JP6882292B2 - レーザビームの基準焦点位置を特定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザシステムのレーザビームの基準焦点位置を特定する方法に関する。

レーザカットによるにせよまたはレーザ溶接によるにせよ、ワークピースを充分に正確に加工できるようにするには、レーザビームが最大パワー密度を有する位置でこのレーザビームをワークピースに接触させる必要がある。つまり、問題となるのは、レーザビームの最も狭隘な位置を見出すことである。このために、例えば、レーザビームにより種々のスリットを基準ワークピースに切削し、その際に各スリットに対してそれぞれ別の焦点位置を使用することが公知である。続いて、基準ワークピースが取り除かれ、スリット幅が手動で測定される。最小スリット幅を達成した焦点位置が、ワークピース加工に適した焦点位置である。当該方法は、かなり煩雑であり、自動化不能である。

独国特許出願公開第１０２５５６２８号明細書（ＤＥ１０２５５６２８Ａ１）から、種々の焦点位置でテストワークピースに切削された線のカットギャップ幅を、カメラを用いて測定することが公知である。

日本国特公平１０−７６３８４号公報（ＪＰＨ１０７６３８４Ａ）には、種々の焦点位置でワークピース内に複数の線を切削することで焦点位置を特定する方法が開示されている。後に、カットヘッドが線の上方を横断するように運動され、線幅が距離センサを用いて容量的に測定される。

欧州特許第１７５０８９１号明細書（ＥＰ１７５０８９１Ｂ１）からは、切削されたギャップを、焦点位置を変化させつつ反復走査し、プロセス放射を検出して、どの焦点位置で切削されたギャップが最小幅を有するかを特定することで、焦点位置を特定する方法が公知である。

国際公開第２００９／０４６７８６号（ＷＯ２００９／０４６７８６Ａ１）からは、連続線を種々の焦点位置で切削し、続いて切削された線の側方を接触走査することにより、焦点位置を特定する方法が公知である。当該接触走査は、機械的もしくは容量的に、またはレーザビームによって、行うことができる。

独国特許出願公開第１０２５５６２８号明細書 特公平１０−７６３８４号公報 欧州特許第１７５０８９１号明細書 国際公開第２００９／０４６７８６号

本発明の課題は、レーザシステムのレーザビームの適正な焦点位置をこのレーザシステムにもともと設けられている要素を用いて簡単に特定することができる、代替的な方法を提供することである。

この課題は、本発明にしたがい、ワークピース加工プロセスに適したレーザシステムのレーザビームの焦点位置を特定する方法であって、
ａ．レーザシステムのレーザビームにより少なくとも２つの凹部をプレート状のボディに形成し、その際にこれら少なくとも２つの凹部に対してそれぞれ異なる焦点位置を調整するステップと、
ｂ．レーザビームをプレート状のボディに照射するステップと、
ｃ．プレート状のボディの照射に関連する１つまたは複数のパラメータを検出することにより、凹部のエッジを検出するステップと、
ｄ．検出された１つまたは複数のパラメータに基づいて、特に検出された１つまたは複数のパラメータに基づいて検出されたエッジの距離から、凹部の幅を特定するステップと、
を含む、方法により解決される。

この場合、レーザビームの基準焦点位置は、例えば、ビーム焦点がワークピース表面すなわちプレート状のボディの表面に位置する焦点位置である。レーザ先端部からプレート状のボディの表面までの距離および／またはレーザ加工ヘッドのフォーカシング装置は、この場合、レーザビームのビーム焦点がプレート状のボディの表面に位置するように調整される。当該情報（ビーム焦点がプレート状のボディの表面に位置する距離またはフォーカシング装置の調整）により、後のワークピース加工の際に所望の焦点位置を調整することができる。本発明によれば、基準焦点位置を特定するために、可変の焦点位置の調整を用いて、複数の凹部、特に複数の平行な凹部が、基準ワークピース、特にプレート状のボディに形成される。プレート状のボディ、特に基準金属板に凹部を切削した後、プレート状のボディには新たにレーザビームが照射される。レーザビームが当該凹部の周囲のプレート状のボディの材料に入射すると、プロセス放射および／または反射したレーザ放射が生じる。プロセス放射は、例えば、もともとレーザシステムに設けられている穿孔状態センサ装置を用いて検出することができる。反射したレーザ放射は、例えば、もともと存在している保護ガラス監視装置を用いて検出可能である。このようにして検出されたパラメータであるプロセス放射および／または反射した放射は、評価アルゴリズムによって評価可能である。このようにして、凹部のエッジを検出することができる。続いて、別のアルゴリズムにより、エッジ情報を処理および計算して、凹部の幅、特に最小幅を有する凹部を自動的に特定することができる。この場合、最小幅を有する凹部に対応する焦点位置が、基準焦点位置である。

