DE102011005775A1

DE102011005775A1 - Laser beam orientation detector for, e.g. laser cutting machine, has detector element with recess which comprises circular opening in direction of preset axis, for passage of laser beam, where outer side of opening is made impenetrable

Info

Publication number: DE102011005775A1
Application number: DE102011005775A
Authority: DE
Inventors: Georg Meincke
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-03-19
Also published as: DE102011005775B4

Abstract

The laser beam orientation detector has several plate-shaped detector elements which are arranged around a predetermined axis, for absorbing incident laser energy and for converting a portion of the absorbed laser energy to heat. The detector elements are thermally insulated from each other and are provided with recesses. Each recess is provided with circular opening having a closed circumference in the direction of predetermined axis, for the passage of laser beam (5). The outer side of the circular opening for laser beam is made impenetrable. Independent claims are included for the following: (1) laser processing machine; and (2) method for forming laser beam and detecting orientation of laser beam.

Description

Die Erfindung betrifft einen Detektor und ein Verfahren zum Erfassen einer Ausrichtung eines Laserstrahls in einer Laserbearbeitungsmaschine und insbesondere einen Detektor zum Erfassen einer Ausrichtung des Laserstrahls, der den Laserstrahl formt, und ein Verfahren zum Erfassen der Ausrichtung des Laserstrahls, wobei der Laserstrahl geformt wird.The invention relates to a detector and a method for detecting an alignment of a laser beam in a laser processing machine, and more particularly to a detector for detecting an orientation of the laser beam forming the laser beam and a method for detecting the alignment of the laser beam, wherein the laser beam is formed.

Um einen Bearbeitungsprozess in einer Laserbearbeitungsmaschine optimal auszuführen, muss der Laserstrahl bezüglich einer Fokussieroptik auf einem vorbestimmten Strahlweg abgestrahlt werden.In order to perform a machining process in a laser processing machine optimally, the laser beam must be emitted with respect to a focusing optics on a predetermined beam path.

Es ist bekannt, die Ausrichtung eines Laserstrahls in einer 2D-Laserschneidmaschine so zu ermitteln, dass sogenannte „Tapeshots” durchgeführt werden, in denen der Bediener den Laserstrahl kurz zündet, wobei auf einem Teststreifen, der nach der Fokussieroptik angeordnet ist, ein Einbrand erzeugt wird. Anhand der Lage des Einbrands wird dann auf die Ausrichtung des Laserstrahls geschlossen. Die Ausrichtung wird dann manuell korrigiert, und zwar entweder innerhalb der Strahlführung durch Verkippen von Umlenkspiegeln oder extern durch Verstellen der Düsenposition. Dieses Verfahren ist sehr aufwändig und während eines Bearbeitungsvorgangs der Laserbearbeitungsmaschine nicht möglich.It is known to determine the alignment of a laser beam in a 2D laser cutting machine so that so-called "tape shots" are performed, in which the operator ignites the laser beam briefly, wherein on a test strip, which is arranged after the focusing optics, a burn-in is generated , On the basis of the position of the Einbrands is then closed to the orientation of the laser beam. The alignment is then corrected manually, either within the beam guide by tilting deflecting mirrors or externally by adjusting the nozzle position. This method is very complex and not possible during a machining operation of the laser processing machine.

Aus der DE 3840278 C2 ist eine Einrichtung zum Bestimmen der Strahllage in einer Laserbearbeitungsmaschine bekannt, in der ringförmig mehrere Thermoelemente konzentrisch zu einer Sollstrahllage des Laserstrahls angeordnet sind. Aus unterschiedlichen Erwärmungen der Thermoelemente wird die Abweichung des Laserstrahls von der Sollstrahllage bestimmt.From the DE 3840278 C2 a device for determining the beam position in a laser processing machine is known, in which a plurality of annular thermoelements are arranged concentrically to a desired beam position of the laser beam. From different heating of the thermocouples, the deviation of the laser beam from the desired beam position is determined.

In der JP 62218912 A wird eine Platte mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit eingesetzt, die ein Loch aufweist. Ein Laserstrahl in der Sollstrahllage passiert das Loch ohne die Platte aufzuwärmen. Ein von der Sollstrahllage abweichender Laserstrahl erwärmt die Platte, wobei sich die Form eines Elements aus einer Formgedächtnislegierung verändert und die Veränderung durch einen berührungslosen Schalter oder Transformator erfasst wird.In the JP 62218912 A a plate with a high thermal conductivity is used which has a hole. A laser beam in the nominal beam position passes through the hole without heating the plate. A laser beam deviating from the target beam position heats the disk, changing the shape of a shape memory alloy element and detecting the change by a non-contact switch or transformer.

