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Die
Erfindung betrifft eine Abstandsmessvorrichtung, insbesondere zur
Erfassung der Höhenlage eines
Bearbeitungswerkzeugs relativ zur Oberfläche eines Werkstücks, mit
einer Projektionseinrichtung, die zur Abstrahlung eines im Wesentlichen
in einer Abstrahlebene befindlichen, eine optische Markierung auf
dem Werkstück
erzeugenden Lichtbündels ausgestaltet
ist, mit einer Detektionseinrichtung, die einen positionsempfindlichen
Detektor und eine Abbildungsoptik zum Abbilden zumindest eines Bereichs
der ersten optischen Markierung auf den Detektor aufweist.
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Eine
derartige, an einem Arbeitskopf einer Lasermaterialbearbeitungsmaschine
angeordnete Abstandsmessvorrichtung ist aus
JP 2000263273 A bekannt.
Die Abstandsmessvorrichtung hat eine Projektionseinrichtung, die
als Lichtquelle eine Laserdiode aufweist, welche ein Lichtbündel zur
Projektion einer Linie auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks abstrahlt.
Die Abstrahlebene des Lichtbündels
ist gegenüber
der Werkstückoberfläche und der
Längsachse
des Laserstrahls des Bearbeitungswerkzeugs geneigt, so dass das
Lichtbündel
in Form einer optischen Linie auf der Werkstückoberfläche sichtbar ist. Die Lage
der optischen Linie auf dem Werkstück und damit die Höhenlage
des Bearbeitungswerkzeugs wird mittels einer ortsfest zu der Projektionseinrichtung
angeordneten Detektionseinrichtung ermittelt, die als positionsempfindlichen
Detektor einen CCD-Chip aufweist. Mit Hilfe einer Abbildungsoptik
wird die optische Linie auf dem CCD-Chip abgebildet. Die optische
Achse der Abbildungsoptik ist quer zu der Abstrahlebene des Lichtbündels angeordnet,
so dass anhand der Lage der Abbildung der optischen Linie auf dem
CCD-Chip durch Triangulation die Höhenlage des Bearbeitungswerkzeugs
bestimmt werden kann. Diese wird an einen Lageregler einer Z-Achse weitergeleitet,
welche die Fokuslage des Materialbearbeitungs-Laserstrahls auf einen
vorgegebenen Sollwert regelt. Die Abstandsmessvorrichtung ermöglicht zwar
eine automatische Einstellung der Fokuslage, hat jedoch den Nachteil,
dass die optische Linie nicht ohne Weiteres zum Markieren der Längsmittelachse
des Materialbearbeitungs-Laserstrahls auf dem Werkstück genutzt
werden kann, weil sie diese nur dann schneidet, wenn sich der Arbeitskopf
in einer bestimmten Höhenlage
relativ zur Oberfläche
des Werkstücks
befindet. Zum manuellen Einprogrammieren („Teachen") der Positionierung des Arbeitskopfs
ist aber erforderlich, dem Programmierer die Lage der späteren Bearbeitungsstelle
des Materialbearbeitungs-Laserstrahls auf dem Werkstück anzuzeigen.
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Aus
DE 199 53 114 C2 ist
ferner eine gattungsfremde Markiervorrichtung zum Projizieren einer
optischen Hilfsmarkierung auf die Oberfläche eines mit einer Materialbearbeitungseinrichtung
zu bearbeitenden Werkstücks
bekannt. Die Markiervorrichtung ist über eine Halterung mit einem
ein Bearbeitungswerkzeug aufweisenden Arbeitskopf der Materialbearbeitungseinrichtung
verbunden. Die Markiervorrichtung hat zwei Projektionseinrichtungen, die
jeweils ein flächiges
Lichtbündel
auf die Oberfläche
des Werkstücks
projizieren. Die Ebenen der Lichtbündel sind jeweils radial zur
Längsmittelachse des
Bearbeitungswerkzeugs angeordnet und verlaufen in unterschiedliche
Richtungen, so dass auf die Werkstückoberfläche zwei sich kreuzende Linien
projiziert werden, deren Kreuzungsstelle unabhängig von der jeweils eingestellten
Höhenlage
des Bearbeitungswerkzeugs stets auf der Längsmittelachse des Bearbeitungswerkzeugs
angeordnet sind. Die Markiervorrichtung hat sich in der Praxis vor
allem dadurch bewährt,
weil sie sich mittels der speziell ausgestalteten Halterung auf
einfache Weise auch nachträglich
an bereits vorhandenen Arbeitsköpfen
montieren lässt.
