WO2012101533A1 - Laserbearbeitungsmaschine, insbesondere laserschneidmaschine, sowie verfahren zum zentrieren eines insbesondere fokussierten laserstrahles - Google Patents

Laserbearbeitungsmaschine, insbesondere laserschneidmaschine, sowie verfahren zum zentrieren eines insbesondere fokussierten laserstrahles Download PDF

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WO2012101533A1
WO2012101533A1 PCT/IB2012/050119 IB2012050119W WO2012101533A1 WO 2012101533 A1 WO2012101533 A1 WO 2012101533A1 IB 2012050119 W IB2012050119 W IB 2012050119W WO 2012101533 A1 WO2012101533 A1 WO 2012101533A1
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nozzle
laser
laser processing
centering
conversion unit
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Sven RAUSCHENBACH
Beat Beutler
Daniel Cathry
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Bystronic Laser Ag
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    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor

Definitions

  • the invention relates to a laser processing machine, in particular laser cutting machine according to the preamble of claim 1, and a method for centering a particular focused laser working beam in such a laser processing machine according to the preamble of claim 1 1.
  • the laser beam for a cutting process in laser cutting machines should be guided as centrally as possible through the cutting nozzle of the cutting head. Since a lateral displacement of the optical lenses in the cutting head - caused by a change of the lens or the lens insertion - often can result in a shift of the optical axis, a repeated centering process of the cutting nozzle is necessary in practice.
  • the centering of the nozzle relative to the laser beam in practice is usually performed manually.
  • the nozzle is centered so that one adjusts the nozzle head relative to the nozzle body in X-Y directions by adjusting screws and then fixed. This is done by visual inspection, with a transparent adhesive tape glued to the nozzle and a laser pulse is triggered. The resulting hole should be in the middle of the nozzle bore. If this is not the case, then the nozzle should be moved manually relative to the laser beam. This procedure is repeated until the nozzle is exactly centered.
  • JP-56'041'092 discloses a laser welding apparatus whose nozzle is provided with external temperature sensors. It is also equipped with an alignment device for machine-neutral adjustment of the nozzle position relative to the laser beam as a function of measurement signals of external temperature sensors. If the laser beam axis does not coincide with the nozzle axis, then the temperature sensors measure different temperatures and give different temperature signals to the alignment device. The temperature differences are minimized for the nozzle by means of a centering drive unit of the alignment device.
  • the temperature sensors according to the prior art can hardly meet the most modern requirements, since these temperature sensors usually Termopiles, which has a time constant of max. 20 ms, are too sluggish and such a centering therefore takes a relatively long time.
  • the temperature values detected by the external temperature sensors are influenced by the heat radiation radiated and / or reflected by the workpiece. Under such circumstances, accurate and reproducible centering is virtually impossible.
  • the nozzle body and the laser beam relative to each other along the propagation direction (Z) of the laser beam is moved until - due to the conical propagation of the laser beam - a portion of the laser radiation from an edge region of the laser beam is stripped at a surrounding the opening special optical scattering or mirror surface , Thereafter, the intensity of the laser radiation reflected and scattered by the scattering or reflecting surface is simultaneously detected at a plurality of measuring surfaces, and the intensity of the laser radiation detected at the plurality of measuring surfaces is compared for determining the position of the laser beam relative to the nozzle opening.
  • the stripped part of the laser radiation is therefore scattered diffusely at the scattering surface or expanded or focused on the mirror surface having a curvature in the radial direction or the combined scattering surface.
  • a laser processing nozzle comprising a nozzle body having a nozzle opening for passing a focused laser beam and a mirror surface or combined scattering / mirror surface surrounding the aperture for stripping a portion of the laser radiation from an edge region of the laser beam.
  • the mirror surface or the combined scattering / mirror surface in the radial direction has a curvature.
  • a mirror surface or a combined scattering / reflecting surface with radial curvature formed on the nozzle body is used for stripping off a partial laser radiation and for expanding or focusing the reflected partial laser radiation, which therefore requires a plurality of complicated optical measures. Impurities on the mirror surfaces possibly lead to the destruction of the unprotected in the immediate vicinity of the nozzle mirror surfaces, as they no longer reflect or at least to a falsification of the measurement result, which consists of this prior art from a simultaneously assembled measurement result on all sensors.
  • DE-102007013623 (the same applicant as in DE-102007048471) further describes a device and a method for aligning a Z-direction propagating laser beam through an X-Y-defined nozzle bore of a laser processing nozzle on a laser processing head, comprising the steps: • activating the laser beam with a defined energy;
  • the device has sensors for detecting a laser beam component reflected by the laser beam through the laser processing nozzle.
  • the laser beam in the XY plane should first be moved along a first line and then along a second line, but this would be complicated due to the complicated optical conditions required there with regard to the required scattering of the laser beam at special optical scattering surfaces is and needs special measures.
  • the laser processing machine according to the invention was therefore based on the prior art discussed above, ie on a laser processing machine equipped with at least one laser processing head, which has an interior and a laser processing nozzle with a nozzle opening for directing a laser beam on a workpiece to be machined.
  • the machine also has an alignment device for centering the laser working beam relative to the nozzle opening, which is provided with a plurality of sensors.
  • the nature of the laser processing machine according to the invention is seen in that in the case of insufficient centering of the nozzle opening relative to the focused primary (laser) beam (first electromagnetic energy beam) in the region of the nozzle opening at least one inner conversion unit, in particular a conversion edge for converting the focused primary ( Laser) beam is provided in secondary electromagnetic heat radiation for detection in internal heat radiation sensors.
  • the heat radiation sensors are arranged in the interior of the nozzle or in the interior of the nozzle holder or of the working head in order to detect the secondary (electromagnetic) heat radiation.
  • the heat radiation sensors are preferably arranged in the interior of the laser processing head with an axial distance from the laser processing nozzle, as they can be better connected to the controller
  • the nozzle may be designed as a change nozzle and may possibly can also be used only as a pure centering, i. it can be provided for the centering of a separate nozzle, which is specially equipped according to the centering, so in e.g. the nozzle opening is smaller or larger, or at the e.g. the conversion unit or conversion edge is designed differently or more clearly than one would like to have at most in a normal working nozzle.
  • optical radiation sensors are provided which are distributed in the interior along the circumference of the inner circumferential surface of the laser processing head, e.g. in a normal to the nozzle axis, i.d.R. horizontal plane are arranged. This arrangement allows a simple construction and yet safe monitoring.
  • the conversion unit according to the invention in particular the conversion edge is provided on the inner circumferential surface of the laser processing nozzle in the vicinity of the nozzle opening.
  • the conversion unit may be formed as an integral funnel-shaped edge of the laser processing nozzle which defines the central nozzle opening.
  • the funnel-shaped conversion unit can be formed as a separate cone-ring-like element, which is fixed with its central opening in the interior of the laser processing nozzle in its predetermined axial position.
  • the conversion unit may be formed of segments.
  • the conversion unit includes in the radial direction (to the nozzle axis) an inclination angle of about 4-8 °, preferably 5.0 ° - 5.5 ° with the horizontal.
  • the angle of inclination also results from the chosen construction, inasmuch as another angle could be used, for example, by another construction. about 45 ° can be selected.
  • the conversion unit is formed on the inner surface of a separate additional centering, in particular its own centering, by which the laser machining nozzle is replaced during the Zentri mecanicsreaes, and which at the lower end of the laser processing head coaxially, e.g. by a thread or a fitting (with a minimum clearance of, for example, 0.02 mm) or by a quick release fastener.
  • a thread or a fitting with a minimum clearance of, for example, 0.02 mm
  • a quick release fastener e.g., the laser processing nozzle can be completely spared from the effects of centering.
  • a fitting embodiment does not require rotational movement and is thus advantageous over a threaded embodiment.
  • the conversion unit is provided with an (optionally metallic) coating for increasing the wear resistance and the conversion intensity.
  • the heat radiation sensors for monitoring the converted secondary heat radiation with wavelengths of approximately 1.0-0.2 ⁇ m are designed as JnGaAs "diodes A specifically used InGaAs diode can detect radiation of approximately 1- 2.6 ⁇ m The measurements carried out with these diodes on a concretely realized construction actually detected (according to the NIR spectrum) radiation of approx. 1 - 2.2 ⁇ .
  • one (or more) glass pane can be arranged in front of each heat radiation sensor, which on the one hand protects the heat radiation sensor from contamination and, on the other hand, from harmful CO 2 laser radiation (over 10 ⁇ m).
  • the glass pane is provided on at least one of its side surfaces with a conversion layer which converts C02 laser radiation into heat radiation and passes through to the heat radiation sensor and / or has a reflective effect on the harmful laser radiation.
  • the glass pane thus acts analogously to the conversion unit / transformation edge of the nozzle as a device that converts C02 laser radiation into a heat radiation of substantially smaller wavelength (in the NIR range), thereby allowing optimum detection on the thermal radiation sensor and optimizing its properties for the centering purpose to use.
  • the glass pane is arranged at a distance in front of the associated optical radiation sensor.
  • the glass pane and the associated heat radiation sensor can be arranged in a common holder, which is fixable in a recess of the lower head part.
  • a focused primary electromagnetic beam in particular a laser working beam relative to a nozzle opening of a laser processing head or a nozzle opening of a laser processing head relative to a focused primary beam, is centered before or during a laser processing using the above laser processing machine.
  • the primary electromagnetic beam in particular the laser working beam
  • the primary electromagnetic beam is an inner conversion unit (metal surface on which the laser working beam is arranged in the region of the nozzle opening) and locally causing heating) as a secondary (electromagnetic) heat ray radiates, and is detected on the heat radiation sensors.
  • Each of the thermal radiation sensor reading obtained by the secondary heat ray from the conversion unit along the conversion ion beam path is associated with the associated XY coordinates of the nozzle axis and the primary beam.
  • the nozzle opening relative to the primary beam, or the primary electromagnetic beam relative to the center of the nozzle opening is automatically shifted in the sense of centering.
  • the relative displacement between the nozzle and the laser working beam triggered by the thermal radiation from that of the internal conversion unit is performed either in three directions 120 ° apart or preferably in four axial directions (X +; X-; Y +; Y-).
  • the invention also includes a structure in which the laser working radiation (> 10 ⁇ ) reflected at the conversion edge and then converted in a conversion device in front of the heat radiation sensor in a heat radiation of about (1 -2 ⁇ ) and then detected in the heat radiation sensor.
  • the focusing of the focused primary beam through the laser processing nozzle with the internal conversion unit (9) is performed from X min to X max , determining the conversion maxima and the minimum conversion value therebetween.
  • the start-up of the focused primary beam is performed by the laser processing nozzle having the inner conversion unit from Y min to Y max , and the conversion maximum and the intermediate conversion minimum are determined.
  • the X and Y coordinates of the center of the nozzle opening are adjusted to the X and Y coordinates, respectively, of the conversion minimum. In this way, an exact centering of the laser working beam relative to the nozzle opening or the nozzle opening can be achieved relative to the laser working beam.
  • the starting point in performing the procedure normally always begins at the last stored center. From this point, a nozzle edge is approached (order does not matter). As soon as a (converted) heat ray (in the NIR) is detected, the controller saves the coordinates. This is repeated in all four axis directions. From this the control is calculated as a new center. To increase the accuracy of the above procedure is at most again run through. Only this newly determined second center will be used afterwards.
  • the method can also be carried out so that instead of the laser working beam, a less powerful beam - as the primary electromagnetic Beam - is placed in the laser processing beam axis, after which this relative to the nozzle or nozzle relative to this directional beam is adjusted accordingly.
  • this directional beam must consist of thermal radiation or be as well as the working laser radiation convertible.
  • the focused primary electromagnetic beam in particular C0 2 laser working beam with a wavelength of about 10.6 ⁇ m in a protective glass in front of the heat radiation sensors, becomes a secondary heat ray detectable for InGaAs diodes with wavelengths of about 1.0. Converted 2.2 ⁇ .
  • the conversion is carried out by locally punctiform heating of the nozzle inner surface by means of laser working beam.
  • the inventive idea therefore consists on the one hand in that instead of the external temperature sensors and the impact of the laser beam on the workpiece impacting the focused primary laser working beam on the inner conversion unit according to the invention in the vicinity of the nozzle opening or in front of the heat radiation sensors a secondary beam, in particular heat radiation in Wavelength range of about 1 -2.2 ⁇ generated when the system laser working beam / nozzle opening is in a non-centered state, and the inner secondary electromagnetic heat radiation thus generated is reliably detected by internal heat radiation sensors.
  • the focused primary electromagnetic beam in particular the C0 2 laser working beam, is converted to a 1, 0-2.2 ⁇ m secondary NIR conversion beam visible to InGaAs diodes.
  • the internal radiation sensors are e.g. to be arranged in the interior of the machining head so that they can detect the occurring secondary conversion heat radiation;
  • the laser power during the approach to the centering nozzle is at best for a short time with high power (ie operating power, kilowatt range), in order to correspond as far as possible to the normal cutting state;
  • the system In order not to damage the nozzle due to the high laser power, the system must, according to a special design, be equipped so that it is capable of detecting the secondary thermal radiation as quickly as possible and then immediately shutting off the primary laser working beam;
  • the approach of the laser working beam to the inner transformation edge preferably takes place successively in four axial directions (X +, X-, Y +, Y-), alternatively in three axial directions (with three sensors).
