DE202014101212U1 - Schnell ansprechendes kapazitives Messsystem mit Diskriminierungsschaltung mit steilflankigem Filter - Google Patents

Schnell ansprechendes kapazitives Messsystem mit Diskriminierungsschaltung mit steilflankigem Filter Download PDF

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Abstract

Kapazitives Messsystem zum Messen der Höhe eines Laserkopfes über einem Kunststoffwerkstück, wobei das System umfasst: eine Laserkopf-Düse, die eine erste Platte eines Kondensators bildet; wobei das Kunststoffwerkstück einen dielektrischen Abschnitt des Kondensators bildet; einen auf Kapazitätsänderungen ansprechenden Hochfrequenzoszillator, der mit dem Kondensator betriebsfähig gekoppelt ist, wobei der Oszillator einen Ausgang liefert; und ein Bypassfilter hoher Ordnung zum Verarbeiten des Ausgangs von dem Oszillator, um Änderungen der Kapazität des Kondensators zu messen.

Description

  • GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein kapazitive Messsysteme und spezieller ein verbessertes kapazitives Messsystem zur Verwendung in solchen Anwendungen, wie industrieller Laserbearbeitung, darunter unter anderem Schneiden, Ritzen, Abtragen und Schweißen, und zur Verwendung in anderen Anwendungen, wo die Position eines sich bewegenden Elements unter Anwendung von kapazitivem Messen gesteuert oder gemessen wird. Das hier beschriebene System kann zum Beispiel ein Mittel zum Messen des Abstands Spitze-Teil bereitstellen.
  • HINTERGRUND
  • In diesem Abschnitt werden die vorliegende Offenbarung betreffende Hintergrundinformationen bereitgestellt, welche nicht notwendigerweise zum Stand der Technik gehören. Bei kapazitiven Messsystemen existieren Anwendungen, wie etwa Laserbearbeitung, bei denen extrem schnelle Reaktionszeiten, Störfestigkeit und Kompensation von Hintergrundkapazität wesentlich sind. Die Fähigkeit eines Systems, sich bezüglich dieser Merkmale auszuzeichnen, würde ein Produkt effizienter und anderen Bauformen überlegen machen.
  • Zum Beispiel ist das Aufrechterhalten einer konstanten Abstandshöhe vorteilhaft in einem Laserprozess, da es den Laserfokus in Bezug auf das Teil konsistent hält sowie die Gasstromdynamik konsistent hält. Das Verwenden einer Kapazität zum Messen des Abstands Spitze-Teil ist das bevorzugte Verfahren für die Laserbearbeitung; es sind jedoch beträchtliche konstruktive Herausforderungen vorhanden. Zu diesen Herausforderungen gehören folgende:
    • a) Eine schnelle Laserbearbeitung erfordert eine entsprechend schnelle Kompensation des Abstands Spitze-Teil. Typische Reaktionszeiten für kapazitive Messsysteme sind langsamer als 2 ms und setzen daher Geschwindigkeiten der Laserbearbeitung eine praktische Grenze.
    • b) Eine industrielle Laserbearbeitung ist von Natur aus rauschbehaftet. Das Plasma und das ausgestoßene geschmolzene Metall können die Kapazität störend beeinflussen und somit die Fähigkeit des Systems zunichte machen, den Abstand Spitze-Teil genau zu messen. Der typische Weg, um dieser Störung Rechnung zu tragen, besteht darin, sie mit einem Tiefpassfilter mit einer Abschneidefrequenz von ca. 500 Hz herauszufiltern, was erneut eine relativ langsame Reaktionszeit zur Folge hat, welche die Gesamt-Laserbearbeitungsgeschwindigkeit beeinträchtigt.
    • c) Die Kapazitätsschwankung, die zwischen der Spitze und dem Teil auftritt, kann weniger als ein Picofarad betragen. Aus diesem Grunde ist es für eine genaue Messung Spitze-Teil wesentlich, die Hintergrundkapazität konstant zu halten. Schwankungen von Temperatur, Feuchtigkeit und anderen äußeren Einflüssen können jedoch die Hintergrundkapazität verändern, was erhebliche Fehler bei der Messung Spitze-Teil verursacht. Mit herkömmlichen Systemen ist es schwierig, diesem Fehler Rechnung zu tragen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Dieser Abschnitt gibt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Darlegung ihres vollen Umfangs oder ihrer sämtlichen Merkmale.