Ein Nachteil der Markiervorrichtung besteht jedoch noch darin, dass
sie die Höhenlage
des Bearbeitungswerkzeugs nicht erfasst.
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Es
besteht deshalb die Aufgabe, eine Abstandsmessvorrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, aus unterschiedlichen,
parallel zueinander versetzten Messebenen heraus auf einfache Weise
den Abstand zu einer auf einem Werkstück angeordneten Stelle zu erfassen und
diese Stelle jeweils optisch zu markieren.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Abstandsmessvorrichtung mit einer ersten
Projektionseinrichtung, die zur Abstrahlung eines im Wesentlichen
in einer ersten Abstrahlebene befindlichen, eine erste optische
Markierung auf dem Werkstück
erzeugenden ersten Lichtbündels
ausgestaltet ist, und mit einer Detektionseinrichtung, die einen
positionsempfindlichen Detektor und eine Abbildungsoptik zum Abbilden
zumindest eines Bereichs der ersten optischen Markierung auf den
Detektor aufweist, dadurch gelöst,
dass die Abstandsmessvorrichtung eine zweite Projekti onseinrichtung
aufweist, die zur Abstrahlung eines im Wesentlichen in einer zweiten
Abstrahlebene befindlichen, eine zweite optische Markierung auf dem
Werkstück
erzeugenden zweiten Lichtbündels ausgestaltet
ist, dass die Abstrahlebenen der Lichtbündel derart quer zueinander
angeordnet sind, dass sich die Lichtbündel entlang einer Schnittlinie
schneiden, die durch den auf den Detektor abgebildeten Bereich der
ersten optischen Markierung verläuft,
und dass die Detektionseinrichtung für das Licht des zweiten Lichtbündels unempfindlich
ist.
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Aus
dem Messsignal des positionsempfindlichen Detektors und Kenngrößen für die geometrische
Anordnung der flächigen
Lichtbündel
und des Detektors relativ zueinander kann dann durch Triangulation
die Höhenlage
der Abstandsmessvorrichtung in Bezug zu dem Schnittpunkt zwischen
der Schnittlinie der Lichtbündel
und der Oberfläche
des Werkstücks
bestimmt werden, auf welches die Lichtbündel projiziert werden. Dabei
wird unter einer Höhenlage
der Abstand zwischen dem auf dem Werkstück optisch markierten Schnittpunkt
und einem auf der Schnittlinie oder deren gerader Verlängerung
befindlichen Bezugspunkt verstanden. Die auf das Werkstück projizierte
optische Markierung, die bevorzugt als Fadenkreuz ausgestaltet ist,
ist leicht auffindbar. Die optischen Achsen der Projektionsoptiken sind
voneinander beabstandet und/oder quer zueinander angeordnet.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist die zweite Projektionseinrichtung zur Abstrahlung
von polarisiertem Licht ausgebildet, wobei in dem Strahlengang zwischen
der Schnittlinie und dem positionsempfindlichen Detektor ein für das polarisierte
Licht im Wesentlichen undurchlässiger polarisationsempfindlicher
Filter angeordnet ist. Das von den beiden Projektionseinrichtungen
abgestrahlte Licht kann dann dieselbe Wellenlänge oder dasselbe Frequenzspektrum
aufweisen, so dass die Projektionseinrichtungen baugleiche Lichtquellen
und/oder Projektionsoptiken aufweisen können. Die Projektionseinrichtung
ist dadurch kostengünstig
herstellbar. Außerdem
ermöglicht
die Projektionseinrichtung die Projektion einer homogenen optischen
Markierung auf das Werkstück.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung sind die erste Projektionseinrichtung und die zweite
Projektionseinrichtung zur Aussendung von Lichtbündeln unterschiedlicher Wellenlänge ausgestaltet,
wobei in dem Strahlengang zwischen der Schnittlinie und dem positionsempfindlichen
Detektor ein für
das Licht des zweiten Lichtbündels
im Wesentlichen undurchlässiger
chromatischer Filter angeordnet ist. Somit wird nur das von dem
Werkstück reflektierte
Licht des ersten Lichtbündels
auf dem positionsempfindlichen Detektor abgebildet.
