DE102010032800A1

DE102010032800A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kalibrieren einer Laserbearbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE102010032800A1
Application number: DE102010032800A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Kreuter
Original assignee: ISEDO AG
Current assignee: Nanosec Gesellschaft fuer Nanotechnologie in der Sicherheitstechnik mbH
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-02
Also published as: WO2012013818A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätssicherung des Bearbeitungsergebnisses bei der Bearbeitung eines Werkstückes mittels Laser, insbesondere was die Positionierung und Leistungskontrolle der auf dem Werkstück auftreffenden Energiemenge inklusive Selbstkalibrierung und Driftkompensation betrifft, was erst die zentrale Administrierung dezentral aufgestellter Geräte ermöglicht. Vor dem Bearbeiten des Werkstückes wird wenigstens ein Laserlicht-Sensor mit geringer räumlicher Ausdehnung mit der Maschine fest verbunden und seine Position im Maschinen-Koordinatensystem ermittelt, der wenigstens eine Laserlicht-Sensor mit Laserlicht abgetastet, beim maximalen Sensor-Signal die Auftreffposition des Laserstrahls als übereinstimmend mit der Position des Laserlicht-Sensors unterstellt und im Laser-Koordinatensystem bestimmt, aus der Differenz der Position des Sensors im Maschinen-Koordinatensystem und der Auftreffposition des Laserstrahls im Laser-Koordinatensystem wenigstens ein Punkt-Korrekturwert automatisch errechnet zur Anpassung des Laser-Koordinatensystems an das Maschinen-Koordinatensystem und bei der anschließenden Bearbeitung des Werkstückes der Laserstrahl nach dem Laser-Koordinatensystem unter Berücksichtigung des wenigstens einen Korrekturwertes ausgelenkt wird.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft Maschinen und Bearbeitungsvorgänge, bei denen ein Werkstück mittels Laser bearbeitet werden soll, also beispielsweise geschnitten, graviert oder beschriftet werden soll.
II. Technischer Hintergrund
Wie bei jedem Bearbeitungsvorgang, kommt es auch hier darauf an, dass dieses Gravieren oder Beschriften auf dem Werkstück an der exakten dafür vorgesehenen Soll-Position durchgeführt wird.
Häufig soll die Bearbeitung dabei jedoch nicht an einer bezüglich des Werkstückes fest vorgegebenen Position durchgeführt werden, sondern abhängig von der Position einer Vorbearbeitung, die am Werkstück zuvor durchgeführt wurde, und deren Position auf dem Werkstück produktionsbedingt eine jeweils andere sein kann.
Hinzu kommt, dass der Laserstrahl zwischen der Laserlichtquelle und seinem Auftreffpunkt auf dem Werkstück häufig – über einen oder mehrere Ablenkspiegel abgelenkt wird, und diese Ablenkspiegel beweglich sind und angesteuert werden, um den Auftreffpunkt des Laserstrahles entlang einem gewünschten Pfad zu bewegen.
Die Präzisionsbearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung erfordert eine Kalibrierung des Bearbeitungssystems bezüglich der Einstellung der Laserleistungsdichte im Fokus und der Strahlablenkeinheit für die Laserstrahlpositionierung Stand der Technik ist, dass für das Erreichen der erforderlichen Genauigkeiten (Schwankungen, so genannte Drift, der o. g. Parameter durch Temperatur, Verschleiß, Alterung, etc.) vor einer Bearbeitung Probebearbeitungen durchgeführt werden, die es ermöglichen, die Abweichungen von Soll- und Istwerten zu bestimmen und eine Kalibrierung des Systems bis zum Erreichen der erforderlichen Bearbeitungspräzision durchzuführen. Die Durchführung der Kalibrierung in dieser Weise erfordert in aller Regel Spezialkenntnisse und ist mit hohem Zeitaufwand und ggf. Materialverbrauch verbunden. Die Kenntnisse gehen weit über das Maß an Fachwissen hinaus, das ein Maschinenbediener für die Durchführung der eigentlichen Bearbeitungen benötigt.
Die Folge ist nur, dass derartige Laserbearbeitungssysteme in zentralen Fertigungszentren eingesetzt werden, wo die Möglichkeit besteht, dass eine Fachkraft mehrere Maschinen betreut, die dann von geringer geschultem Personal bedient werden.
Ein typischer Anwendungsfall ist die Personalisierung von Kunststoffkarten, etwa Kreditkarten oder Ausweiskarten, mittels Laser:
Dabei werden die Kartenrohlinge zunächst bedruckt und ggf. auch geprägt, wobei die Position der Bedruckung oder Prägung auf der Karte die Position der anschließenden Laserbeschriftung vorgibt.
So soll beispielsweise unter dem vorher aufgedruckten Wort ”Name” exakt in x- und y-Richtung dazu positioniert der konkrete Name des Karteninhabers aufgebracht werden.
Da bei der Personalisierung solcher Karten sehr große Stückzahlen bearbeitet werden, werden diese Karten automatisch in die Laserbearbeitungsmaschine eingezogen und ausgeworfen und dazwischen mittels Laser bearbeitet.
Als mögliche Abweichungsquellen der Ist-Position der Laserbeschriftung hinsichtlich ihrer Soll-Position kommen deshalb in Frage:

– ungenaue Positionierung der Karte im Kartenhalter der Maschine, bedingt durch Spiel im Einzugs- und Haltemechanismus, insbesondere die Führungsbahnen für den Einzug und die Positionierung des Kartenhalters in der Maschine,
– Abweichung der Ist-Position der Bedruckung oder Prägung von der Soll-Position relativ zum Kartengrundkörper,
– Umwelteinflüsse, insbesondere Erschütterungen und Temperatureinflüsse, die die gesamte Maschine beeinflussen und vor allem Temperaturdehnungen im Grundgestell der Maschine bewirken und dadurch die Schwenkachsen der am Grundgestell befestigten Spiegel der Laserstrahlführung verlagern.

Erschwerend ist es, wenn derartige Maschinen klein, leicht und kompakt gebaut werden sollen, um sie dezentral einsetzen zu können. Dies bedingt zum einen eine leichte Bauweise und damit ein tragendes Grundgestell der Maschine aus z. B. Kunststoff statt aus Stahl.
Sollen derartige Geräte dezentral genutzt werden, d. h. über mehrere, weit verstreute Standorte verteilt, ergibt sich die organisatorisch kaum zu bewältigende Aufgabe, diese Systeme von hinreichend qualifiziertem Fachpersonal kalibrieren und einstellen zu lassen.
Des Weiteren kann zwecks Vermeidung zu großer baulicher Abmessungen der Maschine die Laserlichtquelle nicht in großem Abstand und lotrecht auf die Kartenebene gerichtet angeordnet werden, sondern statt dessen wird die Laserlichtquelle in oder parallel zur Kartenebene angeordnet und der Strahl durch vielfache Umlenkung lotrecht zur Kartenebene ausgerichtet und ausgelenkt, wobei jede Umlenkung spielbehaftet ist und durch unerwünschte Verlagerung ihrer Schwenkachse eine weitere Fehlerquelle darstellt.
Ein weiteres Problem stellen Leistungsschwankungen des Lasers dar:
Zum einen können einzelne Dioden des Lasers defekt werden und dadurch kann die Leistung sinken, zum anderen unterliegen Laser einem natürlichen Alterungsprozess, der ebenfalls mit einem Leistungsverlust einhergeht.
Da abnehmende Leistung bei ansonsten gleichen Einstellparametern jedoch eine zurückgehende Schwärzung des Beschriftungs-Ergebnisses bewirkt, was sich vor allem bei Graustufenbildern auf einer Karte nachteilig auswirkt, sollte für die Erzielung gleichbleibender Qualität auch die auf dem Werkstück auftreffende Laserleistung einer Kontrolle unterworfen werden. Diese kann nicht nur durch Veränderungen an der Laserlichtquelle, sondern auch durch z. B. Verschmutzung der Spiegel im Strahlengang des Laserlichts oder andere Faktoren beeinflusst werden, etwa mangelhafte Fokussierung des Laserstrahls auf die Oberfläche des Werkstückes.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätssicherung des Bearbeitungsergebnisses bei der Bearbeitung eines Werkstückes mittels Laser zur Verfügung zu stellen, insbesondere was die Positionierung und Leistungskontrolle der auf dem Werkstück auftreffenden Energiemenge inklusive Selbstkalibrierung und Driftkompensation betrifft, was erst die zentrale Administrierung dezentral aufgestellter Geräte ermöglicht.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorausgeschickt werden soll, dass es unterschiedliche Laser-Ablenkungssysteme gibt:
Einachssystem:

1. Der Laserstrahl wird über einen beweglichen Spiegel nur in x-Richtung abgelenkt.
2. Die Karte, also das Werkstück, wird während der Bearbeitung in y-Richtung verschoben.
a) Es gibt meist keine Kissen-Tonnen-Verzerrung.
b) Eine Positionskalibrierung kann nur dann in y-Richtung erfolgen, wenn der Sensor mit dem Kartenhalter bewegt wird.

Zweiachssystem:

1. Der Laserstrahl wird über zwei bewegliche Spiegel abgelenkt in x- und y-Richtung.
2. Die Karte wird bei der Beschriftung nicht bewegt.
3. Es gibt immer eine Kissen-Tonnen-Verzerrung.
4. Der Sensor kann ortsfest in der Maschine fixiert sein.

Wenn ein in spezifischer Art und Weise in der Laserbearbeitungsmaschine ausgelenkter Lichtstrahl der Laserlichtquelle reproduzierbar immer exakt auf dem gleichen Punkt des Werkstückes auftreffen würde, läge das der Erfindung zugrunde liegende Problem gar nicht vor.
Es würde ein einziges Laser-Koordinatensystem existieren, in dem der Auftreffpunkt des Laserstrahls bezüglich der Karte angegeben werden könnte, wenn die Kartenposition bekannt ist.
In der Praxis ist dies jedoch nicht so, da zweckmäßigerweise zwei unterschiedliche Koordinatensysteme definiert werden, die nicht identisch sind:
– Zum einen das Laser-Koordinatensystem:
Die Laserlichtquelle ist im Laser-Koordinatensystem fest positioniert und der Auftreffpunkt des Lasers auf dem Werkstück in diesem Laserkoordinatensystem wird durch die Auslenkungen des Laserstrahls verursacht und auch die Fehler und Ungenauigkeiten sowohl der Austrittsposition des Laserstrahls aus der Laserlichtquelle und seiner Richtung, als auch die Fehler in den Umlenkungen des Laserstrahles.
– Zum anderen das Maschinen-Koordinatensystem:
Dieses Koordinatensystem ist auf die Maschine als Ganzes bezogen, oder auf eines ihrer Teile, insbesondere den beweglichen Kartenhalter, wobei es sich dann um ein bezüglich der Gesamtmaschine bewegliches Koordinatensystem handelt, das dann jedoch wiederum insgesamt Toleranzen gegenüber dem festen Teil der Maschine besitzt.
Dieses Koordinatensystem ist beeinflusst von Temperaturdehnungen und Führungsungenauigkeiten, z. B. des Kartenschlittens gegenüber dem Grundgestell der Maschine den Erschütterungen des Grundgestells der gesamten Maschine und ähnlichen Faktoren.
Da mit dem Maschinenkoordinatensystem Positionen auf dem Werkstück definiert werden sollen, wäre das Maschinenkoordinatensystem im Idealfall ein Koordinatensystem, welches bezüglich des Werkstückes selbst festgelegt ist, was im vorliegenden Fall jedoch wegen der Beweglichkeit des Werkstückes nicht möglich ist, so dass Fehler der Positionierung des Werkstückes im Kartenhalter und dessen Halterkoordinatensystem, erst recht gegenüber dem Maschinen-Koordinatensystem, zusätzlich kompensiert werden müssen.
Die mangelnde Übereinstimmung zwischen dem Laserkoordinatensystem und dem Maschinenkoordinatensystem, beispielsweise dem speziellen Halter-Koordinatensystem (worunter bei diesem beweglichen Koordinatensystem die Lage des Halterkoordinatensystems in der Bearbeitungsposition des Werkstückhalters zu verstehen ist) kann sich auf unterschiedliche Art und Weise darstellen:

a) Die Ursprünge der beiden Koordinatensysteme – wenn sie analog zueinander festgelegt werden – können differieren, entweder in X-Richtung oder in Y-Richtung, also den beiden Auslenkrichtungen des Laserstrahles, oder in beiden Richtungen,
b) Die Skalierung der beiden Koordinatensysteme kann differieren, indem ihre Längeneinheiten in einer übereinstimmenden Richtung unterschiedlich lang sind.
c) Die geometrische Form der Koordinatensysteme kann sich unterscheiden.
– Das Maschinenkoordinatensystem ist idealerweise ein kartesisches Koordinatensystem, also mit lotrecht aufeinander stehender X- und Y-Richtung.

Bei dem Laserkoordinatensystem definiert der mögliche Ablenkungsbereich des Lasers (nach der letzten Umlenkung) bis zum Focuspunkt einen Kegel oder einen Kegelstumpf mit einer Kugel-Segment-förmigen Bodenfläche, so dass die letzte Linse im Strahlengang immer eine sogenannte Planfeldlinse ist, die die Focuspunkte des Lasers von diesem Kugelsegment in eine plane Ebene verteilen soll.
Dadurch wird jedoch leider auch bewirkt, dass das Laserkoordinatensystem in der planen Ebene, der Kartenebene, kein exakt kartesisches Koordinatensystem ist, sondern tonnenförmige, Ein- oder Ausbuchtungen aufweist gegenüber einem exakt kartesischen wie dem Maschinenkoordinatensystem.

– Die Richtung der einander entsprechenden X- oder Y-Richtungen können voneinander abweichen, so dass die Koordinatensysteme relativ um ihre Lotrechte (Z-Richtung) zueinander geringfügig verdreht sein können.
d) – Die durch die jeweiligen Koordinatensysteme definierten Ebenen, insbesondere die X-Y-Ebenen, sind nicht identisch und auch nicht parallel, sondern bilden einen leichten Winkel zueinander, indem beispielsweise die Ursprünge der beiden Koordinatensysteme miteinander identisch sind, davon abweichende Punkte jedoch einen zunehmenden Versatz in Z-Richtung aufweisen.