  • the starting point always starts at the last stored center. From this point, a nozzle edge is approached by adjusting the nozzle or by adjusting the nozzle holder relative to the nozzle by the working laser beam. As soon as one heat ray is detected by one of the sensors, the controller saves the coordinates. This is repeated in all 4 (possibly 3) axis directions. From this the control is calculated as a new center. To increase the accuracy, the above procedure is preferably carried out again. Divergent centers after several centering passes can also be interpolated mathematically to an actual center. Only the new center will finally be used for laser processing.
  • FIG. 1 shows the cross section of a first exemplary embodiment of the laser processing head of the laser processing machine according to the invention
  • FIG. 2 shows the cross-section of a laser processing nozzle slightly modified with respect to FIG. 1 with a conversion edge according to the invention in the immediate vicinity of the nozzle opening;
  • FIG. 3 shows a cross section of an additional centering element as a replacement of the laser processing nozzle during the centering process with the inventive conversion edge in the installed state
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a second exemplary embodiment of the laser processing head according to the invention.
  • FIG. 5 is a top view of a third embodiment of the inventive laser processing head
  • FIG. 6 shows a section along the line VI-VI in FIG. 5;
  • FIG. 7 shows a diagram of the light transmission in the coated glass pane according to FIG. 6 between wavelengths of 0.5 and 1.2 microns of the secondary beam;
  • FIG. 8 shows a diagram of the reflection effect of the coated glass pane according to FIG. 6 between wavelengths of 6.6 and 16.6 microns;
  • FIG. 9 shows a diagram of the light spectrum of the primary beam in the protective glass pane with HR ("high reflection") coating according to FIG. 6.
  • FIG. 1 shows, within the scope of a first exemplary embodiment, the structure of a laser machining head 1, which belongs to the laser processing machine LM according to the invention, here shown only schematically as a "black box”.
  • the laser processing head 1 of the laser processing machine LM is divided into two parts in this case, i. it consists of an upper head part 1A and a lower head part 1B, which are arranged displaceable relative to one another in directions of a normal XY coordinate plane to the nozzle axis 8 (such a displaceable and distributed arrangement of the head is disclosed eg in our earlier patent application EP-10170451.8 ).
  • the lower head part 1 B has an upwardly widening interior 2, which is bounded from below by a laser processing nozzle 3.
  • the laser processing nozzle 3 is provided with an axial nozzle opening 4 for directing a (in a manner known per se generated) of the primary focused beam, in particular laser working Beam 5 is formed on a workpiece 6 to be machined.
  • the laser processing nozzle 3 according to FIG. 1 is detachably connected to the head part 1 B by a quick-action fastener 7 or a thread or by a clearance of 0.02 mm, whereby its nozzle opening 4 is coaxial with the rotationally symmetrical interior 2 of the lower head part 1 B is arranged.
  • the primary focused electromagnetic beam, in particular laser working beam 5 is shown schematically by a dashed line.
  • At least one internal conversion unit 9, e.g. in the form of a conversion edge which, in the event of lack of centering of the nozzle opening 4 relative to the primary focused beam, e.g. Laser working beam 5 for converting the primary, focused beam 5 into a secondary electromagnetic beam, in particular heat beam 10 along a radiation direction 10 A is suitably designed and arranged (see Figure 1).
  • the primary focused electromagnetic beam 5, in particular laser working beam can not be directed through the nozzle opening 4 onto the workpiece 6, but impinges on the inclined surface of the conversion unit 9 (see impact point 11 in FIG. 1).
  • the centering which is absolutely necessary in this case can be carried out relatively simply, quickly and automatically and with high resolution in the case of the laser processing machine LM according to the invention.
  • the conversion unit 9 e.g. According to the invention, the transformation edge in the first exemplary embodiment is exactly inclined (see FIGS. 1 and 2) such that the secondary electromagnetic beam generated thereon, in particular thermal radiation 10, is directed onto a reflector 12 along the beam direction 10 A dot-dashed in FIG. 1 and after conversion at this reflector 12 is detected by a heat radiation sensor 13.
  • the heat radiation sensors 13, which monitor the secondary heat beam 10 at the end of its jet along the dot-dashed beam direction 10A, are arranged according to the invention preferably at an axial distance 14 from the conversion unit 9 and sunk in the wall of the interior 2.
  • the thermal radiation sensors 13 belong to an alignment device 15 which is suitable for displacing, ie centering, the lower head part 1B together with the nozzle opening 4 relative to the primary beam, in particular the laser working beam 5.
  • the alignment device 15 is equipped with known drives (not shown main axes of the machine), which allow adjustments at least in XY axis directions. (Such alignment devices are more fully known eg from JP-56'041'092 or EP-10170451.8, which are hereby incorporated by reference into the present disclosure as well).
  • the heat radiation sensors 13 of the alignment device 15 supply measurement signals to a conventional CNC system 16 (main axes) of the laser processing machine LM (FIG. 1).
  • the relative approach of the primary focused beam, in particular laser working beam 5, to the laser machining nozzle 3 is preferably carried out in four axial directions X + and X- and Y + and Y- (with only three sensors 13, the displacement would only be offset by three by 120 °) Directions are done).
  • the primary beam 5 is thus displaced relative to the laser processing nozzle 3 in all four directions +/- X and +/- Y until the primary beam 5, in particular laser working beam respectively at the oblique edge of the conversion unit 9 of the laser processing nozzle 3 as the secondary beam, in particular Reflection beam, ie heat beam 10 is reflected along the above-described heat radiation path 10A.
  • heat beam 10 is detected by the optical heat radiation sensors 13, and their measured values are stored.
  • these stored measured values must be linked to the exact axis position (coordinates XY).
  • the heat dissipation sensors 13 generate only one piece of information for the control.
  • this also stores the coordinates.
  • the CNC system 16 it is possible for the CNC system 16 to calculate the center of the nozzle opening 4 as a centered desired position for a given non-centered state. Thereafter, the actual automatic nozzle centering by moving the head portion 1 B relative to the head portion 1A in directions of the XY axes by operating the alignment device 15 can be performed.
  • the center of the nozzle opening 4 is moved by the laser processing machine LM quickly, systematically and accurately in the primary beam 5, in particular laser working beam.
  • the laser processing head 1 can be adjusted by means of the drives of the alignment device 15 in the XY plane.
  • the measurement of the center position of the laser processing nozzle 4 may be carried out, for example, as follows:
  • optical heat radiation sensors 13 are provided which are arranged inside the laser processing head 1 below (optionally also above) the focusing optics (not shown), but definitely above the laser processing nozzle 3, and not at the nozzle or in the nozzle.
  • optical heat radiation sensors 13 are provided, which in the interior 2 along the circumference of an inner circumferential surface 17 of the laser processing head 1 evenly distributed (possibly in ring form) are arranged in a plane parallel to the X-Y plane (see only two are illustrated in Figure 1).
  • more than four (or less, eg three) optical radiation sensors 13 could be useful.
  • the reflector 12 has a conical reflection surface 18 in the first embodiment. This includes in the radial direction an angle 19 with the horizontal, the value of which is preferably about 45 °.
  • the annular reflector 12 is fixed coaxially and detachably according to Figure 1 in the upper region of the lower head part 1 B as a ring member.
  • the reflector 12 could be made of several parts, e.g. Be formed segments (not shown). In a typical embodiment, it is simply formed on the inner wall of the nozzle.
  • the conversion unit 9 - viewed in the radial direction - includes an inclination angle 20 with the horizontal, the value of which was chosen in our experiments at 4-7 °, preferably about 5.0 ° - 5.5 ° (as already noted, however, other angles can be selected due to the construction).
  • the converting unit 9 is formed as an integral radial tapered edge of the laser processing nozzle 3, which delimits the nozzle opening 4, e.g. made of copper. This allows a simple execution. It should be emphasized, however, that the conversion unit 9 with (or without) nozzle opening 4 could be designed as a separate element which can be fixed to an inner circumferential surface 21 of the laser machining nozzle 3 in its predetermined axial position (not shown). An embodiment is also possible in which the conversion unit 9 is made up of a plurality of conversion parts, e.g. is formed of radial conversion segments (not shown).
  • FIG. 3 illustrates another possible embodiment, wherein the conversion unit 9 is formed on an inner lateral surface 22 of a separate additional centering element, in particular centering nozzle 23, by which the laser processing nozzle 3 is replaced during the centering process, eg before normal machine operation ,
  • the Centering element 23 is thus arranged coaxially after removal of the laser processing nozzle 3 at the lower end of the laser processing head 1 and, for example, by a fit (with a minimum clearance of eg 0.02 mm) or releasably fixed by a quick release 7.
  • the additional centering element 23 the laser processing nozzle 3 can even be completely spared from the low loads of the centering process.
  • the second, structurally simpler embodiment of the laser processing head 1 according to the invention is shown schematically.
  • An essential difference from the first embodiment according to FIG. 1 is that the propagation direction 10A of the secondary heat radiation 10 does not lead via a reflector, but directly to one of the optical heat radiation sensors 13.
  • the reflector is therefore omitted here.
  • the optical heat radiation sensors 13 are arranged in the inner space 2 along the circumference of the inner circumferential surface 17 of the laser processing head 1, e.g. evenly distributed in a plane parallel to the X-Y plane, and thus oriented downwards (see Fig. 4), that they can directly detect the secondary beam 10 produced at the conversion unit 9 via its propagation direction 10A.
  • the data acquisition via thermal radiation is even faster, more precise and reproducible.
  • a focused primary beam in particular laser working beam 5 relative to the nozzle opening 4 of the laser processing head 1 (or vice versa) before or during a laser processing, in directions of a normal plane on a nozzle axis defined X-Y coordinate plane moving primary electromagnetic Beam, in particular laser working beam 5 of a, arranged in the region of the nozzle opening 4 inner conversion unit 9 as a secondary electromagnetic beam, in particular heat beam 10 is directed to its propagation direction 10A following the heat radiation sensors 13.
  • Each measured value of the heat radiation sensors 13 determined by the secondary heat beam 10 from the conversion unit 9 along the propagation direction 10A is linked to the associated XY coordinates of the nozzle axis 8 and the primary beam, in particular laser working beam 5.
  • the respective position of the center of the nozzle opening 4 relative to that of the primary beam 5 is calculated and accordingly the nozzle opening 4 relative to the primary beam 5 or primary electromagnetic beam 5 relative to the center of the nozzle opening 4 in the sense of centering automatically shifted.
  • level is meant in practice a threshold in the control of the CNC system 16 of the machine LM, which decides whether or not the signal was detected by one of the heat radiation sensors 13.
  • the secondary electromagnetic energy produced at the conversion unit 9 Beam, in particular heat beam 10 impinges on the radiation sensor 13 (eg InGaAs diode) along its direction of propagation 10 A.
  • the radiation sensor 13 eg InGaAs diode
  • the latter generates a voltage signal, which is subsequently further processed with suitable electronics of the CNC system 16 in a manner known per se , Using the above electronics, values from 0 (no reflected radiation) to 2 Mia units (saturated diode) are measured.
  • ⁇ Detection feed typically 50-200 mm / min;
  • ⁇ Detection performance typically 1-2 kilowatts
  • Type of gas eg N 2 (Nitrogen);
  • ⁇ gas pressure typically 1 bar
  • ⁇ Detection level "signal detected" at the sensor typically 2 Mia (units).
  • FIGS. 5 and 6 show the preferred third exemplary embodiment of the laser processing head 1 of the laser cutting machine according to the invention.
  • This solution corresponds substantially to the embodiment of Fig. 1 (the same or equivalent details are denoted by the same reference numerals) except for the type and arrangement of the radiation sensors 13.
  • "InGaAs" diodes are used as the optical heat radiation sensors 13.
  • the known InGaAs diodes can not practically detect C02 laser radiation with a wavelength of 10.6 ⁇ m, but an inventive realization is seen in the fact that the focused primary C0 2 laser working beam 5 has one wavelength from 10.6 ⁇ to a broadband NIR radiation already visible for the InGaAs diodes ("NIR” here means: “near infra-red”) ie infrared radiation ("thermal radiation”) with wavelengths of approx. 1.0. 2.2 ⁇ is converted, which according to the invention can be detected without interference as a secondary electromagnetic heat beam 10.
  • NIR near infra-red
  • thermal radiation ie infrared radiation
  • the four "InGaAs" thermal radiation sensors 13 are oriented in the radial direction in the inner space 2 by approximately 85 ° to the nozzle axis 8.
  • a conversion unit, eg conversion edge 9 of a centering nozzle 23 is inclined so that the converted to it or reflected secondary conversion beam 10 is directed onto a reflector 12 along a V-shaped propagation direction 10A and is detected by a heat radiation sensor 13 after reflection at this reflector 12.
  • Each of the "InGaAs" radiation sensors 13 is preferably assigned at least one glass substrate, in particular glass pane 24, which is provided on one end side with an HR coating (high reflectivity for long-wave radiation - in particular CO 2 laser radiation) (the coating itself is not shown in FIG. 6).
