DE102009042529A1

DE102009042529A1 - Laserbearbeitungskopf mit einer Fokuslagenjustageeinheit sowie ein System und ein Verfahren zum Justieren einer Fokuslage eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102009042529A1
Application number: DE102009042529A
Authority: DE
Inventors: Bert Schürmann; Georg Spörl
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2011-05-26
Also published as: CH703957B1; DE112010003743B4; WO2011035888A1; DE112010003743A5

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf (14) zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls (12), mit einem Gehäuse (16), durch das ein Strahlengang für den Laserstrahl (12) hindurchgeführt ist und das eine Fokussieroptik (18) zum Fokussieren des Laserstrahls (12) durch eine Düse (20) hindurch auf das zu bearbeitende Werkstück aufweist, einem Stellglied (26), welches mit der Fokussieroptik (18) verbunden ist, um die Fokussieroptik (18) in Strahlrichtung und in einer zum Strahlengang senkrechten Ebene zu verstellen, zumindest einem Streulichtsensor (28), welcher in dem Gehäuse (16) angebracht ist, um Streulicht, welches durch Streuung oder Reflexion des Laserstrahls (12) an Teilen des Gehäuses (16) oder der Düse (20) erzeugt wird, zu detektieren, und einer Fokuslagenjustageeinheit (32), die mit dem zumindest einen Streulichtsensor (28) verbunden ist, um ein Streulichtintensitätssignal zu empfangen, wobei die Fokuslagenjustageeinheit (32) dazu ausgebildet ist, das Stellglied (26) für die Fokussieroptik (18) so zu steuern, dass die von dem zumindest einen Streulichtsensor (28) empfangene Streulichtintensität minimal ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, welcher einer Fokuslagenjustageeinheit aufweist, sowie ein System und ein Verfahren zum Justieren einer Fokuslage eines Laserstrahls.
Mit Hilfe eines Laserbearbeitungskopfes lässt sich ein Werkstück unter Verwendung eines Laserstrahl bearbeiten, wobei zum Beispiel Schweiß- oder Schneidarbeiten durchgeführt werden können. Bei der Verwendung des Laserbearbeitungskopfes für Schneidarbeiten wird neben dem Laserstrahl zusätzlich ein Prozessgas durch eine Düse auf das Werkstück geleitet, welches das durch den Laserstrahl aufgeschmolzene Material eines zu bearbeitenden Werkstücks nach unten aus der Schnittfuge bläst.
Bei der Inbetriebnahme des Laserbearbeitungskopfes ist es nötig, den Laserstrahl so zu justieren, dass er zentral durch die Öffnung der Schneiddüse tritt. Bei einem bekannten Verfahren zur Justage des Laserstrahls durch einen Schneidkopf wird beispielsweise die Öffnung der Schneiddüse mit einem Stück teiltransparenten Klebeband verschlossen. Bei Inbetriebnahme des Lasers wird mittels eines Laserpulses ein kleines Loch in das Klebeband eingebrannt. Nach dem Entfernen des Klebebandes von der Schneiddüse kann dann mittels eines Mikroskops oder einer Lupe das von dem Laserstrahl eingebrannte Loch sowie die Kontur der Düsenöffnung bestimmt werden, da die Kontur der Düsenöffnung in das Klebeband eingedrückt ist. Anhand der relativen Lage des eingebrannten Lochs zum Zentrum des Abdrucks der Kontur der Düsenöffnung können dann der Verschiebeweg und die Verschieberichtung einer Fokussierlinse, welche den Laserstrahl auf das Werkstück fokussiert, gemessen werden. Nach einem iterativen Abmessen des Verschiebewegs und der Verschieberichtung und einem Nachjustieren des Laserstrahls kann somit der Laserstrahl zentrisch zur Düsenöffnung justiert werden. Bei der beschriebenen Vorgehensweise ist jedoch die Ablesegenauigkeit gering und der Justiervorgang muss manuell mehrere Male wiederholt werden, bis der Laserstrahl mittig durch die Düsenöffnung geführt ist.
Aus der DE 10 2007 029 787 B3 ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Berührungspunktes eines Laserstrahls an einer Kante einer Düse bekannt, bei welchem durch Messen akustischer Signale mittels eines Mikrofons festgestellt wird, ob der gepulste Laserstrahl auf den Düsenkörper trifft. Bei diesem Verfahren wird der Laserstrahl rechtwinklig zur Laserstrahlachse bewegt, sodass er die Kanten der Düsenöffnung überstreicht, wobei während dem Bewegen des Laserstrahls ein durch den Laserstrahl erzeugtes fotoakustisches Signal aufgezeichnet wird. Durch Ermitteln der Berührpunkte des Laserstrahls mit den Kanten der Düsenöffnung, kann ein Mittelpunkt der Düsenöffnung ermittelt werden und der Laserstrahl somit zentriert werden.
Die DE 10 2007 063 627 A1 beschreibt ein Verfahren zu Fokuslagenbestimmung sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Laserstrahls relativ zu einer Öffnung einer Laserbearbeitungsdüse. Bei diesem Verfahren wird ein Blech, in welches eine rechteckige Ausnehmung geschnitten ist, dazu verwendet, die Lage eines durch eine Bearbeitungsdüse geführten Laserstrahls in der Düsenöffnung zu bestimmen. Hierfür wird die Düse innerhalb der Ausnehmung des Blechs an die jeweiligen Kanten des Blechs gefahren, die jeweilige Lage dieser Punkte aufgezeichnet, und anschließend die Punkte ermittelt, an welchen der Laserstrahl die entsprechenden Punkte der Kanten berührt. Somit kann durch Vergleich der Punkte, an welchen der Laserstrahl die Kanten des Blechs berührt und der entsprechenden Punkte, an welchen das Düsenelement die Kanten des Blechs berührt, die relative Lage des Laserstrahls innerhalb der Düse bestimmt werden.
Aus der EP 1600241 A2 ist eine Fokuslagenjustiereinheit für einen Laserbearbeitungskopf bekannt, welche durch Feststellen eines hoch intensiven blauen Plasmaleuchtens, welches durch den Laserstrahl bei einer optimalen Fokusposition erzeugt wird, bestimmt, ob der Laserstrahl optimal auf das Werkstück fokussiert ist. Die Regelung auf einen optimalen Fokuspunkt erfolgt hierbei durch Verstellen des Abstands zwischen Fokussieroptik des Laserbearbeitungskopfes und des Werkstücks.
Aus der WO 03/061 895 ist bekannt, mittels einer Abbildungsvorrichtung, welche der Düsenöffnung eines Laserbearbeitungskopfes gegenüberliegend angeordnet wird, den fokussierten Laserstrahl innerhalb der Düsenöffnung abzubilden, um somit die Lage des Laserstrahls relativ zur Düsenöffnung zu ermitteln. Um eine Zerstörung der Abbildungsfläche aufgrund der hohen Laserstrahlintensität zu vermeiden, wird ein Großteil der Laserstrahlintensität über einen Strahlteiler ausgekoppelt und auf eine Strahlfalle projiziert, welche die Laserstrahlleistung durch Kühlung abführt.
