DE102007003850B4

DE102007003850B4 - Spalterfassungsvorrichtung für Laserstrahlmaschine, Laserstrahlbearbeitungssystem und Spalterfassungsverfahren für Laserstrahlmaschine

Info

Publication number: DE102007003850B4
Application number: DE102007003850.1A
Authority: DE
Inventors: Takaaki Iwata; Hiroyoshi Omura; Yoshihito Imai; Teiji Takahashi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: DE102007003850A1; US20070284348A1; JP2007330981A; CN101089546B; US7557589B2; JP4828316B2; CN101089546A

Abstract

Spalterfassungsvorrichtung für eine Laserstrahlmaschine, um einen Spalt (d) zwischen einer Düse (4) einer Laserstrahlvorrichtung (1) zur Abgabe eines Laserstrahls und einen unter Verwendung des Laserstrahls zu bearbeitenden Objekt (50) zu erfassen, Folgendes umfassend: einen Erfassungsabschnitt (24) für kombinierte Admittanz, um eine kombinierte Admittanz (Z–1) zu ermitteln, bei der es sich um den Reziprokwert einer kombinierten Impedanz (Z) aus einer vom Spalt abhängenden statischen Spaltkapazität (Cg) und einer Plasmaimpedanz (Zp) handelt, die von dem Plasma abhängt, das während der Laserstrahlbearbeitung am Objekt entsteht; einen Erfassungsabschnitt (24) für kombinierte statische Kapazität, um aus einem imaginären Teil der kombinierten Admittanz die kombinierte statische Kapazität (Cc), bei der es sich um die Summe der statischen Spaltkapazität und einer statischen Kapazitätskomponente (Cp) handelt, die in der Plasmaimpedanz enthalten ist; einen Erfassungsabschnitt (24) für die Widerstandskomponente, um eine Widerstandskomponente (Rp), die in der Plasmaimpedanz enthalten ist, aus einem realen Teil der kombinierten Admittanz zu ermitteln; einen Erfassungsabschnitt (24) für eine statische Kapazitätskomponente, um die statische Kapazitätskomponente unter Verwendung eines Modells zu ermitteln, das ein Verhältnis zwischen der Widerstandskomponente und der statischen Kapazitätskomponente und der Widerstandskomponente darstellt, die durch den Erfassungsabschnitt für die Widerstandskomponente ermittelt wurde; einen Erfassungsabschnitt (24) für statische Spaltkapazität, um die statische Spaltkapazität durch Subtraktion der statischen Kapazitätskomponente von der kombinierten statischen Kapazität zu ermitteln; und einen Spalterfassungsabschnitt (24), um den Spalt aus der statischen Spaltkapazität zu ermitteln, die durch den Erfassungsabschnitt für die statische Spaltkapazität ermittelt wurde.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spalterfassungsvorrichtung zum Erfassen eines Spalts zwischen einer Düse einer Laserstrahlmaschine zur Abgabe eines Laserstrahls und einem Objekt, das unter Verwendung des Laserstrahls bearbeitet werden soll, auf ein Spalterfassungsverfahren und ein Laserstrahlbearbeitungssystem.
Beschreibung des Stands der Technik
Was Laserstrahlbearbeitung betrifft, so wurden bereits verschiedene technische Verfahren vorgeschlagen. Die japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2000-234903 offenbart beispielsweise ein Verfahren, um einen Spalt zwischen einer Düse einer Laserstrahlmaschine zur Abgabe eines Laserstrahls und einem Werkstück zu erfassen, bei dem es sich um ein zu bearbeitendes Objekt handelt. Die japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 4-356391 (1992) offenbart ein Verfahren, um die statische Kapazität zwischen einer Düse und einem Werkstück zu stabilisieren, indem Plasma reduziert wird, das während einer Laserstrahlbearbeitung entsteht.
Bei der obigen japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2000-234903 wird die Frequenz eines Eingangssignals für eine Sensorelektrode so ausgewählt, dass es sich bei der Impedanz, die von dem während der Laserstrahlbearbeitung entstehenden Plasma herrührt, um einen reinen Widerstand handeln sollte und der reine Widerstand aus der zusammengesetzten Impedanz aus der Impedanz, die vom Spalt zwischen der Düse und dem Werkstück herrührt, und der Impedanz, die von dem während der Laserstrahlbearbeitung entstehenden Plasmas herrührt, eliminiert wird, um die Auswirkung des Plasmas auf die Erfassung des Spalts zu reduzieren. Selbst wenn die Frequenz des Eingangssignals für die Sensorelektrode sorgfältig ausgewählt wird, kann jedoch das Verfahren der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2000-234903 die Auswirkung des Plasmas auf die Erfassung des Spalts nicht vollständig eliminieren, weil die Impedanz aufgrund des Plasmas etwas von einer statischen Kapazitätskomponente sowie die Widerstandskomponente enthält. Es ist deshalb schwierig, den Spalt zwischen der Düse und dem Werkstück mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, um einen Spalt zwischen einer Düse einer Laserstrahlmaschine zur Abgabe eines Laserstrahls und einem zu bearbeitenden Objekt mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Die vorliegende Erfindung ist für eine Spalterfassungsvorrichtung für eine Laserstrahlmaschine gedacht, um einen Spalt zwischen einer Düse einer Laserstrahlmaschine zur Abgabe eines Laserstrahls und einem unter Verwendung des Laserstrahls zu bearbeitenden Objekt zu erfassen. Nach der vorliegenden Erfindung umfasst die Spalterfassungsvorrichtung für eine Laserstrahlmaschine einen Erfassungsabschnitt für die kombinierte Admittanz, einen Erfassungsabschnitt für die kombinierte statische Kapazität, einen Erfassungsabschnitt für die Widerstandskomponente, einen Erfassungsabschnitt für die statische Kapazitätskomponente, einen Erfassungsabschnitt für die statische Spaltkapazität und einen Spalterfassungsabschnitt. Der Erfassungsabschnitt für die kombinierte Admittanz ermittelt eine kombinierte Admittanz, bei der es sich um den Reziprokwert einer kombinierten Impedanz der vom Spalt abhängenden statischen Spaltkapazität und einer Plasmaimpedanz handelt, die von dem Plasma abhängt, das während der Laserstrahlbearbeitung am Objekt entsteht. Der Erfassungsabschnitt für die kombinierte statische Kapazität ermittelt aus einem imaginären Teil der kombinierten Admittanz die kombinierte statische Kapazität, bei der es sich um die Summe der statischen Spaltkapazität und einer statischen Kapazitätskomponente handelt, die in der Plasmaimpedanz enthalten ist. Der Erfassungsabschnitt für die Widerstandskomponente ermittelt eine Widerstandskomponente, die in der Plasmaimpedanz enthalten ist, aus einem realen Teil der kombinierten Admittanz. Der Erfassungsabschnitt für die statische Kapazitätskomponente ermittelt die statische Kapazitätskomponente unter Verwendung eines Modells, das ein Verhältnis zwischen der Widerstandskomponente und der statischen Kapazitätskomponente und der Widerstandskomponente darstellt, die durch den Erfassungsabschnitt für die Widerstandskomponente ermittelt wurde. Der Erfassungsabschnitt für die statische Spaltkapazität ermittelt die statische Spaltkapazität durch Subtraktion der statischen Kapazitätskomponente von der kombinierten statischen Kapazität. Der Spalterfassungsabschnitt ermittelt den Spalt aus der statischen Spaltkapazität, die durch den Erfassungsabschnitt für die statische Spaltkapazität ermittelt werde.
Die vorliegende Erfindung ist auch für ein Laserstrahlbearbeitungssystem gedacht. Nach der vorliegenden Erfindung umfasst das Laserstrahlbearbeitungssystem eine Laserstrahlmaschine mit einer Düse zur Abgabe eines Laserstrahls und einer Spalterfassungsvorrichtung, um einen Spalt zwischen einem unter Verwendung des Laserstrahls zu bearbeitenden Objekts und der Düse zu erfassen. Die Spalterfassungsvorrichtung umfasst einen Erfassungsabschnitt für die kombinierte Admittanz, einen Erfassungsabschnitt für die kombinierte statische Kapazität, einen Erfassungsabschnitt für die Widerstandskomponente, einen Erfassungsabschnitt für die statische Kapazitätskomponente, einen Erfassungsabschnitt für die statische Spaltkapazität und einen Spalterfassungsabschnitt. Der Erfassungsabschnitt für die kombinierte Admittanz ermittelt eine kombinierte Admittanz, bei der es sich um den Reziprokwert einer kombinierten Impedanz der vom Spalt abhängenden statischen Spaltkapazität und einer Plasmaimpedanz handelt, die von dem Plasma abhängt, das während der Laserstrahlbearbeitung am Objekt entsteht. Der Erfassungsabschnitt für die kombinierte statische Kapazität ermittelt aus einem imaginären Teil der kombinierten Admittanz die kombinierte statische Kapazität, bei der es sich um die Summe der statischen Spaltkapazität und einer statischen Kapazitätskomponente handelt, die in der Plasmaimpedanz enthalten ist. Der Erfassungsabschnitt für die Widerstandskomponente ermittelt eine Widerstandskomponente, die in der Plasmaimpedanz enthalten ist, aus einem realen Teil der kombinierten Admittanz. Der Erfassungsabschnitt für die statische Kapazitätskomponente ermittelt die statische Kapazitätskomponente unter Verwendung eines Modells, das ein Verhältnis zwischen der Widerstandskomponente und der statischen Kapazitätskomponente und der Widerstandskomponente darstellt, die durch den Erfassungsabschnitt für die Widerstandskomponente ermittelt wurde. Der Erfassungsabschnitt für die statische Spaltkapazität ermittelt die statische Spaltkapazität durch Subtraktion der statischen Kapazitätskomponente von der kombinierten statischen Kapazität. Der Spalterfassungsabschnitt ermittelt den Spalt aus der statischen Spaltkapazität, die durch den Erfassungsabschnitt für die statische Spaltkapazität ermittelt wurde.
