SE447972B - Sett och detektor for att detektera fokuspositionen for en med laser arbetande bearbetningsanordning - Google Patents

Description

447 972 tion, vid vilken ovannämnda ljusavkännares utsignaler när maximivärden eller minimivärden detekteras, varigenom det korrekta fokusläget detekteras.

En föredragen utföringsform av uppfinningen beskrives närmare i det följande med hänvisning till bifogade ritningar.

Fig. 1 är en sidovy, som delvis i snitt visar huvudde- len av en laseranordning enligt uppfinningen, fig. 2 och 3 är vyer, som belyser principerna för de- tektering av fokuspositionen för kondensorlinsen, fig. 4 är en sidovy, som delvis i snitt visar en andra utföringsform av uppfinningen, fig. S är en förklarande vy, som visar den mängd laser- ljus, som kan passera i beroende av positionsförhållandet mel- lan kondensorlinsen och det ljusskärmande elementet, fig. 6 är ett diagram, som belyser förhållandet mellan kondensorlinsens och det ljusskärmande elementets relativa lä- ge, och laserljusavkännarnas utsignal.

Den i fig. 1 och 2 visade laseranordningen 1 innefattar en laser 3, exempelvis en C02-laser (koldioxidgaslaser) och en bearbetande enhet 5 med C-format stativ. Eftersom lasern 3 kan vara en vanlig, kommersiellt tillgänglig laser, peskrives den icke i detalj här. ' Enheten 5 innefattar ett stativ 9 för understöjdande av ett bord 7, som rörligt på sin övre yta bär ett arbetsstycke W i form av en plåt. En upptill anordnad bom 11 befinner sig ovanför stativet 9, och en vertikal pelare 13 förbinder sta- tivet 9 och bommen 11 i en konfiguration liknande bokstaven C.

Ett flertal friktionsminskande organ 7a med roterbara stâlkulor är monterade på bordets 7 övre yta för understödjande av arbetsstycket W. Pâ stativets 9 båda sidor (pâ såväl fram- som baksidan såsom visas i fig. 3) är ett par Y-axelstyrske- nor 15 fästa och sträcker sig horisontellt längs stativet (vänster-höger i fig. 1), och ett par Y-axelvagnar 17, som är rörliga i vänster-högerriktningarna längs Y-axelstyrskenorna 15, är monterade på dessa. Båda Y-axelvagnarna 17 är förbundna med varandra medelst ett förbindande element 19, som sträcker sig i X-axelns riktning (i den horisontella riktningen vinkel- rätt mot Y-axelstyrskenan 15), varvid ett litét mellanrum bi- behâlles med avseende på bordets 7 övre yta. Följaktligen för- flyttas båda Y-axelvagnarna 17 tillsammans i Y-axelns rikt- ning (höger-vänster i fig. 1).

Det förbindande elementet 19 är monterat med en X-axel- styrskena 21 sträckande sig i X-axelns riktning vinkelrätt mot Y-axelstyrskenorna 15, och X-axelstyrskenan 21 är försedd med en X-axelvagn 23, som är rörlig längs X-axelstyrskenan 21.

Ett flertal arbetsstycksklämmor, som kan klämma änddelen av det på bordets 7 yta rörligt understödda arbetsstycket W, är i lämpligt antal monterade vid X-axelvagnen 23. Genom förflytt ning av X-axelvagnen 23 längs X-axelstyrskenan 21, förflyttas sålunda arbetsstycket W i X-axelns riktning, medan det är klämt i arbetsstycksklämman 25. På detta sätt kan arbets- stycket W förflyttas och placeras längs X- och Y-axlarna genom förflyttning av Y-axelvagnen 17 i Y-axelns riktning och X-axelvagnen 23 i X-axelns riktning.

Y-axelvagnarna 17 och X-axelvagnen 23 kan förflyttas automatiskt och stoppas längs Y- och X-axlarna under reglering av en lämplig regleranordning, exempelvis en numerisk regler- anordning eller en dator (icke visad) för lägesinställning av arbetsstycket W längs X- och Y-axlarna.