Aus der DE 101 30 875 A1 ist eine Wechseleinrichtung für einen Linsenhalter eines Anschlusskopfes zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls und ein Verfahren zur Kontrolle einer Fokussieroptik für die Laserbearbeitung bekannt. Bei dieser Wechseleinrichtung ist eine Kamera vorgesehen, die ein strahlaustrittseitig liegendes Objekt beobachtet. Durch Beobachten des strahlaustrittseitig liegenden Objekts mittels der Kamera durch die Fokussieroptik des Laserstrahls hindurch kann das vom beobachteten Objekt kommende Licht aufgezeichnet und ausgewertet werden, um eine Eigenschaft der Fokussieroptik, insbesondere eine Verschmutzung, zu untersuchen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserbearbeitungskopf mit einer Fokuslagenjustageeinheit, sowie ein System und ein Verfahren zum Justieren einer Fokuslage eines Laserstrahls zu schaffen, durch welche ein Laserstrahl zuverlässig und mit geringem Zeitaufwand in einer Düsenöffnung eines Laserbearbeitungskopfes zentriert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, das System nach Anspruch 10 sowie durch das Verfahren nach Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargelegt.
Erfindungsgemäß ist ein Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls vorgesehen, mit einem Gehäuse, durch das ein Strahlengang für den Laserstrahl hindurchgeführt ist und das eine Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls durch eine Düse hindurch auf das zu bearbeitende Werkstück aufweist, einem Stellglied, welches mit der Fokussieroptik verbunden ist, um die Fokussieroptik in Strahlrichtung und in einer zum Strahlengang senkrechten Ebene zu verstellen, zumindest einem Streulichtsensor, welcher in dem Gehäuse angebracht ist, um Streulicht, welches durch Streuung oder Reflexion des Laserstrahls an Teilen des Gehäuses oder der Düse erzeugt wird, zu detektieren, und einer Fokuslagenjustageeinheit, die mit dem zumindest einen Streulichtsensor verbunden ist, um ein Streulichtintensitätssignal zu empfangen, wobei die Fokuslagenjustageeinheit dazu ausgebildet ist, das Stellglied für die Fokussieroptik so zu steuern, dass die von dem zumindest einen Streulichtsensor empfangene Streulichtintensität minimal ist.
Es ist also ein Laserbearbeitungskopf vorgesehen, bei welchem mittels einer Fokuslagenjustageeinheit ein Laserstrahl durch eine Öffnung einer Düse, insbesondere einer Schneiddüse, eingekoppelt wird. Bei dem Justiervorgang des Laserstrahls wird Streulicht, welches in den Laserbearbeitungskopf zurückgeworfen wird, gemessen, um durch Minimierung der Streulichtintensität die Lage des Laserstrahls relativ zur Düsenöffnung zu finden, bei welchem der Laserstrahl berührungsfrei die Düsenöffnung passiert. Die Ermittlung dieses optimalen Punkts kann durch Abfahren eines Weges des Laserstrahls senkrecht zu seiner Strahlrichtung und Ermitteln eines Punkts mit minimierter Streulichtintensität erfolgen, es ist jedoch auch möglich, durch Einsatz mehrerer Streulichtsenoren innerhalb des Gehäuses den Laserstrahl abhängig von den ermittelten Streulichtintensitäten der eingesetzten Streulichtsenoren gezielt aufgrund eines ermittelten Gradienten der Streulichtintensität in ein Zentrum der Düsenöffnung zu führen, in dem die Verstellrichtung für den Laserstrahl abhängig von dem ermittelten Gradienten ist.
Bei einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist es zweckmäßig, wenn die Fokuslagenjustageeinheit dazu ausgebildet ist, bei einem Justagevorgang des Laserstrahls das Stellglied so zu steuern, dass die Fokussieroptik einen vorbestimmten Weg durchläuft, während das Streulichtintensitätssignal des zumindest einen Streulichtsensors aufgezeichnet wird, und weiter dazu ausgebildet ist, den Punkt auf der vorbestimmten Wegstrecke der Fokussieroptik zu ermitteln, bei welchem die gemittelte Streulichtintensität minimal ist, um für eine Justage des Laserstrahls diesen ermittelten Punkt anzufahren.
Insbesondere bei dem Einsatz lediglich eines Streulichtsensors im Gehäuseinneren des Laserbearbeitungskopfes ist es für eine schnelle Justage des Laserstrahls innerhalb der Düsenöffnung von Vorteil, wenn die Fokuslagenjustageeinheit dazu ausgebildet ist, das Stellglied so zu steuern, dass die Fokussieroptik in der Ebene senkrecht zur Strahlengangrichtung in einer ersten Richtung entlang eines ersten Weges hin- und zurückgefahren wird, während das gemittelte Streulichtintensitätsignal des zumindest einen Streulichtsensors aufgezeichnet wird, und die Fokuslagenjustageeinheit weiter dazu ausgebildet ist, den Punkt der aufgezeichneten ersten Wegstrecke mit minimaler gemittelter Streulichtintensität zu ermitteln, diesen Punkt anzufahren und die Fokussieroptik in einer zweiten Richtung entlang eines zweiten Weges hin- und zurückzufahren, welcher in der Ebene senkrecht zur Strahlengangrichtung liegt und den ersten Punkt der ersten Wegstrecke enthält, um nach Ermittlung eines zweiten Punkts der zweiten Wegstrecke mit minimaler gemittelter Streulichtintensität diesen zweiten Punkt anzufahren.
In einer besonders einfachen Ausgestaltung ist es hierbei zweckmäßig, wenn die erste Richtung senkrecht zur zweiten Richtung ist.
Um den Justagevorgang noch weiter zu beschleunigen, indem nicht nur eine Streulichtgesamtintensität innerhalb des Gehäuses des Laserbearbeitungskopfes gemessen wird, sondern auch ein Streulichtintensitätsgradient ermittelt wird, ist es zweckmäßig, wenn der zumindest eine Streulichtsensor zumindest drei optische Sensoren umfasst, die in Strahlrichtung innerhalb des Gehäuses auf gleicher Höhe umfangsseitig gleich beabstandet angeordnet sind.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Fokuslagenjustageeinheit dazu ausgebildet ist, die Streulichtintensitätssignale der zumindest drei Streulichtsensoren unabhängig voneinander in vorbestimmten Zeitabständen auszuwerten, um einen Streulichtintensitätsgradienten zu ermitteln, und weiter dazu ausgebildet ist, das Stellglied so zu steuern, dass die Fokussieroptik in Richtung des Streulichtintensitätsgradienten bewegt wird.
