DE102015106618B4

DE102015106618B4 - Method for adjusting the focus position in a laser-based machine tool and machine tool

Info

Publication number: DE102015106618B4
Application number: DE102015106618.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dörr
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2035-04-30
Also published as: DE102015106618A1

Abstract

Verfahren zur Anpassung der Fokuslage in einer laserbasierten Werkzeugmaschine (11) für den Ausgleich einer laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung (Δf) in einem Strahlführungssystem (15) mit den Schritten: Bereitstellen einer vom Strahlführungssystem (15) abhängigen Kenngröße (TLK, D*) der Fokuslagenverschiebung (Δf) als gemessene Größe für das Strahlführungssystem (15) in Form einer Strahlführungskonstante gegeben durch D* = ΔfλM2/(ZRπΔP) oder eines Lastkoeffizienten gegeben durch TLK = (ΔfBPP/(ZRΔP))100%, mit Δf: gemessene Fokuslagenverschiebung, λ: Wellenlänge des Lasersystems, M2: Beugungsmaßzahl, ZR: Rayleigh-Länge und ΔP: vorliegende Leistungsänderung sowie BPP: Strahlparameterprodukt (gegeben durch BPP = λM2/π), Bereitstellen eines einzustellenden Laserleistungswertes (P), Bestimmen (31) einer vorzunehmenden Fokuslagenänderung (Δz) mit der vom Strahlführungssystem (15) abhängigen Kenngröße (TLK, D*) für den einzustellenden Laserleistungswert (P) zum Ausgleich der laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung (Δf) und Einstellen (35) einer korrigierten Fokuslage (zkorr) unter Berücksichtigung der bestimmten Fokuslagenänderung (Δz).Method for adjusting the focus position in a laser-based machine tool (11) for compensating a laser power-dependent focus position shift (Δf) in a beam guiding system (15) comprising the steps of: providing a characteristic (TLK, D *) of the focal position shift (Δf ) as a measured quantity for the beam guiding system (15) in the form of a beam guiding constant given by D * = ΔfλM2 / (ZRπΔP) or a load coefficient given by TLK = (ΔfBPP / (ZRΔP)) 100%, with Δf: measured focal position shift, λ: wavelength of the laser system, M2: diffraction factor, ZR: Rayleigh length and ΔP: present power change and BPP: beam parameter product (given by BPP = λM2 / π), providing a laser power value (P) to be set, determining (31) a focus position change (Δz) to be made the characteristic (TLK, D *) dependent on the beam guidance system (15) for the laser power to be set (P) to compensate for the laser power-dependent focus position shift (.DELTA.f) and adjusting (35) a corrected focus position (zkorr) taking into account the determined focus position change (.DELTA.z).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fokuslagenanpassung, insbesondere ein Verfahren zum Anpassen der Fokuslage bei der laserbasierten Materialbearbeitung. Ferner betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine.The present invention relates to a method for focus position adjustment, in particular a method for adjusting the focus position in the laser-based material processing. Furthermore, the invention relates to a machine tool.

Beim Einsatz von Laser mit hoher Leistung und insbesondere hoher Strahlqualität können optische Elemente im Strahlführungssystem aufgrund einer Teilabsorption von Laserstrahlung ihre Brennweiten verändern. Die Teilabsorption kann z. B. zu einer Erwärmung eines optischen Elements und dadurch zur Ausbildung einer thermischen Linse führen. So kann sich z. B. bei Quarzlinsen der Brennpunkt (d. h. die Fokuslage) und damit bei der laserbasierten Materialbearbeitung die Bearbeitungszone aus dem Werkstück heraus oder in das Werkstück hinein verschieben, so dass ein Bearbeitungsprozess zu stoppen oder ein Prozessfenster/-bereich, in dem eine qualitativ hochwertige Bearbeitung möglich ist, einzuschränken ist.When using lasers with high power and in particular high beam quality, optical elements in the beam guidance system can change their focal lengths due to a partial absorption of laser radiation. The partial absorption can z. B. lead to a heating of an optical element and thereby to the formation of a thermal lens. So z. B. in quartz lenses focus (ie, the focus position) and thus in the laser-based material processing, the processing zone from the workpiece or move into the workpiece, so that stop a machining process or a process window / area in which a high-quality editing possible is to be restricted.

Es ist bekannt, thermisch induzierte Brennweitenänderungen zu kompensieren. Beispielsweise kann ein Laserstrahl bei der Materialbearbeitung online in seiner Lage diagnostiziert werden, so dass regelungstechnisch einer Fokuslagenverschiebung gegengesteuert werden kann. Derartige beispielsweise temperaturbasierte Systeme sind aus GB 2 354 845 A1 und EP 1 637 272 A1 bekannt.It is known to compensate for thermally induced focal length changes. For example, a laser beam during material processing can be diagnosed online in its position so that control technology can be used to counteract a focus position shift. Such, for example, temperature-based systems are out GB 2 354 845 A1 and EP 1 637 272 A1 known.

DE 10 2007 039 878 A1 und DE 11 2009 000 774 T5 offenbaren weitere Verfahren zur Fokuslagen-Stabilisierung. Insbesondere offenbart DE 11 2009 000 774 T5 eine Prozesssteuervorrichtung, die eine Fokusposition eines Laserstrahls steuert, während eine Laserprozessierungsvorrichtung mit Strahlumlenkungselementen, insbesondere einer Fokuspositionssteuereinheit, eine Laserbearbeitung durchführt. Dabei wird ein Änderungsbetrag einer Positionsabweichung der Fokusposition basierend auf einer Größenordnung der Ausgabe des Laserstrahls anhand eines thermischen Linseneffekts berechnet. Ferner offenbart DE 10 2007 039 878 A1 eine Fokuslagen-Stabilisierung, bei der eine notwendige Korrektur über eine momentane Leistung des Laserstrahls berechnet oder durch einen Autofokus-Sensor bestimmt wird. DE 10 2007 039 878 A1 and DE 11 2009 000 774 T5 disclose further methods for focus position stabilization. In particular disclosed DE 11 2009 000 774 T5 a process control device that controls a focus position of a laser beam, while a laser processing device having beam redirecting elements, in particular, a focus position control unit performs laser processing. At this time, a change amount of a positional deviation of the focus position is calculated based on a magnitude of the output of the laser beam based on a thermal lensing effect. Further disclosed DE 10 2007 039 878 A1 a focus position stabilization in which a necessary correction is calculated via an instantaneous power of the laser beam or determined by an autofocus sensor.

Ferner können in speziell ausgelegten Strahlengängen optische Elemente verwendet werden, die zumindest teilweise eine passive Kompensation der Fokuslagenverschiebung bewirken. Ein derartiges Kompensieren ist z. B. in WO 2011/127356 A2 offenbart.Furthermore, in specially designed optical paths optical elements can be used which at least partially cause a passive compensation of the focus position shift. Such compensation is z. In WO 2011/127356 A2 disclosed.

Einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und leicht zu implementierendes Konzept zur Anpassung der Fokuslage bereitzustellen. Weiteren Aspekten dieser Offenbarung liegen die Aufgaben zugrunde, eine Nachrüstbarkeit eines derartigen Konzepts oder eine Anpassung an transientes Verhalten bei thermisch basierten Brennweitenänderungen zu ermöglichen.It is an object of the present disclosure to provide a simple and easy-to-implement concept for adjusting the focus position. Further aspects of this disclosure are based on the objects of enabling retrofittability of such a concept or adaptation to transient behavior in the case of thermally based focal length changes.

Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren zur Anpassung der Fokuslage in einer laserbasierten Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 und durch eine Werkzeugmaschine nach Anspruch 8. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.At least one of these objects is achieved by a method for adjusting the focus position in a laser-based machine tool according to claim 1 and by a machine tool according to claim 8. Further developments are specified in the subclaims.

In einem Aspekt weist ein Verfahren zur Anpassung der Fokuslage in einer laserbasierten Werkzeugmaschine für den Ausgleich einer laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung in einem Strahlführungssystem die Schritte Bereitstellen einer vom Strahlführungssystem abhängigen Kenngröße einer Fokuslagenverschiebung, Bereitstellen eines einzustellenden Laserleistungswertes, Bestimmen einer vorzunehmenden Fokuslagenänderung mit der vom Strahlführungssystem abhängigen Kenngröße für den einzustellenden Laserleistungswert zum Ausgleich der laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung und Einstellen einer korrigierten Fokuslage unter Berücksichtigung der bestimmten Fokuslagenänderung.In one aspect, a method for adjusting the focus position in a laser-based machine tool for compensating a laser power-dependent focus position shift in a beam guidance system, the steps providing a dependent of the beam guidance system characteristic of a focus position shift, providing a set laser power value, determining a focal position change to be made with the beam guidance system dependent characteristic for the adjusted laser power value to compensate for the laser power-dependent focus position shift and setting a corrected focus position taking into account the specific focus position change.

In einem weiteren Aspekt weist eine Werkzeugmaschine eine Laserquelle, ein Strahlführungssystem, das ein Fokussierelement aufweist, und eine Verschiebeeinheit zur Einstellung einer Fokuslage bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstücks auf. Fermer weist die Werkzeugmaschine eine Steuerungseinheit, die dazu ausgebildet ist, eine vom Strahlführungssystem abhängige Kenngröße einer Fokuslagenverschiebung bereitzustellen und in Abhängigkeit eines einzustellenden Laserleistungswertes eine vorzunehmende Fokuslagenänderung mit der vom Strahlführungssystem abhängigen Kenngröße für den einzustellenden Laserleistungswert zum Ausgleich der laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung zu bestimmen und die Verschiebeeinheit zur Einnahme einer korrigierten Fokuslage unter Berücksichtigung der Fokuslagenänderung anzusteuern.In a further aspect, a machine tool has a laser source, a beam guidance system having a focusing element, and a displacement unit for setting a focal position with respect to a workpiece to be machined. Fermer, the machine tool has a control unit which is adapted to provide a beam guide system dependent characteristic of a focus position shift and depending on a laser power value to be adjusted focal position change with the beam guidance system dependent characteristic for the laser power value to adjust the laser power-dependent focus position shift and the displacement unit to Assuming a corrected focus position taking into account the change in focus position.

In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Bereitstellens eines einzustellenden Strahldurchmessers, wobei der einzustellende Strahldurchmesser insbesondere durch Bereitstellen eines einzustellenden Abbildungsverhältnisses eines Strahlführungssystems bereitgestellt wird. Entsprechend wird die vom Strahlführungssystem abhängige Kenngröße ferner in Abhängigkeit vom Strahldurchmesser bereitgestellt. In some embodiments, the method further comprises the step of providing a beam diameter to be adjusted, wherein the beam diameter to be set is provided, in particular, by providing an imaging ratio of a beam guiding system to be set. Accordingly, the characteristic dependent on the beam guidance system is further provided as a function of the beam diameter.

In einigen Weiterbildungen ist die laserleistungsabhängige Kenngröße eine gemessene Größe für das Strahlführungssystem, beispielsweise in Form einer Strahlführungskonstante gegeben durch D* = ΔfλM²/(Z_RπΔP) oder in Form eines Lastkoeffizienten gegeben durch TLK = (ΔfBPP/(Z_RΔP))100%. Entsprechend kann die vorzunehmende Fokuslagenänderung Δz bestimmt werden durch Δz = D*Z_RπP/(λM²) oder Δz = TLKPZ_R/(BPP·100%) oder Δz = TLKP(D₀)²1000/(4BPP²·100%).In some developments, the laser power-dependent parameter is a measured quantity for the beam guidance system, for example in the form of a beam-guiding constant given by D * = ΔfλM ² / (Z _R πΔP) or in the form of a load coefficient given by TLK = (ΔfBPP / (Z _R ΔP)) 100%. Accordingly, the focal position change Δz to be made can be determined by Δz = D * Z _R πP / (λM ² ) or Δz = TLKPZ _R / (BPP × 100%) or Δz = TLKP (D ₀ ) ² 1000 / (4BPP ² × 100%) ).

In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Bestimmens der einzustellenden korrigierten Fokuslage durch Korrigieren einer Bearbeitungssollwertfokuslage um die vorzunehmende Fokuslagenänderung, wobei insbesondere bei einer Leistungsänderung eine verzögerte Einnahme der einzustellenden korrigierten Fokuslage, z. B. schrittweise, linear oder spezifisch an ein transientes Verhalten angepasst, bewirkt wird. Eine einzustellende korrigierte Fokuslage kann gemäß z_korr = z_s – Δz bestimmt werden, wobei Δz die vorzunehmende Fokuslagenänderung, z_s die Sollwert-Fokuslage und z_korr die korrigierten Fokuslage sind. Sie kann insbesondere gemäß z_korr = z_s – G(t)Δz bestimmt werden, wobei G(t) ein transientes Verhalten der Ausbildung der Fokuslagenverschiebung insbesondere in Abhängigkeit einer Leistungsänderung annähert.In some embodiments, the method further comprises the step of determining the corrected focus position to be adjusted by correcting a machining target focus position for the focus position change to be made, wherein, particularly in the event of a power change, delayed taking of the adjusted focus position to be adjusted, e.g. B. stepwise, linear or specific adapted to a transient behavior, is effected. A corrected focus position to be set can be determined according to z _korr = z _s -Δz, where Δz is the focus position change to be made, z _{s is} the setpoint focus position and z _{korr is} the corrected focus position. In particular, it can be determined according to z _corr = z _s -G (t) Δz, where G (t) approximates a transient behavior of the formation of the focus position shift, in particular as a function of a power change.

In einigen Ausführungsformen der Werkzeugmaschine umfasst das Strahlführungssystem eine Zoomeinheit zur Einstellung unterschiedlicher Abbildungsverhältnisse, wobei die bereitgestellte vom Strahlführungssystem abhängige Kenngröße ferner als vom Abbildungsverhältnis abhängig bereitgestellt ist, und die Steuerungseinheit ferner dazu ausgebildet ist, die vorzunehmende Fokuslagenänderung in Abhängigkeit vom eingestellten Abbildungsverhältnis zu bestimmen. Ferner kann die Verschiebeeinheit zur Verschiebung des Strahlführungssystems und/oder der Fokussieroptik und/oder einer Werkstückhalterung der Werkzeugmaschine zur Einstellung der Fokuslage ausgebildet sein.In some embodiments of the machine tool, the beam guidance system comprises a zoom unit for setting different imaging ratios, wherein the provided beam guiding system dependent parameter is further provided as dependent on the imaging ratio, and the control unit is further adapted to determine the focus position change to be made depending on the adjusted imaging ratio. Furthermore, the displacement unit can be designed for displacing the beam guidance system and / or the focusing optics and / or a workpiece holder of the machine tool for adjusting the focus position.

