DE102017129729A1 - Method and adjustment unit for the automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine, and laser processing machine with the adjusting unit - Google Patents
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Abstract
Bekannte Verfahren zur automatisierten Justierung eines Laserstrahls einer Laserbearbeitungsmaschine relativ zu einer Austrittsöffnung für den Laserstrahl umfassen die Verfahrensschritte:(a) Fokussieren des Laserstrahls, und(b) Einstellen der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung. Um hiervon ausgehend ein einfach und schnell durchführbares Verfahren zur automatisierten Justierung eines Laserstrahls anzugeben, das eine Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung auch während des Betriebs der Laserbearbeitungsmaschine ermöglicht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass während einer Bearbeitung eines Werkstücks die Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung mit mindestens drei optischen Sensoren erfasst wird, und die von den optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte während der Bearbeitung zum Einstellen der Position des Laserstrahls gemäß Verfahrensschritt (b) verwendet werden.Known methods for the automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine relative to an exit opening for the laser beam include the steps of: (a) focusing the laser beam, and (b) adjusting the position of the laser beam relative to the exit opening. In order to provide a simple and quickly feasible method for the automated adjustment of a laser beam, which allows an adjustment of the laser beam relative to the outlet opening during operation of the laser processing machine, it is proposed according to the invention that during a processing of a workpiece, the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece at least three optical sensors are detected, and the radiation intensity values detected by the optical sensors during processing are used for adjusting the position of the laser beam according to method step (b).
Description
Technischer HintergrundTechnical background
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Justierung eines Laserstrahls einer Laserbearbeitungsmaschine relativ zu einer Austrittsöffnung für den Laserstrahl, umfassend die Verfahrensschritte:
- (a) Fokussieren des Laserstrahls, und
- (b) Einstellen der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung.
- (a) focusing the laser beam, and
- (b) adjusting the position of the laser beam relative to the exit port.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Justier-Einheit zur automatisierten Justierung eines Laserstrahls einer Laserbearbeitungsmaschine relativ zu einer Austrittsöffnung.Furthermore, the present invention relates to an adjusting unit for the automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine relative to an outlet opening.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Laserbearbeitungsmaschine, aufweisend eine Austrittsöffnung für den Laserstrahl, eine Fokussier-Optik zum Fokussieren des Laserstrahls in Richtung der Austrittsöffnung, sowie eine Justier-Einheit zur automatisierten Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung.Finally, the present invention relates to a laser processing machine suitable for carrying out the method, comprising an outlet opening for the laser beam, a focusing optics for focusing the laser beam in the direction of the outlet opening, and an adjusting unit for automated adjustment of the laser beam relative to the outlet opening.
Unter dem Begriff Laserbearbeitungsmaschine wird im Sinne der Erfindung eine Maschine verstanden, mit der ein Werkstück mit einem Laserstrahl bearbeitet werden kann. Laserbearbeitungsmaschinen werden für eine Vielzahl von Bearbeitungsverfahren eingesetzt, insbesondere zum Trennen, Fügen, Schneiden, Schweißen, Abtragen, Umformen oder zum Markieren und Beschriften; sie sind für die Bearbeitung von Werkstücken aus unterschiedlichen Werkstoffen einsetzbar, beispielsweise zur Bearbeitung von Werkstücken aus Metall, Kunststoff, Glas, Keramik, Stein oder Holz.The term laser processing machine is understood in the context of the invention, a machine with which a workpiece can be processed with a laser beam. Laser processing machines are used for a variety of processing methods, in particular for cutting, joining, cutting, welding, ablation, forming or marking and labeling; They are used for machining workpieces made of different materials, for example, for machining workpieces made of metal, plastic, glass, ceramic, stone or wood.
Unter dem Begriff Austrittsöffnung wird im Sinne der Erfindung ein räumlich begrenzter Durchlass für einen Laserstrahl verstanden, der von einem für den Laserstrahl undurchlässigen Material begrenzt ist. Laserbearbeitungsmaschinen weisen regelmäßig eine Austrittsöffnung für den Laserstrahl auf. Eine Austrittsöffnung einer Laserbearbeitungsmaschine ist ein Teil der Laserbearbeitungsmaschine, aus dem Laserstrahl aus der Laserbearbeitungsmaschine austritt, bevor er auf das Werkstück trifft. Wird der Laserstrahl beispielsweise in einer Umhausung geführt, kann die Austrittsöffnung eine Öffnung in der Umhausung sein. Wird - wie beim Laserstrahlschneiden von metallischen Werkstücken üblich - zur Werkstückbearbeitung der Laserstrahl zusammen mit einem Prozessgas über eine Düse auf das Werkstück geleitet, fällt die Austrittsöffnung regelmäßig mit der Düsenöffnung für das Prozessgas zusammen. Die Austrittsöffnung legt dabei eine Austrittsebene fest, die der Laserstrahl schneidet, im Idealfall mit einer punkt- oder kreisförmigen Schnittfläche.For the purposes of the invention, the term outlet opening is understood to mean a spatially limited passage for a laser beam which is delimited by a material which is impermeable to the laser beam. Laser processing machines regularly have an outlet opening for the laser beam. An exit opening of a laser processing machine is a part of the laser processing machine from which the laser beam exits the laser processing machine before it hits the workpiece. If the laser beam is guided in a housing, for example, the outlet opening can be an opening in the enclosure. If, as is customary in the case of laser beam cutting of metallic workpieces, the laser beam is guided onto the workpiece together with a process gas via a nozzle for workpiece machining, the outlet opening regularly coincides with the nozzle opening for the process gas. The outlet opening defines an exit plane which the laser beam intersects, ideally with a point or circular cut surface.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Justierung und Einstellung der Position des Laserstrahls und damit die Einstellung der Position der Schnittfläche des Laserstrahls mit der Austrittsebene. Die Justier-Einheit im Sinne der Erfindung dient der Einstellung dieser Position; sie ist als separates Bauteil grundsätzlich in eine bestehende Laserbearbeitungsmaschine nachrüstbar.The inventive method relates to the adjustment and adjustment of the position of the laser beam and thus the adjustment of the position of the cutting surface of the laser beam with the exit plane. The adjusting unit according to the invention serves to set this position; As a separate component, it can basically be retrofitted into an existing laser processing machine.
Stand der TechnikState of the art
Werkstücke, insbesondere solche aus Metall, können mit hoher Qualität und Präzision bearbeitet werden, wenn zur Werkstück-Bearbeitung Laserstrahlung eingesetzt wird. Hierfür werden Laserbearbeitungsmaschinen verwendet, die einen Laserstrahl erzeugen, der mittels einer Fokussieroptik fokussiert wird, bevor der Laserstrahl aus der Laserbearbeitungsmaschine über eine Austrittsöffnung - beispielsweise über eine Düsenöffnung - austritt und schließlich auf das zu bearbeitende Werkstück auftrifft.Workpieces, especially those made of metal, can be machined with high quality and precision if laser radiation is used for workpiece machining. For this purpose, laser processing machines are used which generate a laser beam which is focused by means of focusing optics, before the laser beam from the laser processing machine via an outlet opening - exits, for example via a nozzle opening - and finally impinges on the workpiece to be machined.
Die Qualität der Bearbeitung wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst, beispielsweise von der Fokuslage des Laserstrahls, von der Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Laserstrahl und das Werkstück relativ zueinander bewegt werden, oder von der Laserleistung. Darüber hinaus hat insbesondere auch die Lage des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung der Laserbearbeitungsmaschine einen großen Einfluss auf die Bearbeitungsqualität. Es hat sich gezeigt, dass besonders gute Ergebnisse in Bezug auf die Bearbeitungsqualität erzielt werden können, wenn der Laserstrahl bei der Bearbeitung möglichst mittig durch die Austrittsöffnung geführt wird.The quality of the processing is influenced by a variety of factors, for example, the focus position of the laser beam, the feed rate at which the laser beam and the workpiece are moved relative to each other, or the laser power. In addition, in particular, the position of the laser beam relative to the outlet opening of the laser processing machine has a great influence on the processing quality. It has been shown that particularly good results can be achieved with regard to the machining quality if the laser beam is guided as centrally as possible through the outlet opening during machining.
Im umgekehrten Fall, wenn der Laserstrahl bezogen auf die Austrittsöffnung nicht mittig geführt ist, kann der bearbeitete Bereich des Werkstücks je nach Bearbeitungsrichtung unterschiedliche Qualitäten aufweisen.In the opposite case, when the laser beam is not centered with respect to the outlet opening, the machined area of the workpiece may have different qualities depending on the machining direction.