In einer einfachen Ausgestaltung dieser Art von Fokuslagenjustageeinheit ist es vorteilhaft, wenn die Fokuslagenjustageeinheit dazu ausgebildet ist, die Streulichtintensitätssignale der zumindest drei Streulichtsensoren unabhängig voneinander auszuwerten, um den Streulichtsensor mit der geringsten Streulichtintensität zu ermitteln, und weiter dazu ausgebildet ist, das Stellglied so zu steuern, dass die Fokussieroptik in Richtung des Streulichtsensors mit der geringsten Streulichtintensität bewegt wird.
Für eine einfache Umsetzung des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes ist es von Vorteil, wenn die Fokussieroptik eine Fokussierlinse ist.
In einer kostengünstigen Umsetzung der Erfindung ist es von Vorteil, wenn der zumindest eine Streulichtsensor eine Fotodiode oder ein CCD-Array ist.
Erfindungsgemäß ist weiter ein System zum Justieren einer Fokuslage eines Laserstrahl vorgesehen, welches den erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf umfasst und ferner eine Strahlfalle aufweist, die ein Gehäuse mit einer Gehäuseöffnung, in welche der fokussierte Laserstrahl bei einem Justagevorgang eindringen kann, wobei die Abmessung der Gehäuseöffnung auf den Fokusdurchmesser des Laserstrahls angepasst ist, und einen optischen Strahlfallensensor umfasst, welcher die Intensität des in die Strahlfalle eindringenden fokussierten Laserstrahls misst, wobei die Fokuslagenjustiereinheit des Laserbearbeitungskopfes dazu ausgebildet ist, das Intensitätssignal des Strahlfallensensors zu empfangen, und die Fokussieroptik abhängig von dem Intensitätssignal des Strahlfallensensors so zu steuern, dass die Intensität des Strahlfallensensors maximal ist.
Hierbei ist es zweckmäßig, wenn der Durchmesser der Gehäuseöffnung gleich dem Fokusdurchmesser ist.
Weiter ist es von Vorteil, wenn die Strahlfalle ein Düsengegenstück aufweist, welches eine Oberfläche mit einer Form aufweist, die der Form der Stirnfläche der Düse entspricht, wobei die Öffnung der Düse und die Gehäuseöffnung in dem Düsengegenstück im aufeinander ausgerichteten Zustand sich gegenüberliegen.
In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung ist es zweckmäßig, wenn die Oberfläche des Düsengegenstücks und die Stirnfläche der Düse kreisförmig mit gleichem Durchmesser sind, wobei sich die Mittelpunkte der Düsenöffnung und der Gehäuseöffnung im ausgerichteten Zustand gegenüberliegen.
Für eine einfache und schnelle Ausrichtung des Düsengegenstücks auf die Düse ist es von Vorteil, wenn der Laserbearbeitungskopf eine Ausrichteinheit umfasst, welche dazu ausgebildet ist, mittels einer kapazitiven Kopplung der Düse und des Düsengegenstücks einen ausgerichteten Zustand zwischen Düse und Düsengegenstück zu ermitteln.
In einer realen Ausgestaltung ist es zweckmäßig, wenn der Abstand der Oberfläche des Düsengegenstücks der Strahlfalle von der Stirnfläche der Düse etwa 1 mm beträgt.
Für eine kostengünstige Umsetzung ist es von Vorteil, wenn der Strahlfallensensor eine Fotodiode ist.
Ferner ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Justieren einer Fokuslage eines Laserstrahls vorgesehen, mit den Schritten Einschalten eines Laserstrahls, welcher durch ein Gehäuse eines Laserbearbeitungskopfes hindurchläuft, und Messen der Steulichtintensität, welche in das Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes zurückgeworfen wird, um zu ermitteln, ob der Laserstrahl Teile des Gehäuses oder einer Düse des Laserbearbeitungskopfes trifft, und Verstellen einer Fokussieroptik, durch die der Laserstrahl durch die Düse fokussiert wird, bis die Streulichtintensität minimal wird.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird die Düse des Laserbearbeitungskopfes über einer Strahlfalle derart positioniert, dass sich eine Öffnung der Düse und eine Gehäuseöffnung der Strahlfalle zentrisch gegenüberliegen, und die Fokussieroptik wird in Strahlrichtung verstellt, bis die gemessene Intensität des durch die Gehäuseöffnung der Strahlfalle hindurchtretenden fokussierten Laserstrahls maximal wird.
Hierbei ist es zweckmäßig, wenn der Durchmesser der Gehäuseöffnung der Strahlfalle dem Fokusdurchmesser des Laserstrahls entspricht und die einzustellende Fokuslage in Strahlrichtung in der Ebene der Gehäuseöffnung der Strahlfalle liegt.
Eine besonders effektive Positionierung der Düse über der Strahlfalle erfolgt erfindungsgemäß mittels einer Messung der Kapazität zwischen der Düse und einem in seiner Form an die Düse angepassten Düsengegenstücks an der Strahlfalle.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 die Anordnung von Streulichtsenoren in einem Gehäuseinneren des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 die Anordnung von Streulichtsensoren innerhalb eines Gehäuseinneren des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4A eine stark vereinfachte Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Systems aus Laserbearbeitungskopf und Strahlfalle bei einem nicht justierten Laserstrahl,
4B eine stark vereinfachte Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Systems aus Laserbearbeitungskopf und Strahlfalle bei einem justierten Laserstrahl,
5 eine Blockschaltbild der eingesetzten Streulichtsensoren, eines Strahlfallensensors, einer Fokuslagenjustageeinheit und eines Stellglieds gemäß der Erfindung,
6 eine Illustration eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Justieren einer Fokuslage eines Laserstrahls, und
7 eine Illustration eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zum Justieren einer Fokuslage eines Laserstrahls.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine stark vereinfachte Ansicht eines Systems 10 zum Justieren einer Fokuslage eines Laserstrahls 12 gezeigt, welche einen Laserbearbeitungskopf 14 aufweist, wie er mit Laserbearbeitungsmaschinen oder -anlagen verwendet wird. Bei einem Betrieb des Laserbearbeitungskopfes 14 wird der von der Laserbearbeitungsmaschine kommende Arbeitslaserstrahl 12 durch ein Gehäuse 16 des Laserbearbeitungskopfes 14 hindurch auf ein Werkstück (nicht gezeigt) gelenkt und mittels einer Fokussieroptik 18 auf das Werkstück fokussiert. Der Arbeitslaserstrahl 12 kann bei einer Zuführung zu dem Laserbearbeitungskopf 14 mittels einer Lichtleitfaser aufgrund der Auskopplung des Laserstrahls 12 aus der Lichtleitfaser durch eine Kollimatoroptik (nicht gezeigt) aufgeweitet sein. Bei einem Einsatz den Laserbearbeitungskopfes 14 als Laserschneidkopf ist an der Unterseite des Gehäuses 16 des Laserbearbeitungskopfes 14 eine Schneiddüse 20 vorhanden, welche dazu vorgesehen ist, bei einem Schneidvorgang das aufgeschmolzene Werkstückmaterial aus dem zu schneidenden Bereich auszublasen. Hierfür wird üblicherweise der Laserstrahl 12 mittels der Fokussieroptik 18 durch die Schneiddüse 20 hindurch auf ein Werkstück fokussiert.
