JP6957530B2 - 加工片に対して一連のテストカットを実施することによってビームベースの工作機械のビームの基準焦点位置を決定するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、特にレーザベースの工作機械のための、焦点位置を決定するための方法に関する。さらに、本発明は、焦点位置調整が少なくとも部分的に自動化されている工作機械に関する。

ビームベースの、特にレーザベースの工作機械において、（たとえば、レーザまたは電子ビームの）焦点位置を正確に位置決めすることは、加工片の精密な加工を実施するための基本である。レーザ切断であれレーザ溶接であれ、十分な精度で加工片を処理するためには、レーザビームの出力密度が最も高い点において、レーザビームを加工片と接触させる必要がある。それゆえ、一般に、工作機械は、加工ビームが、加工されるべき加工片に対して精密に設定されることを可能にする位置決めシステム（並進および回転システム）を有する。いわゆる多軸レーザシステムにおいて、たとえば、ビーム軸に対して、並進運動および回転運動が与えられる。さらに、保持されている加工片に対して、並進および回転運動を与えることができる。

金属薄板に成される切り込みの切断幅の手動または光学的測定に基づく方法が知られており、それによって、加工片と（たとえば、工作機械の加工ヘッドの）ビーム射出口との間の様々な距離で切り込みが行われている。たとえば、国際公開第２００４／０５０２９０号を参照されたい。最小の切断幅が規定された切り込みに、現在の焦点位置が割り当てられる。さらなる焦点設定手順は、特許第２６３７５２３号公報および特開平１０−０７６３８４号公報から知られている。

国際公開第２００４／０５０２９０号 特許第２６３７５２３号公報 特開平１０−０７６３８４号公報

本発明の一態様は、少なくとも部分的に自動化された焦点位置決定を可能にする方法を提供するという目的に基づく。

これらの目的の内の少なくとも１つは、請求項１に記載の方法および請求項１２に記載の工作機械によって解決される。さらなる実施形態が、従属請求項において与えられる。

一態様において、ビームベースの工作機械のビームの基準焦点位置を決定するための方法は、周囲領域に対して円盤状領域を区切る相対運動軌道を与えるステップであって、円盤状領域は、少なくとも１つのブリッジ領域を介して周囲領域に接続されている、相対運動軌道を与えるステップと、加工片に対して一連のテストカットを実施するステップであって、各テストカットにおいて、相対運動軌道に沿ってビームを誘導することによって加工片内に切断構造が切り出され、切り出しは、別様に設定されている焦点位置において相対運動軌道の少なくとも１つのブリッジ領域に沿って実施される、一連のテストカットを実施するステップと、を含む。

いくつかの実施形態において、切断は、ビームの軌跡内の加工片のテストカット特有の位置において実施され、テストカット特有の位置は、ビームの伝播方向に沿って延伸する、焦点位置のテストフィールドに割り当てられる。

いくつかの実施形態において、方法は、単一の切断構造について、加工片が相対運動軌道の円盤状領域内の少なくとも１つのブリッジによって保持されるディスクを有するか否かを評価する、または、加工片が、相対運動軌道の円盤状領域内の、相対運動軌道に従って形成されている加工片内の開口を有するか否かを評価するステップと、切断構造の評価に基づいて、特にテストフィールド内のある位置に、基準焦点位置を割り当てるステップとをさらに含む。

いくつかの実施形態において、加工片が円盤状領域内の少なくとも１つのブリッジによって保持されるディスクを有する切断構造の中央グループが特定され、中央グループの角側で、加工片が円盤状領域内の加工片内に開口を有する切断構造の縁部グループが特定され、中央グループに割り当てられている中央位置、または、縁部グループの間の中央位置が、基準焦点位置に割り当てられる。

たとえば、テストカットは、基準焦点位置が予測され得る中央領域において実施され、テストカットは、中央領域の両側で実施される。加えてまたは代替的に、テストカット特有の焦点位置は、伝播方向における調整可能な刻み幅によって異なる。

いくつかの実施形態において、少なくとも１つのブリッジ領域内の相対運動軌道は、互いに沿って延伸し、所定の距離によって特徴付けられる２つの線分を有し、加工片が基準焦点位置に位置決めされるとき、ブリッジ領域内に生じる切断幅は、所定の距離の１０％〜４５％の範囲内である。

相対運動軌道は、たとえば、円盤状領域内でほぼ閉じたリングの形状を有し、それによって、ほぼ閉じたリングの形状は、その端部において、少なくとも１つのブリッジ領域の線分に合流する。さらに、相対運動軌道は、間に円盤状領域が形成される対向する半円形セグメントとして中央領域内に形成され、中央領域に隣接する側部領域内に形成され、互いに沿って延伸する離間された線分として互いに対向して存在し、２つのブリッジ領域を形成する、２つの実質的に鏡面対称に延伸する軌道区画を含むことができる。この場合、離間された線分は、中央領域から異なる距離まで延伸することができる。

いくつかの実施形態において、切断構造を評価するステップは、円盤状領域に接近し、照射するステップと、保持されているディスクから反射される放射および／または加工片内の開口を通過する放射を検出するステップとを含むことができる。さらに、切断構造を評価するステップは、一連のテストカットの領域内の加工片の画像を光学的に記録するステップと、保持されているディスクおよび／または加工片内の開口を検出するために上記画像を画像処理するステップとを含むことができる。さらに、基準焦点位置に割り当てられている焦点位置は、コントローラによって、後続の加工に、特に、加工片の表面上に焦点を精密に位置決めするために使用することができる。

