DE10121655C1

DE10121655C1 - Laserbearbeitungsanlage und Verfahren zu ihrer Betriebssteuerung

Info

Publication number: DE10121655C1
Application number: DE10121655A
Authority: DE
Inventors: Georg Spoerl
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2001-05-03
Filing date: 2001-05-03
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2021-05-04
Also published as: JP2003025083A

Abstract

Verfahren zur Betriebssteuerung einer Laserbearbeitungsanlage mit einem Laserbearbeitungskopf (1) zur Bearbeitung eines Werkstücks (7) mittels eines Laserstrahls (5), wobei der Laserbearbeitungskopf (1) eine elektrisch leitende Sensorelektrode (8) zur kapazitiven Messung eines Abstands zwischen ihm und dem Werktstück (7) trägt, mit folgenden Schritten: DOLLAR A - Anbringen der Sensorelektrode (8) am Laserbearbeitungskopf (1); DOLLAR A - Positionieren des Laserbearbeitungskopfs (1) relativ zum Werkstück (7) in einem Abstand, welcher einer gewünschten minimalen Meßkapazität (C¶min¶) entspricht; DOLLAR A - Messen dieser minimalen Kapazität (C¶min¶) und Speichern des Meßwertes in einem elektronischen Speicher (27); DOLLAR A - Vergleichen einer bei einer Bearbeitung des Werkstücks (7) gemessenen aktuellen Kapazität (C¶Meß¶) mit der gespeicherten minimalen Kapazität (C¶min¶) und DOLLAR A - Erzeugen eines Befehlssignals, wenn die aktuelle Kapazität C¶Meß¶) kleiner als die gespeicherte minimale Kapazität (C¶min¶) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebssteuerung einer Laserbe arbeitungsanlage gemäß dem Anspruch 1 sowie eine Laserbearbeitungs anlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Anspruch 4.

Bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit Hilfe eines Laserstrahls wird zur Fokuslagenregelung häufig auf kapazitivem Wege der Abstand zwi schen dem Werkstück und einem Laserbearbeitungskopf erfaßt, in wel chem sich eine Linsenoptik zur Fokussierung des Laserstrahls befindet. Bei dieser Technik kann eine zum Beispiel aus Kupfer gefertigte Sensore lektrode an der Spitze eines Düsenkörpers des Laserbearbeitungskopfes als Elektrode eines Kondensators benutzt werden, um die Abstandsände rung zum Werkstück, das als zweite Elektrode des Kondensators dient, als Kapazitätsänderung zu erfassen. In der Praxis ist die zuverlässige Kontak tierung der Sensorelektrode häufig ein Problem, da die thermische Bean spruchung und die Vibrationen am Laserbearbeitungskopf eine Locke rung der Verbindung zwischen Sensorelektrode und Düsenkörper bewir ken. An Laserbearbeitungsköpfen wird häufig die Sensorelektrode nur mit einer Verbindung zur Auswerteelektronik kontaktiert. Dabei ist die Sen sorelektrode üblicherweise mit einem Keramikteil gegenüber dem Laser bearbeitungskopf isoliert. Bei dieser Ausführung der kapazitivem Ab standsmessung liegt der Rest des Laserbearbeitungskopfes zumindest für die zur Messung eingesetzte Wechselspannung höherer Frequenz auf Mas sepotential. Ist die elektrische Verbindung von der Sensorelektrode zur Auswerteelektronik unterbrochen, so wird eine zu kleine Kapazität durch die Auswerteelektronik gemessen, die daraufhin versucht, die Kapazität wieder zu vergrößern, indem sie den Laserbearbeitungskopf in Richtung auf das Werkstück bewegt. Daher besteht die Gefahr, daß der Laserbear beitungskopf mit dem Werkstück kollidieren kann, was eine erhebliche Beschädigung des Laserbearbeitungskopfes oder der mechanischen Ach sen zur Folge haben kann.