Bei der Inbetriebnahme des Laserbearbeitungskopfes 14 oder bei dem Austausch von optischen Komponenten oder der Schneiddüse 20 ist es in der Regel nötig, den Laserstrahl 12 erneut so zu justieren, dass er zentrisch durch eine Öffnung 22 der Düse 20 hindurch läuft. Erfindungsgemäß umfasst hierbei das System 10 zum justieren einer Fokuslage des Laserstrahls 12 den Laserbearbeitungskopf 14 und ferner einen Strahlfalle 24.
Der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf 14 weist ein Stellglied 26 auf, welches mit der Fokussieroptik 18 verbunden ist, um die Fokussieroptik 18 in Strahlrichtung und in einer zum Strahlengang des Laserstrahls 12 senkrechten Ebene zu verstellen. Der Laserbearbeitungskopf 14 weist ferner im Inneren des Gehäuses 16 zumindest einen Streulichtsensor 28 auf, der in Strahlrichtung vor der Fokussieroptik 18 in dem Gehäuse 16 angebracht ist, um Streulicht, welches durch Streuung oder Reflexion an Teilen des Gehäuses 16 oder der Düse 20 erzeugt wird, zu detektieren, wie durch die gestrichelten Pfeile A angedeutet ist. In dem in 1 gezeigten Fall entsteht bei einem nicht exakt fokussierten Laserstrahl 12 Streulicht an einer Innenwand des Durchgangs durch die Düse 20 und wird einmal an einer Innenwand des Gehäuses 16 des Laserbearbeitungskopfes 14 reflektiert, bevor es auf die Sensorfläche des Streulichtsensors 28 fällt. Dieser Fall ist jedoch nur beispielhaft, da bei unterschiedlichen Aufbauten eines Gehäuses 16 eines Laserbearbeitungskopfes 14 auch unterschiedliche Streu- oder Reflexionsvorgänge stattfinden können, welche für die entsprechenden Laserbearbeitungsköpfe 14 spezifisch sind. In allen Fällen steigt jedoch die Streulichtintensität innerhalb des Gehäuses 16 an, wenn der Laserstrahl 12 Teile des Gehäuses 16 oder der Schneiddüse 20 trifft.
Der zumindest eine Streulichtsensor 28 ist über eine Signalleitung 30 mit einer Fokuslagenjustageeinheit 32 verbunden, um ein Streulichtintensitätssignal zu übertragen, welches eine Information über die von einem des zumindest einen Streulichtsensors 28 empfangene Streulichtintensität enthält. Im einfachsten Fall ist das übertragene Streulichtintensitätssignal derart beschaffen, dass es hinsichtlich seiner Signalstärke direkt proportional zur gemessenen Streulichtintensität ist, also beispielsweise einem einfachen Spannungssignal auf der Signalleitung 30 entspricht. Es ist jedoch auch vorstellbar, die gemessene Streulichtintensität als digitales Streulichtintensitätsdatensignal über die Signalleitung 30 von dem Streulichtsensor 28 an die Fokuslagenjustageeinheit 32 zu übertragen. Die Fokuslagenjustageeinheit 32 ist über eine Steuerleitung 34 mit dem Stellglied 26 verbunden, um das Stellglied 26 so zu steuern, dass die Fokussieroptik 18 sowohl in Strahlrichtung oder z-Richtung oder in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung, also in x/y-Richtung verstellt wird. Das Stellglied 26 kann hierbei jeder mechanische Aktuator sein, welcher eine präzise Verstellung der Fokussierlinse 18 ermöglicht, also beispielsweise eine Anordnung von Schrittmotoren, die jeweils Stellschrauben in den entsprechenden Richtungen bewegen oder ein piezomechanischer Aktuator, welcher die Fokussieroptik 18 in verschiedenen Richtungen bewegt.
Die Strahlfalle 24 ist dazu vorgesehen, unterhalb der Öffnung 22 der Düse 20 angeordnet zu werden und die Intensität des fokussierten Laserstrahls 12, welcher durch eine Gehäuseöffnung 36 der Strahlfalle 24 hindurch tritt, mittels eines Strahlfallensensors 38 zu messen. Der Strahlfallensensor 38 ist über eine Strahlfallensignalleitung 40 mit der Fokuslagenjustageeinheit 32 verbunden, um ein Intensitätssignal an die Fokuslagenjustageeinheit 32 zu übertragen. Das Intensitätssignal des Strahlfallensensors 38 enthält Informationen über die von dem Strahlfallensensor 38 gemessene Laserstrahlintensität in der Strahlfalle 24, wobei das Intensitätssignal ein digitales Datensignal sein kann oder im einfachsten Falle hinsichtlich seiner Signalstärke direkt proportional zur von dem Strahlfallensensor 38 gemessenen Laserstrahlintensität sein kann.
Wie im Folgenden bei der Funktionalität des Systems 10 und des Laserbearbeitungskopfes 14 noch genauer erläutert werden wird, ist für eine Justage des Laserstrahls 12 durch die Düsenöffnung 22 der Schneiddüse 20 hindurch die Verwendung der Strahlfalle 24 nicht zwingend erforderlich. Die Fokuslagenjustageeinheit 32 kann einen Verstellvorgang der Fokussieroptik 18 durch das Stellglied 26 auch lediglich aufgrund von Streulichtintensitätssignalen des zumindest einen Streulichtsensors 28 durchführen. Für eine einfache Montage ist es zweckmäßig, wenn die Strahlfallensignalleitung 40 lösbar mit der Fokuslagenjustageeinheit 32 verbindbar ist, wobei eine einfache Steckvorrichtung vorstellbar ist.
In 1 ist lediglich ein Streulichtsensor 28 im inneren des Gehäuses 16 des Laserbearbeitungskopfes 14 gezeigt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung lediglich eines Streulichtsensors 28 beschränkt, so können auch mehrere Streulichtsensoren 28 im Inneren des Gehäuses 16 des Laserbearbeitungskopfes 14 angebracht sein, wie in den 2 und 3, welche schematische Draufsichten auf das Gehäuse 16 des Laserbearbeitungskopfes 14 darstellen, gezeigt, ist.