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es bekannt, den Laserstrahl vor dem Schneidvorgang vorzujustieren, und zwar so, dass er möglichst mittig durch die Austrittsöffnung geführt ist. Die Vorjustierung des Laserstrahls kann manuell oder automatisiert erfolgen.To avoid these disadvantages, it is known to pre-adjust the laser beam before the cutting process, in such a way that it is guided as centrally as possible through the outlet opening. The pre-adjustment of the laser beam can be done manually or automatically.
Bei einem bekannten, manuellen Verfahren wird ein Klebestreifen an der Austrittsdüse des Laserstrahls befestigt und anschließend kurzzeitig ein Laserstrahl-Puls mit geringer Leistung abgegeben („Düsenschuss“). Hierdurch entsteht im Klebestreifen ein Loch, anhand dessen die Position des Laserstrahls relativ zur Düsenöffnung, also die Lage und Zentrierung des Laserstrahls, ermittelt werden kann. Nach einer entsprechenden Einstellung der Lage des Laserstrahls wird dieser Vorgang so lange wiederholt bis ein akzeptables Ergebnis hinsichtlich der Mittigkeit erzielt wird. Diese Art der Justierung weist allerdings mehrere Nachteile auf: Der Vorgang muss einerseits vor dem Bearbeitungsvorgang durchgeführt werden und ist verhältnismäßig zeitaufwendig. Andererseits ist die Ablesegenauigkeit gering und schließlich können Veränderungen, die während des Betriebs der Laserbearbeitungsmaschine auftreten, nicht zeitnah erkannt und kompensiert werden. Dies führt dazu, dass sich die Bearbeitungsqualität mit zunehmender Betriebsdauer verschlechtern kann.In a known, manual method, an adhesive strip is attached to the outlet nozzle of the laser beam and then briefly delivered a laser beam pulse with low power ("nozzle shot"). This creates a hole in the adhesive strip, by means of which the position of the laser beam relative to the nozzle opening, ie the position and Centering of the laser beam, can be determined. After a corresponding adjustment of the position of the laser beam, this process is repeated until an acceptable result with regard to the center is achieved. However, this type of adjustment has several disadvantages: the process must firstly be carried out before the machining process and is relatively time-consuming. On the other hand, the reading accuracy is low and, finally, changes that occur during operation of the laser processing machine can not be detected and compensated for in a timely manner. As a result, the processing quality may deteriorate with increasing service life.
Um dieses Verfahren zu vereinfachen, insbesondere um die Zuverlässigkeit der Justierung zu erhöhen und den mit der Durchführung des Verfahrens verbundenen Zeitaufwand zu reduzieren, wird in der
Der Einsatz einer Strahlfalle zur Justierung des Laserstrahls ermöglicht eine gute Vorjustierung des Laserstrahls vor einem Bearbeitungsprozess. Insbesondere bei einer längeren Werkstück-Bearbeitungsdauer hat es sich allerdings gezeigt, dass sich die Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung während der Bearbeitung verändern kann, womit eine Beeinträchtigung der Bearbeitungsqualität einhergehen kann. Selbst, wenn diese Veränderungen zeitnah erkannt werden, ist meist eine Nachjustierung notwendig, für die das Bearbeitungsverfahren unterbrochen werden muss. Ein Abbruch des Bearbeitungsvorgangs geht allerdings mit mehreren Nachteilen einher: Einerseits ist eine Nachjustierung mit einer Strahlfalle zeitaufwendig, da hierfür der Laserbearbeitungskopf zunächst über die Strahlfalle positioniert werden muss, bevor er wieder zum Punkt des Bearbeitungsabbruchs zurückverfahren werden kann. Andererseits muss der Bearbeitungsvorgang nach einer erfolgten Nachjustierung wieder an der Abbruchstelle fortgesetzt werden. Eine möglichst exakte Positionierung des Laserstrahls an der Abbruchstelle ist allerdings aufwendig und oft geht eine Fortsetzung der Bearbeitung daher mit einer verringerten Bearbeitungsqualität im Abbruchbereich einher.The use of a beam trap for adjusting the laser beam allows a good pre-adjustment of the laser beam before a machining process. However, in particular with a longer workpiece processing time, it has been found that the position of the laser beam relative to the outlet opening can change during processing, which may be accompanied by an impairment of the processing quality. Even if these changes are detected promptly, a readjustment is usually necessary, for which the machining process must be interrupted. A termination of the machining process, however, involves several disadvantages: On the one hand, a readjustment with a jet trap is time-consuming, since for this the laser processing head must first be positioned over the jet trap before it can be moved back to the point of processing abort. On the other hand, the machining process must be continued after a successful readjustment at the termination point. The most accurate positioning of the laser beam at the termination point, however, is costly and often a continuation of the processing is therefore accompanied by a reduced processing quality in the demolition area.
Technische AufgabeTechnical task
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfach und schnell durchführbares Verfahren zur automatisierten Justierung eines Laserstrahls einer Laserbearbeitungsmaschine anzugeben, das eine Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung auch während des Betriebs der Laserbearbeitungsmaschine ermöglicht.The invention is therefore based on the object to provide a simple and quickly feasible method for the automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine, which allows an adjustment of the laser beam relative to the outlet opening during operation of the laser processing machine.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kompakte und einfach zu fertigende Justier-Einheit zur automatisierten Justierung eines Laserstrahls einer Laserbearbeitungsmaschine anzugeben, die eine einfache und schnelle Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung auch während des Betriebs der Laserbearbeitungsmaschine ermöglicht.Furthermore, the invention has for its object to provide a compact and easy-to-manufacture adjustment unit for automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine, which allows a simple and quick adjustment of the laser beam relative to the outlet opening during operation of the laser processing machine.
Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsmaschine mit der Justier-Einheit anzugeben.Finally, the invention has for its object to provide a laser processing machine with the adjusting unit.
Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention
Hinsichtlich des Verfahrens zur automatisierten Justierung eines Laserstrahls einer Laserbearbeitungsmaschine wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass während einer Bearbeitung eines Werkstücks die Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung mit mindestens drei optischen Sensoren erfasst wird, und die von den optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte während der Bearbeitung zum Einstellen der Position des Laserstrahls gemäß Verfahrensschritt (b) verwendet werden.With regard to the method for automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine, the above object is achieved by a method of the type mentioned in the invention that during a processing of a workpiece, the radiation intensity of the emitted radiation from the workpiece is detected with at least three optical sensors, and the radiation intensity values detected by the optical sensors are used during processing to adjust the position of the laser beam according to step (b).
