将电机运动直接转化成光学器件的运动，而不使用传动装置或主轴(Spindel)。无间隙地转化运动的优点换来如下缺点：不存在机械类型的制动件(Hemmung)以在外部起作用的加速度的情况下将光学器件并且因此将工作焦点保持在所期望的位置。
在外部加速度——该外部加速度通过如下方式产生：激光加工头施加在另外的外部控制的Z轴上并且沿着该轴再次实施突然的运动——的情况下，通过该光学器件的和支承该光学器件的滑架的质量惯性从该位置按压光学器件，从而工作焦点沿光学器件的光轴离开其期望位置。
在目前为止使用的系统的情况下，外部加速度产生到光学器件的可运动的部分上、即到为了工作焦点调节而可调整的透镜单元上的力(F＝m*a)。该力作为位置调节回路中的干扰参量起作用并且产生透镜单元的所不期望的运动。位置调节器识别出该位置偏差并且相应地改变对电流调节回路的预给定(Vorgabe)，以便使透镜单元运动回到所期望的透镜位置并且保持在那里。该调节过程需要一定的时间，在该调节过程期间，实际的透镜位置偏离期望位置。
系统对外部加速度的延迟响应基于调节回路的原理，该调节回路当已经确定实际的透镜位置与期望位置的显著的偏差时才可以构建调节参量，并且因此在出现位置偏差后该调节回路才可以进行校正地干预。
能够实现高动态的运动变化过程的已知方法基于预控制的原理。在此，借助调节回路特征和轨道轨迹的认知，在达到期望值前已经产生调节参量并且由此达到轨道点，而没有高动态的明显偏差。
对于这种类型的预先控制的前提条件是看运动的未来，这在现代的NC系统的情况下不是问题，但是对于自主运行的激光加工头是不可能的，因为不存在对于该信息的标准化通信通道。
发明内容
由此出发，本发明基于以下任务：提供一种用于调节用于加工工件的工作激光射束的焦点位置的一种方法和一种设备以及一种配备有所述设备的激光加工头，从而能够实现将透镜位置与其期望位置由于加速引起的偏差限界在尽可能小的值，以便在高动态的机器运动的情况下也精确地保持工作焦点位置。
该任务通过根据权利要求1的方法、根据权利要求4的设备和根据权利要求7的激光加工头来实现。在从属权利要求中描述本发明的有利的构型和扩展方案。
根据本发明，产生并且输出所述伺服电机的电流调节回路的预给定，以便使光学器件运动到期望位置并且保持在那里。检测作用在所述光学器件的光轴的方向上的加速度并且基于所检测到的加速度改变所输出的所述伺服电机的电流调节回路的预给定，从而所述伺服电机产生反作用于由所检测到的加速度产生的力的附加力。在此，优选地如此改变所述伺服电机的电流调节回路的预给定，使得提高所述电机电流。
特别有利地，通过接入相应于所检测到的加速度地求取的预给定值来改变所输出的所述伺服电机的电流调节回路的预给定。
优选地，根据本发明的方法可以借助一种设备来执行，该设备具有伺服电机、位置调节器、加速度传感器和预控制电路，所述伺服电机用于使调节所述焦点位置和/或焦点直径的光学器件沿着所述光学器件的光轴移位，所述位置调节器输出所述伺服电机的电流调节回路的预给定，以便使所述光学器件运动到期望位置并且保持在那里，所述加速度传感器检测作用在光学器件的光轴的方向上的加速度，所述预控制电路基于所检测到的加速度如此改变由所述位置调节器输出的所述伺服电机的电流调节回路的预给定，使得所述伺服电机产生反作用于由所检测到的加速度产生的力的附加力。
有利地，所述预控制电路在此如此设计，使得如此改变所述伺服电机的电流调节回路的预给定，从而提高所述电机电流。在此，符合目的地，设置一种比较器，由所述位置调节器给所述比较器输送所述伺服电机的电流调节回路的预给定并且由所述预控制电路给所述比较器输送相应于所检测到的加速度地求取的预给定值，从而通过接入所述预控制电路的预给定值来改变所述伺服电机的电流调节回路的预给定。
为了在激光加工的情况下、尤其在激光焊接或激光切割的情况下执行根据本发明的方法，激光加工头具有根据本发明的用于调节工作激光射束的焦点位置的设备，所述激光加工头具有壳体，工作激光射束路径引导穿过所述壳体，在所述工作激光射束路径中，调节至少一个焦点位置和/或焦点直径的光学器件能够沿着所述光学器件的光轴进行移位。