Aus der DE 42 01 640 C1 ist bereits eine Einrichtung bekannt, die einen solchen Zustand erkennt und ein Warnsignal erzeugt, wenn sich die Sen sorelektrode gelockert hat. Zu diesem Zweck wird dem eigentlichen Kapazitätsmeßsignal eine Gleichspannung überlagert, wodurch ein über die Sensorelektrode fließender Gleichstrom erzeugt wird. Eine Unterbre chung dieses Gleichstroms wird als Indiz für die Lockerung bzw. Ablösung der Sensorelektrode herangezogen. Bei dieser Überwachungsart ist es al lerdings erforderlich, die Sensorelektrode mit zwei Leitungen zu verbin den, was in der Praxis einen erheblichen konstruktiven Mehraufwand be deutet und bei bestimmten Konstruktionen des Düsenkörpers nicht mög lich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne einen zusätzlichen über die Sensorelektrode fließenden Gleichstrom zu erkennen, ob die Sensore lektrode locker ist oder sich vom Laserbearbeitungskopf schon gelöst hat.

Eine verfahrensseitige Lösung der gestellten Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Dagegen findet sich eine vorrichtungsseitige Lösung der ge stellten Aufgabe im Anspruch 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin dung sind den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Betriebssteuerung einer Laserbe arbeitungsanlage mit einem Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, wobei der Laserbearbeitungskopf eine elektrisch leitende Sensorelektrode zur kapazitiven Messung eines Abstands zwischen ihm und dem Werkstück trägt, umfaßt folgende Schrit te:

- Anbringen der Sensorelektrode am Laserbearbeitungskopf;
- Positionieren des Laserbearbeitungskopfs relativ zum Werkstück in einem Abstand, welcher einer gewünschten minimalen Messkapazi tät entspricht;
- Messen dieser minimalen Kapazität und Speichern des Messewertes in einem elektronischen Speicher;
- Vergleichen einer bei einer Bearbeitung des Werkstücks gemessenen aktuellen Kapazität mit der gespeicherten minimalen Kapazität; und
- Erzeugen eines Befehlsignals, wenn die aktuelle Kapazität kleiner als die gespeicherte minimale Kapazität ist.

Eine Laserbearbeitungsanlage zur Durchführung des Verfahrens enthält einen Laserbearbeitungskopf mit einer Sensorelektrode zur kapazitivem Messung eines Abstands zwischen ihm und einem Werkstück; und eine elektronische Schaltung, die zwischen einer Kalibrierbetriebsart und ei ner Normalbetriebsart umschaltbar ist, wobei die elektronische Schaltung so ausgebildet ist, daß sie in der Kalibrierbetriebsart bei Empfang eines Kalibriersignals einen vorgebbaren minimalen Kapazitätsmeßwert spei chert und in der Normalbetriebsart, in der der Laserbearbeitungskopf in vorbestimmten Abstand relativ zum Werkstück geführt wird, eine aktuell gemessene Kapazität mit dem gespeicherten Kapazitätsmeßwert ver gleicht und ein Befehlssignal erzeugt, wenn der aktuelle Kapazitätsmeß wert kleiner als der gespeicherte Kapazitätsmeßwert ist.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Anteil der Streukapazität zwi schen der Sensorelektrode und dem Laserbearbeitungskopf als Indiz für eine intakte Verbindung zwischen Sensorelektrode und Auswerteelektro nik heranzuziehen. Hierzu wird der Laserbearbeitungskopf auf eine Posi tion bewegt, an der zum Beispiel der größtmögliche Abstand zwischen dem Laserbearbeitungskopf und dem Werkstück vorliegt. Der Abstand kann aber auch ein solcher sein, der beim Verfahren des Laserbearbeitungs kopfs zwischen zwei Bearbeitungsbereichen eingenommen wird oder dar über liegt. An der jeweiligen Position bzw. unter dem jeweiligen Abstand wird dann die Kapazität zwischen Sensorelektrode und Werkstück gemes sen, und dieser Meßwert wird in der Auswerteelektronik als minimaler Ka pazitätsmeßwert gespeichert. Dieser minimale Kapazitätsmeßwert kann nur unterschritten werden, wenn durch Verlust der Sensorelektrode der Kontakt mit ihr verloren geht oder wenn sich die Sensorelektrode lockert und sich dadurch der Abstand zwischen Sensorelektrode und Laserbear beitungskopf erhöht. Durch den Vergleich der jeweils aktuell gemessenen Kapazität mit der zuvor abgespeicherten Minimalkapazität kann dann zum Beispiel ein Alarmsignal für die übergeordnete Maschinensteuerung generiert und damit ein Bearbeitungsvorgang gestoppt werden, wodurch eine Beschädigung des Laserbearbeitungskopfes vermieden wird.