Die beiden Koordinatensysteme, also Laserkoordinatensystem und Maschinenkoordinatensystem, sind keine real an der Maschine eingezeichneten Koordinatensysteme, sondern gedanklich festgelegte Koordinatensysteme, beispielsweise auch in der Steuerung der Maschine hinterlegte Koordinatensysteme, wobei nicht unbedingt beide in der Steuerung separat hinterlegt sein müssen. Es kann auch nur eines von beiden hinterlegt sein.
Laserkoordinatensystem einerseits und Maschinenkoordinatensystem andererseits können deshalb auch als Soll-Position und Ist-Position der gewünschten Laserauftreffpunkte gesehen werden. Wenn nur eines davon, z. B. das Laser-Koordinatensystem, in der Steuerung körperlich, also durch Definierung des Nullpunktes und der Achsrichtungen, hinterlegt ist, sind Soll-, also auch Ist-Position in den Koordinaten dieses Koordinatensystems hinterlegt.
Der Laserauftreffpunkt auf dem Werkstück, z. B. der Karte, findet sich dann an der gewünschten Soll-Position wieder, wenn die Abweichungen des Laserkoordinatensystems, also der Ist-Position potentieller Auftreffpunkte, vom Maschinenkoordinatensystem, den Soll-Positionen potentieller Auftreffpunkte des Laserstrahls, bekannt ist und die Ist-Position durch Berücksichtigen der daraus errechneten Korrekturwerte in die gewünschte Soll-Position überführt werden kann.
Zu diesem Zweck wird zunächst für eine oder mehrere konkrete Positionen im Bearbeitungsbereich der Maschine ermittelt, wie stark die Ist-Position (Laserkoordinatensystem) von der Soll-Position (Maschinenkoordinatensystem oder Halterkoordinatensystem) abweicht.
Zu diesem Zweck sind an diesen konkreten Positionen Laserlichtsensoren im Bearbeitungsbereich ortsfest an der Maschine, oder vorzugsweise ortsfest an dem beweglichen Werkstückhalter, angeordnet, sodass deren Position im Maschinenkoordinatensystem oder Halterkoordinatensystem bekannt ist.
Anschließend werden dieses Sensoren und damit deren Position im z. B. Halterkoordinatensystem mit dem Laserstrahl angefahren und festgehalten, um welche Position es sich bei dem Auftreffpunkt, und damit der Sensorposition gemessen im Laserkoordinatensystem, handelt.
Daraus wird für jeden einzelnen dieser Sensorpositionen ein Punkt-Korrekturwert zwischen den beiden Koordinatensystemen ermittelt, um den das Laserkoordinatensystem (Ist-Position) oder der Auftreffpunkt nach dem Laserkoordinatensystem, also die Ist-Position, zusätzlich verschoben werden muss, um den korrekten Punkt nach dem z. B. Halterkoordinatensystem (Soll-Position) zu erreichen.
Dieser Korrekturwert wird bei der anschließenden Bearbeitung des Werkstückes für die Auslenkung des Laserstrahls nach dem Laserkoordinatensystem mit berücksichtigt.
Sofern nur ein einziger Sensor vorhanden ist, kann nur ein einziger Punkt-Korrekturwert ermittelt werden und dessen Komponenten in X- und Y-Richtung.
Nur wenn die beiden Koordinatensysteme außer eine Nullpunktsverschiebung keine anderen Unterschiede aufweisen, lässt sich mit einem solchen einzelnen Punkt-Korrekturwert eine Korrelation der beiden Koordinatensysteme herbeiführen.
Da dies nicht sicher ist, werden für jede der beiden Auslenkrichtungen des Laserstrahls, also X- und Y-Richtung, zwei beabstandete Sensoren verwendet und für jeden Sensor ein Punkt-Korrekturwert bestimmt.
Unter Umständen kann ein Sensor – abhängig von seiner Bauart – für die Ermittlung des Korrekturwertes in beide dieser Richtungen genutzt werden.
Aus den beiden Punkt-Korrekturwerten derselben Richtung kann somit automatisch ermittelt werden, ob die Skalierung der beiden Koordinatensysteme in dieser Richtung übereinstimmt oder zusätzlich ein Skalierungsunterschied besteht. Durch die beiden Punkt-Korrekturwerte der anderen Richtung kann zusätzlich ermittelt werden, ob ein Verdrehen der Koordinatensysteme um ihre Hochachse (Z-Achse) zueinander vorliegt.
Auf diese Art und Weisen können aus diesen Punkt-Korrekturwerten zum einen ein Skalierungskorrekturwert für jede der X- und Y-Richtungen ermittelt werden und gegebenenfalls auch ein Drehungs-Korrekturwert bei Vorliegen einer Verdrehung der beiden X-Y-Koordinatensysteme um deren Lot zueinander.
In diesem Sinne wäre die Anordnung von drei oder vier Sensoren vorzugsweise jeweils in den Ecken eines z. B. rechteckigen Bearbeitungsbereiches, bei einer rechteckigen Karte als Werkstück dann knapp außerhalb des Kartenbereiches im Halterahmen, der dann den Werkstückhalter darstellt, am sinnvollsten.
Will man dagegen auch die Größe oder das Vorhandensein einer tonnen förmigen Verzerrung des Laserkoordinatensystems feststellen, so wird für jede Richtung vorzugsweise je ein Sensor in der Mitte der Erstreckung des Randbereiches und einer am Ende des Randbereiches, also in einer Ecke, vorgesehen, da hierdurch am besten eine tonnenförmige Ein- oder Ausbuchtung im mittleren Bereich des Randes ermittelt werden kann und hieraus wiederum für jede Auslenk-Richtung ein Tonnen-Korrekturwert automatisch errechnet werden kann.
Die einzelnen Korrekturwerte werden in der Steuerung hinterlegt und abhängig von der Position des aktuell zu berechnenden Laserauftreffpunktes im Bearbeitungsbereich, also bezüglich des Laserkoordinatensystems, für diesen konkreten Auftreffpunkt exakt berechnet und ggf. addiert, was anhand der Art des Korrekturwertes und des Abstandes des konkreten Auftreffpunktes vom rechnerischen Ursprung des Koordinatensystems möglich ist.
Erschwerend kann hinzu kommen, dass der Laserauftreffpunkt nicht an einer festen Position des Werkstückes auftreffen soll, sondern in einer festen Positionierung bezüglich einer auf dem Werkstück vorhandenen sichtbaren Vorbearbeitung, beispielsweise einer Vorbedruckung, die sich jedoch herstellungsbedingt nicht immer an der exakt gleichen Kartenposition befindet.
Für diesen Fall wird das Vorbearbeitungsresultat, beispielsweise die Vorbedruckung, von einer in der Maschine fest eingebauten Kamera aufgenommen und damit dessen Position im Halterkoordinatensystem bestimmt, sobald sich das Werkstück, beispielsweise die Karte, samt Werkstückhalter in der Bearbeitungsposition befindet und hieraus ein Vorbearbeitungs-Korrekturwert ermittelt, der bei der anschließenden Laserbearbeitung zusätzlich zu den anderen Korrekturwerten bei der Auslenkung des Laserstrahles nach dem Laserkoordinatensystem berücksichtigt werden muss.
Für die Laserbearbeitung muss neben der exakten Positionierung des Auftreffpunktes des Laserstrahls auf dem Werkstück dort jedoch auch der korrekte Energieeintrag in das Werkstück bewirkt werden, denn eine falsche Energiemenge führt zu einem falschen Bearbeitungsergebnis, beispielsweise beim Beschriften mittels Laser zu einem zu hohen oder zu niedrigen Schwärzungsgrad oder Graustufengrad.
Dies kann beispielsweise daran liegen, dass der Laserstrahl nicht auf die Oberfläche des Werkstückes, also die x-y-Ebene z. B. des Maschinen-Koordinatensystems, fokussiert ist. Aus diesem Grund wird bei jedem einzelnen Laserlicht-Sensor der Laserstrahl mit seiner Fokalebene auf die Höhe (in z-Richtung) des Sensors, also die x-y-Ebene z. B. im Maschinen-Koordinatensystem, eingestellt:
Zu diesem Zweck wird nach dem Abtasten des Sensors in x- und/oder y-Richtung und Ermitteln der genauen Position des Sensors in x-y-Richtung im Laser-Koordinatensystem der Laser auf die exakte x-y-Position des Sensors eingestellt, zunächst mit beispielsweise Z = 0 nach dem Laser-Koordinatensystem.