因此，本发明基于如下构想：借助加速度传感器来识别外部加速度的状态并且借助该信息直接提高电机电流，以便产生用于平衡到光学器件滑架上的外部力的附加力。在此，将外部加速度的值直接作为干扰参量接入
Figure BDA0002225000650000031
耦合输入到电流调节回路中。因为驱动器的力直接与电机电流成比例，所以电机电流的提高直接反作用于通过外部加速度引起的力，而没有通过位置调节回路的调节偏差引起的延迟。
在这种类型地干预调节回路的情况下，不必首先发生调节偏差以实现相应的调节参量变化，而是直接借助外部的干扰参量的作用来产生具有相反方向的力并且使实际位置的偏差最小化。
附图说明
以下例如根据附图更详细地阐述本发明。
图1示出根据本发明的激光加工头的简化示意图；
图2示出在使用根据本发明的用于调节工作激光射束的焦点位置的设备的情况下伺服电机的调节回路的示意性框图。
在附图的不同图中，彼此相应的元件设有相同的附图标记。
具体实施方式
如在图1中示意性所示的那样，激光加工头10具有壳体12，用于工作激光射束14的工作激光射束路径引导穿过该壳体。将工作激光射束14通过相应的光导纤维16输送给激光加工头10。激光加工头10与其壳体12一起例如安装在(未示出的)工业机器人15的手18上，从而该激光加工头可以由工业机器人在x、y和z的方向上相对于工件20引导。
为了能够调节工作激光射束14的焦点22相对于壳体12的方位或位置，光学器件24在其光轴26的方向上可移位地布置。
为了使光学器件24移位——该光学器件在图1中作为单透镜示意性地示出，但也可以构造为透镜系统并且布置在未示出的滑架或类似物上——在该光学器件的光轴26的方向上设有伺服电机28(参见图2)，其在图1中仅仅表示为双箭头。为了检测光学器件24在激光加工头10的壳体12中的方位或位置，设有位移传感器30，该位移传感器的输出A输送给调节电路32，该调节电路32如此控制伺服电机28，使得该伺服电机使光学器件24沿着其光轴26、即在系统的z方向上始终运动到其期望位置并且保持在那里。
未详细示出地，在激光加工头10中可以设有用于对工作激光射束14进行准直的另一光学器件，该另一光学器件对光导纤维16的光出射面进行成像。该准直光学器件可以以与用于聚焦工作激光射束14和/或用于调节焦点尺寸的光学器件24相应的方式借助伺服电机同样沿着其光轴进行移位，该光学器件，其中，同样可以设有位移传感器和用于控制伺服电机的调节电路。
首先通过由工业机器人使激光加工头沿z方向移位来调节工作激光射束14相对于工件20的焦点22的位置，而工作激光射束14相对于激光加工头10的壳体12的焦点位置以及焦点直径通过借助伺服电机使光学器件24和/或未示出的准直光学器件移位来实现。
如在图2中所示的那样，调节电路32具有期望值调节器34，其向比较器回路36提供期望位置的预给定，由位移传感器30给该比较器回路输送实际位置。因此，比较器回路36必要时求取位置偏差并且将该位置偏差输送给位置调节器38，该位置调节器将电流调节回路40的预给定输送给另一比较器回路42。电流调节回路40包括电流调节器44，比较回路42的输出信号作为用于调节电机电流的预给定输送给该电流调节器，并且电流调节回路40包括由电流调节器44控制的调节环节46，该调节环节对电机电流进行调节。
为了检测外部的、尤其在z方向上作用在激光加工头10上的加速度、即沿着光学器件24的光轴26作用在该光学器件上和支承该光学器件的滑架或类似物上的加速度，设有加速度传感器48，该加速度传感器的输出信号提供给调节回路32中的预控制电路50，如通过线路B示意性地说明的那样。
预控制电路48将相应于所检测到的加速度的预给定值提供给比较器42，该预给定值作为干扰参量接入直接添加给位置调节器38的预给定值。因此，将相应于外部加速度地求取的预给定值直接耦合输入到电流调节回路40中。