Die vorliegende Erfindung ist ferner für ein Spalterfassungsverfahren für eine Laserstrahlmaschine gedacht, um einen Spalt zwischen einer Düse einer Laserstrahlmaschine zur Abgabe eines Laserstrahls und einem unter Verwendung des Laserstrahls zu bearbeitenden Objekt zu erfassen. Nach der vorliegenden Erfindung umfasst das Spalterfassungsverfahren die Schritte (a) bis (f). Beim Schritt (a) geht es darum, eine kombinierte Admittanz zu ermitteln, bei der es sich um den Reziprokwert einer kombinierten Impedanz der vom Spalt abhängenden statischen Spaltkapazität und einer Plasmaimpedanz handelt, die von dem Plasma abhängt, das während der Laserstrahlbearbeitung am Objekt entsteht. Beim Schritt (b) geht es darum, aus einen imaginären Teil der kombinierten Admittanz die kombinierte statische Kapazität zu ermitteln, bei der es sich um die Summe der statischen Spaltkapazität und einer statischen Kapazitätskomponente handelt, die in der Plasmaimpedanz enthalten ist. Beim Schritt (c) geht es darum, eine Widerstandskomponente, die in der Plasmaimpedanz enthalten ist, aus einem realen Teil der kombinierten Admittanz zu ermitteln. Bei Schritt (d) geht es darum, die statische Kapazitätskomponente unter Verwendung eines Modells zu ermitteln, das ein Verhältnis zwischen der Widerstandskomponente und der statischen Kapazitätskomponente und der im Schritt (c) ermittelten Widerstandskomponente darstellt. Beim Schritt (e) geht es darum, die statische Spaltkapazität durch Subtraktion der statischen Kapazitätskomponente von der kombinierten statischen Kapazität zu ermitteln. Beim Schritt (f) geht es darum, den Spalt aus der statischen Spaltkapazität zu ermitteln.
Da bei der vorliegenden Erfindung der Spalt zwischen der Düse und dem Objekt unter Berücksichtigung nicht nur der Widerstandskomponente ermittelt wird, die in der Plasmaimpedanz enthalten ist, sondern auch der darin enthaltenen statischen Kapazitätskomponente, ist es möglich, die Auswirkung des während der Laserstrahlbearbeitung entstehenden Plasmas auf die Erfassung des Spalts zu unterdrücken. Dies macht es möglich, den Spalt mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Zusammenschau mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht, die einen Aufbau eines Laserstrahlbearbeitungssystems nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Ansicht, die einen Aufbau einer Spalterfassungsvorrichtung nach der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Spalterfassungsverfahren nach der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist eine grafische Darstellung, welche die Kennlinien der kombinierten Admittanz zeigt;
5 ist ein Ablaufdiagramm, welches das Spalterfassungsverfahren nach der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist eine Ansicht, die einen Aufbau einer Spalterfassungsvorrichtung nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist eine Ansicht, die eine Variante der Spalterfassungsvorrichtung nach der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist eine Ansicht, die einen Aufbau einer Spalterfassungsvorrichtung nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine Ansicht, die einen Aufbau einer Spalterfassungsvorrichtung nach einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Funktionsablauf eines Signalverarbeitungsabschnitts nach der vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Kalibrierungsvorgang für ein Laserstrahlbearbeitungssystem nach der vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
12 ist eine grafische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen der statischen Spaltkapazität und einen Spalt zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste bevorzugte Ausführungsform
1 ist eine Ansicht, die einen Aufbau eines Laserstrahlbearbeitungssystems nach der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das Laserstrahlbearbeitungssystem der ersten bevorzugten Ausführungsform eine Laserstrahlmaschine 1 zur Abgabe eines Laserstrahls auf ein Werkstück 50, bei dem es sich um ein zu bearbeitendes Objekt wie etwa eine als das Werkstück 50 zu bearbeitende Metallplatte handelt, und einen Spalterfassungsabschnitt 20, um einen Spalt d zwischen einer Düse 4 der Laserstrahlmaschine 1, die später noch beschrieben wird, und dem Werkstück 50 zu messen.
Die Laserstrahlmaschine 1 umfasst ein Bedienpult 2, das eine Eingabe verschiedenartiger Information von einem Benutzer erhält. Der Benutzer betätigt das Bedienpult 2, um Bearbeitungsbedingungen wie Material oder Dicke des Werkstücks 50 und dergleichen in die Laserstrahlmaschine 1 einzugeben. Die Laserstrahlmaschine 1 ist an einer Spitze eines Bearbeitungskopfs 6 mit einer Düse 4 zum Ausstoßen eines Laserstrahls versehen und mit einer Schutzelektrode 5 um die Düse 4 herum, wobei ein isolierendes Material dazwischengesetzt ist. Die Laserstrahlmaschine 1 ist darüber hinaus mit einer Maschinensteuereinheit 3 versehen, um den Bearbeitungskopf 6 zu bewegen. Die Laserstrahlmaschine 1 bearbeitet das Werkstück 50 mit dem Laserstrahl, der von der Düse 4 ausgestoßen wird, während der Bearbeitungskopf 6 von der Maschinensteuereinheit 3 bewegt wird.
2 ist eine Ansicht, die einen Aufbau der Spalterfassungsvorrichtung 20 zeigt. Bei der Laserstrahlbearbeitung am Werkstück 50 muss ein Spalt d zwischen der Düse 4 zur Abgabe des Laserstrahls und dem Werkstück 50 so angemessen gesteuert werden, dass die Brennweite des Laserstrahls eine gewünschte Stelle erreicht, um ihn mit einer optimalen Stärke auf das Werkstück 50 abzustrahlen. Dazu muss der Spalt d mit hoher Genauigkeit erfasst werden. Bei der Spalterfassungsvorrichtung 20 der ersten bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, den Spalt d mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Die Spalterfassungsvorrichtung 20 gibt den Erfassungswert des Spalts d an die Maschinensteuereinheit 3 der Laserstrahlmaschine 1 aus. Die Maschinensteuereinheit 3 steuert den Bearbeitungskopf 6 auf Grundlage des erhaltenen Werts des Spalts d. Damit wird der Spalt d zwischen der Düse 4 und dem Werkstück 50 auf einem geeigneten Wert gehalten und der Laserstrahl mit einer zur Laserstrahlbearbeitung optimalen Stärke auf das Werkstück 50 abgestrahlt.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die Spalterfassungsvorrichtung 20 einen Spalterfassungsvorrichtungskörper 21, an dem ein Mittelelektrodenkabel 26 und ein Schutzelektrodenkabel 27 angebracht sind. Der Spalterfassungsvorrichtungskörper 21 umfasst einen Signalerzeugungsabschnitt 22, um ein Eingangssignal Vin zu erzeugen und das Signal auszugeben, einen Pufferschaltkreis 23, der das Eingangssignal Vin empfängt und ausgibt, einen Signalverarbeitungsabschnitt 24, um den Spalt d auf Grundlage des Ausgangssignals Vout aus dem Pufferschaltkreis 23 zu ermitteln, und einen Bezugswiderstand Rref. Das Eingangssignal Vin ist ein alternierendes Signal wie eine Sinuswelle oder eine Dreieckwelle. Ein Ausgangsanschluss des Signalerzeugungsabschnitts 22 ist an ein Ende des Bezugswiderstands Rref angeschlossen. Der Pufferschaltkreis 23 besteht zum Beispiel aus einem Operationsverstärker. Ein positiver (Plus-)Eingangsanschluss des Operationsverstärkers ist an das andere Ende des Bezugswiderstands Rref angeschlossen, und ein negativer (Minus-)Eingangsanschluss ist an einen Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers angeschlossen. Mit anderen Worten dient der Operationsverstärker als Spannungsfolgerschaltung, die ein Signal vom anderen Ende des Bezugswiderstands Rref empfängt, und das Signal, so wie es ist, als Ausgangssignal Vout an den Signalverarbeitungsabschnitt 24 ausgibt.
Das andere Ende des Bezugswiderstands Rref ist mit dem Mittelelektrodenkabel 26 an eine Mittelelektrode 40 in der Laserstrahlmaschine 1 angeschlossen. In dieser bevorzugten Ausführungsform dient die Düse 4 als Mittelelektrode 40. Die Mittelelektrode 40 und das Werkstück 50 dienen als Kondensator, der die statische Spaltkapazität Cg bildet, die vom Spalt d abhängt. Wenn sich der Spalt d verändert, verändert sich deshalb auch die statische Spaltkapazität Cg. Der Signalverarbeitungsabschnitt 24 des Spalterfassungsvorrichtungskörpers 21 ermittelt die statische Spaltkapazität Cg, und ermittelt darüber hinaus den Spalt d aus der ermittelten statischen Spaltkapazität Cg. Obwohl in dieser bevorzugten Ausführungsform die Düse 4 als Mittelelektrode 40 dient, kann diese, deren Abstand vom Werkstück 50 entsprechend dem Spalt d variiert, nahe der Düse 4 aber separat von dieser vorgesehen sein, um dem Werkstück 50 zugewandt zu sein.
Wenn in diesem Fall die Laserstrahlbearbeitung mit der Düse 4 und dem Werkstück 50 erfolgt, die sich in Bezug aufeinander bewegen, tritt entsprechend den Bearbeitungsbedingungen Plasma zwischen der Düse 4 und dem Werkstück 50 auf. Dieses Plasma wirkt so, dass eine Impedanz Zp zwischen der Mittelelektrode 40 und dem Werkstück 50 entsteht. Anders ausgedrückt entsteht zwischen der Mittelelektrode 40 und dem Werkstück 50 die Impedanz Zp (nachstehend als „Plasmaimpedanz Zp” bezeichnet), die von diesem Plasma abhängt. Deshalb kann davon ausgegangen werden, dass während der Laserstrahlbearbeitung zwischen der Mittelelektrode 40 und dem Werkstück 50 die statische Spaltkapazität Cg und die Plasmaimpedanz Zp, die parallel zueinander angeschlossen sind, entstehen sollten, und der Bezugswiderstand Rref an eine kombinierte Impedanz Z aus der statischen Spaltkapazität Cg und der Plasmaimpedanz Zp elektrisch angeschlossen ist. Da das Werkstück 50 während der Laserstrahlbearbeitung an Masse liegt, sind der Bezugswiderstand Rref und die kombinierte Impedanz Z elektrisch miteinander zwischen dem Ausgangsanschluss des Signalerzeugungsabschnitts 22 und einer Massespannung in Reihe angeschlossen. Deshalb wird das Eingangssignal Vin, wobei es geteilt wird, in den Pufferschaltkreis 23 eingegeben, der an das andere Ende des Bezugswiderstands Rref angeschlossen ist, und es wird ein geteiltes Spannungssignal des Eingangssignals Vin aus dem Pufferschaltkreis 23 ausgegeben.
