DE102008049821B4 - Distance sensor and method for determining a distance and / or distance variations between a processing laser and a workpiece - Google Patents

Distance sensor and method for determining a distance and / or distance variations between a processing laser and a workpiece Download PDF

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Abstract

Ein Abstandssensor (1) zur Ermittlung eines Abstands (2) und/oder von Abstandsschwankungen zwischen einem Bearbeitungslaser (3) und einem Werkstück (4) durch Lasertriangulation, der einen Messlaser (5) zur Erzeugung eines auf eine Oberfläche (6) des Werkstücks (4) gerichteten Laserlichtstrahls (7) und einen Fotoempfänger (8) zur Erfassung eines von der Oberfläche (6) reflektierenden Lichtstrahls (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Messlaser (5) und dem Fotoempfänger (8) jeweils eine ortsfest angeordnete Optik (10, 11) zugeordnet ist, wobei der Messlaser (5) und der Fotoempfänger (8) jeweils derart relativ zu der jeweiligen Optik (10, 11) bewegbar sind, dass sich eine optische Achse (13) des Messlasers (5) und eine optische Achse (14) des Fotoempfängers (8) auch bei einer Änderung des Abstands (2) zwischen dem Bearbeitungslaser (3) und dem Werkstück (4) in einem Schnittpunkt (15) zwischen einer Strahlachse (16) des Bearbeitungslasers (3) und der Oberfläche (6) des Werkstücks (4) schneiden.

Figure DE102008049821B4_0000
A distance sensor (1) for determining a distance (2) and / or spacing variations between a processing laser (3) and a workpiece (4) by laser triangulation, comprising a measuring laser (5) for producing a surface (6) of the workpiece (5). 4) directed laser light beam (7) and a photoreceiver (8) for detecting a surface of the (6) reflecting light beam (9), characterized in that the measuring laser (5) and the photoreceiver (8) each have a stationarily arranged optics ( 10, 11) is assigned, wherein the measuring laser (5) and the photoreceiver (8) in each case relative to the respective optics (10, 11) are movable, that an optical axis (13) of the measuring laser (5) and an optical Axis (14) of the photoreceptor (8) even with a change in the distance (2) between the processing laser (3) and the workpiece (4) in an intersection (15) between a beam axis (16) of the processing laser (3) and the surface (6) of the Cutting workpiece (4).
Figure DE102008049821B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen Abstandssensor zur Ermittlung eines Abstands und/oder von Abstandsschwankungen zwischen einem Bearbeitungslaser und einem Werkstück durch Lasertriangulation, welcher einen Messlaser zur Erzeugung eines auf eine Oberfläche des Werkstücks gerichteten Laserlichtstrahls und einen Fotoempfänger zur Erfassung eines von der Oberfläche reflektierenden Lichtstrahls aufweist.The invention relates to a distance sensor for determining a distance and / or distance fluctuations between a processing laser and a workpiece by laser triangulation, which has a measuring laser for generating a directed onto a surface of the workpiece laser light beam and a photoreceiver for detecting a light beam reflecting from the surface.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung eines Abstands und/oder von Abstandsschwankungen zwischen einem Bearbeitungslaser und einem Werkstück durch Lasertriangulation, bei welchem ein Laserlichtstrahl eines Messlasers auf eine Oberfläche des Werkstücks gerichtet wird und der reflektierende Lichtstrahl von einem Fotoempfänger erfasst wird.Furthermore, the invention relates to a method for determining a distance and / or spacing variations between a processing laser and a workpiece by laser triangulation, in which a laser light beam of a measuring laser is directed onto a surface of the workpiece and the reflective light beam is detected by a photoreceiver.

Bei einer Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laser, beispielsweise beim Laserschweißen, wird ein Laserstrahl durch die Optik in einem Bearbeitungslaser derart geformt, dass er bei einem bestimmten Abstand zwischen dem Bearbeitungslaser und dem zu bearbeitenden Werkstück definiert auf das Werkstück auftrifft. Während der Bearbeitung wird der Bearbeitungslaser, beispielsweise mittels eines Roboters, entlang eines festgelegten Bahnverlaufs verfahren. Die einzelnen Bahnpositionen des Bearbeitungslasers werden während der Einrichtung bzw. Programmierung der jeweiligen Bearbeitungsanwendung durch Teachhilfen, beispielsweise mechanische Spitzen, einfaches Messen oder durch einen Pilotlaser festgelegt. Eine weitere Möglichkeit besteht in dem Einsatz von Kamerasystemen mit oder ohne Laserlinienprojektoren.When machining a workpiece with a laser, for example during laser welding, a laser beam is shaped by the optics in a processing laser in such a way that it impinges on the workpiece in a defined manner between the processing laser and the workpiece to be machined. During processing, the processing laser, for example by means of a robot, moved along a predetermined trajectory. The individual path positions of the processing laser are determined during the setup or programming of the respective processing application by means of teach aids, for example mechanical tips, simple measuring or by a pilot laser. Another possibility is the use of camera systems with or without laser line projectors.