为了在通过借助伺服电机28使光学器件24移位来调节焦点位置后将该光学器件可靠地固定在其期望位置，由加速度传感器48检测尤其在z方向上、即在光轴26的方向上作用在激光加工头10上的加速度并且将其直接提供给预控制电路50。该预控制电路由所检测到的加速度求取以下附加力：该附加力需要由伺服电机28施加，以便平衡由于加速度而作用到光学器件24和其固定与引导装置——例如光学器件滑架——上的力，并且，该预控制电路输出相应的预给定值，该预给定值直接接入到位置调节器38的预给定上，从而调节回路40相应地提高电机电流。因为由伺服电机28施加的力直接与电机电流成比例，所以通过提高电机电流来产生与通过外部加速度引起的力起反作用的力，而不需要首先出现光学器件24的实际位置与其期望位置的偏差。
由于在考虑所出现的加速度的情况下根据本发明地干预调节回路，所以不必首先发生调节偏差以实现相应的调节参量变化，而是直接借助外部的干扰参量的作用、即借助由外部加速度实现的力的作用来产生具有相反方向的力，从而使光学器件24并且因此焦点22与其期望位置的偏差最小化。

Claims (8)

1.一种用于调节工作激光射束(14)的焦点位置的方法，所述工作激光射束用于加工工件(20)，其中，通过借助伺服电机(28)使光学器件(24)沿着所述光学器件(24)的光轴(26)移位来调节所述工作激光射束(14)的焦点位置，所述方法具有以下步骤：
产生并且输出所述伺服电机(28)的电流调节回路(40)的预给定，以便使所述光学器件(24)运动到期望位置并且保持在那里；
检测作用在所述光学器件(24)的光轴(26)的方向上的加速度；
基于所检测到的加速度改变所输出的所述伺服电机(28)的电流调节回路(40)的预给定，从而所述伺服电机(28)产生反作用于由所检测到的加速度产生的力的附加力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如此改变所述伺服电机的电流调节回路(40)的预给定，使得提高电机电流。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过接入相应于所检测到的加速度地求取的预给定值来改变所输出的所述伺服电机(28)的电流调节回路(40)的预给定。
4.一种用于调节工作激光射束(14)的焦点位置的设备，所述工作激光射束用于加工工件(20)，所述设备具有：
伺服电机(28)，所述伺服电机用于使调节所述焦点位置和/或焦点直径的光学器件(24)沿着所述光学器件(24)的光轴(26)移位；
位置调节器(38)，所述位置调节器输出所述伺服电机(28)的电流调节回路(40)的预给定，以便使所述光学器件(24)运动到期望位置并且保持在那里；
加速度传感器(48)，所述加速度传感器检测加速度；
预控制电路(50)，所述预控制电路基于所检测到的加速度如此改变由所述位置调节器(38)输出的所述伺服电机(28)的电流调节回路(40)的预给定，使得所述伺服电机(28)产生反作用于由所检测到的加速度产生的力的附加力。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述预控制电路(50)如此设计，使得如此改变所述伺服电机(28)的电流调节回路(40)的预给定，从而提高电机电流。
6.根据权利要求4或5所述的设备，其特征在于，设有比较器(42)，由所述位置调节器(38)给所述比较器输送所述伺服电机(28)的电流调节回路(40)的预给定并且由所述预控制电路(50)给所述比较器输送相应于所检测到的加速度地求取的预给定值，从而通过接入所述预控制电路(50)的预给定值来改变所述伺服电机(28)的电流调节回路(40)的预给定。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的设备，其中，所述加速度传感器(48)检测作用在所述光学器件(24)的光轴(26)的方向上的加速度。
8.一种激光加工头(10)，所述激光加工头(10)具有壳体(12)和一种根据权利要求4、5、6或7中任一项所述的用于调节所述工作激光射束(14)的焦点位置的设备，工作激光射束路径引导穿过所述壳体，在所述工作激光射束路径中，调节至少一个焦点位置和/或焦点直径的光学器件(24)能够沿着所述光学器件(24)的光轴(26)进行移位。
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