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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Referenz-Fokuslage eines fokussierten,
durch eine Öffnung
in einem Düsenkörper einer
Laserbearbeitungsdüse
hindurch tretenden Laserstrahls relativ zu einem plattenartigen
Körper, bevorzugt
zu einem Blech. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Laserbearbeitungsdüse zur Verwendung in
einem solchen Verfahren, welche einen Düsenkörper und eine in dem Düsenkörper gebildete Öffnung aufweist.
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Für die Laserbearbeitung
von Werkstücken ist
es notwendig, dass die Fokuslage des Laserstrahls bezogen auf die
Werkstückoberfläche sehr genau
bekannt ist. Daher wird in einem Kalibrierungsschritt üblicherweise
die Fokussiereinstellung gesucht, bei der der Fokuspunkt des Laserstrahls
auf der Werkstückoberfläche liegt,
was der Referenz-Fokusposition entspricht. Relativ zu dieser Referenz-Fokusposition
werden bei der Bearbeitung in Abhängigkeit von der durchzuführenden
Aufgabe (z. B. Erzeugung eines Startlochs, Schneiden, Kennzeichnen,
...) Fokuslagenoffsets eingestellt.
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In
Laserbearbeitungsmaschinen kann es insbesondere bei hohen Laserleistungen,
hervorgerufen beispielsweise durch eine Verschmutzung der Fokussieroptik, aufgrund
der Erwärmung
der optischen Komponenten in der Strahlführung zu Änderungen des Abstands zwischen
der Bearbeitungsoptik und dem Fokuspunkt des Strahls kommen. Damit ändern sich
auch die Fokuslage am Werkstück
und die Präzision
der Laserbearbeitungsmaschine. Während des
Betriebs ist es daher immer wieder erforderlich, die Fokuslage zu überprüfen, um
eine Abweichung von der optimalen Fokuslage frühzeitig feststellen und korrigieren
zu können.
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Aus
den Schriften
DE 102
55 628 A1 ,
JP 02160191 ,
JP 10258382 ,
JP 10314966 und
JP 10076384 sind bereits Verfahren
zur Bestimmung der Referenz-Fokuslage eines Laserstrahls bekannt, bei
denen mit dem Laserstrahl bei variierender Fokuslage eine Mehrzahl
von Schnittlinien auf der Werkstückoberfläche erzeugt
wird. Anschließend wird
die Breite der individuellen Schnittlinien ermittelt und der Schnittspalt
mit der geringsten Breite bestimmt. Die der geringsten Schnittbreite
zugehörige Fokuslage
wird als Fokuseinstellung der Laserbearbeitungsmaschine übernommen.
Bei den in den ersten vier der oben zitierten Schriften beschriebenen Verfahren
wird die Breite der Schnittlinie mittels einer bevorzugt am Laserbearbeitungskopf
positionierten Kamera ermittelt, bei der fünften Schrift wird die Linienbreite
kapazitiv bestimmt, indem der Laserbearbeitungskopf quer zu den
Schnittlinien bewegt und dabei die Kapazitätsänderung mit einem an der Laserbearbeitungsdüse des Laserbearbeitungskopfs
befindlichen Kapazitätssensor
vermessen wird.
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Aus
der
WO 2006/136
192 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt
geworden, bei dem für
unterschiedliche Fokuslagen des Laserstrahls bestimmt wird, ob zumindest
der Randbereich des Laserstrahls in Kontakt mit einem plattenartigen Körper kommt.
Hierbei kann zunächst
bei einer ersten Fokuslage eine Durchgangsöffnung in dem Körper erzeugt
und anschließend
mit zumindest einer weiteren Fokuslage das Erzeugen der Durchtrittsöffnung wiederholt
werden. Auch ist in der
WO 2006/136
192 A1 eine Verfahrensvariante beschrieben, bei der die
Fokuslage bzw. der Laserstrahldurchmesser bei der eingestellten
Fokuslage durch Antasten des Laserstrahls an durch Stanzen erzeugte
Kanten eines plattenartigen Körpers
ermittelt wird.
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Neben
der präzisen
Einstellung der Fokuslage sollte bei der Laserbearbeitung auch die
Position des fokussierten Laserstrahls beim Durchtritt durch die Öffnung des Düsenkörpers der
Laserbearbeitungsdüse
anwendungsabhängig
auf wenige 0,01 mm genau eingestellt werden, da dies Vorrausetzung zur
Erzielung eines richtungsunabhängigen
Bearbeitungsergebnisses ist. Die Öffnung in dem Düsenkörper, durch
die der Laserstrahl hindurch tritt, ist in der Regel kreisförmig, es
sind jedoch auch beliebige andere Formen wie z. B. Langlöcher möglich.
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Die
Grundeinstellung der Zuordnung des fokussierten Laserstrahls zur
Mitte der Laserbearbeitungsdüse
bzw. zur vorgegebenen Austrittsposition des Laserstrahls aus der
Laserbearbeitungsdüse
erfolgt beim Verwenden eines neuen Laserbearbeitungskopfs oder nach
Tausch bzw. Reinigung von dessen Komponenten. Eine Überprüfung der
Zuordnung kann beim Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine anhand
von zyklischen Messungen oder bei einer Verschlechterung des Bearbeitungsergebnisses
durchgeführt
werden. Außerdem
ist eine solche Überprüfung bei
einer Änderung
der Fokuseinstellung sinnvoll.
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Die
Ausrichtung des Laserstrahls in der Öffnung der Laserbearbeitungsdüse wird
im Stand der Technik normalerweise manuell durchgeführt. Dazu wird über die
Düsenöffnung ein
Klebestreifen geklebt und mit geringer Laserleistung ein kleines
Loch in den Klebestreifen eingebrannt. Die Abweichung der Strahllage
des Laserstrahls von der Düsenmitte
wird mit bloßem
Auge und einer Lupe bestimmt. Zur Korrektur der Strahllage dienen
entsprechende Positioniereinheiten mit Justierschrauben, mittels
derer die Lage des Laserstrahls in einer rechtwinklig zur Düsenachse
verlaufenden X-Y-Ebene der Öffnung
im Düsenkörper in
X- und Y-Richtung verändert
werden kann. Dieser Vorgang ist ungenau, zeitintensiv und aufgrund
notwendiger manueller Eingriffe für einen automatisierten Prozessablauf
ungeeignet.
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Aus
der
JP 06328281 ist
es bekannt, zur Zentrierung des Laserstrahls in der Laserbearbeitungsdüse zunächst mit
dem Laserstrahl eine kreisförmige
Aussparung in ein Werkstück
zu schneiden, deren Mittelpunkt dem Mittelpunkt des Laserstrahls entspricht.