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die grundsätzliche Idee zugrunde, die Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung unter Betriebsbedingungen, also während einer Bearbeitung des Werkstücks durchzuführen (In-Prozess-Justierung), wobei der Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung die während eines Laserbearbeitungsprozesses vom Werkstück emittierte Strahlung zugrunde gelegt wird. Während die zur Bearbeitung des Werkstücks eingesetzte Laserstrahlung schmalbandig ist, umfasst die vom Werkstück selbst emittierte Strahlung Strahlungsanteile mit Wellenlängen in einem relativ breiten Wellenlängenbereich, insbesondere Strahlungsanteile im sichtbaren und nahinfraroten Bereich. Es ist daher relativ einfach möglich, die vom Werkstück selbst emittierte Strahlung von der des Laserstrahls zu unterscheiden. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den Effekt, dass die vom Werkstück emittierte Strahlung grundsätzlich ungerichtet, das heißt in alle Raumrichtungen gleichermaßen, emittiert wird, wobei eine gleichmäßig abfallende Strahlungsintensitätsverteilung mit einem Maximum im Bereich des aktuellen Bearbeitungspunkts beobachtet wird. Da das Werkstück eine dem Laserstrahl zugewandte und eine dem Laserstrahl abgewandte Seite aufweist, und an der dem Laserstrahl zugewandten Seite des Werkstücks in der Regel höhere Strahlungsintensitäten der vom Werkstück emittierten Strahlung erfassbar sind, hat es sich als günstig erwiesen, die mindestens drei optischen Sensoren so anzuordnen, dass sie der dem Laserstrahl zugewandten Seite des Werkstücks zugeordnet sind. Die Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung und deren Verteilung kann während eines Bearbeitungsvorgangs einfach erfasst werden; sie erlaubt - wie nachfolgend näher erläutert wird - Rückschlüsse einerseits hinsichtlich der aktuellen Lage und Position des Laserstrahls, und andererseits hinsichtlich der vorzunehmenden Positionsänderungen, um den Laserstrahl optimal in Bezug auf die Mitte der Austrittsöffnung zu justieren. Zu diesem Zweck sind erfindungsgemäß mindestens drei optische Sensoren vorgesehen, mit denen die Strahlungsintensität der vom Werkstück bei der Bearbeitung emittierten Strahlung erfassbar ist. Dadurch, dass erfindungsgemäß mindestens drei optische Sensoren vorgesehen sind, ist eine Justierung des Laserstrahls in zwei Raumrichtungen und damit in der Austrittsebene möglich. Die optischen Sensoren im Sinne der Erfindung sind zur Erfassung von Strahlungsintensitäten ausgelegt. Die Erfassung der Strahlungsintensität kann bei ausgewählten, einzelnen Wellenlängen, aber auch über einen Wellenlängenbereich erfolgen. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die mindestens drei optischen Sensoren zur Erfassung von Strahlungsintensitäten in demselben Wellenlängenbereich oder bei derselben Wellenlänge ausgelegt sind. Vorzugsweise weisen die mindestens drei optischen Sensoren dieselbe Bauart auf.The method according to the invention is based on the basic idea of performing the adjustment of the laser beam relative to the outlet opening under operating conditions, ie during processing of the workpiece (in-process adjustment), wherein the adjustment of the laser beam relative to the outlet opening radiation emitted by the workpiece during a laser processing process is taken as a basis. While the laser radiation used for machining the workpiece is narrow-band, the radiation emitted by the workpiece itself comprises radiation components with wavelengths in a relatively broad wavelength range, in particular radiation components in the visible and near-infrared range. It is therefore relatively easy to distinguish the radiation emitted by the workpiece itself from that of the laser beam. The method according to the invention utilizes the effect that the radiation emitted by the workpiece is basically emitted in an undirected manner, that is to say in all directions in space, with one being uniform falling radiation intensity distribution is observed with a maximum in the range of the current processing point. Since the workpiece has a side facing the laser beam and a side facing away from the laser beam, and higher radiation intensities of the radiation emitted by the workpiece are generally detectable on the side of the workpiece facing the laser beam, it has proved to be advantageous for the at least three optical sensors to be so to arrange that they are assigned to the laser beam side facing the workpiece. The radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece and its distribution can be easily detected during a machining operation; it allows - as will be explained in more detail - conclusions on the one hand regarding the current position and position of the laser beam, and on the other hand with respect to the position changes to be made in order to adjust the laser beam optimally with respect to the center of the outlet opening. For this purpose, according to the invention, at least three optical sensors are provided with which the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece during processing can be detected. Characterized in that according to the invention at least three optical sensors are provided, an adjustment of the laser beam in two spatial directions and thus in the exit plane is possible. The optical sensors according to the invention are designed for detecting radiation intensities. The detection of the radiation intensity can take place at selected, individual wavelengths, but also over a wavelength range. It has proven to be advantageous if the at least three optical sensors are designed to detect radiation intensities in the same wavelength range or at the same wavelength. The at least three optical sensors preferably have the same design.
Im einfachsten Fall sind die Sensoren äquidistant zur Mittenachse der Austrittsöffnung angeordnet, also äquidistant zum Strahlengang eines fiktiven, durch die tatsächliche Mitte der Austrittsöffnung verlaufenden Laserstrahls. Verläuft der Laserstrahl tatsächlich durch die Mitte der Austrittsöffnung, so weichen die von den optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte der vom Werkstück emittierten Strahlung nicht oder nur unwesentlich voneinander ab; sie sind im Idealfall identisch. Verschiebt sich hingegen die Position des Laserstrahls relativ zur Mitte der Austrittsöffnung, so befinden sich die optischen Sensoren nicht mehr im gleichen Abstand zu dem Punkt des Werkstückes, auf den der Laserstrahl fokussiert ist. Dies hat zur Folge, dass ein näher zum Fokuspunkt des Laserstrahls angeordneter Sensor eine höhere Strahlungsintensität erfasst als ein Sensor, der einen größeren Abstand zum Fokuspunkt des Laserstrahls aufweist. Anhand der von den Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte kann auf die aktuelle Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung und deren Mitte geschlossen werden.In the simplest case, the sensors are arranged equidistant from the center axis of the outlet opening, that is to say equidistant from the beam path of a fictitious laser beam passing through the actual center of the outlet opening. If the laser beam actually passes through the center of the exit opening, then the radiation intensity values of the radiation emitted by the workpiece, which are detected by the optical sensors, do not deviate or only insignificantly differ from one another; they are ideally identical. On the other hand, if the position of the laser beam shifts relative to the center of the exit opening, then the optical sensors are no longer at the same distance from the point of the workpiece on which the laser beam is focused. This has the consequence that a sensor arranged closer to the focal point of the laser beam detects a higher radiation intensity than a sensor which has a larger distance to the focal point of the laser beam. Based on the radiation intensity values detected by the sensors, it is possible to deduce the current position of the laser beam relative to the outlet opening and its center.
Bei einer bevorzugten Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher vorgesehen, dass die Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung mit mindestens drei optischen Sensoren erfasst wird, die äquidistant zur Mittenachse der Austrittsöffnung angeordnet sind, wobei der Laserstrahl dann mittig zur Austrittsöffnung justiert ist, wenn die von den mindestens drei optischen Sensoren jeweils erfassten Strahlungsintensitätswerte höchstens um einen vorgegeben prozentualen Toleranzwert voneinander oder vom Mittelwert der von den optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte abweichen.In a preferred modification of the method according to the invention, it is therefore provided that the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece is detected with at least three optical sensors which are arranged equidistantly to the center axis of the outlet opening, wherein the laser beam is then adjusted centrally to the outlet opening, if the At least three optical sensors each detected radiation intensity values at most by a predetermined percentage tolerance value from each other or from the average of the radiation intensity values detected by the optical sensors.
Durch eine äquidistante Anordnung der mindestens drei optischen Sensoren wird eine besonders einfache Auswertung der von den optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte ermöglicht, da in diesem Fall auf einen direkten Vergleich der von den mindestens drei Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte abgestellt werden kann. In der Praxis weichen allerdings auch bei einem Durchgang des Lasers durch die Mitte der Austrittsöffnung die von den optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitäten innerhalb gewisser Grenzen voneinander ab. Ein Grund für diese Abweichungen sind beispielsweise Messfehler, wie sie grundsätzlich bei jeder Messung auftreten können. Der Laserstrahl wird daher vorzugsweise dann als mittig zur Austrittsöffnung justiert angesehen, wenn die von den optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte höchstens um einen vorgegebenen prozentualen Toleranzwert voneinander oder vom Mittelwert der von den mindestens drei optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte abweichen. Welcher prozentuale Toleranzwert vorzugeben ist, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, beispielsweise von der gewünschten Bearbeitungsgenauigkeit, vom Düsendurchmesser oder von der Laserleistung.An equidistant arrangement of the at least three optical sensors enables a particularly simple evaluation of the radiation intensity values detected by the optical sensors, since in this case a direct comparison of the radiation intensity values recorded by the at least three sensors can be made. In practice, however, even with a passage of the laser through the center of the outlet opening, the radiation intensities detected by the optical sensors deviate from one another within certain limits. One reason for these deviations are, for example, measurement errors, as they can basically occur with each measurement. The laser beam is therefore preferably considered to be aligned centrally with respect to the outlet opening if the radiation intensity values detected by the optical sensors deviate from the average value of the radiation intensity values detected by the at least three optical sensors by at most a predefined percentage tolerance value. The percentage tolerance value to be set depends on a variety of factors, for example the desired machining accuracy, the nozzle diameter or the laser power.
Alternativ ist es aber auch möglich, die Sensoren beliebig in Bezug auf den Laserstrahl anzuordnen, allerdings ist dann die Position der Sensoren bei der Auswertung der von ihnen erfassten Strahlungsintensitäten zu berücksichtigen, beispielsweise durch eine rechnerische Korrektur. Dies kann beispielsweise über eine Auswerte- oder Korrektur-Einheit erfolgen, an der die von den optischen Sensoren ermittelten Strahlungsintensitätswerte als Eingangssignal anliegen.Alternatively, it is also possible to arrange the sensors arbitrarily with respect to the laser beam, however, then the position of the sensors in the evaluation of the radiation intensities detected by them to take into account, for example by a computational correction. This can be done, for example, via an evaluation or correction unit to which the radiation intensity values determined by the optical sensors are present as an input signal.