So ist es beispielsweise vorstellbar, bei einem zylinderförmigen Gehäuse 16 des Laserbearbeitungskopfes 14 drei Streulichtsensoren 28 umfangsseitig auf gleicher Höhe in Laserstrahlrichtung gleich beabstandet anzuordnen, wodurch die Streulichtsensoren 28 an entsprechenden Kanten eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind. Für eine Umsetzung der erfindungsgemäßen Fokuslagenjustage ist es jedoch auch möglich, bei dem Einsatz von drei Streulichtsensoren 28 diese auch in anderen Anordnungen im Inneren des Gehäuses 16 anzubringen, es ist lediglich wichtig, dass die drei Streulichtsensoren 28 nicht innerhalb einer sie verbindenden geraden Linie angeordnet sind, um eine Richtung, aus welcher Streulicht mit besonders hoher Intensität auf die Innenwände des Gehäuses 16 fällt, eindeutig detektieren zu können. Der Einsatz von drei Streulichtsensoren 28 ist nicht darauf beschränkt, dass das Gehäuse 16 des Laserbearbeitungskopfes 14 zylinderförmig ist, es ist auch vorstellbar, die Streulichtsensoren innerhalb eines kastenförmigen Gehäuses 16, in der oben beschriebenen Weise anzuordnen.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Streulichtsensoren 28 gezeigt, wobei das Gehäuse 16 des Laserbearbeitungskopfes 14 in Draufsicht quadratisch gezeigt ist. In der in 3 gezeigten Anordnung werden vier Streulichtsensoren 28 an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 16 angebracht, wodurch die Streulichtsensoren 28 in dem vorliegenden Fall an Kanten eines Quadrats angeordnet sind. Es ist jedoch auch vorstellbar, die Streulichtsensoren 28 an Kanten eines Rechtecks anzuordnen. Wie bei der Anordnung der Streulichtsensoren 28 in 2 liegen die Streulichtsensoren 28 in 3 wieder vorteilhafterweise auf gleicher Höhe in Richtung des Laserstrahls innerhalb des Gehäuses 16 des Laserbearbeitungskopfes 14. Die Sensorflächen der in 2 und 3 gezeigten Streulichtsensoren 28 liegen jeweils an einer dem Gehäuseinneren des Gehäuses 16 zugewandten Seite des Streulichtsensors 28.
In den 4A und 4B sind schematische Schnittansichten des Systems 10 zum justieren einer Fokuslage des Laserstrahls 12 gezeigt, wobei hinsichtlich des Laserbearbeitungskopfes 14 lediglich die Schneiddüse 20 gezeigt ist.
Die Strahlfalle 24 weist ein Gehäuse 42 mit der Gehäuseöffnung 36 auf, wobei in einem seitlichen Bereich im Inneren des Gehäuses 42 der Strahlfalle 24 der Strahlfallensensor 38 angeordnet ist. Die Strahlfalle 24 kann als Hohlkörper ausgebildet sein, wobei das Innere des Gehäuses 42 so beschaffen ist, dass ein in das Gehäuse eintretender Laserstrahl nicht mehr von den Innenwänden des Gehäuses 42 reflektiert wird, sodass das eintretende Licht nicht mehr durch die Gehäuseöffnung 36 nach außen treten kann. Bei der Ausgestaltung der Strahlfalle 24 können übliche Techniken zur Verwirklichung einer Strahlfalle eingesetzt werden. Die Strahlfalle 24 weist weiter an ihrer dem Laserbearbeitungskopf 14 und der Schneiddüse 20 zugewandten Seite ein Düsengegenstück 44 auf, welches eine einer Stirnfläche 46 der Schneiddüse 20 gegenüberliegende Oberfläche 48 besitzt. Das Düsengegenstück 44 kann einstückig mit dem Gehäuse 42 der Strahlfalle 24 ausgebildet sein, es ist jedoch auch vorstellbar, das Düsengegenstück 40 gesondert an dem Gehäuse 42 der Strahlfalle 24 anzubringen. Die Gehäuseöffnung 36 kann innerhalb des Düsengegenstücks 44 an der Oberfläche 48 nochmals verjüngt sein, also im Falle einer Bohrung einen geringeren Durchmesser aufweisen.
Das Düsengegenstück 44 ist dazu vorgesehen, in besonders einfacher Weise die Düse 20 mit ihrer Öffnung 22 auf die Gehäuseöffnung 36 der Strahlfalle 24 zentral auszurichten, wie im Folgenden beschrieben werden soll. Die Ausrichtung der Düse 20 auf die Strahlfalle 24 erfolgt erfindungsgemäß mittels einer kapazitiven Kopplung zwischen Düse 20 und Düsengegenstück 44, wobei sowohl die Düse 20 als auch das Düsengegenstück 44 aus einem leitenden Material, vorzugsweise einem Metall, hergestellt sein müssen. Durch Messung der durch das Düsengegenstück 44 (gegebenenfalls in Verbindung mit dem Gehäuse 42 der Strahlfalle 24) und die Düse 20 gebildeten Kapazität kann bei einem gleichbleibenden Abstand zwischen Stirnfläche 46 der Düse 20 und der Oberfläche 48 des Düsengegenstücks 44 eine Ausrichtung der Düse 20 auf das Düsengegenstück 44 mittels einer Ausrichteinheit (nicht gezeigt) dadurch erreicht werden, dass die Form des Düsengegenstücks 44 auf die Form der Stirnfläche 46 der Düse 20 angepasst ist, wodurch bei einer optimalen Ausrichtung die Kapazität maximal wird.
Im einfachsten Fall weisen die Oberfläche 48 des Düsengegenstücks 44 und die Stirnfläche 46 der Düse 20 eine Kreisform mit gleichem Durchmesser auf (in 4A und 4B sind die entsprechenden Durchmesser unterschiedlich gezeigt, Oberflächen mit gleichem Durchmesser sind jedoch bevorzugt), wodurch bei einer exakten Ausrichtung auf Grund des optimalen Überlapps der Flächen 48 und 46 die Kapazität im ausgerichteten Fall am höchsten ist. Der Abstand zwischen der Stirnfläche 46 der Düse 20 und der Oberfläche 48 des Düsengegenstücks 44 ist bevorzugterweise 1 mm. Die der Schneiddüse 20 gegenüberliegende Oberfläche 48 des Düsengegenstücks 44 ist also so auf die Stirnfläche 46 der Düsenelektrode der Düse 20 angepasst, dass das kapazitive Abstandssignal so ausgewertet werden kann, dass die Schneiddüse 20 zentrisch über dem Düsengegenstück 44 mit der Gehäuseöffnung 36 ausgerichtet werden kann.
Im Folgenden soll die Funktion des Systems 10 zum justieren eine Fokuslage des Laserstrahls 12, insbesondere der Fokuslagenjustiereinheit 32 sowie erfindungsgemäße Verfahren zum justieren der Fokuslage des Laserstrahls 12 anhand der 4A bis 7 beschrieben werden.
Wie in 4A gezeigt, wird nach einem Ausrichten der Gehäuseöffnung 36 des Düsengegenstücks 44 der Strahlfalle 24 auf die Öffnung 22 der Düse 20 ein Laserstrahl 12 eingeschaltet. In dem in 4A gezeigten Fall, trifft der Laserstrahl 12 auf eine Innenwand des Durchgangs durch die Düse 20 und wird in Richtung des Gehäuses 16 zurückgestreut oder zurückreflektiert, wie beispielsweise in 1 durch den gestrichelten Pfeil A angedeutet ist. In dem in 4A gezeigten Fall ist das Streulichtintensitätssignal des Streulichtsensors 28 (bei der Verwendung von mehreren Streulichtsensoren 28 das gemittelte Streulichtintensitätssignal) groß und das Intensitätssignal des Strahlenfallensensors 38 klein.