  • Das verbesserte kapazitive Messsystem, das hier ausführlicher beschrieben ist, weist eine spezielle Analogschaltung auf, in welcher ein sorgfältig kalibrierter, auf Kapazitätsänderungen ansprechender Oszillator und ein Bypassfilter hoher Ordnung, um den Ausgang des Oszillators zu verarbeiten und somit Änderungen der Kapazität sogar dann zu messen, wenn diese Änderungen sehr schnell auftreten, eingesetzt werden. Unter ”Bypassfilter” wird im vorliegenden Text ein Tiefpassfilter, ein Hochpassfilter oder ein Kerbenfilter verstanden. Das verbesserte Messsystem weist eine potentielle Reaktionszeit von weniger als 0,01 ms auf und reagiert somit wesentlich schneller als herkömmliche kapazitive Messsysteme (2 ms).
  • Anstatt ein herkömmliches 500-Hz-Tiefpassfilter zu verwenden, um laserinduziertes Rauschen herauszufiltern (auf Kosten der Geschwindigkeit), verwendet das verbesserte kapazitive Messsystem sein Hochfrequenz-Bypassfilter hoher Ordnung, um schnell winzige Änderungen der Kapazität zu erkennen. Somit konzentriert sich das verbesserte kapazitive Messsystem auf eine schnelle Signalwiederherstellung aus dem Rauschen, anstatt zu versuchen, Letzteres herauszufiltern. Unter ”hoher Frequenz” wird im vorliegenden Text eine Frequenz von mehr als 500 kHz, z. B. zwischen 500 kHz und 1 MHz, verstanden. Unter ”hoher Ordnung” wird im vorliegenden Text eine Ordnung verstanden, die höher als 4 ist.
  • Um Schwankungen der Umgebungsbedingungen (z. B. der Temperatur oder Feuchtigkeit) Rechnung zu tragen, verwendet das verbesserte kapazitive Messsystem eine Kompensationsschaltung, um den Einfluss der Hintergrundkapazität auszugleichen, wenn sich die Spitze in einem relativ großen Abstand von dem Teil befindet. Die Kompensationsschaltung kommt in Intervallen zwischen den Prozessen des Schneidens, Ritzens, Abtragens und/oder Schweißens zum Einsatz. Sie kalibriert den Oszillator genau, um ihn mit dem günstigsten Bereich (”Sweet Spot”) des Hochfrequent-Tiefpassfilters hoher Ordnung abzustimmen, so dass das Filter auch weiterhin sehr kleine Änderungen der Kapazität erkennen kann, wenn sich der Abstand von der Sondenspitze zum Teil ändert.
  • Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier gegebenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und die speziellen Beispiele in dieser Kurzdarstellung sollen nur Zwecken der Veranschaulichung dienen und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
  • ZEICHNUNGEN
  • Die hier beschriebenen Zeichnungen sollen nur Zwecken der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen dienen, und sie sind nicht dazu bestimmt, den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
  • 1 ist ein Blockschaltbild des verbesserten kapazitiven Messsystems, welches in Verbindung mit dem Servomotorsystem dargestellt ist, das verwendet wird, um die Auf- und Abwärtsbewegung der Spitze relativ zum Teil anzutreiben.
  • 2 ist ein detailliertes Blockschaltbild des verbesserten kapazitiven Messsystems mit hinzugefügten Diagrammen, welche verschiedene Beziehungen zwischen Abstand (d), Kapazität (C), Frequenz (freq), Amplitude (amp) und Ausgangsspannung (Vout) zeigen.
  • 3 ist ein Diagramm, welches zeigt, wie sich die Flankensteilheit des Filters auf die Diskriminationsfähigkeit des Kapazitätssensors auswirkt.