In der EP 0 304 664 B1 ist offenbart, zur Bestimmung der Strahllage eines Hochleistungs-CO₂-Lasers ringförmige Sektoren als einen Detektor einzusetzen. Die ringförmigen Sektoren bilden eine Öffnung, durch die ein Laserstrahl durchtreten kann, wenn er sich in seiner Solllage befindet. Bei einer Abweichung des Laserstrahls von der Solllage trifft der Laserstrahl auf einen oder mehrere der Sektoren, und auf Basis der unterschiedlichen Erwärmung der Sektoren wird eine zum Detektor relative Fehlausrichtung des Laserstrahls angezeigt.In the EP 0 304 664 B1 It is disclosed to use annular sectors as a detector to determine the beam position of a high power CO ₂ laser. The annular sectors form an opening through which a laser beam can pass when in its desired position. In a deviation of the laser beam from the target position of the laser beam strikes one or more of the sectors, and based on the different heating of the sectors, a relative to the detector relative misalignment of the laser beam is displayed.

Diese Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, dass zwar eine Abweichung erfasst wird, jedoch die Bearbeitung durch den Laserstrahl nicht optimal erfolgt, solange die Abweichung besteht.These devices have the disadvantage that, although a deviation is detected, but the processing by the laser beam is not optimal, as long as the deviation exists.

Daraus ergibt sich die Aufgabe, eine permanente Überwachung der Ausrichtung des Laserstrahls durchzuführen, ohne dass sich die Bearbeitungsbedingungen bei einer Abweichung des Laserstrahls von dem Sollweg verschlechtern.This results in the task of performing a permanent monitoring of the alignment of the laser beam, without the processing conditions deteriorate in a deviation of the laser beam from the desired path.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Anspruch 9 beansprucht.The object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 13. A laser processing machine with a device according to the invention is claimed in claim 9.

Der erfindungsgemäße Detektor ergibt neben einer Erfassung einer Ausrichtung eines Laserstrahls den vorteilhaften Effekt, dass ein Laserstrahl, der nicht optimal ausgerichtet ist, durch die strahlformende Eigenschaft des Detektors so beschnitten wird, dass er optimal auf eine Fokussieroptik auftreffen kann. Weiterhin ist es nicht erforderlich, zusätzlich Bauteile als Blende vorzusehen, da die Detektorelemente als Blende wirken.The detector according to the invention, in addition to detecting an alignment of a laser beam, has the advantageous effect that a laser beam which is not optimally aligned is trimmed by the beam-forming property of the detector in such a way that it can optimally impinge on a focusing optics. Furthermore, it is not necessary to additionally provide components as a diaphragm, since the detector elements act as a diaphragm.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.The invention will be described by means of embodiments with reference to the accompanying figures.

Insbesondere zeigt:In particular:

1 eine Laserschneidmaschine als ein Beispiel einer Laserbearbeitungsmaschine, 1 a laser cutting machine as an example of a laser processing machine,

2 eine Ansicht einer Ausführungsform eines Detektor in einer Strahlrichtung eines Laserstrahls, 2 a view of an embodiment of a detector in a beam direction of a laser beam,

3 eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform des Detektors in der Strahlrichtung des Laserstrahls, 3 a view of a second embodiment of the detector in the beam direction of the laser beam,

4 eine Schnittansicht des Detektors aus 2 bzw. 3 entlang der Schnittlinie X-X bzw. Y-Y, 4 a sectional view of the detector 2 respectively. 3 along the section line XX or YY,

5 eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform des Detektors mit Befestigungs- und Anschlusselementen. 5 an isometric view of an embodiment of the detector with fastening and connection elements.

