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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen und Vermessen eines insbesondere als Lichtleiter genutzten Flüssigkeitsstrahls.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, Materialien unter Einsatz eines Wasserstrahls zu bearbeiten. So wird beispielsweise beim Wasserstrahlschneiden ein Strahl aus purer Wasser oder aus mit einem Abrasivzusatz versehenem Wasser unter hohem Druck von bis zu mehreren tausend bar auf ein zu bearbeitendes Werkstücks appliziert und dieses damit durchtrennt. Auch zum Entgraten kann ein solcher Hochdruckwasserstrahl eingesetzt werden. Da in der Regel flächige und ebene Werkstücke einfacher Geometrie, wie etwa Bleche, einer Wasserstrahlschneidbearbeitung unterzogen werden, sind bei dieser Anwendung die Anforderungen an den Wasserstrahl, abgesehen von dem zu erzielenden hohen Druck, verhältnismäßig gering.
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Zur Bearbeitung von Werkstücken komplexer Geometrie wird neben der spanabhebenden Bearbeitung zunehmend die Bearbeitung mit energiereicher Laserstrahlung bedeutend. Die Materialbearbeitung mit Laserstrahlung umfasst heutzutage das Schneiden, Bohren, Schweißen, aber auch das Abtragen von Material unterschiedlichster Ausbildung, wie beispielsweise Stahl, Legierungen, Kunststoffe und Keramiken. Auch im Bereich des Schärfens von Werkzeugen mit Schneiden, die beispielsweise Werkzeugschneiden aus hochwertigen und teuren Materialien wie PKD (polykristalliner Diamant), CVD (engl.: chemical vapour deposition) oder MKD (monokristalliner Diamant) mit zum Teil komplexen Geometrien umfassen, sind exakte Bearbeitungstechniken erforderlich.
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Bei dem bekannten herkömmlichen Einsatzverfahren für Laserstrahlen wird der Laserstrahl mittels einer geeigneten Optik auf das zu behandelnde Material fokussiert, so dass der Brennpunkt des Laserstrahls dort auf das Material trifft, wo es bearbeitet werden soll. Das Material wird im Brennpunkt erwärmt, aufgeschmolzen und verdampft, je nach Intensität der auftreffenden Laserstrahlung. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dieses Verfahren relativ schnell an seine Grenzen stößt, insbesondere wenn es um die Bearbeitung des Werkstücks auf unterschiedlichen Niveaus geht, d. h. wenn der Laserstrahl in unterschiedlichen Abständen von der Laserlichtquelle auf das Werkstück trifft. In solchen Fällen ist stets eine Nachfokussierung des Laserstrahls mit der Optik erforderlich, was technisch aufwändig, kosten- und zeitintensiv ist.
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Aus dem Dokument
DE 44 18 845 C1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei der der Laserstrahl in einen Flüssigkeitsstrahl eingekoppelt wird, wobei der Flüssigkeitsstrahl als Lichtleiter dient. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes der Flüssigkeit und der Umgebungsluft kommt es an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeitsstrahl und Umgebung zu Totalreflexionen, wie dies aus der Lichtleitertechnik bekannt ist, so dass der Laserstrahl aus dem Flüssigkeitsstrahl nicht austreten kann, solange der Flüssigkeitsstrahl glatt ist und die Divergenz des fokussierten Laserstrahls einen Grenzwinkel nicht überschreitet, welcher durch die Brechungsindizes der Flüssigkeit und der Umgebungsluft bestimmt wird. Erst am Auftreffpunkt des Flüssigkeitsstrahls auf das Werkstück wird die Energie des Laserstrahls frei und kann zur Bearbeitung des Werkstücks genutzt werden.
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Mit diesem Verfahren ist eine Fokussierung des Laserstrahls auf unterschiedliche Bearbeitungsniveaus, wie sie bei der herkömmlichen Laserbearbeitung bislang benötigt wurde, nicht mehr erforderlich. Darüber hinaus dient die auf die Bearbeitungsfläche auftreffende Flüssigkeit dazu, das durch den Laserstrahl entfernte Material von der Bearbeitungsstelle wegzufördern. Auch eine übermäßige lokale Erhitzung des Materials kann durch den Kühleffekt des auftreffenden Flüssigkeitsstrahls unterbunden werden. Insgesamt ergeben sich verhältnismäßig exakte Bearbeitungsergebnisse.