Anschließend wird die Z-Koordinate an dieser Stelle variiert und daraus eine Relation zwischen der Signalstärke des Sensors in Abhängigkeit von der Z-Position des Fokus des Laserstrahls in Form einer Glockenkurve ermittelt. Bei der Einstellung des Fokus in Z-Richtung sollte eine Verschiebung der Fokusposition in x- und y-Richtung vermieden werden, wie sie etwa bei einer Abstandsänderung zwischen Planfeldlinse und Werkstück bei Verwendung eines nicht telezentrischen f-Theta Objektivs zwangsläufig der Fall wäre. Die Änderung der Z-Position kann beispielsweise durch eine Änderung per Strahldivergenz vor der Planfeldlinse erreicht werden.
Durch Bestimmung des Maximums dieser Glockenkurve, was automatisch erfolgen kann, wird bestimmt, bei welchem Z-Wert die Signalstärke maximal ist, was dann der Z-Wert ist, an dem sich in Z-Richtung der Fokus des Laserstrahls genau auf der Höhe des Lichtsensors befindet. Stimmt dies nicht mit Z = 0 nach dem Laser-Koordinatensystem überein, ergibt sich daraus ein Z-Korrekturwert für das Laser-Koordinatensystem.
Wenn dies für alle Laserlichtsensoren durchgeführt wird, können aus den so erhaltenen einzelnen Z-Korrekturwerten wiederum Z-Skalierungs-Korrekturwerte für die Skalierung des Z-Korrekturwertes in X- und Y-Richtung automatisch bestimmt werden, die für die nachfolgende Laserbearbeitung zusätzlich beachtet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass an jedem Bearbeitungspunkt der Laser mit seinem Fokus auf die Bearbeitungsebene eingestellt ist.
Selbst wenn dies für einen Punkt des Koordinatensystems bei Z = 0 ohnehin gegeben ist, beispielsweise für den Ursprung des Koordinatensystems, muss dies nicht für die Laserlichtsensoren gelten, die abseits des Ursprunges liegen, da die x-y-Ebene des Laser-Koordinatensystems unter Umständen in einem leichten Winkel zur x-y-Ebene des Maschinen-Koordinatensystems liegen kann.
Vorzugsweise kann die Korrelation zwischen Fokusabstand und Signalstärke des Laserlichtsensors für den jeweiligen Sensor auch vor dem Einbau des Sensors in die Maschine in einer separaten Testvorrichtung ermittelt werden, statt oder zusätzlich zur anschließenden erneuten Überprüfung im eingebauten Zustand in der Maschine.
Ein weiterer Grund, warum nicht die richtige Laserleistung bei der Laserbearbeitung auf der Werkstückoberfläche abgegeben wird, kann an der Laserlichtquelle oder am Strahlengang des Lasers liegen, beispielsweise weil jede Laserlichtquelle produktionsbedingt eine andere Leitung liefert oder indem die Leistung der Laserlichtquelle abnimmt – z. B. alterungsbedingt – oder indem einer oder mehrere der Umlenkspiegel im Strahlengang verschmutzt sind und das Laserlicht nicht vollständig in die gewünschte Richtung reflektieren, sondern teilweise absorbieren, teilweise in unerwünschte andere Richtungen streuen.
Zu diesem Zweck wird eine Leistungskalibrierungskurve für jeden der Laserlichtsensoren in einer Testvorrichtung erstellt, bevor dieser in die Bearbeitungsmaschine eingebaut wird. Dabei wird der Laserlichtsensor von einer baugleichen oder im Idealfall der identischen späteren Laserlichtquelle aus der späteren Bearbeitungsmaschine direkt und ohne Umlenkspiegel treffgenau und mit exakter Fokussierung beaufschlagt und dabei die Laserleistung schrittweise variiert, vorzugsweise von 0–100% der Laserleistung, und die zugehörigen Signalstärken, beispielsweise Diodenspannungen, des Laserlichtsensors aufgezeichnet.
Damit kann bei dem anschließenden Anfahren der Laserlichtsensoren im eingebauten Zustand in der Maschine – wenn die x-y-Positionierung und die richtige Fokussierung erfolgt ist – aus den dann gemessenen Signalstärken rückgeschlossen werden, welche Leistung auf dem Werkstück auftrifft und ob dies der gewünschten Soll-Leistung entspricht.
Bei Abweichung der Ist-Leistung von der Soll-Leistung im Auftreffpunkt, also auf dem Laserlichtsensor, kann die Steuerung zum Ausgleich die aufgenommene Leistung der Laserlichtquelle entsprechend nachregeln oder – bei zu starker Abweichung – wird eine Fehlermeldung abgegeben, um die Ursache für diese starke Abweichung zu beheben, beispielsweise einen verschmutzten oder beschädigten Ablenkspiegel oder eine ganz oder teilweise defekte Laserlichtquelle.
Für die vorstehend beschriebene Vorgehensweise wird – neben einer entsprechenden Steuerung – vor allem ein geeigneter Laserlicht-Sensor benötigt.
c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1: das Werkstück, den Werkstückhalter sowie die relevanten Koordinatensysteme,
2: die Verzerrung des Laserkoordinatensystems sowie die Positionsbestimmung der Laserlichtsensoren in der Maschine,
3: das Festlegen der Fokuseinstellung der einzelnen Laserlichtsensoren,
4: die Leistungskalibrierungskurve eines Laserlichtsensors,
5a: die Laserbearbeitungsmaschine nach dem Einachssystem in Prinzipdarstellung, an der eine Kalibrierung vorgenommen werden soll,
5b: nur eine Strahlablenkung nach dem Zwei-Achs-System in Prinzipdarstellung.
Gemäß 5a ist innerhalb der – hier in der Aufsicht dargestellten – Laserbearbeitungsmaschine 22 der Werkstückhalter 3 zwischen einer gestrichelt dargestellten Beladeposition und einer durchgezogen dargestellten Bearbeitungsposition verfahrbar, wobei sich in dem Werkstückhalter 3 ein eingelegtes Werkstück 4, in der Regel eine Kunststoffkarte, befindet.
Zusätzlich ist in der Bearbeitungsposition der Werkstückhalter 3 in Y-Richtung gesteuert verfahrbar, während nur die X-Bewegung durch entsprechende Auslenkung des Laserstrahls 2 erfolgt. Es handelt sich somit um ein Ein-Achs-System der Laser-Auslenkung.
Der mögliche Bearbeitungsbereich 7 entspricht dabei mindestens den Außenabmessungen des Werkstückhalters 3.
Der Laserstrahl 2 wird von einer Laserlichtquelle 1 in einer Richtung in der X-Y-Ebene neben dem Bereich des Werkstückhalters 3 abgegeben.
Es ist oberhalb des Werkstückhalters 3 ein fünfeckiger Rahmen zu erkennen, in dessen Hauptschenkeln Ablenkspiegel 20a, b, c montiert sind, die z. B. schwenkbar, gesteuert von der Steuerung 10 der Maschine 1, sind.
Ein analog gleicher Rahmen mit ebenfalls drei Ablenkspiegeln ist in Blickrichtung der 5 fluchtend unter dem Werkstückhalter 3 positioniert.
Der Laserstrahl 2 trifft im Bereich seitlich neben dem Werkstückhalter 3 in der Höhe zwischen diesen beiden fest im Gestell der Maschine 1 montierten Rahmen auf einen schwenkbaren Auswahlspiegel 2, 4 der den Laserstrahl beispielsweise – wie in 5 dargestellt – nach oben zum oberen fünfeckigen Rahmen und auf den dortigen Ablenkspiegel 20a leitet, von dort auf den zweiten Ablenkspiegel 20b und den dritten Ablenkspiegel 20c und von dort in die Zeichenebene hinein auf die Oberseite der im rahmenförmigen Werkstückhalter 3 liegenden Werkstückes 4.
In gleicher Art und Weise kann durch den schwenkbaren Auswahlspiegel 24 der Laserstrahl 2 auch zum unteren fünfeckigen Rahmen und den dortigen Ablenkspiegeln umgelenkt werden, was eine Beschriftung des Werkstückes 4 von der Unterseite her bewirkt.
Unabhängig davon, ob Oberseite oder Unterseite des Werkstückes 4 beschriftet werden sollen, wird mit einem X-Ablenkspiegel, der der jeweils letzte Ablenkspiegel 20c des Laserstrahls 2 oder ein weiter vorne im Strahlengang, z. B. zwischen Laserlichtquelle und Auswahlspiegel 24 angeordneter X-Ablenkspiegel sein kann, in X-Richtung gesteuert ausgelenkt, während die Y-Positionierung des Auftreffpunktes für den Laserstrahl durch entsprechende Verfahrung des Werkstückhalters 3 erfolgt, die vorzugsweise immer nur dann geändert wird, wenn eine in X-Richtung verlaufende Zeile der Beschriftung vom Laserstrahl 2 beendet wurde.