Der obige Fehlerzustand kann im Falle des Ablösens der Sensorelektrode vom Laserbearbeitungskopf sowohl beim Bearbeiten des Werkstücks durch Schneiden, Schweißen, usw. als auch dann erkannt werden, wenn zwischen zwei Bearbeitungsvorgängen der Laserbearbeitungskopf von ei nem Bearbeitungsbereich zu einem anderen Bearbeitungsbereich bei kon stantem größerem Abstand verfahren wird. Das Ablösen der Sensorelek trode führt immer zu einer so geringen aktuellen Meßkapazität, daß diese stets kleiner als die vorgespeicherte minimale Meßkapazität ist. Der Zu stand der Lockerung der Sensorelektrode am Laserbearbeitungskopf bei noch vorhandenem Kontakt zur Auswerteelektronik läßt sich dagegen nur in den gesteuerten Verfahrbereichen zwischen den jeweiligen Bearbei tungsbereichen detektieren, da ein derartiger Zustand in den Bearbei tungsbereichen selbst, bei denen der Abstand zwischen Sensorelektrode und Werkstück sehr klein ist, durch die Auswerteelektronik in dem Sinne ausgeregelt werden würde, daß der Abstand zwischen Sensorelektrode und Werkstück konstant bleibt.

Durch die Erfindung wird es möglich, die oben genannten Fehlerzustände verläßlich zu detektieren, auch wenn aufgrund von Exemplarstreuungen der Bauteile die Kapazität zwischen Sensorelektrode und Laserbearbei tungkopf von Kopf zu Kopf schwankt. Die digitale Signalverarbeitung er möglicht hierzu die Kalibrierung eines Vergleichszustands für jeden ein zelnen Laserbearbeitungskopf und die Erkennung eines Fehlerzustands, wenn die aktuell gemessene Kapazität den Vergleichswert unterschreitet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung nä herbeschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Laserbearbeitungskopfes;

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild von Kapazitäten des Laserbearbeitungskop fes;

Fig. 3 eine Oszillatorschaltung für den Laserbearbeitungskopf;

Fig. 4 ein Blockdiagramm des elektrischen Teils einer Laserbearbeitungsanlage mit Auswerteelektrode; und

Fig. 5 den genaueren Aufbau der Auswerteelektronik.

Fig. 1 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 1, wie er bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz kommt. Der Laserbear beitungskopf 1 weist unter anderem ein Gehäuse 2 auf, daß an seinem un teren Ende einen Düsenkörper 3 trägt. Gehäuse 2 und Düsenkörper 3 kön nen mittels einer Rändelschraube 4 gegeneinander gezogen werden. Durch das Gehäuse 2 und den Düsenkörper 3 tritt ein Laserstrahl 5 hin durch, der mittels einer im Gehäuse 2 vorhandenen Linsenanordnung 6 fo kussiert wird. Der Fokus des Laserstrahls 5 liegt außerhalb des Laserbear beitungskopfes 1 und kommt im Bereich der Oberfläche eines Werkstücks 7 zu liegen, das mit Hilfe des fokussierten Laserstrahls 5 bearbeitet wer den soll. Auf diese Weise können Schneid- oder Schweißvorgänge, und dergleichen, ausgeführt werden. Am unteren Ende des Düsenkörpers 3 ist eine aus elektrisch leitendem Material bestehende Sensorelektrode 8 an geordnet, die etwa aus Kupfer hergestellt ist. Diese Sensorelektrode 8 wird von einem Keramikteil 9 gehalten, das seinerseits über eine Rändel schraube 10 gegen den unteren Rand des Düsenkörpers 3 gezogen wird. Durch das Keramikteil 9 wird die Sensorelektrode 8 gegenüber dem Dü senkörper 3 bzw. dem Gehäuse 2 elektrisch isoliert. Die Sensorelektrode 8 bildet somit eine Elektrode eines Kondensators, dessen andere Elektrode das auf Massepotential liegende Werkstück 7 ist. Das Gehäuse 2 bzw. der Düsenkörper 3, die aus elektrisch leitendem Material bestehen und miteinander in Kontakt stehen, liegen ebenfalls auf Massepotential.