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Obgleich im Stand der Technik gemäß
DE 44 18 845 C1 hinsichtlich der zu verwendenden Flüssigkeiten, der anzulegenden Flüssigkeitsdrücke sowie des zu verwendenden Laserstrahls bereits brauchbare Vorgaben gemacht werden, hat sich gezeigt, dass dieses Verfahren insbesondere dann Schwächen aufweist, wenn größere Längen des Flüssigkeitsstrahls erforderlich sind. Mit anderen Worten ist dieses Verfahren dann problematisch, wenn die aktuelle Bearbeitungsstelle am Werkstück in größerem Abstand zu der Strahldüse liegt. Dies liegt daran, dass der Flüssigkeitsstrahl zwar nahe der Strahldüse eine regelmäßige Form aufweist, mit zunehmenden Abstand von der Strahldüse jedoch aufgrund der Einflüsse von der Umgebung Störungen unterliegt, was zu Verwirbelungen im Strahl und schließlich zu einem Zertropfen führen kann. Sobald der Flüssigkeitsstrahl keine kompakte Form mit laminarer Strömung mehr aufweist, sondern verwirbelt oder zertropft bzw. zerstäubt, ist seine Wirkung als Lichtleiter für den Laserstrahl nicht mehr gegeben und es kann keine kontrollierte Bearbeitung des Werkstücks mehr stattfinden.
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Zwar schlägt der Stand der Technik Maßnahmen vor, um in Abhängigkeit von der verwendeten Flüssigkeit verschiedene Strahllängen zu erreichen. Es hat sich doch gezeigt, dass es zum Erhalten eines qualitativ hochwertigen Bearbeitungsergebnisses besser wäre, Kenntnisse über den aktuellen Zustand des Flüssigkeitsstrahls zu gewinnen, um dessen Geometrie und mögliche Abweichungen von seiner Solllage bestimmen zu können.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art bereitzustellen, die ein Vermessen des Flüssigkeitsstrahls erlauben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Erzeugen und Vermessen eines, insbesondere als Lichtleiter genutzten, Flüssigkeitsstrahls gelöst, wobei die Vorrichtung umfasst:
- – eine Flüssigkeitsquelle, die eine Flüssigkeit unter einem bestimmten Ausgangsdruck bereitstellt,
- – eine Fokussierungseinrichtung zum Formen und Abgeben des Flüssigkeitsstrahls entlang einer Strahllängsachse, und
- – eine in wenigstens einem axialen Abstand von der Fokussierungseinrichtung positionierte oder positionierbare Strahlmesseinrichtung,
wobei die Strahlmesseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Flüssigkeitsstrahl hinsichtlich seiner Geometrie und seines Verlaufs bezüglich einer Sollachse zu erfassen.
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Durch den Einsatz einer Strahlmesseinrichtung in Kombination mit den Komponenten zur Flüssigkeitsstrahlerzeugung ist es erfindungsgemäß möglich, kontinuierlich oder in regelmäßigen zeitlichen Abständen den erzeugten Flüssigkeitsstrahl hinsichtlich seiner Geometrie und seines Verlaufs bezüglich einer Sollachse zu vermessen und festzustellen, ob der Flüssigkeitsstrahl noch die Anforderungen erfüllt, die für eine qualitativ hochwertige Bearbeitung, beispielsweise mittels eines eingekoppelten Laserstrahls, erforderlich ist. Dabei ist festzuhalten, dass vorzugsweise der Laserstrahl während der Vermessung des Flüssigkeitsstrahls zur Vermeidung einer Beeinträchtigung des Messergebnisses durch das eingekoppelte Laserlicht deaktiviert ist und erst nach der Vermessung in den Flüssigkeitsstrahl eingekoppelt wird.
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Die Strahlmesseinrichtung kann den Komponenten zum Bereitstellen des Flüssigkeitsstrahls unmittelbar zugeordnet oder separat von diesen ausgebildet sein. Im letztgenannten Fall kann beispielsweise über eine Mehrachsanordnung einer Bearbeitungsmaschine eine Flüssigkeitsstrahlerzeugungseinheit an eine zur Vermessung des Flüssigkeitsstrahls vorgesehene Messstation gefahren und relativ zu dieser in einer vorbestimmten Sollposition positioniert werden, wobei der Flüssigkeitsstrahl dann in der Messstation mittels der Strahlmesseinrichtung vermessen wird. Je nach Messergebnis kann dann die Mehrachsanordnung Lageabweichungen des Flüssigkeitsstrahls von seiner Solllage kompensieren. Zusätzlich oder alternativ können durch entsprechende Ansteuerung der Flüssigkeitsquelle zur Beeinflussung des Ausgangsdrucks oder der Fokussierungseinrichtung eventuelle Abweichungen des Flüssigkeitsstrahls von seiner Sollgeometrie kompensiert werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung umfasst ein erstes Paar einer ersten Lichtquelle und eines ersten Lichtempfängers, wobei die erste Lichtquelle einen ersten Lichtstrahl oder ein erstes Lichtstrahlenbündel entlang einer ersten Messachse quer zur Strahllängsachse aussendet, wobei der erste Lichtstrahl oder das erste Lichtstrahlenbündel den Flüssigkeitsstrahl kreuzt, wobei der erste Lichtempfänger der ersten Lichtquelle gegenüberliegend auf der ersten Messachse angeordnet und dazu ausgebildet ist, den ersten Lichtstrahl oder das erste Lichtstrahlenbündel zu erfassen, nachdem er den Flüssigkeitsstrahl passiert hat. Mit dem Lichtempfänger kann dann ein Strahlbild erfasst werden, das sich ergibt, wenn der von der ersten Lichtquelle ausgestrahlte Lichtstrahl oder das von dieser ausgestrahlte erste Lichtstrahlenbündel den Flüssigkeitsstrahl passiert hat. Dieses Strahlbild gibt Auskunft über die aktuelle Geometrie des Flüssigkeitsstrahls im vom Lichtstrahl durchsetzten Bereich.