Das Schutzelektrodenkabel 27 ist in der Laserstrahlmaschine 1 an die Schutzelektrode 5 angeschlossen. Der Ausgangsanschluss des Pufferschaltkreises 23 ist an das Schutzelektrodenkabel 27 angeschlossen. Deshalb ist die Spannung des Mittelelektrodenkabels und diejenige des Schutzelektrodenkabels 27 beinahe gleich. In dieser bevorzugten Ausführungsform bilden das Mittelelektrodenkabel 26 und das Schutzelektrodenkabel 27 ein konzentrisches Kabel 25, und der Mittelleiter des konzentrischen Kabels 25 ist das Mittelelektrodenkabel 26, und das Schutzelektrodenkabel 27 ist ein Außenleiter, der den Mittelleiter umgibt. Dementsprechend sind die Spannungen des Mittel- und des Außenleiters des konzentrischen Kabels 25 beinahe gleich. Es ist deshalb möglich, bei der Erfassung des Spalts d die Auswirkung von Streukapazität in dem Kabel zu reduzieren, das den Spalterfassungsvorrichtungskörper 21 und die Laserstrahlmaschine 1 verbindet.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Erfassen des Spalts d durch den Signalverarbeitungsabschnitt 24 im Detail erläutert. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Spalterfassungsverfahren nach der ersten bevorzugten Ausführungsform zeigt. Wie in 3 gezeigt ist, ermittelt zuerst im Schritt s1 der Signalerfassungsabschnitt 24 eine Übertragungsfunktion F(s) aus dem Eingangssignal Vin für das Ausgangssignal Vout. Das Bezugszeichen F(jω), das erhalten wird, indem s = jω (worin j eine imaginäre Einheit und ω eine Winkelfrequenz darstellt) in die Übertragungsfunktion F(s) eingesetzt wird, stellt eine Frequenzübertragungsfunktion dar. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird die im Eingangssignal Vin enthaltene Information vorab im Signalverarbeitungsabschnitt 24 gespeichert. Der Signalverarbeitungsabschnitt 24 tastet das Ausgangssignal Vout ab, das aus dem Pufferschaltkreis 23 abgegeben wird, und ermittelt die Übertragungsfunktion F(s) auf Grundlage der Daten, die durch Abtasten des Ausgangssignals Vout und der vorabgespeicherten Daten über das Eingangssignal Vin erhalten wurden. Im Schritt s1 ist es nicht notwendig, die Übertragungsfunktion F(s) für alle Frequenzbereiche zu ermitteln, aber es muss die Frequenzübertragungsfunktion F(jω) mit mindestens einer Winkelfrequenz ω ermittelt werden. Da die Übertragungsfunktion F(s) ermittelt wird, um die statische Spaltkapazität Cg zu erhalten, muss jedoch ein Wert der Übertragungsfunktion F(s) gewissermaßen in einem hohen Frequenzbereich unter Berücksichtigung der Empfindlichkeit der statischen Spaltkapazität Cg im Hinblick auf die Veränderung des Spalts d ermittelt werden. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird die Frequenzübertragungsfunktion F(jω) in einem Frequenzbereich von mehreren zehn KHz oder darüber erhalten. Um eine solche Frequenzübertragungsfunktion zu erhalten, muss eine Abtastfrequenz im Hinblick auf das Ausgangssignal Vout im Signalverarbeitungsabschnitt 24 auf einen ausreichend hohen Wert eingestellt werden, und der Signalerzeugungsabschnitt 22 erzeugt solch ein Eingangssignal Vin, um eine Komponente in diesen Frequenzbereich aufzunehmen.
Als Nächstes ermittelt im Schritt s2 der Signalverarbeitungsabschnitt 24 eine kombinierte Admittanz Z^–1, bei der es sich um den Reziprokwert der kombinierten Impedanz Z aus der im Schritt s1 ermittelten Übertragungsfunktion F(s) handelt. Mit anderen Worten dient der Signalverarbeitungsabschnitt 24 als Erfassungsabschnitt für die kombinierte Admittanz zur Ermittlung der kombinierten Admittanz Z^–1. Auch in diesem Schritt ist es nicht notwendig, die kombinierte Admittanz Z^–1 in allen Frequenzbereichen zu ermitteln, sondern sie muss nur in mindestens einem Frequenzbereich ermittelt werden.
Hier davon ausgehend, dass ein System vom Ausgang des Signalerzeugungsabschnitts 22 zum Ausgang des Pufferschaltkreises 23 als elektrischer Schaltkreis betrachtet wird, wird die Übertragungsfunktion F(s) vom Eingangssignal Vin zum Ausgangssignal Vout unter Verwendung eines mathematischen Modells mit der folgenden Gleichung (1) ausgedrückt:
In der Gleichung (1) handelt es sich bei den Bezugszeichen A(s) und X(s) um Parameter, die von der Art des Pufferschaltkreises 23 und des konzentrischen Kabels 25, die tatsächlich verwendet werden, und den Kennlinien eines Substrats abhängen, auf dem der Bezugswiderstand Rref und der Pufferschaltkreis 23 ausgebildet sind. Die Bezugszeichen Vin(s), Vout(s) und Z(s) stellen das Eingangssignal Vin, das Ausgangssignal Vout bzw. die kombinierte Impedanz Z dar. In dieser bevorzugten Ausführungsform werden die Werte der Parameter A(s) und X(s) vorab im Signalverarbeitungsabschnitt 24 gespeichert. Was die Werte dieser Parameter A(s) und X(s) betrifft, so müssen, wie bei der im Schritt s1 ermittelten Übertragungsfunktion F(s), nur die Werte bei der tatsächlich verwendeten Frequenz ermittelt werden.
In der vorstehenden Gleichung (1) sind die kombinierte Impedanz Z(s) wie auch der Parameter X(s) als eine Art Reziprokwert vorhanden. Wie aus der folgenden Erläuterung klar werden wird, hat die Behandlung der kombinierten Impedanz Z(s) und des Parameters X(s) als eine Art Reziprokwert verschiedene Vorteile und einige Annehmlichkeiten. Das ist der Grund, warum im Schritt s2 die kombinierte Admittanz Z(s)^–1 ermittelt wird, bei der es sich um den Reziprokwert der kombinierten Impedanz Z(s) handelt.
Indem jω in der Gleichung (1) in s eingesetzt wird, wird die folgende Gleichung (2) erhalten:
Um dann die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1 in der Frequenz aus der Frequenzübertragungsfunktion F(jω) zu erhalten, wird die Gleichung (2) wie folgt transformiert:
Im Schritt s2 ermittelt der Signalverarbeitungsabschnitt 24 die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1, indem der Wert der Frequenzübertragungsfunktion F(jω), der im Schritt s1 erhalten wird, die Werte der Parameter A(jω) und X(jω) und der Wert des Bezugswiderstands Rref in die Gleichung (3) eingesetzt werden. Der Wert des Bezugswiderstands Rref wird vorab im Signalverarbeitungsabschnitt 24 gespeichert.
Als Nächstes ermittelt im Schritt s3 der Signalverarbeitungsabschnitt 24 die statische Spaltkapazität Cg aus der im Schritt s2 erhaltenen kombinierten Admittanz Z(jω)^–1. Vor der Erörterung des Ablaufs von Schritt s3 werden die Merkmale des Plasmas erläutert, das während der Laserstrahlbearbeitung entsteht.
Die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1 lässt sich als die folgende Gleichung (4) ausdrücken, wobei die statische Spaltkapazität Cg und eine Plasmaadmittanz Zp(jω)^–1 verwendet werden, bei der es sich um den Reziprokwert der Plasmaimpedanz Z(jω) handelt: Z(jω)^–1 = Zp(jω)^–1 + jωCg (Gleichung 4)
Da die Plasmaadmittanz Zp(jω) als kombinierte Impedanz in einem Schaltkreis angesehen werden kann, in dem das Widerstandselement Rp und das statische Kapazitätselement Cp parallel zueinander angeschlossen sind, kann die Gleichung (4) zur folgenden Gleichung (5) transformiert werden: Z(jω)^–1 = ( 1 / Rp + jωCp) + jωCg = 1 / Rp + jω(Cg + Cp) (Gleichung 5)
Davon ausgehend, dass Rp = R und Cg + Cp = C ist, kann die Gleichung (5) zur folgenden Gleichung (6) transformiert werden: Z(jω)^–1 = 1 / Rp + jω(Cg + Cp) = 1 / R + jωC (Gleichung 6) worin 1/R ein realer Teil und ωC ein imaginärer Teil ist.
Somit kann die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1 als der Reziprokwert der kombinierten Impedanz in dem Schaltkreis angesehen werden, in dem ein Widerstandselement mit einem Widerstandswert R und ein Kondensator mit einer Kapazität C parallel zueinander angeschlossen sind.
Da es sich bei der im Schritt s2 erhaltenen kombinierten Admittanz Z(jω)^–1 um eine wie durch Gleichung (6) ausgedrückte komplexe Zahl handelt, kann sie in einen realen Teil R^–1 und einen imaginären Teil ωC aufgeteilt werden. Dann können die Merkmale des Plasmas, das während der Laserstrahlbearbeitung entsteht, dadurch analysiert werden, dass die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1, die im Schritt s2 erhalten wird, in einer Ebene R^–1-C aufgetragen wird, worin die horizontale Achse den realen Teil R^–1 und die vertikale Achse einen Wert C darstellt, der erhalten wird, indem der imaginäre Teil ωC durch die Winkelfrequenz ω geteilt wird. Indem die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1 auch in einer komplexen Ebene aufgetragen wird, worin die horizontale Achse eine reale und die vertikale Achse eine imaginäre Achse ist, können die Merkmale des Plasmas, das während der Laserstrahlbearbeitung entsteht, analysiert werden.