Die von den mindestens drei optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte werden der Justierung zugrunde gelegt, indem die Einstellung der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung anhand der Strahlungsintensitätswerte erfolgt. Im einfachsten Fall äquidistant angeordneter optischer Sensoren, ist die Justierung beispielsweise dann erreicht, wenn alle optischen Sensoren innerhalb einer vorgegebenen Schwankungsbreite denselben Strahlungsintensitätswert erfassen. In diesem Fall kann der Endpunkt der Justierung ohne Vorgabe eines Soll-Wertes erfolgen. Alternativ ist aber auch die Vorgabe eines Soll-Wertes denkbar, und zwar insbesondere dann, wenn bei der Justierung beispielsweise zusätzlich empirisch ermittelte Korrekturfaktoren berücksichtigt werden sollen. Die Einstellung der Position kann in diesem Fall dadurch erfolgen, dass jeder von einem optischen Sensor aktuell erfasste Strahlungsintensitätswert (Ist-Wert des Sensors) mit dem für den jeweiligen Sensor vorgegebenen Soll-Wert verglichen und auf den jeweiligen Soll-Wert eingestellt wird.The radiation intensity values detected by the at least three optical sensors are used as the basis for the adjustment by adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening on the basis of the radiation intensity values. In the simplest case equidistantly arranged optical sensors, the adjustment is achieved, for example, when all the optical sensors within a predetermined range of variation detect the same radiation intensity value. In this case, the end point of the adjustment can be made without specifying a desired value. Alternatively, however, the specification of a desired value is also conceivable, in particular if, for example, additional empirically determined correction factors are to be taken into account during the adjustment. In this case, the setting of the position can be carried out by comparing each radiation intensity value (actual value of the sensor) actually detected by an optical sensor with the desired value predetermined for the respective sensor and setting it to the respective desired value.
Die Genauigkeit beziehungsweise die Auflösung der Positionsbestimmung des Laserstrahls und der nachfolgenden Justierung kann erhöht werden, wenn eine größere Anzahl optischer Sensoren eingesetzt wird, also indem vier oder mehr Sensoren vorgesehen werden. Alternativ ist es auch möglich, die Genauigkeit beziehungsweise Auflösung zu erhöhen, indem Gruppen optischer Sensoren unterschiedlicher Bauart eingesetzt werden. Hierbei hat es sich insbesondere als günstig erwiesen, wenn während einer Bearbeitung eines Werkstücks die Strahlungsintensität der vom der vom Werkstück emittierten Strahlung gleichzeitig von einer ersten Sensorgruppe mit mindestens drei optischen Sensoren einer ersten Bauart und von einer zweiten Sensorgruppe mit mindestens drei optischen Sensoren einer zweiten Bauart erfasst wird. Die optischen Sensoren der ersten und zweiten Sensorgruppe unterscheiden sich beispielsweise in ihrer Bauart, wenn sie zur Erfassung unterschiedlicher Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche der vom Werkstück emittierten Strahlung ausgelegt sind.The accuracy or the resolution of the position determination of the laser beam and the subsequent adjustment can be increased if a larger number of optical sensors is used, so by four or more sensors are provided. Alternatively, it is also possible to increase the accuracy or resolution by using groups of optical sensors of different types. In this case, it has proven to be particularly advantageous if, during a machining of a workpiece, the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece simultaneously from a first sensor group with at least three optical sensors of a first type and of a second sensor group with at least three optical sensors of a second type is detected. The optical sensors of the first and second sensor groups differ, for example, in their design, if they are designed to detect different wavelengths or wavelength ranges of the radiation emitted by the workpiece.
Dadurch, dass das erfindungsgemäße Justier-Verfahren auch während des Betriebs einer Laserbearbeitungsmaschine durchführbar ist (In-Prozess-Justierung), ergeben sich mehrere Vorteile: Der Vorteil einer In-Prozess-Justierung liegt einerseits darin, dass durch die auch während einer Bearbeitung mögliche Justierung eine gleichbleibende Bearbeitungsqualität auch bei einer längeren Bearbeitungsdauer erreicht werden kann und andererseits die Bearbeitungsdauer insgesamt verringert werden kann, da ein aufwendiges Nachjustieren, beispielsweise unter Einsatz einer Strahlfalle, sowie eine möglichst exakte Positionierung des Laserstrahls bei Wiederaufnahme der Bearbeitung am Ort der Bearbeitungsunterbrechung entfallen kann. Dies trägt zu einer effizienten und damit kostengünstigen Bearbeitung bei. Gleichzeitig ist das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Überwachung des Laserbearbeitungsprozesses einsetzbar, da auch Abweichungen von vorgegebenen Strahlungsintensitätswerten erfasst werden können. Auf einen zusätzlichen Sensor zur Prozessüberwachung kann daher verzichtet werden.Due to the fact that the adjustment method according to the invention can also be carried out during the operation of a laser processing machine (in-process adjustment), several advantages result: The advantage of an in-process adjustment is, on the one hand, that due to the possible adjustment during processing a consistent quality of processing can be achieved even with a longer processing time and on the other hand, the total processing time can be reduced because a complex readjustment, for example using a jet trap, and the most accurate positioning of the laser beam at resumption of processing at the place of processing interruption can be omitted. This contributes to an efficient and thus cost-effective processing. At the same time, the method according to the invention can also be used for monitoring the laser processing process, since deviations from predetermined radiation intensity values can also be detected. An additional sensor for process monitoring can therefore be dispensed with.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren zum Trennen oder Markieren metallischer Werkstücke verwendet werden, da das erfindungsgemäße Verfahren mit einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit einhergeht. Insbesondere beim Trennen metallischer Werkstücke gibt es das Problem, dass es bei mangelhafter Zentrierung des Laserstrahls bezogen auf die Austrittsöffnung im Bereich der Schnittflächen zu Schnittflächenverletzungen oder zur Gratbildung kommen kann. Im schlimmsten Fall grober Abweichungen der Zentrierung ist es sogar möglich, dass der Schnitt aufgrund der mangelnden Zentrierung des Laserstrahls sogar während des Schneidvorgangs abreißt.Advantageously, the method can be used for separating or marking metallic workpieces, since the inventive method is accompanied by a high processing accuracy. In particular, when separating metallic workpieces, there is the problem that it may come to cut surface injuries or burrs in the region of the cut surfaces in the case of poor centering of the laser beam with respect to the outlet opening. In the worst case, gross deviations of the centering, it is even possible that the cut tears off even during the cutting process due to the lack of centering of the laser beam.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn zum Einstellen der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung gemäß Verfahrensschritt b) die von den optischen Sensoren im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm erfassten Strahlungsintensitätswerte herangezogen werden.It has proved to be advantageous if, for adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening in accordance with method step b), the radiation intensity values detected by the optical sensors in the wavelength range from 800 nm to 1400 nm are used.
Zur Erfassung der vom Werkstück emittierten Strahlung können zwar grundsätzlich optische Sensoren eingesetzt werden, die über einen mehr oder minder gro-ßen Wellenlängenbereich sensitiv sind. Die Justiergenauigkeit lässt sich allerdings erhöhen, wenn zum Einstellen der Position des Laserstrahls nur bestimmte Strahlungsintensitätswerte herangezogen werden, die für einen bestimmten Wellenlängenbereich oder die bei einer bestimmten Wellenlänge ermittelt wurden. Welcher Wellenlängenbereich beziehungsweise welche Wellenlänge am geeignetsten erscheint, ist grundsätzlich unabhängig von der Laser-Wellenlänge und hängt im Wesentlichen davon ab, aus welchem Material das Werkstück gefertigt ist. Bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken, insbesondere aus Stahl, Edelstahl, Aluminium, Messing oder Kupfer, werden gute Ergebnisse hinsichtlich der Justiergenauigkeit erzielt, wenn zum Einstellen der Position des Laserstrahls die im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm ermittelten Strahlungsintensitätswerte herangezogen werden. Als besonders geeignet hat sich der Wellenlängenbereich von 900 nm bis 1250 nm erwiesen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass entweder spezielle optische Sensoren verwendet werden, die nur in einem bestimmten Wellenlängenbereich, vorzugsweise dem oben genannten Wellenlängenbereich, sensitiv sind, oder dass im Strahlengang vor einem über einen größeren Wellenlängenbereich sensitiven Sensor ein Filter angeordnet ist, das nur für Strahlung bestimmter Wellenlängen, vorzugsweise nur für Wellenlängen in den obengenannten Wellenlängenbereichen, durchlässig ist.In principle, optical sensors which are sensitive over a more or less large wavelength range can be used to detect the radiation emitted by the workpiece. However, the adjustment accuracy can be increased if only certain radiation intensity values are used to adjust the position of the laser beam, which were determined for a specific wavelength range or those at a specific wavelength. Which wavelength range or which wavelength appears to be the most suitable is fundamentally independent of the laser wavelength and essentially depends on which material the workpiece is manufactured from. In the machining of metallic workpieces, in particular steel, stainless steel, aluminum, brass or copper, good results are achieved with regard to the alignment accuracy, if the radiation intensity values determined in the wavelength range from 800 nm to 1400 nm are used to set the position of the laser beam. The wavelength range from 900 nm to 1250 nm has proved particularly suitable. This can be achieved, for example, by using either special optical sensors that are sensitive only in a certain wavelength range, preferably the above-mentioned wavelength range, or that a filter is arranged in the beam path in front of a sensitive sensor over a relatively large wavelength range for radiation of certain wavelengths, preferably only for wavelengths in the above-mentioned wavelength ranges, is permeable.