  • the coated glass sheets 24 are made in this case of commercially available Si0 2 glass.
  • FIG. 7 shows the light transmission diagram (in%) of the coated glass pane 24 according to FIG. 6, one end side of the glass pane 24 being provided with an HR coating.
  • 8 shows a reflection diagram (in%) of the coated glass pane 24, wherein only the first end side of the glass pane 24 is provided with an HR coating. (These diagrams are from the manufacturer). One could possibly imagine to provide both end faces of the glass pane 24 with such a coating.
  • each glass pane 24 in the exemplary embodiment according to FIG. 6 is expediently arranged in front of the associated "InGaAs" radiation sensor 13 at a distance 26 and preferably in a common holder 25.
  • Each demountable holder 25 together with the built-in "InGaAs" radiation sensor 13 and glass pane 24 is fixed in a recess 27 of the lower head part 1 B ( Figure 6).
  • the centering nozzle 23 is displaced relative to the focused primary beam, in particular laser working beam 5 along an X or Y axis direction until one of the "InGaAs" radiation sensors 13 has reached a certain level "InGaAs" radiation sensors 13 are thus "illuminated” exclusively by the +/- X and +/- Y shifts of the cutting head of the electromagnetic radiation, ie the laser beam is shifted in the + X axis direction, the laser radiation is reflected from the nozzle edge and hits the over a mirror in the cutting Head through a filter and the glass sheet 24 in a converted form (NIR) on the "InGaAs" diode (s).
  • NIR converted form
  • the primary laser beam 5 switches off immediately. If this is done in all four X and Y axis directions, the mutual position of the primary laser working beam 5 and the laser processing nozzle 3 or the centering nozzle 23 is determined, and thus the laser machining nozzle 3 or the centering 23 are centered quickly, reliably and repeatable.
  • the feature essential to the invention according to which the focused primary C0 2 laser working beam 5 (10.6 ⁇ ) is a broadband NIR radiation visible for the optical "InGaAs" radiation sensors 13 (infrared radiation by definition according to ISO 20473 0.78 - 3.0 ⁇ m), which according to the invention can be detected without interference as a secondary conversion beam or heat beam 10, is proven as a fact according to our tests with the aid of the diagram according to FIG. 9 (the right-hand curve FIG NIR radiation (from 1, 0-2.2 ⁇ ) is illustrated.) The spectrum actually recorded by us shows on the right-hand NIR line that laser light of 10.6 ⁇ after the coated glass template has been irradiated to a radiation of approx.
  • the left-hand VIS line comes from the visible light, which is due to the measurement structure in front of the coated glass and does not belong to the heat radiation or to the converted secondary beam.
  • This VIS line thus has no relation to the invention, merely confirming that the glass used is reading through visible light.
  • the converted secondary conversion beam 10 (of about 1, 0-2.2 ⁇ ) could in our opinion be from:
  • the system does not compare the intensities of the beam center detection sensors (as in the cited DE-A) but has an empirically determined "termination criterion" (just as the sum of the intensities of all four radiation sensors 13 exceeds certain values), which tells the system that it is now at the conversion unit 9 (at the nozzle edge) .
  • termination criterion just as the sum of the intensities of all four radiation sensors 13 exceeds certain values
  • the reflected or converted laser working beams were good and precise measurable with a focal length of about 3.75 - 7.5 inches (95-190 mm);
  • the fast response allows a centering process with the high laser operating power (kW range), since the primary laser working beam 5 is switched off quickly as soon as the measurement signal detected by beam conversion exceeds a certain predetermined value.
  • the nozzle 3 and the Um- Conversion unit 9 therefore remain wear-free even at this high laser power;
  • fast shutdown of the laser beam is meant that the response time, beginning with the detection of the beam at the conversion unit 9 until the command "Laser Off” does not correspond to the usual cycle time of the 16-20 ms CNC system is fast, ie in the microsecond range (eg 100 s) .
  • the nozzle 3 and the conversion unit 9 heats up only occasionally and in the short term the nozzle, as they can occur in the prior art are thereby eliminated;
  • the laser working beam 5 generates from the time of its reflection or conversion to the conversion unit 9, a measurement signal at the radiation sensor 13, wherein the control of the machine LM the Switch off laser in good time to avoid possible damage to the nozzle 3 and the conversion unit 9;
  • the at least three optical radiation sensors 13 are not on the wear part (nozzle), but located relatively far away from the laser processing head. 1
  • this invention in contrast to the known solutions only industrially suitable;

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsmaschine (LM), insbesondere Laserschneidmaschine mit langwelliger Laserstrahlung (insbesondere C02-Laser), umfassend wenigstens einen Laserbearbeitungskopf (1 ), welcher einen Innenraum (2) und eine Düse (3) mit einer Düsenöffnung (4) zum Durchlassen eines fokussierten primären Strahles (5), insbesondere eines Laserarbeitsstrahles auf ein zu bearbeitendes Werkstück (6) und zum Richten eines den Strahl umhüllenden Gasstroms, und eine Ausrichtvorrichtung (15) mit mehreren Sensoren (13) zum Zentrieren des primären (fokussierten) Strahles (5), insbesondere Laserarbeitsstrahles und der Düsenöffnung (4) relativ zueinander. Im Bereich der Düsenöffnung (4) ist mindestens eine erste Umwandlungseinheit (9), insbesondere eine Umwandlungskante zur Umwandlung eines anstreifenden bzw. auftreffenden (fokussierten) primären Strahles (5) in (einen) sekundäre(n) Wärmestrahl(en) (10) entlang wenigstens einer Ausbreitungsrichtung (10A) in Richtung der Sensoren (13) vorgesehen. Die Sensoren (13) sind als Wär- mestrahlungssensoren ausgebildet und im Innenraum (2) der Laserbearbeitungskopfes (1 ) oder der Düse (3) angeordnet.

Description

LASE RB EARBE ITU N GSMASC H I N E , I N SB ESON DE RE LASE RSC H N E I DMASCH IN E, SOWI E VERFAH REN ZU M ZE NTRI EREN EI N ES
IN SB ESON DE RE FOKUSSIE RTEN LASERSTRAH LES
Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsmaschine, insbesondere Laserschneid- maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie ein Verfahren zum Zentrieren eines insbesondere fokussierten Laserarbeitsstrahles bei einer solchen Laserbearbeitungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 1 .
Wie bekannt, soll der Laserstrahl für einen Schneidprozess bei Laserschneidmaschinen möglichst zentrisch durch die Schneiddüse des Schneidkopfes geführt werden. Da eine laterale Verschiebung der optischen Linsen im Schneidkopf - verursacht durch einen Wechsel der Linse oder des Linseneinschubes - oft eine Verschiebung der optischen Achse zur Folge haben kann, ist ein wiederholter Zentrierungsprozess der Schneiddüse in der Praxis notwendig.
Bisher wird das Zentrieren der Düse relativ zum Laserstrahl in der Praxis meistens manuell durchgeführt. Die Düse wird dabei so zentriert, dass man den Düsenkopf gegenüber dem Düsenkörper in X-Y-Richtungen durch Stellschrauben justiert und dann fixiert. Dies wird mittels visueller Kontrolle durchgeführt, wobei ein durchsichtiges Klebeband auf die Düse geklebt und ein Laserpuls ausgelöst wird. Das dadurch entstandene Loch sollte in der Mitte der Düsenbohrung sein. Falls dies nicht der Fall ist, soll dann die Düse relativ zum Laserstrahl manuell verschoben werden. Dieses Vorgehen wiederholt sich solange, bis die Düse exakt zentriert ist.
Es gibt auch Zentrierverfahren, bei denen nicht die Düse relativ zum Strahl verstellt wird sondern die Linse zur Fokussierung des Laserstrahls relativ zur Düse verstellt wird. Die obigen Verfahren haben jedoch folgende Nachteile:
■ Infolge der manuellen Eingriffe und der visuellen Beurteilung dauert das Zentrieren zu lange und erfordert Übung, das exakte visuelle Beurteilen erfordert eine gute Sehschärfe;
■ Die visuelle Interpretation wird von allen Personen ungleich gemacht; dies er- höht weiter die Ungenauigkeit; ■ Der Laserimpuls wird meistens mit einer geringen Leistung von (z.B. <100 Watt) erzeugt, damit das Klebeband nicht vollständig verbrennt. Dies entspricht nicht dem wirklichen Schneidzustand, der jeweils mit einer Leistung im Kilowatt (KW) Bereich durchgeführt wird. Auch dies führt zu Ungenauigkeiten. Aus der JP-10249566 ist eine Lasermaschine für Behandlungen des menschlichen Körpers bekannt, bei welcher die Lumineszenz des axialen Zentrums des Laserstrahles von einem photoelektrischen Sensor im Bereich der Fokussierlinse im Bearbeitungskopf wahrgenommen wird. Weicht der IST-Wert des Sensors von einem Soll- Wert ab, wird dann die Düse relativ zum Laserstrahl durch eine Vorrichtung verstellt. Ein exaktes und reproduzierbares Zentrieren zum Bearbeiten von Werkstücken hoher Qualitätsansprüche durch die oben vorgeschlagene Lumineszenzmessung ist kaum vorstellbar.
JP-56'041 '092 (A) offenbart ein Laserschweißgerät, dessen Düse mit äußeren Temperatursensoren versehen ist. Es ist ferner mit einer Ausrichtvorrichtung zu maschi- neiler Verstellung der Düsenposition relativ zum Laserstrahl in Abhängigkeit von Messsignalen äußerer Temperatursensoren ausgerüstet. Fällt die Laserstrahlachse mit der Düsenachse nicht zusammen, dann messen die Temperatursensoren verschiedene Temperaturen und geben verschiedene Temperatursignale zur Ausrichtvorrichtung. Die Temperaturdifferenzen werden für die Düse mithilfe einer Antriebs- einheit der Ausrichtvorrichtung durch die Zentrierung minimalisiert.
Es ist aber beim obigen bekannten Gerät problematisch, dass die Temperatursensoren nach dem Stand der Technik den modernsten Anforderungen kaum entsprechen können, da diese Temperatursensoren üblicherweise Termopiles, welche eine Zeitkonstante von max. 20 ms aufweisen, zu träge sind und ein solches Zentrieren daher eine relativ lange Zeit braucht. Dazu kommt, dass die von den äußeren Temperatursensoren erfassten Temperaturwerte durch die vom Werkstück abgestrahlte und/oder reflektierte Wärmestrahlung beeinflusst werden. Unter solchen Umständen ist ein exaktes und reproduzierbares Zentrieren praktisch kaum möglich. Andererseits ist im unzentrierten Zustand der Düse - d.h. auch während des Zentrierungsprozesses - für den Fall, dass Messungen mit den oben angegebenen trägen Temperatursensoren erfolgen - eine längere Zeit mit zu hohen Wärmebelastungen an der Düse (allenfalls sogar mit Materialabtrag an der Düse) zu rechnen, was unerwünscht ist. Aus der DE-102007048471 (A1 ) ist ein Verfahren zum Bestimmen der Lage eines durch eine Düsenöffnung einer Laserbearbeitungsdüse hindurch tretenden Laserstrahls relativ zur Öffnung bekannt. Dabei wird der Düsenkörper und der Laserstrahl relativ zueinander entlang der Ausbreitungsrichtung (Z) des Laserstrahls bewegt, bis - infolge der kegeligen Ausbreitung des Laserstrahls - ein Teil der Laserstrahlung aus einem Randbereich des Laserstrahls an einer die Öffnung umgebenden speziellen optischen Streu- oder Spiegelfläche abgestreift wird. Danach wird die Intensität der von der Streu- oder Spiegelfläche reflektierten und gestreuten Laserstrahlung gleichzeitig an einer Mehrzahl von Messflächen detektiert und die an der Mehrzahl von Messflächen detektierten Intensität der Laserstrahlung zum Bestimmen der Lage des Laserstrahls relativ zur Düsenöffnung verglichen. Der abgestreifte Teil der Laserstrahlung wird demnach an der Streufläche diffus gestreut oder an der in radialer Richtung eine Krümmung aufweisenden Spiegelfläche oder der kombinierten Streufläche reflektierte Laserstrahlung aufgeweitet oder fokussiert. In der obigen DE-A ist auch eine Laserbearbeitungsdüse offenbart, welche einen Düsenkörper mit einer Düsenöffnung zum Durchtritt eines fokussierten Laserstrahls, sowie eine die Öffnung umgebende, an dem Düsenkörper gebildete Spiegelfläche oder kombinierten Streu-/Spiegelfläche zum Abstreifen eines Teils des Laserstrahlung aus einem Randbereich des Laserstrahls aufweist. Dabei hat die Spiegelfläche oder die kombinierte Streu-/Spiegelfläche in radialer Richtung eine Krümmung.