1 zeigt den Aufbau einer Laserschneidmaschine als Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsmaschine 1. Weitere Ausführungsbeispiele sind z. B. eine Laserschweißmaschine oder eine kombinierte Stanz-/Laserschneidmaschine. Die Laserbearbeitungsmaschine 1 weist einen CO₂-Laser als Laserstrahlerzeuger 2, einen Laserbearbeitungskopf 3 und eine Werkstückauflage 4 auf. Auf der Werkstückauflage 4 ist ein Werkstück 6 angeordnet. Durch den CO₂-Laser 2 wird ein Laserstrahl 5 erzeugt. Der Laserstrahl 5 wird mit Hilfe von nicht gezeigten Umlenkspiegeln von dem CO₂-Laser in einem Strahlführungssystem zu dem Laserbearbeitungskopf 3 geführt und auf das Werkstück 6 gerichtet. Die Umlenkspiegel können optional mit ebenfalls nicht gezeigten ansteuerbaren Stellelementen versehen sein, die eine Korrektur einer Ausrichtung des Laserstrahls 5 sowohl vor als auch nach, oder auch während eines Bearbeitungsprozesses ermöglichen. Die Laserbearbeitungsmaschine 1 wird darüber hinaus mit Schneidgasen 7, hier Sauerstoff und Stickstoff, versorgt. Es können alternativ oder zusätzlich auch Druckluft oder anwendungsspezifische Gase vorgesehen sein. Die Verwendung der einzelnen Gase ist von einem Material des zu bearbeitenden Werkstücks 6 und von Qualitätsanforderungen an Schnittkanten abhängig. Weiterhin ist eine Absaugeinrichtung 8 vorhanden, die mit einer Absaugkammer 9, die sich unter der Werkstückauflage 4 befindet, verbunden ist. 1 shows the structure of a laser cutting machine as an embodiment of a laser processing machine 1 , Other embodiments are z. As a laser welding machine or a combined punching / laser cutting machine. The Laser processing machine 1 has a CO ₂ laser as a laser beam generator 2 , a laser processing head 3 and a workpiece support 4 on. On the workpiece support 4 is a workpiece 6 arranged. Through the CO ₂ laser 2 becomes a laser beam 5 generated. The laser beam 5 is converted by means of deflecting mirrors, not shown, of the CO ₂ laser in a beam guiding system to the laser processing head 3 guided and on the workpiece 6 directed. The deflecting mirrors can optionally be provided with controllable adjusting elements, likewise not shown, which correct the alignment of the laser beam 5 both before and after, or even during a machining process allow. The laser processing machine 1 is also using cutting gases 7 , here oxygen and nitrogen, supplied. Alternatively or additionally, compressed air or application-specific gases may be provided. The use of the individual gases is of a material of the workpiece to be machined 6 and dependent on quality requirements for cut edges. Furthermore, a suction device 8th present, with a suction chamber 9 extending under the workpiece support 4 is connected.

Im Betrieb muss üblicherweise vor dem tatsächlichen Schneidvorgang des Werkstücks 6 der Laserstrahl 5 das Werkstück 6 durchdringen. Dazu wird der Laserstrahl 5 auf einen definierten Punkt auf dem Werkstück 6 gerichtet, während ein Schneidgas auf den Punkt geblasen wird. Dann wird die Leistung des Laserstrahls 5 allmählich entlang einer Rampe erhöht, reduziert und dann über einen bestimmten Zeitraum konstant gehalten bis ein Einstechloch erzeugt ist.In operation usually needs before the actual cutting process of the workpiece 6 the laser beam 5 the workpiece 6 penetrate. This is done by the laser beam 5 to a defined point on the workpiece 6 directed while blowing a cutting gas to the point. Then the power of the laser beam 5 gradually increased along a ramp, reduced and then held constant for a certain period of time until a piercing hole is generated.

Beim Schneiden des Werkstücks 6 wird in Abhängigkeit von dem verwendeten Schneidgas, z. B. bei der Verwendung von Sauerstoff, das Material geschmolzen und größtenteils oxidiert. Bei der Verwendung von Inertgasen, wie z. B. Stickstoff oder Argon, wird das Material lediglich geschmolzen. Die entstandenen Schmelzpartikel werden dann, ggf. mit den Eisenoxiden, ausgeblasen und zusammen mit dem Schneidgas über die Absaugkammer 9 durch die Absaugeinrichtung 8 abgesaugt.When cutting the workpiece 6 is in function of the cutting gas used, for. As with the use of oxygen, the material is melted and largely oxidized. When using inert gases, such as. As nitrogen or argon, the material is merely melted. The resulting melt particles are then, optionally with the iron oxides, blown out and together with the cutting gas on the suction 9 through the suction device 8th aspirated.

In dem Laserbearbeitungskopf 3 ist eine nicht gezeigte Linse als Fokussieroptik vorgesehen, die den Laserstrahl 5 auf einen Brennpunkt bündelt. Eine Fokuslage des Laserstrahls 5, also die Lage des Brennpunkts bezüglich der Oberfläche des Werkstücks, ist ein wichtiger Bearbeitungsparameter. Daher ist auch die Position, an der der Laserstrahl 5 auf die Linse trifft, ein wichtiger Faktor für ein effektives und qualitativ hochwertiges Schneidergebnis. Um diese Position optimal zu treffen, ist ein erfindungsgemäßer Detektor, der grundsätzlich im Strahlengang des Laserstrahls zwischen dem Laserstrahlerzeuger 2 und der Fokussieroptik vorgesehen ist, optional direkt vor der Fokussieroptik angeordnet.In the laser processing head 3 a lens, not shown, is provided as the focusing optics, the laser beam 5 focuses on a focal point. A focus position of the laser beam 5 , That is, the position of the focal point with respect to the surface of the workpiece, is an important processing parameter. Therefore, the position at which the laser beam is 5 on the lens, an important factor for an effective and high-quality cutting result. In order to optimally meet this position, a detector according to the invention is basically in the beam path of the laser beam between the laser beam generator 2 and the focusing optics is provided, optionally arranged directly in front of the focusing optics.