Hierbei erweist es sich als nachteilig, dass die Bahnbewegungen, insbesondere bei Verwendung von 6-Achs-Robotern, Abweichungen unterliegen. Die programmierten Bahnpunkte werden nur toleranzbehaftet und geschwindigkeitsabhängig ungenau erreicht. Weiterhin kann das Bearbeitungsergebnis durch Lage- und Formtoleranzen in den zu bearbeitenden Werkstücken variieren.It proves to be disadvantageous that the web movements, especially when using 6-axis robots, are subject to deviations. The programmed path points are only affected by tolerances and are speedily inaccurate. Furthermore, the machining result can vary due to positional and form tolerances in the workpieces to be machined.

Die Anwendung der oben angeführten Verfahren ist zur Ermittlung von Abständen und/oder Abstandsschwankungen während der Bearbeitung des Werkstückes bzw. während der Bewegung des Bearbeitungslasers entlang der Bahnkurve nicht möglich.The application of the above-mentioned methods is not possible for the determination of distances and / or distance fluctuations during the machining of the workpiece or during the movement of the processing laser along the trajectory.

Aus der DE 42 07 169 A1 ist bereits ein Abstandssensor und ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt. Der nach dem Triangulationsverfahren messende und aus einem Messlaser und einem Fotodetektor bestehende Sensor ist seitlich von einem Strahlengang eines Bearbeitungslasers angeordnet und misst in der Strahlachse des Bearbeitungslasers. Hierbei erweist es sich als nachteilig, dass die Messimpulse des Messlasers zwischen den Laserbearbeitungsimpulsen erfolgen und dadurch eine Messung während der Bearbeitung bzw. während des Verfahrens des Bearbeitungslasers entlang des Werkstücks nicht möglich ist.From the DE 42 07 169 A1 already a distance sensor and a method of the type mentioned is known. The sensor which measures according to the triangulation method and consists of a measuring laser and a photodetector is arranged laterally from a beam path of a processing laser and measures in the beam axis of the processing laser. It proves to be disadvantageous that the measuring pulses of the measuring laser between the laser processing pulses take place and thereby a measurement during processing or during the process of the processing laser along the workpiece is not possible.

Die DE 20 2006 005 916 U1 offenbart bereits ein Verfahren zur Detektion eines Arbeitsabstandes zwischen einer Lasereinrichtung und einem Werkstück durch Lasertriangulation. Hierbei wird mittels einer Projektionseinrichtung ein Projektionsstrahl auf das Werkstück gerichtet und mittels eines Bildaufnehmers erfasst.The DE 20 2006 005 916 U1 already discloses a method for detecting a working distance between a laser device and a workpiece by laser triangulation. In this case, a projection beam is directed onto the workpiece by means of a projection device and detected by means of an image recorder.

Weitere Abstandssensoren bzw. Verfahren zur Ermittlung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungslaser und einem Werkstück sind aus der DE 40 39 318 A1 , der DE 40 25 577 A1 , der EP 1 048 925 A2 und der WO 00/41836 A1 bekannt.Further distance sensors or methods for determining a distance between a processing laser and a workpiece are known from DE 40 39 318 A1 , of the DE 40 25 577 A1 , of the EP 1 048 925 A2 and the WO 00/41836 A1 known.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Abstandssensor und ein verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mittels welchem die Ermittlung eines Abstands und/oder von Abstandsschwankungen zwischen einem Bearbeitungslaser und einem Werkstück auch während einer Bearbeitung des Werkstücks ermöglicht wird.Against this background, the invention is based on the object to provide an improved distance sensor and an improved method of the type mentioned above, by means of which the determination of a distance and / or distance variations between a processing laser and a workpiece during a machining of the workpiece is possible.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Abstandssensor gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved with a distance sensor according to the features of claim 1. The dependent claims relate to particularly expedient developments of the invention.