レーザシステムのレーザビームがプレート状のボディを照射する光源として用いられるので、付加的な光源は必要ない。したがって、本発明によれば、既存の要素を利用することにより、レーザシステムにおいて焦点位置を較正できる。レーザシステムには、被制御での穿孔に必要なセンサ装置とこのセンサ装置を中央のセンサ技術制御ユニットに接続する接続部とが既に設けられている。また、プレート状のボディの照射を保証するために、もともと設けられているレーザ加工ヘッドも使用可能である。プレート状のボディの照射は、この場合、好ましくは、低減されたレーザ出力および１０ｋＨｚ超のレーザ周波数で行われる。レーザ出力は、好ましくは、プロセスが生じるちょうどの大きさで、プロセス光を基礎として生じる。利用されるセンサ装置の感度が高くなればなるほど、出力を小さくすることができる。

好ましくは、レーザビームとプレート状のボディとが凹部の長手方向に対する横断方向で相互に相対的に運動する。この場合、つまり、レーザビームとプレート状のボディとは一方向のみで相互に相対的に運動しなければならないので、各凹部が相互に平行に位置すると有利である。

さらなる利点は、レーザビームをプレート状のボディに配向する加工ヘッドが、プレート状のボディまでの距離を一定として、かつ、プレート状のボディに対する相対的な速度を一定として運動する場合に得られる。この場合、速度は、凹部のエッジ走査のための時間分解能が充分に大きくなる低さに選定可能である。ただし、当該速度は過度に低くなってはならない。なぜなら、そうでないと、レーザビームが凹部のエッジに入射した際に、プロセス光信号または反射した放射の信号において明瞭／鮮鋭／急峻なエッジが不可視となってしまうからである。また、前進運動が過度に緩慢な場合、エッジが一義的に検出される前にこうしたエッジが溶解してしまうおそれもある。例えば、プレート状のボディに対する光源の相対速度は、１ｍ／ｍｉｎとすることができる。

プレート状のボディを走査するためのレーザ出力は、プレート状のボディの材料への入射の際に充分に強いプロセス光レベルが形成される大きさに選定されなければならない。基本的には、レーザ出力をきわめて大きい値へ調整し、これにより２つの凹部間のプレート状のボディの材料を切削するように構成可能である。

レーザシステムで調整されるガス圧は、光源とプレート状のボディとの相対運動中にできるかぎり小さくなるよう、例えば０．３ｂａｒとすべきである。これにより、特にプレート状のボディが金属板として構成される場合に、このプレート状のボディが測定時に撓んでしまうために測定に負の影響が及ぶことが回避される。

正確な測定を保証するために、各凹部が、単純なカットギャップ幅よりも大きい幅で形成されると有利である。このようにすれば、凹部を測定する際に、プロセス放射の信号または反射したレーザ出力の信号が、凹部の第１のエッジの走査後に最小値まで減衰可能となり、その後、ワークピース材料への再入射時に再び上昇することが保証される。このようにすれば、エッジ検出の精度を改善できる。

特段の利点は、光源とプレート状のボディとが相互に相対的に反対方向で２回運動され、各相対運動につき１つの凹部の１つのエッジのみが検出される場合に得られる。つまり、各運動方向においては、それぞれ、１つの凹部の１つのエッジのみが検出される。このようにして測定精度が改善される。特に好ましくは、各運動方向につき、凹部のうち、運動方向においてこの凹部に続くエッジのみが検出される。これは、当該検出がエッジに「向かって走行される」場合に特に確実なプロセスで行えるからである。この場合、凹部の幅を特定するには、往復走行での各位置情報を組み合わせなければならない。一方向での走査のエッジの障害が他方向での走査を誤らせないよう、個々の「ビーム路」（往復走行）間には所定の安全距離を設けなければならない。したがって、好ましくは、凹部は、１ｍｍ超、特に好ましくは１．５ｍｍ超の深さを有する。