本方法のいくつかの実施形態において、工作機械は、ビームの伝播方向に沿った複数の異なる位置において加工片を位置決めし、加工片の上にビームを誘導するように構成されている。

別の態様において、工作機械は、レーザシステムを有するレーザ処理システムと、加工片ホルダと、レーザ処理ヘッドとを含む。レーザ処理ヘッドは、レーザシステムに光学的に接続され、レーザ処理ヘッドと加工片ホルダとの間の相対運動は、加工片の上の軌道に沿ってレーザビームを誘導するように行うことができる。工作機械は、記憶されている相対運動軌道にアクセスすることができる制御ユニットをさらに備え、制御ユニットは、ビームの基準焦点位置を決定するための、上述したような方法を実施するように適合されている。

一態様において、くし板形状の使用が、一連の円盤状切断構造によって拡張される。この一連の切り抜きまたは依然として実質的に隠れた／閉じた切断構造は、基準焦点位置がどこにあるかを示す。レーザビームの基準焦点位置は、たとえば、ビーム焦点が加工片表面上にある焦点位置である。これは、そこが最も高い出力密度を与えられ、最も狭い切断間隙が生じる場所であるためである。切断構造が切り抜き開口をもたらすか、または、ほぼ閉じた切断線をもたらす「のみ」であるかは、焦点位置に応じて変化するそれぞれの切断間隙の幅に応じて決まる。これは、基準焦点位置によって切断するときに、切断間隙幅が最小であり、切断構造の切断線が（たとえば、木形状の切断構造の始まりおよび終わりにおいて）重なり合わないことを意味する。基準焦点位置からの距離が増大すると、切断線は広くなり、結果として、切断線区画が重なり合う。したがって、切断線の内側が金属薄板から解放され、開口を形成する。言い換えると、焦点位置が変化する結果として、切断線によって決定される形状（たとえば、ディスク形状）が残るか、または、抜け落ちる。複数の異なる焦点位置を有する一連の切断構造の後続の視覚的または（部分的に）自動化された対称性評価を介して、基準焦点位置を、たとえば、残ったディスクの中心に割り当てることができる。

いくつかの実施形態において、既知の切り込みの「くし板形状」が、ディスク輪郭によって拡張される。

いくつかの実施形態において、切断形状の自動評価、たとえば、切断構造からの個々のディスクの抜け落ちの認識は、（たとえば、独国特許出願公開第１０２０１１００４１１７号明細書に開示されている方法に従って）カメラシステムまたはレーザセンサ技術を介して実施することができる自動評価に起因して、追加のツール（特に手動で操作されるもの）は必要ない。

一般に、焦点位置決定を自動化することによって、工作機械の設定をより迅速にすることができる。

本明細書に記載されている概念は、再現可能な結果をもたらすことができる。それらの概念は、特に金属くし薄板を視覚的に評価する手順にとって不可避である、主観的な影響のない単純な評価に基づくことができる。それらの概念は、切断されるべきテスト加工片に合致しなければならない、様々なレーザタイプおよび公称レーザ出力によって実施することができる。

本明細書において記載されている概念は、特に、たとえば、加工片がレーザビームによって切断またはアブレートされる構成要素の処理に関する。本明細書において記載されている概念を実施することによって、焦点位置決定のエラー確率を低減するとともに、焦点位置決定を単純化することができる。

本明細書において、従来技術の諸態様を少なくとも部分的に改善することを可能にする概念が開示される。特に、追加の特徴およびそれらの有用性が、図面に基づく以下の実施形態の説明からもたらされる。

工作機械の概略空間図。 焦点位置設定の例示的なシーケンスを示すための概略フローチャート。 平坦なテスト加工片の平面内の切断線の第１の例示的な軌跡の概略図。 処理ヘッドを出るビームのテスト加工片までの距離が変動する、図３の切断線を生成するためのレーザ切断プロセスの概略斜視図。 開いたおよび閉じた切断線を明確にするための概略図。 開いたおよび閉じた切断線を明確にするための概略図。 開いたおよび閉じた切断線を明確にするための概略図。 加工ヘッドを出るビームのテスト加工片までの距離が変動する、切断線の第２の例示的な軌跡の概略平面図。 図６の切断線の軌跡の切断構造の拡大図。 図７による切断線の軌跡に基づく、テストカットステップおよび評価ステップ後のテスト金属薄板の写真図。 図４のテスト切断プロセスの開いたおよび閉じた切断構造の認識のための評価ステップの概略斜視図。

本明細書において記載されている態様は、部分的に、それ自体では閉じていない切断線を閉じるために、焦点位置に依存する切断線の幅を使用することができるという認識に基づく。

以下において、図１に関連して、本明細書において開示されている焦点位置調整の概念を使用するレーザ処理システムに基づく例示的な工作機械が説明される。焦点位置調整の例示的な手順が、図２の流れ図に関連して説明される。その後、それぞれ図３〜図５ならびに図６および図７の概略図を参照しながら、２つの例示的な切断構造が説明される。最後に、図８は、対応して加工されたテスト加工片の一部分を示す。例示的な走査手順が、図９に関連して説明される。