Es sich als besonders günstig erwiesen, wenn zum Einstellen der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung gemäß Verfahrensschritt b) die von den optischen Sensoren im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.000 nm und im Wellenlängenbereich von 1.100 nm bis 1.400 nm erfassten Strahlungsintensitätswerte herangezogen werden. Dadurch, dass der Wellenlängenbereich von 1.000 nm bis 1.100 nm nicht erfasst wird, ist das Verfahren insbesondere für die Justierung eines Ytterbium-Faserlasers mit einer Emissionswellenlänge von 1.060 nm geeignet. Die Erfassung zweier separater Wellenlängenbereiche kann sowohl mit separaten Sensoren als auch mit einem einzigen Sensor erfolgen, beispielsweise indem dem einzigen Sensor ein Filter vorgeordnet wird, das optische Strahlung mit Wellenlängen im Wellenlängenbereich von 1.000 nm bis 1.100 nm absorbiert. It has proved to be particularly favorable if the radiation intensity values recorded by the optical sensors in the wavelength range from 800 nm to 1000 nm and in the wavelength range from 1100 nm to 1400 nm are used to set the position of the laser beam relative to the outlet opening according to method step b). The fact that the wavelength range of 1000 nm to 1100 nm is not detected, the method is particularly suitable for the adjustment of an Ytterbium fiber laser with an emission wavelength of 1060 nm. The detection of two separate wavelength ranges can be done both with separate sensors and with a single sensor, for example, by the single sensor is preceded by a filter that absorbs optical radiation with wavelengths in the wavelength range of 1000 nm to 1100 nm.
Vorteilhafterweise wird von den mindestens drei optischen Sensoren die Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung nach deren Durchtritt durch die Austrittsöffnung erfasst.Advantageously, the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece is detected by the at least three optical sensors after they have passed through the outlet opening.
Sind die optischen Sensoren vom Werkstück aus gesehen hinter der Austrittsöffnung angeordnet, wird von den optischen Sensoren nur ein Teil der vom Werkstück emittierten Strahlung erfasst, nämlich der Teil, der in Richtung der Austrittsöffnung emittiert wird. Dies führt dazu, dass in erster Linie Strahlungsanteile erfasst werden, die von dem Werkstück in einem gewissen Nahbereich um den Bearbeitungspunkt des Laserstrahls emittiert werden. Da die Unterschiede in den Strahlungsintensitäten im Nahbereich um den Bearbeitungspunkt des Laserstrahls besonders stark ausgeprägt sind, trägt die zuvor beschriebene Anordnung der optischen Sensoren dazu bei, dass die Genauigkeit der Positionserfassung verbessert und damit einhergehend die Justiergenauigkeit erhöht wird. Die Austrittsöffnung wirkt wie eine Blendenöffnung, so dass der Lichtdurchlass auf die optischen Sensoren verringert wird und nur ein begrenzter Strahlungsanteil der vom Werkstück emittierten Strahlung von den optischen Sensoren erfasst und bei der Justierung des Laserstrahls berücksichtigt werden muss. Dies eröffnet Möglichkeiten in zweierlei Hinsicht: Einerseits kann durch eine geeignete Wahl der Austrittsöffnung und deren Größe der von den optischen Sensoren erfassbare Strahlungsanteil der vom Werkstück emittierten Strahlung an die physikalischen Eigenschaften der optischen Sensoren angepasst werden, andererseits wird durch die Begrenzung des Strahlungsanteils durch die Austrittsöffnung auch der Einsatz kostengünstiger Sensoren ermöglicht.If the optical sensors, viewed from the workpiece, are arranged behind the outlet opening, only a part of the radiation emitted by the workpiece is detected by the optical sensors, namely the part which is emitted in the direction of the outlet opening. As a result, primarily radiation components are emitted that are emitted by the workpiece in a certain proximity around the processing point of the laser beam. Since the differences in the radiation intensities in the vicinity of the processing point of the laser beam are particularly pronounced, the above-described arrangement of the optical sensors contributes to the accuracy of the position detection improves and, consequently, the Justiergenauigkeit is increased. The outlet opening acts as an aperture, so that the light transmission is reduced to the optical sensors and only a limited proportion of radiation emitted by the workpiece radiation has to be detected by the optical sensors and taken into account in the adjustment of the laser beam. This opens up possibilities in two respects: On the one hand, by a suitable choice of the outlet opening and its size, the radiation fraction detectable by the optical sensors can be adapted to the physical properties of the optical sensors, on the other hand, the limitation of the radiation component through the outlet opening also allows the use of low-cost sensors.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Vorjustierung des Laserstrahls ein Pilotstrahl verwendet, wobei die vom Werkstück reflektierte Strahlung des Pilotstrahls von den mindestens drei optischen Sensoren erfasst wird, und die von den optischen Sensoren erfassten Intensitätswerte der reflektierten Strahlung zum Voreinstellen der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung verwendet werden.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, a pilot beam is used for pre-adjustment of the laser beam, the radiation of the pilot beam reflected by the workpiece being detected by the at least three optical sensors, and the intensity values of the reflected radiation detected by the optical sensors for presetting the position of the laser beam be used relative to the outlet opening.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur automatisierten Laserstrahl-Justierung betrifft in erster Linie die In-Prozess-Justierung des Laserstrahls. Allerdings ist es auch beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, wenn vor der Werkstückbearbeitung zunächst eine Vorjustierung des Laserstrahls durchgeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass unmittelbar mit einer Bearbeitung begonnen werden kann. Hinsichtlich der Vorjustierung kann entweder auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, wie sie beispielsweise in der
Unter einem Pilotstrahl wird im Sinne der Erfindung ein Laserstrahl mit geringer Energie, vorzugsweise unterhalb von 5 mW, verstanden, der so geführt wird, dass er anstelle des Laserstrahls durch die Austrittsöffnung auf das Werkstück fokussiert wird. Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Genauigkeit der Vorjustierung werden erzielt, wenn der Laserstrahl und Pilotstrahl zumindest teilweise mittels derselben Optik auf das Werkstück fokussiert werden. Die Wellenlänge des Pilotstrahls ist so gewählt, dass sie von den bereits vorhandenen mindestens drei optischen Sensoren erfasst werden kann. Vorzugsweise hat der Pilotstrahl eine Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich, insbesondere im Wellenlängenbereich von 635 nm bis 750 nm. Da die Energie des Pilotstrahls zu gering ist, um das Werkstück zu bearbeiten, wird der Pilotstrahl am Werkstück reflektiert, wobei die reflektierte Strahlung von den optischen Sensoren erfasst wird. Die von den optischen Sensoren erfassten Intensitätswerte der reflektierten Strahlung werden analog zu den oben zur In-Prozess-Justierung beschriebenen Strahlungsintensitätswerten zum Erfassen und Einstellen der Position des Pilotstrahls und damit auch des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung verwendet.Within the meaning of the invention, a pilot beam is understood to mean a laser beam with low energy, preferably below 5 mW, which is guided in such a way that it is focused on the workpiece through the outlet opening instead of the laser beam. Particularly good results with regard to the accuracy of the pre-adjustment are achieved if the laser beam and pilot beam are at least partially focused on the workpiece by means of the same optical system. The wavelength of the pilot beam is chosen so that it can be detected by the already existing at least three optical sensors. Preferably, the pilot beam has a wavelength in the visible spectral range, in particular in the wavelength range from 635 nm to 750 nm. Since the energy of the pilot beam is too low to machine the workpiece, the pilot beam is reflected on the workpiece, the reflected radiation from the optical sensors is detected. The intensity values of the reflected radiation detected by the optical sensors are used analogously to the radiation intensity values described above for in-process adjustment for detecting and adjusting the position of the pilot beam and thus also of the laser beam relative to the outlet opening.
Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass der Pilotstrahl parallel zum Strahlengang des Laserstrahls durch eine separate Pilotstrahlöffnung geführt wird. In diesem Fall stimmt allerdings der Punkt, an dem der Pilotstrahl auf das Werkstück trifft, nicht zwangsläufig genau mit dem Punkt überein, an dem der Laserstrahl auf das Werkstück trifft. Um dennoch eine Vorjustierung durchzuführen zu können, müssten daher entweder separate optische Sensoren für den Pilotstrahl oder eine rechnerische Korrektur der mittels des Pilotstrahls ermittelten Ergebnisse vorgesehen werden. Moreover, it is also conceivable that the pilot beam is guided parallel to the beam path of the laser beam through a separate pilot beam opening. In this case, however, the point at which the pilot beam strikes the workpiece does not necessarily coincide exactly with the point at which the laser beam strikes the workpiece. In order nevertheless to be able to carry out a pre-adjustment, it would therefore be necessary to provide either separate optical sensors for the pilot beam or a mathematical correction of the results determined by means of the pilot beam.
Hinsichtlich der Justier-Einheit wird die oben genannte technische Aufgabe ausgehend von einer Justier-Einheit der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Justier-Einheit mindestens drei optische Sensoren zur Erfassung der während einer Bearbeitung eines Werkstücks vom Werkstück emittierten Strahlung aufweist, wobei die Justier-Einheit derart ausgestaltet ist, dass die von den mindestens drei optischen Sensoren während der Bearbeitung erfassten Strahlungsintensitäten von der Justier-Einheit beim Einstellen der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung berücksichtigt wird.With regard to the adjusting unit, the abovementioned technical object is achieved on the basis of an adjusting unit of the type mentioned in the introduction in that the adjusting unit has at least three optical sensors for detecting the radiation emitted by the workpiece during machining of a workpiece, wherein the Adjusting unit is designed such that the detected by the at least three optical sensors during processing radiation intensities of the adjusting unit is taken into account when adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening.
Die erfindungsgemäße Justier-Einheit ist zur In-Prozess-Justierung des Laserstrahls einer Laserbearbeitungsmaschine einsetzbar und weist mindestens drei optische Sensoren auf, mit denen die während eines Laserbearbeitungsprozesses vom Werkstück emittierte Strahlung, insbesondere deren Intensität, erfasst werden kann. Wie bereits oben erläutert, erlauben die von den optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitäten Rückschlüsse einerseits hinsichtlich der aktuellen Lage und Position des Laserstrahls relativ zu einer Austrittsöffnung und andererseits hinsichtlich etwaiger Positionsänderungen, um den Laserstrahl optimal in Bezug auf die Mitte der Austrittsöffnung zu justieren. Die Erfassung der Strahlungsintensität kann bei ausgewählten, einzelnen Wellenlängen, aber auch über einen Wellenlängenbereich erfolgen. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die mindestens drei optischen Sensoren zur Erfassung Strahlungsintensität in demselben Wellenlängenbereich oder bei derselben Wellenlänge ausgelegt sind. Vorzugsweise weisen die mindestens drei optischen Sensoren dieselbe Bauart auf.The adjusting unit according to the invention can be used for in-process adjustment of the laser beam of a laser processing machine and has at least three optical sensors with which the radiation emitted by the workpiece during a laser processing process, in particular its intensity, can be detected. As already explained above, the radiation intensities detected by the optical sensors permit conclusions, on the one hand, regarding the current position and position of the laser beam relative to an exit opening and, on the other hand, with regard to possible position changes, in order to optimally adjust the laser beam with respect to the center of the exit opening. The detection of the radiation intensity can take place at selected, individual wavelengths, but also over a wavelength range. It has proved to be advantageous if the at least three optical sensors are designed to detect radiation intensity in the same wavelength range or at the same wavelength. The at least three optical sensors preferably have the same design.
Weiterhin ist die Justier-Einheit so ausgestaltet, dass sie die von den mindestens drei optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte bei der Justierung eines Laserstrahls berücksichtigt. Hierzu weist die Justier-Einheit vorzugsweise eine Auswerte-Einheit mit einem Rechner auf, an der die von den optischen Sensoren ermittelten Strahlungsintensitäten als Eingangssignal anliegen und die daraus ein Ausgangssignal errechnet und ausgibt, anhand dessen die die Einstellung der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung erfolgen kann.Furthermore, the adjusting unit is designed such that it takes into account the radiation intensity values detected by the at least three optical sensors when adjusting a laser beam. For this purpose, the adjusting unit preferably has an evaluation unit with a computer, at which the radiation intensities determined by the optical sensors are present as an input signal and calculates and outputs an output signal by means of which the adjustment of the position of the laser beam relative to the outlet opening takes place can.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Auswerte-Einheit derart ausgelegt ist, dass anhand der von den Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte zunächst die aktuelle Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung und deren Mitte ermittelt werden kann. Bei Vorgabe von Ober- und Untergrenzen für die Position des Laserstrahls kann so mittels der optischen Sensoren zunächst der Bearbeitungsprozess überwacht werden. Werden die Ober- und/oder Untergrenzen über- bzw. unterschritten, können von der Auswerte-Einheit notwendige Positionsänderungen errechnet werden, um die Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung zu justieren.It has proved to be advantageous if the evaluation unit is designed in such a way that the current position of the laser beam relative to the outlet opening and its center can first be determined on the basis of the radiation intensity values detected by the sensors. Given the specification of upper and lower limits for the position of the laser beam, the processing process can first be monitored by means of the optical sensors. If the upper and / or lower limits are exceeded or undershot, necessary changes of position can be calculated by the evaluation unit in order to adjust the position of the laser beam relative to the outlet opening.
Die optischen Sensoren sind in der Justier-Einheit vorzugsweise derart angeordnet, dass die Justier-Einheit in eine Laserbearbeitungsmaschine einbaubar ist, und zwar so, dass die optischen Sensoren äquidistant zur Mittenachse der Austrittsöffnung angeordnet sind. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Sensoren in der Justier-Einheit beliebig angeordnet sind, wenn die Justier-Einheit so ausgestaltet ist, dass die tatsächliche Position der Sensoren zu dem zu justierenden Laserstrahl ermittelbar und von der Justier-Einheit bei der Auswertung der von ihnen erfassten Strahlungsintensitäten berücksichtigbar ist, beispielsweise durch eine rechnerische Korrektur mittels der Auswerte-Einheit.The optical sensors are preferably arranged in the adjusting unit such that the adjusting unit can be installed in a laser processing machine, in such a way that the optical sensors are arranged equidistant from the center axis of the outlet opening. Alternatively, it is also possible that the sensors are arranged arbitrarily in the adjusting unit, when the adjusting unit is designed so that the actual position of the sensors to be adjusted to the laser beam and determined by the adjusting unit in the evaluation of Radiation intensities detected by them can be considered, for example, by a computational correction by means of the evaluation unit.