  • 4 ist ein Wellenformdiagramm eines Oszilloskops, welches einen Vergleich zwischen der von dem Kapazitätssensor erzeugten Höhe (Erfassungssignal) mit dem durch das Messsystem erzeugten Positionsindikator bei Vorhandensein von Rauschen zeigt.
  • 5 zeigt Reaktionskurven des Systems, die verwendet werden, um verschiedene Materialien zu erkennen.
  • In den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen bezeichnen einander entsprechende Bezugszeichen durchgehend einander entsprechende Teile.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen umfassender beschrieben.
  • Es wird auf 1 Bezug genommen; das verbesserte kapazitive Messsystem ist allgemein mit 10 bezeichnet. Wie dargestellt, führt das Messsystem ein Steuersignal der Motortreiberschaltung 12 zu, welche wiederum die Auf- und Abwärtsbewegung des Spitzen-Servomotors 14 steuert. Für Zwecke der Veranschaulichung zeigt 1 die Spitze 16 in zwei Positionen: Position 16a – in Arbeitsnähe zum Teil 18, und Position 16b – in einer zurückgezogenen Position. Es versteht sich, dass während des Betriebs der Servomotor 14 so gesteuert wird, dass er den richtigen Arbeitsabstand (d) zwischen der Spitze 16 und dem Teil 18 aufrechterhält. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, zieht der Servomotor 14 von Zeit zu Zeit, wie etwa zwischen Intervallen einer mit einer Bearbeitung einhergehenden Interaktion zwischen Spitze und Teil (z. B. während des Schneidens, Ritzens, Abtragens und/oder Schweißens), die Spitze in die Position 16b zurück. Wenn die Spitze in die Position 16b zurückgezogen ist, führt die Kompensations-Kalibrierschaltung 20 einen Kalibriervorgang an dem Kapazitätssensor 22 durch. Einzelheiten der Kompensations-Kalibrierschaltung 20 und des Kapazitätssensors 22 werden unten in Verbindung mit 2 dargelegt.
  • Das verbesserte kapazitive Messsystem verwendet eine spezielle Analogschaltung, welche eine hoch genaue und schnelle kapazitive Erfassung durchführt. Ein als Digitalschaltung ausgebildeter Zyklus-Steuerungsprozessor 24 bestimmt den Betrieb dieser Analogschaltung. Der Zyklus-Steuerungsprozessor 24 sendet digitale Steueranweisungen an den Motortreiber 12, um zu bewirken, dass der Spitzen-Servomotor 14 die Spitze in die Position 16b zurückzieht. Diese Rückzugsbewegung wird normalerweise durchgeführt, nachdem eine bestimmte, mit einer Bearbeitung einhergehende Interaktion zwischen Spitze und Teil abgeschlossen ist, wie etwa wenn es Zeit ist, ein fertig bearbeitetes Teil zu entfernen und ein neues Teil, das bearbeitet werden soll, einzusetzen. Nach dem Zurückziehen der Spitze sendet der Zyklus-Steuerungsprozessor 24 digitale Steueranweisungen an die Kompensations-Kalibrierschaltung 20, welche bewirken, dass diese den Kapazitätssensor 22 für seine nächste Verwendung kalibriert.
  • Es wird nun auf 2 Bezug genommen; der Kapazitätssensor 22 des verbesserten kapazitiven Messsystems 10 verwendet einen Oszillator 26. Die von dem Oszillator erzeugte Frequenz ist eine Funktion von Widerstand (R), Kapazität (C) und/oder Induktivität (L). Der die Kapazität (C) betreffende Teil der Funktion ist seinerseits eine Funktion des Abstands (d) zwischen der Spitze und dem Teil. Wenn sich der Abstand zwischen der Spitze und dem Teil ändert, ändert sich die Kapazität, was eine Änderung der Oszillatorfrequenz zur Folge hat. Die resultierende Frequenz liegt gewöhnlich zwischen 1 kHz und 1 GHz. Der Oszillator kann auf einer LM 555 Zeitgeberschaltung im ”instabilen Betriebsmodus” beruhen (siehe Datenblatt www.natural.com/ds/LM555.pdf), wobei eine optionale Modifikation an dieser Schaltung vorgenommen werden kann, um die Empfindlichkeit der Schaltung gegenüber Temperaturschwankungen zu verringern. Zum Beispiel kann die Schaltung in einen Eingangspuffer, einen Komparator und ein Flipflop aufgeteilt sein.