図１は、加工片５を加工するための基本機械としてのレーザ処理システム３を有する工作機械１を示す。工作機械１は、制御システム（明示的には示されていない）の制御パネル７を介して操作される。たとえば、制御パネル７におけるＮＣプログラムの作成および調整を使用して、加工片およびそれらの加工に合わせて調整された特定の作業シーケンスを作成することができる。シーケンスは、加工片自体を加工するとともに、工作機械を設定するために使用することができる。たとえば、工作機械１は、関連するＣＮＣ制御を可能にする制御システムを有するスイッチキャビネットと、駆動部および一般的論理のための給電装置と、動力部とを有する。

図１には明示的に示されていない、レーザ処理システム３のレーザデバイスは、レーザ放射を生成するために使用される。レーザデバイスは、たとえば、ディスクレーザもしくはファイバレーザのような固体レーザ、または、ＣＯ２レーザのようなガスレーザに基づいてもよい。ビームをレーザデバイスから加工片へと誘導するために、レーザ光ケーブルおよび／またはミラーを使用することができる。工作機械１のさらなる構成要素は、たとえば、加工されるべき加工片５を保持し、加工された加工片を容易に取り外すための回転交換装置と、煙ガスおよび懸濁粒子を内部から取り出すための小型除塵装置と、スクラップコンベヤと、切断および溶接ガス供給源および集中注油のための空気圧式の要素とを含む。

ＣＮＣ制御によって制御されるプロセスは、レーザ処理システム３の様々な構成要素の相互作用によって、加工片５の所定の方法における加工を可能にする。それによって、ワークフローを繰り返し実施することができ、多数の加工片を、効率的に、かつ、許容範囲に起因して寸法に変動がある可能性があるにもかかわらず、基本的に同一に加工することができる。

プログラマが、コンピュータ上の、すなわち、たとえば制御システムの制御パネル７上のプログラミングシステム内で、それぞれの加工のためのＮＣプログラムを作成する。レーザビームと加工片との間の相対運動軌道８（図１に概略的に示す）によって規定されるレーザの経路は、制御システムによって自動的に、または、オペレータからの入力によって計算することができる。たとえば、レーザ切断プロセスにおいて、切断の間隙の軌跡および間隙幅は、加工片および相対運動軌道８におけるビーム直径からもたらされる。制御システムは、加工シーケンスを設定し、初期切断点を正確な位置において位置特定し、鋭利なコーナに丸みを付け、または、トリミングカットを可能にすることができる。制御システムは、プログラマが加工片に対して特定的に選択した戦略を実施することができる。予備シミュレーションにおいて、プログラマは、ＮＣプログラムがどのように実行されるかを見ることができる。

切断品質が正確であることを保証するために、ＮＣプログラムは、制御装置に、切断速度、レーザ出力、ノズル距離、および焦点位置のような処理パラメータの適切な値を供給する。これらの値は、コントローラがアクセスすることができる、いわゆるテクノロジーテーブルに記憶される。さらに、加工パラメータは、（たとえば、金属薄板）縁部の許容限度、ならびに、加工片に対する加工ヘッドの可能な最大運動速度および／または距離調整の速度のような、加工片特有のパラメータを含む。

図１はまた、たとえば、安全筐体の内部に位置するレーザ処理システム３の設定を概略的に示す。レーザ処理システム３は、たとえば、制御システムによって相対運動軌道８に従って、ビーム誘導および物資供給構成要素を加工片５に対して移動させるための、ｘ、ｙおよびｚスライド９Ａ、９Ｂ、９Ｃのような、機能的に関連する構成要素を有する移動ユニット９を有する。

一般に、ビーム誘導構成要素は、レーザ光ケーブル、ｚスリーブ、コリメーション光学素子、ならびに、レーザビームを加工片５に誘導し、合焦させるための処理光学素子を含むことができる。処理光学素子は通常、ビーム射出口１２を有するノズル１１Ａを備えた処理ヘッド１１内に設けられる。処理ヘッド１１は、たとえば、さらなる回転およびスイベル軸によって、空間内に基本的に自由に位置決めおよび位置整合することができ、したがって、特に加工片５の上で、出射するレーザビームを誘導することができる。他の軸、特に冗長な軸が、加工ヘッド１１の加工片５に対する迅速な位置の調整および位置整合を改善することができる。レーザ切断の場合は切断ヘッドとしても知られる処理ヘッド１１は、レンズまたはミラーベースの調整可能な合焦光学素子を介して、切断工具へのレーザビームを形成する。加工片および／または処理ヘッド１１の合焦光学素子までのノズル１１Ａの距離は、レーザビームのビーム焦点が、たとえば、加工片５の表面上にあるように、調整することができる。この情報（ビーム焦点が加工片５の表面上にある合焦装置の距離または調整）によって、加工片の後続の処理中に、所望の焦点位置を設定することができる。レーザビームは、たとえば、切断ガスとともに、ノズル１１Ａを介して処理ヘッド１１を出射する。加工片５の加工のために、加工片５までの距離は、０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲内であってもよく、たとえば、０．７ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲内であってもよい。

移動ユニットの例示的な実施形態において、加工ヘッド１１は、ｘ、ｙ、およびｚスライド９Ａ、９Ｂ、９Ｃならびにｚスリーブの可動性によって決定される範囲内の任意の調整可能な位置および向きを仮定することができる。ｘ、ｙ、およびｚスライド９Ａ、９Ｂ、９Ｃは、加工ヘッド１１が加工片５に対して動くことを可能にする駆動ユニットに割り当てられる。加工ヘッド１１は、回転およびスイベル軸によって加工片５と位置整合される。それによって、適応的に合焦されるレーザビームによって処理することができるすべての点を包含する作業空間が画定される。