Gemäss der obigen Technologie werden zum Abstreifen eines Teillaserstrahlung und zum Aufweiten oder Fokussieren der reflektierten Teillaserstrahlung eine an dem Düsenkörper gebildete Spiegelfläche oder kombinierte Streu-/Spiegelfläche mit radialer Krümmung verwendet, was also mehrere komplizierte optische Massnahmen benö- tigt. Verunreinigungen an den Spiegelflächen führen gegebenenfalls zur Zerstörung der in unmittelbarer Düsennähe ungeschützten Spiegelflächen, da sie dann nicht mehr spiegeln oder jedenfalls zu einer Verfälschung des Messergebnisses, das gemäss diesem Stand der Technik aus einem gleichzeitig zusammengesetzten Messergebnis an allen Sensoren besteht. DE-102007013623 (gleicher Anmelderin wie bei der DE-102007048471 ) beschreibt ferner eine Einrichtung und ein Verfahren zum Ausrichten eines in Z-Richtung propagierenden Laserstrahls durch eine in X- Y-Ebene definierte Düsenbohrung einer Laserbearbeitungsdüse auf einem Laserbearbeitungskopf, umfassend die Schritte: • Aktivieren des Laserstrahls mit einer definierten Energie;
• Verfahren des Laserstrahls entlang einer ersten Linie in der X- Y-Ebene;
• Messung der Strahlung vor der Düsenbohrung;
• Ermittlung von ersten zwei Randpunkten auf der ersten Linie, die am Rand der Düsenbohrung liegen, durch die Auswertung der gemessenen Strahlung;
• Bestimmung eines ersten Zielpunktes zwischen den beiden ersten Randpunkten auf der ersten Linie und Ausrichtung des Laserstrahls auf diesen ersten Zielpunkt.
Die Einrichtung weist Sensoren zur Erfassung von einem vom Laserstrahl durch die Laserbearbeitungsdüse reflektierten Laserstrahlungsanteil auf.
Bei dieser Zentrierungstechnologie soll also der Laserstrahl in der X- Y-Ebene zuerst entlang einer ersten Linie und danach entlang einer zweiten Linie bewegt werden, was jedoch aufgrund der dort geforderten komplizierten optischen Bedingungen hinsichtlich der verlangten Streuung des Laserstrahls an speziellen optischen Streuflä- chen aufwendig ist und spezielle Massnahmen benötigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine verbesserte Laserbearbeitungsmaschine und ein verbessertes Zentrierverfahren zu schaffen, durch welche die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik reduziert bzw. eliminiert werden kann. Durch das wiederholbare Zentrieren des Laserbearbeitungsstrahls innerhalb der Düsenbohrung des Laserbearbeitungskopfs mit einfacheren Mitteln ohne besondere optische Massnahmen wie Spiegel oder Aufweitungsoptiken o.dgl. für den Laserstrahl und dadurch, dass es automatisiert durchgeführt werden kann, soll gleichzeitig die Arbeitsqualität der Maschine erhöht werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 1 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen dargelegt.
Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine ging also von dem oben erörterten Stand der Technik, d.h. von einer Laserbearbeitungsmaschine aus, welche mit wenigstens einem Laserbearbeitungskopf ausgestattet ist, welcher einen Innenraum und eine Laserbearbeitungsdüse mit einer Düsenöffnung zum Richten eines Laserar- beitsstrahles auf ein zu bearbeitendes Werkstück aufweist. Die Maschine hat auch eine Ausrichtvorrichtung zum Zentrieren des Laserarbeitsstrahles relativ zur Düsenöffnung, welche mit mehreren Sensoren versehen ist. Das Wesen der erfindungsgemässe Laserbearbeitungsmaschine wird darin gesehen, dass für den Fall mangelnder Zentrierung der Düsenöffnung relativ zum fokussierten primären (Laser)strahl (erster elektromagnetischer Energiestrahl) im Bereich der Düsenöffnung mindestens eine innere Umwandlungseinheit, insbesondere eine Um- wandlungskante zur Umwandlung des fokussierten primären (Laser-) Strahles in sekundäre elektromagnetische Wärmestrahlung zur Detektion in innenliegenden Wärmestrahlungssensoren vorgesehen ist. Dabei sind die Wärmestrahlungssensoren im Inneren der Düse oder im Inneren des Düsenhalters bzw. des Arbeitskopfs angeordnet, um die sekundäre (elektromagnetische) Wärmestrahlung zu detektieren. Die Wärmestrahlungssensoren sind vorzugsweise im Innenraum der Laserbearbeitungskopfes mit einem axialen Abstand von der Laserbearbeitungsdüse angeordnet, da sie so besser an die Steuerung angeschlossen werden können
Die Düse wird gegebenenfalls als Wechseldüse ausgeführt und kann u.U. auch nur als reine Zentrierdüse eingesetzt werden, d.h. es kann für die Zentrierung eine eigene Düse vorgesehen sein, die entsprechend dem Zentrierbedarf speziell ausgerüstet ist, bei der also z.B. die Düsenöffnung kleiner oder grösser ist, oder bei der z.B. die Umwandlungseinheit bzw. Umwandlungskante anders oder deutlicher ausgebildet ist, als man das allenfalls bei einer normalen Arbeitsdüse haben möchte.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind (wenigstens) drei oder vier opti- sehe Strahlungssensoren vorgesehen, welche im Innenraum entlang des Umfanges der inneren Mantelfläche des Laserbearbeitungskopfes verteilt, z.B. in einer auf die Düsenachse normalen, i.d.R. horizontalen Ebene angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht eine einfache Konstruktion und dennoch sichere Überwachung.
Es ist auch eine Ausführung möglich, bei welcher in die Strahlführung zwischen den Wärmestrahlungssensoren und der Umwandlungskante mindestens ein Umlenkreflektor schräg zur Achse der Düse zum Umlenken des von der Umwandlungskante abstrahlenden sekundäre(n) (Wärme)strahl(en) auf einen der (oder auf die) Wärmestrahlungssensoren angeordnet ist. Bei dieser Anordnung können die Sensoren etwa radial im Bearbeitungskopf angeordnet werden. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die erfindungsgemäße Umwandlungseinheit, insbesondere die Umwandlungskante an der inneren Mantelfläche der Laserbearbeitungsdüse in der Nähe der Düsenöffnung vorgesehen. Vorzugsweise kann die Umwandlungseinheit als eine integrierte trichterförmige Kante der Laserbearbeitungsdüse ausgebildet sein, welche die mittige Düsenöffnung begrenzt. Gegebenenfalls kann aber die trichterförmige Umwandlungseinheit als ein separates kegelringartiges Element ausgebildet werden, welches mit seiner mittigen Öffnung im Innenraum der Laserbearbeitungsdüse in seiner vorbestimmten axialen Lage fixiert ist. Die Umwandlungseinheit kann aus Segmenten ausgebildet sein.
In der bevorzugten Ausführungsform schließt die Umwandlungseinheit in radialer Richtung (zur Düsenachse) einen Neigungswinkel von etwa 4-8° vorzugsweise 5,0° - 5,5° mit der Horizontalen ein. Der Neigungswinkel ergibt sich dabei jedoch auch aus der gewählten Konstruktion, insofern könnte durch eine andere Konstruktion auch ein anderer Winkel z.B. ca. 45° gewählt werden.
Bei einer anderen Ausführungsform ist die Umwandlungseinheit an der inneren Mantelfläche eines separaten zusätzlichen Zentrierelementes, insbesondere einer eige- nen Zentrierdüse ausgebildet, durch welches die Laserbearbeitungsdüse während des Zentrierungsprozesses ersetzt wird, und welches am unteren Ende des Laserbearbeitungskopfes koaxial, z.B. durch ein Gewinde oder eine Passung (mit minimalem Spiel von z.B. 0,02 mm) oder durch einen Schnellverschluss, befestigt ist. Durch diese Maßnahme kann die Laserbearbeitungsdüse von den Einflüssen des Zentrierens vollständig verschont werden. Eine Ausführungsform mit Passung erfordert keine Drehbewegung und ist insofern vorteilhaft gegenüber einer Ausführungsform mit einem Gewinde.
Nach einem Weiterbildungsmerkmal der Erfindung ist die Umwandlungseinheit mit einer (gegebenenfalls metallischen) Beschichtung zur Erhöhung der Verschleißfestig- keit und der Umwandlungsintensität versehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wärmestrahlungssensoren zur Überwachung des umgewandelten sekundären Wärmestrahls mit Wellenlängen von ca. 1 ,0 - 2 μηη als JnGaAs"-Dioden ausgebildet. Eine konkret eingesetzte InGaAs-Diode kann Strahlung von ca. 1 - 2,6μηΊ detektieren. In der mit diesen Dioden durchgeführ- ten Messungen an einem konkret realisierten Aufbau wurden tatsächlich (gemäss dem NIR-Spektrum) Strahlung von ca. 1 - 2,2μηΊ detektiert. Andererseits, kann gemäss einer anderen speziellen Ausführungsform vor jedem Warmestrahlungssensor eine (oder mehrere) Glasscheibe angeordnet sein, welche einerseits den Warmestrahlungssensor vor Verunreinigungen und andererseits vor schädlicher C02-Laserstrahlung (über 10 μηη) schützt. Insbesondere ist die Glasscheibe an mindesten an einer ihrer Seitenflächen mit einer Umwandlungsschicht versehen, die C02-Laserstrahlung in Wärmestrahlung umwandelt und zum Wärmestrahlungssensor durchläset und/oder für die schädliche Laserstrahlung reflektierend wirkt. Die Glasscheibe wirkt somit analog der Umwandlungseinheit/Umwandlungskante der Düse als eine Vorrichtung, die C02 La- serstrahlung in eine Wärmestrahlung wesentlich kleinerer Wellenlänge (im NIR- Bereich) umwandelt, um dadurch eine optimale Detektion auf dem Wärmestrahlungssensor zuzulassen und dessen Eigenschaften für den Zentrierzweck optimal zu nutzen.
Es ist zweckmässig, wenn die Glasscheibe vor dem zugehörigen optischen Strahlungssensor in einem Abstand angeordnet ist. Darüber hinaus, können die Glasscheibe und der zugehörige Wärmestrahlungssensor in einer gemeinsamen Halterung angeordnet werden, welche in einer Aussparung des unteren Kopfteiles fixierbar ist.
Beim erfindungsgemässen Zentrierverfahren wird ein fokussierter primärer elektro- magnetischer Strahl, insbesondere Laserarbeitsstrahl relativ zu einer Düsenöffnung eines Laserbearbeitungskopfes oder eine Düsenöffnung eines Laserbearbeitungskopfes relativ zu einem fokussierten primären Strahles vor oder während einer Laserbearbeitung unter Verwendung der obigen Laserbearbeitungsmaschine zentriert.
Das Wesen des Verfahrens liegt darin, dass der, in Richtungen einer als Normalebe- ne auf eine Düsenachse definierten X- Y-Koordinatenebene primäre elektromagnetische Strahl, insbesondere der Laserarbeitsstrahl von einer, im Bereich der Düsenöffnung angeordneten inneren Umwandlungseinheit (Metallfläche auf der der Laserarbeitsstrahl auftritt und lokal zu Erwärmung führt) als ein sekundärer (elektromagnetischer) Wärmestrahl abstrahlt, und auf den Wärmestrahlungssensoren detektiert wird. Jeder, durch den sekundären Wärmestrahl von der Umwandlungseinheit entlang des Umwandlungsionsstrahlenganges ermittelten Messwert der Wärmestrahlungssensoren mit den zugehörigen X- Y-Koordinaten der Düsenachse und des primären Strahles verknüpft wird. Danach wird aus den Messwerten der optischen Strahlungssenso- ren die jeweilige Position des Zentrums der Düsenöffnung relativ zu jener des primären Strahles errechnet. Demgemäß wird zuletzt die Düsenöffnung relativ zum primären Strahl, oder der primäre elektromagnetische Strahl relativ zum Zentrum der Düsenöffnung im Sinne des Zentrierens automatisch verschoben. Die Relativverstellung zwischen Düse und Laserarbeitsstrahl getriggert durch die Wärmestrahlung von der der inneren Umwandlungseinheit wird entweder in drei zueinander um 120° versetzten Richtungen oder vorzugsweise in vier Achsrichtungen (X+; X-; Y+; Y-) durchgeführt.
Die Erfindung umfasst jedoch auch einen Aufbau, bei dem die Laserarbeitsstrahlung (>10 μηη) an der Umwandlungskante reflektiert und anschliessend in einer Umwandlungseinrichtung vor dem Wärmestrahlungssensor in eine Wärmestrahlung von ca. (1 -2 μηη) umgewandelt und anschliessend im Wärmestrahlungssensor detektiert wird.
Nach einem weiteren Merkmal des Verfahrens wird das Anfahren des fokussierten primären Strahles durch die Laserbearbeitungsdüse mit der inneren Umwandlungs- einheit (9) von Xmin bis Xmax durchgeführt, wobei die Umwandlungsmaxima und das dazwischen liegende Umwandlungsminimum bestimmt werden. Danach wird das Anfahren des fokussierten primären Strahles durch die Laserbearbeitungsdüse mit der inneren Umwandlungseinheit von Ymin bis Ymax durchgeführt, sowie die Umwandlungsionsmaxima und das dazwischen liegende Umwandlungsminimum be- stimmt. Zum Zentrieren werden die X- bzw. Y-Koordinaten des Zentrums der Düsenöffnung in die X- bzw. Y-Koordinaten des Umwandlungsionsminimums verstellt. Auf diese Weise kann ein exaktes Zentrieren des Laserarbeitsstrahles relativ zur Düsenöffnung oder der Düsenöffnung relativ zum Laserarbeitsstrahl erreicht werden.