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Vorteilhaft
ist, wenn die erste Projektionseinrichtung eine erste Lichtquelle
und eine in deren Abstrahlbereich angeordnete erste Projektionsoptik
aufweist, wenn die zweite Projektionseinrichtung eine zweite Lichtquelle
und eine in deren Abstrahlbereich angeordnete zweite Projektionsoptik
aufweist, wenn die zweite Projektionsoptik die Abbildungsoptik für den Detektor
bildet, und wenn in dem Strahlengang zwischen der zweiten Lichtquelle
und der Abbildungsoptik ein Strahlteiler angeordnet ist, der das
auf ihn auftreffende Licht der zweiten Lichtquelle zu der Abbildungsoptik
und das auf ihn aus Richtung der Abbildungsoptik auftreffende, an
dem Werkstück
reflektierte Licht der ersten Lichtquelle zum Detektor weiterleitet.
Die Abbildungsoptik erfüllt
dann eine Doppelfunktion, da sie einerseits das Licht der zweiten
Lichtquelle auf das Werkstück
und andererseits das von dem Werkstück zurückreflektierte Licht der ersten
Lichtquelle auf den positionsempfindlichen Detektor abbildet. Als
Projektionsoptiken sind vorzugsweise zylindrische Linsen vorgesehen.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung sind die erste Projektionseinrichtung zur Aussendung
von in einer ersten Polarisationsebene polarisiertem Licht und die
zweite Projektionseinrichtung zur Aussendung von in einer zweiten,
vorzugsweise normal zur ersten Polarisationsebene angeordneten Polarisationsebene
polarisiertem Licht ausgebildet, wobei der Strahlteiler ein polarisierender Strahlteiler
(PBS) ist, der für
in der ersten Polarisationsebene polarisiertes Licht in einem von
der zweiten Lichtquelle über
eine Strahlteilerstelle zu der Abbildungsoptik verlaufenden ersten
Strahlengang und für
in der zweiten Polarisationsebene polarisiertes Licht in einem von
der Abbildungsoptik über
die Strahlteilerstelle zu dem Detektor führenden zweiten Strahlengang
durchlässig
ist. Die Abstandsmessvorrichtung ermöglicht dadurch einen noch einfacheren und
kostengünstigeren
Aufbau.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung sind die erste Projektionseinrichtung zur Aussendung
von Licht in einem ersten Wellenlängenbereich und die zweite
Projektionseinrichtung zur Aussendung von Licht in einem zweiten
Wellenlängenbereich
ausgebildet, wobei der Strahlteiler ein chromatischer Strahlteiler
ist, der für
Licht des ersten Wellenlängenbereichs
in einem von der zweiten Lichtquelle über eine Strahlteilerstelle
zu der Abbildungsoptik verlaufenden ersten Strahlengang und für Licht
des zweiten Wellenlängenbereichs
in einem von der Abbildungsoptik über die Strahlteilerstelle
zu dem Detektor führenden
zweiten Strahlengang durchlässig
ist. Die Abstandsmessvorrichtung ermöglicht dann einen kompakten
Aufbau, bei dem die zweite Projektionsoptik die Abbildungsoptik
für den positionsempfindlichen
Detektor bildet.