Die Sensorelektrode 8 ist mit einem am Gehäuse 2 angebrachten LC-Oszil lator 11 elektrisch verbunden. Hierzu steht die Sensorelektrode 8 mit ei nem im Keramikteil 9 gehaltenen Kontaktstift 12 in elektrischem Kontakt, welcher seinerseits über ein im Inneren des Düsenkörpers 3 geführtes und elektrisch insoliertes bzw. abgeschirmtes Kabel und weiter über ein Koaxi alkabel 13 mit dem LC-Oszillator 11 in Verbindung steht.

Bei der Bearbeitung des Werkstücks 7 muß üblicherweise der Abstand zwischen dem Laserbearbeitungskopf 1 und dem Werkstück 7 konstant bleiben, also der Abstand zwischen der Sensorelektrode 8 und dem Werk stück 7 bzw. der Gegenelektrode. Hierzu wird durch Anlegen einer Hoch frequenzspannung an die Sensorelektrode 8 ein Abstandsmeßsignal S (siehe Fig. 3) erzeugt, dessen Frequenz von der Kapazität des durch die Elektroden 7 und 8 gebildeten Meßkondensators abhängt. Das Abstands meßsignal 5 wird über ein Koaxialkabel 14 zu einer Auswerteelektronik 15 übertragen und bildet praktisch einen Ist-Wert. Dieser Ist-Wert wird mit einem vorgegebenen Soll-Wert verglichen, und eine Regeleinrichtung re gelt dann den gemessenen Ist-Wert auf den Soll-Wert, um einen den Soll- Wert entsprechenden Abstand zwischen den Elektroden 7 und 8 zu halten. Die entsprechende Stelleinrichtung zur Verstellung der Höhenposition des Laserbearbeitungskopfes 1 relativ zum Werkstück 7 ist in der Fig. 1 der Übersicht wegen nicht dargestellt.

Die Fig. 2 zeigt die Kapazitätsverhältnisse beim Laserbearbeitungskopf nach Fig. 1. Zu erkennen ist rechts die zwischen den Elektroden 7 und 8 liegende Meßkapazität C_Meß, während weitere parasitäre Kapazitäten C1, C2 und C3 parallel zur Meßkapazität liegen und mit C_P bezeichnet sind. Die parasitäre Kapazität C1 wird praktisch durch die Kabelkapazitäten ge bildet, während die Kapazität C2 die Kapazität zwischen der Sensorelek trode 8 und dem Düsenkörper 3 ist, wobei das Dielektrikum durch die Luft gebildet wird. Die parasitäre Kapazität C3 liegt ebenfalls zwischen der Sensorelektrode 8 und dem Düsenkörper 3, wobei das Dielektrikum jetzt allerdings durch das Keramikteil 9 gebildet wird. Der Kontaktstift 12 liegt im Schaltungsdiagramm nach Fig. 2 zwischen den Kapazitäten C1 und C2.

