DE102008063037A1 - Automatische Fokussiervorrichtung für Laser Schneid- und Graviersysteme - Google Patents

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Abstract

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Fokussiervorrichtung, die koaxial zum Wirkort der Laserstrahlung die Fokuslage automatisch bestimmt. Das Werkstück (9) wird hierbei mit dem Bearbeitungstisch (3) nach oben in Richtung des Düsenstocks (11) verfahren. Bei Kontakt des Werkstücks (9) mit dem Düsenstock (11) verschiebt sich dieser gegenüber dem Korpus (12). Der Bearbeitungstisch wird weiter nach oben verfahren bis der Zapfen (16) den Strahl (10) der Lichtschranke abdeckt und die Lichtschranke auslöst. Die Position der Werkstückauflage, bei der dies geschieht, wird gespeichert und in der Steuerung der Maschine mit dem Korrekturwert verrechnet. Mit dem so ermittelten Wert verfährt der Bearbeitungstisch anschließend in die korrekte Fokusposition. Der wesentliche Vorteil dieser Erfindung ist die Fokuslagenbestimmung direkt am Wirkort der Laserstrahlung. Es kann hierduch an allen durch den Laserstrahl erreichbaren Positionen der Fokus ermittelt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass am hochdynamisch bewegten Bearbeitungskopf keine Sensorleitungen geführt werden müssen. Dies erhöht die Betriebssicherheit der Autofokusfunktion.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine automatische Fokussiervorrichtung für Laserstrahl- Schneid- und Graviersysteme.
  • Beim Bearbeiten mit Laserstrahlung wird die Strahlung durch Strahlführungskomponenten zum Bearbeitungsort geführt und durch eine Fokussieroptik im Brennpunkt derart fokussiert, dass die entstehende Laserstrahlleistungsdichte ausreicht, das zu bearbeitende Material zu verdampfen und dieses somit durch Gravier- und Schneidprozesse zu bearbeiten.
  • Um ein optimales Bearbeitungsergebnis zu erreichen, ist es u. a. erforderlich, die Fokuslage, also den Ort der maximalen Laserstrahlleistungsdichte zur Werkstückoberfläche anzupassen.
  • Einrichtungen zum automatischen Ermitteln der Fokuslage sind u. a. aus US 7126082 und AT408732B bekannt. Diese sind neben dem Bearbeitungskopf als separater Taster befestigt und tasten die Werkstückoberfläche taktil an. Um die korrekte Posititon des Werkstücks zu ermitteln, verfährt das System den Taster über das zu bearbeitende Werkstück und bewegt die Werkstückauflage in Richtung des Tasters bis dieser die Werkstückoberfläche berührt. Das Antasten wird z. B. durch Betätigen eines elektrischen Kontakts oder durch die Unterbrechung einer Lichtschranke detektiert.
  • Aus der so ermittelten Position der Werkstückauflage berechnet die Steuerung des Systems die korrekte Fokuslage für die Bearbeitung.
  • Ein wesentlicher Nachteil der beschriebenen Lösungen ist, dass die Fokuslage nicht direkt unter der Schneidoptik gemessen wird. Hierdurch existieren im Randbereich der Bearbeitungsfläche Zonen, die durch die Autofokuseinheit nicht angefahren werden können.
  • Ein weiterer Nachteil ist, dass zusätzliche elektromechanische Bauteile benötigt werden, z. B. eine Sensorleitung, die zum, beim Gravieren üblicherweise hochdynamisch bewegten Bearbeitungskopf, verlegt werden muss. Die Gefahr eines Kabelbruchs oder des Versagens der elektromechanischen Komponente ist groß.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein taktiles Ermitteln der Fokuslage über die Bearbeitungsoptik direkt an der Strahlauftreffstelle durchzuführen, ohne Sensorleitungen zum Bearbeitungskopf zu benötigen.
  • Die Funktion wird in dem folgenden Ausführungsbeispiel detailliert beschrieben.
  • Ire 1 ist ein Bewegungssystem schematisch dargestellt, wie es typischerweise für Schneid- und Gravuraufgaben mittels Lasserstrahlung eingesetzt wird. Die Führungen (1) und (1') sind fest in der Maschine montiert. Auf ihnen läuft die Führung (2) in Y-Richtung auf welcher der Kopfwagen (4) in X-Richtung läuft. Die Laserstrahlung (5) wird zum Umlenker (6) geführt, der auf dem Kopfwagen (4) montiert ist. Die Laserstrahlung durchläuft den Bearbeitungskopf (7), welcher am Umlenker (6) befestigt ist. An der unteren Öffnung des Bearbeitungskopfes (7) tritt der Laserstrahl aus.
  • Das zu bearbeitende Werkstück (9) liegt auf dem Bearbeitungstisch (3) und wird in Z-Richtung so verfahren, dass der Laserstrahlfokus (8) auf der Oberfläche des Werkstücks liegt.
  • Der Bearbeitungskopf (7) in 2 + 3 ist folgendermaßen aufgebaut. Er besitzt einen Korpus (12) in dem die Fokussierlinse (17) montiert ist. Der Korpus (12) ist zylindrisch ausgeführt mit einer Bohrung, durch die der Laserstrahl (14) Richtung Werkstück (9) geführt wird. Der Korpus (12) ist am Außendurchmesser als Gleitfläche (13) zum Düsenstock (11) ausgeführt. Der Düsenstock (11) ist auf den Korpus (12) geschoben und in Achsrichtung verschieblich ausgeführt.
  • Der Verschiebungsweg wird begrenzt durch Stifte (19), die in Nuten des Korpus (12) reichen. Sie verhindern zudem eine Verdrehsicherung des Düsenstocks (11). Eine Feder (15) treibt den Korpus (12) und den Düsenstock (11) auseinander, so dass der Düsenstock eine definierte Position einnimmt, wenn er nicht das Werkstück (9) berührt.
  • Eine Blende (18) begrenzt den Lichtstrahl (10) einer Laser-Lichtschranke. Der Zapfen (16) ist am Düsenstock (11) befestigt und dient zum Unterbrechen des Lichtstrahls (10).
  • In 4 ist der Autofokus-Vorgang dargestellt. Das Werkstück (9) wird mit dem Bearbeitungstisch (3) nach oben in Richtung des Düsenstocks (11) verfahren. Bei Kontakt des Werkstücks (9) mit dem Düsenstock (11) verschiebt sich dieser gegenüber dem Korpus (12). Der Bearbeitungstisch wird weiter nach oben verfahren bis der Zapfen (16) den Strahl (10) der Lichtschranke abdeckt und die Lichtschranke auslöst. Die Position der Werkstückauflage, bei der dies geschieht wird gespeichert und in der Steuerung der Maschine mit einem Korrekturwert verrechnet. Mit dem so ermittelten Wert verfährt der Bearbeitungstisch anschließend in die korrekte Fokusposition.
  • Ein wesentlicher Vorteil dieser automatischen Fokussiereinrichtung ist, dass die Fokuslage direkt am Wirkort der Laserstrahlung gemessen werden kann. Es kann hierdurch an allen durch den Laserstrahl erreichbaren Positionen der Fokus ermittelt werden.
  • Ein weiterer Vorteil ist bei der Ausführung mit Lichtschranke als Schalter, dass am hochdynamisch bewegten Bearbeitungskopf keine Sensorleitungen geführt werden müssen. Dies erhöht die Betriebssicherheit der Autofokusfunktion.
  • 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
    • - US 7126082 [0004]
    • - AT 408732 B [0004]