  • Der Ausgang des Oszillators 10 wird durch ein (steilflankiges) Hochfrequenz-Tiefpassfilter hoher Ordnung 28 geschickt. Das Tiefpassfilter 28 kann als ein aktives Filter mit einer Abschneidefrequenz implementiert sein, die der Betriebsfrequenz des Oszillators nahekommt. Bei einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform ist das Filter 28 ein Filter 7. Ordnung, welches eine sehr steile Abschneideflanke gewährleistet. Allgemein gilt: Je steiler die Abschneideflanke ist, desto empfindlicher ist das resultierende System. Der resultierende Ausgang des Filters 28 hat eine Amplitude, welche sich mit abnehmender Frequenz vergrößert. Dies kann anhand von 3 veranschaulicht werden, welche die Flanke eines beispielhaften Tiefpassfilters zeigt. Es ist anzumerken, dass das Filter so ausgelegt ist, dass sein günstigster Bereich (”Sweet Spot”) 30 bei einer Frequenz zentriert ist, welche mit der Nennfrequenz des Oszillators 26 übereinstimmt, wenn sich die Spitze in ihrer zurückgezogenen Position 16b befindet. Aufgrund der steilen Abschneideflanke bewirkt eine kleine Änderung der Oszillatorfrequenz (x-Achse) eine große Änderung der Ausgangsamplitude (y-Achse) des Filters. Um die hohe Ordnung (größer als 4) der Filterung zu erreichen, sind handelsübliche aktive Filter mit einer geeigneten unterstützenden Schaltungsanordnung implementiert (z. B. datasheets.maxim-ic.com/en/ds/max280-mx11062.pdf).
  • Obwohl ein Hochfrequenz-Tiefpassfilter hoher Ordnung gegenwärtig bevorzugt wird, kann der Kapazitätssensor 22 auch unter Verwendung eines Hochpassfilters oder Kerbenfilters implementiert sein. Im Wesentlichen ist jedes Filter geeignet, das eine Flankensteilheit gewährleistet, welche für eine kleine Änderung der Oszillatorfrequenz eine große Änderung des Filterausgangs erzeugen kann. Falls zum Beispiel ein Hochpassfilter gewählt wird, so hätte die in 3 dargestellte Kurve einen ”umgedrehten” Verlauf, so dass der lineare Betriebsbereich in der entgegengesetzten Richtung geneigt verlaufen würde. Obwohl dies die Polarität des Filterausgangs verändern würde, kann im Wesentlichen dieselbe Frequenzdiskriminierung erzielt werden.
  • Um die Ausgangsamplitude des Filters 28 zu messen, verwendet der Kapazitätssensor 22 einen Hochfrequenzdetektor 32. Der Hochfrequenzdetektor ist darauf abgestimmt, Frequenzen zu empfangen, welche die dem linearen Betriebsbereich des Filters 28 zugeordneten Frequenzen abdecken. Der Hochfrequenzdetektor 32 erzeugt somit ein Ausgangssignal, welches faktisch die variierende Ausgangsamplitude des Filters 28 in eine variierende Spannung (Vout) umwandelt. Der HF-Detektor 32 erzeugt eine Gleichspannung, welche zu der Leistung in dem Signal proportional ist, das aus dem Bypassfilter (Tiefpass) 28 resultiert. Der HF-Detektor kann unter Verwendung einer diodenbasierten Gleichrichterschaltungsanordnung oder einer dedizierten integrierten Schaltung (siehe datasheets.maximic.com/en/ds/max2016.pdf) implementiert werden. Um die Signalantwort zu verbessern, kann eine geeignete Verstärkungsstufe 34 eingefügt werden, deren verstärkter Ausgang einer Endausgangsstufe 36 zugeführt wird, welche die Motortreiberschaltung 12 (1) speist und/oder einen Teil derselben umfasst. Die Motorausgangsstufe optimiert das Signal und bereitet es für die Verwendung als ein Messsystem auf. Dieses Signal wird somit in den Spitzen-Servomotor 14 eingespeist, welches das Signal Vout in eine physische Position (d) umwandelt. Die Verstärkungsstufe kann ein standardmäßiges, auf einem Operationsverstärker basiertes Differentialfilter sein.