Die Mitte der kreisförmigen Öffnung in
der Laserbearbeitungsdüse
wird durch Antasten von gegenüberliegenden
Kanten der Aussparung mit dem Düsenkörper bestimmt,
wobei die Berührung
von Düsenkörper und
Kante durch den Kurzschluss einer zwischen dem Düsenkörper und dem Werkstück angelegten
Spannung detektiert wird. Stimmen die Mittelpunkte von Laserstrahl
und Düsen öffnung nicht überein,
wird der Strahl auf den Mittelpunkt der Öffnung in der Laserbearbeitungsdüse ausgerichtet. Dieses
Verfahren führt
allerdings möglicherweise
zu ungenauen Ergebnissen, wenn der Laserstrahl zu Beginn sehr außermittig
ausgerichtet war, da in diesem Fall der kreisförmige Ausschnitt sehr schräge Kanten
aufweist und es beim Antasten mit der Laserbearbeitungsdüse zu ungenauen
Ergebnissen kommt.
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Ferner
ist es aus der
WO
2006/027085 A1 der Anmelderin bekannt, die Lage der Laserstrahlachse
relativ zu einer Strahlachse eines Prozessgasstrahls zu bestimmen,
indem der Prozessgasstrahl eine Kante an einem Achslagenerfassungselement antastet,
wobei das Berühren
der Kante über
eine Auslenkung des Achslagenerfassungselements detektiert wird.
Nachfolgend wird das Berühren
des Laserstrahls an der Kante des Achslagenerfassungselements durch
eine Prozesslichtmessung detektiert und durch Vergleich der jeweils
ermittelten Berührpunkte
die Lage der Achse des Laserstrahls relativ zur Lage der Achse des
Prozessgasstrahls ermittelt.
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Aufgabe der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen,
mit dem auf einfache Weise und bevorzugt automatisiert die Fokuslage
des Laserstrahls relativ zu einem Körper zuverlässig, reproduzierbar und möglichst
genau bestimmt werden kann, und bei dem die Fokuslage gegebenenfalls
korrigiert werden kann. Ferner ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Laserbearbeitungsdüse bereitzustellen, welche
für die
Verwendung zum Antasten von Kanten besonders geeignet ist.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Bestimmen der Referenz-Fokuslage
eines Laserstrahls, umfassend die Schritte: a) Abschneiden eines
Teilstücks
des Körpers
mittels des Laserstrahls unter gleichzeitigem, bevorzugt stufenweisen
Verändern
des Abstands zwischen dem Fokuspunkt des Laserstrahls und dem plattenartigen
Körper
in Richtung der Laserstrahlachse, b) seitliches Antasten einer an
dem Körper
durch das Abschneiden des Teilstücks
gebildeten Kante zum Ermitteln von Koordinaten der Kante, und c)
Bestimmen eines am weitesten vorstehenden Abschnitts der Kante anhand
der ermittelten Koordinaten und Festlegen der zugehörigen Einstellung
des Abstandes zwischen dem Fokuspunkt und dem plattenartigen Körper als
Referenz-Fokuslage
des Laserstrahls.
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Erfindungsgemäß wird eine
einzige durchgängige
Schnittlinie in dem als Testwerkstück dienenden plattenartigen
Körper
erzeugt, die in Abhängigkeit
von der Fokuslage während
des Laserschneidens eine variable Breite aufweist. Die Kontur der
am Restwerkstück
nach dem Abschneiden des Teilstücks
gebildeten, frei zugänglichen
Schnittkante variiert entsprechend, sodass sich aus deren Koordinaten
Rückschlüsse auf
die Fokuslage ziehen lassen. Die Fokuseinstellung des engsten Abschnitts
der Schnittlinie bzw. des am weitesten vorstehenden Abschnitts an
der Kante gibt hierbei diejenige Einstellung der Fokuslage an, bei
welcher der Fokuspunkt des Laserstrahls sich an der Referenz-Fokusposition auf
der Werkstückoberfläche befindet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann zur Grundeinstellung eines Laserbearbeitungskopfes beispielsweise
nach einem Tausch des Laserbearbeitungskopfes oder nach einem Tausch
bzw. einer Reinigung der Fokussieroptik angewendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich
außerdem
im Rahmen der Prozessüberwachung
der Fokuslage einsetzen. Dabei erfolgt die Fokuslagenüberprüfung entweder
zyklisch in definierten Zeitabständen,
um eine schleichende Fokuslagenveränderung zu kompensieren, oder
gezielt bei auftretenden Bearbeitungsproblemen (z. B. einer Qualitätsverschlechterung
des Schneidergebnisses).
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Das
Abschneiden des Teilstücks
erfolgt bevorzugt bei hoher Laserleistung, kann aber auch bei Laserleistungen
unterhalb der zur Werkstückbearbeitung üblicherweise
verwendeten Nennleistung erfolgen, wenn sichergestellt ist, dass
das Testwerkstück auch
bei geringer Laserleistung vollständig durchtrennt werden kann.
Bevorzugt wird hierbei der Schnittspalt in dem plattenartigen Testwerkstück unter
Stickstoff-Schneidgaszufuhr erzeugt.
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Bei
einer bevorzugten Variante erfolgt das Antasten mittels eines mechanischen
Tastwerkzeugs, bevorzugt mittels des Düsenkörpers der Laserbearbeitungsdüse oder
mittels eines an einem Laserbearbeitungskopf angebrachten Messtasters.
Ein geeignet ausgebildeter Düsenkörper der
Laserbearbeitungsdüse
kann als Tastwerkzeug dienen. Zur Erhöhung der Präzision bei der Antastung kann
aber auch ein Messtaster, der zusätzlich oder alternativ zur
Laserbearbeitungsdüse
am Laserbearbeitungskopf angebracht ist, verwendet werden. Der Messtaster
kann beispielsweise zylinderförmig
ausgeführt
sein und daher gegenüber
einer herkömmlichen Laserbearbeitungsdüse den Vorteil
geringerer Formtoleranz aufweisen. Der Messtaster kann für die Messung
beispielsweise über
einen automatischen Düsenwechsler
an Stelle der Laserbearbeitungsdüse am
Laserbearbeitungskopf angeschraubt werden oder neben der Laserbearbeitungsdüse positioniert und
fest mit dem Laserbearbeitungskopf verbunden sein.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Berührung der Kante über einen
zwischen dem plattenartigen Körper
und dem mechanischen Tastwerkzeug auftretenden Kurzschluss detektiert.
Hierbei wird zwischen dem Tastwerkzeug und dem plattenartigen Körper eine
Spannung angelegt. Im Falle des Düsenkörpers als Tastwerkzeug kann
der Kurzschluss beispielsweise durch die Abstandssensorik des Laserbearbeitungskopfes
detektiert werden, welche mit der Laserbearbeitungsdüse elektrisch
verbunden ist. Es versteht sich, dass bei dieser Variante sowohl
der plattenartige Körper
als auch das Tastwerkzeug aus einem elektrisch leitenden Material
bestehen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Berührung der
Kante über
eine kapazitive Messung des Abstandes zwischen der Kante und dem
mechanischen Tastwerkzeug detektiert. Der Abstand zwischen Kante
und Tastwerkzeug kann in diesem Fall durch die kontinuierliche Auswertung
des Abstandssignals einer kapazitiv messenden Abstandssensorik ermittelt
werden. Unterschreitet das Abstandssignal einen zuvor definierten
Wert, wird dies als Berührung
erkannt. Die Abstandssensorik misst hierbei die elektrische Kapazität zwischen
dem elektrisch leitenden Tastwerkzeug und dem elektrisch leitenden
Körper.
