WO2021140037A1 - Method for the automated beam positioning of a laser beam in relation to a nozzle of a laser processing head, and laser processing system for processing a workpiece using a laser beam - Google Patents

Method for the automated beam positioning of a laser beam in relation to a nozzle of a laser processing head, and laser processing system for processing a workpiece using a laser beam Download PDF

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WO2021140037A1
WO2021140037A1 PCT/EP2020/087810 EP2020087810W WO2021140037A1 WO 2021140037 A1 WO2021140037 A1 WO 2021140037A1 EP 2020087810 W EP2020087810 W EP 2020087810W WO 2021140037 A1 WO2021140037 A1 WO 2021140037A1
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laser beam
nozzle
alignment
processing head
laser processing
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PCT/EP2020/087810
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Niklas WECKENMANN
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Precitec Gmbh & Co. Kg
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/042Automatically aligning the laser beam
    • B23K26/043Automatically aligning the laser beam along the beam path, i.e. alignment of laser beam axis relative to laser beam apparatus
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    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
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    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702Auxiliary equipment
    • B23K26/705Beam measuring device

Definitions

  • the present disclosure relates to a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head and a Laserbear processing system for processing a workpiece, in particular a metallic workpiece, with a laser beam that is set up for automated beam positioning.
  • a laser processing system for processing a workpiece, in particular a metallic workpiece
  • the laser beam exiting from a laser light source or one end of a laser guide fiber, also called a “processing laser beam” is focused or bundled onto the workpiece to be processed with the aid of beam guidance and locating optics , which heats the workpiece locally to the melting temperature.
  • the processing can include, for example, laser cutting, soldering or welding.
  • the laser processing system can comprise a laser processing device, for example a laser processing head, or “processing head” for short, for example a laser cutting head or a laser welding head.
  • the laser beam should be centered or centered with respect to an exit opening of the laser processing head through which the laser beam emerges from the laser processing head.
  • the outlet opening can be formed, for example, in a nozzle, in particular a cutting nozzle, which is mounted on the laser processing head.
  • the central alignment of the laser beam also called “centering of the laser beam” or “beam centering” for short, must be carried out after each change of a component of the laser processing head, for example when changing the nozzle, an optical system in the beam path of the laser beam, the laser source, or similar.
  • the beam centering must also be carried out after a collision of the laser processing head with a workpiece or another object.
  • a predetermined jet position must be set relative to the outlet opening of the nozzle, for example, in the case of an oval outlet opening, a jet position offset along the long axis to the center point of the outlet opening.
  • the beam centering is usually a lengthy and laborious manual process, which leads to a not inconsiderable process idle time.
  • a transparent adhesive strip is placed on the underside of the nozzle and a short laser pulse creates a burn-in on the adhesive strip (a so-called "tape shot"). This makes the position of the laser beam visible relative to the outlet opening of the nozzle.
  • EP 1 967 316 A1 describes a device and a method for beam centering, where a nozzle is adjusted relative to the laser beam.
  • DE 102004005 902 B3 describes a device for adjusting a laser beam in a laser processing machine, where an alignment unit equipped with an evaluation unit with a cutting nozzle Lix michselement is provided for adjusting the laser beam.
  • WO 2019/009833 A2 be writes a centering device for a laser beam of a laser cutting machine, with drive and adjustment elements being provided in the centering device.
  • a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head comprising the following steps (preferably carried out automatically): Directing an alignment laser beam coaxial to the laser beam onto an exit opening of one mounted on the laser processing head Jet; Recording an image of the outlet opening and of a nozzle mouth surrounding the outlet opening; and determining whether the alignment laser beam passes through the exit opening, for example on the basis of the recorded image; and if the alignment laser beam passes through the outlet opening: determining a position of the alignment laser beam passing through the outlet opening and a position of the outlet opening of the nozzle on the basis of the recorded image; Determining whether a deviation of the determined position of the alignment laser beam from a predetermined position of the alignment laser beam is greater than a predetermined maximum deviation; if the deviation is greater than the specified maximum deviation, adjusting the relative position between the alignment laser beam and the exit opening; and repeating the steps of taking an image, determining the positions of the alignment laser beam and the
  • the relative position can designate a position of the alignment laser beam relative to the exit opening.
  • the predefined position of the alignment laser beam is preferably predefined relative to the position of the outlet opening. If the alignment laser beam passes through the exit opening, the recorded image thus includes not only an image of the exit opening and the nozzle mouth, but also of the Ju Stier laser beam.
  • a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam
  • the laser processing system comprising: a laser source which is set up, the laser beam and an alignment laser beam to generate a laser processing head with a nozzle, wherein the nozzle comprises an exit opening for the exit of the laser beam or the alignment laser beam from the laser processing head and a nozzle mouth surrounding the exit opening, an adjustment unit for adjusting the relative position of the alignment laser beam and the exit opening, an alignment unit with an optical detection unit, the optical detection unit being set up to record an image of the outlet opening and of the nozzle mouth; a control device which is set up to use the recorded image to determine a position of the alignment laser beam and a position of the outlet opening of the nozzle, to determine a deviation of the determined position of the alignment laser beam passing through the outlet opening from a predetermined position of the alignment laser beam, and by actuation the adjustment unit to adjust the relative position between the alignment laser beam and the exit opening if the deviation is greater than a predetermined maximum deviation
  • the control device can be set up to repeat the steps of taking an image, determining the positions of the alignment laser beam and the exit opening, determining the deviation and adjusting the relative position until the deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam is smaller is than or equal to the specified maximum deviation.
  • the control device can be set up to carry out a method in accordance with one of the exemplary embodiments described herein.
  • the relative position can denote a position of the alignment laser beam relative to the exit opening.
  • the predefined position of the alignment laser beam is preferably predefined relative to the position of the outlet opening.
  • the invention makes it possible to position the laser beam fully automatically with respect to an exit opening of a nozzle mounted on the laser processing head (so-called “adjustment of the beam guidance system”). Intervention by an operator of the laser processing head or the laser processing system is therefore no longer necessary.
  • the invention provides the possibility of automatically checking the state of the nozzle or the nozzle mouth (so-called “nozzle inspection”). Accordingly, the invention enables both automated beam positioning and automated nozzle inspection in a laser processing head of a laser processing system.
  • the automated beam positioning and / or nozzle inspection can take place automatically after changing the nozzle attached to the laser processing head or after a collision of the laser processing head or the nozzle with another object, for example a workpiece to be processed.
  • the automated beam positioning can also be started manually by an operator of the laser processing system. Lemer can do all the steps of the process can be carried out automatically and / or remotely. As a result, an operator of the laser processing system no longer has to be in the immediate vicinity of the laser processing head for beam positioning or for nozzle inspection. This can increase work safety.
  • either the nozzle can be moved with respect to the optical beam path of the laser processing head on the laser processing head and / or the position of the laser beam in the optical beam path of the laser processing head can be adjusted, preferably in a plane perpendicular to the optical beam path of the laser processing head or to the optical axis of the laser processing head. Since the relative position between the alignment laser beam and the exit opening is set directly based on the determined positions of the alignment laser beam of the exit opening, the accuracy can be increased.
  • the automated beam positioning can include an automated beam centering or an automated targeted beam decentering.
  • the automated beam positioning thus includes every automated adjustment of the relative position of the adjustment laser beam and the exit opening.
  • the relative position of the alignment laser beam and the exit opening can include both the position of the alignment laser beam relative to the position of the exit opening and the position of the exit opening relative to the position of the alignment laser beam.
  • the position of the adjustment laser beam and the position of the outlet opening can correspond to a position of the center or the midpoint, in particular the center of gravity, of the adjustment laser beam and the outlet opening.
  • the positions can be determined in a plane perpendicular to the optical propagation direction of the alignment laser beam and / or an optical axis of the laser processing head, in particular a plane in the area of the exit opening.
  • the positions can in particular be specified with respect to two orthogonal directions in this plane.
  • the diameter of the alignment laser beam can be smaller than a diameter, in particular a minimum diameter, of the outlet opening.
  • the cross-sectional area of the Justierla serstrahls can be smaller than the area of the outlet opening.