  • Für einen effizienten Betrieb sollte der ”Sweet Spot” des Filters bei oder in der Nähe der Nennfrequenz des Oszillators 26 positionier sein. Wie oben erläutert, variiert die Oszillatorfrequenz in Abhängigkeit von der erfassten Kapazität. Die Kapazität wiederum variiert, wenn sich der Abstand zwischen Spitze und Teil ändert. Die Kapazität wird jedoch auch durch Umgebungsbedingungen beeinflusst, wie Temperatur und Feuchtigkeit, und diese Umweltfaktoren können die Genauigkeit wesentlich beeinträchtigen. Um den Einfluss von Umgebungsschwankungen zu kompensieren, verwendet das verbesserte kapazitive Messsystem eine Kompensations-Kalibrierschaltung 20, welche eine Hintergrundkapazitäts-Kompensatorschaltung 38 benutzt. Die Kompensatorschaltung 38 bildet, wenn sie zugeschaltet ist, eine Rückführungsschleife zwischen dem Ausgang der Verstärkungsstufe 34 und dem Oszillator 26. Die Kompensatorschaltung 38 wird selektiv zugeschaltet (in Reaktion auf eine Anweisung von dem Zyklus-Steuerungsprozessor 24, 1), wenn sich die Spitze in ihrer zurückgezogenen Position 16b befindet. Die Hintergrundkapazitäts-Kompensatorschaltung verwendet Rückführungsregelung im geschlossenen Kreis, um die Oszillatorfrequenz des Oszillators 26 durch Verstellen von Parametern der Oszillator- Frequenzfunktion genau einzustellen, um das resultierende Signal zu normieren, wenn die Spitze fern von dem Teil oder in einer anderen bekannten Position ist.
  • Im Unterschied zu herkömmlichen kapazitiven Messsystemen, welche eine starke Tiefpassfilterung (z. B. 500 Hz) verwenden, um durch den Laserprozess induziertes Rauschen herauszufiltern, ist das verbesserte kapazitive Messsystem in der Lage, in Gegenwart von Rauschen zu funktionieren. Zur Veranschaulichung wird auf 4 Bezug genommen, welche den Ausgang eines Zweistrahl-Oszilloskops zeigt. Das obere Wellenformdiagramm zeigt den Ausgang des kapazitiven Erfassungssignals, und das untere Wellenformdiagramm zeigt den Positionsindikator-Ausgang des Messsystems. Man beachte, dass das kapazitive Erfassungssignal ein erhebliches Rauschen aufweist, welches durch den Laserprozess erzeugt wird und durch die Höhenerfassungsschaltung detektiert wird. Sogar in Gegenwart dieses Rauschens weist die resultierende Bewegung, die im unteren Wellenformdiagramm dargestellt ist, nur ein vernachlässigbares Rauschen auf.
  • Gemäß den vorliegenden Lehren kann das oben beschriebene System verwendet werden, um den Abstand zwischen dem Laserbearbeitungskopf und einem Polymerwerkstück zu detektieren. Das kapazitive Erfassungssignal von den kapazitiven Sensor 22 des verbesserten kapazitiven Messsystems 10 verwendet einen Oszillator 26. Die von dem Oszillator erzeugte Frequenz ist eine Funktion von Widerstand (R), Kapazität (C) und/oder Induktivität (L). Der die Kapazität (C) betreffende Teil der Funktion ist seinerseits eine Funktion des Abstands (d) zwischen der Spitze und dem Teil. Wenn sich der Abstand zwischen der Spitze und dem Teil ändert, ändert sich die Kapazität, was eine Änderung der Oszillatorfrequenz zur Folge hat.