Der Startpunkt bei Durchführung des Verfahrens beginnt normalerweise immer beim letzten, gespeicherten Zentrum. Von diesem Punkt wird eine Düsenkante angefahren (Reihenfolge egal). Sobald ein (umgewandelter) Wärmestrahl (im NIR) erkannt wird, speichert die Steuerung die Koordinaten. Dies wird in alle vier Achsrichtungen wiederholt. Daraus errechnet sich die Steuerung ein neues Zentrum. Zur Erhöhung der Genauigkeit wird obiges Vorgehen allenfalls nochmals durchlaufen. Erst dieses neu ermittelte zweite Zentrum wird danach verwendet.
Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, dass anstelle des Laserarbeitsstrahls ein leistungsschwächerer Richtstrahl - als der primäre elektromagnetische Strahl - in die Laserbearbeitungsstrahlenachse gelegt wird, wonach dieser relativ zur Düse oder die Düse relativ zu diesem Richtstrahl sinngemäss verstellt wird. Dieser Richtstrahl muss dabei jedoch aus Wärmestrahlung bestehen oder ebenso wie die Arbeitslaserstrahlung umwandelbar sein. Bei bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird der fokussierte primäre elektromagnetische Strahl, insbesondere C02-Laserarbeitsstrahl mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 μηη in einem Schutzglas vor den Wärmestrahlungssensoren zu einem, für InGaAs-Dioden detektierbaren sekundären Wärmestrahl mit Wellenlängen von etwa 1 ,0 - 2,2 μηη umgewandelt. In einem anderen Verfahren erfolgt die Umwandlung durch lokales punktförmiges Erwärmen der Düseninnenfläche mittels Laserarbeitsstrahl.
Das wiederholbare und recht präzise und kurzzeitige Zentrieren kann also mithilfe der vorliegenden Erfindung mit relativ einfachen Mitteln automatisiert werden. Dies ist eine Grundvoraussetzung für qualitativ hochwertiges Laserschneiden, bei dem keine richtungsabhängigen Schneidergebnisse auftreten dürfen.
Die erfinderische Idee besteht also einerseits darin, dass anstatt der äußeren Temperatursensoren und des Auftreffens des Laserstrahls auf dem Werkstück ein Auftreffen des fokussierten primären Laserarbeitsstrahles auf der inneren erfindungsgemäßen Umwandlungseinheit in der Nähe der Düsenöffnung oder vor den Wärmestrahlungs- sensoren einen sekundären Strahl, insbesondere Wärmestrahl im Wellenlängenbereich von ca. 1 -2,2 μηη erzeugt, wenn sich das System Laserarbeitsstrahl / Düsenöffnung in einem unzentrierten Zustand befindet, und der so erzeugte innere sekundäre elektromagnetische Wärmestrahl durch innenliegende Wärmestrahlungssensoren zuverlässig detektiert wird. Es wird somit der fokussierte primäre elektromagnetische Strahl, insbesondere der C02-Laserarbeitsstrahl zu einem, für InGaAs-Dioden sichtbaren sekundären NIR Umwandlungsionsstrahl von 1 ,0 - 2,2 μηη umgewandelt.
Aus den digitalen Sensormesswerten ist es für ein an sich bekanntes CNC-System der Maschine (Hauptachsen) möglich, die Mitte der Düsenbohrung in an sich bekannter Weise zu errechnen. Es ist allerdings nötig, das Auftreten der Strahlung mit der exakten Achsposition (X-Y Koordinaten) zu verknüpfen. Danach ist die Maschine bereits in der Lage, die Düse im Sinne des Zentrierens relativ zum Laserstrahl oder umgekehrt mittels der Ausrichtvorrichtung schnell und exakt zu verschieben. Allenfalls kann auch nur - wie an sich bekannt - nach erfindungsgemässen Detektion der Wär- mestrahlung aus den Umwandlungseinrichtungen die Linse im Laserstrahl verschoben werden, um den Laserstrahl relativ zur Düsenöffnung auszurichten.
Die nötigen Maßnahmen zur erfindungsgemäßen automatischen Düsen-zentrierung sind, wie folgt:
■ Die an der Umwandlungskante oder in einem beschichteten (Umwandlungs-
)Glas entstehende sekundäre Umwandlungsstrahlung (Wärmestrahlung) wird durch innenliegende Wärmestrahlungssensoren erfasst. Dies wird mit einer speziellen und neuartigen Düsenausbildung mit wenigstens einer Umwandlungseinheit erreicht; Gegebenenfalls sind sowohl die Umwandlungskante als auch das Umwandlungsglas vorhanden. Entscheidend ist, dass nicht die C02
Laserstrahlung, sondern eine sekundäre Wärmestrahlung detektiert wird. Diese Wärmestrahlung ist aufgrund der um eine 10erpotenz kleinere Wellenlänge mit an sich bekannten hochauflösenden und verzögerungsfrei detektierenden InGaAs-Sensoren (Wärmebildsensoren) bestens und günstig zu detektieren. ■ Die inneren Strahlungssensoren sind z.B. im Innenraum des Bearbeitungskopfes so anzuordnen, dass sie die auftretenden sekundären Umwandlungswärmestrahlung erfassen können;
■ Die Laserleistung während des Anfahrens an die Zentrierdüse erfolgt allenfalls kurzzeitig mit hoher Leistung (d.h. Betriebsleistung; Kilowatt-Bereich), um möglichst dem normalen Schneidzustand zu entsprechen;
■ Um durch die hohe Laserleistung die Düse nicht zu beschädigen, muss das System gemäss einer besonderen Ausgestaltung so ausgerüstet sein, dass es in der Lage ist, die sekundäre Umwandlungswärmestrahlung so schnell wie möglich zu erfassen und danach den primären Laserarbeitsstrahl sofort abzu- stellen;
■ Die CNC Steuerung der Maschine ist in der Lage, das Auftreten der sekundäre Umwandlungsionsstrahlung mit der exakten Achsposition (X-Y- Koordinaten) zu verknüpfen; dies erfordert ein hinreichend schnelles Erfassen und Verarbeiten des Signals. ■ Die gewählte Kombination: Strahlwellenlängenumwandlung und Wärmestrah- lungsdetektion mittels Wärmestrahlungssensoren hat sich in Prototypen bestens bewährt. Die genauen physikalischen Details, die zur Umwandlung der Strahlwellenlänge im Glas bzw. in der Beschichtung oder zwischen beiden sind noch nicht restlos geklärt, jedoch wird davon ausgegangen, dass in der Molekularstruktur zu punktuellen Erwärmungen kommt, die ihre Wärmestrahlung durch das Glas auf den Wärmestrahlungssensor abgeben.
Das Anfahren des Laserarbeitsstrahls an die innere Umwandlungskante erfolgt vorzugsweise nacheinander in vier Achsrichtungen (X+; X-; Y+; Y-), alternativ in drei Achsrichtungen (bei drei Sensoren)
Das erfindungsgemässe Verfahren kann wie folgt durchgeführt werden:
Der Startpunkt beginnt immer beim letzten, gespeicherten Zentrum. Von diesem Punkt wird durch verstellen der Düse oder durch Verstellen der Düsenhalterung relativ zur Düse durch den Arbeitslaserstrahl eine Düsenkante angefahren. Sobald von einem der Sensoren ein Wärmestrahl erkannt wird, speichert die Steuerung die Koordinaten. Dies wird in alle 4 (allenfalls 3) Achsrichtungen wiederholt. Daraus errechnet sich die Steuerung ein neues Zentrum. Zur Erhöhung der Genauigkeit wird obiges Vorgehen vorzugsweise nochmals durchlaufen. Voneinander abweichende Zentren nach mehreren Zentrier-Durchläufen können auch rechnerisch zu einem tatsächlichen Zentrum interpoliert werden. Erst das neue Zentrum wird nun endgültig zur Laserbearbeitung verwendet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Die Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Offenbarung.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile, Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indices geben funktionsgleiche oder -ähnliche Bauteile an. Es zeigen dabei:
• Fig.1 den Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsge- mässen Laserbearbeitungskopfes der Laserbearbeitungsmaschine; • Fig.2 den Querschnitt einer gegenüber Fig.1 leicht abgewandelten Laserbearbeitungsdüse mit erfindungsgemässer Umwandlungskante in unmittelbarer Nähe der Düsenöffnung;
• Fig.3 einen Querschnitt eines zusätzlichen Zentrierelementes als Ersatz der Laserbearbeitungsdüse während des Zentriervorganges mit erfindungsgemässer Umwandlungskante im eingebauten Zustand;
• Fig.4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemässen Laserbearbeitungskopfes;
• Fig.5 eine Oberansicht eines dritten Ausführungsbeispieles des erfindungs- gemässen Laserbearbeitungskopfes;
• Fig.6 einen Schnitt entlang der Linie Vl-Vl in Fig. 5;
• Fig.7 einen Diagramm des Lichtdurchlasses bei der beschichteten Glasscheibe nach Fig.6 zwischen Wellenlängen von 0,5 und 1 ,2 Mikrons des sekundären Strahles;
· Fig.8 einen Diagramm der Reflexionswirkung der beschichteten Glasscheibe nach Fig. 6 zwischen Wellenlängen von 6,6 und 16,6 Mikrons;
• Fig.9 einen Diagramm des Lichtspektrums des primären Strahles bei der Schutzglasscheibe mit HR („high reflection") Beschichtung nach Fig.6.
Aus der Fig.1 ist im Rahmen eines ersten Ausführungsbeispiels der Aufbau eines La- serbearbeitungskopfes 1 ersichtlich, welcher zu der erfindungsgemäßen, hier nur schematisch als„black box" dargestellten Laserbearbeitungsmaschine LM gehört.
Der Laserbearbeitungskopf 1 der Laserbearbeitungsmaschine LM ist in diesem Falle in zwei Teile geteilt, d.h. er besteht aus einem oberen Kopfteil 1A und einem unteren Kopfteil 1 B, welche zueinander in Richtungen einer zur Düsenachse 8 normalen X-Y- Koordinatenebene verschiebbar angeordnet sind (eine solche verschiebbare und verteilte Anordnung des Kopfes ist z.B. in unserer früheren Patentanmeldung EP- 10170451 .8 offenbart).
Der untere Kopfteil 1 B hat einen sich nach oben erweiternden Innenraum 2, welcher von unten durch eine Laserbearbeitungsdüse 3 begrenzt ist. Die Laserbearbeitungs- düse 3 ist mit einer axialen Düsenöffnung 4 zum Richten eines (in an sich bekannter Weise erzeugten) des primären fokussierten Strahles, insbesondere Laserarbeits- Strahls 5 auf ein zu bearbeitendes Werkstück 6 ausgebildet. Die Laserbearbeitungsdüse 3 nach Fig.1 ist mit dem Kopfteil 1 B durch ein Schnellverschluss 7 oder ein Gewinde oder durch eine Passung mit minimalem Spiel von 0,02 mm lösbar verbunden, wobei ihre Düsenöffnung 4 koaxial zum rotationssymmetrischen Innenraum 2 des un- teren Kopfteils 1 B angeordnet ist. In Fig.1 ist der primäre fokussierte elektromagnetische Strahl, insbesondere Laserarbeitsstrahl 5 schematisch durch eine strichlierte Linie dargestellt.
Erfindungsgemäss ist im Bereich der Düsenöffnung 4 mindestens eine innere Umwandlungseinheit 9, z.B. in Form einer Umwandlungskante vorgesehen, welche bei mangelnder Zentrierung der Düsenöffnung 4 relativ zum primären fokussierten Strahl, z.B. Laserarbeitsstrahl 5 zur Umwandlung des primären, fokussierten Strahl 5 in einen sekundären elektromagnetischer Strahl, insbesondere Wärmestrahl 10 entlang einer Strahlungsrichtung 10A geeignet ausgebildet und angeordnet ist (siehe Fig.1 ). Bei stark exzentrischem Arbeitsstrahlengang 10A kann der primäre fokussierte elektromagnetische Strahl 5, insbesondere Laserarbeitsstrahl nicht durch die Düsenöffnung 4 hindurch auf das Werkstück 6 gerichtet werden, sondern er trifft auf der geneigten Fläche der Umwandlungseinheit 9 auf (siehe Auftreffpunkt 1 1 in Fig.1 ). Das in diesem Fall unbedingt erforderliche Zentrieren kann bei der erfindungsgemässen La- serbearbeitungsmaschine LM relativ einfach, schnell und automatisch und mit hoher Auflösung durchgeführt werden.
Die Umwandlungseinheit 9, z.B. Umwandlungskante ist im ersten Ausführungsbeispiel erfindungsgemäss genau so geneigt (siehe Figuren 1 und 2), dass der an ihr erzeugte sekundäre elektromagnetische Strahl, insbesondere Wärmestrahl 10 entlang des in Fig. 1 strichpunktierten Strahlrichtung 10A auf einen Reflektor 12 gelenkt und nach Umwandlung an diesem Reflektor 12 von einem Wärmestrahlungssensor 13 er- fasst wird.