Erfindungsgemäß ist also ein Abstandssensor vorgesehen, bei welchem dem Messlaser und dem Fotoempfänger jeweils eine ortsfest angeordnete Optik zugeordnet ist, wobei der Messlaser und der Fotoempfänger jeweils derart relativ zu der jeweiligen Optik bewegbar sind, dass sich eine optische Achse des Messlasers und eine optische Achse des Fotoempfängers auch bei einer Änderung des Abstands zwischen dem Bearbeitungslaser und dem Werkstück in einem Schnittpunkt zwischen einer Strahlachse des Bearbeitungslasers und der Oberfläche des Werkstücks schneiden. Der Abstandssensor misst nach dem bekannten triangulatorischen Messprinzip, jedoch sind weder die optische Achse des Messlasers (Sendeweg) noch die optische Achse des Fotoempfängers (Empfangsweg) senkrecht zu der Oberfläche des Werkstücks. Hierdurch kann einerseits die Ermittlung des Abstands zwischen dem Bearbeitungslaser und dem Werkstück auch während der Bearbeitung durchgeführt werden und andererseits kann durch die Verstellbarkeit bzw. Bewegung des Messlasers und des Fotoempfängers gewährleistet werden, dass der von dem Messlaser auf dem Werkstück generierte Messfleck auch nach einer Änderung des Abstands zwischen dem Bearbeitungslaser und dem zu bearbeitenden Werkstück im Bereich des Fokus des Bearbeitungslasers liegt bzw. immer den gleichen Abstand zu dem Fokus des Bearbeitungslasers aufweist.According to the invention, therefore, a distance sensor is provided in which the measuring laser and the photoreceiver each have a stationarily arranged optics associated with the measuring laser and the photoreceiver are each movable relative to the respective optics such that an optical axis of the measuring laser and an optical axis of Photoreceiver even with a change in the distance between the processing laser and the workpiece in an intersection between a beam axis of the processing laser and the surface of the workpiece intersect. The distance sensor measures according to the known triangulatory measuring principle, but neither the optical axis of the measuring laser (transmission path) nor the optical axis of the photoreceiver (reception path) are perpendicular to the surface of the workpiece. As a result, on the one hand, the determination of the distance between the processing laser and the workpiece can also be carried out during processing and, on the other hand, it can be ensured by the adjustability or movement of the measuring laser and the photoreceiver that the signal from the measuring laser on the Workpiece-generated measuring spot is also after a change in the distance between the processing laser and the workpiece to be machined in the range of the focus of the processing laser or always has the same distance from the focus of the processing laser.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass eine Bewegung des Messlasers an eine Bewegung des Fotoempfängers gekoppelt ist. Hierbei sorgt die Bewegung des Fotoempfängers, welche in Abhängigkeit der empfangenen Signale erfolgt, für eine entsprechende Bewegung des Messlasers, sodass der auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtete Laserlichtstrahl des Messlasers bzw. der durch den Laserlichtstrahl erzeugte Messfleck auch nach einer Abstandsänderung im Bereich der Strahlachse des Bearbeitungslasers liegt.A particularly advantageous embodiment of the present invention provides that a movement of the measuring laser is coupled to a movement of the photoreceptor. Here, the movement of the photoreceptor, which takes place in response to the received signals, for a corresponding movement of the measuring laser, so that the directed onto the surface of the workpiece laser light beam of the measuring laser or generated by the laser light beam spot after a change in distance in the beam axis of the Processing laser is located.

Hierbei hat es sich konstruktiv als besonders zweckmäßig erwiesen, dass zwischen dem Fotoempfänger und dem Messlaser eine mechanische Koppeleinrichtung vorgesehen ist. Die mechanische Koppeleinrichtung kann beispielsweise ein Hebelwerk aufweisen. Hierbei erfolgt die Kopplung durch mehrere Hebel, wobei durch die Länge, Anzahl und Anordnung der Hebel sowie durch die Anlenkpunkte Einfluss auf die Kopplungsbewegung bzw. den Kopplungsweg genommen werden kann.In this case, it has proven constructively particularly expedient that a mechanical coupling device is provided between the photoreceiver and the measuring laser. The mechanical coupling device may for example have a lever mechanism. In this case, the coupling is carried out by a plurality of levers, which can be influenced by the length, number and arrangement of the lever and by the articulation points on the coupling movement and the coupling path.

Eine Ausgestaltung der Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass eine elektronische Einrichtung für die Kopplung der Bewegung des Fotoempfängers und des Messlasers vorgesehen ist. Hierbei verändert ein Mikrocomputer die Lage des Messlasers anhand der mittels des Fotoempfängers ermittelten Absolutentfernung und der gespeicherten Daten oder eines abgelegten Algorithmus.An embodiment of the invention is also provided in that an electronic device for coupling the movement of the photoreceptor and the measuring laser is provided. In this case, a microcomputer changes the position of the measuring laser on the basis of the photoreceptor determined absolute distance and the stored data or a stored algorithm.

Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, dass der Fotoempfänger zumindest zwei nebeneinander angeordnete Fotodioden aufweist, wobei ein aus den Empfangssignalen der Fotodioden gebildetes Differenzsignal für eine Steuerung der Bewegung des Fotoempfängers einsetzbar ist. Das Differenzsignal der beiden Fotodioden wird während des Messlaserpulses zur Nachführung des Fotoempfängers benutzt, sodass das Differenzsignal null wird. Es wird vorausgesetzt, dass der auf den beiden Fotodioden abgebildete Laserfokus-Streufleck unscharf begrenzt ist und in der Mitte ein Strahlungsmaximum aufweist, sodass bei jeder Abweichung ein der Richtung zuordbares Differenzsignal entsteht.It has proved particularly expedient that the photoreceiver has at least two photodiodes arranged next to one another, wherein a difference signal formed from the received signals of the photodiodes can be used for controlling the movement of the photoreceptor. The difference signal of the two photodiodes is used during the measuring laser pulse for tracking the photoreceiver, so that the difference signal is zero. It is assumed that the laser focus scattered spot imaged on the two photodiodes is blurred and has a radiation maximum in the middle, so that a difference signal that can be assigned to the direction is produced at each deviation.