  • the diameter and the cross-sectional area of the alignment laser beam and the diameter and the area of the exit opening can be specified in a plane that includes the exit opening and is arranged perpendicular to the optical beam path of the laser processing head and / or to the optical axis of the laser processing head.
  • the alignment laser beam therefore preferably does not completely illuminate the exit opening.
  • the alignment laser beam can be the laser beam that is used for laser processing by the laser processing system, or it can be different from the laser beam.
  • the adjustment laser beam can have the same or a lower power than the laser beam and / or can have the same or a different wavelength as the laser beam.
  • the alignment laser beam runs coaxially to the laser beam. Automated positioning of the laser beam can thus be carried out by using the adjustment laser beam.
  • the nozzle is mounted on the laser processing head.
  • the nozzle has a nozzle mouth and an exit opening for the exit of the laser beam and the alignment laser beam.
  • the outlet opening is surrounded by the nozzle mouth.
  • An inner contour of the nozzle mouth thus delimits the outlet opening and defines the shape of the outlet opening.
  • the nozzle mouth and the outlet opening are formed on one end of the nozzle facing the workpiece to be processed by the laser processing head.
  • the exit opening can be viewed as a flat surface.
  • An end face of the nozzle mouth can be coplanar with the outlet opening. The end face can be formed on an end of the nozzle mouth facing the workpiece to be machined by the laser machining head.
  • the plane described above in the area of the outlet opening can encompass the nozzle mouth, in particular the end face of the nozzle mouth, and / or the outlet opening itself.
  • the plane in the area of the outlet opening can be coplanar with the face of the nozzle mouth.
  • the plane in the area of the exit opening can be coplanar with the exit opening.
  • the plane in the area of the exit opening can be formed perpendicular to the optical beam path of the laser processing head and / or to the optical axis of the laser processing head.
  • the predefined position of the alignment laser beam can be predefined relative to the position of the outlet opening.
  • the predetermined position of the alignment laser beam can correspond to a center or a center point of the outlet opening or can correspond to a given offset from the center or center point of the outlet opening.
  • the determination of whether the alignment laser beam passes through the exit opening can take place with the aid of the optical detection unit.
  • the determination can in particular include the recording of an image and / or a video by the optical detection unit and a subsequent image analysis. If it is determined that the alignment laser beam passes through the exit opening, a two-dimensional image of the exit opening and the alignment laser beam passing through the exit opening as well as of the nozzle mouth can be recorded or the previously recorded image can be used to determine the relative position.
  • the image can include a two-dimensional image, photo, video, or moving image.
  • the position of the alignment laser beam and / or the position of the outlet opening can be detected in real time, e.g. while the relative position is being adjusted. This can be referred to as "tracking the alignment laser”.
  • the adjustment unit of the laser processing system can be controlled in order to adjust the relative position of the adjustment laser beam and the exit opening.
  • the image can in particular be recorded in an image plane outside the laser processing head, e.g. in a plane below the nozzle mouth or between the nozzle mouth and the optical detection unit.
  • the image is preferably recorded when the nozzle mouth is focused.
  • the image plane can in particular be arranged perpendicular to the optical axis of the laser processing head and can be parallel to the plane described above in the area of the exit opening.
  • the image plane can in particular correspond to a sensor plane or sensor surface of the optical detection unit.
  • Determining the position of the alignment laser beam and the position of the exit opening can include determining a centroid of the exit opening and determining a centroid of the alignment laser beam.
  • the centroid of the exit opening can in particular be determined as the predetermined position of the adjusting laser beam for beam centering.
  • the positions and / or the centers of gravity can be indicated in the image plane described above, e.g. in the area of the outlet opening or the nozzle mouth. The determination of the positions and the determination of the center of gravity takes place on the basis of the recorded image by means of image processing.
  • the determination of the centroid of the outlet opening can include determining an inner contour of the nozzle mouth by image analysis and / or image processing of the recorded image.
  • the determination of the centroid of the alignment laser beam can include the determination of a contour of the alignment laser beam by image analysis and / or image processing of the recorded image.
  • the image processing can include image preprocessing, image segmentation, determination of the contours and calculation include deviation of deviations. The image processing enables a direct, spatially resolved measurement of the position of the alignment laser beam with respect to the exit opening.
  • the deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam can correspond to a distance between the determined position of the alignment laser beam and the predetermined position of the alignment laser beam.
  • the deviation of the determined position of the adjustment laser beam from the specified position of the adjustment laser beam can be a first deviation of the determined position of the adjustment laser beam from the specified position of the adjustment laser beam in a first direction and a second deviation of the determined position of the adjustment laser beam from the specified position of the adjustment laser beam include in a second direction.
  • the first direction and the second direction can be perpendicular to one another and extend in the plane described above in the area of the outlet opening.
  • the first direction and / or the second direction can be defined with reference to the outlet opening and in particular run through the center point of the outlet opening.
  • the first direction and the second direction can in particular correspond to a first axis and a second axis of a Cartesian coordinate system, the origin of the Cartesian coordinate system corresponding to the center of the outlet opening.
  • the first direction and the second direction can run along the long axis and the short axis.
  • the predefined maximum deviation can comprise a first predefined maximum deviation along the first direction and a second predefined maximum deviation along the second direction. It can be determined that the deviation is greater than the specified maximum deviation if the first deviation of the determined position of the adjustment laser beam from the specified position of the adjustment laser beam in the first direction is greater than the first specified maximum deviation and / or if the second The deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam in the second direction is greater than the second predetermined maximum deviation.
  • the relative position of the alignment laser beam and the outlet opening can be adjusted. If the deviation is equal to or smaller than the specified maximum deviation, the process can be terminated. Taking a two-dimensional image, determining the positions of the alignment laser beam and the exit opening, determining the deviation and the adjustment of the relative position is preferably repeated until the deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam is less than or equal to the predetermined maximum deviation.
  • the image can be recorded by the optical detection unit.
  • the optical cal acquisition unit is arranged outside the laser processing head or separately from it.
  • the method can therefore include moving the laser processing head to the optical detection unit, so that the outlet opening and the nozzle mouth of the nozzle mounted on the laser processing head are in the field of view of the optical detection unit.
  • the laser processing head is preferably aligned with the optical detection unit in such a way that an optical axis of the optical detection unit runs essentially parallel or coaxially to an optical axis of the laser processing head.
  • the laser processing head can be moved to the optical detection unit so that the exit opening overlaps with a sensor surface of the optical detection unit in a direction perpendicular to the optical axis of the laser processing head and / or to the optical axis of the optical detection unit. It can thereby be ensured that an image recorded by the optical detection unit shows at least the exit opening completely.
  • the method can further include determining a nozzle state on the basis of at least one recorded image.
  • the method can further comprise determining, on the basis of at least one recorded image, whether a nozzle state condition is met and, if the nozzle state condition is not met, outputting an error.
  • the step of determining the nozzle state or the fulfillment of the nozzle state condition can take place simultaneously or immediately before or after the step of determining whether the alignment laser beam passes through the exit opening, and can preferably take place on the basis of the same recorded image.
  • Determining whether the nozzle state condition is met can include determining a value of a nozzle state parameter on the basis of the recorded image, and comparing the determined value with at least one predetermined value for the nozzle state parameter.
  • the value of the nozzle condition parameter can be determined by image analysis and / or image processing. A possible deformation of the nozzle or the nozzle mouth and / or the outlet opening can thereby be determined. In addition, a change in the surface properties of the nozzle or the nozzle mouth can be determined.
  • the nozzle state parameter can comprise a geometric nozzle state parameter which comprises an inner contour of the nozzle mouth, an ellipticity of the inner contour of the nozzle mouth, a diameter of the inner contour of the nozzle mouth and / or a form factor of the inner contour of the nozzle mouth.
  • the ellipticity of the inner contour of the nozzle mouth can include a ratio between a short axis of the outlet opening and a long axis of the outlet opening.
  • the ellipticity can assume a value between 0 and 1, where 1 corresponds to a circular outlet opening.
