FI123806B - Mittaus- ja työstömenetelmä lasertyöstössä - Google Patents

Description

MITTAUS-JA TYÖSTÖMENETELMÄ LASERTYÖSTÖSSÄ Tämän keksinnön kohteena on mittaus- ja työstömenetelmä lasertyöstössä, jolla menetelmällä määritetään työstettävän kohdan korkeusarvo ja saadun mittaustuloksen avulla 5 asemoidaan sitten lasersäteen polttopisteen paikka vastaamaan aina kulloinkin työstettävän kohdan paikkaa.

Keksinnön käyttöala on lasertyöstö, kuten merkkaus, kaiverrus, leikkaus tai hitsaus sen kaltaisissa kohteissa, joissa työstettävän kohdan korkeustaso muuttuu työstölaitteeseen nähden työstön edetessä. Esimerkkinä tällaisesta kohteesta voidaan mainita ohut levy 10 (vahvuus 100- 300 pm), j oka ei ole täysin tasomainen sen työstön aikana ja jonka pintaan kaiverretaan määrätyn syvyinen merkkaus.

Keksinnön käyttöalan suhteen on keskeistä, että työstöprosessin aikana kulloinkin työstettävän kohdan etäisyys vaihtelee yhdellä tasolla koko prosessin ajan etenevästä työstölait-teesta, jolloin joudutaan muuttamaan laserin polttopisteen korkeusasemaa tämän työstö-15 prosessin aikana useita kertoja. Käytännössä työstettävä pinta on 3D pinta, jolloin tämä polttopisteen muuttaminen on koko työstöprosessin ajan kestävä jatkuva muutosprosessi. Työstettävä pinta voi olla joko levymäisen esineen sinänsä tasoksi muodostettu pinta, joka on vääntynyt enemmän tai vähemmän 3D pinnaksi tai se voi olla jonkun esineen kaareva pinta.

20 Edellä kuvatun kaltaisissa tilanteissa käytetään nykyään apuna työstettävän pinnan mallintamista ja tämän mallin korkeusmittojen syöttämistä työstölaitteen elimeen, joka säätää laserin polttopisteen korkeutta työstön aikana. Tässä menetelmässä on siis useita eri vai-^ hetta: ensin valmistetaan digitaalinen 3D malli ja sitten suoritetaan työstö tätä mallia apu- na käyttäen.

i g 25 Toinen tunnetun tekniikan mukainen menetelmä laserin polttopisteen korkeusaseman g määrittämiseksi on mitata työstettävän kohdan korkeus työstettävästä pisteestä tai sen

CL

välittömästä läheisyydestä esim. optisella anturilla ja lähettää tämä tieto toiminnassa ole- r-- g valle työstölaitteelle, jolloin työstölaite saa reaaliajassa olevaa korkeusasematietoa ja o työstävän laserin polttopisteen korkeusasemaa säätävä elin voi muuttaa tätä korkeusase- c\j 30 maa työstön edetessä.

Kummatkin edellä mainituista menetelmistä edustavat tunnetun tekniikan tasoa ja mo lemmilla niistä on omat epäkohtansa. Seuraavassa selitetään näihin menetelmiin liittyviä epäkohtia.

2

Menetelmä jossa käytetään 3D pintamailla laserin polttopisteen korkeusaseman määrittä-5 miseksi, on kohtuuttoman kallis johtuen siitä, että se sisältää useita eri työvaiheita, joista jokainen aiheuttaa omat kustannuksensa. Ensin on mitattava työstettävä pinta, sitten on valmistettava 3D malli saatujen mittojen mukaan, seuraavana asetetaan malli lukulaitteeseen ja sitten voidaan suorittaa työstö.

Menetelmä, jossa työstökorkeus mitataan kulloinkin työstettävästä kohdasta optisella 10 anturilla, on kustannuksiltaan edellä esiteltyä menetelmää edullisempi, mutta sen suurimmaksi epäkohdaksi muodostuu työstön huono laatu. Kun korkeusaseman mittaus suoritetaan työstettävästä kohdasta tai sen välittömästä läheisyydestä, niin mittaustapah-tuma on alttiina työstön aiheuttamille häiriötekijöille, kuten roiskeille ja kohteen muodonmuutoksille. Saadut mittaustulokset ovat tästä johtuen epätarkkoja ja samoin niiden 15 pohjalta suoritettu työstö on epätarkkaa. Menetelmää ei voida tästä syystä käyttää suurta tarkkuutta vaativissa kohteissa. Toinen merkittävä tämän menetelmän haittatekijä on se, että työstönopeudet joudutaan säätämään niin alhaisiksi, jotta määrätty laatutaso voidaan saavuttaa. Tämä siksi, koska työstönopeuden kasvattaminen lisää häiriötekijöitä, jotka puolestaan huonontavat mittauksen tarkkuutta.