Insbesondere wird hierin vorgeschlagen, mit Hilfe einer vorbestimmten thermischen Strahlführungskennzahl, die zu erwartende Fokuslagenverschiebung des Gesamtsystems aufgrund bekannter Parameter zu berechnen und daraus einen Korrekturwert der Soll-Fokuslage zur korrekten Einstellung der Bearbeitungszone zu bestimmen. Durch den Einsatz eines verstellbaren optischen Elements zur Veränderung der Fokuslage kann mit Hilfe eines derartigen Korrekturwerts die für den Arbeitsprozess optimale Fokuslage eingestellt bzw. beibehalten werden.In particular, it is proposed herein, with the aid of a predetermined thermal beam guidance parameter, to calculate the expected focal position shift of the overall system on the basis of known parameters and to determine therefrom a correction value of the target focus position for the correct adjustment of the processing zone. By using an adjustable optical element for changing the focus position, the optimum focus position for the working process can be set or maintained with the aid of such a correction value.

Im Unterschied zu Ansätzen, die das Fokuslagenänderungsproblem durch die Vermeidung von hohen Intensitäten auf optischen Elementen umgehen (was zu baulich großen, schweren und teuren Strahlführungssystemen führen kann) oder durch komplexe, fehleranfällig und teure Regelungs- und Überwachungssystem korrigieren, kann sich das hierin beschriebene Konzept zur Anpassung der Fokuslage sehr einfach und kostengünstig umsetzen lassen, da es z. B. auf einer (im Wesentlichen einmaligen) Vermessung des Strahlführungssystems und einer anschließenden Implementierung in die Steuerung, beispielsweise durch ein Softwareupdate, basieren kann. So kann das Konzept grundsätzlich auch in bestehenden Werkzeugmaschinen nachgerüstet werden, da insbesondere ein vorhandenes System zur laserbasierten Materialbearbeitung mit Steuerung, Antrieben und Steuerungseinheit zur Umsetzung der dargestellten Lösung genutzt werden kann.Unlike approaches that circumvent the focus position change problem by avoiding high intensities on optical elements (which can lead to structurally large, heavy and expensive beam guiding systems) or complex, error prone and expensive control and monitoring systems, the concept described herein may vary to adapt the focus position very easy and inexpensive to implement, since it is z. B. based on a (substantially unique) measurement of the beam guidance system and a subsequent implementation in the control, for example by a software update. Thus, the concept can basically be retrofitted in existing machine tools, since in particular an existing system for laser-based material processing with control, drives and control unit can be used to implement the illustrated solution.

Die hierin beschriebenen Konzepte betreffen insbesondere Werkzeugmaschinen, die eine Positionierung einer Laserbearbeitungszone zu einem Werkstück ermöglichen.The concepts described herein relate in particular to machine tools that enable a positioning of a laser processing zone to a workpiece.

Hierin werden Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:Herein, concepts are disclosed that allow to at least partially improve aspects of the prior art. In particular, further features and their expediencies emerge from the following description of embodiments with reference to the figures. From the figures show:

1A bis 1C schematische Darstellungen verschiedener Fokuslagen bei der laserbasierten Werkstückbearbeitung, 1A to 1C schematic representations of different focal positions in the laser-based workpiece machining,

2 ein Diagramm zur Darstellung beispielhafter intensitätsabhängiger Fokuslagenverschiebungen, 2 a diagram illustrating exemplary intensity-dependent focus position shifts,

3 ein beispielhaftes Kennfeld einer intensitäts- und abbildungsabhängigen Fokuslagenänderung zur Fokuslagenkorrektur, 3 an exemplary characteristic diagram of an intensity and image-dependent focal position change for focus position correction,

4 eine schematische Darstellung einer laserbasierten Werkzeugmaschine mit einer Fokuslagenanpassung und 4 a schematic representation of a laser-based machine tool with a focus position adjustment and

5 ein beispielhaftes Flussdiagramm für eine Anpassung der Fokuslage. 5 an exemplary flowchart for adjusting the focus position.

Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass anhand bekannter Parameter des Laserstrahls und der strahlführenden optischen Elemente eine Fokuslagenverschiebung in einem optischen System bei einer gewählten Leistung und einem gewählten (bekannten) Fokusdurchmesser abschätzend berechnet und entsprechend automatisiert korrigiert werden kann. Insbesondere können dabei den optischen Elementen des Strahlführungssystems ein oder mehrere Kennwerte zugeordnet werden, die eine Fokuslagenkompensation aktiv stützen.Aspects described herein are based, in part, on the finding that, based on known parameters of the laser beam and the beam-guiding optical elements, a focal position shift in an optical system can be estimated calculated at a selected power and a selected (known) focus diameter and correspondingly automatically corrected. In particular, one or more characteristic values which actively support focus position compensation can be assigned to the optical elements of the beam guidance system.

Im Folgenden werden in Zusammenhang mit den 1A bis 1C Aspekte einer Fokuslagenverschiebung erläutert. 2 zeigt eine beispielhafte Leistungsabhängigkeit einer Fokuslagenverschiebung. 3 zeigt ein Kennfeld einer bestimmten Fokuslagenänderung in Abhängigkeit der Laserleistung und eines gewählten Abbildungsmaßstabs (Fokusdurchmessers). Die 4 und 5 verdeutlichen das Korrekturkonzept anhand eines beispielhaften Aufbaus einer Werkzeugmaschine und eines Flussdiagramms.The following are in connection with the 1A to 1C Aspects of a focus position shift explained. 2 shows an exemplary power dependence of a focus position shift. 3 shows a map of a specific focus position change as a function of the laser power and a selected magnification (focus diameter). The 4 and 5 illustrate the correction concept based on an exemplary construction of a machine tool and a flowchart.

Wie eingangs erwähnt kann, werden Linsen mit einem Laserstrahl hoher Leistung durch – strahlt, ein (wenn auch meist geringer) Teil der Laserleistung in einem optischen Element, z. B. einer Linse, absorbiert werden. Die absorbierte Leistung kann dann in der Linse in Wärme umgesetzt werden und mit voranschreitender Erwärmung z. B. bei Quarzglas zu einer Verkürzung der effektiven Brennweite und somit zu einer Fokuslagenverschiebung des optischen Gesamtsystems führen. Ebenso können sich Umlenkspiegel aufgrund der einfallenden Laserleistung erwärmen, so dass die daraus resultierende Verformung eine ungewollte Strahldivergenzänderung bewirken und somit zu einer Fokuslagenverschiebung beitragen kann.As mentioned in the beginning, lenses are irradiated with a laser beam of high power, a (albeit mostly low) part of the laser power in an optical element, eg. As a lens absorbed. The absorbed power can then be converted into heat in the lens and, as heating proceeds, e.g. As in quartz glass lead to a shortening of the effective focal length and thus to a focal position shift of the overall optical system. Likewise, deflection mirrors may heat up due to the incident laser power, so that the resulting deformation may cause an unwanted beam divergence change and thus contribute to a focus position shift.