Die Kapazität
ist abstandsabhängig
und verringert sich mit zunehmendem Abstand zwischen Tastwerkzeug
und Körper.
Die Kapazitätsmessung
kann mittels eines Schwing kreises erfolgen, dessen Frequenz kapazitätsabhängig verstimmt
wird. Der Zusammenhang zwischen Abstand und Frequenz wird über eine
Kennlinie hergestellt.
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Bei
einer vorteilhaften Variante erfolgt das Antasten der Kante mittels
des Laserstrahls. Dabei wird die Intensität der aus dem Bereich einer
Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Körper emittierten Strahlung
(z. B. Plasmaleuchten oder Prozesslicht) erfasst, wenn der Laserstrahl
auf die Kante trifft. Alternativ kann auch die transmittierte oder
reflektierte Leistung des Laserstrahls gemessen werden, die sich
verringert bzw. erhöht,
wenn der Laserstrahl auf die Schnittkante trifft.
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Nach
dem Bestimmen der Referenz-Fokuslage kann der Fokuspunkt des Laserstrahls
derart in Richtung der Laserstrahlachse verschoben werden, dass
sich der Fokuspunkt auf der Oberfläche des plattenartigen Körpers befindet.
Diese Einstellung wird beim Programmieren der Fokuslage als "Einstellung 0 mm" definiert. Dieser
Kalibriervorgang der Fokuslagenprogrammierung ist Voraussetzung
dafür, dass
anschließend
in Abhängigkeit
von der Art der Bearbeitung eine optimale Fokuslage berechnet und eingestellt
werden kann.
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Durch
eine insbesondere zyklische Fokuslagenüberprüfung kann eine Fokuslagenveränderung bis
zu definierten Grenzwerten automatisch kompensiert werden. Bei zu
starker Fokuslagenveränderung, bei
der eine automatische Kompensation nicht mehr sinnvoll ist, kann
die weitere Werkstückbearbeitung mit
einer Warnung unterbrochen werden, um der Produktion von Ausschuss
oder einer Zerstörung
der Fokussierlinse infolge von sich schleichend einstellender Verschmutzung
und damit einhergehender erhöhter
Absorption des Laserstrahls vorzubeugen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Variante wird zum Verändern des
Abstands zwischen dem Fokuspunkt und dem plattenartigem Körper eine
im Strahlengang des Laserstrahls angeordnete Fokussieroptik in Richtung
der Laserstrahlachse verschoben und/oder mindestens ein im Strahlengang
des Laserstrahls angeordneter adaptiver Umlenkspiegel in seinem
Krümmungsradius
verändert.
Die Fokussieroptik und der adaptive Umlenkspiegel können sich
beide im Laserbearbeitungskopf, an welchem auch die Laserbearbeitungsdüse angebracht
ist, befinden. Der adaptive Umlenkspiegel kann sich aber auch vor dem
Laserbear beitungskopf in der Strahlführung der Lasermaschine befinden.
Zur Variation der Lage des Fokuspunktes kann sowohl die Fokussierlinse
verschoben als auch die Krümmung
des vor der Fokussierlinse angeordneten adaptiven Umlenkspiegels verstellt
werden, welcher auf seiner Rückseite
von Wasser umspült
wird, so dass ein veränderlicher Wasserdruck
eine Änderung
des Krümmungsradius und
damit eine Änderung
der Fokuslage bewirkt. Der Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf
und Arbeitsebene kann in beiden Fällen konstant gehalten werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Variante wird ein plattenartiger Körper mit
einer Dicke zwischen 1,5 mm und 2 mm gewählt. Weist der plattenartige
Körper
eine ausreichende Dicke im oben angegebenen Bereich auf, hat die
erfindungsgemäße Vermessung von
Schnittkanten gegenüber
einer Fokuslagenermittlung über
eine optische Auswertung von Schnittspalten den Vorteil, dass eine
auftretende Gratbildung an der Unterkante des Körpers die Messung an der Körperoberkante
nicht stört.
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Bei
einer weiteren besonders vorteilhaften Variante wird ein plattenartiger
Körper
in Form eines Bandes gewählt.
Bei ausreichender Größe des plattenartigen
Körpers
können
an diesem mehrere Fokuslagenermittlungen durchgeführt werden,
bevor der Körper
schließlich
durch einen Bediener ausgetauscht werden muss. Eine noch höhere Anzahl
von Messungen lässt
sich erreichen, wenn der Körper
als kontinuierliches Endlosband ausgeführt ist, das nach den jeweiligen
Messungen beispielsweise über
ein Rollensystem verfahren wird.
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Ferner
kann zum Bestimmen der Lage eines durch eine Öffnung eines Düsenkörpers einer
Laserbearbeitungsdüse
hindurch tretenden Laserstrahls relativ zu der Öffnung in mindestens einer
ersten Raumrichtung bevorzugt senkrecht zur Laserstrahlachse ein
Verfahren durchgeführt
werden, welches folgende Schritte umfasst: a) Antasten von zwei
in der ersten Raumrichtung gegenüberliegenden
Kanten eines bevorzugt plattenartigen Körpers, insbesondere eines Bleches,
durch Bewegen des Düsenkörpers und
des Körpers
relativ zueinander zumindest in der ersten Raumrichtung zum Ermitteln
von ersten Berührpunkten,
b) Antasten der zwei oder von zwei weiteren in der ersten Raumrichtung
gegenüberliegenden
Kanten des Körpers
durch Bewegen des Körpers
und des Laserstrahls relativ zueinander in zumindest der ersten
Raumrichtung zum Ermitteln von zweiten Berührpunkten, und c) Bestimmen
der Lage des Laserstrahls relativ zur Öffnung des Düsenkörpers in
der ersten Raumrichtung durch Vergleichen der ersten und zweiten
Berührpunkte.
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Hierbei
kann zunächst
der Mittelwert der beiden ersten, mittels des Düsenkörpers angetasteten Berührpunkte
in der ersten Raumrichtung (im Folgenden kurz: X-Richtung) bestimmt und mit dem Mittelwert
der zweiten, durch das Antasten mittels des Laserstrahls ermittelten
Berührpunkte
verglichen werden. Die Differenz der Mittelwerte aus der Antastung
mittels des Düsenkörpers und
der Antastung mittels des Laserstrahls beschreibt die Außermittigkeit
des fokussierten Laserstrahls in X-Richtung.
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Die
einander gegenüberliegenden
Kanten können
beispielsweise an einer gestanzten oder geschnittenen Aussparung
in dem Körper
oder an gegenüberliegenden
Seitenrändern
des Körpers
gebildet sein und verlaufen bevorzugt geradlinig und parallel zueinander,
um eine definierte Antastung zu ermöglichen. Der Düsenkörper und
der Laserstrahl können
hierbei jeweils gegenüberliegende
Kanten derselben Aussparung antasten, oder es können zwei separate Aussparungen
verwendet werden, wobei die Kanten der ersten Aussparung mittels
des Düsenkörpers und
die Kanten der zweiten Aussparung mittels des Laserstrahls angetastet
werden. Die geometrische Zuordnung beider Aussparungen muss in diesem
Fall genau bekannt sein und bei der Berechnung der Lage des Laserstrahls
relativ zu Öffnung entsprechend
berücksichtigt
werden.