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Wird von der Lichtquelle lediglich ein einzelner Lichtstrahl ausgesandt, beispielsweise ein Laserstrahl, so kann dies in einem Abtastverfahren bzw. Scanverfahren erfolgen. Dies bedeutet, dass der Lichtstrahl in zeitlicher Abfolge einen bestimmten Bereich um den Flüssigkeitsstrahl herum abtastet und dabei von dem Lichtempfänger jeweils empfangen und ausgewertet wird. Dadurch kann erfasst werden, wann der Lichtstrahl uneingeschränkt von Lichtempfänger empfangen wird oder vom Flüssigkeitsstrahl teilweise oder vollständig absorbiert wird.
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Alternativ zu dem oben geschilderten Abtastverfahren bzw. Scanverfahren mittels eines einzelnen Lichtstrahls ist es erfindungsgemäß auch möglich, ein Lichtstrahlenbündel, beispielsweise in Form eines ebenen Fächers oder in Form eines Kegels auszusenden und die Projektion des Flüssigkeitsstrahls durch das Lichtstrahlbündel am Lichtempfänger auszuwerten.
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In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass das Paar aus erster Lichtquelle und erstem Lichtempfänger gemeinsam relativ zum Flüssigkeitsstrahl, insbesondere translatorisch oder/und rotatorisch, verlagerbar ist. Bei einer translatorischen Bewegung wird ein Quadrat oder eine Rechteck um den Flüssigkeitsstrahl herum über den Lichtstrahl abgescannt. Bei einer rotatorischen Bewegung wird hingegen ein kreisförmiger Bereich um den Flüssigkeitsstrahl herum abgescannt, wie dies beispielsweise aus einem Computertomographieverfahren bekannt ist. Dadurch lassen sich größere Bereiche um die Sollachse herum erfassen, wobei Informationen über die Form und den Verlauf des Flüssigkeitsstrahls gesammelt und ausgewertet werden können.
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Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass ein zweites Paar einer zweiten Lichtquelle und eines zweiten Lichtempfängers vorgesehen ist, wobei die zweite Lichtquelle einen zweiten Lichtstrahl oder ein zweites Lichtstrahlenbündel entlang einer zweiten Messachse quer zur Strahllängsachse aussendet, wobei der zweite Lichtstrahl oder das zweite Lichtstrahlenbündel den Flüssigkeitsstrahl kreuzt, wobei der zweite Lichtempfänger der zweiten Lichtquelle gegenüberliegend auf der zweiten Messachse angeordnet und dazu ausgebildet ist, den zweiten Lichtstrahl oder das zweite Lichtstrahlenbündel zu erfassen, nachdem der zweite Lichtstrahl oder das zweite Lichtstrahlenbündel den Flüssigkeitsstrahl passiert hat, und wobei die zweite Messachse von der ersten Messachse abweicht. Dadurch lässt sich eine zweite Ansicht des Flüssigkeitsstrahls aus einem anderen Blickwinkel erzeugen. Wiederum gilt, dass der Flüssigkeitsstrahl nach dem Abtastverfahren mittels eines Einzelstrahls oder gemäß vorstehender Beschreibung mittels eines ebenen Lichtstrahlenbündels oder räumlichen Lichtstrahlenbündels erfasst werden kann.
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Grundsätzlich ist es möglich, noch weitere Ansichten mit weiteren Paaren aus Lichtquelle und Lichtempfänger aus weiteren Blickwinkeln zu erzeugen, die den Flüssigkeitsstrahl passieren. Die erhaltenen projizierten Ansichten, sogenannte Strahlbilder, lassen sich dann auswerten, um Schlüsse auf die aktuelle Strahlgeometrie und den aktuellen Strahlverlauf zu ziehen.
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In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass sich die erste und die zweite Messachse im Bereich des Flüssigkeitsstrahls geometrisch kreuzen. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die erste und zweite Messachse windschief zueinander verlaufen und im Bereich des Flüssigkeitsstrahls ihren Mindestabstand haben. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste und zweite Messachse im wesentlichen orthogonal zur Strahllängsachse oder zur Sollachse verlaufen. Zur Vermeidung von Messfehlern, die beispielsweise durch Interferenzen hervorgerufen werden, werden vorzugsweise Vermessungen des Flüssigkeitsstrahls entlang unterschiedlicher Achsen zeitlich versetzt und nicht zeitlich überlappend durchgeführt.