4 ist eine grafische Darstellung, welche die Ebene R^–1-C zeigt, in der die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1 aufgetragen ist. In 4 stellt die durchgezogene Linie 100 die Kennlinien der kombinierten Admittanz Z(jω)^–1 in einem Fall dar, bei dem die Bearbeitungsgeschwindigkeit schrittweise zunimmt, wobei der Spalt d konstant gehalten wird. In 4 sind zu Bezugszwecken die Kennlinien der kombinierten Admittanz Z(jω)^–1 durch die unterbrochene Linie 101 in einem Fall angegeben, bei dem wirklich ein Widerstandselement zwischen der Düse 4, die im Ruhezustand gehalten ist, wobei die Laserstrahlabgabe angehalten ist, und dem Werkstück 50 eingesetzt ist, und sich der Widerstandswert des Widerstandselements und nicht die Plasmaimpedanz verändert, wobei der Spalt d konstant gehalten wird.
Aus der durchgezogenen Linie 100 und der unterbrochenen Linie 101 von 4 lässt sich verstehen, dass die Kennlinien der kombinierten Admittanz Z(jω)^–1 zwischen dem Fall, bei dem Plasma zwischen der Düse 4 und dem Werkstück 50 auftritt, und dem Fall, bei dem das Widerstandselement zwischen der Düse 4 und dem Werkstück 50 eingesetzt ist, unterschiedliche Verläufe aufweisen. Deshalb lässt sich auch aus diesem Ergebnis verstehen, dass das Plasma, das zwischen der Düse 4 und dem Werkstück 50 entsteht, nicht als reiner Widerstand wirkt und die Plasmaimpedanz Zp(jω) eine statische Kapazitätskomponente enthält.
Wie durch die durchgezogene Linie 100 angegeben ist, nehmen, wenn die Bearbeitungsgeschwindigkeit zunimmt, anders ausgedrückt, wenn die Stärke des Plasma, das entsteht, zunimmt, sowohl der Wert 1/R als auch der Wert C zu, und die Kennlinie der in der Ebene R^–1-C gezeigten kombinierten Admittanz Z(jω)^–1 verändert sich fast linear mit einer leichten Neigung. In 4 ist die Neigung des leichten Verständnisses halber überzeichnet. Ausgehend vom Ergebnis von 4 gilt die folgende Gleichung (7):
Der Nenner und der Zähler auf der linken Seite der Gleichung (7) stellen einen Zuwachs von 1/R bzw. C dar, und k auf der rechten Seite stellt die Neigung der Kennlinie der in 4 gezeigten kombinierten Admittanz Z(jω)^–1 dar. Deshalb gilt im Hinblick auf Plasma mit jeder beliebigen Stärke die folgende Gleichung (8):
Gleichung (8) ist eine Modellgleichung, welche die Kennzeichen der Plasmaadmittanz Zp(jω)^–1 darstellt, mit anderen Worten, eine Modellgleichung, die ein Verhältnis zwischen der Widerstandskomponente Rp und der statischen Kapazitätskomponente Cp darstellt, die in der Plasmaadmittanz Zp(jω) enthalten sind. Im Schritt s3 wird die statische Kapazitätskomponente Cg unter Verwendung der Modellgleichung ermittelt. Der Wert des Parameters k wird vorab im Signalverarbeitungsabschnitt 24 gespeichert. Als Analyseergebnis reicht bei der Bearbeitung des Werkstücks 50 mit dem Laserstrahl, der eine Frequenz von 1 MHz hat, der Wert von k von 10^–9 ΩF bis 10^–8 ΩF. Der Wert des Parameters k, der im Schritt s3 verwendet wird, wird nicht kleiner als 10^–9 ΩF und nicht größer als 10^–8 ΩF eingestellt.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das den Funktionsablauf des Schritts s3 im Detail zeigt. Wie in 5 gezeigt ist, ermittelt im Schritt s31 der Signalverarbeitungsabschnitt 24 zuerst den Reziprokwert Rp^–1 der Widerstandskomponente Rp aus dem realen Teil der kombinierten Admittanz Z(jω)^–1, der im Schritt s2 erhalten wird. Dann ermittelt im Schritt S32 der Signalverarbeitungsabschnitt 24 die statische Kapazitätskomponente Cp, indem der im Schritt s31 erhaltene Reziprokwert Rp^–1 mit dem Wert des vorab gespeicherten Parameters k multipliziert wird. Obwohl die Widerstandskomponente Rp im Schritt s31 als eine Art Reziprokwert erhalten wird, kann es einen Fall geben, bei dem die Widerstandskomponente Rp selbst und die statische Kapazitätskomponente Cp im Schritt s32 ermittelt wird, indem der Wert des Parameters k durch die Widerstandskomponente Rp dividiert wird.
Als Nächstes ermittelt im Schritt s33 der Signalverarbeitungsabschnitt 24 die kombinierte statische Kapazität Cc (= Cg + Cp), bei der es sich um die Summe der statischen Spaltkapazität Cg und der statischen Kapazitätskomponente Cp vom imaginären Teil der kombinierten Admittanz Z(jω)^–1 handelt. Dann ermittelt der Signalverarbeitungsabschnitt 24 im Schritt s34 die statische Spaltkapazität Cg, indem die statische Kapazitätskomponente Cp von der kombinierten statischen Kapazität Cc abgezogen wird.
Auf diese Weise dient der Signalverarbeitungsabschnitt 24 als Erfassungsabschnitt für die Widerstandskomponente, um die Widerstandskomponente Rp zu ermitteln, und dient auch als Erfassungsabschnitt für die statische Kapazitätskomponente, um die statische Kapazitätskomponente Cp zu ermitteln. Der Signalverarbeitungsabschnitt 24 dient auch noch als Erfassungsabschnitt für die kombinierte statische Kapazität, um die kombinierte statische Kapazität Cc zu ermitteln, und dient auch als Erfassungsabschnitt für die statische Spaltkapazität, um die statische Spaltkapazität Cg zu ermitteln.
Obwohl in dieser bevorzugten Ausführungsform die Modellgleichung (8) als Modell verwendet wird, das die Merkmale der Plasmaadmittanz Zp(jω)^–1 darstellt, kann auch eine Nachschlagtabelle verwendet werden, die eine Übereinstimmung zwischen der Widerstandskomponente Rp und der statischen Kapazitätskomponente Cp zeigt, die vorab in einem Versuch erfasst werden. In diesem Fall speichert der Signalverarbeitungsabschnitt 24 die Nachschlagtabelle vorab, und beschafft sich die statische Kapazitätskomponente Cp, die der im Schritt s31 ermittelten Widerstandskomponente Rp entspricht, aus der Nachschlagtabelle.
Nachdem mit Bezug auf 3 die statische Spaltkapazität Cg im Schritt s3 ermittelt wurde, erzeugt der Signalverarbeitungsabschnitt 24 im Schritt s4 ausgehend von der statischen Spaltkapazität Cg ein Erfassungsspaltsignal Vd, das den Wert des Spalts d darstellt. Da die Übereinstimmung zwischen der statischen Spaltkapazität Cg und dem Spalt d von der Form des Bearbeitungskopfs 6, der Form der Düse 4, der Länge des konzentrischen Kabels 25 o. dgl. abhängt, muss diese Übereinstimmung unbedingt vorab durch ein Experiment erfasst werden. Dann wird eine Nachschlagtabelle erstellt, welche die erfasste Übereinstimmung zeigt, und vorab im Signalverarbeitungsabschnitt 24 gespeichert. Der Signalverarbeitungsabschnitt 24 greift auf die Nachschlagtabelle zurück, um sich den Wert des Spalts d zu beschaffen, welcher der im Schritt s3 ermittelten statischen Spaltkapazität Cg entspricht, und gibt das Erfassungsspaltsignal Vd aus, das den Wert darstellt. Alternativ kann es einen Fall geben, bei dem eine die Übereinstimmung angebende Annäherungskurvengleichung vorab erstellt wird und der Signalverarbeitungsabschnitt 24 den im Schritt s3 ermittelten Wert der statischen Spaltkapazität Cg in die Annäherungskurvengleichung einsetzt, um den Wert des Spalts d zu erhalten.
Das vom Signalverarbeitungsabschnitt 24 ausgegebene Erfassungsspaltsignal Vd wird in die Maschinensteuereinheit 3 der Laserstrahlmaschine 1 aber ein nicht gezeigtes Kabel eingegeben. Die Maschinensteuereinheit 3 steuert den Bearbeitungskopf 6 auf Grundlage des Erfassungsspaltsignals Vd so, dass der Spalt d zwischen der Düse 4 und dem Werkstück 50 einen geeigneten Wert haben sollte.
Somit wird in der ersten bevorzugten Ausführungsform in Anbetracht nicht nur der in der Plasmaimpedanz Zp enthaltenen Widerstandskomponente Rp, sondern auch der darin enthaltenden statischen Kapazitätskomponente Cp, der Spalt d zwischen der Düse 4 und dem Werkstück 50 ermittelt.
Da in dem vorstehend erörterten technischen Verfahren der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2000-234903 nur die Widerstandskomponente Rp berücksichtigt wird, ist es die statische Kapazitätskomponente Cp, die in der statischen Spaltkapazität Cg enthalten ist, die ermittelt wird. Aus diesem Grund kann die Auswirkung des Plasmas, das bei der Laserstrahlbearbeitung entsteht auf die Erfassung des Spalts d nicht ausreichend ausgeschaltet und der Spalt d nicht mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
Da in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Spalt d auch unter Berücksichtigung der statischen Kapazitätskomponente Cp ermittelt wird, kann die Auswirkung des während der Laserstrahlbearbeitung entstehenden Plasmas auf die Erfassung des Spalts d unterdrückt werden. Es ist deshalb möglich, den Spalt d mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Darüber hinaus wird in der ersten Ausführungsform die Modellgleichung (8) als Modell verwendet, welches das Verhältnis zwischen der Widerstandskomponente Rp und der statischen Kapazitätskomponente Cp darstellt. Da diese Modellgleichung das Verhältnis zwischen der Widerstandskomponente Rp und der statischen Kapazitätskomponente Cp einfach und genau ausdrückt, ist es möglich, die statische Kapazitätskomponente Cp mühelos und genau zu ermitteln. Darüber hinaus kann die Funktion zur Ermittlung der statischen Kapazitätskomponente Cp problemlos in der Spalterfassungsvorrichtung 20 enthalten sein.