Die Genauigkeit beziehungsweise die Auflösung der Positionsbestimmung des Laserstrahls und der nachfolgenden Justierung kann erhöht werden, wenn eine größere Anzahl optischer Sensoren vorgesehen wird. Sind mindestens drei optische Sensoren vorgesehen, ist eine Justierung in zwei Raumrichtungen und damit in der Austrittsebene möglich. Die Genauigkeit beziehungsweise Auflösung der Positionsbestimmung und Justierung kann weiter erhöht werden, indem vier oder mehr Sensoren vorgesehen werden. Alternativ ist es auch möglich, die Genauigkeit beziehungsweise Auflösung zu erhöhen, indem Gruppen optischer Sensoren unterschiedlicher Bauart eingesetzt werden. Hierbei hat es sich insbesondere als günstig erwiesen, wenn die Justier-Einheit zur Erfassung der vom Werkstück emittierten Strahlung eine erste Sensorgruppe mit mindestens drei optischen Sensoren einer ersten Bauart und eine zweite Sensorgruppe mit mindestens drei optischen Sensoren einer zweiten Bauart aufweist, wobei die Justier-Einheit derart ausgestaltet ist, dass sie die von der ersten Sensorgruppe erfassten Strahlungsintensitätswerte und/oder die von der zweiten Sensorgruppe erfassten Strahlungsintensitätswerte zum Einstellen der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung berücksichtigt. Die Berücksichtigung der Strahlungsintensitätswerte von zwei Sensorgruppen trägt zu einer hohen Justiergenauigkeit bei. Die optischen Sensoren der ersten und zweiten Sensorgruppe unterscheiden sich in ihrer Bauart beispielsweise dann, wenn sie zur Erfassung unterschiedlicher Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche der vom Werkstück emittierten Strahlung ausgelegt sind.The accuracy or the resolution of the position determination of the laser beam and the subsequent adjustment can be increased if a larger number of optical sensors is provided. If at least three optical sensors are provided, an adjustment in two spatial directions and thus in the exit plane is possible. The accuracy or resolution of the position determination and adjustment can be further increased by four or more sensors are provided. Alternatively, it is also possible to increase the accuracy or resolution by using groups of optical sensors of different types. In this case, it has proved particularly advantageous if the adjusting unit for detecting the radiation emitted by the workpiece has a first sensor group with at least three optical sensors of a first type and a second sensor group with at least three optical sensors of a second type, wherein the adjustment Unit is designed such that it takes into account the radiation intensity values detected by the first sensor group and / or the radiation intensity values detected by the second sensor group for adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening. The consideration of the radiation intensity values of two Sensor groups contributes to a high adjustment accuracy. The optical sensors of the first and second sensor groups differ in their construction, for example, when they are designed to detect different wavelengths or wavelength ranges of the radiation emitted by the workpiece.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die mindestens drei optischen Sensoren zur Erfassung von optischer Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts und/oder nahinfraroter Strahlung ausgelegt sind.It has proved to be advantageous if the at least three optical sensors are designed to detect optical radiation in the wavelength range of visible light and / or near-infrared radiation.
Es hat sich gezeigt, dass eine gute Justiergenauigkeit erreicht werden kann, wenn die optischen Sensoren zur Erfassung von optischer Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren und nahinfraroten Lichts ausgelegt sind. Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts oder solche mit Wellenlängen im Nahinfrarot-Bereich wird von vielen Werkstück-Materialien während ihrer Bearbeitung mit einem Laserstrahl emittiert. Darüber hinaus ist Strahlung in diesem Wellenlängenbereich einfach von der Laserstrahl-Emission vieler häufig verwendeter Laserstrahlquellen unterscheidbar. Vorzugsweise sind die mindestens drei optischen Sensoren jeweils in einem Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm sensitiv.It has been shown that a good adjustment accuracy can be achieved if the optical sensors are designed to detect optical radiation in the wavelength range of visible and near-infrared light. Radiation in the wavelength region of visible light or those with wavelengths in the near infrared region is emitted by many workpiece materials during their processing with a laser beam. Moreover, radiation in this wavelength range is easily distinguishable from the laser beam emission of many commonly used laser beam sources. Preferably, the at least three optical sensors are each sensitive in a wavelength range from 800 nm to 1,400 nm.
Vorteilhafterweise sind mindestens fünf optische Sensoren zur Erfassung der während einer Bearbeitung eines Werkstücks vom Werkstück emittierten Strahlung vorgesehen.Advantageously, at least five optical sensors are provided for detecting the radiation emitted by the workpiece during machining of a workpiece.
Sind mehrere optische Sensoren zur Erfassung der vom Werkstück emittierten Strahlung vorgesehen, so unterscheiden sich die Sensoren in ihrer Lage bezogen auf die Vorschubrichtung. Sind beispielsweise vier optische Sensoren jeweils um 90° versetzt zueinander um die Mittelachse der Austrittsöffnung angeordnet, so kann grundsätzlich zwischen einem dem Bearbeitungsprozess in Vorschubrichtung vorangeführten optischen Sensor, zwei seitlich angeordneten optischen Sensoren und einem dem Bearbeitungsprozess nachgeführten optischen Sensor unterschieden werden. Es hat sich nun gezeigt, dass bei Vorschubgeschwindigkeiten von mehr als 800 mm/min insbesondere ein der Vorschubrichtung nachgeführter Sensor ein - wenn auch meist geringfügig - höheres Signal erfasst als ein in Vorschubrichtung gesehen vorangeführter Sensor oder die beiden seitlich angeordneten Sensoren. Ein vom nachgeführten optischen Sensor erfasster, zu hoher Strahlungsintensitätswert kann allerdings zu einer Fehljustierung des Laserstrahls bezogen auf die Austrittsöffnung beitragen. Sind mindestens fünf optische Sensoren vorgesehen, kann bei Vorschubgeschwindigkeiten von mehr als 800 mm/min bei der Auswertung das Signal des in Vorschubrichtung gesehen nachgeführten optischen Sensors unberücksichtigt bleiben, ohne dass hierdurch eine Beeinträchtigung der Justiergenauigkeit Kauf genommen werden muss, da zur Justierung weiterhin vier Sensoren zur Verfügung stehen.If a plurality of optical sensors are provided for detecting the radiation emitted by the workpiece, then the sensors differ in their position relative to the feed direction. If, for example, four optical sensors are arranged offset by 90 ° relative to one another around the center axis of the exit opening, then a distinction can be made between an optical sensor preceding the machining process in the feed direction, two laterally arranged optical sensors and an optical sensor following the machining process. It has now been shown that at feed speeds of more than 800 mm / min, in particular, a sensor tracking the feed direction detects a signal, albeit mostly slightly higher, than a sensor preceded in the feed direction or the two laterally arranged sensors. However, an excessively high radiation intensity value detected by the tracking optical sensor may contribute to a misalignment of the laser beam relative to the outlet opening. If at least five optical sensors are provided, the signal of the optical sensor tracked in the feed direction can be disregarded at feed speeds of more than 800 mm / min during the evaluation, without this having to compromise the accuracy of adjustment since four sensors are still needed for the adjustment be available.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Justier-Einheit ist im Strahlengang vor den mindestens drei optischen Sensoren ein optisches Filter angeordnet, das die Wellenlänge des Laserstrahls herausfiltert.In a preferred embodiment of the adjusting unit according to the invention, an optical filter is arranged in the beam path in front of the at least three optical sensors, which filters out the wavelength of the laser beam.
Ein optisches Filter, das auf einfallende optische Strahlung nach der Wellenlänge selektiert, in dem es die Wellenlänge des Bearbeitungs-Laserstrahls herausfiltert, trägt dazu bei, dass Strahlungsanteile, die bei der Justierung des Laserstrahls nicht benötigt werden und sogar stören können, möglichst effektiv eliminiert werden. Dies trägt zur Erzielung einer hohen Justiergenauigkeit bei.An optical filter, which selects incident optical radiation by the wavelength in which it filters out the wavelength of the machining laser beam, contributes to the fact that radiation components that are not needed and even disturb the adjustment of the laser beam are eliminated as effectively as possible , This contributes to achieving a high adjustment accuracy.
In diesem Zusammenhang hat es sich als günstig erwiesen, wenn die optischen Sensoren im Strahlengang nach einem teildurchlässigen Spiegel angeordnet sind, auf den das optische Filter aufgebracht ist.In this context, it has proved to be advantageous if the optical sensors are arranged in the beam path after a partially transmissive mirror on which the optical filter is applied.
Ein teildurchlässiger Spiegel ist ein Spiegel, der für einen Teil der auf ihn einfallenden optischen Strahlung durchlässig ist und der den anderen Teil reflektiert. Der Einsatz eines teildurchlässigen Spiegels hat Vorteile insbesondere dann, wenn der optische Sensor dem teildurchlässigen Spiegel nachgeordnet ist, so dass der Anteil der auf den optischen Sensor auftreffenden Strahlung reduziert wird. Ist der optische Sensor hinter einem teildurchlässigen Spiegel angebracht, kann das optische Filter einfach auf den teildurchlässigen Spiegel aufgebracht werden. Ein teildurchlässiger Spiegel mit einer darauf aufgebrachten Beschichtung ist einfach und kostengünstig zu fertigen. Darüber hinaus benötigt ein beschichteter teildurchlässiger Spiegel nur einen geringen Bauraum und trägt so zu einer kompakten Justier-Einheit bei.A partially transmissive mirror is a mirror which is transparent to some of the incident optical radiation and which reflects the other part. The use of a semitransparent mirror has advantages in particular when the optical sensor is arranged downstream of the partially transmissive mirror, so that the proportion of the radiation impinging on the optical sensor is reduced. If the optical sensor is mounted behind a semitransparent mirror, the optical filter can be easily applied to the partially transmissive mirror. A partially transparent mirror with a coating applied thereto is easy and inexpensive to manufacture. In addition, a coated semi-transparent mirror requires only a small space and thus contributes to a compact adjustment unit.