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Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste oder/und der zweite Lichtempfänger eine Kamera, insbesondere eine CCD-Kamera, ist und dass die zugeordnete erste oder/und zweite Lichtquelle von dieser Kamera erfassbares Licht emittiert. Mittels der CCD-Kamera lässt sich ein flächiges Strahlbild erfassen, das als Projektion des Lichtstrahlenbündels Auskunft über dessen Geometrie in einem bestimmten Blickwinkel gibt. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die erste oder/und zweite Lichtquelle eine LED (Licht emittierende Diode) umfasst. Diese Lichtquelle kann sich beispielsweise länglich in einer bestimmten Richtung erstrecken, das heißt als LED-Array ausgebildet sein, oder als flächige Lichtquelle. Es sind aber auch andersartige Lichtquellen denkbar, beispielsweise Infrarot- oder UV-Lichtquellen.
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Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die erste oder/und zweite Lichtquelle eine Laserlichtquelle ist und dass der erste oder/und zweite Lichtempfänger ein Laserlichtsensor ist. In diesem Zusammenhang ist es gemäß einer Erfindungsvariante möglich, dass die Laserlichtquelle auf eine rotierende Spiegelanordnung gerichtet ist, welche den eintreffenden Laserstrahl durch den Flüssigkeitsstrahl zu dem Lichtempfänger in Abhängigkeit von ihrer aktuellen Drehstellung umlenkt. Mittels der rotierenden Spiegelanordnung lässt sich der fokussierte Laserstrahl, der von einer Laserlichtquelle emittiert wird, in einem vorbestimmten Bereich auslenken bzw. verschwenken und so in der Art eines Scan-Vorgangs ein relativ großflächiges Bild erzeugen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Spiegelanordnung eine rotierende oder rotatorisch antreibbare Polygonspiegelanordnung ist.
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Um die Qualität des Strahlbildes am Lichtempfänger zu verbessern, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Lichtquelle oder/und dem Lichtempfänger eine Optik zugeordnet ist. Eine solche Optik kann eine einzelne Linse oder ein Linsensystem umfassen. Dadurch kann das emittierte Licht bzw. Laserlicht gebündelt oder ausgerichtet werden, um ein qualitativ hochwertiges Strahlbild zu erzeugen.
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Hinsichtlich der Erzeugung des Flüssigkeitsstrahls kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Fokussierungseinrichtung zum Formgeben und Fokussieren des Flüssigkeitsstrahls eine Düse umfasst. Diese Düse kann ortsfest oder beweglich angeordnet sein. Sie kann beispielsweise aktiv um eine oder mehrere Raumachsen verschwenkbar und entlang einer oder mehrerer Raumachsen verschiebbar sein, beispielsweise entlang der Strahllängsachse. Dadurch ist es möglich, die Düsenöffnung je nach Bedarf auszurichten, umso nach Maßgabe der Vermessung des Flüssigkeitsstrahls diesem in seine Solllage zu positionieren. E. Ferner sind verschiedene Düsengeometrien denkbar, je nach Anforderungen an den Flüssigkeitsstrahl hinsichtlich Durchmesser und Länge eines kompakten und laminaren als Lichtleiter nutzbaren Flüssigkeitsstrahls.
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Darüber hinaus kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Fokussierungseinrichtung für den Flüssigkeitsstrahl mit einer Einkoppeleinrichtung zum Einkoppeln des Laserstrahls in den Flüssigkeitsstrahl ausgebildet ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art zum Erzeugen und Vermessen eines, insbesondere als Lichtleiter genutzten, Flüssigkeitsstrahls. Dieses Verfahren wird vorzugsweise mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ausgeführt. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- – Bereitstellen einer lichtleitenden Flüssigkeit unter einem bestimmten Ausgangsdruck,
- – Formen und Abgeben des Flüssigkeitsstrahls entlang einer Strahllängsachse,
- – Positionieren einer Strahlmesseinrichtung in wenigstens einem axialen Abstand von der Fokussierungseinrichtung, in dem der Flüssigkeitsstrahl zu vermessen ist, und
- – Vermessen des Flüssigkeitsstrahl hinsichtlich seiner Geometrie und seines Verlaufs bezüglich einer Sollachse.
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Erfindungsgemäß kann dabei vorgesehen sein, dass der Flüssigkeitsstrahl hinsichtlich seines Durchmessers oder/und seines Profils in einer Ebene senkrecht zur Sollachse oder/und seiner Position relativ zur Sollachse oder/und seiner Symmetrie relativ zur Sollachse vermessen wird.
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Je nach Messergebnis lässt sich dann ein Bearbeitungsvorgang eines Werkstücks durchführen, wobei etwaige Abweichungen des Flüssigkeitsstrahls von seiner Sollachse durch geeignete Positionskompensationsalgorithmen über eine Mehrachsmechanik einer entsprechenden Bearbeitungsmaschine kompensiert werden kann.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Bearbeitungseinrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks unter Einsatz eines von der Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art bereitgestellten Flüssigkeitsstrahls.