Das an die Sensorelektrode 8 angelegte Abstandsmeßsignal S ist das Aus gangssignal des LC-Oszillators 11, zu dem eine Spule 16, der Meßkonden sator 7, 8, ein die parasitäre Kapazität C_P darstellender Kondensator, ein Steuerteil 17, 18, 19, und ein Ausgangsverstärker 20 gehören. Genauer gesagt interessiert hier als Ausgangssignal die Frequenz des Abstands meßsignals S, das über einem Kondensator 21 gefiltert als Hochfrequenzsignal über den Innenleiter des Koaxialkabels 14 und über ein weiteres nicht dargestelltes Hochpaßfilter einem Frequenzzähler 22 zugeführt wird, welcher sich in der Auswerteelektronik 15 befindet. Die vom Fre quenzzähler 15 gezählte Frequenz wird einem Mikroprozessor 23 zugelei tet, der diese Frequenz, die auch temperaturkorrigiert sein kann, als Ist- Wert ansieht.

Der LC-Oszillator 11 gemäß Fig. 3 enthält im Steuerteil einen ersten Transistor 17, einen zweiten Transistor 18 und einen Widerstand 19. Der Kollektoranschluß des ersten Transistors 17 liegt auf Masse, während sein Basisanschluß mit der Spule 16 und der ersten Elektrode 8 des Meß kondensators 7, 8 gekoppelt ist. Dieser Basisanschluß geht auch auf den Eingang des Ausgangsverstärkers 20. Die anderen Anschlüsse von Spule 16 und Meßkondensator liegen auf Masse, also auch die zweite Elektrode 7 bzw. das Werkstück. Der Steuerteil enthält ferner einen zweiten Transis tor 18, dessen Basisanschluß auf Masse liegt, und dessen Kollektoran schluß ebenfalls mit dem Eingang des Ausgangsverstärkers 20 verbunden ist. Die Emitteranschlüsse der beiden Transistoren 17 und 18 sind direkt miteinander verbunden, wobei über einen gemeinsamen Verbindungs punkt der Emitterwiderstand 19 jeweils mit den Emitteranschlüssen der Transistoren 17 und 18 gekoppelt ist. Der andere Anschluß des Emitter widerstands 19 erhält negatives Speicherpotential. Der Ausgang des Aus gangsverstärkers 20 ist über den Kondensator 21 zu einem Anschluß ge führt, mit dem das Koaxialkabel 14 in Verbindung steht.

Der in Fig. 3 gezeigte LC-Oszillator ist als Differenzverstärker realisiert. Da das Basispotential des ersten Transistors 17 mit dem Kollektorpoten tial des zweiten Transisors 18 in Phase ist, kann man die Mitkopplung durch direkte Verbindung erzeugen. Die Schleifenverstärkung ist zur Steilheit der Transistoren proporional. Sie läßt sich durch Änderung des Emitterstroms in weiten Grenzen einstellen. Am Ausgang des LC-Oszilla tors erhält man dann das Abstandsmeßsignal S, dessen Frequenz von der abstandsabhängigen Kapazität C_Meß bestimmt ist, sowie durch die para sitäre Kapazität C_P. Zur Gleichspannungsversorgung des LC-Oszillators kann eine in der Auswerteelektronik 15 nicht dargestellte Gleichspan nungsquelle vorhanden sein, die über das Koaxialkabel 14 die Gleichspan nung zum LC-Oszillator überträgt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen jeweils Blockdiagramme einer Laserbearbei tungsanlage und sind gegenüber der Fig. 3 um eine Maschinensteuerung 24 ergänzt, die mit der Auswerteelektronik 15 verbunden ist. Die Maschi nensteuerung 24 weist im vorliegenden Fall einen Schalter 25 auf, bei des sen Betätigung die Maschinensteuerung 24 ein Kalibriersignal über eine Leitung 26 zum Mikroprozessor 23 der Auswerteelektronik 15 überträgt. Bei Erhalt des Kalibriersignals kann in einem mit dem Mikroprozessor 23 verbundenen Speicher 27 ein minimaler Kapazitätsmeßwert (entspre chender Frequenzzählwert vom Frequenzzähler 22) gespeichert werden, der als Referenz für die Beurteilung dient, ob sich die Sensorelektrode 8 am Düsenkörper 1 gelockert hat, aber noch in Kontakt mit dem Kontakt stift 12 steht, oder ob sie bereits keinen Kontakt mehr zum Kontaktstift 12 hat und etwa schon vom Laserbearbeitungskopf 1 abgefallen ist. Hierzu wird ein in der Normalbetriebsart der Laserbearbeitungsanlage gemesse ner Kapazitätswert am Ausgang des Frequenzzählers 22 mit dem im Spei cher 27 gespeicherten Zählwert verglichen. Wird dabei festgestellt, daß die aktuell gemessene Kapazität kleiner ist als die im Speicher 27 gespeicherte minimale Kapazität, wird im Mikroprozessor 23, der diesen Vergleich aus führt, ein Befehlssignal generiert, welches über eine Leitung 28 zurück zur Maschinensteuerung 24 übertragen wird, um dort als Alarmsignal zum Beispiel die Laserbearbeitungsanlage stillzusetzen und damit die Bewe gung des Laserbearbeitungskopfes relativ zum Werkstück zu stoppen.