Nära det övre stativets 11 änddel är anordnad en strål- avlänkare 27, som avlänkar laserstrålarna LB från lasern 3 vertikalt i förhållande till bordets 7 översida. Ett lämpligt stycke under avlänkaren 27 är en fokuspositionsjusteringsan- ordning 29 anordnad. Justeringsanordningen 29 justerar laser- strâlarna LB, som skall fokuseras på en punkt av mycket liten diameter på arbetsstyckets yta, då laserstrâlarna LB projice- ras på denna. Fokuspositionsjusteringsanordningen 29 är för- sedd med en linshållande cylinder 33, som håller kondensor- linsen 31 för fokusering av laserstrålarna LB. Denna lins- hållarcylinder 33 är medelst ett lämpligt förbindningsorgan, exempelvis en gängkoppling, förbunden med en yttre cylinder 35, som är anbragt vid det övre stativet 11, så att den fritt kan justeras i vertikal riktning (i riktningen för den verti- kala delen av laserstrâlarnas LB optiska axel). Om arbets- styckets W plâttjocklek ändras, kan kondensorlinsens 31 fokus 447 972 F följaktligen alltid placeras på arbetsstyckets W övre yta genom korrekt justering av läget för den linshâllande cylin- dern 33 i riktningen uppåt-nedåt. Även om detta icke visas i fig. 1 är ett munstycke anordnat i justeringsanordningens 29 fokuseringsposition för utsprutning av hjälpgas mot laser- bearbetningsläget (läget för svetsskärningen) pâ arbetsstycket W.

Såsom angivits ovan kan genom projicering av laser- strâlarna LB från laseranordningen 3 mot arbetsstycket W på bordet 7 och genom utsprutning av hjälpgas från munstycket och korrekt förflyttning av arbetsstycket W i X- och Y-axlarnas riktning arbetsstycket W laserbearbetas (svetsskäras) till korrekt form.

Eftersom det är svårt att detektera huruvida laser- strålarna LB fokuseras till en punkt av mycket liten diameter eller inte på arbetsstyckets W yta, anordnas en fokuserings- positionsdetektor 37 på lämpligt sätt på bordet 7 för detekte- ring på mycket enkelt sätt av kondensorlinsens fokuserings~ position.

Fokuseringspositionsdetektorn 37 anordnas löstagbart på det nedre stativet 9 i en öppning 39 i bordet 7. Pâ det nedre stativet 9 anordnas i bordsöppningen 39 en underlags- platta 41 på löstagbart sätt liksom ett flertal positions- stopp 43, vilka fixeras säkert och vilka begagnas för läges- inställning av underlagsplattan 41. Positionsstoppen 43 läges- bestämmer plattan 41 på ett sätt som förklaras nedan. På plattan 41 anordnas vertikalt en styrstândare 45, och ett stödelement 47 anbringas på styrstândaren 45 medelst en hål- lare 49 på sådant sätt, att fri positionsjustering kan utföras i riktningen uppåt-nedåt. Stödelementet 47 kan anbringas vid styrstândaren 45 på flera olika sätt, exempelvis genom skruv- ning av hâllaren 49 vid styrstândaren 45 och gängning av en (icke visad) gängad stång vid styrstândaren 45 och som bäres vinkelrätt mot denna. Sättet att anbringa stödelementet 47 vid styrstândaren 45 på fritt justerbart sätt anges därför icke i detalj.

Ett ljusskärmande element 53 anbringas på lämpligt sätt 447 972 i närheten av stödelementets 47 övre del. Elementet 53 har ett på lämpligt sätt utformat, genomgående hål 51, genom vilket de av kondensorn 31 fokuserade laserstrålarna LB fritt kan passera. Det ljusskärmande elementets genomgående hål 51 be- höver icke ha cirkulär form utan kan vara polygonalt, men det är önskvärt, att hålet är cirkulärt och har en diameter, som är mindre än kondensorlinsens 31 diameter.