Die Summe derartiger Effekte in einem Strahlführungssystem kann letztlich zu einer Änderung der Leistungsdichte in der Bearbeitungszone während des Bearbeitungsprozess führen, da sich insbesondere der effektive Brennfleckdurchmesser auf dem Werkstück ändern kann.The sum of such effects in a beam-guiding system can ultimately lead to a change in the power density in the processing zone during the machining process, since in particular the effective focal spot diameter on the workpiece can change.

Die 1A bis 1C verdeutlichen die Auswirkung einer Verkürzung der Brennweite bei der Materialbearbeitung. 1A zeigt den Idealfall, bei dem ein Laserstrahl 1 ein durch eine Fokussierlinse mit Brennweite f und Divergenz θ_div vereinfacht dargestelltes Strahlführungssystem 3 durchläuft und von diesem auf die Oberfläche 5 eines Werkstücks 7 fokussiert wird.The 1A to 1C illustrate the effect of shortening the focal length in material processing. 1A shows the ideal case where a laser beam 1 a simplified by a focusing lens with focal length f and divergence θ _div beam guidance system 3 goes through and from this to the surface 5 a workpiece 7 is focused.

Die Fokuslage wirkt sich z. B. auf Vorgänge zum Erzeugen eines Schnittspalts aus und kann so die Form des Schnittspaltes beeinflussen. Im Fokus ist die Intensität, die Leistungsdichte, am größten. Danach weitet sich der Laserstrahl 1 wieder auf, und die Leistungsdichte nimmt ab. Beim Brennschneiden kann der Fokus z. B. in der Nähe der Materialoberfläche 5 liegen. Beim Schmelzschneiden kann er tiefer im Material liegen. Für beide Verfahren gelten z. B. für jede Materialdicke eigene Werte für die optimale Fokuslage.The focal position affects z. B. on processes for generating a cutting gap and can thus influence the shape of the kerf. The focus is on the intensity, the power density, the largest. After that, the laser beam expands 1 again, and the power density decreases. When flame cutting, the focus z. B. near the material surface 5 lie. When fusion cutting, it can be deeper in the material. For both methods z. For example, for each material thickness own values for the optimal focus position.

Die Konstellation in 1A entspricht einer Fokuslage auf der Oberfläche 5, so dass ein effektiver Strahldurchmessers df auf dem Werkstück 7 durch den Strahldurchmesser D₀ = 2w₀ der Strahltaille gegeben ist. Entsprechend erfolgt eine Strahlaufweitung von der Strahltaille mit Strahldurchmesser D₀ bis zur Rayleigh-Länge Z_R innerhalb des zu bearbeitenden Werkstücks 7.The constellation in 1A corresponds to a focus position on the surface 5 , so that an effective beam diameter df on the workpiece 7 is given by the beam diameter D ₀ = 2w _{0 of} the beam waist. Accordingly, beam expansion takes place from the beam waist with beam diameter D ₀ to the Rayleigh length Z _R within the workpiece to be machined 7 ,

1B zeigt den Fall einer zusätzlichen ausgebildeten thermischen Linse, aufgrund der die Strahltaille im Abstand der Fokuslagenänderung Δf vor der Oberfläche 5 des Werkstücks 7 liegt. Es bildet sich eine entsprechend größerer effektiver Strahldurchmessers df auf der Werkstückoberfläche 5 aus und nur noch ein Teil der Rayleigh-Länge Z_R liegt innerhalb des Werkstücks 7. 1B shows the case of an additional formed thermal lens, due to the beam waist in the distance of the focal position change .DELTA.f in front of the surface 5 of the workpiece 7 lies. It forms a correspondingly larger effective beam diameter df on the workpiece surface 5 out and only a part of the Rayleigh length Z _R lies within the workpiece 7 ,

1C zeigt den Fall einer noch stärker ausgeprägten thermischen Linse, aufgrund der die Strahltaille im Abstand Δf'' vor der Oberfläche 5 des Werkstücks 7 liegt. Die Rayleigh-Länge Z_R liegt als Ganzes vor dem Werkstück 7 und es bildet sich ein entsprechend noch größerer effektiver Strahldurchmessers df'' auf der Werkstückoberfläche 5 aus. 1C shows the case of an even more pronounced thermal lens, due to the beam waist in the distance .DELTA.f '' in front of the surface 5 of the workpiece 7 lies. The Rayleigh length Z _R lies as a whole in front of the workpiece 7 and it forms a correspondingly larger effective beam diameter df '' on the workpiece surface 5 out.

Zusammengefasst hat eine Verkürzung der Brennweite eine Änderung (eine Vergrößerung in 1B und 1C) des effektiven Strahldurchmessers df auf der Werkstückoberfläche und somit auch eine Intensitätsänderung bei der Laserbearbeitung zur Folge. Dies kann entsprechend negative Auswirkungen auf den Bearbeitungsprozess haben. Beispielsweise kann es zu einem Totalausfall des Schneid- oder Schweißprozesses führen. In summary, a shortening of the focal length has a change (a magnification in 1B and 1C ) of the effective beam diameter df on the workpiece surface and thus also a change in intensity in the laser processing result. This can have a corresponding negative impact on the machining process. For example, it can lead to a total failure of the cutting or welding process.

Zur Beschreibung von den eingangs angesprochenen thermischen Linseneffekten kann näherungsweise eine Strahlführungskonstante D* (auch als spezifische thermische Brechkraft bezeichnet, [mm²/(mmW)]) verwendet werden. Die Strahlführungskonstante D* ist durch die Gleichung D* = ΔfλM²/(ZRπΔP) gegeben, wobei Δf die Fokuslagenverschiebung, λ die Wellenlänge, M² die Beugungsmaßzahl, Z_R die Rayleigh-Länge und ΔP eine vorliegende Leistungsänderung darstellen.For the description of the thermal lens effects mentioned at the outset, approximately a beam guidance constant D * (also referred to as specific thermal power, [mm ² / (mmW)]) can be used. The beam guiding constant D * is given by the equation D * = ΔfλM ² / (ZRπΔP) where Δf is the focus position shift, λ is the wavelength, M ^{2 is} the diffraction metric, Z _{R is} the Rayleigh length, and ΔP is a present power change.

Die Fokuslagenverschiebung Δf bei einer bestimmten Leistungsänderung ΔP kann mit Strahldiagnostikgeräten meßtechnisch erfasst werden. 2 zeigt schematisch für verschiedene Abbildungskonfigurationen eine gemessene Fokuslagenverschiebung Δf in Abhängigkeit von der Laserleistung P. Man erkennt eine näherungsweise lineare Zunahme der Fokuslagenverschiebung Δf mit zunehmender Laserleistung P.The focal position shift .DELTA.f at a certain power change .DELTA.P can be detected by measurement with beam diagnostic equipment. 2 shows schematically for different imaging configurations, a measured focus position shift .DELTA.f as a function of the laser power P. It can be seen an approximately linear increase of the focus position shift .DELTA.f with increasing laser power P.