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Es
versteht sich, dass auch mehrere separate Aussparungen für die Antastung
mittels des Laserstrahls in dem Körper vorgesehen sein können, da
im Gegensatz zur Antastung mittels des Düsenkörpers bei der Antastung mittels
des Laserstrahls ein geringer Materialabtrag unvermeidlich ist.
Daher wird vorzugsweise von Messung zu Messung bzw. nach einigen
Messungen ein Seitenversatz des Laserstrahls bei der Antastung an
die Kante vorgesehen, damit immer eine "unverletzte" Messkante vorliegt. Dieses Vorgehen
ist allerdings durch die zur Verfügung stehende Länge der
Kante begrenzt. Wenn eine Aussparung für die Antastung durch den Laserstrahl nicht
mehr verwendet werden kann, weil an dieser keine definierte Messkante
mehr existiert, kann zu einer weiteren Aussparung gewechselt werden,
so dass ein zu häufiges
Austauschen des Körpers
vermieden werden kann.
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Zum
Bestimmen der Lage des Laserstrahls relativ zur Öffnung in einer zweiten Raumrichtung
(im Folgenden kurz: Y-Richtung) können die Schritte a) bis c)
analog für
die zweite Raumrichtung durchgeführt
werden. Die Differenz der Mittelwerte aus der Antastung mittels
des Düsenkörpers und
der Antastung mittels des Laserstrahls in Y-Richtung beschreibt
die Außermittigkeit
des fokussierten Laserstrahls in Y-Richtung. Durch die Bestimmung der Außermittigkeit
des Laserstrahls in den zwei bevorzugt senkrechten Raumrichtungen
X, Y sind die Korrekturmaße
bekannt, um die der Laserstrahl und der Düsenkörper relativ zueinander in
X- und Y-Richtung bewegt werden müssen, um die Mittigkeit zueinander herzustellen.
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Weiterhin
kann in Schritt c) die Differenz der arithmetischen Mittelwerte
der ersten und zweiten Berührpunkte
in der jeweiligen Raumrichtung bestimmt werden. Wie oben ausgeführt, stellt
der Vergleich der Mittelwerte eine besonders einfache Möglichkeit
dar, um die Außermittigkeit
des Laserstrahls zu bestimmen. Es versteht sich, dass auch andere Vorgehensweisen
möglich
sind, um aus den Berührpunkten
die Lage des Laserstrahls relativ zur Öffnung in dem Düsenkörper zu
bestimmen, beispielsweise indem zunächst die Differenz zwischen
jeweils an derselben bzw. korrespondierenden Kanten ermittelten
ersten und zweiten Berührpunkten
berechnet wird und erst nachfolgend der Mittelwert aus den Differenzen
bestimmt wird.
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Sind
die Korrekturmaße
für die
X- und die Y-Richtung bekannt, so wird der Laserstrahl in der Öffnung an
einer Soll-Position positioniert, indem der Laserstrahl und der
Düsenkörper relativ
zueinander bewegt werden. Ist der Laserstrahl außermittig in der Öffnung angeordnet,
kann, je nach Verstellmechanismus, die Position des fokussierten
Laserstrahls oder die Position des Düsenkörpers um die errechnete Differenz
verschoben werden, um die Zentrizität des Laserstrahls in der Öffnung herzustellen.
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Auch
kann die Berührung
der Kanten beim Antasten des Düsenkörpers durch
einen zwischen dem Körper
und dem Düsenkörper auftretenden Kurzschluss
detektiert werden. Hierbei wird zwischen dem Düsenkörper und dem Körper eine
Spannung angelegt und bei der Berührung der Kurzschluss beispielsweise
durch die Abstandssensorik des Laserbearbeitungskopfes detektiert,
welche mit der Laserbearbeitungsdüse elektrisch verbunden ist.
Es versteht sich, dass bei dieser Variante sowohl der Körper als
auch der Düsenkörper aus
einem elektrisch leitenden Material bestehen.
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Ferner
kann die Berührung
der Kanten beim Antasten des Düsenkörpers über eine
kapazitive Messung des Abstandes zwischen den Kanten und dem Düsenkörper detektiert
werden. Eine Abstandssensorik misst die elektrische Kapazität zwischen dem
elektrisch leitenden Düsenkörper und
dem elektrisch leitenden Körper.
Die Kapazität
ist hierbei abstandsabhängig
und verringert sich mit zunehmendem Abstand zur Kante, so dass bei
Unterschreitung eines definierten Schwellwerts eine Berührung des Düsenkörpers an
der Kante erkannt wird. Die Kapazitätsmessung kann hierbei mittels
eines Schwingkreises erfolgen.
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Weiterhin
kann in dem plattenartigen Körper ein
Dorn mit Kanten zum Antasten durch den Düsenkörper vorgesehen sein, wobei
das Antasten mittels einer Innenseitenfläche der Öffnung des Düsenkörpers erfolgt.
Der Dorn muss hierbei derart ausgebildet sein, dass er in die Düsenaustrittsöffnung "eintauchen" kann. Der Dorn muss
ferner eine bekannte geometrische Zuordnung zu einer Aussparung
haben, welche mittels des Laserstrahls vermessen wird. Die Antastung
des Dorns kann hierbei in X- und Y-Richtung getrennt erfolgen oder
z. B. über
drei Antastbewegungen, welche um 120° versetzt sind, ausgeführt werden.
Für die
Ausformung von Aussparungen für die
Antastung mittels des Laserstrahls gibt es mehrere Möglichkeiten:
Es kann z. B. ein quadratischer Ausschnitt neben dem Dorn oder um
den Dorn herum erzeugt werden oder der Körper kann als Drehteil mit dem
beispielsweise in der Mitte angeordneten Dorn ausgeführt werden.
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Auch
kann beim Antasten des Laserstrahls in Schritt b) die bei der Berührung des
Laserstrahls von dem plattenartigen Körper emittierte Strahlung detektiert
werden. Dabei wird die Intensität
der aus dem Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl
und Körper
kommenden Strahlung (z. B. Plasmaleuchten oder Prozesslicht) erfasst,
die auftritt, wenn der Laserstrahl auf die Kante trifft. Alternativ
kann auch die transmittierte oder reflektierte Leistung des Laserstrahls
gemessen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Fokuslagenbestimmung kann mit dem beschriebenen Verfahren zum
Bestimmen der Lage eines durch eine Öffnung eines Düsenkörpers einer
Laserbearbeitungsdüse
hindurch tretenden Laserstrahls relativ zu der Öffnung kombiniert werden. Dazu
wird in einem ersten Schritt bevorzugt von einem vorgegebenen Mittelpunkt
ausgehend ein Teilstück
des plattenartigen Körpers
mittels des Laserstrahls unter gleichzeitigem, bevorzugt stufenweisen
Verändern
des Abstands zwischen dem Fokuspunkt des Laserstrahls und dem Körper in
Richtung der Laserstrahlachse zur Bildung einer Aussparung mit zumindest
zwei in der ersten Raumrichtung gegenüberliegenden Kanten in dem
Körper
ausgeschnitten. Die Aussparung in dem Körper ist bevorzugt ein Vieleck
mit mehreren parallelen, gegenüberliegenden
Kanten (z. B. ein gleichseitiges Sechseck). Beim Schneiden der einzelnen Kanten
wird die Z-Einstellung des Fokuspunktes variiert, jedoch sollten
mindestens zwei gegenüberliegende
Kanten mit der gleichen Fokuseinstellung ausgeschnitten werden,
um diese gegenüberliegenden Kanten
zur Bestimmung der Lage des Laserstrahls in der Öffnung des Düsenkörpers mit
hoher Genauigkeit nutzen zu können.