5b zeigt demgegenüber in Prinzipdarstellung eine Anordnung, bei der der Laserstrahl nacheinander durch zwei schwenkbare Spiegel, deren Schwenkachsen nicht identisch sind, sondern vorzugsweise senkrecht aufeinander stehen, in zwei Raumrichtungen (x und y) ausgelenkt werden kann, also ein sogenanntes Zweiachssystem.
Der Rest der Laserbearbeitungsmaschine ist dabei nicht dargestellt.
Dabei ist ersichtlich, dass im Strahlengang des Lasers nacheinander ein X-Ablenkspiegel und ein Y-Ablenkspiegel, die jeweils mittels eines Galvomotors angesteuert von der Steuerung der Laserbearbeitungsmaschine, um ihre Schwenkachse gesteuert schräg gestellt werden, angeordnet sind.
Zwischen dem letzten Ablenkspiegel und dem Werkstück 4, welches sich im Werkstückhalter 3 befindet, ist eine so genannte Planfeldlinse angeordnet, welche die tonnenförmige Verzerrung des Koordinatensystems auf der Werkstückoberfläche, wie sie durch den kegelförmig ausgelenkten Laserstrahl 2 möglichst gut ausgleichen soll, was jedoch nur begrenzt möglich ist.
Aus dieser Grundsituation wird klar, dass das Laserkoordinatensystem x, y, in welchem die Auslenkung des Laserstrahls und damit die notwendigen Bewegungen der Ablenkspiegel 20a, b, c festgelegt werden, nicht immer mit z. B. dem in der Maschine ortsfesten Maschinenkoordinatensystem X', Y' übereinstimmt aufgrund von Temperaturdrift der Spiegelaufhängungen, Dehnungen und Schrumpfungen des Grundgestells der Laserbearbeitungsmaschine 22 aufgrund von Luftfeuchtigkeitsänderungen, Temperaturänderungen oder Verformungen aufgrund Erschütterungen oder ähnlichen Gründen.
Erst recht stimmt das Laserkoordinatensystem x, y nicht mit dem Halter-Koordinatensystem X, Y überein, welches ortsfest bezüglich des Werkstückhalters 3 festgelegt ist, welcher in Y-Richtung beweglich ist und in X-Richtung in seinen Führungen spielbehaftet ist, was trotz Kenntnis seiner Soll-Positionen vor allem in X-Richtung weitere Übereinstimmungsfehler bereits gegenüber dem Maschinenkoordinatensystem X', Y' darstellt, und erst recht gegenüber dem Laserkoordinatensystem x, y.
Um die Übereinstimmungsfehler zwischen dem Laserkoordinatensystem x, y, in dem die Auslenkungen des Laserstrahls festgelegt werden, und vor allem dem Halter-Koordinatensystem X, Y zu beseitigen und damit die Laserbearbeitung an der richtigen Sollposition bezogen auf das Werkstück 4 anzubringen – wobei das Maschinenkoordinatensystem X' Y' als Zwischenschritt benutzt werden kann –, werden zwischen den einzelnen Koordinatensystemen Korrekturwerte, vor allem zwischen den L ...–K ... x, y und den H ...–K ... X, Y, ermittelt, was wie folgt abläuft:
Die für das Verhältnis zwischen Laserkoordinatensystem x, y und Maschinenkoordinatensystem X', Y' ermittelten Korrekturwerte gelten für das (ortsfeste) Maschinenkoordinatensystem X', Y' generell, während bei der Ermittlung von Korrekturwerten zwischen dem Laserkoordinatensystem x, y und dem Halterkoordinatensystem X, Y diese nur für eine bestimmte Positionierung des Werkstückhalters 3 in der Laserbearbeitungsmaschine 22 gelten, so dass diese Korrekturwerte unter Umständen für mehrere Positionierungen des Werkstückhalters 3, zumindest der Anfangs- und Endposition des Werkstückhalters 3 im Bearbeitungsbereich der Laserbearbeitungsmaschine 22 separat festgelegt werden und daraus möglicherweise auch ein Verlauf dieser Korrekturwerte je nach z. B. Y-Positionierung des Werkstückhalters 3 ermittelt werden muss.
Der vom Laserstrahl 2 erreichbare Bearbeitungsbereich 7 ist dabei bezogen auf die Laserbearbeitungsmaschine 22 nur eine in X-Richtung verlaufende Linie unter dem Ablenkspiegel 20c, aufgrund der Y-Beweglichkeit des Werkstückhalters 3 jedoch bezogen auf den Werkstückhalter 3 dessen Gesamtfläche einschließlich der z. B. mittigen großen Ausnehmung, in der das Werkstück 4 nur auf einem schmalen seitlichen Rand aufliegt.
In 1a sind in einer vergrößerten Darstellung nur des Werkstückhalters 3 mit eingelegtem Werkstück 4 gegenüber 5 das Laserkoordinatensystem x, y und das Halterkoordinatensystem X, Y eingezeichnet, die sich nicht decken.
Wird der Laserstrahl 2 in dem ihn bestimmenden Laserkoordinatensystem x, y ausgelenkt, so gibt das Laserkoordinatensystem x, y den Ist-Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Karte wieder, der in aller Regel nicht mit der Sollposition auf dem Werkstück 4 übereinstimmt, wie sie sich aus der Vorgabe nach dem Halterkoordinatensystem X, Y ergibt, welches ortsfest bezüglich des Werkstückhalters 3 definiert ist.
Gemäß 1a wird an einem definierten Punkt des Halterkoordinatensystems X, Y, beispielsweise dessen Nullpunkt, jedenfalls vorzugsweise am Werkstückhalter 3 außerhalb des Bereichs des Werkstückes 4, ein Laserlichtsensor 5.1 montiert, der mit der Steuerung 10 gekoppelt ist, und beim Auftreffen von Laserlicht 2 ein insbesondere quantitatives Signal abgibt.
Da die ungefähre Position dieses Laserlichtsensors 5.1 auch nach dem Laserkoordinatensystem x, y bekannt ist, kann durch mehrfaches Überfahren des ungefähren Positionsbereiches in x- und y-Richtung die genaue Position dieses Sensors im Laserkoordinatensystem x, y bestimmt werden.
2b zeigt, wie die vermutete Position des Laserlichtsensors 5.1 in einer Abtastrichtung, x oder y, überfahren wird und dabei in regelmäßigen zeitlichen Abständen Laserlicht-Pulse abgesandt werden, und die entsprechenden vom Laserlichtsensor 5.1 dadurch abgegebenen Sensorsignale SS aufgezeichnet werden. Die Spitzen dieser Sensorsignale SS ergeben eine Glockenkurve 19, die von der Steuerung 10 automatisch ermittelt wird, und die für jede Abtastrichtung und erst recht für unterschiedliche Sensoren eine unterschiedliche Amplitude und auch eine unterschiedliche Mittenlage aufweisen kann.
Die Steuerung 10 ist ebenfalls automatisch in der Lage, mittels bekannter Algorithmen den höchsten Punkt dieser Glockenkurve 19 zu bestimmen, was dann der exakte Wert in der Abtastrichtung, also x oder y, dieses Laserlichtsensors 5.1 im Laserkoordinatensystem x, y ist.
Wenn der Istwert im Laserkoordinatensystem x, y der Nullpunkt war, ist der so gemäß 2b ermittelte x- oder y-Wert der höchsten Stelle der Glockenkurve 19 die jeweilige Komponente PKX1 oder PKY1, die in Summe den Punktkorrekturwert PK1 ergeben, um den der in diesem Fall Nullpunkt des Halterkoordinatensystems X, Y sich von der Istposition, dem Nullpunkt des Laserkoordinatensystems x, y, unterscheidet. Dies gilt natürlich nicht nur für den Nullpunkt, sondern für jeden Punkt im Bearbeitungsbereich.
Um die Sollposition mit dem Auftreffpunkt des Laserstrahls 2 auf dem Werkstück 4 zu erreichen, muss also zu den hierfür bisher vorgesehenen Einstellungen der Auslenkspiegel im Laserkoordinatensystem x, y der Punktkorrekturwert PK1 oder ein individueller, für diesen Auftreffpunkt maßgeblicher Punktkorrekturwert im Laserkoordinatensystem x, y hinzuaddiert werden, was von der Steuerung automatisch erfolgt.
Ein solcher Punktkorrekturwert kann natürlich nicht nur für die Nullpunkte dieser beiden Koordinatensysteme festgelegt werden, sondern für jeden beliebigen Punkt im Bearbeitungsbereich 7, also im Bereich des Werkstückhalters 3. Dementsprechend sind gemäß 1b nicht nur der Laserlichtsensor 5.1 in der rechten unteren Ecke des rahmenförmigen Werkstückhalters 3 vorhanden, sondern auch Laserlichtsensoren 5.2–5.4 in den übrigen Ecken.
Für jeden dieser Laserlichtsensoren 5.1–5.4 werden entsprechende Punktkorrekturwerte PK1–PK4 ermittelt, jeweils getrennt nach ihren Komponenten in x- und y-Richtung, z. B. PK2x, PK2y.