  • the form factor of the inner contour of the nozzle mouth can be based on an area of the outlet opening and / or a circumference of the inner contour of the nozzle mouth.
  • the nozzle state parameter can comprise an optical nozzle state parameter that comprises a reflectivity of the nozzle mouth.
  • the reflectivity of the nozzle mouth can also be referred to as the "reflection behavior of the nozzle mouth" and can be based on a gray value, i.e. a relative light intensity, of the nozzle mouth. If the determined gray value does not correspond to a predefined gray value, it can be concluded that the nozzle or nozzle mouth is damaged and / or soiled.
  • Determining whether a nozzle state condition is met can include determining a value of a plurality of nozzle state parameters and comparing the determined values with the respective predetermined values.
  • the method can furthermore include illuminating the nozzle or the nozzle mouth, in particular from an outside of the nozzle or the nozzle mouth.
  • the illumination can take place during the determination of whether the alignment laser beam passes through the exit opening, during the recording of the image and / or during the determination of whether a nozzle state condition is met.
  • the control device can be set up to carry out the method described above.
  • the control device can control the optical detection unit, the alignment unit, the laser source and the adjustment unit and / or can serve as a communication interface between these elements.
  • the control device can be integrated into a control unit of the laser processing head and / or parts of the functionality of the control device can be taken over by the control unit of the laser processing head.
  • the control device can be integrated into a control unit of the laser processing system, also called “CNC” or “machine control”, and / or parts of the control device can be taken over by the control unit of the laser processing system.
  • the control device can be set up for image analysis and / or for image processing.
  • the adjustment unit can be arranged or mounted in or on the laser processing head.
  • the adjustment unit can be integrated into the laser processing head and / or can be controlled remotely.
  • the adjustment unit can comprise at least one, in particular remotely controllable, movement unit arranged on or in the laser processing head.
  • the movement unit can be set up to move at least one of the following elements in a plane perpendicular to the optical axis of the laser processing system: at least one optical element arranged in the beam path of the laser processing head, at least part of a focusing optics of the laser processing head, at least part of a collimation optics of the Laser processing head, a fiber end of an optical fiber feeding the alignment laser beam and / or the laser beam to the laser processing head, a fiber socket for coupling an optical fiber guiding the alignment laser beam and / or the laser beam to the laser processing head, and the nozzle.
  • the focusing optics can comprise a focusing lens and / or a focusing lens package, in particular a focusing unit.
  • the collimation optics can also include a collimation lens and / or a collimation lens package, in particular a collimation unit.
  • Adjusting the relative position of the alignment laser beam and the exit opening can include moving at least one of these elements in the plane perpendicular to the optical axis of the laser processing system.
  • Moving can include moving the element in a first direction and / or in a second direction in this plane, the first direction being different from the second direction, and in particular orthogonal to the second direction.
  • Moving the at least one element in the first direction preferably leads to a movement of the alignment laser beam in a first direction
  • moving the at least one element in the second direction leads to a movement of the alignment laser beam in a second direction.
  • the adjustment laser beam can preferably be moved independently of one another in the first and the second direction in a plane perpendicular to the optical axis of the laser processing head in the area of the exit opening by moving the at least one element.
  • the method can further comprise the following steps: if the alignment laser beam does not pass through the exit opening, repeating the following steps until it is determined that the alignment laser beam passes through the exit opening: moving the at least one element in the plane perpendicular to the optical axis a predetermined path and determining whether the alignment laser beam passes through the exit opening.
  • steps may be necessary in particular if the nozzle or the nozzle mouth shadows the alignment laser beam so that the optical detection unit does not detect the alignment laser beam. animals or can capture. In other words, the alignment laser beam would not be visible on the image recorded by the optical detection unit. This case can occur, for example, with a small diameter of the outlet opening and / or an incorrect position or alignment of the alignment laser beam.
  • Moving the at least one element in the plane perpendicular to the optical axis along a predetermined path can also be referred to as a “reference cycle”.
  • the predetermined path can include different movement patterns and / or directions of movement of the at least one element, for example the path can be zigzag or meandering. Moving the at least one element can result in particular in a zigzag movement or a meandering movement of the alignment laser beam in the plane perpendicular to the optical axis. The zigzag movement or the meandering movement can be carried out until the optical detection unit can detect the alignment laser beam.
  • the predetermined path can also include moving the at least one element up to a first end position in a first direction and then moving the at least one element up to a second end position in a second direction. The at least one element is then moved to a central position in the first direction and in the second direction.
  • the middle position can be a theoretical and / or calculated middle position.
  • the movement unit of the adjustment unit can comprise at least one actuator which is mounted on the laser processing head and is set up to provide a rotational movement.
  • the rotational movement can be provided by an element of the actuator, in particular a shaft or axle.
  • the movement unit can in particular comprise two such actuators, which can preferably be controlled independently of one another.
  • the movement unit can furthermore comprise at least one mechanical unit.
  • the at least one mechanical unit can be set up to convert the rotational movement provided by the at least one actuator into a translational movement in order to move the element in at least one direction along the plane perpendicular to the optical axis.
  • the at least one mechanical unit can be set up to convert the rotational movement provided by a first actuator into a translational movement of the at least one optical element in the first direction and the rotational movement provided by a second actuator into a translational movement of the at least one optical element in the second Convert direction.
  • the optical element can be moved independently of one another in the first direction and in the second direction.
  • the at least one actuator can comprise an electric motor, a three-phase motor, a linear motor, an AC motor and / or a stepping motor.
  • the motors can be mounted on or in the laser processing head or integrated into it.
  • optical axis of the optical detection unit and the optical axis of the Laserbear processing head can run parallel to one another or coaxially.
  • the alignment unit can further comprise at least one of the following elements: a cover which can be remotely opened and closed; a lighting device configured to illuminate the nozzle mouth; imaging optics that are set up to image the nozzle mouth and the alignment laser beam on a sensor plane and / or an image plane of the optical detection unit, and / or at least one optical filter that is set up to pass a wavelength of the alignment laser beam and a wavelength of the illumination device allow.
  • the imaging optics can comprise a fixed focal length lens and / or a zoom lens.
  • the at least one optical filter can comprise a bandpass filter.
  • the lighting device enables optimal illumination of the nozzle mouth under different ambient conditions and light enables optimal contrast for taking the image or for determining the inner contour of the nozzle mouth.
  • the lighting device can be designed as a ring-shaped lighting device, and can in particular be designed as a lighting device that emits light in the red color spectrum.
  • the lighting device can in particular be set up to illuminate the nozzle or the nozzle mouth from the side.
  • the optical detection unit can comprise at least one of the following: a camera system, a camera, a CCD sensor, a CMOS sensor, a photodiode array.
  • the optical detection unit can in particular be set up to detect or detect objects, in particular nozzles, with a size of at least 5 mm ⁇ 5 mm, preferably in the range of 10 mm ⁇ 10 mm.
  • the laser processing system can furthermore comprise a movement unit which is set up to move the laser processing head.
  • the control device or a higher-level control unit of the laser processing system can be set up to control the movement unit in order to move the laser processing head to the alignment unit and to align it so that the optical axis of the optical detection unit is essentially coaxial with an optical axis of the laser processing head.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to an embodiment of the present inven tion;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to embodiments of the present invention
  • FIG. 3 shows a flow diagram of a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head according to embodiments of the present invention
  • FIGS. 4A and B show a flowchart of a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows a schematic and exemplary illustration of an image that was recorded by an optical detection unit of a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to embodiments of the present invention
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an inner contour of a nozzle mouth according to embodiments of the present invention
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to embodiments of the present invention.
  • the figures show a laser processing system 10 for processing a workpiece (not shown) with a laser beam (not shown).
  • the laser processing system 10 is set up to carry out the method for automated beam positioning of the laser beam according to embodiments of the present invention.
  • the laser processing system 10 is preferably set up to carry out an automated nozzle inspection.
  • the laser processing system 10 comprises a laser source 20, a laser processing head 30, an adjustment unit 40, an alignment unit 50 and a control device 60.
  • the laser source 20 is set up to supply the laser beam and an adjustment laser beam 21, also called “pilot laser” or “pilot laser beam” produce.