Die Wärmestrahlungssensoren 13, welche den sekundären Wärmestrahl 10 am Ende seiner Strahllaufes entlang der strichpunktierten Strahlrichtung 10A überwachen, sind erfindungsgemäß vorzugsweise in einem axialen Abstand 14 von der Umwandlungseinheit 9 und in der Wand des Innenraumes 2 versenkt angeordnet. Die Wärmestrahlungssensoren 13 gehören zu einer Ausrichtvorrichtung 15, welche geeignet ist, den unteren Kopfteil 1 B zusammen mit der Düsenöffnung 4 relativ zum primären Strahl, insbesondere Laserarbeitsstrahl 5 zu verschieben, d.h. zu zentrieren. Dazu ist die Ausrichtvorrichtung 15 mit bekannten Antrieben (nicht dargestellte Hauptachsen der Maschine) ausgerüstet, welche Verstellungen mindestens in X-Y- Achsrichtungen ermöglichen. (Solche Ausrichtvorrichtungen sind näher z.B. aus der JP-56'041 '092 oder EP-10170451.8 bekannt; diese werden hiermit auch in die vorliegende Offenbarung per Referenz inkorporiert).
Die Wärmestrahlungssensoren 13 der Ausrichtvorrichtung 15 liefern Messsignale an ein, an sich bekanntes CNC-System 16 (Hauptachsen) der Laserbearbeitungsmaschine LM (Fig.1 ).
Beim Zentrieren wird das relative Anfahren des primären fokussierten Strahls, insbesondere Laserarbeitsstrahls 5 an die Laserbearbeitungsdüse 3 vorzugsweise in vier Achsrichtungen X+ und X-, sowie Y+ und Y- durchgeführt (bei nur drei Sensoren 13 würde die Verschiebung nur in drei zueinander um 120° versetzten Richtungen erfolgen). Der primäre Strahl 5 wird also relativ zur Laserbearbeitungsdüse 3 in allen vier Richtungen +/-X und +/-Y verschoben, bis der primäre Strahl 5, insbesondere Laserarbeitsstrahl jeweils an der schrägen Kante der Umwandlungseinheit 9 der Laserbearbeitungsdüse 3 als der sekundäre Strahl, insbesondere Reflexionsstrahl, d.h. Wär- mestrahl 10 entlang des oben beschriebenen Wärmestrahlenganges 10A reflektiert wird. An dessen Ende wird der sekundäre Strahl, insbesondere Wärmestrahl 10 von den optischen Wärmestrahlungssensoren 13 detektiert, und deren Messwerte werden gespeichert. Diese gespeicherten Messwerte müssen allerdings mit der exakten Achsposition (Koordinaten X-Y) verknüpft werden. Dies bedeutet, dass die Wärmest- rahlungssensoren 13 jeweils nur eine Information für die Steuerung erzeugen. Diese speichert aber auch die Koordinaten.) Mit dieser Information werden also auch die Koordinaten gespeichert. Dadurch ist es für das CNC-System 16 möglich, zu einem gegebenen unzentrierten Zustand die Mitte der Düsenöffnung 4 als zentrierte Soll- Lage zu errechnen. Danach kann die eigentliche automatische Düsenzentrierung mittels Verschiebung des Kopfteils 1 B gegenüber dem Kopfteil 1A in Richtungen der X-Y Achsen durch Betätigung der Ausrichtvorrichtung 15 durchgeführt werden. Wird der obige vollautomatische Düsenzentrierungsprozess in Verfolgung aller vorzeichenbehafteten Rieh- tungen der X- Y-Ebene mehrfach ausgeführt, so wird das Zentrum der Düsenöffnung 4 durch die Laserbearbeitungsmaschine LM schnell, systematisch und genau in den primären Strahl 5, insbesondere Laserarbeitsstrahl verschoben.
Für diese Ausführung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Laserbearbeitungs- köpf 1 mithilfe der Antriebe der Ausrichtvorrichtung 15 in der X- Y-Ebene verstellbar ist. Die Ausmessung der zentrierten Position der Laserbearbeitungsdüse 4 kann zum Beispiel folgendermaßen ausgeführt werden:
• Start bei Xmin und kommt eine Verschiebung bis Xmax. Dazwischen gibt es ein Wärmestrahlenmaximum und ein Wärmestrahlenminimum. Das Wärmestrah- lenminimum gibt die ideale Zentrierung in X-Richtung an, das merkt sich der
Rechner;
• Danach kommen ein Start bei Ymin und eine Verschiebung bis Ymax. Dazwischen gibt es auch ein Wärmestrahlenmaximum und ein Wärmestrahlenminimum. Das Wärmestrahlenminimum gibt die ideale Zentrierung in Y-Richtung an, das merkt sich der Rechner;Ein Rechner (des CNC-Systems) bringt nun die X- und Y-Achsen genau in die Wärmestrahlenminimumpositionen von X und Y, womit die Idealzentrierung erreicht ist.
Wichtig dabei ist, dass das erfindungsgemäße Zentriersystem nicht - wie im zitierten Stand der Technik - auf Reflexion und Absorption des Laserarbeitsstrahles und auf Temperaturmessungen am Werkstück unterhalb der Düse basiert. Erfindungsgemäss sind vielmehr optische Wärmestrahlungssensoren 13 vorgesehen, welche innen im Laserbearbeitungskopf 1 unterhalb (ggf. auch oberhalb) der Fokussieroptik (nicht gezeigt), jedenfalls aber deutlich oberhalb der Laserbearbeitungsdüse 3, und nicht an der Düse bzw. in der Düse angeordnet sind. Damit können die mithilfe des primären Strahl 5, insbesondere Laserarbeitsstrahl, d.h. durch den sekundären Wärmestrahl 10 an die Wärmestrahlungssensoren 13 übermittelten Signale sehr schnell, präzis und reproduzierbar erfasst werden.
In der Ausführung nach Fig.1 sind vier optische Wärmestrahlungssensoren 13 vorgesehen, welche im Innenraum 2 entlang des Umfanges einer inneren Mantelfläche 17 des Laserbearbeitungskopfes 1 gleichmäßig verteilt (ggf. in Ringform) in einer zur X- Y-Ebene parallelen Ebene angeordnet sind (davon sind nur zwei in Fig.1 illustriert). Gegebenenfalls könnten mehr als vier (oder weniger, z.B. drei) optische Strahlungssensoren 13 zweckmässig sein.
Wie oben schon erwähnt, ist in Fig.1 der Reflektor 12 zum Umlenken/Umrichten des, an der Umwandlungseinheit 9 entstehenden sekundären Strahles 10, insbesondere Wärmestrahl in Richtung der Wärmestrahlungssensoren 13 entlang der V-förmigen Strahlausbreitungsrichtung 10A zwischen der Umwandlungseinheit 9 und den Wärmestrahlungssensoren 13 angeordnet. Der Reflektor 12 weist im ersten Ausführungsbeispiel eine konische Reflexionsfläche 18 auf. Diese schliesst in radialer Richtung einen Winkel 19 mit der Horizontalen ein, dessen Wert vorzugsweise etwa 45° beträgt.
Der ringförmige Reflektor 12 ist nach Fig.1 im oberen Bereich des unteren Kopfteiles 1 B als Ringelement koaxial und lösbar fixiert. Gegebenenfalls könnte der Reflektor 12 aus mehreren Teilen, z.B. Segmenten ausgebildet sein (nicht dargestellt). In einem typischen Ausführungsbeispiel ist er einfach an der Innenwand der Düse ausgebildet. In Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Umwandlungseinheit 9 - in radialer Richtung betrachtet - einen Neigungswinkel 20 mit der Horizontalen einschließt, dessen Wert bei unseren Versuchen auf 4-7°vorzugsweise etwa 5,0° - 5,5° gewählt wurde (wie schon angemerkt können aufgrund der Konstruktion aber auch andere Winkel gewählt werden). In Figuren 2 und 3 ist die Umwandlungseinheit 9 als eine integrierte radiale ke- gelringförmige Kante der Laserbearbeitungsdüse 3 ausgebildet, welche die Düsenöffnung 4 begrenzt und z.B. aus Kupfer hergestellt ist. Dies ermöglicht eine einfache Ausführung. Es ist aber zu betonen, dass die Umwandlungseinheit 9 mit (oder ohne) Düsenöffnung 4 als separates Element ausgebildet sein könnte, welches an einer inneren Mantelfläche 21 der Laserbearbeitungsdüse 3 in seiner vorbestimmten axialen Lage fixierbar ist (nicht gezeigt). Es ist auch eine Ausführung möglich, bei welcher die Umwandlungseinheit 9 aus mehreren Umwandlungsteilen, z.B. aus radialen Umwandlungssegmenten ausgebildet ist (nicht dargestellt).
Im Sinne der Erfindung ist aber die Umwandlungseinheit 9 nicht unbedingt in der Laserbearbeitungsdüse 3 selbst (siehe Figuren 1 -2) vorgesehen. In Fig.3 ist eine weite- re mögliche Ausführung illustriert, wobei die Umwandlungseinheit 9 an einer inneren Mantelfläche 22 eines separaten zusätzlichen Zentrierelementes, insbesondere Zentrierdüse 23 ausgebildet ist, durch welches die Laserbearbeitungsdüse 3 während des Zentrierungsprozesses, z.B. vor dem normalen Maschinenbetrieb, ersetzt wird. Das Zentrierelement 23 ist also nach Abmontieren der Laserbearbeitungsdüse 3 am unteren Ende des Laserbearbeitungskopfes 1 koaxial angeordnet und z.B. durch eine Passung (mit minimalem Spiel von z.B. 0,02 mm) oder durch einen Schnellverschluss 7 lösbar fixiert. Durch die Anwendung des zusätzlichen Zentrierelementes 23 kann die Laserbearbeitungsdüse 3 sogar von den geringen Belastungen des Zentrierprozesses vollständig verschont werden.
In Fig. 4 ist das zweite, konstruktiv einfachere Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfs 1 schematisch dargestellt. Ein wesentlicher Unterschied zur ersten Ausführung nach Fig.1 liegt darin, dass die Ausbreitungsrichtung 10A des sekundären Wärmestrahles 10 hier nicht über einen Reflektor, sondern direkt zu einem der optischen Wärmestrahlungssensoren 13 führt. Auf den Reflektor wird also hier verzichtet. Die optischen Wärmestrahlungssensoren 13 sind im Innenraum 2 entlang des Umfanges der inneren Mantelfläche 17 des Laserbearbeitungskopfes 1 z.B. in einer zur X- Y-Ebene parallelen Ebene gleichmäßig verteilt, und so nach unten orientiert (siehe Fig.4), dass sie den an der Umwandlungseinheit 9 entstehenden sekundären Strahl 10 via ihrer Ausbreitungsrichtung 10A direkt detektieren können. Damit erfolgt die Messwerterfassung über Wärmestrahlung noch schneller, präziser und reproduzierbarer.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird zum Zentrieren eines fokussierten primären Strahls, insbesondere Laserarbeitsstrahles 5 relativ zur Düsenöffnung 4 des Laserbearbeitungskopfes 1 (oder umgekehrt) vor oder während einer Laserbearbeitung der, in Richtungen einer als Normalebene auf eine Düsenachse definierten X- Y-Koordinatenebene bewegte primäre elektromagnetische Strahl, insbesondere Laserarbeitsstrahl 5 von einer, im Bereich der Düsenöffnung 4 angeordneten inneren Umwandlungseinheit 9 als ein sekundär elektromagnetischer Strahl, insbesondere Wärmestrahl 10 seinem Ausbreitungsrichtung 10A folgend auf die Wärmestrahlungssensoren 13 gerichtet wird. Jeder durch den sekundären Wärmestrahl 10 von der Umwandlungseinheit 9 entlang der Ausbreitungsrichtung 10A ermittelte Messwert der Wärmestrahlungssensoren 13 mit den zugehörigen X-Y-Koordinaten der Düsenachse 8 und des primären Strahls, insbesondere Laserarbeitsstrahls 5 verknüpft wird. Danach wird aus den Messwerten der Wärmestrahlungssensoren 13 die jeweilige Position des Zentrums der Düsenöffnung 4 relativ zu jener des primären Strahls 5 errechnet und demgemäß die Düsenöffnung 4 relativ zum primären Strahl 5 oder der primäre elektromagnetische Strahles 5 relativ zum Zentrum der Düsenöffnung 4 im Sinne des Zentrierens automatisch verschoben.
Nachstehend werden Beispiele aus diversen Messungen gegeben. Die Startbedingungen für den Zentrierprozess waren wie folgt:
· Bei in X-minus Richtung um 0,35 mm außermittig positionierter Düse 3 waren
Wärmestrahlen umgewandelt aus dem gepulsten Laserarbeitsstrahl am optischen Wärmestrahlungssensor 13 sichtbar;
• Bei in X-minus Richtung um 0,4 mm außermittig positionierter Düse 3 traten starke Signale am Wärmestrahlungssensor 13 auf. Um die Zentriergenauigkeit durch die Erfindung möglichst zu erhöhen, sollte der Signalanstieg immer möglichst gleich bleibend sein (speziell in Richtung + und - pro Achse) und musste das Signal klar erkennbar sein. Dies wurde erfindungsgemäss beispielsweise mit folgenden Testparametern für die Steuerung erreicht:
• Detektionsvorschub: 200 mm/min
· Pegel: 10 Mia
• Laserleistung: 3 kW
• Die Anstiegszeit vom Grundrauschen bis zum Auslösen des Ausschalt- Signals (10 Mia) dauerte zwischen 1 -3 ms. Das Signal stieg noch weiter an, da die Laserleistung erst ab Erkennen des Pegels mit einer vorbestimmten Verzögerung ausgeschaltet werden konnte und da die punktuelle Erwärmung jeweils erst abklingen muss, was grundsätzlich schnell erfolgt, da die Düse meistens aus Kupfer besteht und daher sehr gut die Wärme leitet.