Im Rahmen des hierin offenbarten Konzepts zur Anpassung der Fokuslage kann äquivalent zur Strahlführungskonstante D* als Strahlführungskennwert ein thermischer Lastkoeffizient TLK in [% Z_R mm mrad/kW] unter Verwendung des Strahlparameterprodukts eingeführt werden: TLK = (ΔfBPP/(Z_RΔP))100%, wobei das Strahlparameterprodukt (BPP: beam parameter product) durch BPP = λM²/π gegeben ist.In the context of the concept disclosed herein to adjust the focus position equivalent * may be _[R mm mrad / kW% Z] introduced in using the beam parameter product for beam guidance constant D as a beam guiding characteristic value, a thermal load coefficient TLK: TLK = (ΔfBPP / (Z _R .DELTA.P)) 100%, wherein the beam parameter product (BPP) is given by BPP = λM ² / π.

Thermische Lastkoeffizienten für Strahlführungssysteme bei Laserbearbeitungsmaschinen liegen z. B. bei etwa 20% Z_R mm mrad/kW, 60% Z_R mm mrad/kW oder 110% Z_R mm mrad/kW.Thermal load coefficients for beam guidance systems in laser processing machines are z. At about 20% Z _R mm mrad / kW, 60% Z _R mm mrad / kW or 110% Z _R mm mrad / kW.

Das hierin offenbarte Konzept zur Anpassung der Fokuslage verwendet die Leistungsabhängigkeit der Fokuslagenverschiebung Δf und insbesondere den thermischen Lastkoeffizienten TLK eines Strahlführungssystems als Beispiel einer vom Strahlführungssystem abhängigen Kenngröße zur Vorhersage einer zu erwartenden Fokuslagenänderung Δz bei einem bestimmten Betriebspunkt, gegeben u. a. durch eine für die Materialbearbeitung benötigte Laserleistung. Die Fokuslagenänderung Δz entspricht einer Korrekturgröße einer Sollwert-Fokuslage und ergibt sich für eine gewählte Laserleistung P aus: Δz = TLKPZ_R/(BPP·100%) The focus position adjustment concept disclosed herein uses the power dependency of the focus position shift Δf and in particular the thermal load coefficient TLK of a beam guidance system as an example of a beam guidance system dependent parameter for predicting an expected focus position change Δz at a particular operating point given, inter alia, a laser power required for material processing , The focal position change .DELTA.z corresponds to a correction value of a setpoint focus position and results for a selected laser power P from: Δz = TLKPZ _R / (BPP x 100%)

In Abhängigkeit vom gewählten Fokusdurchmesser D₀ – anstatt der Rayleigh-Länge Z_R als Eingangsparameter – ergibt sich folgende Darstellung für die Fokuslagenänderung Δz: Δz = TLKP(D₀)²1000/(1BPP²·100%) Depending on the selected focus diameter D ₀ - instead of the Rayleigh length Z _R as the input parameter - the following representation results for the change in the focal position Δz: Δz = TLKP (D ₀ ) ² 1000 / (1BPP ² × 100%)

Basierend auf der Fokuslagenänderung Δz kann anhand des variablen Parameters Laserleistung P (und anhand des Fokusdurchmesser D₀ – im Falle eines eingebauten Zooms) eine in etwa erwartete Fokuslagenverschiebung Δf für eine Strahlführungskonfiguration im Voraus bestimmt werden.Based on the focus position change .DELTA.z, an approximately expected focus position shift .DELTA.f for a beam-guiding configuration can be determined in advance on the basis of the variable parameter laser power P (and on the basis of the focus diameter D ₀ - in the case of a built-in zoom).

3 zeigt ein beispielhaftes Kennfeld K für eine Konfiguration eines Strahlführungssystems, das beispielsweise mittels eines Zooms mit einem Abbildungsmaßstab β von 1:1 bis 4:1 eingesetzt werden kann. Allgemein nimmt die vorzunehmende Fokuslagenänderung Δz mit der Leistung zu. Ein größerer Abbildungsmaßstab von z. B. 4:1 bedingt ferner eine kleinere Ausleuchtung von optischen Elementen, wodurch eine im Vergleich zu einem kleineren Abbildungsmaßstab von z. B. 1:1 größere thermische Linie bewirkt wird. 3 shows an exemplary map K for a configuration of a beam guidance system, which can be used for example by means of a zoom with a magnification β of 1: 1 to 4: 1. In general, the focal position change .DELTA.z to be made increases with the power. A larger magnification of z. B. 4: 1 further requires a smaller illumination of optical elements, which in comparison to a smaller magnification of z. B. 1: 1 larger thermal line is effected.

Das Kennfeld K kann insbesondere in üblichen Technologietabellen für verschiedene Bearbeitungsverfahren hinterlegt werden. So kann eine Technologietabelle zusätzlich zu Werten für die verschiedenen Bearbeitungsparameter wie etwa Laserleistung und Schneidgeschwindigkeit die leistungsabhängig vorzunehmende Fokuslagenänderung Δz, insbesondere den TLK-Wert als Kenngröße, aufweisen. Dabei können die hinterlegten Fokuslagenänderungen Δz u. a. auch Lasertyp (inkl. z. B. Wellenlänge und Pulsdauer) und Bearbeitungsoptiktyp (inkl. z. B. Linsenausleuchtung, Linsenbrennweite und optische Weglängen) berücksichtigen. Ferner können, da das Kennfeld K vom Aufbau der gesamten optischen Konfiguration der Strahlführung abhängen kann, z. B. auch eine Ausgangsstrahldivergenz nach der Faser, optische Weglängen zwischen den einzelnen optischen Elementen und Brennweiten zur hinreichenden Beschreibung eines spezifischen Kennfelds in einer Technologietabelle enthalten sein.The map K can be stored in particular in conventional technology tables for different processing methods. Thus, in addition to values for the various processing parameters, such as laser power and cutting speed, a technology table can have the power position change .DELTA.z to be performed depending on the power, in particular the TLK value as a parameter. The stored focus position changes Δz can also include laser type (including, for example, wavelength and pulse duration) and Take into account the machining optics type (including eg lens illumination, lens focal length and optical path lengths). Further, since the map K may depend on the structure of the overall optical configuration of the beam guide, e.g. As well as a Ausgangsstrahldivergenz after the fiber, optical path lengths between the individual optical elements and focal lengths for sufficient description of a specific map in a technology table to be included.

Strahlführungssysteme, die zur Bereitstellung eines festen Strahldurchmessers ausgebildet sind, können entsprechend mit einer rein leistungsabhängigen Fokuslagenänderung hinsichtlich der Fokuslagenverschiebung ausgeglichen werden.Beam guiding systems, which are designed to provide a fixed beam diameter, can be compensated accordingly with a purely power-dependent focus position change with regard to the focus position shift.