Die beiden Koordinatensysteme x, y und X, Y sind häufig nicht nur relativ zueinander verschoben, sondern besitzen auch eine nicht übereinstimmende Skalierung, so dass also eine Größeneinheit z. B. in y-Richtung des Laserkoordinatensystems x, y eine andere ist als eine Y-Einheit im Halterkoordinatensystem X, Y und ebenso in X-Richtung.
Um dies zu ermitteln, werden – wiederum getrennt für die beiden Richtungen x und y – zwei in dieser Richtung beabstandete Laserlichtsensoren, z. B. 5.1 und 5.2, verwendet und aus z. B. den y-Komponenten PK1y und PK2y aus deren Punktkorrekturwerten PK1 und PK2 ein Skalierungs-Korrekturwert für diese Y-Richtung ermittelt insbesondere nach der Formel
wobei der Nenner des Bruches der Abstand in Einheiten des Laserkoordinatensystems in Positionen der beiden benutzten Sensoren 5.1 und 5.2 ist.
Dieser Skalierungs-Korrekturwert SKX, SKY ist somit ein Korrekturwert, der abhängig von der Position des Laserstrahls im Koordinatensystem pro Längeneinheit zu dem Wert nach dem Laserkoordinatensystem x, y hinzugerechnet werden muss, was ebenfalls in der Steuerung 10 automatisch erfolgt. Wenn bereits die Ursprünge der Koordinatensysteme gemäß 1a zueinander versetzt waren, kommt dieser Punktkorrekturwert des Ursprungs des Laserkoordinatensystems x, y natürlich einmalig hinzu.
Ein weiteres Problem ist, dass aufgrund der Auslenkung des Laserstrahls 2 durch zwei, um eine Achse schwenkbare Ablenkungsspiegel die Auftreffpunkte der Laserstrahlen 2 in x- und y-Richtung nach dem Laserkoordinatensystem in x- oder in y-Richtung meist keine geraden Linien durchlaufen, sondern höchstens in der Mitte des Bearbeitungsbereiches, und somit das Laserkoordinatensystem x, y tonnenförmig verzerrt ist, was in 2a übertrieben dargestellt ist.
Meist sind zwei einander gegenüberliegende Kanten ballig konvex, die anderen beiden ballig konkav ausgebildet.
Um die Abweichung des Laserkoordinatensystems x, y vor allem hinsichtlich der äußersten x- und y-Linien des Bearbeitungsbereiches 7 an das karthesische, rechteckige Koordinatensystem X, Y bzw. X', Y' mittels Korrekturwerten anzugleichen, werden Tonnenkorrekturwerte TKX und TKY für die beiden Richtungen x und y ermittelt, was wie folgt geschieht:
Gemäß 2a werden zu diesem Zweck Sensoren in x- und y-Richtung beabstandet an den Rändern des Bearbeitungsbereiches 7 angeordnet, und zwar sowohl an den beiden Ecken des Bearbeitungsbereiches in dieser Richtung als auch in der Mitte dieses Randes, sodass die Abweichung vom karthesischen Koordinatensystem detektierbar ist.
Wenn also in Y-Richtung die Sensoren 5.1 und 5.4 die entlang des in Y-Richtung verlaufenden Randes am weitesten voneinander entfernten Positionen einnehmen, ist dazwischen in der Mitte dieses Randes ein weiterer Laserlichtsensor 5.2 angeordnet.
Sofern keine zusätzliche Verdrehung der Koordinatensysteme stattfindet, liegt eine Y-Linie des X, Y- oder X', Y'-Koordinatensystems so, dass sie durch die beiden entfernten Sensoren 5.1 und 5.4. verläuft.
Der mittlere Sensor 5.2. ist dagegen im Laserkoordinatensystem x, y um einen Tonnenkorrekturwert TKYmax von dieser Linie entfernt.
Daraus lässt sich – unter Berücksichtigung des Maßes der Annäherung einer konkreten Laserauftreffposition an den oberen oder unteren Rand des Bearbeitungsbereiches 7 in Y-Richtung – ein für diesen Punkt jeweils zu ermittelnder Tonnenkorrekturwert TKY ermitteln, und ebenso in der x-Richtung ein Tonnenkorrekturwert TKX, berechnet basierend auf den beim in X-Richtung mittleren Sensor 5.3 ermittelten maximalen Tonnenkorrekturwert TKXmax.
Weiterhin sind Korrekturwerte für die Einstellung der Fokusposition in Z-Richtung notwendig, wie in den 3 dargestellt.
Bisher wurde von den Abweichungen der zweidimensionalen Koordinatensysteme gesprochen, die in der Zeichenebene der 5 und 1 liegen.
Senkrecht hierzu, in der Z-Richtung, ist für die vorliegende Anmeldung lediglich die Brennpunkte des Laserstrahls 2 von Bedeutung, die gezielt auf der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstückes 4 oder auch um eine vorgegebene Differenz in dessen Tiefe oder oberhalb dessen Oberfläche liegen soll.
Da es jedoch beabsichtigt ist, eine optimale Schwärzung auf dem Werkstück 4 durchführen zu können, soll in aller Regel der Fokus genau auf der Oberfläche des Werkstückes 4 eingestellt werden, und dies wird als Nullpunkt der Z-Achse gewählt.
Um zu ermitteln, ob dies auch zutrifft, wird – für jeden der in der Maschine verwendeten Laserlichtsensoren 5.1 bis 5.4 und gegebenenfalls getrennt für Oberseite – der Laserstrahl 2 in X-Y-Richtung exakt auf den jeweiligen Sensor z. B. 5.1 ausgerichtet und die Fokuseinstellung, also die Lage in Z-Richtung des Brennpunktes bezüglich des Laserkoordinatensystems auch mehrfach unterschiedlich, vorzugsweise beidseits von Z = 0, eingestellt und das sich jeweils ergebende Sensorsignal SS aufgezeichnet, woraus sich ein Zusammenhang gemäß 3a ergibt.
Findet sich nun das maximale Sensorsignal SS max. nicht bei Z = 0 sondern einem anderen Z-Wert, etwa Z = 1, so ist die Differenz der Fokuskorrekturwert ZK, um den die Einstellung der Höhe des Fokuspunktes in Z-Richtung verändert werden muss, um auf der Oberfläche des Werkstückes 4 eine optimale Schwärzung hervorzurufen.
Diese Fokuseinstellung ZK wird in der Regel an den einzelnen Sensoren durchgeführt, nachdem diese bereits in der Laserbearbeitungsmaschine fest positioniert, also eingebaut, sind.
Dann ist natürlich auch die Kenntnis der Höhenlage (Z-Richtung) dieser Sensoren gegenüber dem Null-Höhe (X-/Y-Ebene) notwendig, zu der der Fokuskorrekturwert gegebenenfalls hinzuaddiert werden muss.
In einigen Fällen kann aus konstruktiven Gründen diese Fokuseinstellung in der Maschine nicht durchgeführt werden.
In diesem Fall werden die Laserlichtsensoren vor dem Einbau in die Maschine 22 in eine spezielle Testvorrichtung eingebaut und dort diese Fokuseinstellung durchgeführt.
Ferner können für die in X- und Y-Richtung beabstandeten Laserlichtsensoren und den daran festgestellten Fokus-Korrekturwerten ZK1, ZK2, ZK3 aus den in einer Richtung, z. B. der Y-Richtung, beabstandeten Sensoren und Fokuskorrekturwerten ZK1 und ZK2 wiederum ein Fokus-Skalierungs-Korrekturwert ZSKY für die Y-Richtung und analog ZSKX für die X-Richtung ermittelt werden, falls bei den in dieser z. B. Y-Richtung beabstandeten Sensoren 5.1 und 5.2 die entsprechenden Z-Korrekturwerte ZK1 und ZK2 nicht gleich groß waren.
Denn dies bedeutet, dass die x-y-Ebene im Laserkoordinatensystem xy nicht parallel sondern unter einem Winkel zur x-y-Ebene im Halterkoordinatensystem X, Y oder Maschinenkoordinatensystem X', Y' liegt, was mit diesem Fokus-Skalierungs-Korrekturwert ZSKX, ZSKY ausgeglichen werden kann.
Dagegen wird immer außerhalb der Maschine – in 4 dargestellt – der Zusammenhang zwischen der am Laser 1 eingestellten Leistung und der sich daraus ergebenden Signalhöhe des Sensorsignals SS als Leistungs-Kalibrierungskurve 8 aufgezeichnet.
Dies ist notwendig, um später andersherum aus der Signalhöhe des Sensorsignals SS einen Rückschluss auf die auf dem Werkstück ankommende Leistung durchführen zu können, die trotz unveränderter Leistungseinstellung – die Laserkalibrierkurve 8 wird mit der neuen Laserlichtquelle durchgeführt – nicht gleich bleibt, sondern einen Abfall als Alterserscheinung oder aufgrund einer Spiegelverschmutzung aufweist.
Diese Alterungserscheinung kann mittels Steuerung ausgeglichen werden, so dass an einer gewünschten Bearbeitungsstelle immer der gleiche Wert des Sensorsignals SS und damit der dort auftreffenden Leitung vorliegt.
BEZUGSZEICHENLISTE