Erfindungsgemäß wird die Fokussieroptik 18 durch das Stellglied 26 mittels der Fokuslagejustiereinheit 32 solange verstellt, bis der Laserstrahl 12 durch die Öffnung 22 der Schneiddüse 22 hindurch tritt, wodurch das Streulichtintensitätssignal des zumindest einen Streulichtsensors 28 klein und das Intensitätssignal des Strahlfallensensors 38 groß ist. Danach wird, wie in 4B gezeigt, die Fokuslage des Laserstrahls 12 in Strahlrichtung oder z-Richtung so lange verstellt, bis das Intensitätssignal des Strahlfallensensors 38 maximal wird, wodurch die Fokuslage des Laserstrahls 12 für den Fall, dass der Durchtrittsdurchmesser der Gehäuseöffnung 36 in die Strahlfalle 24 gleich dem Durchmesser des Laserstrahls 12 im Fokus ist, so eingestellt werden kann, dass diese auf Höhe der Oberfläche 48 des Düsengegenstücks 44 angeordnet ist. Somit kann also sowohl eine zentrische Ausrichtung des Laserstrahls 12 innerhalb der Öffnung 22 der Düse 20 als auch ein vorbestimmter Abstand des Fokus des Laserstrahls 12 von der Stirnfläche 46 der Düse 20 erreicht werden.
In dem oben beschriebenen Verfahren wird für einen Justagevorgang die Intensität des in das Gehäuse 16 des Laserbearbeitungskopfes 14 zurückgeworfenen Streulichts unabhängig von einer Streurichtung mittels eines einzigen Streulichtsensors 28 oder mittels mehrerer Streulichtsensoren 28 gemessen, wobei bei der Messung mittels mehrerer Streulichtsensoren 28 die gemessenen Streulichtintensitäten gemittelt werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Justieren des Laserstrahls 12 innerhalb der Düsenöffnung 22 der Düse 20 mittels lediglich ein Streulichtintensität wird in den 5 und 6 dargestellt.
In 5 ist ein Blockschaltbild der Fokuslagenjustageeinheit 32, welche Streulichtintensitätssignale zumindest eines Streulichtsensor 28 über Signalleitungen 38 empfängt, dargestellt. Die Fokuslagenjustageeinheit 32 mittelt im Falle von mehreren Streulichtsensoren 28 das empfangene Signal und steuert über die Steuerleitung 34 das Stellglied 26, welches die Fokussieroptik 18 in x-/y-Richtung verstellt. In dem in 5 gezeigten Blockschaltbild empfängt die Fokuslagenjustageeinheit 32 weiter das Intensitätssignal des Strahlfallensensors 38 über die Strahlfallensignalleitung 40, wobei dieses Signal für den Justagevorgang, wie er in 6 gezeigt ist, hilfreich (durch gleichzeitigen Vergleich von Intensitätssignal des Strahlfallensensors 38 und des Streulichtsensors 28), jedoch nicht wesentlich ist.
In dem in 6 gezeigten Justageverfahren wird der Laserstrahl 12 (angedeutet durch den gestrichelten Kreis) in einer ersten Richtung entlang eines ersten Weges B hin- und zurückgefahren, wobei das Streulichtintensitätssignal des Streulichtsensors 28 von der Fokuslagenjustageeinheit 32 aufgezeichnet wird. Nach dem Abfahren des ersten Weges B wird der Punkt C auf der aufgezeichneten Wegstrecke des ersten Weges B ermittelt, bei dem die Streulichtintensität minimal ist.
Nach der Bestimmung des Punktes C mit minimaler Streulichtintensität wird dieser Punkt C durch Verstellen der Fokussieroptik 18 angefahren und die Fokussieroptik 18 in einer zweiten Richtung entlang eines zweiten Weges D hin- und zurückgefahren, wobei während dem Verfahren wieder die Streulichtintensität innerhalb des Gehäuses 16 des Laserbearbeitungskopfes 14 aufgezeichnet wird. Nach dem Abfahren des zweiten Weges D wird ein Punkt E ermittelt, bei welchem die von dem Streulichtsensor 28 gemessene Streulichtintensität minimal ist und dieser Punkt E auf der aufgezeichneten Wegstrecke des zweiten Weges D wird durch Verstellen der Fokussieroptik 18 angefahren. Dieses Justierverfahren kann mehrmals wiederholt werden, bis die Streulichtintensität ein absolutes Minimum erreicht hat. Die erste Richtung der ersten Wegstrecke B und die zweite Richtung der zweiten Wegstrecke D liegen vorzugsweise in der x-/y-Richtung senkrecht zur Strahlachse des Laserstrahls 12 und senkrecht aufeinander. Es ist jedoch auch möglich, statt dem Abfahren eines geraden Weges, wie er durch den Weg B angedeutet ist, den Laserstrahl 12 entlang eines beliebigen vorbestimmten Weges zu führen, welcher nicht geradlinig ist, sondern beispielsweise eine kreisförmige Bahn oder eine Spiralbahn beschreibt. Darüber hinaus kann auch statt eines iterativen Justiervorgangs der Laserstrahl zeilenartig über die Düse 20 geführt werden und während des Abtastvorgangs mittels des Laserstrahls 12 die Streulichtintensität aufgezeichnet werden, wodurch nach dem Abtastvorgang ohne einen iterativen Vorgang der Punkt mit der geringsten Streulichtintensität sofort ermittelt werden kann.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Systems 10 zum Justieren eines Laserstrahls 12 mittels einer Fokuslagenjustageeinheit 32 erfolgt die Justierung des Laserstrahls 12 durch eine Auswertung der Streulichtintensitätssignale von zumindest 3 Streulichtsensoren 28 (das in 7 gezeigte Justierverfahren ist anwendbar auf die in 2 und 3 gezeigten Anordnungen von Streulichtsensoren 28). Durch die voneinander unabhängige Auswertung der Streulichtintensitätssignale der vier Streulichtsensoren 28 ist es möglich, aufgrund einer Bestimmung der Richtung des Streulichts den Laserstrahl 12 schrittweise in den Bereich der Öffnung 22 der Düse 20 zu führen.