2 zeigt eine Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Detektors 10 in Strahlrichtung des hier nicht gezeigten Laserstrahls. Der Detektor weist eine Mehrzahl von voneinander thermisch isolierten Detektorelementen 11, 12, 13, 14 auf. Die Anzahl beträgt hier vier, es kann aber alternativ auch eine andere geeignete Anzahl vorgesehen sein. Die Detektorelemente 11 und 12 und die Detektorelemente 13 und 14 sind in dieser Ausführungsform jeweils bezüglich einer hier nicht gezeigten Achse des Laserstrahls diametral gegenüberliegend, können aber alternativ auch in einer anderen geeigneten Anordnung vorliegen. Die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 weisen jeweils eine Aussparung 15 auf, die gemeinsam eine Öffnung 16 in dem Detektor 10 bilden. Die Öffnung 16 weist eine Achse A auf, die auf der Achse des Laserstrahls liegt, wenn sich der Laserstrahl auf einem vorbestimmten Strahlweg befindet. Die Öffnung 16 weist weiterhin in einer Projektion in Richtung der Achse des Laserstrahls einen geschlossenen Umfang 17 auf. Die Aussparungen 15 sind in dieser Ausführungsform kreissektorförmig. Durch die Öffnung 16 kann der Laserstrahl durch den Detektor 10 durchtreten. Außerhalb der Öffnung ist der Detektor 10 für den Laserstrahl undurchdringlich. Die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 sind in dieser Ausführungsform so angeordnet, dass sie in der Projektion in Richtung der Achse A, wie in 2 gezeigt, aneinander angrenzen. 2 shows a view of an embodiment of a detector according to the invention 10 in the beam direction of the laser beam, not shown here. The detector has a plurality of thermally isolated detector elements 11 . 12 . 13 . 14 on. The number here is four, but it may alternatively be provided another suitable number. The detector elements 11 and 12 and the detector elements 13 and 14 In this embodiment, diametrically opposite each other with respect to an axis, not shown here, of the laser beam, but may alternatively be present in another suitable arrangement. The detector elements 11 . 12 . 13 . 14 each have a recess 15 on, sharing an opening 16 in the detector 10 form. The opening 16 has an axis A which lies on the axis of the laser beam when the laser beam is on a predetermined beam path. The opening 16 also has a closed perimeter in a projection in the direction of the axis of the laser beam 17 on. The recesses 15 are circular sector in this embodiment. Through the opening 16 the laser beam can pass through the detector 10 pass. Outside the opening is the detector 10 impenetrable to the laser beam. The detector elements 11 . 12 . 13 . 14 are arranged in this embodiment so that they are projected in the direction of the axis A, as in FIG 2 shown, adjoin one another.

Die Öffnung 16 ist gegenüber den Ausmaßen des Querschnitts des Laserstrahls so bemessen, dass die Öffnung 16 kleiner als der Querschnitt des Laserstrahls ist, so dass eine Randstrahlung des Laserstrahls permanent auf die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 trifft. Somit bilden die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 für den Laserstrahl eine Blende. Die Blende wirkt als ein strahlformendes Element im Strahlengang des Laserstrahls.The opening 16 is dimensioned to the dimensions of the cross section of the laser beam so that the opening 16 is smaller than the cross section of the laser beam, so that an edge radiation of the laser beam permanently on the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 meets. Thus, the detector elements form 11 . 12 . 13 . 14 an aperture for the laser beam. The diaphragm acts as a beam-shaping element in the beam path of the laser beam.

3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Detektors. Die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 sind in dieser Ausführungsform so angeordnet, dass sie in der Projektion in Richtung der Achse A nicht aneinander angrenzen, sondern sich die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 überlappen. Somit werden durch die Detektorelemente in der Projektion in Richtung der Achse A Überlappungen 26 gebildet. Dadurch wird sichergestellt, dass der Umfang 17 der Öffnung 16 nicht unterbrochen ist, wodurch ein vollständiges Abschneiden der Randstrahlung des Laserstrahls sichergestellt ist. Die Detektorelemente 11, 12 decken hier einen Bereichs des Umfangs 17 der Öffnung 16 von jeweils 110° ab und die Detektorelemente 13, 14 decken einen Bereich von jeweils 90° des Umfangs 17 der Öffnung 16 ab. In alternativen Ausführungsformen können die Überlappungen 26 einen anderen Winkelbereich aufweisen und/oder die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 andere Bereiche des Umfangs 17 der Öffnung 16 abdecken, solange die Überlappungen 26 sicher vorhanden sind. 3 shows a second embodiment of the detector. The detector elements 11 . 12 . 13 . 14 are arranged in this embodiment so that they do not adjoin one another in the projection in the direction of the axis A, but the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 overlap. Thus, by the detector elements in the projection in the direction of the axis A overlaps 26 educated. This will ensure that the scope 17 the opening 16 is not interrupted, whereby a complete clipping of the edge radiation of the laser beam is ensured. The detector elements 11 . 12 cover here an area of the circumference 17 the opening 16 from each 110 ° and the detector elements 13 . 14 cover a range of 90 ° each of the circumference 17 the opening 16 from. In alternative embodiments, the overlaps 26 another Have angle range and / or the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 other areas of the scope 17 the opening 16 Cover as long as the overlaps 26 are certainly present.