x, y Laser-Koordinatensystem
X, Y Halter-Koordinatensystem
X', Y' Maschinen-Koordinatensystem
VK1 Vorbearbeitungs-Korrekturwert
TKX, TKY Tonnen-Korrekturwert
K1 Korrekturwert
PK1, PK2 Punkt-Korrekturwert, Abweichung
VK1 Vorbearbeitungs-Korrekturwert
SKX, SKY Skalierungs-Korrekturwert
ZK1 Fokus-Korrekturwert
ZSKX, ZSKY Fokus-Skalierungs-Korrekturwert
Z Fokuseinstellung
SS Sensorsignal
Werte im Koordinatensystem

Bezugszeichenliste

1: Laserlichtquelle
2: Laserlicht, Laserstrahl
3: Werkstückhalter
4: Werkstück
5.1, 5.1', 5.2, 5.3, 5.4: Laserlicht-Sensor
6: Vorbearbeitungsresultat
6': Sollposition
7: Bearbeitungsbereich
8: Leistungs-Kalibrierungs-Kurve
9: Fokus-Kalibrierungs-Kurve
10: Steuerung
11: Glasfaser
11a: freies Ende
12: Glasfaser-Abdeckung
13: Fotodiode
14: Blende
15: Streulichtscheibe
16: Verstärker-Schaltung
18: Laserlicht-Puls
19: Glockenkurve
20a, b, c: Ablenk-Spiegel
22: Laserbearbeitungsmaschine
23: elektrische Leitung
24: Auswahlspiegel