Unter dem Begriff„Pegel" ist in der Praxis ein Schwellwert in der Steuerung des CNC- Systems 16 der Maschine LM gemeint, der entscheidet, ob das Signal von einem der Wärmestrahlungssensoren 13 erkannt wurde oder nicht. Der, an der Umwandlungseinheit 9 entstehende sekundär elektromagnetische Strahl, insbesondere Wärmestrahl 10 trifft entlang seiner Ausbreitungsrichtung 10A auf den Strahlungssensor 13 (z.B. InGaAs-Diode) auf. Letzterer erzeugt je nach Stärke der Strahlung ein Spannungssignal, das anschließend mit geeigneter Elektronik des CNC-Systems 16 in an sich bekannter Weise weiter verarbeitet wird. Unter der Anwendung der obigen Elektronik werden Werte von 0 (keine reflektierte Strahlung) bis 2 Mia Einheiten (gesättigte Diode) gemessen. Wird ein Pegel z.B. von 10 Mia Einheiten überschritten, ist das eine Entscheidungsgrundlage für das sofortige Abschalten der Laserleistung. Exakt zu diesem Zeitpunkt werden auch die X- und Y- Achspositionen gespeichert. Damit ist bekannt, wo sich jetzt die Düsenöffnungsmitte (Düsenachse 8) befindet.
Zum automatischen Zentriervorgang gemäss der Erfindung sollten z.B. folgende Einstellungen in der CNC-Steuerung der Maschine hinterlegt werden:
■ Detektionsvorschub: typisch 50-200 mm/min;
■ Detektionsleistung: typisch 1-2 Kilowatt;
■ Gasart: z.B. N2 (Nitrogen);
■ Gasdruck: typisch 1 bar;
■ Detektionspegel„Signal erkannt" beim Sensor: typisch 2 Mia (Einheiten).
In Figuren 5 und 6 ist das bevorzugte dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsge- mässen Laserbearbeitungskopfes 1 der Laserschneidmaschine dargestellt. Diese Lösung entspricht im Wesentlichen der Ausführung nach Fig. 1 (die gleichen oder äquivalenten Einzelheiten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet), bis auf die Art und Anordnung der Strahlungssensoren 13. Hier sind„InGaAs" Dioden als optische Wärmestrahlungssensoren 13 angewendet. Es ist aber aus der Praxis bekannt, dass die bekannten InGaAs-Dioden eine C02- Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 10,6 μηη praktisch nicht detektieren können. Eine erfinderische Erkenntnis wird aber eben darin gesehen, dass der fokussier- te primäre C02 Laserarbeitsstrahl 5 mit einer Wellenlänge von 10,6 μηη zu einem, für die InGaAs-Dioden schon sichtbare breitbandige NIR Strahlung („NIR" bedeutet hier:„near infra-red") d.h. Infrarot-Strahlung („Wärmestrahlung") mit Wellenlängen von ca. 1 ,0 - 2,2 μηη umgewandelt wird, welche erfindungsgemäss als ein sekundärer elektromagnetischer Wärmestrahl 10 störungsfrei detektiert werden kann.
Wie in Figuren 5 und 6 illustriert ist, sind die vier„InGaAs" Wärmestrahlungssensoren 13 in radialer Richtung im Innenraum 2 um etwa 85° zur Düsenachse 8 orientiert. Ei- ne Umwandlungseinheit, z.B. Umwandlungskante 9 einer Zentrierdüse 23 ist so geneigt, dass der, an ihr umgewandelt oder reflektierte sekundärer Umwandlungsstrahl 10 entlang einer V-förmigen Ausbreitungsrichtung 10A auf einen Reflektor 12 gelenkt und nach Reflexion an diesem Reflektor 12 von einem Wärmestrahlungssensor 13 erfasst wird.
Jedem der„InGaAs" Strahlungssensoren 13 ist bevorzugt mindestens je eine Glas- vorläge, insbesondere Glasscheibe 24 zugeordnet, welche an einer Stirnseite mit einer HR-Beschichtung („high reflectivity" = hohe Reflexionsfähigkeit für langwellige Strahlung - insbesondere C02-Laserstrahlung) versehen ist (die Beschichtung selbst ist in Fig.6 nicht dargestellt). Die beschichteten Glasscheiben 24 sind in diesem Falle aus handelsüblichem Si02-Glas gefertigt. In Fig.7 ist das Lichtdurchlassdiagramm (in %) der beschichteten Glasscheibe 24 nach Fig.6 zu sehen, wobei eine Stirnseite der Glasscheibe 24 mit einer HR- Beschichtung versehen ist. Fig.8 zeigt aber einen Reflexionsdiagramm (in %) der beschichteten Glasscheibe 24, wobei nur die erste Stirnseite der Glasscheibe 24 mit einer HR-Beschichtung versehen ist. (Diese Diagramme stammen vom Hersteller). Man könnte sich eventuell vorstellen, beide Stirnseiten der Glasscheibe 24 mit einer solchen Beschichtung zu versehen.
Wie in Fig.7 und 8 ersichtlich, ergibt sich um 70% Transmission (möglichst viel sichtbares Licht, möglichst wenig Laserlicht) und 95% Reflektivität der 10,6 μηη primäre Laserstrahlung durch die beschichtete Glasscheibe. Jede Glasscheibe 24 ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig.6 vor dem zugehörigen „InGaAs" Strahlungssensor 13 zweckmässig mit einem Abstand 26 und vorzugsweise in einer gemeinsamen Halterung 25 angeordnet. Jede ausmontierbare Halterung 25 - zusammen mit dem eingebauten„InGaAs" Strahlungssensor 13 und Glasscheibe 24 - ist in einer Aussparung 27 des unteren Kopfteiles 1 B fixiert (Fig.6). Bei der automatischen Düsenzentrierung mit dem Ausführungsbeispiel nach Figuren 5 und 6 wird also die Zentrierdüse 23 relativ zum fokussierten primären Strahles, insbesondere Laserarbeitsstrahles 5 entlang einer X oder Y Achsenrichtung verschoben, bis eine der„InGaAs" Strahlungssensoren 13 einen bestimmten Pegel erreicht hat. Die vier„InGaAs" Strahlungssensoren 13 werden also ausschliesslich durch die +/-X und +/-Y Verschiebungen des Schneidkopfs von der elektromagnetischen Strahlung„beleuchtet", d.h. der Laserstrahl wird in +X Achsrichtung verschoben, die Laserstrahlung wird vom Düsenrand reflektiert und trifft die über einen Spiegel im Schneid- köpf, durch einen Filter und die Glasscheibe 24 in umgewandelter Form (NIR) auf die „InGaAs" Diode(n).
Sobald die Summe der Intensitäten aller vier„InGaAs" Dioden einen gewissen Wert übersteigt, schaltet der primäre Laserstrahl 5 sofort aus. Wenn dies in alle vier X und Y Achsenrichtungen gemacht wird, kann daraus die gegenseitige Position des primären Laserarbeitsstrahles 5 und der Laserbearbeitungsdüse 3 oder der Zentrierdüse 23 ermittelt, und damit die Laserbearbeitungsdüse 3 oder die Zentrierdüse 23 schnell, zuverlässig und wiederholbar zentriert werden.
Nach unseren bisherigen Experimenten konnten wir feststellen, dass das erfin- dungswesentliche Merkmal, wonach der fokussierte primäre C02 Laserarbeitsstrahl 5 (10,6 μηη) zu einem, für die optischen „InGaAs" Strahlungssensoren 13 sichtbaren breitbandigen NIR Strahlung (Infrarot-Strahlung per Definition gemäss ISO 20473 0,78 - 3,0 μηη) umgewandelt wird, welche erfindungsgemäss als ein sekundärer Umwandlungsstrahl bzw. Wärmestrahl 10 störungsfrei detektiert werden kann, ist als Tatsache nach unseren Testen mithilfe des Diagramms nach Fig. 9 bewiesen (wobei die rechte Kurve die NIR-Strahlung (von 1 ,0 - 2,2 μηη) illustriert). Das tatsächlich von uns aufgenommene Spektrum zeigt auf der rechten NIR Linie auf, dass Laserlicht von 10,6 μηη nach dem beschichteten Glasvorlage in eine Strahlung von ca. 1 ,0 - 2,2 μηη transformiert wird. (Die linksseitige VIS Linie kommt vom sichtbaren Licht, welches sich aufgrund des Messaufbaus vor dem beschichteten Gläschen befindet und nicht zur Wärmestrahlung bzw. zum umgewandelten sekundären Strahl gehört. Diese VIS- Linie hat somit zu der Erfindung keinen Bezug, bestätigt lediglich, dass das verwendete Glas sichtbares Licht durchläset. )
Dies ist aus den folgenden Überlegungen erklärbar, d.h. der umgewandelte sekundä- re Umwandlungsstrahl 10 (von ca. 1 ,0 - 2,2 μηη) könnte unserer Ansicht nach stammen aus:
a) einer„Wärmestrahlung", die von einem, sich in der Umwandlungseinheit befindlichen, primären C02-Laserstrahlung absorbierendem Material stammt. In Frage kommt noch die Kupferdüse 3 und 23, der Messingdüsenkörper, oder die„InGaAs' -Dioden-Halterung 25 aus Aluminium, und/oder
b) einer„Wärmestrahlung", die nach der Absorption vom fokussierten primären C02-Laserstrahl 5 in der beschichten Glasscheibe 24 vor dem„InGaAs" Strahlungssensor 13 entsteht, und/oder c) einem Teil des C02-Laserstrahles 5, welcher umgewandelt als sekundärer elektromagnetischer Wärmestrahl 10 auf den„InGaAs" Strahlungssensor 13 gelangt.
Wesentliche Unterschiede bezüglich der zitierten DE-102007048471 (A):
Nach der vorliegenden Erfindung vergleicht das System die Intensitäten der Sensoren zur Ermittlung der Strahlmitte nicht (wie bei der zitierten DE-A), sondern hat ein empirisch ermitteltes„Abbruchkriterium" (eben sobald die Summe der Intensitäten aller vier Strahlungssensoren 13 gewissen Wert übersteigt), welches dem System sagt, dass es jetzt am Umwandlungseinheit 9 (am Düsenrand) ist. Bei der Erfindung wird ferner keine Verschiebung in Richtung der Z-Achse, ausschließlich X-Y- Verschiebungen, und sie braucht keine speziellen Streuflächen (wie bei der zitierten DE-A), deshalb die vorliegende Erfindung von der Spiegelqualität gar nicht abhängig ist.
Bei unseren Versuchen mit den Prototypen der erfindungsgemässen Laserbearbei- tungsmaschine LM haben wir die folgenden positiven Effekte festgestellt:
• Die reflektierten bzw. umgewandelten Laserarbeitsstrahlen waren gut und präzis mit einer Brennweite von etwa 3,75 - 7,5 Zoll (95 - 190 mm) messbar;
• Um über die Verschleißfestigkeit der Laserbearbeitungsdüse 3 Aufschluss zu bekommen, wurden ca. 2000 Zentrierungen an der gleichen Umwandlungs- einheit 9 gemacht und die Signale aufgezeichnet, sowie die Geometrie der
Umwandlungseinheit 9 und der Düse 3 beobachtet. Erkenntnis: Anhand der Messergebnisse konnte weder an der Umwandlungseinheit 9 noch an der Düse 3 Verschleiss erkannt werden.