Dabei können in der Praxis besonders gute Messergebnisse dadurch erzielt werden, dass der Messlaser ein gepulster Laser ist und die Bestimmung des Differenzsignals mittels einer sample-and-hold-Schaltung erfolgt.In this case, particularly good measurement results can be achieved in practice in that the measuring laser is a pulsed laser and the determination of the difference signal by means of a sample-and-hold circuit.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass zur Bewegung des Fotoempfängers eine in Abhängigkeit der Empfangssignale der Fotodioden angesteuerte Antriebseinrichtung vorgesehen ist, wobei die Antriebseinrichtung ein Schrittmotor oder ein Gleichstrommotor ist. Hierbei steuert das Differenzsignal je nach Polarität Richtung und Geschwindigkeit des Schrittmotors bzw. des Gleichstrommotors. Der Einsatz eines Schrittmotors gestattet jedoch direkt die Verwendung der Schrittsignale zur Abstandsbestimmung, wenn er ohne Schrittverlust arbeitet. Zur Absolutwertmessung muss weiterhin ein Referenzsignal gewonnen werden, welches mittels Endschaltern erfolgt. Zur Entfernungsbestimmung müssen die Schritte des Schrittmotors richtungsabhängig gezählt werden. Da der Zusammenhang zwischen den Schritten und der Entfernung, bedingt durch die geometrischen Verhältnisse, nicht linear ist, erfolgt eine Auswertung (Linearisierung) in einem angeschlossenen Computer anhand eines dort abgelegten Algorithmus.Furthermore, it can be provided that for movement of the photoreceiver a driven in response to the received signals of the photodiode drive means is provided, wherein the drive means is a stepping motor or a DC motor. In this case, the differential signal controls the direction and speed of the stepping motor or the DC motor, depending on the polarity. However, the use of a stepper motor directly allows the use of the distance determination step signals when operating without step loss. For absolute value measurement, a reference signal must continue to be obtained, which is effected by means of limit switches. To determine the distance, the steps of the stepper motor must be counted depending on the direction. Since the relationship between the steps and the distance, due to the geometric conditions, is not linear, an evaluation (linearization) takes place in a connected computer on the basis of an algorithm stored there.

Alternativ können dem Fotoempfänger zur Bestimmung der Absolutentfernung auch Wirbelstromsensoren und/oder kapazitive Abstandssensoren zugeordnet sein. Hierfür kommen derartige Sensoren in Frage, die in ausreichender Wiederholgenauigkeit und Auflösung verfügbar sind. Eine Linearisierung in einem Computer ist hierbei ebenfalls erforderlich. Alternatively, eddy current sensors and / or capacitive distance sensors can also be assigned to the photoreceiver to determine the absolute distance. For this purpose, such sensors come into question, which are available in sufficient repeatability and resolution. Linearization in a computer is also required.

Besonders zweckmäßig ist es, dass der Fotoempfänger einen Interferenzfilter aufweist. Der Interferenzfilter schützt den Fotoempfänger vor der Wellenlänge des Bearbeitungslasers und dem sichtbaren Spektralbereich der durch den Bearbeitungsprozess entstehenden Plasmafackel. Eine Störung der Messung durch den Bearbeitungsprozess wird wirksam verhindert. Hierdurch kann die Ermittlung des Abstands durch den Abstandssensor zeitgleich zu der kontinuierlichen Laserbearbeitung erfolgen.It is particularly expedient that the photoreceiver has an interference filter. The interference filter protects the photoreceiver from the wavelength of the processing laser and the visible spectral range of the plasma torch resulting from the machining process. A disturbance of the measurement by the machining process is effectively prevented. As a result, the distance can be determined by the distance sensor at the same time as the continuous laser processing.

Konstruktiv hat es sich als besonders einfach erwiesen, dass der Abstandssensor seitlich an dem Bearbeitungslaser fixiert ist.Structurally, it has proven to be particularly simple that the distance sensor is fixed laterally on the processing laser.