Dabei hat es sich bewährt, wenn die optischen Sensoren Photodioden oder CCD-Chips sind, und wenn auf die Photodioden beziehungsweise die CCD-Chips jeweils ein optisches Filter als Beschichtung aufgebracht ist.It has proven useful if the optical sensors are photodiodes or CCD chips, and if an optical filter is applied as a coating on the photodiodes or the CCD chips.
Das optische Filter kann unmittelbar auf die optischen Sensoren aufgebracht werden, beispielsweise auf eine Photodiode oder einen CCD-Chip. Eine beschichtete Phototodiode oder ein beschichteter CCD-Chip sind einfach und kostengünstig zu fertigen; sie benötigen darüber hinaus kaum mehr Bauraum als ihre unbeschichtete Ausführungsform.The optical filter can be applied directly to the optical sensors, for example to a photodiode or a CCD chip. A coated photodiode or a coated CCD chip are simple and inexpensive to manufacture; they also require little more space than their uncoated embodiment.
Hinsichtlich der Laserbearbeitungsmaschine wird die oben genannte technische Aufgabe ausgehend von einer Laserbearbeitungsmaschine der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Justier-Einheit - wie sie zuvor beschrieben ist - zur automatisierten Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung vorgesehen ist.With respect to the laser processing machine, the above-mentioned technical task starting from a laser processing machine of the type mentioned in the present invention achieved in that an adjusting unit - as described above - is provided for automated adjustment of the laser beam relative to the outlet opening.
Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine ist zur In-Prozess-Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung ausgelegt. Sie ist insbesondere zum Schneiden und Markieren von Werkstücken aus Metall einsetzbar. Die Laserbearbeitungsmaschine weist eine Justier-Einheit auf, die während einer Bearbeitung die Intensität der vom Werkstück emittierten Strahlung erfasst. Anhand der erfassten Strahlungsintensitäten ist eine Bestimmung der aktuellen Lage und Position des Laserstrahls sowie von Positionsänderungen möglich, die vorgenommen werden müssen, um den Laserstrahl optimal in Bezug auf die Mitte der Austrittsöffnung zu justieren. Bezüglich der Justier-Einheit und deren Ausgestaltung wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.The laser processing machine according to the invention is designed for in-process adjustment of the laser beam relative to the outlet opening. It can be used in particular for cutting and marking workpieces made of metal. The laser processing machine has an adjustment unit, which detects the intensity of the radiation emitted by the workpiece during processing. On the basis of the detected radiation intensities, a determination of the current position and position of the laser beam as well as position changes is possible, which must be made in order to optimally adjust the laser beam with respect to the center of the outlet opening. With regard to the adjusting unit and its configuration, reference is made to the above statements.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Austrittsöffnung eine Öffnungsweite und der Laserstrahl in der Ebene der Austrittsöffnung gesehen einen maximalen Laserstrahl-Durchmesser aufweist, und wenn das Verhältnis des maximalen Laserstrahl-Durchmessers zur Öffnungsweite weniger als 0,7 beträgt, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 und 0,25 liegt.It has proved to be advantageous if the outlet opening has an opening width and the laser beam in the plane of the outlet opening has a maximum laser beam diameter, and if the ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width is less than 0.7, preferably in the range between 0.5 and 0.25.
Das Verhältnis des Laserstrahl-Durchmessers zur Öffnungsweite der Austrittsöffnung hat Einfluss auf die Justiergenauigkeit. Dabei gilt: Je größer die Öffnungsweite, umso mehr Strahlung kann durch die Austrittsöffnung gelangen und nachfolgend erfasst werden, das heißt umso größer sind die erfassten Strahlungsintensitätswerte. Da der Laserstrahl in der Austrittsebene in Abhängigkeit von der Fokuslage unterschiedliche Durchmesser aufweisen kann, wird nachfolgend auf den Durchmesser abgestellt, den der Laserstrahl in der Austrittsebene maximal einnehmen kann. Dieser Durchmesser wird hier als maximaler Laserstrahl-Durchmesser bezeichnet. Bei einem Verhältnis des maximalen Laserstrahl-Durchmessers zur Öffnungsweite von weniger als 0,7 stehen mindestens 50 % der Fläche der Austrittsebene für die Erfassung der vom Werkstück emittierten Strahlung zur Verfügung. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis des maximalen Laserstrahl-Durchmessers zur Öffnungsweite weniger als 0,5. Beträgt das Verhältnis des maximalen Laserstrahl-Durchmessers zur Öffnungsweite weniger als 0,5, stehen mehr als 75% der Fläche der Austrittsebene für die Erfassung der vom Werkstück emittierten Strahlung zur Verfügung. Das erfasste Signal ist ein intensives Strahlungsintensitätssignal, das zu einer möglichst genauen Justierung beiträgt. Beträgt das Verhältnis des maximalen Laserstrahl-Durchmessers zur Öffnungsweite weniger als 0,25, stehen mehr als 93% der Fläche der Austrittsebene für die Erfassung der vom Werkstück emittierten Strahlung zur Verfügung. Eine weitere Verringerung des Verhältnisses von maximalem Laserstrahl-Durchmesser zur Öffnungsweite vermag daher kaum noch zu einer Verbesserung der Justiergenauigkeit beizutragen.The ratio of the laser beam diameter to the opening width of the outlet opening has an influence on the alignment accuracy. The following applies: the larger the opening width, the more radiation can pass through the outlet opening and subsequently be detected, that is, the greater the detected radiation intensity values. Since the laser beam can have different diameters in the exit plane as a function of the focal position, the diameter which the laser beam can take up to a maximum in the exit plane is subsequently turned off. This diameter is referred to herein as the maximum laser beam diameter. At a ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width of less than 0.7, at least 50% of the area of the exit plane is available for the detection of the radiation emitted by the workpiece. Preferably, the ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width is less than 0.5. If the ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width is less than 0.5, more than 75% of the area of the exit plane is available for detecting the radiation emitted by the workpiece. The detected signal is an intense radiation intensity signal, which contributes to the most accurate possible adjustment. If the ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width is less than 0.25, more than 93% of the area of the exit plane is available for detecting the radiation emitted by the workpiece. A further reduction of the ratio of maximum laser beam diameter to the opening width is therefore hardly able to contribute to an improvement in the alignment accuracy.
Figurenlistelist of figures
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt in schematischer Darstellung:
-
1 eine Ausführungsform eines über einer Werkstückoberfläche positionierten Laserbearbeitungskopfs einer erfindungsgemäßen Laserschneidmaschine mit einer Justier-Einheit im Längsschnitt, -
2 eine über einer Werkstückoberfläche positionierte Schneiddüse einer erfindungsgemäßen Laserschneidmaschine, sowie den Strahlengang der Laserstrahlung und der von dem Werkstück emittierten Strahlung, wenn der Laserstrahl relativ zur Austrittsöffnung nichtzentriert verläuft, -
3 die über der Werkstückoberfläche positionierte Schneiddüse gemäß2 und den Strahlengang der Laserstrahlung und der von dem Werkstück emittierten Strahlung bei einem relativ zur Austrittsöffnung zentrierten Laserstrahl, -
4 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Justier-Einheit mit zwölf Sensoren, und -
5 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Justier-Einheit mit fünf Sensoren.
-
1 an embodiment of a laser processing head positioned above a workpiece surface of a laser cutting machine according to the invention with an alignment unit in longitudinal section, -
2 a cutting nozzle positioned above a workpiece surface of a laser cutting machine according to the invention, and the beam path of the laser radiation and the radiation emitted by the workpiece, when the laser beam is not centered relative to the outlet opening, -
3 the cutting nozzle positioned above the workpiece surface according to2 and the beam path of the laser radiation and the radiation emitted by the workpiece at a laser beam centered relative to the outlet opening, -
4 a first embodiment of an adjusting unit according to the invention with twelve sensors, and -
5 a second embodiment of an adjustment unit according to the invention with five sensors.
Die Laserstrahlquelle
Bei der Bearbeitung des Werkstücks
Bei einer alternativen Ausführungsform der Laserschneidmaschine
Nachfolgend wird anhand von
Vor dem Start einer Bearbeitung des Werkstücks
Bei der Bearbeitung wird zunächst mittels der Laserstrahlquelle
Die
In
In
Die Sensorgruppen
Die Sensorgruppe
Die Sensorgruppe
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 112010003743 B4 [0012, 0033]DE 112010003743 B4 [0012, 0033]
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