Det ljusskärmande elementet 53 kan placeras fritt mel- lan kondensorlinsen 31 och dennas fokus F samt kan vara fritt rörlig för justering i riktningen för laserstrâlarnas LB op- tiska axel. För justering av det ljusskärmande elementets 53 rörelse i den optiska axelns riktning justeras stödelementets 47 läge genom att det såsom nämnts förflyttas längs styrstàn- daren 45. Denna justering kan utföras genom att det ljusskär- mande elementet 53 förflyttas uppåt-nedåt i förhållande till stödelementet 47. Justeringen av det ljusskärmande elementets 53 förflyttning uppåt-nedåt i förhållande till stödelementet 47 kan utföras på vilket som helst lämpligt sätt, exempelvis gängning på fritt rörligt sätt av det ljusskärmande elementet 53 vid en gängad stång (icke visad), som bäres av stödelemen- tet 47 lodrätt och fritt roterbart.

En ljusavkännare 57 anordnas på lämpligt sätt i närhe- ten av stödelementets 47 nedre del. Avkännaren 57 har ett genomgående hål 55, vars form motsvarar hålet 51 i det ljus- skärmande elementets 53 form. Ljusavkännaren 57 består av ett lämpligt ljuskänsligt element, exempelvis ett fotoelektriskt element och alstrar en elektrisk utsignal, som är proportio- nell mot ljusmängden i laserstrålarna LB.

Ljusavkännaren 57 placeras vänd mot det ljusskärmande elementet 53 på motsatt sida av kondensorlinsens 31 fokus F i förhållande till kondensorlinsen 31 och är fritt rörlig i riktningen av laserstrâlarnas LB optiska axel. För justerings- förflyttning av ljusavkännaren 57 i riktningen av den optiska axeln, förflyttas stödelementet 47 för justering längs styr- ståndaren 45. Ljusavkännaren 57 förflyttas då tillsammans med det ljusskärmande elementet 53 via stödelementet 47. Genom förflyttning av ljusavkännaren 57 i riktning uppåt-nedåt i förhållande till stödelementet 47 kan även ljusavkännaren 57 447 972 förflyttas för justering. Ljusavkännaren 57 kan förflyttas uppåt-nedåt i förhållande till stödelementet 47 på många olika sätt, exempelvis kan ljusavkännaren 57 vara fritt gängbar uppåt- nedåt vid en gängad stång (icke visad), som bäres lodrätt och fritt roterbart av stödelementet 47.

Då underlagsplattan 41 på det nedre stativet 9 placeras i beröring med stoppet 43 i bordets öppning 39, placerar stop- pet 43 hålet 51 i det ljusskärmande elementet 53 och hålet 55 i ljusavkännaren 57 i linje med laserstrålarnas LB lodräta optiska axel. Då således underlagsplattan 41 placeras i be- röring med stoppet 43 placeras hålens 51 och 55 centra i linje med laserstrålarnas LB lodräta optiska axel. Det ljusskärmande elementet 53, ljusavkännaren 57 och dess stödelement 47 täckes av en huv 59. På huvens översida finnes en öppning, som är tillräckligt stor för att laserstrålarna LB skall kunna pas- sera igenom densamma.

Det ljusskärmande elementet 53 och ljusavkännaren 57 är placerade på följande sätt (se fig. 2): Avståndet L mellan det ljusskärmande elementet 53 och ljusavkännaren 57 delas i enlighet med förhållandet mellan hålen 51 och 55 i längderna L1 och L2. När avstånden L1 och L2 motsvarar läget för kon- densorlinsens 31 fokus F, kommer laserstrålarna LB, som först passerar igenom det ljusskärmande elementets 53 genomgående hål 51 och därefter ljusavkännarens 57 genomgående hål 55, icke att belysa ljusavkännaren 57, och dennas utsignal är minimal (exempelvis 0). Då sålunda ljusavkännaren S7 för- flyttas tillsammans med det ljusskärmande elementet 53, som är förbundet med ljusavkännaren genom stödelementet 47, kommer, då det ljusskärmande elementet 53 gradvis rör sig från posi- tionen P1 mot positionerna P2 och P3, fig. 2, den mängd laser- strålljus, som träffar ljusavkännaren 57, att gradvis öka, varigenom ljusavkännaren57kmingas att alstra en utsignal, som är proportionell mot kvantiteten laserljus. Pâ liknande sätt kommer då antingen det ljusskärmande elementet 53 eller ljusavkännaren 57 förflyttas, exempelvis då endast det ljusskärmande elementet 53 förflyttas från positionen P1 mot positionerna P2 och P3 (detta gäller, då endast ljusavkänna- ren 57 förflyttas nedåt i fig. 3), den kvantitet laserljus, 447 972 som träffar ljusavkännaren 57 att gradvis öka, och ljusavkän- naren 57 alstrar en elektrisk utsignal, som är proportionell mot ljuskvantiteten.