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Vorteilhaft
ist, wenn der positionsempfindliche Detektor mehrere matrixförmig in
einer Zeile angeordnete Photozellen aufweist. Der Detektor kann dann
beispielsweise ein CCD-Zeilensensor sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der positionsempfindliche
Detektor eine positionsempfindliche Photozelle (PSD). Die Abstandsmessvorrichtung
ist dann noch kostengünstiger
herstellbar, da das PSD ein zu dem gemessenen Abstand proportionales
Analogsignal liefert.
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Die
Lichtquellen sind bevorzugt Halbleiterlichtquellen und insbesondere
Laserdioden. Die Abstandsmessvorrichtung ermöglicht dann entsprechend kompakte
Abmessungen.
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Vorteilhaft
ist, wenn die Projektionseinrichtungen und die Detektionseinrichtung
an einer Halterung angeordnet sind, und wenn die Halterung derart mit
einem das Bearbeitungswerkzeug aufweisenden Arbeitskopf verbindbar
ist, dass die Schnittlinie der Lichtbündel mit der Längsmittelachse
des Bearbeitungswerkzeugs oder deren gerader Verlängerung übereinstimmt.
Die auf das Werkstück
projizierte optische Markierung markiert dann unabhängig von
der Höhenlage
des Arbeitskopfs relativ zu dem Werkstück jeweils genau die Stelle,
an der das Bearbeitungswerkzeug an dem Werkstück angreift. Das Bearbeitungswerkzeug
kann insbesondere ein fokussierter Laserstrahl, ein Bohrer, ein
Fräswerkzeug oder
ein Hochdruckwasserstrahl sein.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung weist die Halterung eine Durchtrittsöffnung für das Bearbeitungswerkzeug
auf und ist vorzugsweise ring- oder rohrförmig ausgestaltet. Die Projektionseinrichtungen
und die Detektionseinrichtung können
dann an der Halterung seitlich neben dem Bearbeitungswerkzeug angeordnet
sein. Bei einem mit einer refraktiven Fokussierlinse ausgestalteten Arbeitskopf
für einen
Materialbearbeitungslaser kann dadurch das Projizieren eines Pilotlaserstrahls
durch die Fokussierlinse hindurch auf das Werkstück vermieden werden. Somit
werden durch die Diffraktion des refraktiven Mediums der Fokussierlinse
bedingte Abbildungsfehler vermieden.
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Die
Durchtrittsöffnung
für das
Bearbeitungswerkzeug kann eine Innenhöhlung der ring- oder rohrförmigen Halterung
durchsetzen, wobei die Projektionseinrichtungen und/oder die Detektionseinrichtung
in der Innenhöhlung
zwischen der Durchtrittsöffnung
und einer um diese herum angeordneten Innenumfangswand der Halterung
angeordnet sind. Die optischen Komponenten der Abstandsmessvorrichtung
sind dann in der Innenhöhlung
der Halterung vor mechanischer Beschädigung geschützt.
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Nachfolgend
ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige 1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Seitenansicht einer an einem Arbeitskopf
einer Lasermaterialbearbeitungseinrichtung angeordneten Abstandsmessvorrichtung,
wobei eine Halterung, an der optische Komponenten vorgesehen sind, transparent
dargestellt ist.
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Eine
in der Zeichnung im Ganzen mit 1 bezeichnete Abstandsmessvorrichtung
zur Erfassung der Höhenlage
eines Arbeitskopfs einer Lasermaterialbearbeitungseinrichtung hat
eine etwa zylindrische Halterung 2 mit einer Innenhöhlung, für den Durchtritt eines
fokussierten Materialbearbeitungs-Laserstrahls 3. Die Halterung 2 ist
mittels Befestigungselementen lösbaren
mit einem in der Zeichnung nur schematisch dargestellten, eine Fokussierlinse 4 für den Laserstrahl 3 aufweisenden
Arbeitskopf der Lasermaterialbearbeitungseinrichtung verbunden. Die
Höhenlage
des Arbeitskopfs ist mittels eines Positionierantriebs im Abstand
relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück 7 verstellbar.