  • the laser beam or the alignment laser beam 21 are coupled into the laser processing head via an optical fiber 22 and a fiber socket 22a.
  • the alignment laser beam 21 runs coaxially to the laser beam.
  • the laser beam can also be adjusted by positioning the adjusting laser beam 21.
  • the laser beam can be a machining laser beam for machining a workpiece, in particular a metallic workpiece.
  • the laser beam itself can also be used as an alignment laser beam 21, for example with a lower power than for material processing.
  • the laser processing head 30 has a nozzle 31.
  • the nozzle 31, which can be a nozzle electrode, comprises a nozzle mouth 32 and an exit opening 33 for the exit of the laser beam and the alignment laser beam from the laser processing head 30.
  • the nozzle 31 can be integrally connected to the laser processing head 30, or it can be movable on the laser processing head 30 be mounted.
  • the laser processing head 30 can comprise a plurality of optical elements, optics and / or optical units, also called “packages”. These include, for example, lenses, lens packages, and mirrors.
  • the optical elements or the optical units comprise elements or units that transmit the laser beam and the alignment laser beam and / or elements or units th, which at least partially reflect the laser beam and the alignment laser beam.
  • the laser processing head 30 has collimation optics 35 and focusing optics 36.
  • the collimation optics 35 and / or the focusing optics 36 can ent long an optical axis z of the laser processing head 30, which is coaxial with a beam
  • propagation direction of the alignment laser beam 21 can be shifted in order to set a focus position of the alignment laser beam 21 or the laser beam.
  • the alignment unit 50 comprises an optical detection unit 51 which is set up to record a two-dimensional image of the outlet opening 33 and the alignment laser beam 21 passing through the outlet opening fO as well as of the nozzle mouth 32.
  • the control device 60 is set up to determine a position of the alignment laser beam 21 and a position of the outlet opening 33 of the nozzle 31 based on the recorded image, to determine a deviation of the determined position of the alignment laser beam 21 from a predetermined position of the alignment laser beam 21, and through Controlling the adjustment unit 40 to adjust the f5 position of the adjustment laser beam 31 relative to the position of the outlet opening 33 if the deviation is greater than a predetermined maximum deviation.
  • the adjustment unit 40 is set up to adjust the position of the adjustment laser beam 31 relative to the position of the outlet opening 33.
  • the adjustment unit 40 can be in or on the laser
  • machining head 30 can be arranged or mounted.
  • the adjustment unit 40 can also be integrated into the laser processing head 30.
  • the adjustment unit comprises a movement unit 4L arranged on or in the laser processing head 30.
  • the movement unit 41 is set up to be an element, in particular a
  • the move gene of the element has the consequence that the position of the alignment laser beam 21 relative to the position of the exit opening 33 or the position of the exit opening 33 relative to the position of the alignment laser 21 in a plane in the area of the exit opening that is perpendicular to the opti
  • the plane is defined perpendicular to the beam axis z by the two directions x and y.
  • the directions x and y are perpendicular to the optical axis z and are orthogonal to one another.
  • the movement unit 41 is set up to move at least part of the focusing optics 36.
  • the focusing optics 36 can comprise a focusing lens and / or a focusing lens package.
  • the movement unit 41 can be set up, at least part of a collimation optics of the laser processing head 30, a fiber end of the optical fiber 22 feeding the alignment laser beam 21 and / or the laser beam to the laser processing head 30, a fiber socket 22a for coupling the alignment laser beam 21 and / or the Laser beam leading fiber optic 22 on the laser processing head 30 and / or the nozzle 31 to move.
  • the movement unit 41 comprises at least one actuator, in particular a motor unit or a motor.
  • the at least one actuator can in particular be designed as an electric motor, e.g. three-phase, linear, step or alternating current motor.
  • the movement unit 41 comprises an actuator.
  • the movement unit 41 comprises two actuators 42a, 42b.
  • the at least one actuator is attached to the laser processing head 30.
  • the actuators 42a, 42b can be integrated in the laser processing head 30.
  • the at least one actuator is set up to provide a rotary movement, in particular via a shaft or axis.
  • the movement unit 41 comprises a first actuator 42a with a rotational movement RI and a second actuator 42b with a rotational movement R2, the rotational movements RI and R2 being independent of one another.
  • the actuators 42a, 42b can be controlled independently of one another.
  • the movement unit 41 preferably comprises two stepper motors as actuators, one stepper motor each converting the directions of movement x and y.
  • the movement unit 41 furthermore comprises at least one mechanical unit (not shown), also called “mechanics”.
  • the at least one mechanical unit is set up to convert the rotational movement provided by the at least one actuator into a translatory movement in the xy plane perpendicular to the direction of beam propagation z.
  • the mechanical unit is set up to convert the rotational movement RI provided by the first actuator 42a into a translational movement of the element along the x direction and the rotational movement R2 provided by the second actuator 42b into a translational movement along the y -To change direction.
  • the element here the focusing optics 36, can be moved independently of one another in the x-direction and in the y-direction.
  • the optical detection unit 51 which can also be referred to as an “imaging detector”, can include, for example, a camera and / or a sensor, in particular an image sensor.
  • the optical detection unit 51 preferably comprises at least one CCD sensor (CCD: “charge-coupled device”) or a CMOS sensor (CMOS: “complementary metal-oxide-semiconductor”). According to the invention, a CMOS sensor is preferably used.
  • the alignment unit 50 also includes imaging optics 52, also called “objective”.
  • the imaging optics 52 images both the alignment laser beam 21 and the nozzle mouth 32, ie a certain area of the underside of the nozzle 31, onto the optical detection unit 51, in particular on a sensor surface or sensor plane of the optical detection unit 51 at least objects with a size of 5 mm x 5 mm can be detected. Objects up to a size of 10 mm ⁇ 10 mm are preferably detected.
  • the imaging optics 52 can comprise a fixed focal length lens or a zoom lens. According to the invention, a fixed focal length lens is preferably used.
  • the alignment unit 50 can also include a lighting device 54 and / or an optical filter unit 53 with at least one optical filter and / or an optical filter package.
  • Bandpass filters are preferably used which filter the ambient light and transmit the wavelength of the alignment laser beam 21 and the wavelength range of the lighting device 54.
  • the lighting device 54 is used to optimally illuminate the nozzle mouth 32 in different ambient conditions and ensures an optimal contrast for the detection of the nozzle inner contour during image processing. Ring lighting is preferably used, which emits light in the red color spectrum. Lateral illumination of the nozzle 31 is also possible.
  • the alignment unit 50 further comprises a cover 55 which can be opened and closed automatically or remotely.
  • a housing 56 also called “housing” protects the elements of the alignment unit 50 contained therein, such as the optical acquisition unit 51, the imaging optics 52, the optical filter unit 53 and the lighting device 54, from various environmental influences, such as dirt, dust and Water.
  • the alignment unit 50 is provided as an independent station in the laser processing system, or is integrated into a nozzle changer system.
  • the control device 60 also referred to as an “evaluation unit”, is set up to control the optical detection unit 51, the alignment unit 50, the laser source 20 and / or the adjustment unit 40. According to embodiments of the invention, the control device 60 serves as a communication interface between these elements.
  • the control device 60 communicates, among other things, with a higher-level controller, for example a so-called “CNC” or a machine controller (not shown).
  • the main task of the control device 60 is to process and transmit control and information signals between the adjustment unit 40 and the optical detection unit 51 or the alignment unit 50.
  • the method for automated beam positioning of the laser beam according to embodiments of the present invention is started by the CNC and the CNC in turn receives the signal from the control device 50 about the end of the method.
  • control device 60 combines the tasks of machine control and automated beam positioning of the laser beam according to embodiments of the present invention.
  • the control device 60 communicates with the laser source 20, with the machine components (not shown), the adjustment unit 40 and the optical detection unit 51 or the alignment unit 50.
  • control device 60 takes on the task of image processing, the control of the lighting device 54, the control of the adjustment unit 40 and the opening and closing of the alignment unit 50.
  • Fig. 3 shows a flow chart of a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head according to execution forms of the present invention.