In 4 ist ein Schnitt entlang der Schnittlinie X-X in 2 bzw. entlang der Schnittlinie Y-Y in 3 dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 (Bzz. 13: siehe 3 und 5) in zwei Bereichen B, C angeordnet sind, die bezüglich der Achse A nebeneinander liegen. Durch eine gegenüberliegende Anordnung der Detektorelemente 11, 12 im Bereich C und der Detektorelemente 13, 14 im Bereich B, und die Anordnung von zwei in der Projektion in Richtung der Achse A benachbarten Detektorelemente 11, 12, 13, 14 in verschiedenen Bereichen B, C sind die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 voneinander thermisch isoliert. Alternativ sind auch andere Mittel zur thermischen Isolation der Detektorelemente 11, 12, 13, 14 voneinander, wie z. B. die Verwendung von Isolierstoffen, möglich.In 4 is a section along the section line XX in 2 or along the section line YY in 3 shown. Here it can be seen that the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 (Bzz. 13 : please refer 3 and 5 ) are arranged in two regions B, C which are juxtaposed with respect to the axis A. By an opposing arrangement of the detector elements 11 . 12 in the area C and the detector elements 13 . 14 in the region B, and the arrangement of two in the projection in the direction of the axis A adjacent detector elements 11 . 12 . 13 . 14 in different areas B, C are the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 thermally isolated from each other. Alternatively, other means for thermal isolation of the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 from each other, such as. As the use of insulating materials possible.

Die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 weisen jeweils auf einer dem Laserstrahl zugewandten Oberfläche 18, 19 Vertiefungen 20, 21 auf, die in einem radialen Querschnitt des Detektors 10 eine Form von spitzwinkligen Dreiecken aufweisen.The detector elements 11 . 12 . 13 . 14 each have on a surface facing the laser beam 18 . 19 wells 20 . 21 on that in a radial cross-section of the detector 10 have a form of acute-angled triangles.

Die Vertiefungen 20, 21 sind in den Oberflächen 18, 19 vorhanden, um zu verhindern, dass die durch die Blende abgeschnittene Randstrahlung des Laserstrahls 5 zur Strahlquelle zurück reflektiert wird. Außerdem ermöglichen es diese Vertiefungen 20, 21, dass eine gute Absorption der Randstrahlung des Laserstrahls 5 erreicht wird. In alternativen Ausführungsformen können die Vertiefungen 20, 21 auch in einer anderen Form gestaltet sein, oder die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 können andere Eigenschaften aufweisen, die das Zurückstrahlen der Randstrahlung verhindert und eine gute Absorption der Randstrahlung ermöglicht.The wells 20 . 21 are in the surfaces 18 . 19 present to prevent the cut off by the aperture edge radiation of the laser beam 5 is reflected back to the beam source. In addition, these wells allow 20 . 21 in that a good absorption of the edge radiation of the laser beam 5 is reached. In alternative embodiments, the depressions 20 . 21 be designed in another form, or the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 can have other properties that prevent the return of the edge radiation and allows a good absorption of the edge radiation.

Die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 sind in dieser Ausführungsform aus schwarz anodisiertem Aluminium hergestellt. Alternativ können die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 auch aus einem anderen geeigneten Material mit einer entsprechend geeigneten Oberfläche hergestellt sein, die gegenüber der Strahlung unempfindlich genug sind, so dass die Ausrichtung des Laserstrahls 5 bei einer vollen Laserleistung erfasst werden kann, und gleichzeitig eine hohe Absorption der Strahlung ermöglicht wird.The detector elements 11 . 12 . 13 . 14 are made of black anodized aluminum in this embodiment. Alternatively, the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 also be made of another suitable material with a correspondingly suitable surface, which are insensitive enough to the radiation, so that the orientation of the laser beam 5 can be detected at a full laser power, while allowing high absorption of the radiation.