Weiterhin wird die genannte Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.Furthermore, the object is achieved by a method according to the features of claim 13. The subclaims relate to particularly expedient developments of the invention.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei welchem der Messlaser und der Fotoempfänger bei einer Änderung des Abstands zwischen dem Bearbeitungslaser und dem Werkstück derart bewegt werden, dass sich eine optische Achse des Messlasers und eine optische Achse des Fotoempfängers in einem Schnittpunkt zwischen einer Strahlachse des Bearbeitungslasers und der Oberfläche des Werkstücks schneiden. Dies wird erreicht, indem sowohl der Messlaser als auch der Fotoempfänger derart gekippt werden, dass die optischen Achsen des Messlasers und des Fotoempfängers durch die feststehenden Optiken in wechselnde Richtungen weisen. Neben einer Winkelveränderung erfolgt gleichzeitig auch eine Korrektur der Fokuslage des Messlasers. Hierbei sind weder die optische Achse des Messlasers noch die optische Achse des Fotoempfängers senkrecht zu der Oberfläche des Werkstücks angeordnet, sodass die Ermittlung des Abstands bzw. von Abstandsschwankungen auch während des Bearbeitungsprozesses durch den Bearbeitungslaser durchgeführt werden kann.According to the invention, therefore, a method is provided in which the measuring laser and the photoreceiver are moved in a change in the distance between the processing laser and the workpiece such that an optical axis of the measuring laser and an optical axis of the photoreceptor in an intersection between a beam axis of the processing laser and cut the surface of the workpiece. This is achieved in that both the measuring laser and the photoreceiver are tilted in such a way that the optical axes of the measuring laser and of the photoreceiver point in changing directions as a result of the fixed optics. In addition to an angular change, a correction of the focal position of the measuring laser takes place at the same time. In this case, neither the optical axis of the measuring laser nor the optical axis of the photoreceptor are arranged perpendicular to the surface of the workpiece, so that the determination of the distance or of distance fluctuations can also be carried out during the machining process by the processing laser.

Eine weitere besonders vorteilhafte Weiterbildung wird auch dadurch erreicht, dass eine Bewegung des Messlasers an eine Bewegung des Fotoempfängers gekoppelt wird. Hierdurch erfolgt eine senkrechte Nachführung des Messortes und der Abstand des vom Messlaser erzeugten Messflecks zu dem Fokus des Bearbeitungslasers bleibt konstant.Another particularly advantageous development is also achieved in that a movement of the measuring laser is coupled to a movement of the photoreceiver. This results in a vertical tracking of the measuring location and the distance of the measuring spot generated by the measuring laser to the focus of the processing laser remains constant.

Hierbei hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, dass der Fotoempfänger mittels einer zugeordneten Antriebseinrichtung in Abhängigkeit der Signale des erfassten, von der Oberfläche reflektierten Lichtstrahls bewegt wird.In this case, it has proven particularly expedient that the photoreceiver is moved by means of an associated drive device as a function of the signals of the detected light beam reflected by the surface.

Erfindungsgemäß wird also ein besonders zuverlässiges Verfahren zur Verfügung gestellt, bei welchem die Ermittlung des Abstands und/oder der Abstandsschwankungen während einer Bearbeitung des Werkstückes durch den Bearbeitungslaser erfolgen kann und bei welchem eine Speicherung der ermittelten Abstandswerte über die Zeit oder den Weg möglich ist.According to the invention, therefore, a particularly reliable method is provided in which the determination of the distance and / or the distance fluctuations during processing of the workpiece by the processing laser can be done and in which storage of the determined distance values over time or the way is possible.

Weiterhin wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein optimales Bearbeitungsergebnis auch dadurch erreicht, dass die ermittelten Abstandswerte zur Nachregelung des Abstands zwischen dem Bearbeitungslaser und dem Werkstück eingesetzt werden.Furthermore, the process according to the invention also achieves an optimum processing result by using the determined distance values for readjusting the distance between the processing laser and the workpiece.

Außerdem erweist es sich für den Bearbeitungsprozess als besonders vorteilhaft, wenn die ermittelten Abstandswerte für ein automatisiertes Qualitätsprognosesystem verwendet werden.In addition, it proves to be particularly advantageous for the machining process if the determined distance values are used for an automated quality prediction system.

Eine weitere besonders zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch dadurch geschaffen, dass die Bewegung des von zwei Fotodioden gebildeten Fotoempfängers in Abhängigkeit eines von den Empfangssignalen der beiden Fotodioden gebildeten Differenzsignals erfolgt, wobei der Messlaser gepulst betrieben wird und eine Bestimmung des Differenzsignals mit einer sample-and-hold Schaltung erfolgt. Hierbei wird das Differenzsignal der beiden Fotodioden während eines Messlaserpulses zur Verstellbewegung der Fotodioden benutzt, sodass das Differenzsignal null wird. Damit ist das Maß der Verstellung proportional zum Messabstand.Another particularly expedient development of the method according to the invention is also provided in that the movement of the photodetector formed by two photodiodes is effected as a function of a difference signal formed by the received signals of the two photodiodes, wherein the measuring laser is operated pulsed and a determination of the difference signal with a sample- and-hold circuit takes place. Here, the difference signal of the two photodiodes is used during a measuring laser pulse for adjusting the photodiodes, so that the difference signal is zero. Thus, the degree of adjustment is proportional to the measuring distance.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in der einzigen Figur eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Abstandssensors in einer Seitenansicht.The invention allows numerous embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and will be described below. This shows in the single figure a schematic diagram of a distance sensor according to the invention in a side view.