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Diese Bearbeitungseinrichtung kann erfindungsgemäß mit einer Steuerung ausgeführt sein, in der von der Strahlmesseinrichtung erfasste Informationen zur Geometrie und zu dem Verlauf des Flüssigkeitsstrahls ausgewertet und zur Steuerung der Bearbeitungseinrichtung verwendet werden. Im einzelnen kann diese Bearbeitungseinrichtung in einer Ausführungsform der Erfindung wenigstens eine gesteuerte Achse umfassen, wobei die Ansteuerung der wenigstens einen gesteuerten Achse unter Berücksichtigung der Messergebnisse von der Strahlmesseinrichtung erfolgt. Insbesondere ist es dabei möglich, dass die wenigstens eine gesteuerte Achse derart angesteuert wird, dass eine Abweichung des Flüssigkeitsstrahls von seiner Sollachse oder einem sonstigen Sollverlauf unter Berücksichtigung der Messergebnisse von der Strahlmesseinrichtung kompensierbar ist. Die Kompensation kann auch alternativ durch Verändern der Lage oder/und der Ausrichtung der Düse erfolgen, wie vorstehend bereits angedeutet.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es stellen dar:
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1 eine Darstellung einer Bearbeitungsmaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine schematische Darstellung zur Vermessung eines Flüssigkeitsstrahls gemäß einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung;
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3 eine erläuternde schematische Darstellung zum Funktionsprinzip der Vermessungsmethode gemäß 2;
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4 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform zur Erfindung;
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5 eine erläuternde Darstellung zur Funktionsweise gemäß 4;
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6 eine Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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7 eine erläuternde Darstellung zur Funktionsweise gemäß 6;
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8 eine Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und
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9 eine erläuternde Darstellung zur Funktionsweise gemäß 8.
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1 zeigt eine Bearbeitungsmaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks, die schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet ist. Diese Bearbeitungsmaschine 10 umfasst eine Basis 12, an der eine Werkstücksträgereinrichtung 14 angebracht ist. Die Werkstücksträgereinrichtung 14 ist relativ zur Basis 12 entlang zweier zueinander orthogonaler Raumachsen X und Y über geeignete Führungen verlagerbar. Vorzugsweise wird hierfür eine Kreuzschlittenanordnung eingesetzt, die nicht näher dargestellt ist. An der Werkstückträgereinrichtung 14 ist ein zu bearbeitendes Werkstück 16 fest angebracht. Das Werkstück 16 ist in der gezeigten Situation ein plattenartiger Körper, aus dem eine Schneide mit bestimmter Schneidengeometrie ausgeschnitten werden soll. Die Schneidengeometrie ist mit der Punktlinie 24 angedeutet. Auch ein Oberflächenstrukturieren des Werkstücks 16 kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 umfasst ferner einen turmartigen Aufbau 18, an dem eine Bearbeitungseinheit 20 angebracht ist. Die Bearbeitungseinheit 20 ist über eine geeignete Linearführung, die nicht näher dargestellt ist, entlang der als Z-Achse bezeichneten dritten Raumachse verlagerbar.
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Die Bearbeitungseinheit 20 enthält eine Laserstrahlquelle mit einer geeigneten Strahloptik. Darüber hinaus wird der Bearbeitungseinheit 20 über eine nicht näher gezeigte Flüssigkeitsquelle Flüssigkeit unter einem bestimmten Ausgangsdruck zugeführt. Bei dieser Flüssigkeit kann es sich beispielsweise um ein Öl oder um deionisiertes Wasser handeln. Diese Flüssigkeit wird über eine als Düse ausgebildete Fokussierungseinrichtung beziehungsweise Formgebungseinrichtung zu einem Flüssigkeitsstrahl 22 geformt, der von der Bearbeitungseinheit 20, wie in 1 gezeigt, nach unten abgestrahlt wird. Man erkennt in 1, dass der Flüssigkeitsstrahl 22 eine gewissen Strecke d zurücklegt, in der er über seine gesamte Länge eine kompakte Form und laminare Strömung besitzt. Bei Überschreiten der Distanz d kann es aufgrund der Einflüsse der Umgebung (Luftdruck etc.) zu Störungen der laminaren Strömung des Flüssigkeitsstrahls bis hin zu einem Aufbrechen des Flüssigkeitsstrahls und einem Zertropfen kommen, wie bei 23 dargestellt.
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Der Bearbeitungsmaschine 10 ist eine Strahlmesseinrichtung 26 in fester räumlicher Beziehung zur Kreuzschlittenanordnung zugeordnet, die eine Öffnung 28 aufweist.
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Zur Vermessung des Flüssigkeitsstrahls 22 wird die Bearbeitungseinheit 20 derart über der Strahlmesseinrichtung 26 positioniert, dass der Flüssigkeitsstrahl 22 in die Öffnung 28 eintritt. Die Strahlmesseinrichtung 26 weist eine Messvorrichtung auf, auf deren Ausgestaltung im Folgenden mit Bezug auf die 2 bis 5 näher eingegangen wird.