  • the method comprises the following, preferably automated, steps.
  • a coaxial to the laser beam adjustment laser beam 21 is directed to an exit opening 33 from a nozzle 31 mounted on the laser processing head 30 (S1).
  • An image of the outlet opening 33 and of a nozzle mouth 32 surrounding the outlet opening is then recorded (S2). Subsequently, it is determined on the basis of the recorded image, for example, whether the alignment laser beam passes through the exit opening 33 (S3).
  • the following further steps are carried out: Determination of a position of the alignment laser beam 21 emerging through the exit opening 33 and a position of the exit opening 33 of the nozzle 31 on the basis of the recorded image (S4), determination, Whether a deviation of the determined position of the alignment laser beam DC, DU from a predetermined position O of the alignment laser beam 21 is greater than a predetermined maximum deviation, the predetermined position of the alignment laser beam relative to the position of the exit opening being predetermined (S5). If the deviation is greater than the specified maximum deviation (Y2), the position of the adjustment laser beam 21 is adjusted relative to the exit opening 33 (S6).
  • the steps of taking an image, determining the position of the alignment laser beam and the position of the exit opening, determining the deviation and adjusting the position are carried out until it is determined that the deviation of the determined position of the alignment laser beam from the specified position of the alignment laser beam is less than or the same as the predetermined maximum deviation (N2). In this case, the process can be ended (S8).
  • FIGS. 4A and 4B show a flowchart of a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head according to an embodiment of the present invention and Machining a workpiece with a laser beam according to embodiments of the present invention was added.
  • the method is automatically, for example by the control device 60, after a change of the nozzle 31 on the laser processing head 30 or after a collision of the laser processing head 30 or the nozzle 31 with an object, for example a workpiece to be processed, started. Furthermore, the method can also be started manually by an operator via a specific interface (for example a GUI) to the control device 60.
  • a specific interface for example a GUI
  • the cover 55 of the alignment unit 50 or the nozzle changer is opened automatically.
  • the laser processing head 30 is supported by machine axes of the laser processing system 10 to the position at which the centering process is to take place.
  • the laser processing head 30 is moved onto the alignment unit 50, so that the optical axis of the laser processing head 30 and the optical axis of the alignment unit 50 run essentially coaxially.
  • the nozzle mouth 32 of the nozzle 31 mounted on the laser processing head 30 is completely in the field of view of the optical detection unit 51. This ensures that an image recorded by the optical detection unit 51 shows the nozzle mouth 32 or the outlet opening 33 completely.
  • the control device 60 activates the lighting by the lighting device 54 and sets the optimal lighting parameters (for example the brightness).
  • the control device 60 also checks, e.g. by means of an evaluation algorithm, whether a nozzle mouth 32 and an inner contour 34 of the nozzle mouth 32 (see FIG. 5) can be detected. If not, the operator is informed with an error message. If the detection is successful, the nozzle status is checked (described below). If the nozzle status does not correspond to the defined criteria, for example due to a defective, dirty or incorrect nozzle, an automatic error message is issued and / or a nozzle change can be started automatically. The process then starts again automatically.
  • a target focus position is first set and the adjustment laser beam 21 is then activated. This can correspond to step S1 in FIG. 3.
  • the control device 60 checks, for example by means of an evaluation algorithm, whether the alignment laser beam 21 can be detected by image processing, for example in step S2. The detection can take place in particular by image processing of an image or video recorded by the optical detection unit 51. This can correspond to step S3 in FIG. 3. If the alignment laser beam 21 is not detected, then the control device 60 automatically starts a so-called “reference cycle” as in step S7 in FIG. 3 (described below).
  • the control device 60 determines, for example by means of image processing, the centroid S of the alignment laser beam 21 and the centroid O of the exit opening 32 (see Fig. 5) in the recorded image and calculates the relative deviations DC and DU in the two Directions x and y of the centroid S from the centroid O. This can correspond to step S4 in FIG. 3. If it is determined that both relative deviations are less than or equal to a predefined maximum deviation (AX ⁇ target-pm and AY ⁇ target-pm), then beam positioning is not necessary. This can correspond to step S5 in FIG. The laser processing head 30 can thus be moved back to a starting position and the cover 55 or the nozzle changer system can be closed. The procedure is over. This can correspond to step S8 in FIG. 3.
  • the diameter of the alignment laser beam 21 in a plane in the area of the exit opening 33 and thus also in the sensor plane of the optical detection unit 51 is smaller than a diameter, in particular a minimum diameter, of the exit opening 33 in this plane.
  • the cross-sectional area of the alignment laser beam 21 in this plane is smaller than the area of the outlet opening 33 in this plane.
  • the alignment laser beam 21 therefore does not completely illuminate the exit opening 33 according to embodiments.
  • the plane in the area of the outlet opening 32 comprises the nozzle mouth 32, in particular an end face of the nozzle mouth 32. In other words, the plane in the area of the outlet opening 32 can be coplanar with the end face of the nozzle mouth 32 and the outlet opening 33.
  • the adjustment unit 40 is activated to move or move the element, for example an optical cal element or an optical unit of the laser processing head. This can correspond to step S6 in FIG. 3.
  • the deviations are then determined again by image processing. These steps are repeated until both relative deviations DC, DU are smaller than the predefined maximum deviation.
  • Image processing also called “image analysis”
  • image analysis comprises the points image acquisition, image preprocessing, image segmentation, determination of the contours and the calculation of the relative deviations.
  • the imaging method according to the invention comprising the recording of an image of the nozzle 31, the nozzle mouth 32 and the adjusting laser beam 21 passing through the outlet opening 33 and the subsequent image processing, enables an immediate spatially resolved measurement of the relative position of the adjusting laser beam 21 to the center or surfaces center of gravity of the outlet opening 33.
  • the two centroids S and O is calculated (see Fig. 5).
  • At least one geometric or optical parameter which is determined by the image processing, is compared with a target parameter.
  • the focus here is on a possible deformation of the nozzle 31 and on its surface properties.
  • the geometric parameters include the form factor of the inner contour 34 of the nozzle mouth 32, the ellipticity of the inner contour 34 and the inner diameter of the nozzle 31, ie the diameter of the outlet opening 33.
  • the form factor of the inner contour 34 is dependent on the determined area and the determined circumference of the Outlet opening 33.
  • the ratio of a minor axis to a major axis of the outlet opening 33 is formed.
  • the minor axis is defined as the distance from the center of gravity point O to a point P2 on the inner contour 34 of the nozzle mouth 33 (see Fig. 6).
  • the main axis is defined as the distance from the centroid O to a point PI on the inner contour 34 of the nozzle mouth 33 (see FIG. 6). If this ratio falls below a certain value, then it is determined that the nozzle inspection was not successful or the nozzle state is not satisfactory.
  • the ellipticity can assume a value range between 0 and 1, with the value 1 corresponding to a circle.
  • the setpoint value which is stored in the evaluation unit in the control device 60, is compared with the determined actual value.
  • the inner diameter of the nozzle 31 corresponds to a diameter of the outlet opening 33 and can be determined based on the inner contour 34 of the nozzle mouth 32 by means of image processing.
  • An optical parameter is, for example, the reflection behavior of the nozzle mouth 32.
  • the reflection behavior can be determined from the gray values of the pixels, ie a relative light intensity, of the image recorded by the optical detection unit 51 (FIG. 7 above). If the actual gray value curve (FIG. 7 bottom left) does not correspond to the target gray value curve (FIG. 7 bottom right) along one direction, this can indicate damage or contamination 32a of the nozzle 31 or nozzle mouth 32.
  • the geometrical and optical parameters described can be used in any constellation for nozzle inspection.
  • a reference cycle is required when the nozzle 31 shades the alignment laser beam 21 and the optical detection unit 51 cannot therefore detect the alignment laser beam 21. This can be the case, for example, with a small inside diameter of the nozzle 31 and / or an incorrect position or alignment of the alignment laser beam 21.
  • the reference cycle can include different movement patterns of the element moved by the adjustment unit 40, which lead to a specific movement pattern or movement path of the alignment laser 21 in the plane in the area of the outlet opening 33.