Beispielsweise erlaubt es das in 3 dargestellte Kennfeld K für einen Laserleistungsbereich bis 8 kW bei einem eingestellten Abbildungsmaßstabs β im Bereich 1:1 bis 4:1 die zu erwartende Fokuslagenänderung Δz zu bestimmen und diese als Korrekturwert einer Sollwert-Fokuslage z_s zur Einstellung einer korrigierten Fokuslage z_korr zu verwenden. Die Sollwert-Fokuslage z_s ist der vorzunehmenden Bearbeitung und der Lage des Werkstücks zugeordnet. Dabei gilt: z_korr = z_s – Δz For example, it allows in 3 Map K shown for a laser power range to 8 kW at a set magnification β in the range 1: 1 to 4: 1 to determine the expected focus position change .DELTA.z and to use this as a correction value of a target focus position z _s for setting a corrected focal position z _corr . The setpoint focus position z _s is assigned to the machining to be performed and the position of the workpiece. Where: z _corr = z _s - Δz

Der korrigierte Fokuslagenwert z_korr wird beispielsweise an eine motorisch verschiebbare Linse (oder an einen adaptiven Spiegel) zur Einstellung der Fokuslage für den gewählten Betriebspunkt übertragen.The corrected focus position value z _korr is transmitted, for example, to a motor-displaceable lens (or to an adaptive mirror) for setting the focus position for the selected operating point.

Es sei angemerkt, dass die Fokuslagenverschiebung insbesondere unter statischen Bedingungen gemessen werden kann, so dass die so gemessene Fokuslagenänderung ein transientes Verhalten einer thermischen Linse nicht widerspiegelt, sondern von einem quasi instantanen Übertragungsverhalten ausgeht. Sind die zeitlichen Aspekte vernachlässigbar, beispielsweise aufgrund von quasi-stationär verwendeten Laserleistungen, kann das transiente Verhalten bei der Fokuslagenkorrektur vernachlässigt werden. Alternativ kann entsprechend die Vornahme der Fokuslagenkorrektur einer entsprechenden zeitlichen Anpassung unterliegen, beispielsweise durch Überlagerung einer zeitlich kontrollierten Einnahme der korrekten Fokuslage z_korr.It should be noted that the focus position shift can be measured in particular under static conditions, so that the thus measured focal position change does not reflect a transient behavior of a thermal lens, but proceeds from a quasi-instantaneous transmission behavior. If the temporal aspects are negligible, for example due to quasi-stationarily used laser powers, the transient behavior in the focus position correction can be neglected. Alternatively, according to the execution of the focus position correction subject to a corresponding temporal adaptation, for example, by superimposing a timely controlled receipt of the correct focus position z _corr .

So kann insbesondere bei einer Leistungsänderung eine verzögerte Einnahme der einzustellenden korrigierten Fokuslage, z. B. schrittweise, linear oder spezifisch an ein transientes Verhalten angepasst, bewirkt werden. Beispielsweise kann die Korrektur gemäß z_korr = z_s – G(t)Δz erfolgen, wobei die zeitabhängige Funktion G(t) ein transientes Verhalten der Ausbildung der Fokuslagenverschiebung insbesondere in Abhängigkeit einer Leistungsänderung annähert.Thus, in particular in the event of a change in performance, a delayed intake of the corrected focus position to be set, for example, can be set. B. stepwise, linear or specific adapted to a transient behavior, be effected. For example, the correction according to z _corr = z _s - G (t) Δz take place, wherein the time-dependent function G (t) approximates a transient behavior of the formation of the focal position shift, in particular in response to a change in performance.

Allgemein können sich Restabweichungen bezüglich der idealen Fokuslage aufgrund einer nicht vollständigen Korrektur ergeben, wobei das hierin offenbarte Konzept zur Fokuslagenänderung die Abweichungen auf ein tolerierbares Maß reduzieren kann.Generally, residual deviations in the ideal focus position may result from incomplete correction, and the focus position change concept disclosed herein may reduce the deviations to a tolerable level.

Die folgende Tabelle vergleicht bei z. B. 3 kW Laserleistung beispielhaft nicht korrigierte gemessene Fokuslagen Δz_{gemess, nicht-korr} bei unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben (1,5:1; 2,5:1; 4:1) mit korrigierten gemessenen Fokuslagen Δz_{gemess, korr}, die mit z. B. gemäß dem Kennfeld K der 3 bestimmten Korrekturwerten Δz angepasst wurden. Die mit Hilfe des TLK-Werts berechneten Fokuslagenkorrekturwerte erlauben eine einfache Reduzierung der Fokusfehllage, beispielsweise mit einer Reduzierung der Abweichung im Bereich von 75% und mehr. Abbildungsmaßstab 1,5:1 2,5:1 4:1 nicht-korrigierte Fokuslage Δz_{gemess, nicht-korr} 0,45 1,56 3,50 Fokuslagenänderung Δz (TLK-basiert) 0,56 1,57 4,01 Fokuslage nach Korrektur Δz_{gemess, korr} 0,12 0,01 0,52 The following table compares with z. B. 3 kW laser power exemplified uncorrected measured _focal positions _{.DELTA.z measured, non-corr} in different _{magnifications} (1.5: 1, 2.5: 1, 4: 1) with corrected measured _focal positions _{.DELTA.z measured, corr} , which with z. B. according to the map K of 3 were adapted to certain correction values Δz. The focus position correction values calculated with the help of the TLK value allow a simple reduction of the focus misalignment, for example with a reduction of the deviation in the range of 75% and more. magnification 1.5: 1 2.5: 1 4: 1 uncorrected focus position Δz _{measured, non-corr} 0.45 1.56 3.50 Focus position change Δz (TLK-based) 0.56 1.57 4.01 _Focus position after correction Δz _{measured, corr} 0.12 0.01 0.52

4 zeigt beispielhaft eine schematisierte Werkzeugmaschine 11 mit einem Lasersystem 13, einem Strahlführungssystem 15 und einer Werkstückhalterung 17. Auf der Werkstückhalterung 17 ist das Werkstück 7 mit der Oberfläche 5 derart gelagert, dass ein Laserstrahl 1' des Lasersystems 13 durch das Strahlführungssystem 15 in eine Bearbeitungszone 19 geleitet wird. Die Werkzeugmaschine 11 weist ferner eine Steuerungseinheit 21 auf, die beispielsweise einen Schnittverlauf 23 durch das Werkstück 7 ansteuert, wobei der Schnitt beispielsweise mit einer Fokuslage gemäß 1A erzeugt wird. 4 shows an example of a schematic machine tool 11 with a laser system 13 , a beam guiding system 15 and a workpiece holder 17 , On the workpiece holder 17 is the workpiece 7 with the surface 5 stored in such a way that a laser beam 1' of the laser system 13 by the Beam guidance system 15 into a processing zone 19 is directed. The machine tool 11 also has a control unit 21 on, for example, a cutting process 23 through the workpiece 7 controls, the section, for example, with a focus position according to 1A is produced.

Ferner erkennt man im Strahlführungssystem 15 eine schematisch dargestellte Zoomvorrichtung 15A (beispielsweise eine Teleskopanordnung) zur Anpassung eines Strahldurchmessers für die Einstellung eines Fokusdurchmessers sowie ein schematisch als Linse dargestelltes Fokussierelement 15B zur Fokussierung des Laserstrahls 1' in die Bearbeitungszone 19.Furthermore, one recognizes in the beam guidance system 15 a schematically illustrated zoom device 15A (For example, a telescope assembly) for adjusting a beam diameter for the adjustment of a focus diameter and a focusing element schematically shown as a lens 15B for focusing the laser beam 1' into the processing zone 19 ,

Die Zoomvorrichtung 15A erlaubt es z. B. unterschiedliche Abbildungsverhältnisse im Strahlführungssystem 15 einzustellen. Dadurch können unterschiedliche Fokusgrößen eingestellt werden, so dass die laserleistungsabhängige Kenngröße insbesondere ferner von der Fokusgröße, z. B. dem Abbildungsverhältnis abhängig bereitzustellen ist. Entsprechend ist die Steuerungseinheit 21 ferner dazu ausgebildet, die einzunehmende Fokuslagenänderung in Abhängigkeit vom eingestellten Abbildungsverhältnis vorzunehmen.The zoom device 15A allows z. B. different imaging conditions in the beam guidance system 15 adjust. As a result, different focus sizes can be set, so that the laser power-dependent characteristic in particular further from the focus size, z. B. is dependent on the imaging ratio. Accordingly, the control unit 21 further adapted to make the focal position change to be taken as a function of the adjusted imaging ratio.

