DE102007063627A1 - Verfahren zur Fokuslagenbestimmung und Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Laserstrahls relativ zu einer Öffnung, sowie Laserbearbeitungsdüse - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Lage eines durch eine Öffnung (6) eines Düsenkörpers (7) einer Laserbearbeitungsdüse (8) hindurch tretenden Laserstrahls (1) relativ zu der Öffnung (6) in mindestens einer ersten Raumrichtung (X) bevorzugt senkrecht zur Laserstrahlachse (Z), umfassend die Schritte: a) Antasten von zwei in der ersten Raumrichtung (X) gegenüberliegenden Kanten (14a, 14b) eines bevorzugt plattenartigen Körpers (9), insbesondere eines Bleches, durch Bewegen des Düsenkörpers (7) und des Körpers (9) relativ zueinander in der ersten Raumrichtung (X) zum Ermitteln von ersten Berührpunkten (X1, X2), b) Antasten der zwei oder von zwei weiteren in der ersten Raumrichtung (X) gegenüberliegenden Kanten (14a, 14b) des Körpers (9) durch Bewegen des Körpers (9) und des Laserstrahls (1) relativ zueinander in der ersten Raumrichtung (X) zum Ermitteln von zweiten Berührpunkten (X3, X4), und c) Bestimmen der Lage des Laserstrahls (1) relativ zur Öffnung (6) des Düsenkörpers (7) in der ersten Raumrichtung (X) durch Vergleichen der ersten und zweiten Berührpunkte (X1, X2; X3, X4). Die Erfindung betrifft auch eine Laserbearbeitungsmaschine, die zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgelegt ist.

Description

  • 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, sowie ein Verfahren 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. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Laserbearbeitungsdüse zur Verwendung in einem solchen Verfahren, welche einen Düsenkörper und eine in dem Düsenkörper gebildete Öffnung aufweist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren bereitzustellen, mit denen auf einfache Weise und bevorzugt automatisiert die Fokuslage des Laserstrahls relativ zu einem Körper bzw. die Lage des Laserstrahls relativ zu einer Öffnung zuverlässig, reproduzierbar und möglichst genau bestimmt werden können, und bei denen die Fokuslage bzw. die Lage des Laserstrahls relativ zu der Öffnung gegebenenfalls korrigiert werden können. Ferner ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserbearbeitungsdüse bereitzustellen, welche für die Verwendung zum Antasten von Kanten besonders geeignet ist.
  • Gegenstand der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung wird weiterhin realisiert durch ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Bestimmen der Lage eines Laserstrahls relativ zu einer Öffnung in einem Düsenkörper, umfassend die Schritte: 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.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung werden zum Bestimmen der Lage des Laserstrahls relativ zur Öffnung in einer zweiten Raumrichtung (im Folgenden kurz: Y-Richtung) die Schritte a) bis c) analog für die zweite Raumrichtung durchgeführt. 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.
  • Bei einer bevorzugten Variante wird in Schritt c) die Differenz der arithmetischen Mittelwerte der ersten und zweiten Berührpunkte in der jeweiligen Raumrichtung bestimmt. 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.
  • 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.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Variante wird die Berührung der Kanten beim Antasten des Düsenkörpers durch einen zwischen dem Körper und dem Düsenkörper auftretenden Kurzschluss detektiert. Hierbei wird zwischen dem Düsen körper 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.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Variante wird die Berührung der Kanten beim Antasten des Düsenkörpers über eine kapazitive Messung des Abstandes zwischen den Kanten und dem Düsenkörper detektiert. 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.
  • Bei einer besonders bevorzugten Variante ist in dem plattenartigen Körper ein Dorn mit Kanten zum Antasten durch den Düsenkörper vorgesehen, 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.