Nachdem die Lage des Laserstrahls in X-Y-Richtung überprüft und gegebenenfalls korrigiert
wurde, kann an den Kanten der Aussparung zusätzlich die Referenz-Fokuslage
ermittelt werden.
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Insbesondere
können
zur Bestimmung der Referenz-Fokuslage des fokussierten Laserstrahls relativ
zu dem plattenartigen Körper
bevorzugt ausgehend von dem vorgegebenen Mittelpunkt die Schritte
b) und c) des oben beschriebenen Verfahrens zum Bestimmen der Referenz-Fokuslage
des fokussierten Laserstrahls ausgeführt werden. Vom Mittelpunkt
der Aussparung aus kann jede Kante der Aussparung mittels des Düsenkörpers oder
mittels des Laserstrahls angetastet werden, um die am weitesten
vorstehende Kante und damit die Referenz-Fokuslage zu ermitteln.
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Die
Erfindung ist weiterhin realisiert in einer Laserbearbeitungsdüse der eingangs
genannten Art, bei der an einer Außenseite des Düsenkörpers eine zylindrische,
sich in konstantem Abstand parallel zur Düsenachse erstreckende Messfläche zur
Antastung von Kanten gebildet ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Messfläche
als Rücksprung
in dem Düsenkörper ausgebildet.
Der Rücksprung
kann durch eine Eindrehung gebildet sein, die in einer Einspannung
mit der Düsenaustrittsöffnung gefertigt
wird, sodass der erforderliche Rundlauf mit der Düsenaustrittsöffnung bzw.
der Düsenachse
auf besonders einfache Weise erreicht wird. Der Rücksprung
kann so an dem Düsenkörper angebracht
werden, dass er durch in radialer Richtung weiter vorstehende Bereiche
des Düsenkörpers vor
Streustrahlung und vor bei der Bearbeitung nach oben austretendem
Material bzw. durch übliche
im Betrieb auftretende Kollisionen geschützt ist, so dass die Messfläche weder
verschmutzt noch beschädigt
werden kann.
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Die
Erfindung ist auch realisiert in einer Laserbearbeitungsmaschine
zur Durchführung
der oben beschriebenen Verfahren. Zur Ausführung der Mess- bzw. Antastbewegungen,
zur Aktivierung der Messungen, zur Messwertspeicherung und zur Berechnung
wird ein NC(„numerical
control” – numerisches
Steuerungs)-Programm verwendet, welches z. B. in einer Steuerungs-
oder Auswerteeinheit einer Laserbearbeitungsmaschine ablaufen kann.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung. Ebenso können
die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale
je für
sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die
gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen
sind nicht als abschließende
Aufzählung
zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung.
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Es
zeigen:
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1a,
b eine schematische Darstellung des Abschneidens eines Teilstücks aus
einem plattenartigen Körper
unter gleichzeitigem, stufenweisem Verändern des Abstands zwischen
einem Fokuspunkt eines Laserstrahls und dem Körper in einer Seitenansicht
(1a) und in einer Draufsicht (1b),
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2 eine
schematische Darstellung des Antastens einer durch das Ausschneiden
des Teilstücks
an dem plattenartigen Körper
gebildeten Kante zum Bestimmen der Referenz-Fokuslage des Laserstrahls,
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3 eine
schematische Darstellung des Antastens von jeweils zwei einander
gegenüberliegenden
Kanten einer Aussparung in einem plattenartigen Körper mittels
eines Düsenkörpers der
Laserbearbeitungsdüse,
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4 eine
schematische Darstellung des Antastens von jeweils zwei einander
gegenüberliegenden
Kanten der Aussparung in dem plattenartigen Körper von 3 mittels
eines Laserstrahls, und
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5a,
b eine Laserbearbeitungsdüse
mit einem Düsenkörper nach
dem Stand der Technik (5a) und mit einer an einer Außenseite
des Düsenkörpers gebildeten,
zylindrischen Messfläche (5b).
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1a zeigt
einen Laserstrahl 1, welcher in einem Laserbearbeitungskopf 2 einer
(nicht gezeigten) Laserbearbeitungsmaschine von einem ersten und
zweiten Umlenkspiegel 3, 4 umgelenkt sowie mittels
einer Fokussierlinse 5 auf einen Fokuspunkt F fokussiert
wird. Zur Fokussierung des Laserstrahls 1 kann zusätzlich der
zweite Umlenkspiegel 4 dienen, welcher adaptiv ausgeführt ist,
d. h. an seiner Rückseite
mit Wasser beaufschlagt wird, so dass eine Veränderung des Wasserdrucks seinen
Krümmungsradius
und damit die Lage des Fokuspunkts F entlang der Laserstrahlachse
(Z-Richtung) verändert.
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Der
fokussierte Laserstrahl 1 tritt durch eine Öffnung 6 eines
Düsenkörpers 7 einer
an dem Laserbearbeitungskopf 2 angebrachten Laserbearbeitungsdüse 8 und
trifft auf einen unterhalb des Düsenkörpers 7 angeordneten
plattenartigen Körper 9 in Form
eines Bleches. Der Laserbearbeitungskopf 2 wird kontinuierlich
in X-Richtung, d. h. quer zur Laserstrahlachse Z, bewegt, wodurch
sich in dem Körper 9 eine
in X-Richtung verlaufende
Schnittlinie 10 ausbildet, die in 1b gezeigt
ist. Bei der Bewegung des Laserbearbeitungskopfes 2 bzw.
des Laserstrahls 1 in X-Richtung wird die Lage des Fokuspunkts
F in Laserstrahlrichtung Z stufenweise verändert, wie durch gestrichelte
Linien angedeutet ist. Hierzu wird die Fokussierlinse 5 in
Z- Richtung verschoben
und/oder der adaptive Umlenkspiegel 4 geeignet verformt. Durch
die Veränderung
des Abstandes zwischen dem Fokuspunkt F und der Oberfläche des
plattenartigen Körpers 9 wird
der Durchmesser des auf den plattenartigen Körper 9 auftreffenden
Laserstrahls 1 ebenfalls stufenweise verändert, sodass
die Schnittline 10 mehrere Abschnitte mit jeweils konstanter Schnittbreite
aufweist.