Zur Einstellung der Fokuslage bezüglich des Werkstücks 7 kann beispielsweise die Strahlführungseinheit 15 als Ganzes im Abstand zum Werkstück 7 verschoben werden (Verschiebeeinheit beispielhaft angedeutet durch einen Doppelpfeil 25A). Zusätzlich oder alternativ kann beispielsweise die Fokussierlinse 15B verschoben werden (Verschiebeeinheit beispielhaft angedeutet durch einen Doppelpfeil 25B). Ferner kann zusätzlich oder alternativ das Werkstück 7 beispielsweise mit Hilfe der Werkstückhalterung 17 verschoben werden (Verschiebeeinheit beispielhaft angedeutet durch einen Doppelpfeil 25C).For adjusting the focus position with respect to the workpiece 7 For example, the beam guiding unit 15 as a whole at a distance to the workpiece 7 be moved (sliding example exemplified by a double arrow 25A ). Additionally or alternatively, for example, the focusing lens 15B be moved (sliding example exemplified by a double arrow 25B ). Furthermore, additionally or alternatively, the workpiece 7 for example, with the help of the workpiece holder 17 be moved (sliding example exemplified by a double arrow 25C ).

Die in 4 schematisch dargestellte Steuerungseinheit 21 erlaubt es, das über eine Steuerungsverbindung 27 ansteuerbare Lasersystem 13 insbesondere hinsichtlich der der Bearbeitungszone 19 zugeführten Laserleistung einzustellen. Weitere einstellbare Steuerungsparameter sind beispielsweise die Pulsdauer und die Wiederholrate von Laserpulsen im Fall von gepulsten Laserstrahlen sowie in einigen Ausführungsformen auch die Wellenlänge des Laserstrahls 1'. Ferner ist die Steuerungseinheit 21 über Steuerungsverbindungen 27 mit dem Strahlführungssystem 15 und der Werkstückhalterung 17 beispielsweise zur Einstellung der Fokusgröße und der Fokuslage bezüglich des Werkstücks 7 verbunden. Beispielsweise ist die Steuerungseinheit 21 zur Ansteuerung einer Verschiebeeinheit in der Werkstückhalterung 17 und/oder in der Strahlführungseinheit 15 ausgebildet.In the 4 schematically illustrated control unit 21 allows it via a control connection 27 controllable laser system 13 in particular with regard to the processing zone 19 to adjust the supplied laser power. Further adjustable control parameters are, for example, the pulse duration and the repetition rate of laser pulses in the case of pulsed laser beams and, in some embodiments, also the wavelength of the laser beam 1' , Further, the control unit 21 via control connections 27 with the beam guidance system 15 and the workpiece holder 17 For example, to adjust the focus size and the focus position with respect to the workpiece 7 connected. For example, the control unit 21 for controlling a displacement unit in the workpiece holder 17 and / or in the beam guiding unit 15 educated.

Die Steuerungseinheit 21 ist insbesondere dazu ausgebildet, eine die Abhängigkeit zur Laserleistung beschreibende Kenngröße einer leistungsbedingten Fokuslagenverschiebung bereitzustellen und in Abhängigkeit eines einzustellenden Laserleistungswertes und eventuell der eingestellten optischen Konfiguration (insbesondere des Abbildungsmaßstabs) eine vorzunehmende Fokuslagenänderung für den einzustellenden Laserleistungswert zum Ausgleich der laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung zu bestimmen.The control unit 21 In particular, it is designed to provide a characteristic of a power-related focus position shift that describes the dependency on the laser power and to determine a change in focus position to be set for the laser power value to be compensated for the laser power-dependent focus position shift as a function of a set laser power value and possibly the set optical configuration (in particular the magnification).

Beispielsweise weist die Steuerungseinheit 21 ein Computersystem auf, in dem für verschiedene optische Konfigurationen Kennfelder mit einer oder mehrerer die Abhängigkeit zur Laserleistung beschreibende Kenngrößen abgelegt sind, die je nach optischer Konfiguration zum Einstellen einer korrigierten Fokuslage zur Berücksichtigung der thermischen Fokuslagenverschiebung herangezogen werden können. Zusätzlich oder ergänzend können funktionale Beschreibungen der Fokuslagenverschiebung und/oder eines transienten Verhaltens in der Steuerungseinheit 21 hinterlegt sein.For example, the control unit 21 a computer system in which for various optical configurations maps are stored with one or more dependency on the laser descriptive characteristics that can be used depending on the optical configuration for setting a corrected focus position to take into account the thermal focus position shift. In addition or in addition, functional descriptions of the focus position shift and / or transient behavior in the control unit may be provided 21 be deposited.

5 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagramm zur Erläuterung von Verfahrensschritten für die Anpassung der Fokuslage beispielsweise in einer laserbasierten Werkzeugmaschine gemäß 4. 5 shows an exemplary flowchart for explaining method steps for adjusting the focus position, for example, in a laser-based machine tool according to 4 ,

Für die Bestimmung einer vorzunehmenden Fokuslagenänderung Δz (Schritt 31) werden zum einen eine von der optischen Konfiguration abhängige Kenngröße wie z. B. ein thermischer Lastkoeffizient TLK und/oder eine Strahlführungskonstante D* hinsichtlich einer auszugleichenden Fokuslagenverschiebung sowie ein einzustellender Laserleistungswert wie z. B. die Laserleistung des Lasersystems 13 in 4 bereitgestellt. Ferner kann beispielsweise ein einzustellender Strahldurchmesser D₀ als Eingangsparameter der Bestimmung (Schritt 31) bereitgestellt werden.For the determination of a focal position change .DELTA.z to be made (step 31 ) are on the one hand dependent on the optical configuration characteristic such. B. a thermal load coefficient TLK and / or a beam guiding constant D * with respect to a focal position shift to be compensated and a laser power value to be set such. B. the laser power of the laser system 13 in 4 provided. Furthermore, for example, a beam diameter D _{0 to} be set can be used as the input parameter of the determination (step 31 ) to be provided.

Hinsichtlich der von der optischen Konfiguration abhängigen Kenngröße zeigt 5 schematisch eine Messung (Schritt 33), in der für ein spezifisches Strahlführungssystem die leistungsabhängige Fokuslagenverschiebung gemessen werden kann.With regard to the dependent on the optical configuration characteristic shows 5 schematically a measurement (step 33 ), in which the power-dependent focus position shift can be measured for a specific beam guidance system.