  • Falls das Werkstück aus einem nichtleitenden Polymer besteht, ist davon auszugehen, dass Änderungen der Nähe des Laserkopfes zu einem Polymerwerkstück die Dielektrizitätskonstante verändern. Diese Änderung verursacht eine Änderung des kapazitiven Erfassungssignals Wie oben beschrieben, wird die Änderung des Signals verwendet, um die Bewegung des Servomotors zu steuern, um die Betriebscharakteristiken des Systems zu steuern.
  • Wie unten ausführlicher beschrieben wird, kann das oben beschriebene System in modifizierter Form verwendet werden, um die Höhe des Laserkopfes über einer Polymerkomponente oder einem Polymerwerkstück zu steuern. Diese Modifikation ermöglicht dann die Verwendung eines Schneidlasers, um Polymerkomponenten genau zu bearbeiten. Die Höhenerfassungsschaltung detektiert Änderungen der Kapazität der Spitze zum Beispiel in Bezug auf Erde. Bei dem zuvor beschriebenen System kann das Metallwerkstück elektrisch mit Erde verbunden sein. Da Polymerkomponenten typischerweise nichtleitend sind, kann das hier beschriebene System auch eine Messung der Kapazität zu Erde verwenden. Wie oben beschrieben, werden Änderungen der Kapazität in eine Änderung der Frequenz umgewandelt. Die Schwankungen der Frequenz werden in eine Spannung umgewandelt und in einem Regelkreis verwendet, um einen konstanten Zwischenraum zwischen Spitze und Oberfläche (Abstandshöhe) aufrechtzuerhalten.
  • 5 zeigt die verschiedenen kapazitiven Reaktionskurven für unterschiedliche Materialien. Es wird nochmals kurz auf 2 Bezug genommen; die Verstärkungsstufe 32 kann eingestellt werden, um unterschiedliche Materialien zu detektieren. Um Metall zu detektieren, kann die Verstärkung zum Beispiel auf 8× eingestellt werden. Für Kunststoffkomponenten in der Nähe des Kopfes kann die Verstärkung an der Stufe 32 auf 32× eingestellt werden. Die Ausgangsstufe 36 wird dann so eingestellt, dass sie den Ausgang linearisiert.
  • Der detektierte Betrag der Kapazitätsänderung der Spitze ist in Bezug auf ein Kunststoffteil äußerst klein. Um ein Kunststoffteil effizient zu erfassen, kann die Verstärkung der Schaltung extrem hoch sein. Mit einer derart hoch eingestellten Verstärkung wird die Schaltung empfindlich gegenüber Änderungen von Umgebungsbedingungen, wie Temperatur und Feuchtigkeit. In Verbindung mit der Laserbearbeitung von Materialien können die Art des Hilfsgases, Druck, Temperatur und Feuchtigkeit die Höhenerfassung von Kunststoffteilen beeinflussen. Eine Steuerung dieser Bedingungen kann für einen erfolgreichen Arbeitsablauf wichtig sein. Eine Steuerung der Umgebungsbedingungen in einer Fertigungsumgebung wäre daher hilfreich. Hierzu würde gehören, die Luft um den Laserkopf herum sauber und trocken zu halten.
  • Die Durchführung einer schnellen Neukalibrierung des Höhensensors nach jedem Schnitt ist für einen Laser Mech FiberCut Laserkopf ein standardmäßiger Vorgang, um zu helfen, die Konsistenz des Prozesses zu sichern. Dieser Prozess kann jedoch aufgrund der hohen Verstärkungseinstellung und der Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der Umgebungsbedingungen, wie Temperatur, Feuchtigkeit und Hilfsgas, kritisch sein.