加工片５は、クランプ締め技法（図示せず）を使用して加工片支持装置１３に固定することができる。代替的な実施形態において、加工片５／加工片支持装置１３または加工片５／加工片支持装置１３単独も、空間内で動かされてもよい。本明細書において適用される概念は、そのような構成において使用されるように、適切に適合することができる。

加工片支持装置１３は通常、加工片５をクランプ締めするためのクランプ、ならびに、部品認識のためのセンサおよび加工片支持装置１３を動かすための駆動部のような、さらなる要素を含む。

一般に、形成される金属薄板部品は、三次元の、可変的に形成される加工片５の例である。図１に示す加工片５は、たとえば、焦点位置を決定するために特定的に使用されるテスト加工片である。一例として、相対運動軌道８が示されており、この軌道に沿って、レーザビームが、焦点位置決定のために加工片５の上で誘導される。いくつかの用途において、加工片５は、代替的に、加工片の、製品が製造されるのに必要とされない領域であってもよい。一般的な加工片は、鋼、アルミニウム、もしくは銅のような金属、または金属合金から作成される。しかしながら、機能性セラミックス、プラスチック、有機材料、または他の材料も可能である。

例示的な切断プロセスにおいて、加工片５は、レーザ切断中に分離切断を用いるレーザビームによって処理することができる、すなわち、レーザパラメータ、特にレーザ出力は、加工片５が、運動軌道８に沿って延伸する切断線によって互いから分離される２つの領域に分離されるように、設定される。たとえば、レーザビームが作動されると、加工片５に切り込むために、処理ヘッド１１が上方から加工片５に向かって動かされる。このとき、相対運動は、連続する切断間隙を加工片に作成することができるように、レーザビーム／処理ヘッド１１および加工片５を互いに対して動かすことによって、相対運動軌道８に沿って行われる。

クリーンな切断にとって重要なことは、特に、加工片５に対する焦点位置、または、相対運動軌道８の正確な制御のために焦点位置が正確に分かっていることである。したがって、切断するとき、切断ノズル１１Ａと加工片５との間の距離は、切断プロセス中の焦点が、材料面に対して変わりなく最適な位置にある、たとえば、切断ガスが切断間隙へと最適に流れることができるように、公称値（本明細書においては作動距離としても参照される）に対して可能な限り正確に制御されるべきである。焦点位置は、選択されるノズル距離に応じて、合焦光学素子によって調整される。距離の逸脱はわずかであっても切断結果に影響を与える可能性があるため、作動距離、したがって、切断ノズル１１Ａと加工片５との間の距離は、通常、能動センサによって監視され、連続的に再調整される。この目的のために、センサは、一般的に、切断ノズル１１Ａと加工片５との間の距離を連続的に測定する。適用されるべき作動距離は、それぞれの処理方法およびレーザシステムに応じて変化してもよい。たとえば、溶断は、切断ガスが切断間隙に流れ込むことを可能にするために、ミリメートル範囲の小さい距離を必要とする。

焦点位置は、合焦光学素子を調整すること、および／または、加工片５に対するノズル１１Ａ（すなわち、加工ヘッド１１）の距離を変更することによって、加工片５の表面に対して変更することができる。焦点位置が加工片の上方にある場合、下向きに広がる開口が、加工片内に形成される。焦点位置が加工片の下方にある場合、上向きに広がる開口が形成される。焦点位置が加工片の表面上（またはその近く）にある場合、実質的に平行な側壁を有する開口が作成される。加工片処理において、たとえば、レーザビームの焦点は、加工片の上側または加工片の内部にある。

レーザビームの基準焦点位置は、たとえば、ビーム焦点が、実質的に加工片表面上（またはその近く）にある焦点位置である。この焦点位置によって、このとき、最も高い出力密度が加工片表面上で与えられるため、最も狭い切断間隙が、通常、加工片５内で達成される。加工片５の表面および／または処理ヘッド１１の合焦光学素子までのノズル１１Ａの距離は、このとき、たとえば、レーザビームのビーム焦点が、加工片５の表面上にあるように設定される。

後述する焦点位置決定は、平坦な加工片５、たとえば、金属薄板を使用する一例として説明される。しかしながら、焦点位置決定は一般的にまた、平坦でない加工片に対して実施されてもよい。

焦点位置決定のいくつかの実施形態について、レーザ処理システム３は、テストカット手順を評価するためのカメラ１４をさらに含むことができる。図１において、たとえば、カメラ１４は加工ヘッド１１上に設けられている。カメラ１４は通常、レーザ処理システム３の制御ユニットの一部である。

通常、後述するテスト切断プロセスに先行して、位置決めおよび／または切断プロセスが行われる。この位置決めおよび／または切断プロセスの目的は、とりわけ、加工ヘッド１１が、開始位置にリンクされた加工位置において始まる所定の距離において、特定の切断輪郭を加工片５に切り込むことができることを保証することである。位置決めおよび／または切断プロセスが下記で想定され、たとえば、空間的に分離された切断セグメントに対して１回または複数回行われ得る。

図２に示すフローチャートは、概して、２つの例示的なタイプの切断構造について下記に説明するように、焦点位置を決定するための手順を示す。この手順は、テストカットステップ２１と、テストカットステップ２１の評価ステップ２３と、評価結果に基づいて実際の焦点位置を割り当てるステップ２５と、後続の加工片処理のために焦点位置を調整するステップ２７とを含む。

