DE19857694A1 - Laser beam focussing, in laser machining, comprises producing workpiece surface tracks at different laser head stand-off distances and determining the distance corresponding to maximum plasma intensity - Google Patents
Laser beam focussing, in laser machining, comprises producing workpiece surface tracks at different laser head stand-off distances and determining the distance corresponding to maximum plasma intensityInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen der Fokuslage eines auf ein Werkstück gerichteten Laserstrahls gemäß den Ansprüchen 1 und 9.The invention relates to a method and a device for adjusting according to the focus position of a laser beam directed at a workpiece claims 1 and 9.
Bei der Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls ist es wichtig, daß der Fokus des Laserstrahls möglichst im Bereich der Oberflä che des Werkstücks zu liegen kommt, um gute Bearbeitungsergebnisse zu erzielen.It is when machining a workpiece using a laser beam important that the focus of the laser beam in the area of the surface surface of the workpiece comes to good machining results achieve.
Es wurde bereits daran gedacht, zu diesem Zweck in die Oberfläche des Werkstücks einige Spuren bei verschiedenen Fokuslagen des Bearbei tungslasers einzubrennen und diese Spuren dann in Augenschein zu neh men. Danach sollte die Fokuslage für diejenige Spur mit dem intensivsten Einbrand ausgewählt und zur Fokuslagenkalibrierung der Laserbearbei tungsanlage herangezogen werden. Allerdings hat sich herausgestellt, daß die optische Beurteilung derartiger Spuren schwierig ist und oft nicht zum gewünschten Ergebnis führt.It has already been thought of for this purpose in the surface of the Workpiece some tracks at different focus positions of the machining burn in the laser and then examine these traces men. After that, the focus position for the track with the most intense should Penetration selected and for focus position calibration of the laser processing be used. However, it turned out that the visual assessment of such traces is difficult and often not leads to the desired result.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich tung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sich die Lage des Fokus des Bearbeitungslasers relativ zur Werkstückoberfläche genauer einstellen läßt. Ziel der Erfindung ist es darüber hinaus, diese Einstellung automatisch durchzuführen, also ohne menschliche Mithilfe.The invention has for its object a method and a Vorrich tion of the type mentioned so that the location of the Focus of the machining laser more precisely relative to the workpiece surface can be adjusted. The aim of the invention is also this setting to be carried out automatically, i.e. without human assistance.
Eine verfahrensseitige Lösung der gestellten Aufgabe findet sich im kenn zeichnenden Teil des Anspruchs 1. Dagegen ist eine vorrichtungsseitige Lösung der gestellten Aufgabe im Anspruch 9 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils nachgeordneten Unter ansprüchen gekennzeichnet.A procedural solution to the task can be found in the kenn Drawing part of claim 1. In contrast, is a device-side Solution to the problem stated in claim 9. Beneficial Embodiments of the invention are in the respective subordinate claims marked.
Ein Verfahren zum Einstellung der Fokuslage eines auf ein Werkstück ge
richteten Laserstrahls, der aus einem Bearbeitungskopf mit einer Fokus
sierungsoptik für den Laserstrahl austritt, zeichnet sich durch folgende
Schritte aus:
A method for setting the focus position of a laser beam directed onto a workpiece, which emerges from a processing head with focusing optics for the laser beam, is characterized by the following steps:
- - In die Oberfläche des Werkstücks werden mit Hilfe des Laserstrahls mehrere voneinander getrennte Spuren bei jeweils unterschiedlichen Ab ständen zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück und ansonsten unter gleichen Bedingungen eingebrannt;- In the surface of the workpiece with the help of the laser beam several separate tracks with different Ab are located between the machining head and the workpiece and otherwise branded same conditions;
- - die Stärke eines dabei entstehenden Plasmas zwischen Bearbei tungskopf und Werkstück wird für jede der Spuren getrennt gemessen; und- the strength of a resulting plasma between the machining The measuring head and workpiece are measured separately for each of the tracks; and
- - es wird derjenige Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werk stück herausgesucht (Fokuslage), für den die maximale Plasmastärke ge messen worden ist.- It is the distance between the machining head and the work piece selected (focus position) for which the maximum plasma strength is ge has been measured.
Durch dieses Verfahren ist es möglich, zwischen den den jeweiligen Spu ren zugeordneten Plasmastärken sehr genau zu unterscheiden, so daß ei ne eindeutige Zuordnung zwischen Plasmastärke einerseits und Fokusla ge andererseits durchgeführt werden kann. Die zum intensivsten Ein brand geeignete Fokuslage läßt sich daher eindeutig auswählen. Bei hoher Anzahl der verwendeten Spuren kann die Auswahl der Fokuslage recht gut optimiert werden, da dann die Fokuslage innerhalb eines gewünschten Fo kuslagenbereichs sehr fein bzw. in kleineren Schritten unterteilt werden kann. Selbst kleinste Änderungen der Fokuslage lassen sich mit diesem Verfahren unter Zuhilfenahme der eingebrannten Spuren noch nachwei sen, so daß auch hier die Zuordnung zwischen Plasmastärke und Fokusla ge eindeutig bleibt.With this method it is possible to switch between the respective Spu to differentiate ren assigned plasma strengths very precisely, so that egg ne clear allocation between plasma strength on the one hand and focus la ge can be performed on the other hand. The most intense one Brand-appropriate focus position can therefore be clearly selected. At high The number of tracks used can be selected quite well by the focus position can be optimized, because then the focus position within a desired Fo area can be divided very finely or in smaller steps can. Even the smallest changes in the focus position can be made with this Prove the procedure with the help of the burned-in traces sen, so that here too the association between plasma strength and focus la ge remains clear.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden alle Spuren gleichlang ausgebildet, wobei die jeweils pro Spur gemessene Plasmastärke integriert wird. Durch Integration der Plasmastärke entlang der jeweiligen Spuren können Schwankungen in der Plasmastärke ausgeglichen werden, was zu noch eindeutigeren Ergebnissen zwischen Plasmastärke und Fokuslage führt.According to a development of the invention, all tracks are of equal length trained, the plasma strength measured per track integrated becomes. By integrating the plasma strength along the respective tracks Fluctuations in plasma strength can be compensated for, leading to even clearer results between plasma strength and focus position leads.