  • FIGS. 8 and 9 show exemplary movement patterns of the alignment laser 21 in the area of the exit opening 33.
  • the exit opening 33 and the nozzle mouth 32 are shown in FIGS. 8 and 9 from a point inside the laser processing head 30 and show a position of the alignment laser 21 at the beginning of the reference cycle, in which the alignment laser 21 hits an inner surface of the nozzle 31 and thus does not pass through the outlet opening 33.
  • the reference cycle can include a defined meandering movement of the element moved by the adjustment unit 40 (see FIG. 8). This movement is carried out until the optical detection unit 51 detects the alignment laser beam 51. The reference cycle is then ended and the beam positioning is carried out.
  • Another embodiment of the reference cycle describes a movement of the element moved by the adjusting unit 40 up to a limit switch (see FIG. 9). For this purpose, the element is first moved in a first direction, for example the x direction, up to the corresponding limit switch in this direction. If this is reached, the element is moved up to the limit switch in the second direction, for example the y-direction.
  • the method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head and the laser processing system for processing a workpiece with a laser beam make it possible to use both an automated or automated and motorized beam positioning tion, in particular a beam centering with respect to the nozzle center, as well as an automated or automated and motorized nozzle inspection.
  • the method and the laser processing system enable automated or automated beam positioning and automated or automated nozzle inspection even when the alignment laser is shaded by the nozzle mounted on the laser processing head.
  • the adjustment unit which is mounted on or in the laser processing head or is formed integrally with the laser processing head, provides an integrated solution for beam positioning and nozzle inspection.
  • the optical detection unit or the alignment unit enables a direct, spatially resolved measurement of the position of the alignment laser relative to the center of the nozzle or the outlet opening and is therefore not based on an indirect measurement method, for example with the aid of acoustic or thermal sensors or photodiodes.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a method for the automated beam positioning of a laser beam in relation to a nozzle of s laser processing head, wherein the method comprises the following automated steps: directing an adjusting laser beam, oriented coaxially to the laser beam, onto an outlet opening of the nozzle mounted on the laser processing head; and determining whether the adjusting laser beam passes through the outlet opening; and if the adjusting laser beam passes through the outlet opening, receiving a two-dimensional image of the outlet opening and the adjusting laser beam passing through the outlet opening, as well as of a nozzle mouth surrounding the outlet opening; determining a position of the adjusting laser beam and a position of the outlet opening of the nozzle based on the captured image; determining whether a deviation of the determined position of the adjusting laser beam from a predefined position of the adjusting laser beam is greater than a predefined maximum deviation; if the deviation is greater than the predefined maximum deviation, adjusting the relative position of the adjusting laser beam and the outlet opening; and repeating the steps of receiving a two-dimensional image, determining the position of the adjusting laser beam and the outlet opening, determining the deviation and adjusting the relative position, until the deviation of the determined position of the adjusting laser beam from the predefined position of the adjusting laser beam is less than or equal to the predefined maximum deviation. The invention relates to a laser processing system for processing a workpiece using a laser beam.

Description

Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes und Laserbearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl Method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head and laser processing system for processing a workpiece with a laser beam
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes und ein Laserbear beitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere eines metallischen Werk stücks, mit einem Laserstrahl, das zur automatisierten Strahlpositionierung eingerichtet ist. The present disclosure relates to a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head and a Laserbear processing system for processing a workpiece, in particular a metallic workpiece, with a laser beam that is set up for automated beam positioning.
Hintergrund background
In einem Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere eines metallischen Werkstücks, wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laser leitfaser austretende Laserstrahl, auch „Bearbeitungslaserstrahl“ genannt, mit Hilfe einer Strahlführungs- und Lokus sieroptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert oder ge bündelt, welches das Werkstück lokal auf Schmelztemperatur erhitzt. Die Bearbeitung kann beispielsweise ein Laserschneiden, -löten oder -schweißen umfassen. Das Laserbearbei tungssystem kann eine Laserbearbeitungsvorrichtung, beispielsweise einen Laserbearbei tungskopf, kurz „Bearbeitungskopf“, beispielsweise einen Laserschneidkopf oder einen La serschweißkopf, umfassen. In a laser processing system for processing a workpiece, in particular a metallic workpiece, the laser beam exiting from a laser light source or one end of a laser guide fiber, also called a “processing laser beam”, is focused or bundled onto the workpiece to be processed with the aid of beam guidance and locating optics , which heats the workpiece locally to the melting temperature. The processing can include, for example, laser cutting, soldering or welding. The laser processing system can comprise a laser processing device, for example a laser processing head, or “processing head” for short, for example a laser cutting head or a laser welding head.
Lür die Qualität, Stabilität und Richtungsunabhängigkeit eines Laserbearbeitungsprozesses ist es wichtig für die meisten Anwendungen, dass der Laserstrahl zentriert aus dem Laserbe arbeitung skopf austritt. Insbesondere soll der Laserstrahl mittig bzw. zentriert bezüglich einer Austrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfes, durch die der Laserstrahl aus dem La serbearbeitungskopf austritt, ausgerichtet sein. Die Austrittsöffnung kann beispielsweise in einer Düse, insbesondere einer Schneiddüse, die am Laserbearbeitungskopf montiert ist, ausgebildet sein. Die zentrische Ausrichtung des Laserstrahls, auch „Zentrierung des Laser strahls“ oder kurz „Strahlzentrierung“ genannt, muss nach jedem Wechsel einer Komponen te des Laserbearbeitungskopfes durchgeführt werden, beispielsweise bei einem Wechsel der Düse, einer Optik im Strahlengang des Laserstrahls, der Laserquelle, oder ähnlichem. Die Strahlzentrierung muss insbesondere auch nach einer Kollision des Laserbearbeitungskopfes mit einem Werkstück oder einem sonstigen Gegenstand durchgeführt werden. In anderen Anwendungen muss eine vorgegebene Strahlposition relativ zur Austrittsöffnung der Düse eingestellt werden, z.B. bei einer ovalen Austrittsöffnung eine entlang der langen Achse zum Mittelpunkt der Austrittsöffnung versetzte Strahlposition. Die Strahlzentrierung ist üblicherweise ein langwieriger und mühsamer manueller Prozess, was zu einer nicht unerheblichen Prozessnebenzeit führt. Hierfür wird ein transparenter Klebestreifen an die Unterseite der Düse platziert und durch einen kurzen Laserpuls ein Einbrand auf dem Klebestreifen erzeugt (ein sogenannter „Tape Shot“). Dadurch wird die Lage des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung der Düse sichtbar gemacht. Ein Bediener ist nun in der Lage, durch manuelles Verschieben einer Lokussieroptik die Position des La serstrahls senkrecht zur Strahlachse zu verändern, bis eine zentrische Ausrichtung des La serstrahls bezüglich der Austrittsöffnung der Düse festgestellt ist. Dieser Prozess kann je nach Erfahrung des Bedieners mehrere Iterationen umfassen und mehrere Minuten dauern. Weiterhin ist die Genauigkeit der Strahlzentrierung stark vom jeweiligen Bediener abhän gig, was wiederum einen direkten Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis bzw. die Bearbei tungsqualität hat. For the quality, stability and direction independence of a laser machining process, it is important for most applications that the laser beam emerges from the laser machining head in a centered manner. In particular, the laser beam should be centered or centered with respect to an exit opening of the laser processing head through which the laser beam emerges from the laser processing head. The outlet opening can be formed, for example, in a nozzle, in particular a cutting nozzle, which is mounted on the laser processing head. The central alignment of the laser beam, also called "centering of the laser beam" or "beam centering" for short, must be carried out after each change of a component of the laser processing head, for example when changing the nozzle, an optical system in the beam path of the laser beam, the laser source, or similar. In particular, the beam centering must also be carried out after a collision of the laser processing head with a workpiece or another object. In other applications, a predetermined jet position must be set relative to the outlet opening of the nozzle, for example, in the case of an oval outlet opening, a jet position offset along the long axis to the center point of the outlet opening. The beam centering is usually a lengthy and laborious manual process, which leads to a not inconsiderable process idle time. For this purpose, a transparent adhesive strip is placed on the underside of the nozzle and a short laser pulse creates a burn-in on the adhesive strip (a so-called "tape shot"). This makes the position of the laser beam visible relative to the outlet opening of the nozzle. An operator is now able to change the position of the laser beam perpendicular to the beam axis by manually moving a locating optics until a central alignment of the laser beam with respect to the outlet opening of the nozzle is established. This process can involve several iterations and take several minutes, depending on the operator's experience. Furthermore, the accuracy of the beam centering is heavily dependent on the respective operator, which in turn has a direct influence on the processing result and the processing quality.