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Der
Laserstrahl 1 wird bei Lasernennleistung betrieben, d.
h. bei einer Leistung von z. B. 5 kW, bei der typischerweise ein
Laserschneidprozess durchgeführt
wird, sodass der plattenartige Körper 9,
welcher eine Dicke von ca. 1,5–2
mm aufweist, entlang der Schnittline 10 vollständig durchtrennt
wird. Der plattenartige Körper 9 ist
einseitig gelagert, d. h. ein von dem Körper 9 beim Laserstrahlschneiden
abgeschnittenes Teilstück 11 wird
nicht unterstützt,
so dass dieses nach unten wegfällt
und eine in 2 gezeigte, durch das Laserschneiden
in dem Körper 9 gebildete
Kante 12 frei zugänglich
wird. Die Kante 12 steht in Abhängigkeit von der Breite der
Abschnitte der Schnittlinie 10 in einer Richtung Y senkrecht
zur Bewegungsrichtung X des Laserbearbeitungskopfes 2 unterschiedlich
weit vor. Sie steht in einem Abschnitt 12a am weitesten
vor, an dem die Schnittlinie 10 die geringste Breite aufweist,
d. h. der Fokuspunkt F des Laserstrahls 1 befand sich in
der im Abschnitt 12a gewählten Fokus-Einstellung unmittelbar
an der Oberseite des Körpers 9,
sodass bei dieser Einstellung die Referenz-Fokuslage FL des Laserstrahls 1 der
Laserbearbeitungsmaschine erreicht ist. Nachdem die Referenz-Fokuslage FL feststeht,
kann der Fokuspunkt F so in Z-Richtung verschoben werden, dass sich
der Fokuspunkt beim Programmieren der "Fokuslage 0 mm" auf der Oberseite des Körpers 9 befindet.
Anwendungsabhängig
können
dann Fokuslagen-Offsets
programmiert werden. Durch eine insbesondere zyklische Überprüfung der
Fokuslagen kann auf diese Weise eine Fokuslagenveränderung bis
zu definierten Grenzwerten automatisch kompensiert werden. Bei zu
starker Fokuslagenveränderung, bei
der eine automatische Kompensation nicht mehr sinnvoll ist, kann
die weitere Werkstückbearbeitung mit
einer Warnung unterbrochen werden, um einer Produktion von Ausschusswerkstücken oder
einer Zerstörung
der Fokussierlinse 5 vorzubeugen.
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Um
den Abschnitt 12a mit minimaler Breite der Schnittlinie 10 und
damit die Referenz-Fokuslage FL zu identifizieren, wird die Kante 12 des
Körpers 9 mittels
einer Außenseite
des Düsenkörpers 7 in
den jeweiligen Abschnitten bei konstanter Breite der Schnittlinie 10 angetastet,
wie in 2 gezeigt ist. Hierzu wird der Laserbearbeitungskopf 2 jeweils
so weit in Y-Richtung verfahren, bis die Außenseite des Düsenkörpers 7 die
Kante 12 des Körpers 9 berührt. Für jede Berührung wird
die Maschinenachseneinstellung der Laserbearbeitungsmaschine gespeichert und
die Koordinaten jedes Berührungspunktes
an der Kante 12, die von einer Steuerungseinheit des Laserbearbeitungskopfes 2 zur
Verfügung
gestellt werden, werden in einer NC-Steuerungseinheit gespeichert,
wobei jedem Berührungspunkt
die jeweils zugehörige
programmierte Lage des Fokuspunkts F des Laserstrahls 1 beim
Laserschneiden zugeordnet wird. Derjenige Berührungspunkt, bei dem in der
in 2 gezeigten Ausführung die Y-Koordinate minimal
ist, entspricht hierbei der Referenz-Fokuslage FL, bei welcher der
Laserstrahl 1 auf der Oberseite des Körpers 2 fokussiert
ist.
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Das
Antasten kann anders als in 2 gezeigt
auch mittels eines Messtasters als Tastwerkzeug durchgeführt werden,
welcher beispielsweise mittels eines Düsenwechslers (nicht gezeigt)
gegen die Laserbearbeitungsdüse 8 an
dem Laserbearbeitungskopf 2 ausgetauscht werden oder fest
mit diesem verbunden sein kann. In beiden Fällen kann die Berührung des
jeweiligen Tastwerkzeugs an der Kante 12 über einen
zwischen dem plattenartigen Körper 9 und
dem mechanischen Tastwerkzeug auftretenden Kurzschluss detektiert
werden, wenn zwischen dem elektrisch leitenden Tastwerkzeug und
dem elektrisch leitenden Körper 9 eine
Spannung angelegt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Berührung an
der Kante 9 auch durch eine kapazitive Abstandsmessung
zwischen Kante und Tastwerkzeug detektiert werden, wozu üblicherweise
ein Schwingkreis eingesetzt wird.
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Neben
der Bestimmung der Koordinaten der Kante 9 auf mechanische
Weise kann diese auch auf optischem Wege durchgeführt werden,
beispielsweise indem der Laserstrahl 1 zum Antasten der
Kante 12 verwendet wird. In diesem Fall wird die Intensität der aus
dem Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Körper 9 kommenden Strahlung
(z. B. Plasmaleuchten oder Prozesslicht) erfasst, die auftritt,
wenn der Laserstrahl 1 auf die Kante 12 trifft.
Alternativ kann auch die transmittierte oder reflektierte Leistung
des Laserstrahls 1 gemessen werden, die sich verringert
bzw. erhöht,
wenn der Laserstrahl 1 auf die Kante 12 des Körpers 9 trifft.
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Es
versteht sich, dass zur Durchführung
des oben beschriebenen Verfahrens nicht notwendigerweise eine geradlinige
Schnittlinie vorgesehen sein muss; vielmehr können die Abschnitte der Schnittlinie
auch jeweils einen Winkel zueinander einschließen. Weiterhin ist es auch
möglich,
ein Teilstück
nicht wie in 2 gezeigt aus dem Randbereich,
sondern aus dem Innenbereich des Körpers 9 abzuschneiden,
sodass eine Aussparung in dem Körper 9 gebildet
wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das abgeschnittene
Teilstück
klein genug ist, um durch eine in der Laserbearbeitungsmaschine
vorgesehene Abfuhreinrichtung zum Abführen von Werkstückteilen
aufgenommen zu werden, so dass dieses auf einfache Weise von dem
Körper 9 abgeführt werden
kann und die Schnittkante des Körpers 9 frei
zugänglich
wird.
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Weiterhin
kann die Zahl der Abschnitte, bei denen das Laserstrahlschneiden
mit konstantem Abstand zwischen Fokuspunkt und Körper durchgeführt wird,
je nach gewünschter
Präzision
des Messergebnisses geringer oder größer als in 2 gezeigt
gewählt
werden. Zur Durchführung
einer möglichst
großen
Zahl an Messungen ist es von Vorteil, wenn der Körper 9 eine möglichst
große
Erstreckung in Bewegungsrichtung des Laserstrahls 1 (X-Richtung)
aufweist.