In Ausgestaltung der Erfindung kann die jeweils pro Spur gemessene Plas mastärke in einem Speicher abgelegt werden, wobei nach Beendigung der Plasmastärkemessungen aller Spuren die im Speicher abgelegten Plasma stärken miteinander verglichen werden, um diejenige Spur herauszusu chen, entlang der die maximale Plasmastärke ermittelt worden ist. Die zu dieser Spur gehörende Fokuslage (Abstand zwischen Laserbearbeitungs kopf und Werkstück) wird dann für die weitere Kalibrierung der Anlage ge wählt. Der Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstück kann durch die Anlage selbst in sehr kleinen Schritten Spur für Spur verändert werden, wobei den jeweiligen Speicherplätzen für die Plasmastärke pro Spur die jeweils zugehörigen Fokuslagen bzw. Abstände zugeordnet sind. Der Anlage ist es daher möglich, den gesamten Prozeß automatisch zu steuern, etwa aufgrund eines geeigneten Maschinensteuersignals, das vor, während oder nach einer üblichen Laserbearbeitung des Werkstücks erzeugt werden kann.In an embodiment of the invention, the Plas measured in each case can be mastärke be stored in a memory, after completion of the Plasma strength measurements of all traces of the plasma stored in the memory strengths are compared with each other in order to find out that trace along which the maximum plasma strength has been determined. The too focus position belonging to this track (distance between laser processing head and workpiece) is then ge for further calibration of the system chooses. The distance between the laser processing head and the workpiece can changed track by track by the system itself in very small steps be, the respective storage locations for the plasma strength per The associated focus positions or distances are assigned. The system is therefore able to automatically close the entire process control, for example based on a suitable machine control signal, the before, during or after a normal laser machining of the workpiece can be generated.
In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann zur Messung der Plas mastärke zum Beispiel die Intensität einer vom Plasma ausgesandten Strahlung herangezogen werden. Hierzu kann ein Strahlungssensor zum Einsatz kommen, der auf den Bereich zwischen der Spitze des Laserbear beitungskopfs und dem Werkstück ausgerichtet ist, etwa auf den Bereich zwischen einer Düsenspitze und dem Werkstück, wo üblicherweise ein Plasma bei der Bearbeitung des Werkstücks erzeugt wird, etwa beim Schweißen oder beim Schneiden des Werkstücks.In yet a further embodiment of the invention, the plasma can be measured for example, the intensity of a plasma emitted Radiation can be used. For this purpose, a radiation sensor for Use that on the area between the tip of the laserbear processing head and the workpiece is aligned, such as on the area between a nozzle tip and the workpiece, where usually a Plasma is generated during the machining of the workpiece, such as Welding or cutting the workpiece.
Alternativ läßt sich aber auch zum Beispiel im Falle einer kapazitiven Mes sung des Abstandes zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück mittels ei nes LC-Generators, dessen Kapazität durch eine zwischen Bearbeitungs kopf und Werkstück vorhandene Meßkapazität gebildet wird, die Amplitu de des Generatorausgangssignals zur Messung der Plasmastärke heran ziehen. Vorteilhaft ist hierbei, daß aus ein und demselben Generatoraus gangssignal sowohl das Abstandssignal zur Bestimmung des Abstandes zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück als auch das Plasmastärke signal generiert werden können. Das Verfahren zur Fokuslagenfindung läßt sich daher besonders einfach ausführen.Alternatively, for example, in the case of a capacitive measurement solution of the distance between the machining head and the workpiece using an egg nes LC generator, the capacity of which by a processing Head and workpiece existing measuring capacity is formed, the amplitude de the generator output signal to measure the plasma strength pull. It is advantageous here that one and the same generator signal both the distance signal for determining the distance between machining head and workpiece as well as the plasma strength signal can be generated. The procedure for determining the focus position can therefore be carried out particularly easily.
Dabei kann aus dem Generatorausgangssignal die Trägerfrequenz des LC- Generators herausgefiltert werden, um anhand der Amplitude des heraus gefilterten Trägerfrequenzsignals einen Rückschluß auf die Plasmastärke zu ziehen. Zur einfacheren Beurteilung des herausgefilterten Signals bzw. des zuvor erwähnten Intensitätssignals können beide zuvor gleichgerich tet werden.The carrier frequency of the LC Generator are filtered out based on the amplitude of the filtered carrier frequency signal a conclusion on the plasma strength to draw. For easier assessment of the filtered signal or of the aforementioned intensity signal, both can previously be the same be tested.
Eine Vorrichtung zum Einstellung der Fokuslage eines auf ein Werkstück
gerichteten Laserstrahls enthält in Übereinstimmung mit der Erfindung
folgendes:
In accordance with the invention, a device for adjusting the focus position of a laser beam directed at a workpiece contains the following:
- - einen eine Fokussierungsoptik aufweisenden Bearbeitungskopf, durch den der Laserstrahl hindurchtritt, um fokussiert zu werden;A processing head having focusing optics, through which the laser beam passes to be focused;
- - eine Einrichtung zur Bestimmung eines Abstands zwischen Bearbei tungskopf und Werkstück;- A device for determining a distance between machining tion head and workpiece;
- - eine Meßeinrichtung zur Messung der Stärke eines vom Laserstrahl erzeugten Plasmas entlang einer Spur auf dem Werkstück;- A measuring device for measuring the strength of a laser beam generated plasma along a track on the workpiece;
- - eine Speichereinrichtung zur Speicherung von jeweils entlang ge trennter Spuren gemessener Plasmastärken; und- A storage device for storing each along ge separated traces of measured plasma strengths; and
- - eine Vergleichseinrichtung zum Heraussuchen desjenigen Ab stands, für den entlang einer Spur eine maximale Plasmastärke gemessen worden ist.- A comparison device to search for that Ab stands for which a maximum plasma strength was measured along a track has been.
