-
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
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10255628
A1 [0004]
- - JP 02160191 [0004]
- - JP 10258382 [0004]
- - JP 10314966 [0004]
- - JP 10076384 [0004]
- - JP 06328281 [0008]
- - WO 2006/027085 A1 [0009]