  • Der hier offenbarte Höhensensor weist die Fähigkeit auf, mehrere Kurvencharakteristiken für verschiedene zu schneidende Materialien zu speichern. In diesem Zusammenhang kann der Höhensensor einem Roboterarm zugeordnet sein, welcher dann den Schneidkopf an verschiedenen Stellen entlang eines Werkstücks positioniert. Die Hintergrundkapazität kann in Abhängigkeit von der konstruktiven Umgebung erheblich schwanken. Dabei kann es sich zum Beispiel um Schwankungen aufgrund der Dicke von Polymerwerkstücken handeln. Ursprünglich waren diese ”Kurven” dazu bestimmt, eine Auswahl aus verschiedenen Gestaltungen der Spitze zu ermöglichen. Dieselbe Technologie kann jedoch genutzt werden, um eine Auswahl aus verschiedenen Materialarten zu ermöglichen. Ein Wechsel zwischen Kurven und eine Neukalibrierung können innerhalb von ca. 50 ms erfolgen.
  • Es wurde festgestellt, dass sich die kapazitive Reaktion des Kunststoffmaterials während des Laserschneidens ändert. Eine typische Charakterisierung der kapazitiven Reaktion bei Metallteilen wird ohne Laserschneiden vorgenommen. Bei Kunststoff kann es jedoch vorteilhaft oder notwendig sein, die Reaktion zu charakterisieren, während ein Testschnitt durchgeführt wird.
  • Aus dem Obigen wird ersichtlich, dass das verbesserte kapazitive Messsystem vorteilhaft eine Kombination von Analog- und Digitalschaltungen nutzt, um schnelle und hoch genaue Messungen sogar in Gegenwart von Rauschen zu erzeugen. Das System verwendet die Rückzugsintervalle der Spitze, um eine Umgebungs-Kalibrierung durchzuführen und somit eine hohe Genauigkeit sogar in Anbetracht von Schwankungen von Temperatur und Feuchtigkeit sicherzustellen.
  • Während das verbesserte kapazitive Messsystem in seiner gegenwärtig bevorzugten Form dargestellt und beschrieben wurde, versteht es sich, dass gewisse Modifikationen an der Schaltungsanordnung oder an ausgewählten Komponenten vorgenommen werden können, ohne von der Grundidee unseres Erfindungskonzepts abzuweichen.
  • Die obige Beschreibung der Ausführungsformen wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung gegeben. Sie ist nicht dazu gedacht, erschöpfend zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind allgemein nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind, soweit zutreffend, austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn dies nicht speziell dargestellt oder beschrieben ist. Dieselben können auch auf viele verschiedene Arten variiert werden. Derartige Variationen sind nicht als ein Abweichen von der Offenbarung auszulegen, und alle derartigen Modifikationen sollen im Schutzumfang der Offenbarung enthalten sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • www.natural.com/ds/LM555.pdf [0019]
    • datasheets.maxim-ic.com/en/ds/max280-mx11062.pdf [0020]
    • datasheets.maximic.com/en/ds/max2016.pdf [0022]

Claims (14)

  1. Kapazitives Messsystem zum Messen der Höhe eines Laserkopfes über einem Kunststoffwerkstück, wobei das System umfasst: eine Laserkopf-Düse, die eine erste Platte eines Kondensators bildet; wobei das Kunststoffwerkstück einen dielektrischen Abschnitt des Kondensators bildet; einen auf Kapazitätsänderungen ansprechenden Hochfrequenzoszillator, der mit dem Kondensator betriebsfähig gekoppelt ist, wobei der Oszillator einen Ausgang liefert; und ein Bypassfilter hoher Ordnung zum Verarbeiten des Ausgangs von dem Oszillator, um Änderungen der Kapazität des Kondensators zu messen.
  2. Kapazitives Messsystem nach Anspruch 1, welches ferner einen Aktor umfasst, der dafür ausgebildet ist, die Laserkopf-Düse in Reaktion auf die Änderungen der Kapazität des Kondensators zu bewegen.
  3. Kapazitives Messsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Bypassfilter hoher Ordnung eine Reaktionszeit von weniger als etwa 0,01 ms aufweist.
  4. Kapazitives Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches ferner eine Temperatur-/Feuchtigkeits-Kompensationsschaltung umfasst, die dafür ausgebildet ist, den Einfluss von Änderungen der Hintergrundkapazität zu kompensieren.