Om den position, vid vilken ljusavkännarens 57 utsignal blir minimal, detekteras, och avståndet L mellan det ljus- skärmande elementet 53 och ljusavkännaren 57 vid tidpunkten för denna detektering är delad i längderna L1 och L2 i enlig- het med förhållandet mellan elementets 53 hål 51 och ljusav- kännarens 57 hål 55, kan läget för kondensorlinsens 31 fokus F detekteras oberoende av om laserstrâlarna LB är synliga eller icke synliga. Man känner nämligen då höjden från läget för fokus F till bordets 7 översida eller från läget för fokus F till det nedre stativets 9 övre yta.

Sålunda kan man mycket lätt placera kondensorlinsens 31 fokus F på översidan av arbetsstycket på följande sätt.

Avståndet L mellan det ljusskärmande elementet 53 och ljus- avkännaren 57 delas i beroende av läget för kondensorlinsens 31 fokus F och i enlighet med förhållandet mellan hålen 51 och 55 i det ljusskärmande elementet 53 resp. ljusavkännaren 57, varvid inställning göres i förväg, till dess sträckorna L1 och L2 motsvarar läget för kondensorlinsens 31 fokus F.

Härnäst placeras underlagsplattan 41 i bordsöppningen 39, så att sträckorna L1 och L2 möter varandra i nivå med över- sidan av arbetsstycket W på bordet 7. Slutligen förflyttas den linshållande cylindern 33 i fokuspositionsdetektorn 29 uppåt-nedåt för justering av kondensorlinsen 31 till det läge, i vilket ljusavkännarens 57 utsignal gradvis minskas, till dess den blir minimal. Läget för kondensorlinsens 31 fokus F befinner sig nu där sträckorna L1 och L2 mötes, vilka sträckor erhålles genom delning av avståndet L mellan det ljusskärmande elementet 53 och ljusavkännaren 57 i enlighet med förhållandet mellan hålen 51 och 55, varvid fokus F blir på korrekt sätt placerat på översidan av arbetsstycket W på bordets 7 översida.

Sedan läget för kondensorlinsens 31 fokus F detekterats eller läget för fokus F placerats i på förhand bestämt läge, exempelvis översidan av det på bordet 7 anbragta arbetsstycket 447 972 W såsom nämnts ovan, avlägsnas fokuspositionsdetektorn 37 från läget i bordsöppningen 39 eller sänkes ned under bordets 7 översida och förflyttas bort från laserstrålarnas LB optiska axel till ett shuntat läge med en linjär förflyttning eller rotationsförflyttning för undvikande av att vara till hinder för arbetsstycket W, som skall bearbetas medelst lasern (i huvudsak-skärning). Därnäst anbringas arbetsstycket W på bor- det 7, klämmes med klämman 25 samt förflyttas till läge längs X- och Y-axelriktningarna i och för laserbearbetning. Detek- torn 37 kan förflyttas från läget i laserstrâlarnas LB optiska axel till ett lämpligt, undanfört läge på många olika sätt, som inte behöver förklaras närmare här. Dâ fokuseringsposi- tionsdetektorn 37 begagnas för detektering eller justering av kondensorlinsens 31 fokusposition såsom nämnts ovan, är det önskvärt att sänka laserns 3 uteffekt eller införa lämpliga dämpande organ, exempelvis en slitsplatta eller en halvspegel 1 laserstrâlarnas LB väg från lasern 3 till fokuspositions- justeringsanordningen 29, varigenom energin hos de laserstrå- lar LB, som skall belysa ljusavkännaren 57, dämpas.