Dabei kann die Meßeinrichtung zur Messung der Intensität einer vom Plasma abgegebenen Strahlung in einem geeigneten Wellenlängenbereich ausgebildet sein. Möglich ist aber auch, daß die Meßeinrichtung einen LC- Generator aufweist, dessen Kapazität durch eine zwischen Bearbeitungs kopf und Werkstück liegende Meßkapazität gebildet ist, wobei das Aus gangssignal des LC-Generators eine Information über die Plasmastärke enthält.The measuring device for measuring the intensity of one of Plasma emitted radiation in a suitable wavelength range be trained. However, it is also possible for the measuring device to have an LC Generator, whose capacity is determined by an intermediate machining head and workpiece lying measuring capacity is formed, the off output signal of the LC generator provides information about the plasma strength contains.
Dabei kann dem LC-Generator ein Filter zum Herausfiltern der Trägerfre quenz des LC-Generators nachgeschaltet sein, um nicht für die Fokusla genbestimmung geeignete Signale, etwa Rauschen, zu unterdrücken.The LC generator can use a filter to filter out the carrier sequence of the LC generator, so as not to be used for the focus la suitable signals, such as noise, to be suppressed.
Ferner kann der Meßeinrichtung nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein Gleichrichter nachgeschaltet sein, um eine einfachere und genauere Erfassung der Meßwerte zu ermöglichen.Furthermore, the measuring device according to a further embodiment of the Invention a rectifier to be a simple and to enable more precise recording of the measured values.
Die Meßeinrichtung kann darüber hinaus einen Integrator zum Integrie ren der gemessenen Plasmastärke enthalten, um schwankungsunabhän giger arbeiten zu können. Die Meßeinrichtung, die Speichereinrichtung, die Vergleichseinrichtung, der Bearbeitungskopf bzw. dessen Antrieb und eine Einrichtung zur Bestimmung des Abstands zwischen Bearbeitungs kopf und Werkstück können sämtlich mit einer Maschinensteuerung ver bunden sein, um eine vollautomatische Fokuslagenauswahl bzw. -einstel lung vor, während oder nach einem gewöhnlichem Laserbearbeitungspro zeß ausführen zu können.The measuring device can also be an integrator for integration included in the measured plasma strength to avoid fluctuations to be able to work more efficiently. The measuring device, the storage device, the comparison device, the processing head or its drive and a device for determining the distance between machining The head and workpiece can all be controlled by a machine control be bound to a fully automatic focus position selection or setting development before, during or after an ordinary laser processing pro to be able to perform.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:The invention is described below with reference to the drawing in described. Show it:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungs anlage mit der Möglichkeit der optischen Messung der Plasmastärke; Figure 1 is a block diagram of a laser processing system according to the invention with the possibility of optical measurement of the plasma strength.
Fig. 2 eine Skizze zur Erläuterung der Verhältnisse zwischen Laserbear beitungskopf und Werkstück bei der kapazitiven Abstandsmessung im Falle des Vorhandenseins eines Plasmas zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstück; Fig. 2 is a sketch for explaining the relationship between the laser processing head and the workpiece in the capacitive distance measurement in the presence of a plasma between the laser processing head and the workpiece;
Fig. 3 eine Laserbearbeitungsanlage mit der Möglichkeit der Bestim mung der Plasmastärke über eine Messung des Widerstands des Plasmas zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstück; und Fig. 3 is a laser processing system with the possibility of Bestim mung the plasma strength by measuring the resistance of the plasma between the laser processing head and the workpiece; and
Fig. 4 einen LC-Generator für die Schaltung nach Fig. 3. Fig. 4 shows a LC-generator for the circuit of FIG. 3.
Eine Laserbearbeitungsanlage nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist einen Laserbearbeitungskopf 1 auf, durch den ein auf ein Werkstück 2 zu fokussierender Laserstrahl 3 hindurchtritt. Die Fokus sierung des Laserstrahls 3 erfolgt mit Hilfe einer im Innern des Laserbear beitungskopfs 1 angeordneten Fokussierungsoptik 4. Mit Hilfe des auf das Werkstück 2 fokussierten Laserstrahls 3 lassen sich Schweiß- oder Schneidarbeiten durchführen, wozu der Laserbearbeitungskopf 1 und das Werkstück 2 relativ zueinander bewegt werden. Dabei entsteht zwischen der Spitze des Laserbearbeitungskopfs 1 und dem Werkstück 2 ein Plasma 5. Die Höhe h zwischen der Spitze des Laserbearbeitungskopfs 1 und dem Werkstück 2 läßt sich durch geeignete Mittel einstellen bzw. konstant hal ten, um den Fokus des Laserstrahls 3 im Bereich der Oberfläche des Werk stücks 2 zu halten. Zu diesem Zwecks ist mit dem Laserbearbeitungskopf 1 eine Höheneinstelleinrichtung 6 verbunden, die eine Verschiebung des Laserbearbeitungskopfs 1 senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks 2 ge stattet. Diese Höheneinstelleinrichtung 6 wird von einer Maschinensteue rung 7 angesteuert, die über eine Leitung 8 ein geeignetes Höheneinstell signal zur Höheneinstelleinrichtung 6 liefert. Die Höhe h zwischen Laser bearbeitungskopf 1 und Werkstück 2 kann auf geeignetem Wege gemessen werden, etwa kapazitiv. Zur Kontakthaltung der Höhe h läßt sich das Höheneinstellsignal auf der Leitung 8 entsprechend regeln.A laser processing system according to a first exemplary embodiment of the invention has a laser processing head 1 , through which a laser beam 3 to be focused on a workpiece 2 passes. The focus tion of the laser beam 3 is performed by means of an arranged in the interior of the laser focusing optics Bear beitungskopfs 1. 4 With the help of the laser beam 3 focused on the workpiece 2 , welding or cutting work can be carried out, for which purpose the laser processing head 1 and the workpiece 2 are moved relative to one another. A plasma 5 is created between the tip of the laser processing head 1 and the workpiece 2 . The height h between the tip of the laser processing head 1 and the workpiece 2 can be adjusted or kept constant by suitable means in order to keep the focus of the laser beam 3 in the region of the surface of the workpiece 2 . For this purpose a height adjustment device 6 is connected to the laser processing head 1, which equips a displacement of the laser machining head 1 perpendicular to the surface of the workpiece 2 ge. This height adjustment mechanism 6 is a machine controls tion of 7 driven which provides via a line 8, a suitable height adjusting signal to the height adjustment. 6 The height h between the laser processing head 1 and workpiece 2 can be measured in a suitable way, for example capacitively. To maintain contact with the height h, the height setting signal on line 8 can be regulated accordingly.