  5. Kapazitives Messsystem nach Anspruch 4, welches ferner eine Steuereinrichtung umfasst, die dafür ausgebildet ist, die Kompensationsschaltung in Intervallen zwischen aufeinander folgenden Aktivierungen der Laserdüse zuzuschalten.
  6. Kapazitives Messsystem nach Anspruch 5, wobei die aufeinander folgende Aktivierung der Düse mit Schneiden des Werkstücks, Ritzen des Werkstücks, Abtragen des Werkstücks und/oder Schweißen des Werkstücks und/oder Kombinationen davon verbunden ist.
  7. Kapazitives Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Bypassfilter ein Tiefpassfilter, ein Hochpassfilter und/oder ein Kerbenfilter ist.
  8. Kapazitives Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welches ferner einen Hochfrequenzdetektor umfasst, der mit dem Hochfrequenz-Bypassfilter hoher Ordnung gekoppelt ist.
  9. Kapazitives Messsystem nach Anspruch 8, wobei der Hochfrequenzdetektor einen variierenden Ausgang des Filters in eine variierende Spannung umwandelt.
  10. Lasersystem für einen Laser, wobei das System umfasst: einen Laser mit einer Düse; einen Betätigungsmechanismus, der mit der Düse gekoppelt ist; ein kapazitives Messsystem nach Anspruch 1, das einen Kondensator umfasst, der von der Düse und einem Polymerwerkstück gebildet wird; und einen Hochfrequenzdetektor, der dafür ausgebildet ist, einen variierenden Ausgang des Bypassfilters des kapazitiven Messsystems in eine variierende Spannung umzuwandeln, wobei der Betätigungsmechanismus mit dem Hochfrequenzdetektor betriebsfähig gekoppelt ist, um die Düse in Reaktion auf die variierende Spannung zu bewegen.
  11. Messsystem nach Anspruch 10, welches ferner eine kapazitive Kompensationsschaltung umfasst, die mit dem Bypassfilter betriebsfähig gekoppelt ist.
  12. Messsystem nach Anspruch 11, wobei die Kompensationsschaltung eine Rückführungsschleife zwischen einem Ausgang einer Verstärkungsstufe und dem Oszillator bildet.
  13. Messsystem nach Anspruch 12, wobei die Kompensationsschaltung selektiv zugeschaltet wird, wenn sich die Düse in einem inaktiven Zustand befindet.
  14. Messsystem nach Anspruch 10, wobei das Bypassfilter ein Tiefpassfilter hoher Ordnung ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112097717B (zh) * 2020-07-27 2022-07-12 兰州交通大学 一种基于碰撞振动的间隙检测系统及方法
CN115824020B (zh) * 2023-01-05 2023-05-23 济南邦德激光股份有限公司 电容标定方法、评估方法、设备和存储介质

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4205759C2 (de) * 1992-02-25 1993-12-02 Weidmueller Interface Düse zur Bearbeitung von Nichtmetallen
WO2011037981A2 (en) * 2009-09-22 2011-03-31 Laser Mechanisms, Inc. Fast response capacitive gauging system featuring steep slope filter discrimination circuit

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
datasheets.maximic.com/en/ds/max2016.pdf
datasheets.maxim-ic.com/en/ds/max280-mx11062.pdf
www.natural.com/ds/LM555.pdf

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017115922A1 (de) 2017-07-14 2019-01-17 Precitec Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Regelung eines Abstands zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück
WO2019011775A1 (de) 2017-07-14 2019-01-17 Precitec Gmbh & Co. Kg VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR MESSUNG UND REGELUNG EINES ABSTANDS ZWISCHEN BEARBEITUNGSKOPF UND Werkstück
US11090760B2 (en) 2017-07-14 2021-08-17 Precitec Gmbh & Co. Kg Method and device for measuring and controlling a distance between a machining head and a workpiece
DE102017115922B4 (de) 2017-07-14 2021-10-07 Precitec Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Einstellung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf und einem Werkstück sowie dazugehöriges Verfahren zur Regelung
DE102017115922C5 (de) 2017-07-14 2023-03-23 Precitec Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Einstellung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf und einem Werkstück sowie dazugehöriges Verfahren zur Regelung

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