Vid den ovan beskrivna utföringsformen detekteras det läge, som gör ljusavkännarens 57 utsignal minimal, för detek- tering av fokuspositionen, men det är även möjligt att detek- tera fokuspositionen genom att detektera det läge, i vilket ljusavkännarens 57 utsignal blir maximal, med följande utfö- rande.

Enligt fig. 4 anordnas en platta 63 med ett litet hål 61 (fig. 5), som tillåter laserstrålarnas LB fria passage.

Plattan anbringas vid styrståndaren 45 på underlagsplattan 41 medelst en hållare 65 samt fritt justerbart i riktningen uppåt-nedåt (den optiska axelns riktning). En ljusavkännare 67, som alstrar en elektrisk utsignal, vilken är proportionell mot den mängd laserljus, som passerat genom elementets 63 hål 61, anordnas på underlagsplattan 41. De i fig. 4 visade komponenter, som har samma funktioner som motsvarande kompo- nenter vid utföringsformen enligt fig. 1, har samma hänvis- ningsbeteckningar i fig. 4 och fig. 1.

Vid utföringsformen enligt fig. 4 projiceras, sedan det ringformiga elementet 63 på korrekt sätt förflyttats i rikt- *(1 V. 447 972 ningen uppåt-nedåt längs styrstândaren 45 och på detta sätt justerats till dess elementets 63 översida ligger i nivå med översidan hos arbetsstycket W pâ bordets 7 översida, laser- strâlarna LB på fokuspositionsjusteringsanordningen 29 samt träffar, sedan de passerat igenom elementets 63 hål 61, ljus- avkännaren 67. Ljusavkännaren 67 kan följaktligen alstra en utsignal, som är proportionell mot den belysande mängden la- serljus.

Då fokuseringsläget för fokuspositionsjusteringsanord- ningens 29 kondensorlins 31 och elementets 63 hål 61 är i nivâ med varandra (positionen B i fig. 5), träffar alla laserstrå- larna LB, som går genom kondensorlinsen, ljusavkännaren 57 så- som visas i fig. 5. Om å andra sidan kondensorlinsens 31 fo- kusposition icke är i nivå med hålet 61 (positionerna A och C i fig. 5), träffar endast en del av de laserstrålar LB, som passerat genom kondensorlinsen 31, ljusavkännaren 67 såsom klart framgår av fig. 5.

Fig. 6 visar ett diagram, där positionsförhållandet mellan kondensorlinsen 31 och elementet 63 avsatts utefter abskissan och ljusavkännarens 67 utsignal avsatts efter ordinatan. Om den linshållande cylindern 33 i fokuspositions- justeringsanordningen 29 förflyttas i riktningen uppåt-nedåt, medan ett med ljusavkännaren 67 förbundet instrument (icke visat) betraktas samt justering utföres på så sätt, att ljus- avkännarens 67 utsignal blir maximal, kan kondensorlinsens 31 fokusposition på korrekt sätt placeras på arbetsstycket W.

De beskrivna utföringsexemplen av uppfinningen kan på många sätt modifieras och varieras inom ramen för denna.

Claims (9)

1. 447 972 " V 10 PATENTKRAV l.