図２は、テストカットステップ２１が一連の切断構造２９に関連することを示す。切断構造２９は、加工片５に対するレーザビームの伝播方向に沿った異なる焦点位置において行われる。図１において、異なる焦点位置は、ｘ−ｙ平面において平坦なテスト加工片を想定して、ｚ方向における焦点の位置の変化に対応する。

加工片５に対する焦点位置は、一般的に、レーザビームが加工片５まで進行するビーム経路の光路長によって決定される。ノズル１１Ａのビーム射出口１２までの経路長が変化しないと仮定される場合、加工片５に対する焦点位置は、ノズル１１Ａのビーム射出口１２までの加工片５の距離ｄ１、ｄ２〜ｄｎによって定義される。代替的にまたは付加的に、加工片５に対する焦点位置は、たとえば、ミラーなどの、ビーム経路内の可動光学素子の位置によって定義されてもよい。以下の説明において、ビーム射出口１２までの加工片５の距離ｄ１、ｄ２〜ｄｎは、ｚ方向における焦点位置の調整可能性の例示である。本明細書において開示されている概念は、光路長を別様に調整することができる場合、それに従って転換され得ることが、当業者には認識されよう。

テストカットステップの後、評価ステップ２３、割り当てステップ２５および調整ステップ２７が行われる。評価ステップ２３において、一連の切断構造２９が、最初に、切断結果に対して検査される。割り当てステップ２５において、その後、切断構造が、基準焦点位置に割り当てられ、それに基づいて、その後、設定ステップ２７において、基準焦点位置が処理機械の制御の範疇で設定される。

図３は、加工片が、たとえば、一連の同一の木形状の切断構造３３を含む相対運動軌道に従って切断された場合にもたらされるものとしての、分離切断の切断軌跡３１を概略的に示す。最初と最後の２つの切断構造３３において、切断がそれに基づく相対運動軌道８は、一例として白色点線によって示されている。新たな切断構造３３毎に、焦点位置は、固定刻み幅だけ変更されている。図１において、これは、１つの刻み幅（増分）Δｚだけ変更された板状加工片５に対する焦点位置の相対位置に対応する。

図３の切断プロセス３１において、左から右への切断の切断幅Ｂは、最初は低減し、その後再び増大するため、レーザビームの焦点位置は、加工片５を通じて動かされている。

木形状として記載されている切断構造３３は、相対運動軌道８に基づき、これは、樹冠領域３３Ａおよび幹領域３３Ｂを有する。幹領域３３Ｂにおいて、相対運動軌道８の、互いに沿って通っている部分は、相対運動軌道８が一連のほぼ完全に切り抜かれたディスク輪郭をもたらすように、互いから離間されている。ディスク輪郭の各々は、ブリッジ３３’を介して加工片５の残りの材料に接続される。

図３において「ｘ」とマークされた切断構造３３について、実施されている切断は、分離切断の幅Ｂに起因して幹領域３３Ｂ内で重なり合っており、結果、切り抜かれたディスクは抜け落ちることができる。評価ステップ２３において、この抜け落ちは、たとえば、目視でまたはカメラ１４によって検出することができる。代替形態として、または、加えて、上記で言及した、ＤＥ１０２０１１００４１１７Ａ１から知られている方法を、切断プロセスをチェックするために使用することができる。焦点が加工片５の領域内にある場合、それぞれの分離切断の幅Ｂは、相対運動軌道８によって規定されるブリッジ３３’を完全になくすほど十分に大きくはなく、結果、ディスクは加工片５に付着したままになる。

図４は、図３のテスト切断ステップを斜視図で示す。ノズル１１Ａは、一連のテストカットの３つの位置において概略的に示されている。レーザビーム３７の関連付けられるレーザビーム焦点３５、および、ビーム射出口１２と加工片５の表面との間の関連付けられる距離ｄ１、ｄ２、ｄ３は、レーザビーム焦点３５がどのように、最初は加工片５の下方に（最小の距離ｄ１）、その後加工片の表面上またはその近くに（距離ｄ２＞ｄ１）、そして最後に加工片５の上方に（最大の距離ｄ３＞ｄ２）に位置特定されるかを示している。距離ｄ１、ｄ２、ｄ３の各々は、テストカットにおいて実施され、レーザビームの伝播方向に沿って延伸するそれぞれの切断構造３３に特有のレーザビーム３７の焦点位置３５を規定する。隣接する切断構造３３は、焦点位置３５のテストフィールドを規定する。テストフィールドは、基準焦点位置が予測されることになる中央領域を含む。テストカットは、中央領域の両側および中央領域内で実施される。テストカットは、たとえば、伝播方向において刻み幅だけ異なり得、これは特に調整することができる。すなわち、テストカットは、異なる焦点位置によって生成される。

図３において「ｘ」とマークされた切断構造３３において、内側のプレートは抜け落ちているため（図４の黒色の切り抜き開口３９）、５つの中央切断構造３３においてのみ、加工片５の材料ディスク４１（図４において破線で強調されている）が、依然として対応する樹冠領域３３Ａの内部に存在し、細いブリッジ４３を介して、周囲領域４４を形成する加工片５の残りの材料に接続されていることを、依然として見てとることができる。

５つの中央切断構造３３は、加工片が、円盤状領域内の少なくとも１つのブリッジ領域によって保持されるディスクを有する、連続する切断構造の中央グループＺを形成する。「ｘ」とマークされた切断構造３３は、中央グループＺの各側に、特に、加工片が円盤状領域内で加工片内の開口を有する切断構造の連続的な位置の縁部グループＲを形成する。