EP 1 967 316 Al beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Strahlzentrierung, wo bei eine Düse relativ zum Laserstrahl verstellt wird. DE 102004005 902 B3 beschreibt eine Vorrichtung für die Justierung eines Laserstrahls bei einer Laserbearbeitungsmaschine, wo bei zur Justierung des Laserstrahls eine mit einer Aus werteeinheit ausgestatte Ausrichtein heit mit einem Schneiddüsen-Lixierungselement vorgesehen ist. WO 2019/009833 A2 be schreibt eine Zentriervorrichtung für einen Laserstrahl einer Laserschneidmaschine, wobei Antriebs- und Einstellelemente in der Zentriervorrichtung vorgesehen sind. EP 1 967 316 A1 describes a device and a method for beam centering, where a nozzle is adjusted relative to the laser beam. DE 102004005 902 B3 describes a device for adjusting a laser beam in a laser processing machine, where an alignment unit equipped with an evaluation unit with a cutting nozzle Lixierungselement is provided for adjusting the laser beam. WO 2019/009833 A2 be writes a centering device for a laser beam of a laser cutting machine, with drive and adjustment elements being provided in the centering device.
Ein Schwerpunkt der aktuellen Entwicklungen besteht allerdings in einer zunehmenden Di gitalisierung und Automatisierung der Maschinenkomponenten und des Gesamtsystems. One focus of current developments, however, is increasing digitization and automation of machine components and the overall system.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes und ein Laserbearbeitungssystem für die Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laser strahl anzugeben, die eine schnelle, präzise und einfache Positionierung des Laserstrahls bezüglich der Düse, insbesondere eine Strahlzentrierung, sowie eine Überprüfung des Dü senzustands ermöglichen. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, die Genauigkeit der Strahlpositionierung zu erhöhen und die für die Strahlpositionierung erfor derliche Prozessnebenzeit zu verringern, und somit einen Bearbeitungsprozess, z.B. einen Schneidprozess, Schweißprozess oder Auftragsschweißprozess, effizienter zu gestalten. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zur automatisier ten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungs kopfes und ein Laserbearbeitungssystem für die Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl anzugeben, die eine automatisierte bzw. automatische Strahlpositionierung und eine automatisierte bzw. automatische Überprüfung des Zustands der Düse ermöglichen. It is an object of the present disclosure to provide a method for the automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head and a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam, which a fast, precise and simple positioning of the laser beam with respect to the nozzle, in particular a Allow beam centering and a check of the nozzle status. It is also an object of the present disclosure to increase the accuracy of the beam positioning and to reduce the non-productive process time required for the beam positioning, and thus to make a machining process, for example a cutting process, welding process or build-up welding process, more efficient. It is a further object of the present disclosure to provide a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head and a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam, which includes automated or automatic beam positioning and automated or automatic checking the state of the nozzle.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vor teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Ansprüche. These objects are achieved by the subject matter of the independent claims. Before partial embodiments of the invention are the subject of dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur automatisierten Strahlposi tionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes angege ben, wobei das Verfahren die folgenden (vorzugsweise automatisiert durchgeführten) Schritte umfasst: Richten eines zum Laserstrahl koaxialen Justierlaserstrahls auf eine Aus trittsöffnung einer am Laserbearbeitungskopf montierten Düse; Aufnehmen eines Bildes von der Austrittsöffnung sowie von einem die Austrittsöffnung umgebenden Düsenmund; und Bestimmen, ob der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt, beispielsweise anhand des aufgenommenen Bildes; und falls der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöff nung tritt: Ermitteln einer Position des durch die Austrittsöffnung tretenden Justierlaser strahls und einer Position der Austrittsöffnung der Düse anhand des aufgenommenen Bil des; Bestimmen, ob eine Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von einer vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls größer ist als eine vorgegebene maxima le Abweichung; falls die Abweichung größer ist als die vorgegebene maximale Abwei chung, Verstellen der relativen Position zwischen dem Justierlaserstrahl und der Austritts öffnung; und Wiederholen der Schritte Aufnehmen eines Bildes, Ermitteln der Positionen des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung, Bestimmen der Abweichung und Verstellen der relativen Position, solange bis die Abweichung der ermittelten Position des Justierlaser strahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls kleiner als oder gleich ist als die vorgegebene maximale Abweichung. Hierbei kann die relative Position eine Position des Justierlaserstrahls relativ zur Austrittsöffnung bezeichnen. Die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls ist vorzugsweise relativ zur Position der Austrittsöffnung vorgegeben. Palls der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt, umfasst das aufgenommene Bild also nicht nur ein Bild von der Austrittsöffnung und dem Düsenmund, sondern auch vom J u Stierlaserstrahl . According to a first aspect of the invention, a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head is specified, the method comprising the following steps (preferably carried out automatically): Directing an alignment laser beam coaxial to the laser beam onto an exit opening of one mounted on the laser processing head Jet; Recording an image of the outlet opening and of a nozzle mouth surrounding the outlet opening; and determining whether the alignment laser beam passes through the exit opening, for example on the basis of the recorded image; and if the alignment laser beam passes through the outlet opening: determining a position of the alignment laser beam passing through the outlet opening and a position of the outlet opening of the nozzle on the basis of the recorded image; Determining whether a deviation of the determined position of the alignment laser beam from a predetermined position of the alignment laser beam is greater than a predetermined maximum deviation; if the deviation is greater than the specified maximum deviation, adjusting the relative position between the alignment laser beam and the exit opening; and repeating the steps of taking an image, determining the positions of the alignment laser beam and the exit opening, determining the deviation and adjusting the relative position until the deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam is less than or equal to the predetermined one maximum deviation. Here, the relative position can designate a position of the alignment laser beam relative to the exit opening. The predefined position of the alignment laser beam is preferably predefined relative to the position of the outlet opening. If the alignment laser beam passes through the exit opening, the recorded image thus includes not only an image of the exit opening and the nozzle mouth, but also of the Ju Stier laser beam.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Laserbearbeitungssystem zum Bearbei ten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl angegeben, wobei das Laserbearbeitungssystem umfasst: eine Laserquelle, die eingerichtet ist, den Laserstrahl und einen Justierlaserstrahl zu erzeugen, einen Laserbearbeitungskopf mit einer Düse, wobei die Düse eine Austrittsöff nung zum Austritt des Laserstrahls oder des Justierlaserstrahls aus dem Laserbearbeitungs kopf und einen die Austrittsöffnung umgebenden Düsenmund umfasst, eine Verstelleinheit zum Verstellen der relativen Position des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung, eine Ausrichteinheit mit einer optischen Erfassungseinheit, wobei die optische Erfassungseinheit eingerichtet ist, um ein Bild von der Austrittsöffnung sowie vom Düsenmund aufzunehmen; eine Steuervorrichtung, die eingerichtet ist, anhand des aufgenommenen Bildes eine Positi on des Justierlaserstrahls und eine Position der Austrittsöffnung der Düse zu ermitteln, eine Abweichung der ermittelten Position des durch die Austrittsöffnung tretenden Justierlaser strahls von einer vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls zu bestimmen, und durch Ansteuem der Verstelleinheit die relative Position zwischen dem Justierlaserstrahl und der Austrittsöffnung zu verstellen, falls die Abweichung größer ist als eine vorgegebene maxi male Abweichung. Die Steuervorrichtung kann eingerichtet sein, die Schritte Aufnehmen eines Bildes, Ermitteln der Positionen des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung, Be stimmen der Abweichung und Verstellen der relativen Position solange zu wiederholen, bis die Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Posi tion des Justierlaserstrahls kleiner als oder gleich ist als die vorgegebene maximale Abwei chung. Insbesondere kann die Steuervorrichtung eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß einem der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele durchzuführen. Hierbei kann die rela tive Position eine Position des Justierlaserstrahls relativ zur Austrittsöffnung bezeichnen. Die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls ist vorzugsweise relativ zur Position der Austrittsöffnung vorgegeben. According to a further aspect of the invention, a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam is specified, the laser processing system comprising: a laser source which is set up, the laser beam and an alignment laser beam to generate a laser processing head with a nozzle, wherein the nozzle comprises an exit opening for the exit of the laser beam or the alignment laser beam from the laser processing head and a nozzle mouth surrounding the exit opening, an adjustment unit for adjusting the relative position of the alignment laser beam and the exit opening, an alignment unit with an optical detection unit, the optical detection unit being set up to record an image of the outlet opening and of the nozzle mouth; a control device which is set up to use the recorded image to determine a position of the alignment laser beam and a position of the outlet opening of the nozzle, to determine a deviation of the determined position of the alignment laser beam passing through the outlet opening from a predetermined position of the alignment laser beam, and by actuation the adjustment unit to adjust the relative position between the alignment laser beam and the exit opening if the deviation is greater than a predetermined maximum deviation. The control device can be set up to repeat the steps of taking an image, determining the positions of the alignment laser beam and the exit opening, determining the deviation and adjusting the relative position until the deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam is smaller is than or equal to the specified maximum deviation. In particular, the control device can be set up to carry out a method in accordance with one of the exemplary embodiments described herein. Here, the relative position can denote a position of the alignment laser beam relative to the exit opening. The predefined position of the alignment laser beam is preferably predefined relative to the position of the outlet opening.
