DE102006040612B4 - Abstandsmessvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Abstandsmessvorrichtung (1) zur Erfassung der Höhenlage eines Bearbeitungswerkzeugs relativ zur Oberfläche eines Werkstücks (7), mit einer ersten Projektionseinrichtung (5a), die zur Abstrahlung eines ersten flächigen Licht bündels (6a) ausgestaltet ist, das im Wesentlichen in einer ersten Abstrahlebene angeordnet ist und eine erste optische Markierung (14a) auf dem Werkstück (7) erzeugt, mit einer zweiten Projektionseinrichtung (5b), die zur Abstrahlung eines zweiten flächigen Lichtbündels (6b) ausgestaltet ist, das im Wesentlichen in einer zweiten Abstrahlebene angeordnet ist und eine zweite optische Markierung (14b) auf dem Werkstück (7) erzeugt, mit einer für das Licht des zweiten Lichtbündels (6b) unempfindlichen Detektionseinrichtung, die einen positionsempfindlichen Detektor (15) und eine Abbildungsoptik zum Abbilden zumindest eines Bereichs der ersten optischen Markierung (14a) auf den Detektor (15) aufweist, wobei die Abstrahlebenen der Lichtbündel (6a, 6b) derart quer zueinander angeordnet sind, dass sich die Lichtbündel (6a, 6b) entlang einer Schnittlinie (13) schneiden, die durch den auf den Detektor (15) abgebildeten...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abstandsmessvorrichtung 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.
  • Eine derartige, an einem Arbeitskopf einer Lasermaterialbearbeitungsmaschine angeordnete Abstandsmessvorrichtung ist aus JP 2000263273 A bekannt. Die Abstandsmessvorrichtung hat eine Projektonseinrichtung, 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.
  • Aus DE 199 53 114 C2 ist ferner eine 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.
  • Aus EP 0 277 542 B1 ist ferner eine Abstandsmessvorrichtung bekannt, die eine erste Projektionseinrichtung aufweist, die zur Abstrahlung eines ersten, linienförmigen Lichtbündels ausgestaltet ist, das eine erste optische Markierung auf einem Werkstück erzeugt. Eine zweite Projektionseinrichtung ist zur Abstrahlung eines zweiten, flächigen Lichtbündels ausgestaltet, das im Wesentlichen in einer Abstrahlebene angeordnet ist und eine zweite optische Markierung auf dem Werkstück erzeugt. Die Abstandsmessvorrichtung hat eine für das Licht des zweiten Lichtbündels unempfindliche Detektionseinrichtung, die einen positionsempfindlichen Detektor und eine Abbildungsoptik zum Abbilden zumindest eines Bereichs der ersten optischen Markierung auf den Detektor aufweist. Die Lichtbündel schneiden sich entlang einer Schnittlinie, die durch den auf den Detektor abgebildeten Bereich der ersten optischen Markierung verläuft. Die Projektionseinrichtungen und die Detektionseinrichtung sind an einer Halterung angeordnet. Zusätzlich zu den bereits erwähnten ersten und zweiten Projektionseinrichtungen, die im sichtbaren Bereich emittieren hat die Abstandsmessvorrichtung eine dritte Projektionseinrichtung, die einen linienförmigen IR-Lichtstrahl auf das Werkstück projiziert. Der dritten Projektionseinrichtung ist eine optische Detektionseinrichtung zugeordnet, die einen Zeilensensor aufweist und mit ihrem Abbildungsstrahlengang relativ zu dem IR-Lichtstrahl geneigt ist. Während die ersten und zweiten Projektionseinrichtungen als Einstellhilfe dienen, ist die dritte Projektionseinrichtung zur Abstandsmessung durch Triangulation vorgesehen. Wegen der drei Projektionseinrichtungen weist die Abstandsmessvorrichtung einen relativ komplizierten Aufbau auf. Ungünstig ist außerdem, dass die drei Projektionseinrichtungen exakt relativ zueinander positioniert sein müssen, damit der Schnittpunkt zwischen dem linienförmigen ersten sichtbaren Lichtbündel mit dem flächigen zweiten sichtbaren Lichtbündel genau an der Auftreffstelle des für das menschliche Auge unsichtbaren dritten Lichtbündels auf der Werkstückoberfläche liegt.
  • Aus R. Noll, M Krauhausen: Formmessung und -prüfung mit Laserlicht, in: Feinwerktechnik und Messtechnik F & M 101 (1993), S. 14–17 ist ferner eine nach dem Lichtschnittverfahren arbeitende Messvorrichtung bekannt, bei der ein flächiges Lichtbündel derart auf eine Werkstückoberfläche gerichtet wird, dass auf diese eine optische Linie projiziert wird. Die Linie wird mit Hilfe einer Kamera detektiert, die einen CCD-Flächensensor aufweist und mit ihrem Abbildungsstrahlengang gegenüber der Ebene des Lichtbündels geneigt ist. Zur dreidimensionalen Vermessung des Werkstücks wird dieses relativ zu der Messvorrichtung bewegt. Ein Bearbeitungswerkzeug ist in dieser Druckschrift nicht offenbart.
  • Bei einer aus EP 0 502 930 B1 bekannten Messvorrichtung sind mehrere der noch dem Lichtschnittverfahren arbeitenden Anordnungen, jeweils bestehend aus einer Projektionseinrichtung zum Projizieren eines flächigen Lichtbündels und einer diesem zugeordneten Flächenkamera vorgesehen. Die Lichtbündel sind quer zueinander angeordnet und schneiden sich entlang mehrer quer zueinander verlaufender Schnittlinien. Auch in dieser Druckschrift ist kein Bearbeitungswerkzeug offenbart.
  • Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Abstandsmessvorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, an einem ein Bearbeitungswerkzeug aufweisenden Arbeitskopf aus unterschiedlichen, parallel zueinander versetzten Messebenen heraus auf einfache Weise die Stelle, an der das Bearbeitungswerkzeug an dem Werkstück angreift, optisch zu markieren und den Abstand dieser Stelle zu erfassen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Abstandsmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Aus dem Messsignal des positionsempfindlichen Detektors und Kenngrößen für die geometrische Anordnung der flächigen Lichtbündel und des Detektors relativ zueinander kann 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 markiert 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. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteilhaft ist, wenn der positionsempfindliche Detektor mehrere matrixförmig in einer Zeile angeordnete Photozellen aufweist. Der Detektor kann dann beispielsweise ein CCD-Zeilensensor sein.
  • 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.
  • Die Lichtquellen sind bevorzugt Halbleiterlichtquellen und insbesondere Laserdioden. Die Abstandsmessvorrichtung ermöglicht dann entsprechend kompakte Abmessungen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im Abstrahlbereich der zweiten Lichtquelle 9b Ist eine zweite Projektionsoptik 10b angeordnet, die eine zweite Sammellinse 11b und eine zweite zylindrische Linse 12b aufweist.
  • Mittels der zweiten Sammellinse 11b wird das von der zweiten Lichtquelle ob 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.
  • 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.
  • 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 zweiten Lichtquelle 9b 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Strahlteller 16 sind In der Innenhöhlung Halterung 2 zwischen dem Laserstrahl 3 und einer Innenumfangswand der Halterung 2 angeordnet.