さらなる方法のバリエーションによれば、形成すべき凹部の長手方向においてレーザビームにより第１の単純なカットギャップを形成し、続いて、長手方向に対する横断方向で、第２の単純なカットギャップを形成し、その後、プレート状のボディの一部が切除されるまで、長手方向において、ただし第１の単純なカットギャップの形成に対して反対向きに、第３の単純なカットギャップを形成することにより、凹部が形成されるように構成可能である。これにより、凹部が単純なカットギャップよりも幅広となることが保証される。ここで、レーザビームが一方向のみでプレート状のボディに対して相対的に運動される際に、単純なカットギャップが得られる。したがって、単純なカットギャップの幅は、実質的にレーザビームの幅または直径に相当する。

凹部のエッジは、検出されたパラメータが設定された第１の基準値を上方超過または下方超過する場合に検出可能である。特に、プロセス放射の出力の基準値および／または反射したレーザ放射の基準値を設定可能であり、さらに、パラメータとしてのプロセス放射の出力またはパラメータとしての反射したレーザ放射が基準値を上方もしくは下方へ超過するかどうかを監視可能である。一方のパラメータ（プロセス放射の出力または反射した放射の出力）が設定された基準値をこのように通過したことが識別されると、エッジが検出される。

これに代えてもしくはこれに加えて、パラメータの勾配を形成し、この勾配が第２の基準値を上方超過または下方超過する場合に、凹部のエッジが識別されるように構成してもよい。特に、その時点のパラメータ値（サンプリング時点でのパラメータ値、例えばプロセス放射の出力）を先行のパラメータ値（先行のサンプリング時点でのパラメータ値）から減算することで、勾配を形成するように構成可能である。エッジは特に、設定された第１の基準値および第２の基準値が同時に通過される、つまり、上方超過または下方超過する場合に、識別可能である。

これに代えてまたはこれに加えて、複数のサンプリング時点にわたって検出された１つまたは複数のパラメータから、勾配を形成し、この勾配の平均値を形成して、この平均値を第３の基準値と比較し、平均値が第３の基準値を上方超過または下方超過する場合に、凹部のエッジを検出する構成も可能である。ここでの平均は、用いられているサンプリング時点の数によって勾配の和を除算するようにして行うことができる。

特定された凹部の幅を数学的に評価するために、特定された幅に対して曲線フィッティングを行うことができる。曲線の最小値から、カットギャップ最小幅とこれに対応する基準焦点位置としての焦点位置とを特定することができる。このようにすれば、個々の幅が他の幅に適合しない、つまり、計算された曲線から明らかに偏差しているケースを識別できる。こうした幅は評価の際に無視可能である。さらに曲線フィッティングの精度を（例えば平均２乗誤差によって）評価することにより、測定品質を検査することができる。計算された曲線からの幅の偏差の和が過度に大きい場合には、測定を反復させなければならないという報告を出力することができる。

本発明のさらなる特徴および利点は、発明にとって重要な詳細を示した図面の各図に基づく以下の詳細な本発明の実施例の説明と特許請求の範囲とから得られる。ここに示している特徴は、必ずしも縮尺通りであると理解されるべきでなく、発明にしたがった特性を明瞭に視認できるように表現されている。それぞれの特徴は、本発明のバリエーションにおいて、それぞれ個別にまたは複数を任意に組み合わせて実現可能である。

本発明の実施例を概略図に示し、以下に詳細に説明する。

レーザシステムの一部を示す概略図である。 焦点位置の概念を説明するために示す概略図である。 本発明の方法を説明するためにレーザカットヘッドおよびプレート状のボディを示す概略図である。 エッジの検出を説明するために示すグラフである。 本発明の方法を説明するために示すフローチャートである。 凹部の最小幅を特定する一例を説明するために示すグラフである。

図１によれば、レーザシステム１、特にレーザカットシステムにおいて、レーザビーム２が、スクレーパミラーとして構成されたミラー３を通り、レーザ加工ヘッド５内に配置された偏向ミラー４へと偏向される。レーザビーム２は、レンズとして構成されたフォーカシング装置６によってフォーカシングされ、レーザ先端部７を通ってワークピース８へ偏向される。レーザビーム２がワークピース８へ入射すると、プロセス放射が生じる。当該プロセス放射は、ミラー４で反射されて戻り、ミラー３によってレーザビーム路９から分離されて、測定装置１０へ偏向される。測定装置１０は、相応の電子回路を備えたフォトダイオードを含む。測定装置１０の情報は、評価制御装置１１へ転送される。評価制御装置１１では、後述するエッジ検出を行うことができる。

ワークピース８がレーザビーム２で照射される際に、放射は、特にプロセス光（プロセス放射）および／または反射したレーザ放射として生じる。プロセス光および反射したレーザ放射またはひいてはこれに関連する量は、本発明における、ワークピース８の照射に関連したパラメータである。