  • In einer weiteren vorteilhaften Variante wird beim Antasten des Laserstrahls in Schritt b) die bei der Berührung des Laserstrahls von dem plattenartigen Körper emittierte Strahlung detektiert. 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.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Variante wird in einem vorausgehenden 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.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung werden 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. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es zeigen:
  • 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),
  • 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,
  • 3 eine schematische Darstellung des Antastens von jeweils zwei einander gegenüberliegenden Kanten einer Aussparung in einem plattenartigen Körper mittels eines Düsenkörpers der Laserbearbeitungsdüse,
  • 4 eine schematische Darstellung des Antastens von jeweils zwei einander gegenüberliegenden Kanten der Aussparung in dem plattenartigen Körper von 3 mittels eines Laserstrahls, und
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • - JP 06328281 [0008]
    • - WO 2006/027085 A1 [0009]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Bestimmen der Lage eines durch eine Öffnung (6) eines Düsenkörpers (7) einer Laserbearbeitungsdüse (8) hindurch tretenden Laserstrahls (1) relativ zu der Öffnung (6) in mindestens einer ersten Raumrichtung (X) bevorzugt senkrecht zur Laserstrahlachse (Z), umfassend die Schritte: a) Antasten von zwei in der ersten Raumrichtung (X) gegenüberliegenden Kanten (14a, 14b) eines bevorzugt plattenartigen Körpers (9), insbesondere eines Bleches, durch Bewegen des Düsenkörpers (7) und des Körpers (9) relativ zueinander in der ersten Raumrichtung (X) zum Ermitteln von ersten Berührpunkten (X1, X2), b) Antasten der zwei oder von zwei weiteren in der ersten Raumrichtung (X) gegenüberliegenden Kanten (14a, 14b) des Körpers (9) durch Bewegen des Körpers (9) und des Laserstrahls (1) relativ zueinander in der ersten Raumrichtung (X) zum Ermitteln von zweiten Berührpunkten (X3, X4), und c) Bestimmen der Lage des Laserstrahls (1) relativ zur Öffnung (6) des Düsenkörpers (7) in der ersten Raumrichtung (X) durch Vergleichen der ersten und zweiten Berührpunkte (X1, X2; X3, X4).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zum Bestimmen der Lage des Laserstrahls (1) relativ zur Öffnung (6) in einer zweiten Raumrichtung (Y) die Schritte a) bis c) analog für die zweite Raumrichtung (Y) durchgeführt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in Schritt c) die Differenz der arithmetischen Mittelwerte der ersten und zweiten Berührpunkte (X1, X2; X3, X4; Y1, Y2; Y3, Y4) in der jeweiligen Raumrichtung (X, Y) gebildet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Berührung der Kanten (14a, 14b; 16a, 16b) beim Antasten des Düsenkörpers (7) durch einen zwischen dem Körper (9) und dem Düsenkörper (7) auftretenden Kurzschluss detektiert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Berührung der Kanten (14a, 14b; 16a, 16b) beim Antasten des Düsenkörpers (7) über eine kapazitive Messung des Abstandes zwischen den Kanten (14a, 14b; 16a, 16b) und dem Düsenkörper (7) detektiert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem Körper (9) ein Dorn (18) mit Kanten zum Antasten durch den Düsenkörper (7) vorgesehen ist, wobei das Antasten mittels einer Seitenfläche (17) der Öffnung (6) des Düsenkörpers (7) erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Berührung der Kanten (14a, 14b; 16a, 16b) beim Antasten des Laserstrahls (1) in Schritt b) über die bei der Berührung des Laserstrahls (1) von dem plattenartigen Körper (9) emittierte Strahlung oder durch Messung der transmittierten und/oder reflektierten Laserstrahlung detektiert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in einem vorausgehenden Schritt bevorzugt ausgehend von einem vorgegebenen Mittelpunkt ein Teilstück des plattenartigen Körpers (9) mittels des Laserstrahls (1) unter gleichzeitigem, bevorzugt stufenweisen Verändern des Abstands zwischen dem Fokuspunkt (F) des Laserstrahls (1) und dem Körper (9) in Richtung der Laserstrahlachse (Z) zur Bildung einer Aussparung (13) mit zumindest zwei in der ersten Raumrichtung (X) gegenüberliegenden Kanten (14a, 14b) in dem Körper (9) ausgeschnitten wird.
  9. Laserbearbeitungsmaschine, ausgelegt zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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