2. Sätt att detektera fokuspositionen för en med laser arbe- tande bearbetningsanordning, k ä n n e t e c k n a t av att ett ljusskärmande element (53), som fritt kan skärma en del av laserstrålarna, och en ljusavkännare (57), vilken alstrar en utsignal, som är proportionell mot den mängd laserljus, som passerat genom det ljusskärmande elementet, i följd placeras i laserljusvägen från en kondensorlins (31) till ett arbetsstycke, samt att åtminstone det ljusskärmande elementet (53) eller ljus- avkännaren (S7) förflyttas i den optiska axelns riktning för de- tektering av det läge, i vilket ljusavkännarens utsignal blir minimal eller maximal. varigenom fokuspositionen detekteras. 2f Sätt att detektera fokuspositionen enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att då tvâ positioner, som erhållits genom inre delning av avståndet mellan det ljus- skärmande elementet (53) mellan kondensorlinsen (31) och fokuse- ringspositionen för kondensorlinsen och ljusavkännaren (57), vilken anordnats vänd mot kondensorlinsen och på dennas motsatta sida i förhållande till fokuspositionen. i enlighet med förhål- landet mellan två analoga hål i det ljusskärmande elementet (S3) och ljusavkännaren (57), är i nivå :med kondensorlinsens fokus- läge, blir ljusavkännarens utsignal minimal, varvid det ljus- skärmande elementet eller ljusavkännaren förflyttas i riktningen för laserstrâlarnas optiska axel för detektering av det läge, vari ljusavkännarens (57) utsignal blir minimal, varigenom fokuspositionen detekteras.

3. Sätt att detektera fokuspositionen enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att av det ljusskärmande elementet (53) och ljusavkännaren (57), som är anordnad vänd mot konden- sorlinsen (31) och på motsatt sida av dennas fokus, förflyttas det ljusskärmande elementet mot eller från ljusavkännaren i riktningen för laserstrålarnas optiska axel för detektering av det läge, vari ljusavkännarens utsignal blir minimal, varigenom fokuspositionen detekteras. 447 972 11 -fl

4. Sätt att detektera fokuspositionen enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t av att av det ljusskärmande elementet (53) och ljusavkännaren (57), som är anordnad vänd mot konden- sorlinsen (31) och på motsatt sida av dennas fokusposition, för- flyttas ljusavkännaren mot eller från det ljusskärmande element- et i riktningen för laserstrålarnas optiska axel för detektering av det läge, vari ljusavkännarens utsignal blir minimal, varige- nom fokuspositionen detekteras.

5. Sätt att detektera fokuspositionen enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t av att både det ljusskärmande elemen- tet (53) och ljusavkännaren (57), som är anordnad vänd mot kon- densorlinsen (31) och på motsatt sida av dennas fokus, förflyt- tas tillsammans i riktningen för laserstrålarnas optiska axel för detektering av det läge, vari ljusavkännarens utsignal blir minimal, varigenom fokuspositionen detekteras.

6. Detektor för detektering av fokuspositionen i en laseran- ordning, k ä n n e t e c k n a d av att ett ljusskärmande element (53), som är placerat mellan en kondensorlins (31) och dennas fokusposition, samt en ljusavkännare (S7), som är anord- nad i valfritt läge och vänd mot kondensorlinsens fokusposition, är anbragta vid ett stödelement (47) samt har analoga, genomgå- ende hål, genom vilka laserstrålar, vilka fokuseras av konden- sorlinsen (31), kan passera, varvid åtminstone det ljusskärmande elementet eller ljusavkännaren är fritt rörlig i riktningen för laserstrålarnas optiska axel i och för justering.

7. Detektor för detektering av fokuspositionen i en laseran- ordning enligt patentkrav 6, k a' n n e t e c k n a d av att av det ljusskärmande elementet (53) och ljusavkännaren (57), som är vänd mot kondensorlinsens (31) fokusposition, är endast det ljusskärmande elementet fritt rörligt i riktningen av laserstrå- larnas optiska axel för justering.

8. Detektor för detektering av fokuspositionen i en laseran- ordning enligt patentkrav 6, k ä n n e t e e k n a d av att av det ljusskärmande elementet (53) och ljusavkännaren (57), som 447 972 12 _ » är anordnad vänd mot kondensorlinsens (31) fokusposition, är endast ljusavkännaren fritt rörlig 1 riktningen för laserstrå- larnas optiska axel för justering.

9. Detektor för detektering av fokuspositionen i en laseran- ordning enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a d av att av det ljusskärmande elementet (53) och ljusavkännaren (57), som är anordnad vänd mot kondensorlinsens (31) fokusposition, är så- väl det ljusskärmande elementet som ljusavkännaren fritt rörlig i riktningen för laserstrålarnas optiska axel för justering. E)