図３および図４に示すテストカットステップについて、図５Ａ〜図５Ｃは、切断が基準焦点位置３５の領域内で（図５Ｂ）、または、基準焦点位置３５から一定の距離をおいて（図５Ａ）実施される場合の、相対運動軌道８と、結果もたらされる分離切断との間の関係を示す。

樹冠領域３３Ａにおいて、相対運動軌道８は、たとえば、ほぼ閉じた円、すなわち、たとえば約３５０°の弓形５１を形成する。開始点５１Ａおよび終点５１Ｂが、互いに平行に（概して互いに沿って）延伸し、互いから離間されており、幹領域３３Ｂに対応する直線の線分５３に接続されている。図５Ｃ（図３および図４におけるような）において実施されている相対運動軌道８は、均一な運動のために丸みを帯びている。しかしながら、これは実質的に同じ特性、すなわち、樹冠領域３３Ａにおけるほぼ閉じた弓形タイプの軌跡、および、幹領域３３Ｂにおける少なくとも部分的に平行な軌跡を有する。

樹冠領域３３Ａと幹領域３３Ｂとの間の遷移領域において、図５Ａおよび図５Ｂは、例示的なビーム直径５５Ａ、５５Ｂを示し、これは、切断間隙のそれぞれの幅Ｂ１、Ｂ２（相対運動軌道８に沿った破線の縁部）を決定する。一定の最小幅から始まって、ブリッジは残らず（または、もはやディスクを保持できなくなるほど不安定である）、ディスクは分離切断によって取り除かれている。図５Ａの幅Ｂ１について、ビーム直径５５Ａが重なり合っている、すなわち、ブリッジが形成されていないことが分かる。図５Ｂのより小さい幅Ｂ２について、（より小さい）ビーム直径５５Ｂは重なり合わず、ディスク４１はブリッジ４３によって保持される。

相対運動軌道８のプログラムされているブリッジは常に同じ幅を有するため、理想的には、切断間隙幅が増大することによって、ブリッジが破壊され、結果、ディスクは抜け落ちる（図５Ｃの左）。切断間隙の幅に応じて、輪郭の安定性は、一方の側に残った非常に繊細なブリッジ４３によってのみ保証される。個々のブリッジ４３は、たとえば、ブリッジ４３が原則的に残るが、ブリッジがディスク４１を保持するほど十分に強固でない場合、自動化されたロバストな評価ステップに関してエラーをもたらす可能性がある。いくつかの集団において、たとえば、木形状切断構造３３は不安定に過ぎる場合がある。

特に、ブリッジはまた、たとえば、流れる切断ガスの影響に起因して、特にレーザビーム走査によって実施される評価ステップの間に屈曲する可能性もあり、それによって、結果が歪められる。

相対運動軌道を修正すること（または一般的に複数のブリッジを提供すること）によって第２のブリッジを提供することによって、必要な支持を有するディスクを提供することができる。それによって、エラーの傾向の少ない評価ステップが可能になり得る。例示的な実施態様が、図６〜図８に関連して示される。

図６および図７は、異なる焦点位置によって切断されている例示的な切断構造６１（図６）、および、切断構造６１の生成のための相対運動軌道の一部分８’（図７）を示す。切断構造６１は、実質的に鏡面対称である２つの軌道部分６１Ａ、６１Ｂによって作成されている。中央領域６５において、軌道部分は、その間に円盤状領域６９が形成されている対向する半弓形６７として成形されている。互いに対向する、隣接する側部領域７１Ａ、７１Ｂ上で、半弓形６７は、一定の距離をおいて実質的に平行な線分７３として続いている。概して、所与の距離が線分７３に割り当てられ得る。したがって、切断幅に応じて、（フィリグリー）ブリッジ構造７７が、切り抜かれたディスクの両側で形成され得る。ブリッジ（ストリップ）７７の最小幅は、線分７３の所与の距離と切断幅との間の差からもたらされる。

切断幅が大きくなりすぎた場合、ブリッジは弱くなりすぎるか、または、もはやまったく形成されず、結果、ディスクは切り抜かれ、抜け落ちる。明確にするために、焦点直径７８Ａ（すなわち、基準焦点位置におけるレーザビーム直径）および挿入点（レーザスイッチオン点）における基準焦点位置から一定の距離におけるビーム直径７８Ｂが、図７に示されている。たとえば、加工片５が、基準焦点位置の位置に位置決めされる場合、切断幅は、ブリッジ領域における測定について生成され、これは、たとえば、指定の距離の１０％〜４５％の範囲内にある。一般に、指定の距離は、基準焦点位置において、すなわち、焦点位置が加工片内／上で最適に位置整合されている点において、十分に安定したブリッジ構造が形成されるように、選択される。

図６において「ｘ」とマークされた切断構造６１において、生成される分離切断は、たとえば、分離切断の幅に起因して中央領域６５内で重なり合っており、結果、ディスクは抜け落ちることができる。他方、間の切断構造６１について、ディスク６９は、互いに対向するブリッジ７７によって保持される。

図８は、焦点位置決定が実施されたテストプレート８１の画像８０を示す。テストプレート８１において、図７による形態の異なる幅８５を有する切断線（黒色）のみを、中央の切断構造８３に見ることができ、結果、ディスク８６はそれぞれ２つのブリッジ８７によって保持される。対照的に、２つの（黒色の）穴８８が左側に見え、（黒色の）穴８８が右側に見え、一方、（黒色の）切り抜き／穴８８は、異なる幅の直線の切り込み８９として、対向する両側で続く。