Außerdem kann auch noch, wie vorstehend erläutert, durch Verwenden der Nachschlagtabelle, welche die Übereinstimmung zwischen der Widerstandskomponente Rp und der statischen Kapazitätskomponente Cp als Modell darstellt, welches das Verhältnis zwischen der Widerstandskomponente Rp und der statischen Kapazitätskomponente Cp darstellt, die statische Kapazitätskomponente Cp einfach und genau ermittelt werden, und die Funktion zur Ermittlung der statischen Kapazitätskomponente Cp kann problemlos in der Spalterfassungsvorrichtung 20 enthalten sein.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform wird die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1 dadurch ermittelt, dass die Frequenzübertragungsfunktion F(jω) verwendet wird, die durch die Gleichung (2) ausgedrückt ist. Da die Frequenzübertragungsfunktion F(jω), die durch die Gleichung (2) ausgedrückt ist, einfach und genau die Übertragungsfunktion vom Eingangssignal Vin zum Ausgangssignal Vout ausdrückt, ist es möglich, die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1 mühelos und genau zu ermitteln. Außerdem kann die Funktion zum Ermitteln der kombinierten Admittanz Z(jω)^–1 problemlos in der Spalterfassungsvorrichtung 20 enthalten sein.
Zweite bevorzugte Ausführungsform
6 ist eine Ansicht, die einen Aufbau einer Spalterfassungsvorrichtung 20 nach der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Spalterfassungsvorrichtung 20 der zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst darüber hinaus einen Eingabeabschnitt 30, um einen Wert für Parameter k in den vorstehend erläuterten Spalterfassungsabschnitt 20 der ersten bevorzugten Ausführungsform einzugeben.
Der Eingabeabschnitt 30 besitzt einen Bedienabschnitt, der zum Beispiel eine Bedientaste u. dgl. umfasst, und ein Benutzer kann einen Wert für den Parameter k in den Spalterfassungsvorrichtungskörper 21 eingeben, indem er den Bedienabschnitt betätigt. Der Wert des Parameters k, der in den Eingabeabschnitt 30 eingegeben wird, wird in den Signalverarbeitungsabschnitt 24 eingegeben. Der Signalverarbeitungsabschnitt 24 ersetzt den Wert des Parameters k, der vorab abgespeichert wurde, durch den eingegebenen Wert und verwendet den eingegebenen Wert in der anschließenden Erfassung des Spalts d. Da die anderen Bestandteile gleich denjenigen der Spalterfassungsvorrichtung 20 der ersten bevorzugten Ausführungsform sind, entfällt deren Beschreibung.
Im Allgemeinen hängen die Merkmale des Plasmas, das während der Laserstrahlbearbeitung entsteht, von den Bearbeitungsbedingungen wie etwa dem in der Laserstrahlmaschine 1 eingestellten Wert des Spalts d, vom Material und der Dicke des Werkstücks 50 und dem Bearbeitungsgas ab, das tatsächlich verwendet wird. Deshalb variiert die Kennlinie der in 4 gezeigten Plasmaadmittanz Zp^–1 je nach den Bearbeitungsbedingungen, und auch die Neigung der Kennlinie variiert. Als Ergebnis des eigentlichen Einsatzes des Laserstrahlbearbeitungssystems der ersten bevorzugten Ausführungsform stellt sich heraus, dass der Wert der Neigung der Kennlinie speziell je nach dem Wert des Spalts d variiert, der eingestellt wird. Da bei der Spalterfassungsvorrichtung 20 der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Wert für den Parameter k von außen her eingegeben werden kann, ist es möglich, den Wert des Parameters k entsprechend den Bearbeitungsbedingungen mühelos zu verändern. Im Ergebnis ist es möglich, den Spalt d mit höherer Genauigkeit zu erfassen.
Obwohl in der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Wert des Parameters k direkt von außen her in die Spalterfassungsvorrichtung 20 eingegeben wird, kann der Wert des Parameters k auch ausgehend von der Laserstrahlmaschine 1 in die Spalterfassungsvorrichtung 20 eingegeben werden. 7 ist eine Ansicht, die einen Aufbau eines Laserstrahlbearbeitungssystems in einem solchen Fall zeigt. Wie in 7 gezeigt ist, gibt die Maschinensteuereinheit 3 der Laserstrahlmaschine 1 einen Wert für den Parameter k in den Signalverarbeitungsabschnitt 24 der Spalterfassungsvorrichtung 20 ein. Der Benutzer kann einen Wert für den Parameter k in die Maschinensteuereinheit 3 eingeben, indem er das Bedienpult 2 betätigt, und die Maschinensteuereinheit 3 gibt den eingegebenen Wert für den Parameter k in den Signalverarbeitungsabschnitt 24 ein.
Auf diese Weise wird es durch Eingabe eines Werts für den Parameter k in die Spalterfassungsvorrichtung 20 seitens der Laserstrahlmaschine 1 her einfacher, den Wert für den Parameter k entsprechend den Bearbeitungsbedingungen einzugeben.
Obwohl im vorstehenden Fall der Wert des Parameters k durch den Benutzer eingegeben wird, kann die Maschinensteuereinheit 3 einen Wert für den Parameter k auf Grundlage der Bearbeitungsbedingungen auch automatisch bestimmen, die über das Bedienpult 2 eingegeben werden. Indem vorab in der Maschinensteuereinheit 3 eine Nachschlagtabelle abgespeichert wird, welche die Übereinstimmung zwischen der Bearbeitungsbedingung und dem Parameter k darstellt, kann die Maschinensteuereinheit 3 einen Wert für den Parameter k entsprechend einer eingegebenen Bearbeitungsbedingung bestimmen.
Dritte bevorzugte Ausführungsform
8 ist eine Ansicht, die einen Aufbau eine Spalterfassungsvorrichtung 20 nach der dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Spalterfassungsvorrichtung 20 nach der dritten bevorzugten Ausführungsform umfasst noch einen Überbrückungsstift 31 und einen Überbrückungsblock 32 in der zuvor erläuterten Spalterfassungsvorrichtung der ersten bevorzugten Ausführungsform.
Der Überbrückungsstift 31 kann einen Kurzschluss an beiden Enden des Bezugswiderstands Rref hervorrufen. Wenn der Überbrückungsblock 32 am Überbrückungsstift 31 angebracht wird, wird ein Kurzschluss an beiden Enden des Bezugswiderstands Rref bewirkt. Dann wird das Eingangssignal Vin direkt in den Pufferschaltkreis 23 eingegeben. Entsprechend ist das Ausgangssignal Vout des Pufferschaltkreises 23 gleich dem Eingangssignal Vin, und der Signalverarbeitungsabschnitt 24 kann das Eingangssignal Vin direkt beobachten. Da die anderen Bestandteile gleich denjenigen der ersten bevorzugten Ausführungsform sind, entfällt deren Beschreibung.
Obwohl das Eingangssignal Vin ursprünglich bekannt ist, treten manchmal Veränderungen im Eingangssignal Vin zwischen mehreren Spalterfassungsvorrichtungen 20 auf. Vor allem, wenn der Signalerzeugungsabschnitt 22 aus einem analogen Element besteht, ist es wahrscheinlich, dass aufgrund individueller Unterschiede bei den Kennlinien der analogen Elemente eine Veränderung im Eingangssignal Vin hervorgerufen wird.
Da die Spalterfassungsvorrichtung 20 der dritten bevorzugten Ausführungsform mit dem Überbrückungsstift 31 versehen ist, der einen Kurzschluss an beiden Enden des Bezugswiderstands Rref hervorrufen kann, kann der Signalverarbeitungsabschnitt 24 das Eingangssignal Vin direkt beobachten. Deshalb ist es, selbst wenn es eine Veränderung im Eingangssignal Vin gibt, möglich, genaue Information über das Eingangssignal Vin im Signalverarbeitungsabschnitt 24 zu speichern. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung des Beobachtungsergebnisses über das Eingangssignal Vin durch den Signalverarbeitungsabschnitt 24 eine einfache Einstellung der Spalterfassungsvorrichtung 20 beim Fabrikversand.
Vierte bevorzugte Ausführungsform
9 ist eine Ansicht, die einen Aufbau eines Laserstrahlbearbeitungssystems nach der vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Laserstrahlbearbeitungssystem der vierten bevorzugten Ausführungsform besitzt eine Kalibrierungsfunktion, um Werte der Parameter A(jω) und X(jω) im vorstehend erörterten Laserstrahlbearbeitungssystem der ersten bevorzugten Ausführungsform auf den neuesten Stand zu bringen.
Die Maschinensteuereinheit 3 der vierten bevorzugten Ausführungsform wird in eine Kalibrierungsbetriebsart versetzt, wenn sie von einem Benutzer jeweils zu einer vorbestimmten Zeit oder über das Bedienpult 2 eine Mitteilung über eine auszuführende Kalibrierung erhält. Die Maschinensteuereinheit 3 gibt in der Kalibrierungsbetriebsart ein Kalibrierungssignal CB an den Spalterfassungsvorrichtungskörper 21 ab, wie in 9 gezeigt ist. Das Kalibrierungssignal CB wird in den Signalverarbeitungsabschnitt 24 eingegeben.
10 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Funktionsablauf des Signalverarbeitungsabschnitts 24 nach der vierten bevorzugten Ausführungsform zeigt. Wie in 10 gezeigt ist, aktualisiert der Signalverarbeitungsabschnitt 24, nachdem die Schritte s1 bis s4 erfolgt sind, wenn das Kalibrierungssignal CB im Schritt s5 eingegeben wurde, im Schritt s6 die Werte der Parameter A(jω) und X(jω). Anders ausgedrückt dient der Signalverarbeitungsabschnitt 24 als Parameteraktualisierungsabschnitt, um die Werte der Parameter A(jω) und X(jω) zu aktualisieren.