Zur Messung der Stärke des Plasmas 5 zwischen Laserbearbeitungskopf 1 und Werkstück 2 ist eine Meßeinrichtung 9 vorgesehen. Diese Meßeinrich tung 9 besteht aus einem mit einer Eingangsoptik 10 versehenen Strah lungsdetektor 11, der an seinem Ausgang eine der gemessenen Strah lungsintensität entsprechende Ausgangsspannung U abgibt. Dabei ist die Eingangsoptik 10 auf den Bereich zwischen Laserbearbeitungskopf 1 und Werkstück 2 gerichtet und mißt auf diese Weise die vom Plasma 5 abgege bene Strahlung in einem gewünschten bzw. vorgegebenen Wellenlängen bereich. Der Strahlungsdetektor 11 ist dabei mit dem Laserbearbeitungs kopf 1 gekoppelt bzw. fest verbunden, so daß er an dessen Bewegung teil nimmt und immer auf den Plasmabereich 5 fokussiert bleibt. Je stärker das Plasma 5 ist, desto stärker ist die von ihm abgegebene Strahlungsin tensität und desto größer ist dann auch die Ausgangsspannung U des Strahlungsdetektors 11.A measuring device 9 is provided for measuring the thickness of the plasma 5 between the laser processing head 1 and the workpiece 2 . This Meßeinrich device 9 consists of a provided with an input optics 10 radiation detector 11 , which emits an output voltage U corresponding to the measured radiation intensity at its output. The input optics 10 is directed towards the area between the laser processing head 1 and the workpiece 2 and in this way measures the radiation emitted by the plasma 5 in a desired or predetermined wavelength range. The radiation detector 11 is coupled to the laser processing head 1 or fixedly connected, so that it takes part in its movement and always remains focused on the plasma area 5 . The stronger the plasma 5 , the stronger the radiation intensity emitted by it and the greater the output voltage U of the radiation detector 11 .
Zur Meßeinrichtung 9 gehört ferner ein Integrator 12, dessen Eingang mit dem Ausgang des Strahlungsdetektors 11 verbunden ist. Der Integrator 12 integriert die vom Strahlungsdetektor 11 gemessene Strahlungsintensität bzw. die vom Strahlungsdetektor 11 abgegebene Ausgangsspannung U und stellt an seinem Ausgang einen entsprechenden Integrationswert zur Verfügung.The measuring device 9 also includes an integrator 12 , the input of which is connected to the output of the radiation detector 11 . The integrator 12 integrates the radiation intensity measured by the radiation detector 11 or the output voltage U output by the radiation detector 11 and provides a corresponding integration value at its output.
Dem Integrator 12 nachgeschaltet ist ein elektronischer Speicher 13, der zur Speicherung der vom Integrator 12 zur Verfügung gestellten Integra tionswerte dient.The integrator 12 is followed by an electronic memory 13 , which serves to store the integration values made available by the integrator 12 .
Ferner ist dem Speicher 13 eine Vergleichseinrichtung 14 nachgeschaltet, mit deren Hilfe sich die im Speicher 13 gespeicherten Integrationswerte untereinander vergleichen lassen.Furthermore, a comparison device 14 is connected downstream of the memory 13 , with the aid of which the integration values stored in the memory 13 can be compared with one another.
Der Integrator 12 und die Speichereinrichtung 13 sind mit der Maschinen steuerung 7 über eine Leitung 15 verbunden, über die die Maschinensteu erung 7 einen Integrationsstartbefehl bzw. Speicherstartbefehl zum Inte grator 12 bzw. zur Speichereinrichtung 13 liefert.The integrator 12 and the memory device 13 are connected to the machine control 7 via a line 15 , via which the machine control 7 supplies an integration start command or memory start command to the integrator 12 or to the memory device 13 .
Über eine Leitung 16 ist die Maschinensteuerung 7 mit der Speicherein richtung 13 und der Vergleichseinrichtung 14 verbunden, um zu diesen ei nen Lese-/Vergleichsbefehl zu übertragen. Schließlich ist die Maschinen steuerung 7 mit der Speichereinrichtung 13 und der Vergleichseinrich tung 14 über zum Beispiel drei Adreßleitungen 17 verbunden. Über diese Adreßleitungen 17 gibt sie Adressen zur Speichereinrichtung 13, unter de nen vom Integrator 12 gelieferten Integrationswerte gespeichert werden sollen. Andererseits liefert die Vergleichseinrichtung 14 über die Adreßlei tungen 17 diejenige Adresse zur Maschinensteuerung 7, die dem Speicher platz entspricht, auf dem der größte Integrationswert gespeichert worden ist. Eine Zuordnung zwischen den jeweiligen Speicherplatzadressen und den zugeordneten Abständen h zwischen Laserbearbeitungskopf 1 und Werkstück 2 findet sich in einem Tabellenspeicher 18 der Maschinensteu erung 7, so daß letztere aufgrund der von der Vergleichseinrichtung 14 ge lieferten Adresse die dem maximalen Integrationswert des Integrators 12 zugeordnete Höhe bzw. Fokuslage h aus dieser Tabelle 18 ablesen kann. Die Maschinensteuerung 7 stellt dann über die Höheneinstelleinrichtung 6 den Laserbearbeitungskopf 1 endgültig auf diese so ermittelte Fokuslage (Höhe h) ein. Diese wird im folgenden durch geeignete Regelung konstant gehalten.The machine controller 7 is connected to the memory device 13 and the comparison device 14 via a line 16 in order to transmit a read / compare command to them. Finally, the machine control 7 is connected to the memory device 13 and the device 14 for comparison, for example via three address lines 17 . Via these address lines 17 it gives addresses to the memory device 13 , under which integration values supplied by the integrator 12 are to be stored. On the other hand, the comparison device 14 supplies via the address lines 17 that address to the machine control 7 which corresponds to the memory space on which the greatest integration value has been stored. An assignment between the respective memory location addresses and the assigned distances h between the laser processing head 1 and workpiece 2 is found in a table memory 18 of the machine control 7 , so that the latter, based on the address provided by the comparing device 14 , corresponds to the maximum integration value of the integrator 12 or Can read focus position h from this table 18 . The machine controller 7 then sets the laser processing head 1 finally via the height adjustment device 6 to the focus position (height h) determined in this way. In the following, this is kept constant by suitable regulation.