20 Kumpaakin edellä esiteltyä tunnettua tekniikkaa käytetään yleisesti lasertyöstön toimialalla ympäri maailman.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan sellainen mittaus- ja työstömenetelmä ^ lasertyöstöä varten, jolla voidaan poistaa tunnetussa tekniikassa esiintyviä haittoja. Kek- sinnönmukaiselle menetelmälle tunnusomaiset piirteet on esitetty patenttivaatimuksen 1 ^ 25 tunnusmerkkiosassa.

C\J

o g Keksinnön suurimpana etuna tunnettuun tekniikkaan nähden voidaan pitää sitä, että kek-

CL

o, sinnönmukaisessa menetelmässä saadaan erittäin tarkat mittaustulokset yhtäaikaisesti r-- § työstön kanssa. Mittaus ei ole alttiina aiemmin mainituille häiriötekijöille eikä sen ja var- o sinaisen työstön suorittamiseksi tarvita useita työvaiheita. Kaikki tapahtuu siis samanai-

CNJ

30 kaisesti ja häiriöttömyydestä johtuen työstönopeudet voidaan pitää hyvin korkeina. Niissä 3 voidaan päästä jopa yli 1000 mm/ s nopeuksiin säilyttäen kuitenkin erittäin korkea työstön laatu. Nämä edut realisoituvat suurina taloudellisina säästöinä ja korkeana laatuna.

Keksintöä kuvataan tämän hakemuksen piirustuksissa seuraavasti: kuvio 1 esittää erään keksinnönmukaisessa menetelmässä käytettävän laitesommitelman 5 yleiskuvaa komiulotteisesti, kuvio 2 esittää kuviossa 1 esitettyä poikkileikkausta kohdasta A-A kuvattuna, kuvio 3 esittää mittaus- ja työstökohtaa yksityiskohtaisemmin, kuvattuna kuvion 2 kohdasta z, kuvio 4 esittää kahdella keksinnönmukaisesti mittaavalla optisella anturilla varustettua 10 laitesommitelmaa.

Seuraavassa selitetään keksinnönmukaisen menetelmän käyttö edellä mainittuihin kuvioihin viittaamalla.

Kuviossa 1 ja 2 on kuvattu työstövalmis lasertoiminen työstöyksikkö 1 johon kuuluvat laserlaite 2, linssi 3 ja mittalaite 4, kuten optinen anturi. Työstöyksikön 1 alla on 15 kohde 5, jota työstetään. Kohde 5 on tässä esimerkissä karrikoidun voimakkaasti kuperapintainen ohut piilevy, jonka vahvuus on n. 300 pm ja jonka pintaan kaiverretaan merkkaus. Laserlaite 2 ja mittalaite 4 ovat kiinteästi yhteydessä toisiinsa ja etenevät työstön aikana perustason 6 suuntaisesti työstettävän kohteen 5 yläpuolella. Perustaso 6 on tässä esimerkissä joku työstöyksikön 1 sijaintikorkeudelta valittu taso, 20 jota käytetään vertailutasona työstön korkeusarvoja määritettäessä. Tässä esimerkissä co perustaso 6 on vaakasuorassa asennossa. Työstöyksikkö 1 liikkuu työstön aikana perustason 6 suunnassa vain kahteen päinvastaiseen suuntaan, suuntaan c ja suuntaan i o d. Työstöjaksojen välissä työstöyksikkö 1 kykenee tekemään suuntaan c ja suuntaan o d nähden myös sivuttaissuuntaisia siirtymiä. Kun työstöprosessi aloitetaan, niin mit- | 25 talaite 4, joka on siis tässä esimerkissä optinen anturi, lähettää valonsäteen 7a joka co osuu kohteen 5 pinnalle pisteeseen 8. Tietokoneen 9 prosessori laskee takaisin tule-