11 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Kalibrierungsvorgang im ganzen Laserstrahlbearbeitungssystem der vierten bevorzugten Ausführungsform zeigt. Wie in 11 gezeigt ist, steuert die Maschinensteuereinheit 3, wenn die Kalibrierungsbetriebsart anläuft, im Schritt s51 den Bearbeitungskopf 6, um den Spalt d zwischen der Düse 4 und dem Werkstück 50 auf einen vorbestimmten Wert einzustellen. Dann gibt die Maschinensteuereinheit 3 ein Signal, das den eingestellten Wert des Spalts d angibt, zusammen mit dem Kalibrierungssignal CB an die Spalterfassungsvorrichtung 20 aus.
Wenn das Kalibrierungssignal CB in die Spalterfassungsvorrichtung 20 eingegeben ist, erfasst im Schritt s52 der Signalverarbeitungsabschnitt 24 die statische Spaltkapazität Cg entsprechend dem Wert des Spalts d, der von der Maschinensteuereinheit 3 mitgeteilt wird. Da im Signalverarbeitungsabschnitt 24 die Nachschlagtabelle gespeichert ist, die wie vorstehend erläutert die Übereinstimmung zwischen dem Spalt d und der statischen Spaltkapazität Cg darstellt, kann die statische Spaltkapazität Cg, die dem Spalt d entspricht, der im Schritt s51 eingestellt wurde, durch Rückgriff auf die Nachschlagtabelle erfasst werden.
Als Nächstes beobachtet im Schritt s53 der Signalverarbeitungsabschnitt 24 das Ausgangssignal Vout und ermittelt wie im Schritt s1 die Frequenzübertragungsfunktion F(jω) vom Eingangssignal Vin zum Ausgangssignal Vout. Der Signalverarbeitungsabschnitt 24 ermittelt außerdem noch die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1 unter Verwendung der vorstehenden Gleichung (5). Da die Düse 4 in der Kalibrierungsbetriebsart keinen Laserstrahl abgibt, entsteht auch kein Plasma zwischen der Düse 4 und dem Werkstück 50. Deshalb kann davon ausgegangen werden, dass die Widerstandskomponente Rp unendlich und die statische Kapazitätskomponente Cp Null ist. Dementsprechend ist die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1 in der Kalibrierungsbetriebsart gleich jωCg. Der Signalverarbeitungsabschnitt 24 setzt in der Gleichung (5) Null in Rp^–1 und Cp, und den erfassten Wert in Cg ein, um die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1 zu erhalten. Dann speichert der Signalverarbeitungsabschnitt 24 den Wert der Frequenzübertragungsfunktion F(jω) und den Wert der kombinierten Admittanz Z(jω)^–1, die paarweise erhalten werden, ab.
Als Nächstes beurteilt der Signalverarbeitungsabschnitt 24 im Schritt s54, ob vorbestimmte Paare der Werte F(jω) und Z(jω)^–1 ermittelt sind. Wenn im Schritt s54 beurteilt wird, dass vorbestimmte Paare der Werte F(jω) und Z(jω)^–1 ermittelt sind, wird Schritt s55 ausgeführt.
Wird hingegen im Schritt s54 beurteilt, dass keine vorbestimmten Paare der Werte F(jω) und Z(jω)^–1 ermittelt sind, teilt der Signalverarbeitungsabschnitt 24 dies der Maschinensteuereinheit 3 mit. Beim Erhalt dieser Mitteilung führt die Maschinensteuereinheit 3 den Schritt s51 noch einmal aus. In diesem Schritt s51 wird der Spalt d auf einen anderen Wert als im zuvor ausgeführten Schritt s51 eingestellt. Dann teilt die Maschinensteuereinheit 3 der Spalterfassungsvorrichtung 20 den neu eingestellten Wert des Spalts d mit. Danach führt der Signalverarbeitungsabschnitt 24 in der Spalterfassungsvorrichtung 20 den Schritt s52 noch einmal aus, um die statische Spaltkapazität Cg entsprechend dem neu eingestellten Wert des Spalts d zu erfassen. Dann führt der Signalverarbeitungsabschnitt 24 den Schritt s53 noch einmal aus, um ein neues Paar der Werte F(jω) und Z(jω)^–1 zu ermitteln.
Im Schritt s55 setzt der Signalverarbeitungsabschnitt 24 die im Schritt s53 ermittelten Werte F(jω) und Z(jω)^–1 für jedes Paar in die vorstehende Gleichung (2) ein. Mit diesem Vorgang werden mehrere Gleichungen (2) erhalten, in die verschiedene Paare der Werte F(jω) und Z(jω)^–1 eingesetzt sind, und die jeweils eine Unbekannte A(jω) und X(jω)^–1 enthalten. Dann verwendet im Schritt s56 der Signalverarbeitungsabschnitt 24 mehrere der im Schritt s55 erhaltenen Gleichungen (2) als simultane Gleichungen und ermittelt aus diesen die Werte A(jω) und X(jω)^–1, indem zum Beispiel die Fehlerquadratmethode eingesetzt wird. Um in diesem Fall zwei unbekannte Werte A(jω) und X(jω)^–1 zu erhalten, müssen die simultanen Gleichungen mindestens zwei Gleichungen (2) umfassen. Deshalb müssen im Schritt s53 mindestens zwei Paare der Werte F(jω) und Z(jω)^–1 ermittelt werden.
Nachdem die Werte A(jω) und X(jω)^–1 ermittelt wurden, teilt der Signalverarbeitungsabschnitt 24 dies der Maschinensteuereinheit 3 mit, und diese setzt der Kalibrierungsbetriebsart ein Ende. Beim Erfassen des Spalts d verwendet der Signalverarbeitungsabschnitt 24 die in der Kalibrierungsbetriebsart erhaltenen Werte A(jω) und X(jω)^–1 für den vorstehend im Schritt 2 erläuterten Vorgang.
Da auf diese Weise die Spalterfassungsvorrichtung 20 der vierten bevorzugten Ausführungsform die Werte der Parameter A(jω) und X(jω) aktualisiert, wenn das Kalibrierungssignal CB eingegeben wird, ist es möglich, die Auswirkung des während der Laserstrahlbearbeitung entstehenden Plasmas auf die Erfassung des Spalts d auch dann sicher zu unterdrücken, wenn es eine Temperaturveränderung oder eine zeitliche Schwankung im System gibt, und es ist deshalb möglich, den Spalt d mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Die Parameter Vin(jω) und A(jω) können als ein Parameter B(jω) angesehen werden. In einem solchen Fall wird die vorstehende Gleichung (1) wie folgt transformiert:
Der Signalverarbeitungsabschnitt 24 erfasst in der Kalibrierungsbetriebsart mehrere Wertepaare des Ausgangssignals Vout(jω) und der kombinierten Admittanz Z(jω)^–1, anstatt mehrere Wertepaare F(jω) und Z(jω)^–1 zu erfassen. Dann verwendet der Signalverarbeitungsabschnitt 24 die vorstehende Gleichung (9), um die Werte B(jω) und X(jω)^–1 zu ermitteln. Wenn die Kalibrierungsbetriebsart beendet wird, verwendet der Signalverarbeitungsabschnitt 24 die erhaltenen Werte B(jω) und X(jω)^–1 und die Gleichung (9), um die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1 zu ermitteln.
Da somit die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1 unter Verwendung der Gleichung (9) erhalten wird, wird die im Eingangssignal Vin enthaltene Information nicht benötigt. Indem die Werte der Parameter B(jω) und X(jω) aktualisiert werden, lässt sich die kombinierte Admittanz Z(jω)^–1 auch dann genau ermitteln, wenn sich das Eingangssignal Vin verändert, und der Spalt d kann mit hoher Genauigkeit erfasst werden. Außerdem kann die Auswirkung des während der Laserstrahlbearbeitung entstehenden Plasmas auf die Erfassung des Spalts d auch dann sicher unterdrückt und der Spalt d mit hoher Genauigkeit erfasst werden, wenn es eine Temperaturveränderung oder eine zeitliche Schwankung im System gibt.
Fünfte bevorzugte Ausführungsform
In der fünften bevorzugten Ausführungsform wird ein beispielhaftes Verfahren zum Ermitteln der Frequenzübertragungsfunktion F(jω) im Schritt s1 erläutert. In der fünften bevorzugten Ausführungsform wird die Frequenzübertragungsfunktion F(jω) dadurch ermittelt, dass eine Zeitreihenmodellgleichung verwendet wird, die ein Verhältnis zwischen dem Eingangssignal Vin und dem Ausgangssignal Vout darstellt. Die ausführliche Erörterung hierzu erfolgt nachstehend.
In der fünften bevorzugten Ausführungsform wird ein Eingangssignal Vin mit einem trigonometrischen Funktionswellenverlauf verwendet, und seine Frequenz wird als f(Hz) angenommen. Der Signalverarbeitungsabschnitt 24 tastet das Ausgangssignal Vout mit dem Vierfachen der Frequenz f des Eingangssignals Vin, d. h. 4f, ab. Einer der Vorteile einer solchen Vierfach-Überabtastung besteht darin, dass die Frequenzübertragungsfunktion F(jω) sich leicht aus den Zeitreihendaten ermitteln lässt, wenn sich das Eingangssignal Vin mit dem trigonometrischen Funktionswellenverlauf in einem stationären Zustand befindet.
Unter der Annahme, dass es sich bei den k-ten Abtastdaten u des Eingangssignals Vin um u_k und bei den k-ten Abtastdaten y des Ausgangssignals Vout um y_k handelt, wenn sich das System in einem stationären Zustand befindet, wird die Zeitreihenmodellgleichung, die das Verhältnis zwischen dem Eingangssignal Vin und dem Ausgangssignal Vout darstellt, unter Verwendung der Zeitreihendaten durch die Gleichung (10) ausgedrückt: y_k = a₀u_k + a₁u_k-1 (Gleichung 10)
Wenn die Koeffizienten a₀ und a₁ der Gleichung (10) verwendet werden, wird die Frequenzübertragungsfunktion F(jω) als folgende Gleichung (11) ausgedrückt: F(jω) = a₀ – ja₁ (Gleichung 11) worin ω = 2πf ist.