Die Fokuslagenjustageeinheit 32 wertet hierfür die Streulichtintensitätssignale, welche von den Streulichtsensoren 28 über die Signalleitungen 30 übertragen werden (5), in vorbestimmten Zeitabständen aus und ermittelt durch Gewichtung der unterschiedlichen Lagen der Streulichtsensoren 28 mit ihren entsprechenden Streulichtintensitäten einen Streulichtintensitätsgradienten, welcher aus Sicht der Streulichtsensoren 28 eine Vorzugsrichtung des von dem Düsenelement gestreuten oder reflektierten Streulichts darstellt. Die Vorzugsrichtung des Streulichts kann, wie in 4A gezeigt, auf eine einer Innenwandung der Düse 20, auf die der Laserstrahl 12 trifft, gegenüberliegende Seite des Gehäuses 16 zeigen, es ist jedoch auch möglich, dass nach einer Reflexion an der Gehäusewand die Vorzugsrichtung des Streulichts entsprechend umgekehrt wird, wie in 1 dargestellt. Der exakte Zusammenhang zwischen Vorzugsrichtung des Streulichts, welches von dem Düsenelement 20 oder Teilen des Gehäuses 16 bei Auftreffen des Laserstrahls 12 erzeugt wird, und den entsprechenden Auftreffpunkten des Laserstrahls 12 kann jedoch bei unterschiedlich ausgebildeten Laserbearbeitungsköpfen 14 unterschiedlich sein. In diesem Fall kann die Fokuslagenjustageeinheit 32 spezielle Mittel zum Auswerten der Vielzahl von Streulichtintensitätssignalen der Vielzahl von Streulichtsensoren 28 aufweisen, um aufgrund des Streulichtintensitätsprofils der unterschiedlichen Streulichtsensoren 28 die Vorzugsrichtung des Streulichts dahingehend auszuwerten, in welche Richtung der Laserstrahl 12 in einem Verstellschritt verstellt werden muss, um den Laserstrahl 12 in Richtung der Öffnung 22 der Düse 20 zu bewegen.
Als Beispiel für einen Justiervorgang soll die in 7 gezeigte Konstellation der Streulichtsensoren verwendet werden, wobei ein rechteckförmiges Gehäuse 16, wie es in 1 angedeutet ist, mit der in 1 gezeigten entsprechenden Reflexion angenommen werden soll. In diesem Falle werden in vorbestimmten Zeitabständen die Streulichtintensitätssignale der vier Streulichtsensoren 28 ausgewertet und der Streulichtsensor 28 ermittelt, welcher die geringste Streulichtintensität misst. In einem darauf folgenden Verstellvorgang wird die Fokussieroptik 18 so verstellt, dass der Laserstrahl 12 in Richtung des Streulichtsensors mit der niedrigsten ermittelten Streulichtintensität bewegt wird. Nach dem Verstellen der Fokussieroptik 18 zum Bewegen des Laserstrahls 12 um eine vorbestimmte Weglänge in Richtung des bestimmten Streulichtsensors 28 werden erneut die Streulichtintensitätssignale der vier Streulichtsensoren 28 ausgewertet und wiederum der Streulichtsensor 28 mit der geringsten Streulichtintensität ermittelt. Durch das iterative Auswerten der Streulichtintensitätssignale der Streulichtsensoren 28 und das schrittweise Verstellen des Laserstrahls 12 in Richtung der Streulichtsensoren 28 mit der geringsten gemessenen Streulichtintensität kann der Laserstrahl 12 schrittweise in den Bereich innerhalb der Öffnung 22 der Düse 20 bewegt werden. In dem in 7 gezeigten Beispiel ist es jedoch auch möglich, aufgrund des ermittelten Streulichtintensitätsgradienten den Laserstrahl 12 in Richtung des Gradienten zu bewegen, wodurch der Justiervorgang noch weiter zeitlich verkürzt wird.
Nach der Justierung des Laserstrahls 12 in x-/y-Richtung erfolgt unter Zuhilfenahme des Intensitätssignals des Strahlfallensensors 38, welches über die Leitung 40 in die Fokuslagenjustageeinheit 32 eingelesen wird, eine weitere Anpassung der Fokuslage in z-Richtung, um somit den optimalen Abstand des Fokus des Laserstrahls 12 von der Düsenöffnung 22 einzustellen. Das Intensitätssignal des Strahlfallensensors 38 kann jedoch auch dazu genutzt werden, zusätzlich zu den von den Streulichtsensoren 28 eingelesenen Streulichtintensitätssignalen bei der Justage des Laserstrahls 12 in x-/y-Richtung beizutragen, wobei die Fokuslagenjustageeinheit 32 die Lage des Laserstrahls 12 dahingehend optimiert, dass das Intensitätssignal des Strahlfallensensors 38 maximal wird.
Durch den erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf 14, das erfindungsgemäße System 10 sowie das Verfahren zum Justieren einer Fokuslage eines Laserstrahls 12 kann in einfacher und genauer Weise die Fokuslage des Laserstrahls 12 so justiert werden, dass der fokussierte Laserstrahl 12 zentral durch eine Öffnung 22 der Düse 20 hindurch verläuft und die Fokuslage des Laserstrahls 12 in Strahlrichtung einen vorbestimmten Abstand zu der Öffnung 22 der Düse 20 aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch Vergleich von optischen Signalen im Schneidkopf 14 und in einer Strahlfalle 24 die Fokuslage eines Laserstrahls optimiert, wobei lediglich die Fokussieroptik 18 verstellt wird, ansonsten sind keinerlei mechanische Vorgänge von Nöten. Somit kann also bei einer ruhenden Mechanik die Fokuslage des Laserstrahls optimiert werden. Für die Optimierung der Fokuslage in z-Richtung ist es hierbei von Vorteil, wenn die Eintrittsapertur 36 der Strahlfalle 24 an den Laserstrahlfokusdurchmesser angepasst ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007029787 B3 [0004]
DE 102007063627 A1 [0005]
EP 1600241 A2 [0006]
WO 03/061895 [0007]
DE 10130875 A1 [0008]

Claims

Laserbearbeitungskopf (14) zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls (12), mit: – einem Gehäuse (16), durch das ein Strahlengang für den Laserstrahl (12) hindurchgeführt ist und das eine Fokussieroptik (18) zum Fokussieren des Laserstrahls (12) durch eine Düse (20) hindurch auf das zu bearbeitende Werkstück aufweist, – einem Stellglied (26), welches mit der Fokussieroptik (18) verbunden ist, um die Fokussieroptik (18) in Strahlrichtung und in einer zum Strahlengang senkrechten Ebene zu verstellen, – zumindest einem Streulichtsensor (28), welcher in dem Gehäuse (16) angebracht ist, um Streulicht, welches durch Streuung oder Reflexion des Laserstrahls (12) innerhalb des Gehäuses (16) oder der Düse (20) erzeugt wird, zu detektieren, und – einer Fokuslagenjustageeinheit (32), die mit dem zumindest einen Streulichtsensor (28) verbunden ist, um ein Streulichtintensitätssignal zu empfangen, wobei die Fokuslagenjustageeinheit (32) dazu ausgebildet ist, das Stellglied (26) für die Fokussieroptik (18) so zu steuern, dass die von dem zumindest einen Streulichtsensor (28) empfangene Streulichtintensität minimal ist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuslagenjustageeinheit (32) dazu ausgebildet ist, bei einem Justagevorgang des Laserstrahls (12) das Stellglied (26) so zu steuern, dass die Fokussieroptik (18) einen vorbestimmten Weg durchläuft, während das Streulichtintensitätssignal des zumindest einen Streulichtsensors (28) aufgezeichnet wird, und weiter dazu ausgebildet ist, den Punkt auf der vorbestimmten Wegstrecke der Fokussieroptik (18) zu ermitteln, bei welchem die gemittelte Streulichtintensität minimal ist, um für eine Justage des Laserstrahls (12) diesen ermittelten Punkt anzufahren.