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2 zeigt eine schematische Ausführungsvariante der Strahlmessung mittels der Strahlmesseinrichtung 26. Man erkennt eine Laserlichtquelle 30, die einen Laserstrahl 32 aussendet. Dieser Laserstrahl 32 wird über eine Einkoppeleinrichtung 34 und in einer eine Düse aufweisenden Fokussiereinrichtung 36 in den Flüssigkeitsstrahl 22 eingekoppelt, der aus der von der Flüssigkeitsquelle 31 bereitgestellten unter Druck stehenden Flüssigkeit geformt wird. Der Verlauf des eingekoppelten Laserstrahls 32 im Flüssigkeitsstrahl 22 ist derart, dass er an der Grenzfläche des Flüssigkeitsstrahls 22 zur Umgebungsatmosphäre wegen der unterschiedlichen Brechungsindizes reflektiert wird. Man erkennt, dass der Flüssigkeitsstrahl 22 entlang einer Strahllängsachse S verläuft, die leicht geneigt zu der Sollachse R versäuft. Die Sollachse R ist diejenige Achse, die einen Lichtstrahl definiert, der die Düse der Fokussiereinrichtung ideal verlässt.
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Der Strahlmesseinrichtung 26 ist eine erste Lichtquelle 40 mit einer davor angeordneten Linse 50 zugeordnet, von der ein Strahlenbündel 41 entlang einer ersten Messachse M1 ausgeht. Dieses Lichtstrahlenbündel 41 passiert den Flüssigkeitsstrahl 22 und trifft auf einen als CCD-Kamera ausgebildeten ersten Lichtempfänger 42, dem wiederum eine Fokussierungslinse 52 vorgeschaltet ist.
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Die Strahlmesseinrichtung 26 umfasst eine zweite Lichtquelle 44 mit einer davor angeordneten Linse 54, von der ein weiteres Strahlenbündel 45 entlang einer zweiten Messachse M2 ausgeht. Das zweite Lichtstrahlenbündel 45 passiert ebenfalls den Flüssigkeitsstrahl 22 und trifft sodann auf einen zweiten Lichtempfänger 46 mit einer der vorgeschalteten Linse 56, der ebenfalls als CCD-Kamera ausgebildet ist.
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Die beiden Messachsen M1 und M2 schneiden sich in einer gemeinsamen Ebene, die im Wesentlichen orthogonal zur Sollachse R verläuft.
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Mittels der beiden Lichtquellen 40 und 44 sowie der beiden CCD-Kameras 42, 46 wird zeitlich versetzt zueinander jeweils eine Projektion des Strahlbildes des Flüssigkeitsstrahls 22 aus der jeweiligen Blickrichtung entlang der Messachse M1 bzw. M2 erfasst. Diese Projektionen geben Auskunft über die die aktuelle Lage und Geometrie des Flüssigkeitsstrahls 22, insbesondere darüber, ob der Flüssigkeitsstrahl eine vorbestimmte Solllage und Sollgeometrie (etwa den Durchmesser) aufweist oder bereits, wie unterhalb des Bereichs d dargestellt ist, seine Sollform verloren hat und zum Zertropfen/Zerstäuben neigt oder bereits zertropft, wie bei 23 dargestellt. Dadurch lässt sich bestimmen, wie groß die Distanz d ist, in der der Flüssigkeitsstrahl 22 stabil ist, d. h. kompakt ist und eine laminare Strömung aufweist. Diese Strecke d ist maßgebend für die nutzbare Länge des Flüssigkeitsstrahls 22 und damit für den maximalen Abstand der Bearbeitungseinheit 20 (siehe 1) vom zu bearbeitenden Werkstück 16 in einer Bearbeitungssituation.
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Insbesondere bei Werkstücken mit komplexer Geometrie ist es erforderlich, einen größeren Bearbeitungsbereich d bereitzustellen. Gelangt man in den Grenzbereich, in dem der Flüssigkeitsstrahl 22 aus seinem kompakten laminaren Zustand in einen deformierten Zustand bis hin zu dem Zustand des Zertropfens (bei 23) übergeht, und muss eine Bearbeitung des Werkstücks in diesem Grenzbereich durchgeführt werden, so ist zum Erreichen eines qualitativ hochwertigen Bearbeitungsergebnisses eine genaue Kenntnis über diesen Übergangsbereich und dessen Abstand d von der Bearbeitungseinheit 20 erforderlich. Mit anderen Worten muss anhand der Vermessung des Flüssigkeitsstrahls sichergestellt werden, dass eine Bearbeitung des Werkstücks in einem solchen Abstand (< d) von der Düse stattfindet, in dem der Flüssigkeitsstrahl 22 noch mit Sicherheit stabil ist und als Lichtleiter für den Laserstrahl genutzt werden kann.