In 5 ist eine Ausführungsform eines Detektors mit Anschlussteilen gezeigt. Der Detektor weist einen Rahmen 22 aus mehreren Teilen auf. In dieser Ausführungsform sind vier Teile vorgesehen, in anderen Ausführungsformen kann der Rahmen auch aus einer anderen Anzahl von Teilen bestehen oder einstückig ausgebildet sein.In 5 An embodiment of a detector with connection parts is shown. The detector has a frame 22 from several parts. In this embodiment, four parts are provided, in other embodiments, the frame may also consist of a different number of parts or be formed in one piece.

Am Detektor 10 sind Kühlanschlüsse 23 vorgesehen, um ein Kühlmittel durch die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 zu leiten. Die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 werden jeweils von dem Kühlmittel durchströmt und separat gekühlt, um die durch Absorption der Randstrahlung entstehende Wärme abzuführen.At the detector 10 are cooling connections 23 provided to a coolant through the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 to lead. The detector elements 11 . 12 . 13 . 14 each of the coolant flows through and cooled separately to dissipate the heat generated by absorption of the edge radiation.

Außerdem sind am Detektor 10 Anschlüsse 24 für nicht gezeigte Temperatursensoren der Detektorelemente 11, 12, 13, 14 zum Anschluss der Temperatursensoren an eine Temperatursensoreinrichtung vorhanden. Die Temperatursensoren erfassen jeweils die aktuelle Temperatur der einzelnen Detektorelemente 11, 12, 13, 14. Die Temperatursensoren sind so angeordnet, dass sie in dieser Ausführungsform auf die bezüglich der Achse A außenliegenden Flächen der Detektorelemente 11, 12, 13, 14 drücken. Die Temperatursensoren können aber auch alternativ jeweils in die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 integriert sein oder alternativ so angeordnet sein, dass die Temperaturelemente die Temperatur der Detektorelemente 11, 12, 13, 14 erfassen können.In addition, at the detector 10 connections 24 for not shown temperature sensors of the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 for connecting the temperature sensors to a temperature sensor device available. The temperature sensors each detect the current temperature of the individual detector elements 11 . 12 . 13 . 14 , The temperature sensors are arranged so that they in this embodiment on the outer surfaces of the detector A relative to the axis A. 11 . 12 . 13 . 14 to press. Alternatively, however, the temperature sensors may each be incorporated in the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 be integrated or alternatively be arranged so that the temperature elements, the temperature of the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 can capture.

Eine thermische Isolierung der Detektorelemente 11, 12, 13, 14 zum Rahmen 22 wird durch Isolierplatten 25 realisiert. Alternativ sind auch andere thermische Isolierungen möglich.A thermal insulation of the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 to the frame 22 is through insulating panels 25 realized. Alternatively, other thermal insulation is possible.

Im Betrieb ist der Detektor 10 zwischen dem Laserstrahlerzeuger 2 und der Fokussieroptik in dem Laserbearbeitungskopf 3 angeordnet. Der Detektor 10 ist so angeordnet, dass die Achse des Laserstrahls 5, wie in 4 gezeigt, durch den Detektor 10 auf dessen Achse A, also in der Mitte der Öffnung 16 liegt, wenn sich der Laserstrahl 5 auf dem vorbestimmten Strahlweg befindet.In operation, the detector is 10 between the laser beam generator 2 and the focusing optics in the laser processing head 3 arranged. The detector 10 is arranged so that the axis of the laser beam 5 , as in 4 shown by the detector 10 on its axis A, ie in the middle of the opening 16 lies when the laser beam 5 is located on the predetermined beam path.

Wie oben bereits ausgeführt, wirken die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 als Blende und beschneiden die Randstrahlung des Laserstrahls 5 über den vollständigen Umfang 17. Die Randstrahlung des Laserstrahls 5 trifft permanent auf die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 und die Strahllage wird über eine Temperaturänderung detektiert und erfasst. In jedem der Detektorelemente 11, 12, 13, 14 wird durch die Temperatursensoren jeweils die Temperatur der Detektorelemente 11, 12, 13, 14 gemessen und die Temperaturdifferenz zwischen den Detektorelementen 11, 12, 13, 14 ermittelt. Wenn keine Temperaturdifferenz zwischen zumindest zwei gegenüberliegenden Detektorelementen 11, 12, 13, 14 vorliegt, kann daraus auf eine exakte Ausrichtung des Laserstrahls 5 geschlossen werden, da der Laserstrahl 5 die einzelnen Detektorelemente unterschiedlich erwärmt, wenn er außermittig, also außerhalb des vorbestimmten Strahlwegs, auf den Detektor 10 trifft.As already stated above, the detector elements act 11 . 12 . 13 . 14 as an aperture and crop the edge radiation of the laser beam 5 about the full extent 17 , The edge radiation of the laser beam 5 permanently hits the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 and the beam position is detected and detected via a temperature change. In each of the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 in each case the temperature of the detector elements is determined by the temperature sensors 11 . 12 . 13 . 14 measured and the temperature difference between the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 determined. If no temperature difference between at least two opposing detector elements 11 . 12 . 13 . 14 can be there from an exact alignment of the laser beam 5 be closed because the laser beam 5 the individual detector elements heated differently when he off-center, so outside the predetermined beam path, on the detector 10 meets.