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können zum Beispiel acht im Ab stand nebeneinanderliegende Spuren bei jeweils unterschiedlichen Höhen h in die Oberfläche des Werkstücks 2 eingebrannt werden. Sämtli che acht Spuren weisen dieselbe Länge auf. Nach dem Einbrennen einer Spur wird die Summe der Plasmaintensität dieser Spur auf einem Spei cherplatz in der Speichereinrichtung 13 abgelegt, dessen Adresse von der Maschinensteuerung über die Leitung 17 vorgegeben ist. Die zugeordnete Höhe h wird in der Speichertabelle 18 gespeichert. Nachdem die zum Bei spiel acht Summenwerte der Plasmaintensität durch Einbrennen der acht Spuren mit verschiedenen Fokuslagen auf den zugehörigen Speicherplät zen der Speichereinrichtung 13 abgelegt worden sind, wird durch Aktivie ren eines Lesesignals durch die Maschinensteuerung 7 die Vergleichsein richtung 14 aktiviert. Die Vergleichseinrichtung 14 vergleicht dann die unter den jeweiligen Adressen gespeicherten Integrationswerte der Spei chereinrichtung 13 und liefert über die Adreßleitungen 17 diejenige Adresse zur Maschinensteuerung 7, unter der der größte Integrationswert gespeichert ist. Das Lesesignal wird über die Leitung 16 sowohl zur Spei chereinrichtung 13 als auch zur Vergleichseinrichtung 14 übertragen, wie bereits erwähnt. Schließlich erfolgt unter Zuhilfenahme der über die Lei tung 17 zur Maschinensteuerung 7 übertragenen Adresse dort das Aufsu chen der zugehörigen Fokuslage (Abstand h) aus der Speichertabelle 18.In the method according to the invention, for example, eight adjacent tracks can be burned into the surface of the workpiece 2 at different heights h. All eight tracks have the same length. After a track has been burned in, the sum of the plasma intensity of this track is stored on a memory location in the memory device 13 , the address of which is specified by the machine control via the line 17 . The assigned height h is stored in the memory table 18 . After the for example eight total values of the plasma intensity have been stored by burning in the eight tracks with different focus positions on the associated memory locations of the memory device 13 , the comparison device 14 is activated by activating a read signal by the machine controller 7 . The comparison device 14 then compares the integration values of the storage device 13 stored under the respective addresses and supplies, via the address lines 17, that address to the machine controller 7 under which the greatest integration value is stored. The read signal is transmitted via line 16 to both storage device 13 and comparison device 14 , as already mentioned. Finally, with the aid of the address transmitted to the machine control 7 via the line 17, the associated focus position (distance h) is found there from the memory table 18 .
Durch gleichzeitige Aktivierung der Signale auf den Leitungen 15 und 16 läßt sich die gesamte Anlage wieder in den Ursprungszustand zurückset zen.By simultaneously activating the signals on lines 15 and 16 , the entire system can be reset to its original state.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver fahrens kann im Falle einer kapazitiven Messung des Abstandes zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück mittels eines LC-Generators, dessen Kapazität durch eine zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück vorhan dene Meßkapazität CM gebildet ist, die Amplitude des Generatoraus gangssignals zur Messung der Plasmastärke herangezogen werden. According to another embodiment of the method according to the invention, in the case of a capacitive measurement of the distance between the machining head and the workpiece by means of an LC generator, the capacity of which is formed by a measuring capacitance C M between the machining head and the workpiece, the amplitude of the generator output signal for measuring the Plasma strength can be used.
Ein Vorteil liegt darin, daß eine bereits bekannte kapazitive Abstandssen sorik nicht nur zur Ermittlung des Abstandes zwischen Werkstück und Bearbeitungskopf sondern auch zur Überwachung der Plasmastärke zwi schen Bearbeitungskopf und Werkstück verwendet werden kann. Elek trisch läßt sich das Plasma als Widerstand ZP zum Beispiel mit parallel ge schalteter Rauschquelle QR beschreiben. Dieser Widerstand ZP zum Bei spiel mit parallel geschalteter Rauschquelle liegt dann als Parallelschal tung zur abstandsabhängigen Kapazität CM' zwischen einer zum Beispiel Cu-Spitze des Bearbeitungskopfs und dem Werkstück.An advantage is that an already known capacitive distance sensor can be used not only to determine the distance between the workpiece and the machining head but also to monitor the plasma strength between the machining head and the workpiece. Electrically, the plasma can be described as a resistance Z P, for example with a noise source Q R connected in parallel. This resistance Z P for example with a noise source connected in parallel then lies as a parallel circuit to the distance-dependent capacitance C M ' between, for example, a copper tip of the machining head and the workpiece.
Bei diesem Verfahren kann nach wie vor die zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück vorhandene abstandsabhängige Kapazität CM' unabhän gig vom Plasmawiderstand bestimmt werden. Dazu wird die Meßkapazität CM in einen LC-Generator eingebunden. Bei dem LC-Generator kann es sich zum Beispiel um einen allgemein bekannten emittergekoppelten LC- Oszillator handeln, der als kapazitives Element die Meßkapazität CM ent hält.With this method, the distance-dependent capacitance C M ' between the machining head and the workpiece can still be determined independently of the plasma resistance. For this purpose, the measuring capacitance C M is integrated in an LC generator. The LC generator can be, for example, a generally known emitter-coupled LC oscillator which contains the measuring capacitance C M as a capacitive element.