図２には、先端部７を備えたレーザ加工ヘッド５が同様に概略図で示されている。レーザビーム２は、位置１５において最小直径（すなわちレーザビームの焦点）を有する。したがって位置１５が焦点位置に相当する。焦点位置は、フォーカシング装置６を位置調整することにより、および／または、先端部７（すなわち加工ヘッド５）からワークピース８までの距離を変化させることにより、ワークピース８の表面に対して変化させることができる。焦点位置１５がワークピース８の上方にある場合、ワークピース８内に、下方へ向かって拡大する孔１６が生じる。焦点位置１５がワークピース８の下方にある場合、上方へ向かって拡大する孔１７が生じる。焦点位置１５がワークピース８の表面１８上にある場合、実質的に平行な複数の側壁を有する孔１９が生じる。ワークピース加工の際には、レーザビーム２の焦点は、例えばワークピース８の表面１８上またはワークピース８内に位置する。

図３には、レーザシステム１のレーザによって複数の凹部２１，２２が形成されたプレート状のボディ２０の平面図が示されている。凹部２１，２２は、種々の焦点位置で形成されている。凹部２１，２２の幅は、単純なカットギャップ幅よりも広い。特に、まず、形成すべき凹部２１，２２の長手方向２３においてレーザビーム２を運動させることにより、凹部２１，２２が形成される。続いて、レーザビーム２が長手方向２３に対して垂直に、さらに続いて矢印方向２３の反対向きに運動される。このようにして、凹部２１，２２が生じる。凹部２１，２２の幅を特定するために、凹部２１，２２に基づいて櫛状に構成されたプレート状のボディ２０にレーザビーム２が照射される。レーザビーム２は、当該照射の際、凹部２１，２２を形成する場合よりも小さく、ただしプロセス光を生じさせるのに充分な高さの出力を有する。

このために、レーザ加工ヘッド５とプレート状のボディ２０とが相互に相対的に運動される。特に、レーザ加工ヘッド５は、矢印方向２４で、つまり、凹部２１，２２の長手方向２３に対する横断方向で、凹部２１，２２の上方を運動される。

基本的には、レーザ加工ヘッド５とプレート状のボディ２０とを相互に相対的に１回だけ運動させ、凹部２１，２２の矢印方向２３に延在するエッジ２６，２７の双方を検出することができる。ただし、改善された測定結果は、加工ヘッド５とプレート状のボディ２０とが、相互に相対的に２回、特に加工ヘッド５がまず矢印方向２４でプレート状のボディ２０に対して相対的に運動され、続いて、位置をずらして矢印方向２５へ運動される場合に得られる。この場合、矢印方向２４での運動においてエッジ２７が検出され、矢印方向２５への運動においてエッジ２６が検出される。

図４には、レーザビーム２がプレート状のボディ２０に対して相対的に運動される場合に検出されるパラメータ３０、特にプロセス光出力が示されている。エッジ検出のために、どの時点でパラメータ３０が基準値ＲＥＦを通過したかが特定される。こうして、例えば、パラメータ３０が基準値ＲＥＦをそれぞれ上方もしくは下方へ超過する際に、凹部２１の左方エッジ２６が位置３１で、右方エッジ２７が位置３２で検出される。これら２つの位置３１，３２間の距離から、凹部２１の幅ｂが得られる。このようにして、全ての凹部２１，２２の幅を特定することができる。最小幅を有する凹部２１，２２に対応する焦点位置が、基準焦点位置となる。

また、これに加えてまたはこれに代えて、パラメータ３０の勾配を特定し、この勾配を第２の基準値と比較することもできる。このように、基準値ＲＥＦまたは第２の基準値または２つの基準値双方が１回通過されるごとに、１つのエッジを検出することができる。

図５には、本発明の方法が概略的にフローチャートで示されている。第１のステップ１００では、少なくとも２つの凹部がレーザシステムのレーザビームによりプレート状のボディに形成されるが、その際、各凹部に対してそれぞれ異なる焦点位置が調整される。続いて、ステップ１０１で、プレート状のボディへのレーザビームの照射が行われ、ここで好ましくは、レーザビームとプレート状のボディとが相互に相対的に運動される。

ステップ１０２では、プレート状のボディの照射に関連する１つまたは複数のパラメータを検出することにより、凹部のエッジが検出される。例えば、生じたプロセス光が検出される。