Claims

(x-y-Positionierung) Verfahren zum Kalibrieren einer Laserbearbeitungsmaschine (22), mit – einer Laserlichtquelle (1), – einem Laserstrahl (2), der in den beiden Auslenk-Richtungen (x und y) des Laser-Koordinatensystems (x, y) auslenkbar ist, – einem Werkstückhalter (3), in dem ein mittels Laserlicht (2) zu bearbeitendes Werkstück (4) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bearbeiten des Werkstückes (4) – wenigstens ein Laserlicht-Sensor (5) mit geringer räumlicher Ausdehnung mit der Maschine, insbesondere dem Werkstückhalter (3), fest verbunden wird und seine Position im Maschinen-Koordinatensystem (X', Y'), besser im Halter-Koordinatensystem (X, Y), ermittelt wird, – der wenigstens eine Laserlicht-Sensor (5) mit Laserlicht (2) abgetastet wird, – beim maximalen Sensor-Signal (SS) des Sensors (5) die Auftreffposition des Laserstrahls (2) als übereinstimmend mit der Position des Laserlicht-Sensors (5) unterstellt und im Laser-Koordinatensystem (x, y) bestimmt wird, insbesondere einschließlich der dafür notwendigen Auslenkung des Laserstrahls (2), – aus der Differenz der Position des Sensors (5) im Maschinen-Koordinatensystem (X', Y'), besser im Halter-Koordinatensystem (X, Y), und der Auftreffposition des Laserstrahls (2) im Laser-Koordinatensystem (x, y) wenigstens ein Punkt-Korrekturwert (PK1) automatisch errechnet wird zur Anpassung des Laser-Koordinatensystems (x, y) an das Maschinen-Koordinatensystem (X', Y'), besser das Halter-Koordinatensystem (X, Y), und – bei der anschließenden Bearbeitung des Werkstückes (4) der Laserstrahl (2) nach dem Laser-Koordinatensystem (x, y) unter Berücksichtigung des wenigstens einen Korrekturwertes (PK1) ausgelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abtasten der Laserlicht-Sensor (5) mit dem Laserstrahl (2) in derjenigen Richtung (x oder y) überlaufen wird, in der die Abweichung (PK1X, PK1Y) oder zwischen Sensor-Position und Auftreff-Position bestimmt werden soll.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Richtung (x oder y), in der die Abweichung (PK1X, PK1Y) oder zwischen Sensor-Position und Auftreff-Position bestimmt werden soll, beabstandet zwei Laserlicht-Sensoren (5.1 und 5.2 oder 5.1 und 5.3) angebracht werden und jeweils ein Punkt-Korrekturwert (PK1 und PK2 oder PK1 und PK3) ermittelt wird, und aus den beiden Punkt-Korrekturwerten (PK1, PK2) einer Richtung ein Skalierungs-Korrekturwert (SKX, SKY) für diese Richtung automatisch ermittelt wird, aus dem automatisch weitere Punkt-Korrekturwerte für jeden beliebigen Punkt in dieser Richtung ermittelt werden können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Auslenk-Richtung (X, Y) des Laser-Strahls (2) zwei beabstandete Laserlicht-Sensoren ((5.1 und 5.2, 5.1 und 5.3)) verwendet werden, von denen mindestens ein Laserlicht-Sensor (5.1) für beide Richtungen benutzt wird. (Laser-Fokussierung)
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bearbeiten des Werkstückes (4) bei mindestens einem der in der Maschine eingebauten Sensoren (5.1), insbesondere bei allen Sensoren (5.1–5.4), der Laserstrahl (2) mit der Fokuseinstellung Z = 0 im Laser-Koordinatensystem (x, y) auf die x-y-Position des maximalen Sensorsignals (SS) des Sensors (5.1) eingestellt wird und in dieser Position die Fokuseinstellung (Z) des Laserstrahls (2) variiert wird sowie die sich dabei ergebenden Werte des Sensorsignals (SS) aufgezeichnet und in der Steuerung (10) abgespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Fokuseinstellung (Zmax), bei der sich ein maximales Sensorsignal (SSmax) des Sensors (5.1) ergibt, im Vergleich zur Fokuseinstellung Z = 0 ein Fokus-Korrekturwert (ZK1) für diesen Sensor (5.1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Fokus-Korrekturwerten (ZK1, ZK2, ...) aller Sensoren (5.1–5.4) Fokus-Skalierungs-Korrekturwerte (ZSKX, ZSKY) für die X- und Y-Richtung automatisch bestimmt werden, die die Abweichung von der Parallelität zwischen Maschinen-Koordinatensystem (X', Y') und Laser-Koordinatensystem (x, y) wiedergeben und aus denen automatisch für jeden Punkt des Bearbeitungsbereiches ein Fokus-Korrekturwert automatisch berechnet und bei der Bearbeitung mittels Laserstrahl (2) berücksichtigt wird. (Vorbedruckung)
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – vor dem Bearbeiten die Position der Vorbearbeitungsresultate (6), insbesondere Vorbedruckung oder Vorprägung, des Werkstückes (4) im Maschinen-Koordinatensystem (X', Y'), insbesondere im Halter-Koordinatensystem (X, Y) als auch im Laserkoordinatensystem (x, y) bestimmt wird und daraus ein Vorbearbeitungs-Korrekturwert (VK1) bestimmt wird und – bei der anschließenden Bearbeitung des Werkstückes (3) die Laserbearbeitung in gewünschter örtlicher Relation zu dem Vorbearbeitungsresultat (6) aufgebracht wird, indem die Position der Vorbearbeitungsresultate (6) im Maschinen-Koordinatensystem (X', Y') als auch ein Vorbearbeitungs-Korrekturwert (VK1) für diese Position zwischen Laser-Koordinatensystem (x, y) und Maschinen-Koordinatensystem (X', Y') berücksichtigt wird. (Tonnen-Korrektur)
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Anordnung der zwei in einer Richtung (x oder y) beabstandeten Laserlicht-sensoren (5.1 und 5.2, 5.1 und 5.3) am Rand des Bearbeitungsbereiches, einerseits in der Mitte des Randes (5.2) und andererseits am einen Ende des Randes (5.1), aus den beiden Punkt-Korrekturwerten (z. B. PK1, PK2) zusätzlich ein Tonnen-Korrekturwert (TKX, TKY) für jede Richtung automatisch errechnet wird für die Formabweichung des tonnenförmig verzerrten Laser-Koordinatensystems (x, y) in dieser Richtung im Vergleich zum kartesischen Maschinen-Koordinatensystem (X', Y'), insbesondere Halter-Koordinatensystem (X, Y). (Leistungs-Bestimmung)
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je der Laserlicht-Sensor (z. B. 5.1) vor dem Einbau in die Maschine mit dem Licht einer Laserlichtquelle (1) gleicher Bauart, insbesondere der identischen Laserlichtquelle (1), treffgenau zentral und mit Fokuseinstellung (Z = 0) beaufschlagt wird und durch Variation der Leistung der Laserlichtquelle (1) sowie der zugehörigen Stärken des Sensorsignals (SS) des Laserlicht-Sensors (1) eine Leistungskalibrierungskurve (8) automatisch erstellt und insbesondere in der Steuerung (10) der Maschine hinterlegt wird. (Fokus-Abweichung)
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserlicht-Sensor (5) vor dem Einbau in die Maschine mit dem Licht einer Laserlichtquelle (1) gleicher Bauart, insbesondere der identischen Laserlichtquelle (1), treffgenau zentral beaufschlagt wird und durch Variation der Fokuseinstellung (Z) des Fokuspunktes des Laserstrahls (2) vom Laserlicht-Sensor (5) sowie des zugehörigen Sensorsignal (SS) des Laserlicht-Sensors (5) eine Focus-Kalibrierungskurve (9) automatisch erstellt und insbesondere in der Steuerung (10) der Maschine hinterlegt wird.
Vorrichtung zum Kalibrieren einer Laserbearbeitungsmaschine (22) mit einem Maschinen-Koordinatensystem (X', Y') die umfasst – eine Laserlichtquelle (1), die – einen Laserlichtstrahl (2) abgibt, der über bewegliche Ablenk-Spiegel (20) in den beiden Auslenkrichtungen (X und Y) des Laser-Koordinatensystems (x, y) auslenkbar ist, – einen Werkstückhalter (3), in dem ein mittels Laserlicht (2) zu bearbeitendes Werkstück (4) aufgenommen ist, und das in den Bearbeitungsbereich (7) des Laserstrahls (2) bringbar ist, – eine Steuerung (10), in der sowohl das Laser-Koordinatensystem (x, y) als auch das Maschinen-Koordinatensystem (X', Y'), insbesondere dessen Halter-Koordinatensystem (X, Y) hinterlegt ist und die eine Recheneinheit umfasst und die die Stellung der beweglichen Ablenk-Spiegel (20) steuert, gekennzeichnet durch wenigstens einem Laserlichtsensor (5.1), dessen Position im Maschinen-Koordinatensystem (X', Y'), insbesondere im Halter-Koordinatensystem (X, Y) bekannt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Blende (14) und der Fotodiode (13) eine Streulichtscheibe (15) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, gekennzeichnet durch einen optischen Sensor, insbesondere einen CCD-Sensor, zum Bestimmen des wenigstens einen Vorbearbeitungsresultates (6) auf dem in dem Bearbeitungsbereich (7) befindlichen Werkstück (4) im Maschinen-Koordinatensystem (X', Y'), insbesondere im Halter-Koordinatensystem (X, Y), wobei der optische Sensor signaltechnisch mit der Steuerung (10) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Prüfstand außerhalb der Laserbearbeitungsmaschine (22) für Laserlichtsensoren (5.1 ff.) umfasst, der eine Laserlichtquelle (1), insbesondere die gleiche Laserlichtquelle (1) wie die Laserbearbeitungsmaschine (22), umfasst und in der der Laserstrahl (2) der Laserlichtquelle (1) exakt auf das vorstehende freie Ende der Glasfaser (11) oder die Blende (14) des Laserlichtsensors (5.1) ausgerichtet werden kann und die Leistung der Laserlichtquelle (1) und/oder die Fokuseinstellung (Z) des Laserstrahls (2) variiert werden kann und die Signalstärken (SS) des Laserlichtsensors (5) einer Steuerung, die auch eine Recheneinheit umfasst, insbesondere der Steuerung (10), zugehen.