CO

o van valonsäteen 7b värin perusteella pisteen 8 korkeusarvon perustasoon 6 nähden ja o tallentaa sen tietokoneen muistiin. Työstöyksikkö 1 lähtee etenemään suuntaan e, jolloin tietokone 9 aloittaa valonsäteiden 7a, 7b perusteella laskettujen kohteen 5 30 pinnan korkeusarvojen tallentamisen tietyistä ennalta määrätyistä pisteistä 8, 8.1, 8.2, 4 jne, joiden välimatkat ovat tässä esimerkissä 200 pm. Kun työstöyksikkö 1 on siirtynyt matkan a suuntaan c, niin laserlaite 2 on siirtynyt ensimmäisen mittauspisteen, eli pisteen 8 yläpuolelle siten, että sen lasersäteen 10 linja osuu tähän pisteeseen. Tällöin linssin 3 korkeusasemaa säätävä säätöyksikkö 11, kuten esim. piezo-yksikkö, siirtää 5 linssiä 3 tietokoneelta 9 saamansa pistettä 8 koskevan laskentatuloksen perusteella pystysuorassa sille korkeudelle, että linssin 3 hetken kuluttua lävistävän lasersäteen 10 polttopiste osuu samasta kohdasta aiemmin mitatun ja lasketun korkeusarvon mukaiselle tasolle tai tasolle jonka korkeus on saatu lisäämällä tähän mitatun tason kor-keusarvoon haluttu (+/-) siirtymä. Näin saatu korkeusmitta vastaa silloin todellista 10 työstötasoa. Tällä kyseisellä hetkellä käynnistyy laserlaite 2 ja lasersäde 10 läpäisee linssin 3 ja sen polttopiste muodostuu työstettävään kohteeseen 5 em. tavalla määritellylle korkeustasolle ja työstö käynnistyy. Työstöyksikön 1 edetessä suunnassa c säätöyksikkö 11 siirtää linssin 3 korkeutta jokaisen mittauspisteen 8.1, 8,2 jne. kohdalla tarvittaessa. Tällöin linssin 3 etäisyys b perustasosta 6 vaihtelee kohteen 5 pin-15 nan muodon mukaan. Kun on edetty suuntaan c riittävän pitkälle, niin laserlaite 2 keskeyttää lasersäteen 10 lähettämisen ja työstöyksikkö 1 siirtyy uuteen työstön aloituspisteeseen siten, että mittalaitteen valonsäde 7a kohdistuu kohteen 5 pinnalla haluttuun uuden työstön aloituspisteeseen. Tämä uusi aloituspiste sijaitsee ensimmäisen työstösuoran suhteen määrätyllä etäisyydellä siitä. Tässä esimerkissä suoritetaan ku-20 perän piilevyn pintaan merkkausta, jolloin tämä suorien välinen siirtymä tapahtuu sivusuunnassa. Riittävän monen edellä kuvatun kaltaisen työstöliikkeen jälkeen merkkaus on valmis.

Lasersäteen 10 suuntaisen suoran ja kohteen 5 pinnan leikkauskohdassa olevan pis-^ teen 12 ja pisteen 8 välinen matka a, voidaan asettaa työstöyksikössä 1 joko työstöstä ° 25 toiseen vakiona pysyväksi tai tapauskohtaisesti säädettäväksi. On edullista määritellä i o tämä matka niin suureksi, että työstö ei häiritse mittaustapahtumaa, mutta taas toi- i ° saalta niin pieneksi, että se ei haittaa menetelmän soveltamista pieniinkään työstö- | kohteisiin. Edellä esitetyssä esimerkissä tämä matka a on suuruudeltaan 30 mm.

^ Työstöyksikköön 1 voi sisältyä myös kaksi mittausta suorittavaa mittalaitetta 4 (ku- o >- 30 vio 4). Tällöin ne sijoitetaan laserlaitteen 2 kummallekin puolelle siten, että kaikkien o ^ kolmen säteen (laser- ja valonsäteet 10, 7a,) osumapiste kohteessa 5 on samalla nii den kautta kulkevalla suoralla. Tämä keksinnönmukaisen menetelmän sovellus mah- 5 elollistaa kaksisuuntaisen työstön. Yksi mittalaite 4 suorittaa mittausta kun edetään suuntaan c ja toinen kun edetään suuntaan d.