Erfolgt keine Bearbeitung des Werkstücks mittels des Laserstrahls, so wird allein die zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück vorhandene ab standsabhängige Kapazität CM' in den LC-Generator eingebunden. Erst mit Bildung des Plasmas treten parallel zu der abstandsabhängigen Kapa zität CM' der vom gebildeten Plasma abhängige Widerstand ZP und die Rauschquelle hinzu, die jedoch praktisch keine Wirkung auf die Frequenz des vom LC-Generators erzeugten Generatorausgangssignals haben. Je stärker das Plasma 5 ist, desto geringer wird der Widerstand ZP und desto kleiner wird die Amplitude des Generatorausgangssignals.If there is no machining of the workpiece by means of the laser beam, only the distance-dependent capacitance C M ' between the machining head and the workpiece is integrated into the LC generator. Only with the formation of the plasma occur parallel to the distance-dependent capacitance C M ' of the plasma-dependent resistance Z P and the noise source, which, however, have practically no effect on the frequency of the generator output signal generated by the LC generator. The stronger the plasma 5 , the lower the resistance Z P and the smaller the amplitude of the generator output signal.
Durch Einbindung der Meßkapazität CM in den LC-Generator erzeugt die ser also ein Generatorausgangssignal, dessen Frequenz allein von der ab standsabhängigen Kapazität CM' zwischen Bearbeitungskopf und Werk stück bestimmt ist. Dagegen wirken auf die Amplitude des erzeugten Ge neratorausgangssignals der Widerstand und die parallel geschaltete Rauschquelle des Plasmas. Die Amplitude des Generatorausgangssignals und der Rauschquelle können somit als Plasmastärkeindikatoren dienen. Dabei kann aus dem Generatorausgangssignal auch die Trägerfrequenz des LC-Generators herausgefiltert bzw. hindurchgelassen werden, und auf diese Weise werden aus dem Generatorausgangssignal noch charakte ristischere Amplitudenwerte bezüglich des Widerstands des Plasmas er halten, wodurch ein noch aussagekräftigeres Plasmastärkesignal erhal ten wird, aus dem sich dann noch genauer exakte Rückschlüsse auf die Fo kuslage ziehen lassen.By integrating the measuring capacitance C M into the LC generator, the water thus generates a generator output signal, the frequency of which is determined solely by the position-dependent capacitance C M ' between the machining head and the workpiece. In contrast, the resistance and the parallel noise source of the plasma act on the amplitude of the generated generator output signal. The amplitude of the generator output signal and the noise source can thus serve as plasma strength indicators. The carrier frequency of the LC generator can also be filtered out or passed through from the generator output signal, and in this way even more characteristic amplitude values with respect to the resistance of the plasma are obtained from the generator output signal, as a result of which an even more meaningful plasma strength signal is obtained, from which then draw more precise conclusions about the focal position.
Die Fig. 2 zeigt wiederum einen Laserbearbeitungskopf 19 mit einer an seiner Spitze ausgebildeten Sensorelektrode 20, zum Beispiel einer Cu- Elektrode. Die Sensorelektrode 2 dient zur Bildung einer Meßkapazität CM zwischen dem Laserbearbeitungskopf 19 und dem Werkstück 2. FIG. 2 again shows a laser processing head 19 with a sensor electrode 20 formed on its tip, for example a Cu electrode. The sensor electrode 2 serves to form a measuring capacitance C M between the laser processing head 19 and the workpiece 2 .
Außerdem zeigt die Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der Meßkapazität CM wäh rend der Plasmabildung. Die Meßkapazität CM wird dabei gebildet durch eine abstandsabhängige Kapazität CM', zu der parallel ein das Plasma dar stellender Widerstand ZP sowie eine durch das Plasma verursachte Rauschquelle QR liegen. Erfolgt keine Bearbeitung des Werkstücks 2, wird also kein Plasma gebildet, so ist die Meßkapazität cm zwischen dem Laser bearbeitungskopf 19 bzw. der Sensorelektrode 20 und dem Werkstück 2 gleich der abstandsabhängigen Kapazität CM'. Bei der Bearbeitung des Werkstücks 2 trifft ein aus dem Bearbeitungskopf 19 austretender Laser strahl (hier nicht gezeigt) auf das Werkstück 2, wodurch dieses am Bear beitungspunkt sehr stark erhitzt wird, so daß Werkstoffmaterial bei Zu fuhr von Sauerstoff verbrennt (Plasmabildung). Die während der Bearbei tung des Werkstücks 2 vorhandene Meßkapazität CM läßt sich also durch die abstandsabhängige Kapazität CM' mit parallel geschalteter Impedanz ZP und parallel geschalteter Rauschquelle QR darstellen.In addition, Fig. 2 shows an equivalent circuit diagram of the measured capacitance C M currency rend the plasma formation. The measuring capacitance C M is formed by a distance-dependent capacitance C M ' , to which a resistance Z P representing the plasma and a noise source Q R caused by the plasma lie in parallel. If there is no machining of the workpiece 2 , ie no plasma is formed, the measuring capacitance cm between the laser machining head 19 or the sensor electrode 20 and the workpiece 2 is equal to the distance-dependent capacitance C M ' . When machining of the workpiece 2, a leaking out of the machining head 19 laser beam strikes (not shown here) on the workpiece 2, whereby this beitungspunkt at Bear is strongly heated so that material Material of oxygen burns at to drove (plasma formation). The measuring capacitance C M present during machining of the workpiece 2 can thus be represented by the distance-dependent capacitance C M ' with an impedance Z P connected in parallel and a noise source Q R connected in parallel.
Während CM' ein Maß für den Abstand h zwischen Laserbearbeitungskopf 19 bzw. Sensorelektrode 20 einerseits und Werkstück 2 andererseits ist, dient der Widerstand ZP zusammen mit der Rauschquelle QR als Indikator für die Intensität bzw. Stärke des Plasmas. While C M 'is a measure of the distance h between laser processing head 19 or sensor electrode 20 on the one hand and workpiece 2 on the other hand, the resistance Z P together with the noise source Q R serves as an indicator of the intensity or strength of the plasma.