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Um diesen Grenzbereich bzw. Übergangsbereich und die nutzbare Länge des Flüssigkeitsstrahls 22 genau bestimmen zu können, kann die Bearbeitungseinheit 20 bzw. die einzelnen Komponenten 30, 34 und 36 hiervon entsprechend dem Doppelpfeil Z in Z-Richtung verlagert werden und anhand des Messergebnisses dieser Übergangsbereich erfasst werden.
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Darüber hinaus ist es mit der Vorrichtung gemäß 2 möglich, die Abweichung der Strahllängsachse S von der Sollachse R des Flüssigkeitsstrahls 22 zu erfassen. Eine derartige Abweichung ergibt sich beispielsweise durch Strömungseffekte bei der Strahlerzeugung und eine mehr oder weniger ungenaue Fertigung oder/und Ausrichtung der einzelnen Komponenten, insbesondere der Düse der Fokussierungseinrichtung 36. Diese Abweichung der Strahllängsachse S von der Sollachse R lässt sich anhand der über die CCD-Kameras 42 und 46 ermittelten Projektionen und Strahlbilder des Flüssigkeitsstrahls 22 erfassen.
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Anhand des Messergebnisses lässt sich somit die Bearbeitungsmaschine 10 einstellen, insbesondere hinsichtlich der erfassten Strahlgeometrie, wie beispielsweise dem Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls 23, der nutzbaren Länge d des Flüssigkeitsstrahls 22 und der Abweichung der Strahllängsachse S von der Sollachse R. Durch geeignete Kompensationsalgorithmen, die im Stand der Technik an sich bekannt sind, lässt sich dann die Bearbeitungsmaschine 10 auf die aktuelle Strahlgeometrie und den aktuellen Strahlverlauf einstellen. Ferner oder alternativ hierzu können anhand des Messergebnisses auch durch Ansteuerung der Flüssigkeitsquelle oder/und der Fokussierungseinrichtung die Strahlgeometrie oder der Strahlverlauf korrigiert werden.
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3 zeigt schematisch das optische Funktionsprinzip der Strahlmesseinrichtung 26 gemäß 2 betrachtet in Flüssigkeitsstrahllängsrichtung. Man erkennt in 3, dass die Lichtquellen 40 und 44 Strahlenbündel 41 und 45 aussenden. Der im Querschnitt etwa kreisförmige Flüssigkeitsstrahl 22 wird über die beiden Lichtquellen 40 und 44 aus verschiedenen Blickwinkeln bestrahlt, wobei die kegelförmigen Lichtstrahlenbündel, die die beiden Lichtquellen 40 und 44 verlassen, über geeignete optische Linsen 50 und 54 zunächst gleichgerichtet werden. Die beiden gleichgerichteten Lichtstrahlen 41 und 45 passieren sodann den Flüssigkeitsstrahl 22, wobei sich jenseits des Flüssigkeitsstrahls 22 jeweils ein Projektionsbild der Strahlgeometrie, im Folgenden kurz „Flüssigkeitsstrahlbild” genannt, ergibt. Wie bereits angemerkt, werden die Strahlenbündel 41 und 45 zeitlich versetzt zueinander ausegsandt. Die sich ergebenden Projektionsbilder des Flüssigkeitsstrahls werden über weitere optische Linsen 52 und 56 wiederum gebündelt und schließlich zu den CCD-Kameras 42 und 46 zur Erfassung geleitet. Die CCD-Kameras senden das jeweils erfasste Bild an eine Auswerteeinheit, die nicht näher gezeigt ist, der Bearbeitungsmaschine 10, um das Messergebnis auszuwerten und die Bearbeitungsmaschine 10 unter Einbindung geeigneter Kompensationsalgorithmen bei einer Abweichung des Flüssigkeitsstrahls 22 von seiner Sollgeometrie oder/und seiner Solllage entsprechend einzustellen.
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In 4 ist eine zur Darstellung gemäß 2 abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung wiederum schematisch gezeigt. Für gleichartige oder gleichwirkende Komponenten werden zur Vereinfachung der Beschreibung und zur Vermeidung von Wiederholungen dieselben Bezugszeichen verwendet, wie in 2.
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Der wesentliche Unterschied zwischen der Ausführungsform gemäß 2 und der Ausführungsform gemäß 4 liegt darin, dass statt LED-Lichtquellen Laserlichtquellen 60, 62 verwendet werden, die in telezentrischer Anordnung zu Laserlichtempfängern 64 und 66 ausgerichtet sind und den Flüssigkeitsstrahl mit einem Abtastverfahren scannen, wobei schematisch gezeigt ist, wie schrittweise ein Laserstrahl 41 den Flüssigkeitsstrahl 22 un dessen unmittlebare Umgebung abtastet.