Ein erfindungsgemäßer Abstandssensor 1 zur Ermittlung eines Abstands 2 und/oder von Abstandsschwankungen zwischen einem Bearbeitungslaser 3 und einem Werkstück 4 durch Lasertriangulation, weist einen Messlaser 5 zur Erzeugung eines auf eine Oberfläche 6 des Werkstücks 4 gerichteten Laserlichtstrahls 7 und einen Fotoempfänger 8 zur Erfassung eines von der Oberfläche 6 reflektierten Lichtstrahls 9 auf. Dem Messlaser 5 und dem Fotoempfänger 8 ist jeweils eine ortsfest im Abstandssensor 1 angeordnete Optik 10, 11 zugeordnet. Der Fotoempfänger 8 und der Messlaser 5 können sich innerhalb eines Gehäuses 12 des Abstandssensors 1 derart relativ zu den jeweiligen Optiken 10, 11 bewegen, dass sich eine optische Achse 13 des Messlasers 5 und eine optische Achse 14 des Fotoempfängers 8 auch bei einer Änderung des Abstands 2 zwischen dem Bearbeitungslaser 3 und dem Werkstück 4 in einem Schnittpunkt 15 zwischen einer Strahlachse 16 des Bearbeitungslasers 3 und der Oberfläche 6 des Werkstücks 4 schneiden.An inventive distance sensor 1 to determine a distance 2 and / or spacing variations between a processing laser 3 and a workpiece 4 through laser triangulation, has a measuring laser 5 for producing one on a surface 6 of the workpiece 4 directed laser light beam 7 and a photoreceiver 8th to capture one from the surface 6 reflected light beam 9 on. The measuring laser 5 and the photoreceptor 8th is in each case a stationary in the distance sensor 1 arranged optics 10 . 11 assigned. The photoreceiver 8th and the measuring laser 5 can be inside a case 12 of the distance sensor 1 so relative to the respective optics 10 . 11 Move that to an optical axis 13 of the measuring laser 5 and an optical axis 14 of the photoreceiver 8th even with a change in the distance 2 between the processing laser 3 and the workpiece 4 in an intersection 15 between a beam axis 16 of the processing laser 3 and the surface 6 of the workpiece 4 to cut.

Der seitlich vom Laserstrahl 17 des Bearbeitungslasers 3 angeordnete Abstandssensor 1 weist ein als Hebelwerk 18 ausgebildetes mechanisches Koppelgetriebe auf, welches aus mehreren Hebeln 19 und Anlenkpunkten 20 besteht. Durch das zwischen dem Messlaser 5 und dem Fotoempfänger 8 angeordnete Hebelwerk 18 wird der Messlaser 5 bei einer Bewegung des Fotoempfängers 8 von einer ersten Position 21 in eine gestrichelt dargestellte zweite Position 21' gekoppelt von einer ersten Position 22 in eine zweite gestrichelt dargestellte zweite Position 22' verfahren.The side of the laser beam 17 of the processing laser 3 arranged distance sensor 1 has a lever mechanism 18 trained mechanical coupling gear, which consists of several levers 19 and articulation points 20 consists. By the between the measuring laser 5 and the photoreceptor 8th arranged lever mechanism 18 becomes the measuring laser 5 during a movement of the photoreceiver 8th from a first position 21 in a second position shown in dashed lines 21 'coupled from a first position 22 in a second dashed second position 22 ' method.

Als Messlaser 5 wird beispielsweise ein gepulster Laser mit einer Wellenlänge von 1550 nm verwendet, wobei die Impulsdauer des Messlasers 200 ns und die Folgefrequenz 5 kHz beträgt. Der Fotoempfänger 8 weist zwei nebeneinander angeordnete und in der Figur nicht dargestellte InGaAs Fotodioden auf, welche Ihr Empfindlichkeitsmaximum bei der Wellenlänge des Messlasers 5 aufweisen. Die Fotodioden sind durch einen ebenfalls nicht dargestellten Interferenzfilter vor der Wellenlänge des Bearbeitungslasers 3 (1064 nm) und dem sichtbaren Spektralbereich der bei dem Bearbeitungsprozess entstehenden Plasmafackel (400-800 nm) geschützt.As measuring laser 5 For example, a pulsed laser with a wavelength of 1550 nm, where the pulse duration of the measuring laser 200 ns and the repetition frequency is 5 kHz. The photoreceiver 8th has two juxtaposed and not shown in the figure InGaAs photodiodes, which your maximum sensitivity at the wavelength of the measuring laser 5 exhibit. The photodiodes are by an interference filter, also not shown in front of the wavelength of the processing laser 3 (1064 nm) and the visible spectral range of the resulting during the machining process plasma torch (400-800 nm) protected.