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die in Fig. 2 gezeigte Ersatzschaltung der Meßkapazität CM ist in Fig. 3 in einen LC-Generator G eingebunden. Bei dem LC-Generator G handelt es sich zum Beispiel um einen emitterge koppelten LC-Oszillator, dessen übrige Bestandteile durch den Block 21 symbolisiert sind. Die Schaltung des LC-Generators G mit der eingebun denen Meßkapazität CM wird später bei der Beschreibung von Fig. 4 ge nauer erläutert. Fig. 3 shows a block diagram of another embodiment of the inventive device. The equivalent circuit of the measuring capacitance C M shown in FIG. 2 is integrated in an LC generator G in FIG . The LC generator G is, for example, an emitter-coupled LC oscillator, the remaining components of which are symbolized by the block 21 . The circuit of the LC generator G with the built-in measuring capacitance C M will be explained in more detail later in the description of FIG. 4.
Durch das Einbinden der Meßkapazität CM in den LC-Generator G erzeugt dieser an seinem Ausgang ein Generatorausgangssignal 22, dessen Fre quenz von der abstandsabhängigen Kapazität CM' und dessen Amplitude vom Widerstand ZP bzw. der Rauschquelle QR bestimmt ist. Genauer ge sagt ist die Amplitude proportional zum Widerstand ZP.By integrating the measuring capacitance C M into the LC generator G, this produces at its output a generator output signal 22 , the frequency of which is determined by the distance-dependent capacitance C M ' and the amplitude of which is determined by the resistance Z P or the noise source Q R. More precisely, the amplitude is proportional to the resistance Z P.
Mittels eines dem LC-Generator G nachgeschalteten Frequenz-/Span nungsumsetzers 23 kann das Generatorausgangssignal 22 auf allgemein bekannte Weise zur Abstandsmessung zwischen Laserbearbeitungskopf 19 und Werkstück 2 verwendet werden, da der Widerstand ZP und die Rauschquelle QR praktisch keinen Einfluß auf die Frequenz des LC-Gene rators G haben.By means of a frequency / voltage converter 23 connected downstream of the LC generator G, the generator output signal 22 can be used in a generally known manner for measuring the distance between the laser processing head 19 and workpiece 2 , since the resistance Z P and the noise source Q R have practically no influence on the frequency of the LC generators G have.
Wie in Fig. 3 gezeigt, ist ausgangsseitig mit dem LC-Generator G ein Filter 24 verbunden, das aus dem Generatorausgangssignal 22 die Trägerfre quenz des LC-Generators G herausfiltert bzw. diese hindurchläßt. Aus gangsseitig ist mit dem Filter 24 weiterhin ein Gleichrichter 25 verbunden, um ein gleichgerichtetes Signal zu erzeugen.As shown in Fig. 3, a filter 24 is connected on the output side to the LC generator G, which filters out the carrier frequency of the LC generator G from the generator output signal 22 or lets it pass through. On the output side, a rectifier 25 is also connected to the filter 24 in order to generate a rectified signal.
Zur Ermittlung der Plasmastärke kann dann das am Ausgang des Gleich richters 25 erscheinende Signal dem bereits in Fig. 1 gezeigten Integrator 12 als Eingangssignal zugeführt werden, um dann entsprechend dem wei teren in Fig. 1 gezeigten Ablauf verarbeitet zu werden. Das vom Fre quenz-/Spannungsumsetzer 23 kommende Signal wird der in Fig. 1 ge zeigten Maschinensteuerung 7 zugeführt, damit auf diese Weise die Höhe h pro Spur konstantgehalten und im Tabellenspeicher 18 gespeichert wer den kann. Dies erfolgt wiederum über die Ansteuerung der Höhen-Ein stelleinrichtung 6. Ansonsten ist der Verfahrensablauf derselbe, der be reits unter Bezugnahme auf die Fig. 1 beschreiben worden ist, so daß er an dieser Stelle nicht nochmal erläutert zu werden braucht. Lediglich er wähnt sei noch, daß im Falle der Plasmabildung die bei den jeweils einge stellten Höhen h erhaltenen Generatorausgangssignale bzw. deren Ampli tuden mit der Amplitude desjenigen Generatorausgangssignals verglichen werden, das erhalten wird, wenn kein Plasma 5 vorhanden ist. Beträgt zum Beispiel die Amplitude des Generatorausgangssignals ohne Plasmabil dung 2,0 Volt, so nehmen die Amplituden des Generatorausgangssignals mit zunehmender Plasmabildung immer weiter ab, etwa von 1,5 Volt über 1,0 Volt auf 0,5 Volt (bei drei Spuren). Die kleinste Amplitude steht dabei für das stärkste Plasma, wobei in diesem Fall die genannte Spannungsdif ferenz (1,5 Volt) am größten ist. Die jeweiligen Spannungsdifferenzen be zogen auf die zugeordneten Höhen h werden dann im Speicher 13 gespei chert und die Vergleichseinrichtung 14 sucht dann diejenige Adresse im Speicher 13 heraus, unter der die größte Spannungsdifferenz gespeichert ist. Diese Adresse wird dann zur Maschinensteuerung 7 übertragen, wel che anschließend die zugeordnete Höhe h (Fokuslage) aus dem Tabellen speicher 18 heraussucht und mit dieser Höhe h die Anlage im folgenden kalibriert.To determine the plasma strength, the signal appearing at the output of the rectifier 25 can then be fed to the integrator 12 already shown in FIG. 1 as an input signal, in order then to be processed in accordance with the further process shown in FIG. 1. The signal coming from the frequency / voltage converter 23 is fed to the machine control 7 shown in FIG. 1 so that the height h per track is kept constant in this way and stored in the table memory 18. This in turn takes place via the control of the height adjustment device 6 . Otherwise, the process flow is the same as that which has already been described with reference to FIG. 1, so that it need not be explained again at this point. Only he mentions that in the case of plasma formation, the generator output signals obtained at the respectively set heights h or their amplitudes are compared with the amplitude of the generator output signal that is obtained when there is no plasma 5 present. For example, if the amplitude of the generator output signal without plasma formation is 2.0 volts, the amplitudes of the generator output signal continue to decrease with increasing plasma formation, for example from 1.5 volts to 1.0 volt to 0.5 volt (with three tracks). The smallest amplitude stands for the strongest plasma, in which case the mentioned voltage difference (1.5 volts) is greatest. The respective voltage differences based on the assigned heights h are then stored in the memory 13 and the comparison device 14 then looks for the address in the memory 13 under which the greatest voltage difference is stored. This address is then transmitted to the machine controller 7 , which then searches the assigned height h (focus position) from the table memory 18 and calibrates the system with this height h below.