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Der
Körper 9 kann
insbesondere bandförmig und
quasi endlos ausgebildet sein und mittels einer geeigneten Transporteinrichtung
zwischen aufeinander folgenden Fokuslagenbestimmungen in Bewegungsrichtung
des Laserstrahls verschoben werden. Es versteht sich, dass alternativ
auch der Laserbearbeitungskopf 2 so weit in Y-Richtung
verschoben werden kann, dass der Laserstrahl 1 eine neue Schnittlinie
an dem in 2 gezeigten, nach dem Abschneiden
des Teilstücks 11 verbleibenden
Restkörper 9 erzeugen
kann.
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Neben
der Bestimmung der Referenz-Fokuslage FL ist es für die Laserbearbeitung
zur Erzielung eines richtungsunabhängigen Bearbeitungsergebnisses
wesentlich, den Laserstrahl 1 in der kreisförmigen Öffnung 6 der
Laserbearbeitungsdüse 8 mittig zu
positionieren. Hierzu muss die Lage des Laserstrahls 1 in
der Öffnung 6 ermittelt
und bei Abweichung von der mittigen Position ggf. korrigiert werden.
Die Bestimmung der Lage des Laserstrahls 1 in der Öffnung 6 kann
ebenfalls mittels des plattenartigen Körpers 9 durchgeführt werden,
von dem in 3 und 4 ein Teilbereich
gezeigt ist, in dem eine quadratische Aussparung 13 vorgesehen
ist, welche z. B. durch Laserstrahlschneiden oder Stanzen an dem
Körper 9 gebildet
wurde.
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In
einem ersten Schritt wird die Mitte der quadratischen Aussparung 13 in
X-Richtung bestimmt, indem zwei in der X-Richtung gegenüberliegende Kanten 14a, 14b bei
abgeschaltetem Laserstrahl mittels der Außenseite des Düsenkörpers 7 der
Laserbearbeitungsdüse 8 angetastet
werden, indem der Laserbearbeitungskopf 2 geeignet verschoben
wird, wie durch Pfeile angedeutet ist. Die Berührung des Düsenkörpers 7 an den Kanten 14a, 14b kann
z. B. durch einen elektrischen Kurzschluss zwischen dem Düsenkörper 7 und
den Kanten 14a, 14b oder durch eine kapazitive
Messung detektiert werden, wie oben näher ausgeführt ist.
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Sofort
nach der Berührung
wird hierbei jeweils die Antastbewegung gestoppt und die jeweilige Position
der Mitte des Düsenkörpers 7,
welche durch eine in 1a gezeigte Düsenachse 15 definiert
ist, in Form von ersten Berührpunkten
X1, X2 in X-Richtung
gespeichert. Nachfolgend wird das Antasten entsprechend für zwei in
der Y-Richtung gegenüberliegende
Kanten 16a, 16b der Aussparung 13 wiederholt,
wobei erste Berührpunkte
Y1, Y2 für
die Y-Richtung bestimmt und gespeichert werden. Durch die Mittelwertbildung
der ersten Berührpunkte
in X- und Y-Richtung können
die Koordinaten der Mitte der Aussparung 13 in dem Körper 9 bei
der Antastung mittels des Düsenkörpers 7 bestimmt
werden zu MXD = (X1 + X2)/2 bzw. MYD = (Y1 + Y2)/2.
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In
einem nachfolgenden Schritt wird die Mitte der Aussparung 13 in
X- und Y-Richtung über
Antasten mit dem fokussierten Laserstrahl 1 gemessen, der
in 4 durch einen Punkt in der Öffnung 6 des Düsenkörpers 7 angedeutet
ist. Hierzu muss die Unterkante des Düsenkörpers 7 in Z-Richtung
einen definierten Abstand über
dem plattenartigen Körper 9 haben,
der typischerweise bei ca. 1 mm liegt. Der Fokuspunkt F des Laserstrahls 1 von 1a wird
dabei vorzugsweise auf eine Lage von einigen mm oberhalb der Oberfläche des
Körpers 1 eingestellt,
wobei auch andere Fokuslageneinstellungen (auf oder unterhalb der
Oberfläche
des Körpers)
prinzipiell möglich
sind. Die Berührung
des Laserstrahls 1 an den entsprechenden Kanten 14a, 14b, 16a, 16b der
Aussparung 13 kann hierbei wie oben beschrieben z. B. durch
die Messung des beim Erreichen der Kanten 14a, 14b, 16a, 16b erzeugten
Prozesslichts oder Plasmaleuchtens detektiert werden. Beide Effekte können durch
unterschiedliche Sensoren erkannt werden. Sobald Licht detektiert
wird, wird der Laserstrahl 1 abgeschaltet und die Achsbewegung
gestoppt, sodass nur minimal Material von der jeweils angetasteten
Kante 14a, 14b, 16a, 16b abgetragen wird.
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Durch
Antasten der in X-Richtung gegenüberliegenden
Kanten 14a, 14b werden zweite Berührpunkte
X3, X4 in X-Richtung bestimmt. Analog werden zweite Berührpunkte
Y3, Y4 in Y-Richtung bestimmt, indem die beiden in Y-Richtung gegenüberliegenden
Kanten 16a, 16b angetastet werden. Wie oben beschrieben
werden durch Mittelwertbildung der zweiten Berührpunkte in X- bzw. Y-Richtung die
Koordinaten der Mitte der Aussparung 13 bestimmt, die sich
bei der Antastung mit dem Laserstrahl 1 ergeben, d. h.
MXL = (X3 + X4)/2 bzw. MYL = (Y3 + Y4)/2.
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Die
Differenz der X-Koordinate MXD der Mitte der Aussparung, welche
bei der Antastung mittels des Düsenkörpers 7 ermittelt
wurde, und der X-Koordinate MXL, welche bei der Antastung mittels
des Laserstrahls 1 ermittelt wurde, beschreibt die Außermittigkeit
des fokussierten Laserstrahls 1 in X-Richtung in der Öffnung 6 des
Düsenkörpers 1.
Analog beschreibt die entsprechende Differenz zwischen den Koordinaten
MYD und MYL in Y-Richtung die Außermittigkeit des fokussierten
Laserstrahls 1 in Y-Richtung. Somit sind die Korrekturmaße bekannt,
um die der Laserstrahl 1 oder die Laserbearbeitungsdüse 8 in
X- und Y-Richtung bewegt werden müssen, um die Mittigkeit zueinander
herzustellen. Der Laserstrahl 1 kann nachfolgend an einer
(nicht gezeigten) Soll-Position in der Mitte der Öffnung 6 positioniert
werden, indem die Lage der Laserbearbeitungsdüse 8 relativ zum Laserstrahl 1 mittels
geeigneter Positioniereinrichtungen mit Justageschrauben oder über geeignete
Motoren in X- bzw. Y-Richtung verändert wird. Alternativ oder
zusätzlich
kann auch die Fokussieroptik in dem Laserbearbeitungskopf 2 genutzt
werden, um eine Verschiebung des Laserstrahls 1 relativ
zum Düsenkörper 7 zu
erzielen. Alternativ oder zusätzlich kann
ebenso eine Verkippung des adaptiven Umlenkspiegels, welcher sich
vor der Fokussieroptik befindet, dazu benutzt werden, um eine Verschiebung des
Laserstrahls 1 relativ zum Düsenkörper 7 zu erzielen.