ステップ１０３では、検出されたパラメータに基づいて凹部幅が特定される。

図６には、特定された凹部幅の数学的な評価を説明するためのグラフが示されている。Ｘ軸には、それぞれ焦点位置の位置調整が単位ｍｍで示されている。×印４０は調整された焦点位置に対して特定された凹部幅を表している。測定された凹部幅４０は、曲線フィッティングにより、曲線４１に近似されている。曲線４１の最小値から、カットギャップの最小幅、または最小幅を有する凹部およびこれに対応する焦点位置を特定することができる。この場合の例では、凹部の最小幅は位置４２または測定点４２と測定点４４との間に位置している。なお、測定点４３または特定された凹部幅４３のほうがより小さい。しかし、この値は、曲線４１から大きく離れているので、ここで特定された幅は、他の幅に適合せず、つまり、計算された曲線４１から明らかに偏差していることがわかる。したがって当該幅は評価の際に無視可能である。さらに、曲線フィッティングの精度の評価により、測定品質を検査することもできる。

Claims (12)

1. ワークピース加工プロセスのためのレーザシステム（１）のレーザビーム（２）の基準焦点位置（１５）を特定する方法であって、
   ａ．前記レーザシステム（１）のレーザビーム（２）により少なくとも２つの凹部（２１，２２）をプレート状のボディ（２０）に形成し、その際に前記少なくとも２つの凹部（２１，２２）に対してそれぞれ異なる焦点位置を調整するステップと、
   ｂ．前記レーザシステム（１）のレーザビーム（２）を前のステップにおけるよりも低減されたレーザ出力で前記プレート状のボディ（２０）に照射するステップと、
   ｃ．前記プレート状のボディの照射に関連する１つまたは複数のパラメータ（３０）を検出することにより、前記凹部（２１，２２）のエッジ（２６，２７）を検出するステップと、
   ｄ．検出された１つまたは複数のパラメータ（３０）に基づいて前記凹部（２１，２２）の幅（ｂ）を特定するステップと、
   を含む、方法。
2. レーザビーム（２）と前記プレート状のボディ（２０）とを、前記凹部（２１，２２）の長手方向（２３）に対する横断方向で相互に相対的に運動させる、
   請求項１に記載の方法。
3. レーザビーム（２）を、当該レーザビーム（２）を放射する加工ヘッド（５）から前記プレート状のボディ（２０）までの距離を一定として、かつ、前記プレート状のボディ（２０）に対する相対的な速度を一定として、運動させる、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記凹部（２１，２２）を、単純なカットギャップ幅よりも大きい幅（ｂ）で形成する、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. レーザビーム（２）と前記プレート状のボディ（２０）とを、反対向きに設定された方向（２４，２５）で相互に相対的に２回運動させ、各相対運動につき１つの凹部（２１，２２）の１つのエッジ（２６，２７）のみを検出する、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 各相対運動につき、前記凹部（２１，２２）のうち、運動方向において前記凹部（２１，２２）に後続する位置にあるエッジ（２６，２７）を検出する、
   請求項５に記載の方法。
7. 前記形成すべき凹部（２１，２２）の長手方向（２３）においてレーザビーム（２）により第１の単純なカットギャップを形成し、続いて、前記長手方向（２３）に対する横断方向において第２の単純なカットギャップを形成し、その後、前記プレート状のボディ（２０）の一部が切除されるまで、前記長手方向（２３）において、ただし前記第１の単純なカットギャップの形成に対して反対向きに、第３の単純なカットギャップを形成することにより、前記凹部（２１，２２）を形成する、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 検出されたパラメータが、設定された第１の基準値（ＲＥＦ）を上方超過または下方超過する場合に、１つの凹部（２１，２２）の１つのエッジを検出する、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 検出されたパラメータ（３０）の勾配を形成し、当該勾配が第２の基準値を上方超過または下方超過する場合に、１つの凹部（２１，２２）の１つのエッジを識別する、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 複数のサンプリング時点にわたって検出された前記１つまたは複数のパラメータ（３０）から勾配を形成し、当該勾配の平均値を形成して、当該平均値を第３の基準値と比較し、
    前記平均値が第３の基準値を上方超過または下方超過する場合に、１つの凹部（２１，２２）の１つのエッジを検出する、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。
11. 基準焦点位置として、最小幅を有する凹部が形成された焦点位置を特定する、
    請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。
12. 特定された幅に対して数学的な曲線フィッティングを実行し、当該曲線の最小値から最小カットギャップ幅とこれに対応する基準焦点位置としての焦点位置とを特定する、
    請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法。

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