Claims

1. Verfahren zur Betriebssteuerung einer Laserbearbeitungsanlage mit einem Laserbearbeitungskopf (1) zur Bearbeitung eines Werkstücks (7) mittels eines Laserstrahls (5), wobei der Laserbearbeitungskopf (1) eine elektrisch leitende Sensorelektrode (8) zur kapazitiven Messung eines Ab stands zwischen ihm und dem Werkstück (7) trägt, mit folgenden Schrit ten:

- Anbringen der Sensorelektrode (8) am Laserbearbeitungskopf (1);
- Positionieren des Laserbearbeitungskopfs (1) relativ zum Werkstück (7) in einem Abstand, welcher einer gewünschten minimalen Meßkapazität (C_min) entspricht;
- Messen dieser minimalen Kapazität (C_min) und Speichern des Meßwertes in einem elektronischen Speicher (27);
- Vergleichen einer bei einer Bearbeitung des Werkstücks (7) gemes senen aktuellen Kapazität (C_Meß) mit der gespeicherten minimalen Kapa zität (C_min) und
- Erzeugen eines Befehlssignals, wenn die aktuelle Kapazität (C_Meß) kleiner als die gespeicherte minimale Kapazität (C_min) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ge nannte Abstand ein solcher ist, der beim Verfahren des Laserbearbei tungskopfs (1) zwischen zwei Bearbeitungsbereichen eingenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ge nannte Abstand ein solcher ist, der größer als derjenige ist, welcher beim Verfahren des Laserbearbeitungskopfs (1) zwischen zwei Bearbeitungsbe reichen eingenommen wird.

4. Laserbearbeitungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach ei nem der Ansprüche 1 bis 3, enthaltend:
einen Laserbearbeitungskopf (1) mit einer Sensorelektrode (8) zur kapazitiven Messung eines Abstands zwischen ihm und einem Werkstück (7); und
eine elektronische Schaltung (15, 24), die zwischen einer Kalibrier betriebsart und einer Normalbetriebsart umschaltbar ist, wobei die elektronische Schaltung so ausgebildet ist, daß sie
in der Kalibrierbetriebsart bei Empfang eines Kalibriersignals einen vorgebbaren minimalen Kapazitätsmeßwert (C_min) speichert und
in der Normalbetriebsart, in der der Laserbearbeitungskopf (1) in vorbestimmtem Abstand relativ zum Werkstück (7) geführt wird, eine ak tuell gemessene Kapazität (C_Meß) mit dem gespeicherten Kapazitätsmeß wert (C_min) vergleicht und ein Befehlssignal erzeugt, wenn der aktuelle Kapazitätsmeßwert (C_Meß) kleiner als der gespeicherte Kapazitätsmeß wert (C_min) ist.

5. Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die elektronische Schaltung einen Schalter (25) zur Erzeugung des Kalibriersignals aufweist.