Claims (11)

  1. Abstandsmessvorrichtung (1) zur Erfassung der Höhenlage eines Bearbeitungswerkzeugs relativ zur Oberfläche eines Werkstücks (7), mit einer ersten Projektionseinrichtung (5a), die zur Abstrahlung eines ersten flächigen Licht bündels (6a) ausgestaltet ist, das im Wesentlichen in einer ersten Abstrahlebene angeordnet ist und eine erste optische Markierung (14a) auf dem Werkstück (7) erzeugt, mit einer zweiten Projektionseinrichtung (5b), die zur Abstrahlung eines zweiten flächigen Lichtbündels (6b) ausgestaltet ist, das im Wesentlichen in einer zweiten Abstrahlebene angeordnet ist und eine zweite optische Markierung (14b) auf dem Werkstück (7) erzeugt, mit einer für das Licht des zweiten Lichtbündels (6b) unempfindlichen Detektionseinrichtung, die einen positionsempfindlichen Detektor (15) und eine Abbildungsoptik zum Abbilden zumindest eines Bereichs der ersten optischen Markierung (14a) auf den Detektor (15) aufweist, wobei die Abstrahlebenen der Lichtbündel (6a, 6b) derart quer zueinander angeordnet sind, dass sich die Lichtbündel (6a, 6b) entlang einer Schnittlinie (13) schneiden, die durch den auf den Detektor (15) abgebildeten Bereich der ersten optischen Markierung (14a) verläuft, wobei die Projektionseinrichtungen (5a, 5b) und die Detektionseinrichtung (15) an einer Halterung (20) angeordnet sind, und wobei die Halterung (20) derart mit einem das Bearbeitungswerkzeug aufweisenden Arbeitskopf verbindbar ist, dass die Schnittlinie (13) der Lichtbündel (6a, 6b) mit der Längsmittelachse (8) des Bearbeitungswerkzeugs oder dessen gerader Verlängerung übereinstimmt und die Projektionseinrichtungen und die Detektionseinrichtung seitlich neben dem Bearbeitungswerkzeug angeordnet sind.
  2. Abstandsmessvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Projektionseinrichtung (10b) zur Abstrahlung von polarisiertem Licht ausgebildet ist, und dass in dem Strahlengang zwischen der Schnittlinie (13) und dem positionsempfindlichen Detektor (15) ein für das polarisierte Licht im Wesentlichen undurchlässiger polarisationsempfindlicher Filter angeordnet ist.
  3. Abstandsmessvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Projektionseinrichtung (5a) und die zweite Projektionseinrichtung (5b) zur Aussendung von Lichtbündeln unterschiedlicher Wellenlänge ausgestaltet sind, und dass in dem Strahlengang zwischen der Schnittlinie (13) und dem positionsempfindlichen Detektor (15) ein für das Licht des zweiten Lichtbündels (6b) im Wesentlichen undurchlässiger chromatischer Filter angeordnet ist.
  4. Abstandsmessvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Projektionseinrichtung (5a) eine erste Lichtquelle (9a) und eine in deren Abstrahlbereich angeordnete erste Projektionsoptik (10a) aufweist, dass die zweite Projektionseinrichtung (5b) eine zweite Lichtquelle (9b) und eine in deren Abstrahlbereich angeordnete zweite Projektionsoptik (10b) aufweist, dass die zweite Projektionsoptik (10b) die Abbildungsoptik für den Detektor (15) bildet, und dass in dem Strahlengang zwischen der zweiten Lichtquelle (9b) und der Abbildungsoptik ein Strahlteiler (16) angeordnet ist, der das auf ihn auftreffende Licht der zweiten Lichtquelle (9b) zu der Abbildungsoptik und das auf ihn aus Richtung der Abbildungsoptik auftreffende, an dem Werkstück (7) reflektierte Licht der ersten Lichtquelle (9a) zum Detektor (15) weiterleitet.