図７にさらに示すように、直線の線分７３は、１つの線分のみが加工片５への切り込みの領域において与えられることを可能にする。このために、対になった線分は、対向する方向において接近され（図５および図６は、それぞれ「＋ｘ」方向および「−ｘ」方向にある矢印９１を示す）、切り込み、すなわち、各分離切断の始まりは、（たとえば、レーザをオフにすることによる）他方の切断の終わりよりも大きい、ディスク６９（たとえば、ディスク中心）からの距離において行われる。それによって、切り込み中に生成され、分離切断の幅を超え得る直径を有する切り込み穴９３は、ブリッジ構造がディスクの近くに形成された場合であっても、ディスクが不都合に抜け落ちるようにすることを防止することができる。

図７に示す軌道部分８’の寸法決めの例は、１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内、たとえば、１．５ｍｍの、中央領域６５における曲率半径、たとえば、３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内の線分７３の長さであり、それによって、挿入穴９３から延伸する線分の長さは、いくらかより長い（たとえば、１ｍｍ〜３ｍｍ長い）。さらに、側部領域７１Ａ、７１Ｂから中央領域６５への遷移は、１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内の半径によって平滑化することができる。

図９は、例示的に木形状の切断構造３１に対する評価ステップ２３を示し、評価ステップ２３は、レーザビーム９７による個々の切断構造３１の走査に基づく。レーザは、この場合にディスク９９Ａが依然として単一のブリッジによって保持されているか、または、ディスクが完全に切り抜かれており、したがって抜け落ちており、加工片５内の開口９９Ｂを形成しているかを検出するために使用される。

たとえば、１１Ａのノズルが、各切断構造３１の中心の上方で中心に位置決めされ、９７のレーザビームがオンにされる。レーザビーム９７が依然として保持されているディスク９９Ａに衝突した場合、レーザビーム９７は反射される。反射光を検出することができる。他方、開口９９Ｂがある場合、レーザビーム９７は加工片５を通過し、反射はない、すなわち、反射光は検出されない。図８に示すテスト加工片８１は、たとえば、レーザビームの、保持されているディスクに対する衝突点１０１を示す。代替的にまたは加えて、開口を通過した光が検出されてもよい。

このように、一連の切断構造３１は、切断幅、したがって焦点位置を考慮に入れる一連の測定値を割り当てられ得る。たとえば、開口には値「０」を割り当てることができ、保持されるディスクには値「１」を割り当てることができる（図２の評価ステップ２３）。したがって、図９について、評価ステップの評価結果は、測定値シーケンス０−０−１−１−１−１−１−０−０−０−０をもたらす。それによって、各測定値の間で、焦点位置は、たとえば、伝播方向において（たとえば図１ではｚ方向において）固定刻み幅だけ移動されている。

切断構造３１の自動評価に対する代替形態として、オペレータが切断構造３１を手動で評価することもできる。代替的にまたは加えて、一連の切断構造はまた、たとえば、カメラ１４によって捕捉される画像の画像認識によって評価することもでき、対応する測定値を個々の切断構造に割り当てることができる。

基準焦点位置から逸脱する場合に間隙が対称に広がると仮定される場合、基準焦点位置は、開口測定値「０」の間の中心に割り当てることができる（図２の割り当てステップ２５）。図９の例示的な測定において、基準焦点位置は、対応して加工片５内のディスク測定値「１」の中央のものにある。

偶数のディスク測定値「１」により、基準焦点位置は、中央の目標測定値の間にあると想定することができ、刻み幅を用いることによって適切に補間することができる。基準焦点位置は、制御ユニットに記憶され、後続の加工、特に、加工片の上または中の焦点の正確な位置決めに使用される（図２の設定ステップ２７）。

本明細書および／または特許請求の範囲に開示されているすべての特徴は、元の開示の目的のために、ならびに、実施形態および／または特許請求の範囲内の特徴の組成とは無関係に特許請求される発明を制限する目的のために、別個にかつ互いから独立して開示されるように意図されていることは明示的に述べておく。すべての値範囲またはエンティティのグループの指示は、特に値範囲の制限として、元の開示の目的のために、および、特許請求される発明を制限する目的のために、すべての可能な中間値または中間エンティティを開示することは明示的に述べておく。

Claims (12)