Die Fig. 4 zeigt einen in der Vorrichtung nach Fig. 3 verwendeten LC- Generator G. Dieser enthält einen Transistor T1, dessen Kollektoran schluß auf Masse liegt und dessen Basisanschluß mit einer Induktivität L und der Meßkapazität CM in einem gemeinsamen Verbindungspunkt ge koppelt ist. Die jeweils anderen Anschlüsse der Induktivität L und der Netzkapazität CM liegen ebenfalls auf Masse. Der LC-Generator G enthält ferner einen Transistor T2, dessen Basisanschluß auf Masse liegt und des sen Kollektoranschluß mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt von der Induktivität L und der Meßkapazität CM verbunden ist. Die Emitteran schlüsse der Transistoren T1 und T2 sind direkt miteinander verbunden, wobei über einen gemeinsamen Verbindungspunkt ein Widerstand RE je weils mit den Emitteranschlüssen von T1 und T2 gekoppelt ist. Fig. 4 shows an LC generator G used in the device according to Fig. 3. This contains a transistor T 1 , the collector connection is connected to ground and the base connection is coupled to an inductance L and the measuring capacitance C M in a common connection point is. The other connections of the inductance L and the network capacitance C M are also grounded. The LC generator G also contains a transistor T 2 , the base connection of which is connected to ground and the collector connection of which is connected to the common connection point of the inductance L and the measurement capacitance C M. The emitter connections of the transistors T 1 and T 2 are directly connected to one another, a resistor R E being coupled to the emitter connections of T 1 and T 2 via a common connection point.
Wie ferner in Fig. 4 gezeigt, ist dem Ausgang 26 des LC-Generators G eine Verstärkereinheit 27 vorgeschaltet.As further shown in FIG. 4, an amplifier unit 27 is connected upstream of the output 26 of the LC generator G.
Der in Fig. 4 gezeigte LC-Generator G ist als Differenzverstärker reali siert. Da das Basispotential von T1 mit dem Kollektorpotential von T2 in Phase ist, kann man die Mitkopplung durch direkte Verbindung erzeugen. Die Schleifenverstärkung ist zur Steilheit der Transistoren proportional. Sie läßt sich durch Änderung des Emitterstroms in weiten Grenzen ein stellen. Am Ausgang 26 des LC-Generators G erhält man dann das Genera torausgangssignal, dessen Frequenz von der abstandsabhängigen Kapazi tät CM' und dessen Amplitude vom Widerstand des Plasmas s owie von dem durch das Plasma erzeugten Rauschen abhängt. Der Ausgang 26 des LC- Generators G liefert praktisch das in Fig. 3 gezeigte Generatorausgangs signal 22.The LC generator G shown in Fig. 4 is realized as a differential amplifier. Since the base potential of T 1 is in phase with the collector potential of T 2 , the positive feedback can be generated by direct connection. The loop gain is proportional to the slope of the transistors. It can be set within wide limits by changing the emitter current. At the output 26 of the LC generator G, the generator output signal is then obtained, the frequency of which depends on the distance-dependent capacitance C M ' and whose amplitude depends on the resistance of the plasma and on the noise generated by the plasma. The output 26 of the LC generator G practically provides the generator output signal 22 shown in FIG. 3.
Claims (15)
- - in die Oberfläche des Werkstücks (2) werden mit Hilfe des Laser strahls (3) mehrere voneinander getrennte Spuren bei jeweils unterschied lichen Abständen zwischen Bearbeitungskopf (1, 19) und Werkstück (2) und ansonsten unter gleichen Bedingungen eingebrannt;
- - die Stärke eines dabei entstehenden Plasmas (5) wird für jede Spur getrennt gemessen; und
- - es wird derjenige Abstand zwischen Bearbeitungskopf (1, 19) und Werkstück (2) herausgesucht, für den die maximale Plasmastärke gemes sen worden ist.
- - In the surface of the workpiece ( 2 ) with the help of the laser beam ( 3 ) several separate tracks at different distances between the processing head ( 1 , 19 ) and workpiece ( 2 ) and otherwise burned in under the same conditions;
- - The strength of a resulting plasma ( 5 ) is measured separately for each track; and
- - The distance between the processing head ( 1 , 19 ) and workpiece ( 2 ) is selected for which the maximum plasma strength has been measured.
- - einen eine Fokussierungsoptik (4) aufweisenden Bearbeitungskopf (1, 19), durch den der Laserstrahl (3) hindurchtritt;
- - eine Einrichtung zur Bestimmung eines Abstands (h) zwischen Bear beitungskopf (1, 19) und Werkstück (2);
- - eine Meßeinrichtung (9; G; 24; 25) zur Messung der Stärke eines vom Laserstrahl (3) erzeugten Plasmas (5) entlang einer Spur auf dem Werk stück (2);
- - eine Speichereinrichtung (13) zur Speicherung von jeweils entlang getrennter Spuren gemessener Plasmastärken; und
- - eine Vergleichseinrichtung (14) zum Heraussuchen desjenigen Ab standes (h), für den entlang einer Spur eine maximale Plasmastärke ge messen worden ist.
- - A processing head ( 1 , 19 ) having focusing optics ( 4 ) through which the laser beam ( 3 ) passes;
- - A device for determining a distance (h) between the machining head ( 1 , 19 ) and the workpiece ( 2 );
- - A measuring device ( 9 ; G; 24 ; 25 ) for measuring the strength of a plasma ( 5 ) generated by the laser beam ( 3 ) along a track on the workpiece ( 2 );
- - a storage device ( 13 ) for storing plasma strengths measured along separate tracks in each case; and
- - A comparison device ( 14 ) for selecting that from stand (h) for which a maximum plasma strength has been measured along a track.
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