  5. Abstandsmessvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Projektionseinrichtung (5a) zur Aussendung von in einer ersten Polarisationsebene polarisiertem Licht und die zweite Projektionseinrichtung (5b) zur Aussendung von in einer zweiten, vorzugsweise normal zur ersten Polarisationsebene angeordneten Polarisationsebene polarisiertem Licht ausgebildet sind, und dass der Strahlteiler (16) ein polarisierender Strahlteiler (PBS) ist, der für in der ersten Polarisationsebene polarisiertes Licht in einem von der zweiten Lichtquelle (9b) 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 (15) führenden zweiten Strahlengang durchlässig ist.
  6. Abstandsmessvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Projektionseinrichtung (5a) zur Aussendung von Licht in einem ersten Wellenlängenbereich und die zweite Projektionseinrichtung (5b) zur Aussendung von Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich ausgebildet sind, und dass der Strahlteiler (15) ein chromatischer Strahlteiler ist, der für Licht des ersten Wellenlängenbereichs in einem von der zweiten Lichtquelle (9b) 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 (15) führenden zweiten Strahlengang durchlässig ist.
  7. Abstandsmessvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der positionsempfindliche Detektor (15) mehrere matrixförmig in einer Zeile angeordnete Photozellen aufweist.
  8. Abstandsmessvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der positionsempfindliche Detektor (15) eine positionsempfindliche Photozelle (PSD) ist
  9. Abstandsmessvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (9a, 9b) Halbleiterlichtquellen und insbesondere Laserdioden sind.
  10. Abstandsmessvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (20) eine Durchtrittsöffnung für das Bearbeitungswerkzeug aufweist und vorzugsweise ring- oder rohrförmig ausgestaltet ist.
  11. Abstandsmessvorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnung für das Bearbeitungswerkzeug eine Innenhöhlung der ring- oder rohrförmigen Halterung (20) durchsetzt, und dass die Projektionseinrichtungen (5a, 5b) und/oder die Detektionseinrichtung in der Innenhöhlung zwischen der Durchtrittsöffnung und einer um diese herum angeordneten Innenumfangswand der Halterung (20) angeordnet sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008049821B4 (de) * 2008-10-01 2018-11-22 Volkswagen Ag Abstandssensor und Verfahren zur Ermittlung eines Abstands und/oder von Abstandsschwankungen zwischen einem Bearbeitungslaser und einem Werkstück
AT507586B1 (de) * 2008-11-27 2011-09-15 Ds Automotion Gmbh Vorrichtung und verfahren zur optischen lagebestimmung
DE102012106613B3 (de) * 2012-07-20 2013-12-24 Lpkf Laser & Elektronika D.O.O. Verfahren zur berührungslosen Abstandsmessung
CN111344598B (zh) * 2018-07-26 2024-04-16 深圳市瑞尔幸电子有限公司 共光路数码成像的激光测距仪

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0277542B1 (de) * 1987-02-05 1991-03-20 Firma Carl Zeiss Optoelektronischer Abstandssensor
EP0502930B1 (de) * 1989-12-05 1994-08-03 The Broken Hill Proprietary Company Limited Verfahren und anordnung zur optoelektronischen vermessung von gegenständen

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0277542B1 (de) * 1987-02-05 1991-03-20 Firma Carl Zeiss Optoelektronischer Abstandssensor
EP0502930B1 (de) * 1989-12-05 1994-08-03 The Broken Hill Proprietary Company Limited Verfahren und anordnung zur optoelektronischen vermessung von gegenständen

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R.Noll. M.Krauhausen: Formmessung und -prüfung mit Laserlicht, in: Feinwerktechnik und Messtechnik F & M 101 (1993) 1-2, S. 14-17 *

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