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Die
Abstandsmessvorrichtung 1 hat eine erste Projektionseinrichtung 5a,
die ein flächiges
erstes Lichtbündel 6a in
Richtung auf das Werkstück 7 abstrahlt.
Das erste Lichtbündel 6a ist
in einer Ebene angeordnet, die radial zur Längsmittelachse 8 des Laserstrahls 3 verläuft. Das
Licht des ersten Lichtbündels 6a ist
in einer ersten Ebene polarisiert. Es wird mittels einer als Laserdiode
ausgestalteten ersten Lichtquelle 9a erzeugt.
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Im
Abstrahlbereich der ersten Lichtquelle 9a ist eine erste
Projektionsoptik 10a angeordnet, die eine erste Sammellinse 11a und
eine erste zylindrische Linse 12a aufweist. Mittels der
ersten Sammellinse 11a wird das von der ersten Lichtquelle 9a abgestrahlte
Licht zu einem Lichtbündel
mit etwa parallel zueinander verlaufenden Lichtstrahlen gebündelt und
auf die erste zylindrische Linse 12a projiziert. Diese
ist mit ihrer Längsachse
normal zu der Ebene des ersten Lichtbündels 6a ausgerichtet.
Zum Bilden des flächigen
ersten Lichtbündels 6a weitet
die erste zylindrische Linse 12a das Licht in der Abstrahlebene des
ersten Lichtbündels 6a radial
zu der Längsmittelachse 8 auf.
Die Längsmittelachse
des ersten Lichtbündels 6a verläuft schräg zur Längsmittelachse 8 des
Laserstrahls 3. Mittels des ersten Lichtbündels 6a wird
eine linienförmige
erste optische Markierung 14a auf die Oberfläche des
Werkstücks 7 projiziert.
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Die
Abstandsmessvorrichtung 1 hat ferner eine zweite Projektionseinrichtung 5b,
die ein flächiges
zweites Lichtbündel 6b auf
das Werkstück 7 abstrahlt,
welches das erste Lichtbündel 6a entlang
einer Schnittlinie 13 schneidet. Die Schnittlinie 13 verläuft in der
Längsmittelachse 8 des
Materialbearbeitungs-Laserstrahls 3. Das zweite Lichtbündel 6b ist
in einer Ebene angeordnet, die radial zur Längsmittelachse 8 des
Laserstrahls 3 und normal zur Ebene des ersten Lichtbündels 6a verläuft. Dabei
ist die Längsmittelachse
des zweiten Lichtbündels 6b gegenüber der
Längsmittelachse 8 des
Laserstrahls 3 bzw. der Schnittlinie 13 geneigt.
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Das
Licht des zweiten Lichtbündels 6b wird mittels
einer als Laserdiode ausgestalteten zweiten Lichtquelle 9b erzeugt.
Es ist in einer zweiten Ebene polarisiert, die etwa normal zu der
Polarisationsebene des ersten Lichtbündels 6a verläuft.
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Im
Abstrahlbereich der zweiten Lichtquelle 9b ist eine zweite
Projektionsoptik 10b angeordnet, die eine zweite Sammellinse 11b und
eine zweite zylindrische Linse 12b aufweist.
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Mittels
der zweiten Sammellinse 11b wird das von der zweiten Lichtquelle 9b abgestrahlte
Licht zu einem Lichtbündel
mit etwa parallel zueinander verlaufenden Lichtstrahlen gebündelt und
auf die zweite zylindrische Linse 12b projiziert. Die zweite zylindrische
Linse 12b ist mit ihrer Längsachse normal zu der Ebene
des zweiten Lichtbündels 6b ausgerichtet
und somit quer zu der Längsachse
der ersten zylindrischen Linse 12a angeordnet. Zum Bilden des
flächigen
zweiten Lichtbündels 6b weitet
die die zweite zylindrische Linse 12b das Licht in der
Abstrahlebene des zweiten Lichtbündels 6b radial
zu der Längsmittelachse 8 auf.
Mittels des zweiten Lichtbündels 6b wird
eine linienförmige
zweite optische Markierung 14b auf die Oberfläche des
Werkstücks 7 projiziert,
welche die erste optische Markierung 14a kreuzt und mit
dieser ein Fadenkreuz bildet.