Die durch die erfindungsgemäße automatische Düsenzentrierung erreichbaren we- sentlichen Vorteile sind, wie folgt:
■ Die Zentrierung der Düse erfolgt viel einfacher, schneller und exakter als beim Stand der Technik;
■ Der Düsenzentrierungsprozess ist praktisch verschleißfrei und reproduzierbar;
■ Das schnelle Ansprechen erlaubt einen Zentrierprozess mit der hohen Laser- betriebsleistung (kW-Bereich), da der primäre Laserarbeitsstrahl 5 rasch abgeschaltet wird, sobald das durch Strahlumwandlung erfasste Messsignal einen gewissen vorbestimmten Wert überschreitet. Die Düse 3 und die Um- Wandlungseinheit 9 bleiben deswegen auch bei dieser hohen Laserleistung verschleissfrei;
■ Unter„schnelle Abschaltung des Laserstrahls" ist gemeint, dass die Reaktionszeit beginnend mit dem Detektieren des Strahls an der Umwandlungseinheit 9 bis zum Befehl "Laser Off" (Laser aus) nicht an die sonst übliche Zykluszeit des CNC-Systems von 16-20 ms gebunden ist, sondern per schnellem "Interrupt-Signal" (Abschaltsignal) unverzüglich, d.h. im Mikrosekundenbereich (z.B. 100 s) erfolgt. Dank dieses schnellen Abschaltens des Laserarbeitsstrahls 5 erwärmt sich die Düse 3 und die Umwandlungseinheit 9 nur punktuell und kurzfristig. Die unerwünschten Wärmebelastungen der Düse, wie sie beim Stand der Technik auftreten können sind dadurch eliminiert;
■ Wird die Umwandlungseinheit 9 an der Düsenöffnung 4 gegenüber dem Laserarbeitsstrahl 5 verschoben (bzw. umgekehrt), so erzeugt der Laserarbeitsstrahl 5 ab dem Zeitpunkt seiner Reflexion bzw. Umwandlung an der Umwandlungseinheit 9 ein Messsignal am Strahlungssensor 13, wobei die Steuerung der Maschine LM den Laser rechtzeitig abschaltet, um eventuelle Beschädigungen der Düse 3 und der Umwandlungseinheit 9 zu vermeiden;
■ Die mindestens drei optischen Strahlungssensoren 13 sind nicht am Verschleißteil (Düse), sondern relativ weit davon entfernt im Laserbearbeitungskopf 1 angeordnet. Dadurch wird diese Erfindung im Gegensatz zu den bekannten Lösungen erst industrietauglich;
■ Um die Ablenkung des an der Umwandlungseinheit 9 reflektierten bzw. umgewandelten Laserarbeitsstrahls 5 in Richtung der optischen Strahlungssensoren 13 im Laserbearbeitungskopf 1 standardisiert zu gewährleisten, ist eine Umwandlungseinheit 9 mit dem definierten Neigungswinkel 20 notwendig;
■ Durch die Erfindung kann die Produktionssicherheit und die Arbeitsqualität der Laserbearbeitungsmaschine LM bedeutend erhöht werden.
Es ist noch zu bemerken, dass in den Ausführungen nach Fig.1 oder Fig.4 keine Umwandlungsbeschichtung an der Umwandlungseinheit 9 verwendet wurde. Es kann aber ggf. zur weiteren Erhöhung der Verschleißfestigkeit und der Umwandlungsintensität durchaus sinnvoll sein, die Umwandlungseinheit 9 mit einer Beschichtung, zu Weitere Ausführungsformen der erfindungsgemassen Laserbearbeitungsmaschine LM und deren Kombinationen, zu welchen jedoch ein einschlägiger Fachmann in Kenntnis der vorliegenden Offenbarung keine weitere technische Lehre brauchen würde, sind im Rahmen der beiliegenden Patentansprüche vorstellbar.
Bezugszeichenliste
LM Laserbearbeitugsmaschine / Laserschneidmaschine
1 Laserbearbeitungskopf Im Sinne dieser Anmeldung ist diese Bezeichnung bloss für den Düsenkörper, inkl. Sensorik und Düse bezogen. Ein vollständiger Laserbearbei- tungskopf besteht dann zusätzlich noch aus der Fokussieroptik / Linse und weiterer Technik, die jedoch für die Erfindung selbst sekundär ist und in keiner Figur dargestellt.
1A Oberer Kopfteil
1 B Unterer Kopfteil
2 Innenraum
3 Laserbearbeitungsdüse
4 Düsenöffnung
5 Primärer fokussierter elektromagnetischer Strahl / Laserarbeitsstrahl
6 Werkstück (zu bearbeiten)
7 Schnellverschluss oder Gewinde oder Passung
8 Düsenachse
9 Umwandlungseinheit / Umwandlungskante
10 Sekundärer elektromagnetischer Strahl / Wärmestrahl
10A Ausbreitungsrichtung des sekundären Wärmestrahls
1 1 Auftreffpunkt
12 Wärmestrahlenreflektor
13 Wärmestrahlungssensor
14 Abstand
15 Ausrichtvorrichtung
16 CNC-System
17 Innere Mantelfläche (des Kopfes)
18 Reflexionsfläche
19 Winkel
20 Neigungswinkel
21 Innere Mantelfläche (der Düse)
22 Innere Mantelfläche (des Zentrierelements)
23 Zusätzliches Zentrierelement / Zentrierdüse
24 Beschichtete Glasscheibe als zweite Umwandlungseinheit
25 Halterung für Glasscheibe und Wärmestrahlungssensor Abstand Aussparung

Claims

Patentansprüche
Laserbearbeitungsmaschine (LM), insbesondere Laserschneidmaschine mit langwelliger Laserstrahlung, insbesondere C02-Laserstrahlung, umfassend wenigstens einen Laserbearbeitungskopf (1 ), welcher einen Innenraum (2) und eine Düse (3) mit einer Düsenöffnung (4) zum Durchlassen eines primären Strahles (5), insbesondere eines fokussierten Laserarbeitsstrahles auf ein zu bearbeitendes Werkstück (6) und ggf. zum Richten eines den Strahl umhüllenden Gasstroms, sowie eine Ausrichtvorrichtung (15) mit mehreren Sensoren (13) zum Zentrieren des primären Strahles (5), insbesondere fokussiertes Laserarbeitsstrahles und der Düsenöffnung (4) relativ zueinander, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Düsenöffnung (4) mindestens eine erste Umwandlungseinheit (9), insbesondere eine Umwandlungskante zur Umwandlung des anstreifenden bzw. auftreffenden primären Strahles (5) in (einen) sekundäre(n) elektromagnetischein) Wärmestrahl(en) (10) entlang wenigstens einer Ausbreitungsrichtung (10A) in Richtung der Sensoren (13) vorgesehen ist, wobei die Sensoren (13) als Wärmestrahlungssensoren ausgebildet und im Innenraum (2) der Laserbearbeitungskopfes (1 ) oder der Düse (3; 23) angeordnet sind.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass drei um zueinander je ca. 120° oder vier um je ca. 90° versetzte Wärmestrahlungssensoren (13) vorgesehen sind, welche im Innenraum
(2) entlang des Um- fanges einer inneren Mantelfläche (17) des Laserbearbeitungskopfes (1 ; 1 B) und insbesondere in einer - zur Düsenachse (8) normalen - Ebene verteilt angeordnet sind.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wärmestrahlungssensoren (13) und der ersten Umwandlungseinheit (9) mindestens ein Wärmestrahlenreflektor (12) zum Umlenken des (der) von der Umwandeleinheit (9) entlang ihrer Ausbreitungsrichtung (10A) abstrahlenden sekundären Wärmestrahlung (10) auf einen der Wärmestrahlungssensoren (13) angeordnet ist.
Laserbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse eine Laserschneiddüse (3) oder eine diese für den Zentriervorgang ersetzende Zentrierdüse (23) ist, und dass die erste Umwand- lungseinheit (9) an einer inneren Mantelfläche (21 ) der Düse
(3) oder der Zentrierdüse (23) in der Nähe der Düsenöffnung (4) als eine vorspringende, gegebenenfalls trichterförmige Umwandlungskante vorgesehen ist, die mit einer Normalebene auf eine Düsenachse (8) im Querschnitt einen Neigungswinkel (20) von vorzugsweise ca.
4-7°, insbesondere ca. 5,5° einschließt.
5. Laserbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungseinheit (9) selbst als ein separates ringförmiges, insbesondere trichter- bzw. kegelförmiges Element ausgebildet ist, welches an der inneren Mantelfläche (21 ) der Laserbearbeitungsdüse (3) oder an der inneren Mantelfläche (22) des zusätzlichen Zentrierelementes (23) koaxial zur Düsenöffnung (4) fixiert ist.
6. Laserbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungseinheit (9) aus mehreren nicht zusammenhängenden Umwandlungssegmenten besteht.
7. Laserbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungseinheit (9) mit einer verschleissfesten und/oder Umwandlungsbeschleunigenden Beschichtung versehen ist.
8. Laserbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestrahlungssensoren (13) zur Überwachung der umgewandelten sekundären Wärmestrahlung (10) mit Wellenlängen von ca. 1 ,0 -
2,2 μηη als„InGaAs' -Dioden ausgebildet sind.
9. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor jedem Wärmestrahlungssensor (13) mindestens eine Glasscheibe (24) - gegebenenfalls in einem Abstand (26) - angeordnet ist, welche vorzugsweise min- desten an einer Fläche quer zur Ausbreitungsrichtung (10A) mit einer Reflexionsschicht für den primären Strahl (5) versehen ist.
10. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasscheibe (24) als zweite Umwandlungseinheit von langwelligem IR des primären Strahles (5) in kurzwelliges NIR des sekundären Wärmestrahles (10) ausgebildet ist und/oder die Glasscheibe (24) mit dem zugehörigen optischen Wärmestrahlungssensor (13) in einer gemeinsamen Halterung (25) angeordnet sind, welche in einer Aussparung (27) des Kopfteiles (1 B) fixiert ist.
1 1 . Verfahren zum Zentrieren eines primären Strahles (5), insbesondere eines fo- kussierten Laserarbeitsstrahles zu einer Düsenöffnung (4) eines Laserbearbei- tungskopfes (1 ) einer Laserbearbeitungsmaschine (LM) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 relativ zueinander, dadurch gekennzeichnet, dass
a) vor oder während einer Laserbearbeitung eine X- Y-Koordinatenebene in einer Normalebene auf eine Düsenachse (8) definiert wird,
b) dass im Inneren der Düse (3; 23) eine Umwandlungseinheit (9) vorgesehen oder ausgebildet wird, an der ein langwelliger IR-Strahl des primären elektromagnetischen Strahles (5) in Wärme umgewandelt werden kann, um kurzwellige NIR- Strahlung eines sekundären Wärmestrahles (10) zu erzeugen,
c) dass der primäre elektromagnetische Strahl (5), insbesondere Laserarbeitsstrahl (5) relativ zur Düsenöffnung (4) quer zur X-Y-Koordinatenebene und damit quer zur Düsenöffnung (4) so lange verschoben wird, bis er die Umwandlungseinheit (9) trifft und dort wenigstens teilweise als sekundäre Wärmestrahlung (10) im NIR-Bereich entlang einer Ausbreitungsrichtung (10A) abgestrahlt wird, d) und auf Wärmestrahlungssensoren (13) auftritt, und dass jeder durch den sekundären Wärmestrahl (10) ermittelte Messwert der Wärmestrahlungssenso- ren (13) zugehörigen X- Y-Koordinaten der Düsenachse (8) und dem primären Strahles (5), insbesondere Laserarbeitsstrahls zugeordnet werden,
e) und dass aus mehreren Messwerten gemäss c) - d) nach mehreren Verschiebungen durch einen Rechner die jeweilige Position des Zentrums der Düsenöffnung (4) relativ zu jener des primären Strahles (5), insbesondere Laserar- beitsstrahls errechnet wird,
f) und demgemäß das Zentrum der Düsenöffnung (4) und der primäre elektromagnetische Strahl (5), insbesondere der Laserarbeitsstrahl automatisch relativ zueinander im Sinne des Zentrierens verschoben wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Anfahren des Laserarbeitsstrahls (5) durch die Laserbearbeitungsdüse (3) mit der inneren Umwandlungseinheit (9) in drei oder vier Achsrichtungen (X+; X-; Y+; Y-) der X-Y- Koordinatenebene durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12 , dadurch gekennzeichnet, dass das Anfahren des fokussierten primären Strahles (5), insbesondere Laserbearbeitungsstrahles durch die Laserbearbeitungsdüse (3) mit der inneren Umwandlungseinheit (9) von Xmin bis Xmax durchgeführt, sowie die Wärmestrahlenmaxima und das dazwischen liegende Wärmestrahlenminimum bestimmt wird; und dass das Anfahren des fokussierten primären Strahles (5), insbesondere Laserbearbeitungsstrahles durch die Laserbearbeitungsdüse (3) mit der inneren Umwandlungseinheit (9) von Ymin bis Ymax durchgeführt, sowie die Wärmestrahlenmaxima und das dazwischen liegende Wärmestrahlenminimum bestimmt wird, und dass zum Zent- rieren die X- bzw. Y-Koordinaten des Zentrums der Düsenöffnung (4) in die X- bzw. Y-Koordinaten des Wärmestrahlenminimums verstellt werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Laserarbeitsstrahls (5) ein leistungsschwächerer Richtstrahl in die Laserbearbeitungsstrahlenachse gelegt wird, wonach dieser relativ zur Düse (4) oder die Düse (4) relativ zu diesem Richtstrahl verstellt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der fokussierte primäre elektromagnetische Strahl, insbesondere C02-Laserarbeitsstrahl (5) mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 μηη zu einem, für InGaAs-Dioden als Wärmestrahlungssensoren (13) sichtbaren sekun- dären Wärmestrahl (10) mit Wellenlängen von etwa 1 ,0 - 2,2 μηη umgewandelt wird und/oder dass die Umwandlung an einem durch den Laserarbeitsstrahl (5) oder durch den Richtstrahl erwärmten Teil der Düse (3; 23) und/oder in einer reflexbeschichteten Glasscheibe (24) vor den Wärmestrahlungssensoren (13) erfolgt.
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