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5 zeigt wiederum das Funktionsprinzip und Details zu den Laserlichtquellen 60 und 62. Die Laserlichtquellen 60, 62 umfassen jeweils einen Laserlichtemitter 68 und 70, die den Laserstrahl 41 auf eine Polygonspiegelanordnung 72, 74 ausstrahlen. Diese Polygonspiegelanordnung rotiert entsprechend der Pfeile P und Q mit vorgebbarer vorzugsweise konstanter Winkelgeschwindigkeit, so dass der Laserstrahl 41 bzw. 45 regelmäßig gemäß dem kegelförmigen Strahlbündel scan-artig abgelenkt wird. Mittels der bereits diskutierten Linsen 50 und 54 werden die beiden Laserstrahlen 41 und 45 jeweils ausgerichtet und auf den Flüssigkeitsstrahl 22 ausgerichtet. Die in 5 angedeuteten Strahlenbündel zeigen den jeweiligen Abtastbereich, wobei die einzelnen Laserstrahlen nicht gleichzeitig den Flüssigkeitsstrahl und dessen Umgebung abtasten, sondern zeitlich nacheinander. Auch erfolgt eine Abtastung mittels des Laserstrahls 41 und des Laserstrahls 45 nicht gleichzeitig, sondern ebenfalls zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Dadurch können unerwünschte optische Interferenzeffekte unterdrückt werden.
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Wiederum ergibt sich bei der Ausführungsform gemäß 5 jenseits des Flüssigkeitsstrahls 22 ein Strahlbild, das über geeignete Linsen 52 und 56 zu Laserlichtempfängern 60 und 62 fokussiert und von diesen erfasst wird.
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Das Funktionsprinzip gleicht dem, wie mit Bezug auf 2 und 3 beschrieben, jedoch funktioniert dies speziell mit Laserlicht und nach dem Abtastverfahren.
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6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß 2 sind eine Lichtquelle 40 mit Linse 50 und ein der Lichtquelle 40 zugeordneter Lichtempfänger 42 mit Fokussierungslinse 52 derart vorgesehen, dass das Lichtstrahlenbündel 41 den Flüssigkeitsstrahl 22 passiert. In Abweichung von der Ausführungsform gemäß 2 ist jedoch kein zweites Paar aus Lichtquelle und Lichtempfänger vorgesehen. Vielmehr rotieren die Komponenten Lichtquelle 40, Linse 50, Fokussierungslinse 52 und Lichtempfänger 42 sozusagen als eine Einheit synchron um die Sollachse R gemäß den Pfeilen T und U und scannen dabei einen kreissegment- oder kreisförmigen Bereich um den Flüssigkeitsstrahl 22 herum, ähnlich wie dies in einem Tomografie-Verfahren der Fall ist. Dadurch lässt sich der Flüssigkeitsstrahl 22 in dem abgescannten kreissegment- oder kreisförmigen Bereich hinsichtlich seines Verlaufs relativ zur Sollachse R und seiner Geometrie erfassen.
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8 und 9 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Wiederum sind ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß 2 eine Lichtquelle 40 mit Linse 50 und ein der Lichtquelle 40 zugeordneter Lichtempfänger 42 mit Fokussierungslinse 52 derart vorgesehen, dass das Lichtstrahlenbündel 41 quer zu dem Flüssigkeitsstrahl 22 ausgesandt wird. In Abweichung von der Ausführungsform gemäß 2 ist wiederum kein zweites Paar aus Lichtquelle und Lichtempfänger vorgesehen. Anders als bei der Ausführungsform gemäß 6 und 7 rotieren die Komponenten Lichtquelle 40, Linse 50, Fokussierungslinse 52 und Lichtempfänger 42 aber nicht um die Sollachse R, sondern bewegen sich synchron als eine Einheit linear quer zur Sollachse R gemäß den Pfeilen V und W hin und her. Dabei wird ein quadratischer oder rechteckiger Bereich um den Flüssigkeitsstrahl 22 herum abgescannt. Dadurch lässt sich der Flüssigkeitsstrahl 22 in dem abgescannten quadratischen oder rechteckigen Bereich hinsichtlich seines Verlaufs relativ zur Sollachse R und seiner Geometrie erfassen.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem er erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Flüssigkeitsstrahlen beliebiger Anwendungen vermessen, insbesondere Flüssigkeitsstrahlen, die als Lichtleiter für Laserstrahlen zur Bearbeitung von Werkstücken genutzt werden. Es ist aber erfindungsgemäß ebenso möglich, die vorstehend beschriebene Vorrichtung und das Verfahren, wie sie nachfolgend auch beansprucht werden, in anderen technischen Gebieten einzusetzen, beispielsweise auf dem Gebiet der Materialbearbeitung in Einsatzfällen, in denen Flüssigkeitsstrahlen, insbesondere Wasserstrahlen ohne eingekoppeltes Laserlicht eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise beim eingangs bereits angesprochenen Wasserstrahlschneiden der Fall. Alternativ ist es auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren dort einzusetzen, wo hochpräzise Flüssigkeitsstrahlen Anwendung finden, beispielsweise in der Dosierungstechnik, in der Drucktechnik bei der Erfassung von Tintenstrahlen, in der Medizintechnik oder in der Dentaltechnik.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4418845 C1 [0005, 0007]