Eine Veränderung der Ausrichtung des Laserstrahls 5 führt zu einer Veränderung der Temperaturen der Detektorelemente 11, 12, 13, 14, da bei den Detektorelementen 11, 12, 13, 14, auf die dann ein größerer Anteil des Laserstrahls 5 auftrifft, die Temperatur relativ erhöht wird, und bei den Detektorelementen 11, 12, 13, 14, auf die dann ein geringerer Anteil des Laserstrahls 5 auftrifft, die Temperatur relativ verringert wird. A change in the orientation of the laser beam 5 leads to a change in the temperatures of the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 because at the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 to which then a greater proportion of the laser beam 5 impinges, the temperature is relatively increased, and the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 , on which then a smaller portion of the laser beam 5 impinges, the temperature is relatively reduced.

Bei einer Abweichung von dem vorbestimmten Strahlweg des Laserstrahls 5 kann vor oder nach dem Bearbeitungsprozess die Ausrichtung des Laserstrahls 5 durch Verstellen der Umlenkspiegel entsprechend den Temperaturdifferenzen korrigiert werden. Mit Hilfe der ansteuerbaren Stellelemente zum Verstellen der Umlenkspiegel kann die Ausrichtung des Laserstrahls 5 auch während des Bearbeitungsprozesses korrigiert werden.At a deviation from the predetermined beam path of the laser beam 5 Can align the laser beam before or after the machining process 5 be corrected by adjusting the deflection mirror according to the temperature differences. With the help of the controllable adjusting elements for adjusting the deflecting mirror, the orientation of the laser beam 5 also be corrected during the editing process.

Durch die ständige Erfassung der Temperaturänderungen und damit der Ausrichtung des Laserstrahls 5 ist es möglich, einen zeitlichen Verlauf einer Veränderung der Ausrichtung des Laserstrahls 5 zu ermitteln und auf eine temperaturabhängige Verkippung der Umlenkspiegel oder von Spiegelblöcken zu schließen.By constantly recording the temperature changes and thus the alignment of the laser beam 5 It is possible a temporal course of a change in the orientation of the laser beam 5 to determine and to conclude on a temperature-dependent tilting of the deflection mirror or mirror blocks.

Optional ist der Detektor 10 direkt vor einem der Umlenkspiegel angeordnet. Damit kann der Laserstrahl 5 mit Hilfe des Detektors 10 exakt konzentrisch auf eine zur Verfügung stehende Spiegelfläche justiert werden, ohne dass Parallelfehler einer Strahlachse zu einer Maschinenachse relevant sind.Optional is the detector 10 arranged directly in front of one of the deflection mirrors. This allows the laser beam 5 with the help of the detector 10 be adjusted exactly concentric to an available mirror surface, without parallel errors of a beam axis are relevant to a machine axis.

Als eine weitere Option ist der Detektor 10 in der Laserbearbeitungsmaschine 1 entlang einer vorbestimmten Achse des Laserstrahls 5 im Strahlführungssystem verschiebbar angeordnet. Durch Verfahren der Blende entlang der Achse des Strahlführungssystems und einer computergestützten Auswertung der Messergebnisse der Temperatur der Detektorelemente 11, 12, 13, 14 ist eine Parallelität des Laserstrahls 5 zu der Achse des Strahlführungssystems bestimmbar und eine optimale Einstellung von Umlenkspiegeln im Strahlweg ist berechenbar.Another option is the detector 10 in the laser processing machine 1 along a predetermined axis of the laser beam 5 slidably disposed in the beam guidance system. By moving the diaphragm along the axis of the beam guidance system and a computer-aided evaluation of the measurement results of the temperature of the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 is a parallelism of the laser beam 5 can be determined to the axis of the beam guidance system and an optimal adjustment of deflecting mirrors in the beam path is calculable.