Als Ergebnis des Schritts 31 wird eine vorzunehmende Fokuslagenänderung Δz ausgegeben und bei der Einstellung einer korrigierten Fokuslage (Schritt 35) berücksichtigt.As a result of the step 31 a focal position change .DELTA.z to be made is output and when setting a corrected focus position (step 35 ) considered.

Die Einstellung der korrigierten Fokuslage erfolgt beispielsweise durch Positionieren von Werkstück 7 und/oder Fokussierelement 15B, bzw. allgemein durch Anpassen des Strahlführungssystems 15.The adjustment of the corrected focus position, for example, by positioning of workpiece 7 and / or focusing element 15B , or in general by adjusting the beam delivery system 15 ,

Ferner kann bei der Einstellung der korrigierten Fokuslage ein transientes Verhalten berücksichtigt werden.Furthermore, a transient behavior can be taken into account when setting the corrected focus position.

Wie bereits oben beschrieben kann zusammenfassend folgendes beispielhaftes Vorgehen bei der Anpassung der Fokuslage gewählt werden:

1. Aufnahme der Fokuslagen-Charakteristik (Fokuslagenverschiebung) eines optischen Systems über die Leistung (siehe 2).
2. Berechnung eines für das optische System typischen Kennwerts, z. B. TLK-Werts (siehe 3).
3. Implementierung der Bestimmung der leistungsabhängigen Fokuslagenänderung Δz in die Maschinensteuerung zur Berechnung des korrigierten Fokuslagenwerts.
4. Einstellung des korrigierten Fokuslagenwerts beispielsweise mit Hilfe eines motorisch verstellbaren optischen Elements.

As already described above, the following exemplary procedure for adjusting the focus position can be selected in summary:

1. Recording the focus position characteristic (focus position shift) of an optical system on the power (see 2 ).
2. Calculation of a characteristic typical for the optical system, z. TLK value (see 3 ).
3. Implementation of the determination of the power-dependent focus position change Δz in the machine control for the calculation of the corrected focus position value.
4. Adjustment of the corrected focus position value, for example by means of a motor-adjustable optical element.

Ferner kann alternativ zur Verwendung des Kennfelds K eine Hinterlegung einer Korrekturgröße beispielsweise in Form einer fokusdurchmesserabhängigen Proportionalitätskonstante erfolgen, die es erlaubt, in Abhängigkeit von Laserleistung und Fokusdurchmesser die Fokuslagenänderung Δz zu bestimmen.Furthermore, as an alternative to the use of the characteristic field K, a deposit of a correction variable can take place, for example in the form of a focus diameter-dependent proportionality constant, which allows the focus position change Δz to be determined as a function of laser power and focus diameter.

Insbesondere kann das hier beschriebene Konzept der Fokuslagenanpassung bei Laserschneid- und Laserschweißmaschinen sowie bei Lasermaschinen zur generischen Fertigung von Bauteilen (bspw. mit Hilfe von Pulverwerkstoffen) eingesetzt werden.In particular, the concept of focus position adaptation described here can be used in laser cutting and laser welding machines as well as in laser machines for the generic production of components (for example with the aid of powder materials).

Claims

Method for adjusting the focus position in a laser-based machine tool ( 11 ) for the compensation of a laser power-dependent focus position shift (Δf) in a beam guidance system ( 15 ) comprising the steps of: providing one of the beam guiding system ( 15 ) dependent parameter (TLK, D *) of the focal position shift (Δf) as a measured quantity for the beam guidance system ( 15 ) in the form of a beam guiding constant given by D * = ΔfλM ² / (Z _R πΔP) or a load coefficient given by TLK = (ΔfBPP / (Z _R ΔP)) 100%, with Δf: measured focal position shift, λ: wavelength of the laser system, M ² : diffraction factor, Z _R : Rayleigh length and ΔP: present power change and BPP: beam parameter product (given by BPP = λM ² / π), providing a laser power value (P) to be set, determining ( 31 ) of a focal position change (Δz) to be made with the beam guidance system ( 15 ) dependent parameter (TLK, D *) for the laser power value (P) to be set for compensating the laser power-dependent focus position shift (Δf) and adjusting ( 35 ) of a corrected focus position (z _corr ) taking into account the determined focus position change (Δz).

The method of claim 1, wherein the of the beam guiding system ( 15 ) dependent parameter (TLK, D *) is provided as a function of the beam diameter (D ₀ ) and the method further comprises the step of providing a beam diameter (D ₀ ) to be set.

A method according to claim 1 or 2, wherein the focal position change (Δz) to be made is determined by

Δz = D * Z _R πP / (λM ² )

or

Δz = TLKPZ _R / (BPP x 100%)

or

Δz = TLKP (D ₀ ) ² 1000 / (4BPP ² x 100%),

with Δz: focal position change to be made.

Method according to one of the preceding claims, further comprising the step of determining the corrected focus position to be adjusted (z _korr ) by correcting a machining target focus position (z _s ) by the focal position change (Δz) to be made.

The method of claim 4, wherein in a change in performance, a delayed taking of the adjusted focus position to be adjusted (z _korr ) is effected stepwise, linear or specific adapted to a transient behavior.

Method according to claim 4 or 5, wherein the corrected focus position (z _korr ) to be set is determined by z _korr = z _s -Δz, with Δz: focal position change to be made, z _s : setpoint focus position and z _korr : corrected focus position or z _korr = z _s - G (t) Δz, where G (t) approximates a transient behavior of the formation of the focus position shift (Δf).

Method according to one of the preceding claims, wherein the beam guiding system ( 15 ) dependent parameter (TLK, D *) in the form of a function or a map is provided.

Machine tool ( 11 ) with a laser source ( 13 ), a beam delivery system ( 15 ), which is a focusing element ( 15B ), a setting unit ( 25A . 25B . 25C ) for setting a focal position with respect to a workpiece to be machined ( 5 ) and a control unit ( 21 ), which is designed to receive one from the beam guiding system ( 15 ) dependent parameter (TLK, D *) of a focal position shift (Δf) as a measured quantity for the beam guidance system ( 15 ) in the form of a beam guiding constant given by D * = ΔfλM ² / (Z _R πΔP) or a load coefficient given by TLK = (ΔfBPP / (Z _R ΔP)) 100%, with Δf: measured focal position shift, λ: wavelength of the laser system, M ² : diffraction factor, Z _R : Rayleigh length and ΔP: present power change and BPP: beam parameter product (given by BPP = λM ² / π) and depending on a set laser power value (P) a focal position change (Δz) to be made with the beam guidance system ( 15 ) dependent parameter (TLK, D *) for the adjusted laser power value (P) to compensate for the laser power-dependent focus position shift (.DELTA.f) and the setting unit ( 25A . 25B . 25C ) for taking a corrected focus position (z _korr ) in consideration of the change in focus position (Δz).

Machine tool ( 11 ) according to claim 8, wherein the beam guiding system ( 15 ) a zoom unit ( 15A ) for setting different imaging ratios (β) and the provided laser power-dependent characteristic (TLK, D *) is further provided as dependent on the imaging ratio, and the control unit ( 21 ) is further adapted to determine the focal position change (Δz) to be made as a function of the set imaging ratio (β).

Machine tool ( 11 ) according to claim 8 or claim 9, wherein the adjustment unit ( 25A . 25B . 25C ) for the displacement and / or adjustment of the beam guidance system ( 15 ) is formed for adjusting the focus position.