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Zur
Messung der Höhenlage
des Fokus des Materialbearbeitungs-Laserstrahls 3 relativ
zur Werkstückoberfläche hat
die Abstandsmessvorrichtung einen positionsempfindlichen optischen
Detektor 15, auf den ein Bereich der ersten optischen Markierung 14a,
der die Kreuzungsstelle der beiden optischen Markierungen 14a, 14b enthält, mittels
der zweiten Projektionsoptik 10b abgebildet wird. Um dies
zu ermöglichen,
ist in dem Strahlengang zwischen der zweiten Lichtquelle 9b und
der zweiten Projektionsoptik 10b ein polarisierender Strahlteiler 16 angeordnet,
der das auf ihn aus Richtung der zweiten Lichtquelle 9b auftreffende
Licht der zweiten Lichtquelle 9b zu der zweiten Projektionsoptik 10b und
das von der zweiten Projektionsoptik 10b auf den Strahlteiler 16 auftreffende,
an dem Werkstück 7 reflektierte
Licht der ersten Lichtquelle 9a zum Detektor 15 weiterleitet.
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Die
Polarisationsrichtung des Strahlteilers 16 ist derart orientiert,
dass das aus Richtung der zweiten Projektionsoptik 10b auf
den Strahlteiler 16 auftreffende, an dem Werkstück 7 reflektierte
Licht der ersten Lichtquelle 9a nicht zum Detektor 15 weitergeleitet
wird. Auch das aus Richtung der zweiten Lichtquelle 9b auf
den Strahlteiler 16 auftreffende Licht gelangt nicht zu
dem Detektor 15. Es wird also nur das an dem Werkstück reflektierte
Licht der ersten Lichtquelle 9a zu dem Detektor 15 geleitet.
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Ein
Messsignalausgang des Detektors 15 ist mit einer Auswerteeinrichtung 17 verbunden,
die anhand des Messsignals des Detektors 15 und Kenngrößen für die geometrische
Anordnung der Ebenen der Lichtbündel 6a, 6b,
der zweiten Projektionsoptik 10b, des Strahlteilers 16,
des Detektors 15 und des ortsfest zu der Abstandsmessvorrichtung 1 angeordneten
Fokus des Materialbearbeitungs- Laserstrahls 3 ein
Abstandsmesssignal für
den Abstand des Fokus zur Werkstückoberfläche erzeugt.
Ein Ausgangsanschluss 19 der Auswerteeinrichtung 17 kann
mit einer Anzeigeeinrichtung und/oder einem Regelkreis zum automatischen
Nachführen
der Fokuslage (motorisch verstellbare Z-Achse) während des Materialbearbeitungsprozesses
(Schweißprozess)
weitergeleitet werden.
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Erwähnt werden
soll noch, dass die erste Projektionsoptiken 10a und/oder
die zweite Projektionsoptiken 10b ein Sperrfilter 18a, 18b zum
Abblocken der vom Werkstück
reflektierten Laserstrahlung des Materialbearbeitungslasers und
zum Abblocken von Hitzestrahlung aufweisen können, die von der Bearbeitungsstelle
ausgeht.
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Anstelle
des polarisierenden Strahlteilers 16 kann auch ein chromatischer
Strahlteiler 16 vorgesehen sein, wenn die Lichtquellen 9a, 9b Licht
unterschiedlicher Wellenlängenbereiche
emittieren. In diesem Fall können
die Lichtquellen unpolarisiertes Licht emittieren.
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Die
Halterung 2 ist rohrförmig
ausgestaltet und weist eine Durchtrittsöffnung 20 für den Materialbearbeitungs-Laserstrahl 3 auf.
Die Projektionseinrichtungen 5a, 5b, der Detektor 15 und
der Strahlteiler 16 sind in der Innenhöhlung Halterung 2 zwischen dem
Laserstrahl 3 und einer Innenumfangswand der Halterung 2 angeordnet.