Keksinnönmukaista menetelmää voidaan soveltaa hyvin laajasti lasertyöstössä. Sen avulla työstettävinä kohteina voivat tulla kysymykseen esim. LED- aihiot, monet 5 muut erilaiset levyaihiot ja erilaiset merkattavat kaarevapintaiset esineet. Suoritettava työstö voi olla leikkaamista, kaivertamista, merkkausta tai kappaleiden yhteen hitsaamista.

Keksinnönmukaisen menetelmän eräs keskeinen sovellusalue on läpinäkyvien materiaalien työstäminen. Näitä materiaaleja hitsattaessa, kaiverrettaessa jne. voidaan 10 lasersäteen polttopiste asettaa seuramaan määrätyllä syvyydellä niitattavasta pinnasta olevaa reittiä, jolloin työstö tapahtuu aihion pinjojen välissä, aineen sisällä. Tällöin on mahdollista myös tehdä useita työstöjä eri syvyyksissä käyttämällä niitä vastaavia siirtomittoja mitatun pinta-aseman koijaamiseksi.

Mittalaitteen 4 toiminta voi perustua esim. takaisin tulevan valonsäteen 7b väriin, 15 josta voidaan määritellä tämän säteen pituus. Sen toimintaperiaate voi olla myös edellä mainitusta poiketen mikä tahansa, jonka avulla voidaan määritellä kahden pisteen välinen etäisyys.

Niin ikään keksinnönmukaista menetelmää voidaan soveltaa laitteessa, jossa työs-töyksikön 1 sijasta liikkuu mittauksen ja työstön aikana kohde 5. Samoin tarvittava 20 liike voi muodostua sekä työstöyksikön 1 että kohteen 5 liikkeistä, jolloin työstöyk-sikön 1 liike kohteeseen 5 nähden on näiden liikkeiden summa.

Keksinnönmukainen menetelmä voidaan toteuttaa myös sellaisen työstöyksikön 1 o yhteydessä, josta vain osa siitä osallistuu työstöliikkeen muodostamiseen. Tällöin f- tähän liikkuvaan osaan sisältyvät vähintään laserlaite 2 ja mittalaite 4, jotka ovat siis i g 25 kiinteässä yhteydessä keskenään työstön ajan.

X

£ Työstöyksikkö 1 voi olla keksinnönmukaisessa menetelmässä asennettu myös muuri? hun kuin siihen asentoon, jossa lasersäde 10 on oleellisesti pystysuorassa asennossa.

co ? Silloin kun sen asento on pystysuorasta asennosta poikkeava, ovat kaikki muutkin menetelmään liittyvät laitteet ja geometriset elementit, kuten esim. perustaso 6, vas-30 taavasti siitä poikkeavat.

6

Linssin 3 asemasta voidaan jossakin keksinnönmukaisen menetelmän sovelluksessa käyttää myös usean linssin muodostamaa yhdistelmää.

Tämän hakemuksen asiakirjoissa tarkoitetaan termillä ’’korkeusarvo” työstöyksikössä 1 työstettävän kohteen 5 työstökohdan etäisyyttä perustasosta 6 tai jostakin muusta 5 vertailutasosta riippumatta siitä, missä asennossa työstöyksikkö 1 on.

Ja termillä ’’valonsäde” tarkoitetaan laajasti näkyvän ja näkymättömän valon säteitä sekä kaikkia muita sellaisia säteitä, joiden pituus niiden lähtöpisteestä kohteen 4 pinnalla olevaan määrättyyn pisteeseen voidaan määritellä ja tätä määriteltyä arvoa voidaan käyttää linssin 3 paikan säätämiseen aiemmin tässä asiakirjassa kuvatulla tavaili) la.

Etäisyys kustakin pisteestä 8.1, 8,2 jne. aina sitä seuraavaan tai edelliseen pisteeseen voi vaihdella edullisesti 1 pm:n ja 100 mm:n välillä. Useimmiten nämä etäisyydet ovat käytännössä 1 pm- 10 mm.

On huomattava, että vaikka tässä selityksessä on pitäydytty yhdentyyppisessä kek-15 sinnölle edullisessa toteuttamisesimerkissä, niin tällä ei kuitenkaan haluta mitenkään rajoittaa keksinnön käyttöä vain tämän tyyppistä esimerkkiä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia patenttivaatimuksien määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

20 c\j δ

(M

N-

O

0 1 tr

CL

CD

N- CO 25 o δ c\j