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Fokuslagenjustageeinheit (32) dazu ausgebildet ist, das Stellglied (26) so zu steuern, dass die Fokussieroptik (18) in der Ebene senkrecht zur Strahlengangrichtung in einer ersten Richtung entlang eines ersten Weges (B) hin- und zurückgefahren wird, während das gemittelte Streulichtintensitätsignal des zumindest einen Streulichtsensors (28) aufgezeichnet wird, und die Fokuslagenjustageeinheit (32) weiter dazu ausgebildet ist, den Punkt (C) der aufgezeichneten ersten Wegstrecke (B) mit minimaler gemittelter Streulichtintensität zu ermitteln, diesen Punkt (C) anzufahren und die Fokussieroptik (18) in einer zweiten Richtung entlang eines zweiten Weges (D) hin- und zurück zu fahren, welcher in der Ebene senkrecht zur Strahlengangrichtung liegt und den ersten Punkt (C) der ersten Wegstrecke (B) enthält, um nach Ermittlung eines zweiten Punkts (E) der zweiten Wegstrecke (D) mit minimaler gemittelter Streulichtintensität diesen zweiten Punkt (E) anzufahren.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung senkrecht zur zweiten Richtung ist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Streulichtsensor (28) zumindest drei optische Sensoren (28) umfasst, die in Strahlrichtung innerhalb des Gehäuses (16) auf gleicher Höhe umfangsseitig gleich beabstandet angeordnet sind.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuslagenjustageeinheit (32) dazu ausgebildet ist, die Streulichtintensitätssignale der zumindest drei Streulichtsensoren (28) unabhängig voneinander in vorbestimmten Zeitabständen auszuwerten, um einen Streulichtintensitätsgradienten zu ermitteln, und weiter dazu ausgebildet ist, das Stellglied (26) so zu steuern, dass die Fokussieroptik (18) in Richtung des Streulichtintensitätsgradienten bewegt wird.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuslagenjustageeinheit (32) dazu ausgebildet ist, die Streulichtintensitätssignale der zumindest drei Streulichtsensoren (28) unabhängig voneinander auszuwerten, um den Streulichtsensor (28) mit der geringsten Streulichtintensität zu ermitteln, und weiter dazu ausgebildet ist, das Stellglied (26) so zu steuern, dass die Fokussieroptik (28) in Richtung des Streulichtsensors (28) mit der geringsten Streulichtintensität bewegt wird.
Laserbearbeitungskopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (18) eine Fokussierlinse ist.
Laserbearbeitungskopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Streulichtsensor (28) eine Fotodiode oder ein CCD-Array ist.
System zum Justieren einer Fokuslage eines Laserstrahls (12), mit – einem Laserbearbeitungskopf (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, und – einer Strahlfalle (24) mit – einem Gehäuse (42) mit einer Gehäuseöffnung (36), in welche der fokussierte Laserstrahl (12) bei einem Justagevorgang eindringen kann, wobei die Abmessung der Gehäuseöffnung (36) auf den Fokusdurchmesser des Laserstrahls (12) angepasst ist, und – einem optischen Strahlfallensensor (38), welcher die Intensität des in die Strahlfalle (24) eindringenden fokussierten Laserstrahls (12) misst, wobei die Fokuslagenjustiereinheit (32) des Laserbearbeitungskopfes (14) dazu ausgebildet ist, das Intensitätssignal des Strahlfallensensors (38) zu empfangen, und die Fokussieroptik (18) abhängig von dem Intensitätssignal des Strahlfallensensors (38) so zu steuern, dass die Intensität des Strahlfallensensors (38) maximal ist.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Gehäuseöffnung (36) gleich dem Fokusdurchmesser ist.
System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlfalle (24) ein Düsengegenstück (44) aufweist, welches eine Oberfläche (48) mit einer Form aufweist, die der Form der Stirnfläche (46) der Düse (20) entspricht, wobei die Öffnung der Düse (20) und die Gehäuseöffnung (36) in dem Düsengegenstück (44) im aufeinander ausgerichteten Zustand sich gegenüberliegen.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Düsengegenstücks (44) und die Stirnfläche (46) der Düse (20) kreisförmig mit gleichem Durchmesser sind, wobei sich die Mittelpunkte der Düsenöffnung (22) und der Gehäuseöffnung (36) im ausgerichteten Zustand gegenüberliegen.
System nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserbearbeitungskopf (14) eine Ausrichteinheit umfasst, welche dazu ausgebildet ist, mittels einer kapazitiven Kopplung der Düse (20) und des Düsengegenstücks (44) einen ausgerichteten Zustand zwischen Düse (20) und Düsengegenstück (44) zu ermitteln.
System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Oberfläche (48) des Düsengegenstücks (44) der Strahlfalle (24) von der Stirnfläche (46) der Düse (20) etwa 1 mm beträgt.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlfallensensor (38) eine Fotodiode ist.
Verfahren zum Justieren einer Fokuslage eines Laserstrahls (12), mit den folgenden Schritten: – Einschalten eines Laserstrahls (12), welcher durch ein Gehäuse (16) eines Laserbearbeitungskopfes (14) hindurchläuft, und Messen der Steulichtintensität, welche in das Gehäuse (16) des Laserbearbeitungskopfes (14) zurückgeworfen wird, um zu ermitteln, ob der Laserstrahl (12) Teile des Gehäuses (16) oder einer Düse (20) des Laserbearbeitungskopfes (14) trifft, und – Verstellen einer Fokussieroptik (18), durch die der Laserstrahl (12) durch die Düse (26) fokussiert wird, bis die Streulichtintensität minimal wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (20) des Laserbearbeitungskopfes (14) über einer Strahlfalle (24) derart positioniert wird, dass sich eine Öffnung (22) der Düse (20) und eine Gehäuseöffnung (36) der Strahlfalle (24) zentrisch gegenüberliegen, und wobei die Fokussieroptik (18) in Strahlrichtung verstellt wird, bis die gemessene Intensität des durch die Gehäuseöffnung (36) der Strahlfalle (24) hindurchtretenden fokussierten Laserstrahls (12) maximal wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Durchmesser der Gehäuseöffnung (36) der Strahlfalle (24) dem Fokusdurchmesser des Laserstrahls (12) entspricht und die einzustellende Fokuslage in Strahlrichtung in der Ebene der Gehäuseöffnung (36) der Strahlfalle (24) liegt.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung der Düse (20) über der Strahlfalle (24) mittels einer Messung der Kapazität zwischen der Düse (20) und einem in seiner Form an die Düse (20) angepassten Düsengegenstücks (44) an der Strahlfalle (24) erfolgt.