1. ビームベースの工作機械のビームの基準焦点位置（３５）を決定するための方法であって、
   周囲領域（４４）に対して円盤状領域（６９）を区切る相対運動軌道（８、８’）を与えるステップであって、前記円盤状領域（６９）は、少なくとも１つのブリッジ領域（７７）を介して前記周囲領域（４４）に接続されている、相対運動軌道を与えるステップと、
   加工片（５）に対して一連のテストカットを実施するステップ（ステップ２１）であって、各テストカットにおいて、前記相対運動軌道（８、８’）に沿って前記ビーム（３７）を誘導することによって前記加工片（５）内に切断構造（３１、６１）が切り出され、前記切り出しは、別様に設定されている焦点位置において前記相対運動軌道（８、８’）の前記少なくとも１つのブリッジ領域（７７）に沿って実施される、一連のテストカットを実施するステップ（ステップ２１）と、
   単一の切断構造（３１、６１）について、前記加工片（５）が前記相対運動軌道（８、８’）の前記円盤状領域（６９）内の少なくとも１つのブリッジ（８７）によって保持されるディスク（８６）を有するか否かを評価する、または、前記加工片（５）が、前記相対運動軌道（８、８’）の前記円盤状領域内の、前記相対運動軌道（８、８’）に従って形成されている前記加工片（５）内の開口（８７）を有するか否かを評価するステップ（ステップ２３）と、
   前記切断構造（３１、６１）の前記評価に基づいて、前記基準焦点位置を割り当てるステップ（ステップ２５）と、
   を含む方法。
2. ビームベースの工作機械のビームの基準焦点位置（３５）を決定するための方法であって、
   周囲領域（４４）に対して円盤状領域（６９）を区切る相対運動軌道（８、８’）を与えるステップであって、前記円盤状領域（６９）は、少なくとも１つのブリッジ領域（７７）を介して前記周囲領域（４４）に接続されている、相対運動軌道を与えるステップと、
   加工片（５）に対して一連のテストカットを実施するステップ（ステップ２１）であって、各テストカットにおいて、前記相対運動軌道（８、８’）に沿って前記ビーム（３７）を誘導することによって前記加工片（５）内に切断構造（３１、６１）が切り出され、前記切り出しは、別様に設定されている焦点位置において前記相対運動軌道（８、８’）の前記少なくとも１つのブリッジ領域（７７）に沿って実施される、一連のテストカットを実施するステップ（ステップ２１）と、
   前記加工片（５）が前記円盤状領域（６９）内の少なくとも１つのブリッジ（８７）によって保持されるディスク（８６）を有する、切断構造（３１、６１）の中央グループ（Ｚ）を特定し、前記中央グループ（Ｚ）の側部で、前記加工片（５）が前記円盤状領域（６９）内に開口（８７）を有する、切断構造（３１、６１）の縁部グループ（Ｒ）を特定するステップと、
   前記中央グループ（Ｚ）に割り当てられる中心位置、または、前記縁部グループ（Ｒ）の間の中心位置を、前記基準焦点位置として割り当てるステップと、
   を含む方法。
3. 前記切断構造（３１）の１つを評価する前記ステップ（ステップ２３）は、
   関連する前記円盤状領域（６９）に接近し、照射するステップと、保持されている前記ディスク（８６）から反射される放射および／または前記加工片（５）内の前記開口（８７）を通過する放射を検出するステップとを含む、
   請求項１記載の方法。
4. 前記切断構造（３１）を評価する前記ステップ（ステップ２３）は、
   前記一連のテストカットの領域内の前記加工片（５）の画像（８０）を光学的に記録するステップと、保持されているディスク（８６）および／または前記加工片（５）内の開口（８７）を認識するために前記画像（８０）を画像処理するステップとを含む、
   請求項１記載の方法。
5. テストカットは、前記基準焦点位置が位置すると期待される中央領域において実施され、かつ、テストカットは、前記中央領域の両側で実施され、
   および／または、
   前記テストカットに特有の前記焦点位置は、伝播方向において、特に調整可能な、刻み幅だけ異なる、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記少なくとも１つのブリッジ領域（７７）内の前記相対運動軌道（８、８’）は、互いに沿って延伸し、所定の距離によって特徴付けられる２つの線分（７３）を含み、
   前記加工片（５）は、前記基準焦点位置に位置決めされ、前記ブリッジ領域において生成される切断幅は、前記所定の距離の１０％以上４５％以下の範囲内にある、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記円盤状領域（６９）内の前記相対運動軌道（８、８’）は、実質的に閉じた環状形状（６７）を有し、前記実質的に閉じた環状形状（６７）は、その両端部において前記少なくとも１つのブリッジ領域（７７）の前記２つの線分（７３）に合流する、
   請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記相対運動軌道（８、８’）は、実質的に鏡面対称に延伸する２つの軌道部分（６１Ａ、６１Ｂ）を含み、
   前記軌道部分（６１Ａ、６１Ｂ）は、
   中央領域（６５）において、間に前記円盤状領域（６９）が形成されている対向する半弓形（６７）として形成されるとともに、
   前記中央領域（６５）に隣接し、互い対向して存在する側部領域（７１Ａ、７１Ｂ）において、互いに沿って延伸し、２つのブリッジ領域（７７）を形成する離間された２つの線分（７３）として形成される、
   請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記離間された２つの線分（７３）は、前記中央領域（６５）から離れて別様に延伸する、
   請求項８に記載の方法。
10. 前記基準焦点位置に割り当てられている前記焦点位置は、コントローラによって、後続の加工に、特に前記加工片（５）の表面上に焦点（３５）を精密に位置決めするために、使用される、
    請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
11. 工作機械（１）であって、
    レーザシステムを有するレーザ処理システム（３）と、
    加工片ホルダ（１３）と、
    レーザ処理ヘッド（１１）であって、前記レーザ処理ヘッド（１１）は前記レーザシステムに光学的に接続され、前記加工片（５）上の軌道に沿ってレーザビーム（３７）を誘導するために前記レーザ処理ヘッド（１１）と前記加工片ホルダ（１３）との相対運動が可能な、レーザ処理ヘッド（１１）と、
    請求項１ないし３のいずれか１項に記載の、ビーム（３７）の基準焦点位置を決定するための方法を実施するために、相対運動軌道（８、８’）にアクセス可能な制御ユニット（５）と、
    を備えた工作機械（１）。
12. 前記相対運動軌道（８、８’）に従って生成される前記切断構造（３１、６１）の画像（８０）を記録するためのカメラ（１４）をさらに備えた、
    請求項１１記載の工作機械（１）。

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