Wenn sich der Abstand 2 zwischen dem Bearbeitungslaser 3 und der Oberfläche 6 des Werkstückes 4 innerhalb eines Messbereiches 23 verändert (Abstand 2'), wird der Fotoempfänger 8 und der Messlaser 5 in Abhängigkeit eines von den Fotodioden gebildeten Differenzsignals gekoppelt von der in durchgezogenen Linien dargestellten ersten Position 21, 22 in eine in gestrichelten Linien dargestellte zweite Position 21', 22' verfahren, und zwar derart, dass sich auch nach einer Änderung des Abstands 2 die optische Achse 14 des Fotoempfängers 8 und die optische Achse 13 des Messlasers 5 in einem Schnittpunkt 15 zwischen der Strahllachse des Bearbeitungslasers 3 und der Oberfläche 6 des Werkstücks 4 treffen.When the distance 2 between the processing laser 3 and the surface 6 of the workpiece 4 within a measuring range 23 changed (distance 2 '), becomes the photoreceiver 8th and the measuring laser 5 in response to a difference signal formed by the photodiodes coupled from the first position shown in solid lines 21 . 22 in a second position shown in dashed lines 21 ' 22 'proceed in such a way that even after a change in the distance 2 the optical axis 14 of the photoreceiver 8th and the optical axis 13 of the measuring laser 5 in an intersection 15 between the beam axis of the processing laser 3 and the surface 6 of the workpiece 4 to meet.

Claims (20)