Im Signalverarbeitungsabschnitt 24 werden die Abtastdaten u des Eingangssignals Vin, die erhalten werden, indem das Eingangssignal Vin mit der Abtastfrequenz 4f abgetastet wird, vorab abgespeichert. Als ein Verfahren zur Erfassung der Abtastdaten u des Eingangssignals Vin wird zum Beispiel die vorstehend erläuterte und in 8 gezeigte Spalterfassungsvorrichtung 20 verwendet, um es dem Signalverarbeitungsabschnitt 24 zu ermöglichen, das Eingangssignal Vin direkt zu beobachten, und der Signalverarbeitungsabschnitt 24 tastet das Ausgangssignal Vout mit der Abtastfrequenz 4f ab, um in der Folge die Abtastdaten u des Eingangssignals Vin zu erhalten.
Der Signalverarbeitungsabschnitt 24 tastet das Ausgangssignal Vout mit der Abtastfrequenz 4f ab, um im Schritt s1 die Abtastdaten y des Ausgangssignals Vout zu erhalten. Dann setzt der Signalverarbeitungsabschnitt 24 die Abtastdaten u_k und u_k-1 und die erfassten Abtastdaten y_k in die Gleichung (10) ein, um die Gleichung (10) mit den Koeffizienten a₀ und a₁ als Unbekannte zu erfassen. Der Signalverarbeitungsabschnitt 24 verwendet mindestens drei Abtastdaten u und mindestens zwei Abtastdaten y, um mindestens zwei Gleichungen (10) mit den Koeffizienten a₀ und a₁ als Unbekannte herzustellen, und verwendet die simultanen Gleichungen, die aus mindestens zwei Gleichungen (10) bestehen, um die Werte der Koeffizienten a₀ und a₁ zu ermitteln. Die Werte der Koeffizienten a₀ und a₁ lassen sich beispielsweise durch die Fehlerquadratmethode ermitteln. Nachdem die Werte der Koeffizienten a₀ und a₁ erhalten wurden, setzt der Signalverarbeitungsabschnitt 24 diese Werte in die Gleichung (11) ein, um die Frequenzübertragungsfunktion F(jω) zu erhalten.
Unter der Annahme, dass es einen Versatz zwischen dem Eingangssignal Vin und dem Ausgangssignal Vout gibt, lässt sich statt der Gleichung (10) jedoch auch die folgende Gleichung (12) verwenden, die einen Koeffizienten c enthält. y_k = a₀u_k + a₁u_k-1 + C (Gleichung 12)
Wenn in diesem Fall mindestens vier Abtastdaten u und mindestens drei Abtastdaten y verwendet werden, werden mindestens drei Gleichungen (10) mit den Koeffizienten a₀ und a₁ als Unbekannte hergestellt, und wenn die simultanen Gleichungen verwendet werden, die aus mindestens drei Gleichungen (10) bestehen, werden die Werte der Koeffizienten a₀ und a₁ erhalten.
Da auf diese Weise in der fünften bevorzugten Ausführungsform die Frequenzübertragungsfunktion F(jω) erhalten wird, indem die Zeitreihenmodellgleichung verwendet wird, die das Verhältnis zwischen dem Eingangssignal Vin und dem Ausgangssignal Vout darstellt, ist es möglich, die Frequenzübertragungsfunktion F(jω) zu erhalten. Mit anderen Worten kann der vorstehend erörterte Vorgang des Schritts s1 mühelos von der Spalterfassungsvorrichtung 20 durchgeführt werden.
Sechste bevorzugte Ausführungsform
In der sechsten bevorzugten Ausführungsform wird ein beispielhaftes Verfahren zum ermitteln des Spalts d im Schritt s4 erläutert. In der sechsten bevorzugten Ausführungsform wird der Spalt d ausgehend Von der statischen Spaltkapazität Cg ermittelt, indem ein Exponentialfunktionsmodell verwendet wird, das ein Verhältnis zwischen dem Spalt d und der statischen Spaltkapazität Cg darstellt.
12 ist eine grafische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen der statischen Spaltkapazität Cg, die durch Verwendung der Spalterfassungsvorrichtung 20 der ersten bevorzugten Ausführungsform ermittelt wird, und einem tatsächlichen Spalt d zeigt. In 12 stellt die horizontale Achse einen Wert der statischen Spaltkapazität Cg dar, der durch den Signalverarbeitungsabschnitt 24 ermittelt wird, und die vertikale Achse stellt einen tatsächlichen Wert des Spalts d als Logarithmus dar. Wie in 12 gezeigt ist, nähert sich das Verhältnis zwischen der statischen Spaltkapazität Cg und dem Spalt d der Exponentialfunktion an.
Im Signalverarbeitungsabschnitt 24 wird die Exponentialfunktionsgleichung, die das Verhältnis zwischen der statischen Spaltkapazität Cg und dem Spalt d darstellt, oder eine Nachschlagtabelle, welche die Übereinstimmung zwischen der statischen Spaltkapazität Cg und dem Spalt d darstellt, in Annäherung an die Exponentialfunktion abgespeichert. Der Signalverarbeitungsabschnitt 24 verwendet im Schritt s4 die Exponentialfunktionsgleichung oder die Nachschlagtabelle, um den Spalt d ausgehend von der statischen Spaltkapazität Cg zu ermitteln.
Wie aus der grafischen Darstellung von 12 zu sehen ist, handelt es sich bei der statischen Spaltkapazität Cg um Null, wenn der Spalt d ca. 0,8 mm beträgt, und um einen negativen Wert, wenn der Spalt d größer ist als 0,8 mm. Dies ist ein Ergebnis, das erhalten wird, wenn die Werte der vorstehenden Parameter A(jω) und X(jω) bei der Erkennung eines Systems zum Erfassen des Spalts d bestimmt werden, wobei der Wert der statischen Spaltkapazität Cg erhalten wird, wenn der Spalt d auf 0,8 mm mit einem zwischen der Düse 4 und dem Werkstück 50 eingesetzten Widerstandselement mit einem bekannten Widerstandswert als Bezug (Null) eingestellt wird. In der grafischen Darstellung von 12 ist der Wert der statischen Spaltkapazität Cg als Differenz zu dem Wert gezeigt, der erhalten wird, wenn der Spalt d auf 0,8 mm eingestellt wird. Somit muss bei der Spalterfassungsvorrichtung 20 nicht unbedingt immer ein Absolutwert der statischen Spaltkapazität Cg ermittelt werden, sondern es kann auch einen Fall gehen, bei dem die Differenz zu dem Wert der statischen Spaltkapazität Cg ermittelt wird, der erhalten wird, wenn der Spalt d auf einen Bezugswert eingestellt ist.
Da der Spalt d in der sechsten bevorzugten Ausführungsform ausgehend von der statischen Spaltkapazität Cg und unter Verwendung des Exponentialfunktionsmodells ermittelt wird, welches das Verhältnis zwischen dem Spalt d und der statischen Spaltkapazität Cg darstellt, ist es möglich, den Spalt d mühelos zu ermitteln. Mit anderen Worten kann der Vorgang von Schritt s4 mühelos von der Spalterfassungsvorrichtung 20 durchgeführt werden.
Da das Verhältnis zwischen der statischen Spaltkapazität Cg und dem Spalt d, wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform erläutert, von der Form des Bearbeitungskopfs 6, der Form der Düse 4 o. dgl. abhängt, kann das Verhältnis, wenn es der Exponentialfunktion nicht ausreichend angenähert werden kann, einem Polynom angenähert werden. Alternativ kann es einen Fall geben, bei dem der Bereich der statischen Spaltkapazität Cg in mehrere Abschnitte unterteilt wird, und diese unterschiedlich angenähert werden können. Darüber hinaus kann wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform die Nachschlagtabelle, welche die Übereinstimmung zwischen der statischen Spaltkapazität Cg und dem Spalt d direkt darstellt, anstelle der Annäherung verwendet werden.

Obwohl die Erfindung im Detail aufgezeigt und beschrieben wurde, ist die vorstehende Beschreibung in allen Aspekten veranschaulichend und nicht einschränkend. Es sollte deshalb klar sein, dass verschiedene Abwandlungen und Veränderungen daran vorgenommen werden können, ohne dass dabei vom Rahmen der Erfindung abgewichen würde. BEZUGSZEICHENLISTE

1	Laserstrahlmaschine
2	Bedienpult
3	Maschinensteuereinheit
4	Düse
5	Schutzelektrode
6	Bearbeitungskopf
20	Spalterfassungsabschnitt, Spalterfassungsvorrichtung
21	Spalterfassungsvorrichtungskörper
22	Signalerzeugungsabschnitt
23	Pufferschaltkreis
24	Signalverarbeitungsabschnitt
25	Konzentrisches Kabel
26	Mittelelektrodenkabel
27	Schutzelektrodenkabel
30	Eingabeabschnitt
31	Überbrückungsstift
32	Überbrückungsblock
40	Mittelelektrode
50	Werkstück

Claims

Spalterfassungsvorrichtung für eine Laserstrahlmaschine, um einen Spalt (d) zwischen einer Düse (4) einer Laserstrahlvorrichtung (1) zur Abgabe eines Laserstrahls und einen unter Verwendung des Laserstrahls zu bearbeitenden Objekt (50) zu erfassen, Folgendes umfassend: einen Erfassungsabschnitt (24) für kombinierte Admittanz, um eine kombinierte Admittanz (Z^–1) zu ermitteln, bei der es sich um den Reziprokwert einer kombinierten Impedanz (Z) aus einer vom Spalt abhängenden statischen Spaltkapazität (Cg) und einer Plasmaimpedanz (Zp) handelt, die von dem Plasma abhängt, das während der Laserstrahlbearbeitung am Objekt entsteht; einen Erfassungsabschnitt (24) für kombinierte statische Kapazität, um aus einem imaginären Teil der kombinierten Admittanz die kombinierte statische Kapazität (Cc), bei der es sich um die Summe der statischen Spaltkapazität und einer statischen Kapazitätskomponente (Cp) handelt, die in der Plasmaimpedanz enthalten ist; einen Erfassungsabschnitt (24) für die Widerstandskomponente, um eine Widerstandskomponente (Rp), die in der Plasmaimpedanz enthalten ist, aus einem realen Teil der kombinierten Admittanz zu ermitteln; einen Erfassungsabschnitt (24) für eine statische Kapazitätskomponente, um die statische Kapazitätskomponente unter Verwendung eines Modells zu ermitteln, das ein Verhältnis zwischen der Widerstandskomponente und der statischen Kapazitätskomponente und der Widerstandskomponente darstellt, die durch den Erfassungsabschnitt für die Widerstandskomponente ermittelt wurde; einen Erfassungsabschnitt (24) für statische Spaltkapazität, um die statische Spaltkapazität durch Subtraktion der statischen Kapazitätskomponente von der kombinierten statischen Kapazität zu ermitteln; und einen Spalterfassungsabschnitt (24), um den Spalt aus der statischen Spaltkapazität zu ermitteln, die durch den Erfassungsabschnitt für die statische Spaltkapazität ermittelt wurde.
Spalterfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, für eine Laserstrahlmaschine, wobei der Erfassungsabschnitt für die statische Kapazitätskomponente die folgende Gleichung als Modell verwendet: Rp·Cp = k worin Rp die Widerstandskomponente darstellt, Cp die statische Kapazitätskomponente darstellt, und k ein Parameter ist.
Spalterfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, für eine Laserstrahlmaschine, wobei der Erfassungsabschnitt für die statische Kapazitätskomponente eine Nachschlagtabelle als Modell verwendet, die eine Übereinstimmung zwischen der Widerstandskomponente und der statischen Kapazitätskomponente zeigt.
Spalterfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, für eine Laserstrahlmaschine, wobei der Wert des Parameters k nicht kleiner als 10^–9 ΩF und nicht größer als 10^–8 ΩF eingestellt wird.
Spalterfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, für eine Laserstrahlmaschine, darüber hinaus umfassend: einen Eingabeabschnitt (30), um einen Wert für den Parameter k einzugeben.
Spalterfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, für eine Laserstrahlmaschine, darüber hinaus umfassend: einen Signalerzeugungsabschnitt (22), um ein Eingangssignal (Vin) zu erzeugen, das über einen Bezugswiderstand (Rref) in eine Mittelelektrode (40) eingegeben werden soll, welche die statische Spaltkapazität zwischen sich selbst und dem Objekt bildet, und das Eingangssignal auszugeben; einen Pufferschaltkreis (23), der ein Signal an einem Ende des Bezugswiderstands auf der Seite der Mittelelektrode empfängt, um das Signal an den Erfassungsabschnitt für die statische Kapazitätskomponente auszugeben, wobei der Erfassungsabschnitt für die statische Kapazitätskomponente die kombinierte Admittanz unter Verwendung der folgenden Gleichung ermittelt:
worin j eine imaginäre Einheit darstellt, ω eine Winkelfrequenz darstellt, Rref den Bezugswiderstand darstellt, F(jω) eine Frequenzübertragungsfunktion vom Eingangssignal zu einem Ausgangssignal des Pufferschaltkreises darstellt, Z(jω)^–1 die kombinierte Admittanz darstellt, und A(jω) und X(jω) Parameter sind.
Spalterfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, für eine Laserstrahlmaschine, darüber hinaus umfassend: einen Signalerzeugungsabschnitt (22), um ein Eingangssignal (Vin) zu erzeugen, das über einen Bezugswiderstand (Rref) in eine Mittelelektrode (40) eingegeben werden soll, welche die statische Spaltkapazität zwischen sich selbst und dem Objekt bildet, und das Eingangssignal auszugeben; einen Pufferschaltkreis (23), der ein Signal an einem Ende des Bezugswiderstands auf der Suite der Mittelelektrode empfängt, um das Signal an den Erfassungsabschnitt für die statische Kapazitätskomponente auszugeben, wobei der Erfassungsabschnitt für die statische Kapazitätskomponente die kombinierte Admittanz unter Verwendung der folgenden Gleichung ermittelt:
worin j eine imaginäre Einheit darstellt, ω eine Winkelfrequenz darstellt, Rref den Bezugswiderstand darstellt, Vout(jω) ein Ausgangssignal des Pufferschaltkreises darstellt, Z(jω)^–1 die kombinierte Admittanz darstellt, und B(jω) und X(jω) Parameter sind.
Spalterfassungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, für eine Laserstrahlmaschine, darüber hinaus umfassend: einen Überbrückungsstift (31), der in der Lage ist, einen Kurzschluss an beiden Enden des Bezugswiderstands hervorzurufen.
Spalterfassungsvorrichtung nach Anspruch 6, für eine Laserstrahlmaschine, darüber hinaus umfassend: einen Parameteraktualisierungsabschnitt (24), um die Werte der Parameter A(jω) und X(jω) zu aktualisieren, wenn ein vorbestimmtes Signal eingegeben wird.
Spalterfassungsvorrichtung nach Anspruch 7, für eine Laserstrahlmaschine, darüber hinaus umfassend: einen Parameteraktualisierungsabschnitt (24), um die Werte der Parameter B(jω) und X(jω) zu aktualisieren, wenn ein vorbestimmtes Signal eingegeben wird.
Spalterfassungsvorrichtung nach Anspruch 6, für eine Laserstrahlmaschine, wobei der Erfassungsabschnitt für die statische Kapazitätskomponente die Frequenzübertragungsfunktion F(jω) unter Verwendung einer Zeitreihenmodellgleichung ermittelt, die ein Verhältnis zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal darstellt.
Spalterfassungsvorrichtung nach Anspruch 11, für eine Laserstrahlmaschine, wobei der Erfassungsabschnitt für die statische Kapazitätskomponente Abtastdaten verwendet, die erhalten werden, indem das Eingangssignal und das Ausgangssignal mit einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz des Eingangssignals abgetastet wird, wenn Zeitreihendaten in die Zeitreihenmodellgleichung eingesetzt werden sollen.
Spalterfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, für eine Laserstrahlmaschine, wobei der Spalterfassungsabschnitt den Spalt aus der statischen Spaltkapazität ermittelt, indem ein Exponentialfunktionsmodell verwendet wird, das ein Verhältnis zwischen dem Spalt und der statischen Spaltkapazität darstellt.
Laserstrahlbearbeitungssystem, das Folgendes umfasst: eine Laserstrahlmaschine (1) mit einer Düse (4) zur Abgabe eines Laserstrahls; und eine Spalterfassungsvorrichtung (21) zum Erfassen eines Spalts (d) zwischen einem unter Verwendung des Laserstrahls zu bearbeitenden Objekt und der Düse, wobei die Spalterfassungsvorrichtung aufweist: einen Erfassungsabschnitt (24) für kombinierte Admittanz, um eine kombinierte Admittanz (Z^–1) zu ermitteln, bei der es sich um den Reziprokwert einer kombinierten Impedanz (Z) aus einer vom Spalt abhängenden statischen Spaltkapazität (Cg) und einer Plasmaimpedanz (Zp) handelt, die von dem Plasma abhängt, das während der Laserstrahlbearbeitung am Objekt entsteht; einen Erfassungsabschnitt (24) für kombinierte statische Kapazität, um aus einem imaginären Teil der kombinierten Admittanz die kombinierte statische Kapazität (Cc), bei der es sich um die Summe der statischen Spaltkapazität und einer statischen Kapazitätskomponente (Cp) handelt, die in der Plasmaimpedanz enthalten ist; einen Erfassungsabschnitt (24) für die Widerstandskomponente, um eine Widerstandskomponente (Rp), die in der Plasmaimpedanz enthalten ist, aus einem realen Teil der kombinierten Admittanz zu ermitteln; einen Erfassungsabschnitt (24) für eine statische Kapazitätskomponente, um die statische Kapazitätskomponente unter Verwendung eines Modells zu ermitteln, das ein Verhältnis zwischen der Widerstandskomponente und der statischen Kapazitätskomponente und der Widerstandskomponente darstellt, die durch den Erfassungsabschnitt für die Widerstandskomponente ermittelt wurde; einen Erfassungsabschnitt (24) für statische Spaltkapazität, um die statische Spaltkapazität durch Subtraktion der statischen Kapazitätskomponente von der kombinierten statischen Kapazität zu ermitteln; und einen Spalterfassungsabschnitt (24), um den Spalt aus der statischen Spaltkapazität zu ermitteln, die durch den Erfassungsabschnitt für die statische Spaltkapazität ermittelt wurde.
Laserstrahlbearbeitungssystem nach Anspruch 14, wobei die Laserstrahlmaschine einen Parameterwert in die Spalterfassungsvorrichtung eingibt, der verwendet wird, um die statische Kapazitätskomponente zu ermitteln, und der Erfassungsabschnitt für die statische Kapazitätskomponente die folgende Gleichung als Modell verwendet: Rp·Cp = k worin Rp die Widerstandskomponente darstellt, Cp die statische Kapazitätskomponente darstellt, und k der Parameter ist.
Spalterfassungsverfahren für eine Laserstrahlmaschine, um einen Spalt (d) zwischen einer Düse (4) einer Laserstrahlmaschine (1) zur Abgabe eines Laserstrahls und einem unter Verwendung des Laserstrahls zu bearbeitenden Objekt (50) zu erfassen, folgende Schritte umfassend: (a) Ermitteln einer kombinierten Admittanz (Z^–1), bei der es sich um den Reziprokwert einer kombinierten Impedanz (Z) der vom Spalt abhängenden statischen Spaltkapazität und einer Plasmaimpedanz (Zp) handelt, die von dem Plasma abhängt, das während der Laserstrahlbearbeitung am Objekt entsteht; (b) Ermitteln, und zwar aus einem imaginären Teil der kombinierten Admittanz, einer kombinierten statischen Kapazität (Cc), bei der es sich um die Summe der statischen Spaltkapazität und einer statischen Kapazitätskomponente (Cp) handelt, die in der Plasmaimpedanz enthalten ist; (c) Ermitteln einer Widerstandskomponente (Rp), die in der Plasmaimpedanz enthalten ist, aus einen realen Teil der kombinierten Admittanz; (d) Ermitteln der statischen Kapazitätskomponente unter Verwendung eines Modells, das ein Verhältnis zwischen der Widerstandskomponente und der statischen Kapazitätskomponente und der im Schritt (c) ermittelten Widerstandskomponente darstellt; (e) Ermitteln der statischen Spaltkapazität durch Subtraktion der statischen Kapazitätskomponente von der kombinierten statischen Kapazität; und (f) Ermitteln des Spalts aus der statischen Spaltkapazität.