Claims (6)

  1. Automatische Fokussiervorrichtung bestehend aus einem verschieblichen Unterteil des Laserbearbeitungskopfes, der beim Verschieben in eine definierte Position einen Schalter auslöst.
  2. Eine automatische Fokussiervorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass das verschiebliche Unterteil auf einer Fläche gleitet, die zylindrisch und koaxial zum Laserstrahl ausgeführt ist.
  3. Eine automatische Fokussiervorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Unterteil durch einen Kraftspeicher nach dem Fokussiervorgang in einer definierten Arbeitsposition gehalten wird.
  4. Eine automatische Fokussiervorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass beim Fokussiervorgang das verschiebliche Unterteil durch Antasten der Werkstückoberfläche angehoben wird und in einer definierten Position einen Schalter auslöst.
  5. Eine automatische Fokussiervorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet dass der Schalter als elektrischer Kontakt ausgeführt ist, der direkt am Bearbeitungskopf befestigt ist, und durch die Verschiebebewegung des verschieblichen Unterteils bei einer definierten Position ausgelöst wird.
  6. Eine automatische Fokussiervorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet dass der Schalter als Lichtschranke aus ausgeführt ist, welche durch die Verschiebebewegung des verschieblichen Unterteils bei einer definierten Position unterbrochen wird.
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