In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Bestimmung der Temperatur der Detektorelemente 11, 12, 13, 14 nicht über die Temperatursensoren, mit denen die Detektorelemente 11, 12, 13, 14 versehen sind, sondern mittels einer Erfassungsvorrichtung für ein Wärmebild des Detektors 10, mit deren Hilfe die Temperaturen der Detektorelemente 11, 12, 13, 14 erfasst werden.In an alternative embodiment, the determination of the temperature of the detector elements takes place 11 . 12 . 13 . 14 not about the temperature sensors that are used to detect the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 are provided, but by means of a detection device for a thermal image of the detector 10 , with the help of which the temperatures of the detector elements 11 . 12 . 13 . 14 be recorded.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 3840278 C2 [0004]
JP 62218912 A [0005]
EP 0304664 B1 [0006]

Claims

Detector ( 10 ) for detecting an alignment of a laser beam ( 5 ) with respect to an axis of a predetermined beam path of the laser beam ( 5 ), having an axis (A) on the axis of the laser beam ( 5 ) on the predetermined beam path through the detector ( 10 ), a plurality of plate-shaped detector elements ( 11 . 12 . 13 . 14 ) disposed about the axis (A) for absorbing incident laser energy and for converting a portion of the absorbed laser energy into heat, the detector elements (16) 11 . 12 . 13 . 14 ) are thermally insulated from each other and each have a recess ( 15 ), characterized in that the recesses ( 15 ) in a projection in the direction of the axis (A) a circular opening ( 16 ) with a closed circumference ( 17 ) for the passage of the laser beam ( 5 ) and the detector ( 10 ) outside the circular opening ( 16 ) for the laser beam ( 5 ) is impenetrable.

Detector ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the detector elements ( 11 . 12 . 13 . 14 ) are arranged along the axis (A) in at least two adjacent areas (B, C).

Detector ( 10 ) according to claim 2, characterized in that the recesses ( 15 ) of the detector elements ( 11 . 12 . 13 . 14 ) are circular sector-shaped and the circular sector-shaped recesses ( 15 ) of detector elements adjacent in the projection in the direction of the axis (A) ( 11 . 12 . 13 . 14 ) overlap in the circumferential direction so as to interrupt the closed circumference ( 17 ) safely avoid.

Detector ( 10 ) according to claim 2 or 3, characterized in that the detector elements ( 11 . 12 . 13 . 14 ) in one of the regions (B, C) with respect to the axis (A).

Detector ( 10 ) according to claim 4, characterized in that the detector elements ( 11 . 12 . 13 . 14 ) each have a temperature sensor for detecting the temperature of the detector element ( 11 . 12 . 13 . 14 ) and the temperature sensors are connected to a temperature sensor device, which is adapted to a temperature difference between the two opposing detector elements ( 11 . 12 . 13 . 14 ) to investigate.

Detector ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a laser beam ( 5 ) facing surface ( 18 . 19 ) of the detector elements ( 11 . 12 . 13 . 14 ) concentric with the axis (A) with depressions ( 20 . 21 ) is provided, whose radial cross-section each has the shape of an acute-angled triangle.

Detector ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the detector elements ( 11 . 12 . 13 . 14 ) are adapted to be flowed through by a coolant.

Detector ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the detector elements ( 11 . 12 . 13 . 14 ) are made of black anodized aluminum.

Laser processing machine ( 1 ) with a laser beam generator ( 2 ), a focusing optics and a detector ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the detector ( 10 ) in the predetermined beam path of the laser beam ( 5 ) between the laser beam generator ( 2 ) and the focusing optics is arranged.

Laser processing machine ( 1 ) according to claim 9, characterized in that the detector ( 10 ) is adjusted so that the detector ( 10 ) in the laser processing machine ( 1 ) is slidably disposed along an axis of a beam guiding system.

Laser processing machine ( 1 ) according to claim 9 or 10, characterized in that the laser processing machine ( 1 ) has a plurality of deflecting mirrors and controllable adjusting elements for adjusting the deflecting mirror.

Laser processing machine ( 1 ) according to claim 11, characterized in that the laser processing machine ( 1 ) is adapted so that during processing by the laser processing machine ( 1 ) the adjusting elements are driven so that a correction of the alignment of the laser beam ( 5 ) is executable.

Method for beam forming a laser beam ( 5 ) and for detecting an alignment of the laser beam ( 5 ), the method comprising the steps of: arranging a detector according to one of claims 1 to 8 in a laser processing machine ( 1 ) according to claims 9 to 12, such that the axis (A) of the detector ( 10 ) on the axis of the laser beam ( 5 ) on the predetermined beam path through the detector ( 10 ), so that a peripheral radiation of the laser beam ( 5 ) on the detector elements ( 11 . 12 . 13 . 14 ) and hidden in another beam path, detecting the temperature of the detector elements ( 11 . 12 . 13 . 14 ), Determining temperature differences between the detector elements ( 11 . 12 . 13 . 14 ), Correcting the alignment of the laser beam ( 5 ) according to the temperature differences.

Method according to claim 13 with a laser processing machine ( 1 ) according to claim 11 or 12, wherein correcting the alignment of the laser beam ( 5 ) takes place by means of controllable adjusting elements.

Method according to claim 14 with a laser processing machine ( 1 ) according to claim 12, wherein correcting the alignment of the laser beam ( 5 ) by means of controllable adjusting elements during the processing by the laser processing machine ( 1 ) he follows.