Ein Abstandssensor (1) zur Ermittlung eines Abstands (2) und/oder von Abstandsschwankungen zwischen einem Bearbeitungslaser (3) und einem Werkstück (4) durch Lasertriangulation, der einen Messlaser (5) zur Erzeugung eines auf eine Oberfläche (6) des Werkstücks (4) gerichteten Laserlichtstrahls (7) und einen Fotoempfänger (8) zur Erfassung eines von der Oberfläche (6) reflektierenden Lichtstrahls (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Messlaser (5) und dem Fotoempfänger (8) jeweils eine ortsfest angeordnete Optik (10, 11) zugeordnet ist, wobei der Messlaser (5) und der Fotoempfänger (8) jeweils derart relativ zu der jeweiligen Optik (10, 11) bewegbar sind, dass sich eine optische Achse (13) des Messlasers (5) und eine optische Achse (14) des Fotoempfängers (8) auch bei einer Änderung des Abstands (2) zwischen dem Bearbeitungslaser (3) und dem Werkstück (4) in einem Schnittpunkt (15) zwischen einer Strahlachse (16) des Bearbeitungslasers (3) und der Oberfläche (6) des Werkstücks (4) schneiden.A distance sensor (1) for determining a distance (2) and / or spacing variations between a processing laser (3) and a workpiece (4) by laser triangulation, comprising a measuring laser (5) for producing a surface (6) of the workpiece (5). 4) directed laser light beam (7) and a photoreceiver (8) for detecting a surface of the (6) reflecting light beam (9), characterized in that the measuring laser (5) and the photoreceiver (8) each have a stationarily arranged optics ( 10, 11) is assigned, wherein the measuring laser (5) and the photoreceiver (8) in each case relative to the respective optics (10, 11) are movable, that an optical axis (13) of the measuring laser (5) and an optical Axis (14) of the photoreceptor (8) even with a change in the distance (2) between the processing laser (3) and the workpiece (4) in an intersection (15) between a beam axis (16) of the processing laser (3) and the surface (6) of the Cutting workpiece (4). Abstandssensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegung des Messlasers (5) an eine Bewegung des Fotoempfängers (8) gekoppelt ist.Distance sensor (1) after Claim 1 , characterized in that a movement of the measuring laser (5) is coupled to a movement of the photoreceiver (8). Abstandssensor (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Fotoempfänger (8) und dem Messlaser (5) eine mechanische Koppeleinrichtung vorgesehen ist.Distance sensor (1) after the Claims 1 or 2 , characterized in that a mechanical coupling device is provided between the photoreceptor (8) and the measuring laser (5). Abstandssensor (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Koppeleinrichtung ein Hebelwerk (18) aufweist.Distance sensor (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the mechanical coupling device has a lever mechanism (18). Abstandssensor (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Einrichtung für die Kopplung der Bewegung des Fotoempfängers (8) und des Messlasers (5) vorgesehen ist.Distance sensor (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that an electronic device for coupling the movement of the photoreceptor (8) and the measuring laser (5) is provided. Abstandssensor (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotoempfänger (8) zumindest zwei nebeneinander angeordnete Fotodioden aufweist, wobei ein aus den Empfangssignalen der Fotodioden gebildetes Differenzsignal für eine Steuerung der Bewegung des Fotoempfängers (8) einsetzbar ist.Distance sensor (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the photoreceiver (8) has at least two juxtaposed photodiodes, wherein a differential signal formed from the received signals of the photodiodes for controlling the movement of the photoreceptor (8) can be used. Abstandssensor (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messlaser (5) ein gepulster Laser ist und die Bestimmung des Differenzsignals mittels einer sample-and-hold-Schaltung erfolgt.Distance sensor (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the measuring laser (5) is a pulsed laser and the determination of the difference signal by means of a sample-and-hold circuit. Abstandssensor (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewegung des Fotoempfängers (8) eine in Abhängigkeit der Empfangssignale der Fotodioden angesteuerte Antriebseinrichtung vorgesehen ist.Distance sensor (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that for the movement of the photoreceiver (8) a driven in response to the received signals of the photodiode drive means is provided. Abstandssensor (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung ein Schrittmotor oder ein Gleichstrommotor ist.Distance sensor (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the drive device is a stepping motor or a DC motor. Abstandssensor (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fotoempfänger (8) Wirbelstromsensoren und/oder kapazitive Abstandssensoren zugeordnet sind.Distance sensor (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the photoreceptor (8) eddy current sensors and / or capacitive distance sensors are assigned. Abstandssensor (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotoempfänger (8) einen Interferenzfilter aufweist.Distance sensor (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the photoreceiver (8) has an interference filter. Abstandssensor (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandssensor (1) seitlich an dem Bearbeitungslaser (3) fixiert ist.Distance sensor (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the distance sensor (1) is laterally fixed to the processing laser (3). Verfahren zur Ermittlung eines Abstands und/oder von Abstandsschwankungen zwischen einem Bearbeitungslaser und einem Werkstück durch Lasertriangulation, bei welchem ein Laserlichtstrahl eines Messlasers auf eine Oberfläche des Werkstücks gerichtet wird und der reflektierende Lichtstrahl von einem Fotoempfänger erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Messlaser und der Fotoempfänger bei einer Änderung des Abstands zwischen dem Bearbeitungslaser und dem Werkstück relativ zu einer dem Messlaser und dem Fotoempfänger jeweils zugeordneten ortsfesten Optik derart bewegt werden, dass sich eine optische Achse des Messlasers und eine optische Achse des Fotoempfängers in einem Schnittpunkt zwischen einer Strahlachse des Bearbeitungslasers und der Oberfläche des Werkstücks schneiden.A method for determining a distance and / or distance fluctuations between a laser and a workpiece by laser triangulation, in which a laser light beam of a measuring laser is directed to a surface of the workpiece and the reflective light beam is detected by a photoreceiver, characterized in that the measuring laser and the Photoreceiver when a change in the distance between the processing laser and the workpiece relative to a measuring laser and the photoreceptor respectively associated stationary optics are moved so that an optical axis of the measuring laser and an optical axis of the photoreceptor in an intersection between a beam axis of the processing laser and cutting the surface of the workpiece. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegung des Messlasers an eine Bewegung des Fotoempfängers gekoppelt wird. Method according to Claim 13 , characterized in that a movement of the measuring laser is coupled to a movement of the photoreceptor. Verfahren nach den Ansprüchen 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotoempfänger mittels einer zugeordneten Antriebseinrichtung in Abhängigkeit der Signale des erfassten, von der Oberfläche reflektierten Lichtstrahls bewegt wird.Method according to the Claims 13 or 14 , characterized in that the photoreceiver is moved by means of an associated drive device in response to the signals of the detected, reflected from the surface light beam. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Abstands und/oder der Abstandsschwankungen während einer Bearbeitung des Werkstückes durch den Bearbeitungslaser erfolgt.Method according to at least one of Claims 13 to 15 , characterized in that the determination of the distance and / or the distance variations during processing of the workpiece by the processing laser. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Abstandswerte zur Nachregelung des Abstands zwischen dem Bearbeitungslaser und dem Werkstück eingesetzt werden.Method according to at least one of Claims 13 to 16 , characterized in that the determined distance values are used to readjust the distance between the processing laser and the workpiece. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Abstandswerte für ein automatisiertes Qualitätsprognosesystem verwendet werden.Method according to at least one of Claims 13 to 17 , characterized in that the determined distance values are used for an automated quality prediction system. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des von zwei Fotodioden gebildeten Fotoempfängers in Abhängigkeit eines von den Empfangssignalen der beiden Fotodioden gebildeten Differenzsignals erfolgt.Method according to at least one of Claims 13 to 18 , characterized in that the movement of the photodetector formed by two photodiodes takes place as a function of a difference signal formed by the received signals of the two photodiodes. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Messlaser gepulst betrieben wird und eine Bestimmung des Differenzsignals mit einer sample-and-hold Schaltung erfolgt.Method according to at least one of Claims 13 to 19 , characterized in that the measuring laser is operated pulsed and a determination of the difference signal is carried out with a sample-and-hold circuit.
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