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Es
versteht sich, dass nicht notwendiger Weise eine Antastung in zwei
aufeinander senkrechten Raumrichtungen (X bzw. Y) durchgeführt werden muss,
um die Lage des Laserstrahls 1 relativ zur Öffnung 6 zu
bestimmen, sondern dass hierzu auch Kanten verwendet werden können, die
unter einem anderen Winkel zueinander angeordnet sind und beispielsweise
einen Winkel von 120° zueinander
einschließen.
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Alternativ
zur in 3 gezeigten Antastung der Kanten 14a, 14b, 16a, 16b mittels
der Außenseite
des Düsenkörpers 7 kann
auch die innere Seitenfläche 17 der Öffnung 6 des
Düsenkörpers 7 zur
Antastung verwendet werden. Zu diesem Zweck ist in dem Körper 9 ein
zylindrischer Dorn 18 vorgesehen, wobei auch andere z.
B. nadel- oder kegelartige Formen möglich sind. Der Dorn 18 muss
bei der zylindrischen Ausführung
einen sehr kleinen Durchmesser von wenigen Zehntel mm aufweisen,
um von der Seitenfläche 17 der Öffnung 6 in
dem Düsenkörper 7, welche
typischerweise einen Durchmesser von ca. 0,8–3 mm aufweist, angetastet
werden zu können. Der
Dorn 18 muss ferner eine bekannte geometrische Zuordnung
zur Aussparung 13 haben, welche mittels des Laserstrahls 1 vermessen
wird. Die Antastung des Dorns 18 kann hierbei in X- und
Y-Richtung getrennt erfolgen oder z. B. über drei Antastbewegungen ausgeführt werden,
welche um 120° versetzt
sind. Die Berührung
der Seitenfläche 17 der Öffnung 6 in
dem Düsenkörper 7 an
den Kanten des Dorns 18 kann wie oben beschrieben z. B. über einen elektrischen
Kurzschluss detektiert werden. Für
die Ausformung von Aussparungen für die Antastung mittels des
Laserstrahls 1 relativ zu dem Dorn 18 gibt es
mehrere Möglichkeiten:
Es kann z. B. wie in 4 gezeigt eine quadratische
Aussparung 13 neben dem Dorn 18 erzeugt werden,
die Aussparung kann aber auch um den Dorn herum erzeugt werden oder der
Körper
kann als Drehteil mit dem beispielsweise in der Mitte angeordneten
Dorn ausgeführt
werden.
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Es
versteht sich, dass die Aussparung 13 nicht notwendiger
Weise eine durchgehende Öffnung in
dem Körper 9 bilden
muss; die Aussparung 13 muss lediglich tief genug sein,
um ein Antasten durch den Düsenkörper 7 zu
ermöglichen.
Auch können
die Kanten zur Antastung durch den Laserstrahl 1 ähnlich wie
bei dem Dorn 18 die Außenkanten
eines vorstehenden Teilbereichs des Körpers 9 bilden.
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Das
Verfahren zum Bestimmen der Fokuslage kann auch vorteilhaft mit
dem Verfahren zum Bestimmen der Lage des Laserstrahls 1 relativ
zur Öffnung 6 des
Düsenkörpers 7 kombiniert
werden. Hierzu kann die Aussparung 13 in dem Körper 9,
an der die Antastung zur Bestimmung der Lage des Laserstrahls 1 relativ
zur Öffnung 6 durchgeführt wird,
hergestellt werden, indem ein (nicht gezeigtes) Teilstück des plattenartigen
Körpers 9 mittels
des Laserstrahls 1 unter gleichzeitigem stufenweisen Verändern des Abstands
zwischen dem Fokuspunkt F des Laserstrahls 1 und dem plattenartigen
Körper 9 ausgeschnitten
wird, sodass durch Antasten der Kanten 14a, 14b, 16a, 16b der
Aussparung zusätzlich
auch die Referenz-Fokuslage FL des Laserstrahls 1 relativ zum
Körper 9 bestimmt
werden kann. Neben der in 4 gezeigten
Aussparung 13 mit quadratischer Grundform können auch
Aussparungen mit einer anderen Grundform, z. B. Vielecke mit bevorzugt
identischer Kantenlänge,
an dem Körper 9 ausgebildet werden.
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Für die Antastung
an den Kanten 12 bzw. 14a, 14b, 16a, 16b des
Körpers 9 ist
eine herkömmliche
Laserbearbeitungsdüse 8', wie sie in 5a in einer
Draufsicht und in einem seitlichen Schnitt gezeigt ist, nicht gut
geeignet, da diese im Bereich ihrer größten radialen Ausdehnung eine
angefräste
oder mit Rändel
versehehene Außenseite 19 zum
Klemmen des im Wesentlichen konischen Düsenkörpers 7 aufweist,
was eine definierte Antastung einer Kante erschwert. Zur Antastung
wird bei den oben beschriebenen Verfahren daher eine speziell geformte
Laserbearbeitungsdüse 8 verwendet,
wie sie in 5b gezeigt ist. Diese weist
im Gegensatz zu der herkömmlichen,
in 5a gezeigten Laserbearbeitungsdüse 8' an der Außenseite 19 des
Düsenkörpers 7 eine
zylindrische, sich mit konstantem Abstand parallel zur Düsenachse 15 erstreckende
Messfläche 20 auf, welche
gegenüber
der Außenseite 19 mit
maximaler radialer Ausdehnung einen Rücksprung bildet. Die auf der
werkstückabgewandeten
Seite des konischen Düsenkörpers 7 angebrachte
Messfläche 20 wird
durch den radial weiter außen
liegenden Teil des Düsenkörpers 7 bei
der Laserbearbeitung geschützt, so
dass sie weder durch Streustrahlung noch durch bei der Bearbeitung
austretendes Material verschmutzt oder beschädigt werden kann.
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Der
Rücksprung
mit der Messfläche 20 kann hierbei
als Eindrehung in einer Einspannung mit der Öffnung 6 des Düsenkörpers 7 gefertigt
werden, wodurch der erforderliche Rundlauf mit der Öffnung 6 bzw.
der Düsenachse 15 erreicht
wird. Durch den konstanten Abstand der Messfläche 20 zur Düsenachse 15 wird
gewährleistet,
dass mit der Laserbearbeitungsdüse 8 Kanten
stets definiert angefahren werden können.
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Auf
die oben beschriebene Weise wird eine automatisierte Ermittlung
der Fokuslage einer Laserbearbeitungsmaschine relativ zu einem Werkstück sowie
eine automatisierte Ermittlung der Lage eines durch eine Öffnung in
einem Düsenkörper einer
Laserbearbeitungsdüse
hindurch tretenden Laserstrahls relativ zur Öffnung ermöglicht, wobei in beiden Fällen bei
auftretenden Abweichungen jeweils ggf. eine Korrektur vorgenommen
werden kann. Zur Ausführung
der Antastbewegungen, zur Aktivierung der Messungen, zur Messwertspeicherung
und zur Berechnung kann hierbei jeweils ein NC-Programm verwendet
werden, welches in einer geeigneten Steuerungs- bzw. Auswerteeinrichtung
einer Laserbearbeitungsmaschine abläuft.