Die Erfindung ermöglicht es, bei einem Laserbearbeitungskopf eines Laserbearbeitungssys tems den Laserstrahl vollautomatisch bezüglich einer Austrittsöffnung einer am Laserbear beitungskopf montierten Düse zu positionieren (sogenannte „Justage des Strahlführungssys tems“). Somit ist der Eingriff durch einen Bediener des Laserbearbeitungskopfes bzw. des Laserbearbeitung s Systems nicht mehr erforderlich. Gleichzeitig stellt die Erfindung die Möglichkeit bereit, den Zustand der Düse bzw. des Düsenmunds automatisiert zu überprü fen (sogenannte „Düseninspektion“). Demnach ermöglicht die Erfindung sowohl eine auto matisierte Strahlpositionierung als auch eine automatisierte Düseninspektion bei einem La serbearbeitungskopf eines Laserbearbeitungssystems. Die automatisierte Strahlpositionie rung und/oder Düseninspektion kann automatisiert nach einem Wechsel der am Laserbear beitungskopf angebrachten Düse bzw. nach einer Kollision des Laserbearbeitungskopfes oder der Düse mit einem anderen Gegenstand, beispielsweise einem zu bearbeitenden Werkstück, erfolgen. Die automatisierte Strahlpositionierung kann auch manuell durch ei nen Bediener des Laserbearbeitungssystems gestartet werden. Lemer können alle Schritte des Verfahrens automatisiert und/oder ferngesteuert durchgeführt werden. Dadurch muss sich zur Strahlpositionierung bzw. zur Düseninspektion ein Bediener des Laserbearbei tungssystems nicht mehr in unmittelbarer Nähe zum Laserbearbeitungskopf befinden. Dadurch kann die Arbeitssicherheit erhöht werden. In the case of a laser processing head of a laser processing system, the invention makes it possible to position the laser beam fully automatically with respect to an exit opening of a nozzle mounted on the laser processing head (so-called "adjustment of the beam guidance system"). Intervention by an operator of the laser processing head or the laser processing system is therefore no longer necessary. At the same time, the invention provides the possibility of automatically checking the state of the nozzle or the nozzle mouth (so-called “nozzle inspection”). Accordingly, the invention enables both automated beam positioning and automated nozzle inspection in a laser processing head of a laser processing system. The automated beam positioning and / or nozzle inspection can take place automatically after changing the nozzle attached to the laser processing head or after a collision of the laser processing head or the nozzle with another object, for example a workpiece to be processed. The automated beam positioning can also be started manually by an operator of the laser processing system. Lemer can do all the steps of the process can be carried out automatically and / or remotely. As a result, an operator of the laser processing system no longer has to be in the immediate vicinity of the laser processing head for beam positioning or for nozzle inspection. This can increase work safety.
Um die Position des Justierlaserstrahls relativ zur Austrittsöffnung einzustellen, kann ent weder die Düse bezüglich des optischen Strahlengangs des Laserbearbeitungskopfs am La serbearbeitungskopf verschoben und/oder die Position des Laserstrahls im optischen Strah lengang des Laserbearbeitungskopfs verstellt werden, und zwar vorzugsweise in einer Ebe ne senkrecht zum optischen Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs bzw. zur optischen Achse des Laserbearbeitungskopfs. Da die relative Position zwischen dem Justierlaserstrahl und der Austrittsöffnung direkt basierend auf den ermittelten Positionen des Justierlaser strahls der Austrittsöffnung eingestellt wird, kann die Genauigkeit erhöht werden. In order to set the position of the alignment laser beam relative to the exit opening, either the nozzle can be moved with respect to the optical beam path of the laser processing head on the laser processing head and / or the position of the laser beam in the optical beam path of the laser processing head can be adjusted, preferably in a plane perpendicular to the optical beam path of the laser processing head or to the optical axis of the laser processing head. Since the relative position between the alignment laser beam and the exit opening is set directly based on the determined positions of the alignment laser beam of the exit opening, the accuracy can be increased.
Die automatisierte Strahlpositionierung kann eine automatisierte Strahlzentrierung oder auch eine automatisierte gezielte Strahldezentrierung umfassen. Die automatisierte Strahl- positionierung umfasst also jedes automatisierte Verstellen der relativen Position des Jus tierlaserstrahl und der Austrittsöffnung. Die relative Position des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung kann sowohl die Position des Justierlaserstrahls relativ zur Position der Austrittsöffnung als auch die Position der Austrittsöffnung relativ zur Position des Justierla serstrahls umfassen. Die Position des Justierlaserstrahls und die Position der Austrittsöff nung können einer Position des Zentrums bzw. des Mittelpunkts, insbesondere des Flächen schwerpunkts, des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung entsprechen. Die Positionen können in einer zur optischen Ausbreitungsrichtung des Justierlaserstrahls und/oder einer optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes senkrechten Ebene, insbesondere eine Ebene im Bereich der Austrittsöffnung, bestimmt werden. Die Positionen können insbesondere bezüglich zweier orthogonaler Richtungen in dieser Ebene angegeben sein. The automated beam positioning can include an automated beam centering or an automated targeted beam decentering. The automated beam positioning thus includes every automated adjustment of the relative position of the adjustment laser beam and the exit opening. The relative position of the alignment laser beam and the exit opening can include both the position of the alignment laser beam relative to the position of the exit opening and the position of the exit opening relative to the position of the alignment laser beam. The position of the adjustment laser beam and the position of the outlet opening can correspond to a position of the center or the midpoint, in particular the center of gravity, of the adjustment laser beam and the outlet opening. The positions can be determined in a plane perpendicular to the optical propagation direction of the alignment laser beam and / or an optical axis of the laser processing head, in particular a plane in the area of the exit opening. The positions can in particular be specified with respect to two orthogonal directions in this plane.
Der Durchmesser des Justierlaserstrahls kann kleiner sein als ein Durchmesser, insbesonde re ein minimaler Durchmesser, der Austrittsöffnung. Die Querschnittsfläche des Justierla serstrahls kann kleiner sein als die Fläche der Austrittsöffnung. Der Durchmesser und die Querschnittsfläche des Justierlaserstrahls und der Durchmesser und die Fläche der Aus trittsöffnung können in einer Ebene angegeben sein, die die Austrittsöffnung umfasst und senkrecht zum optischen Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs und/oder zur optischen Achse des Laserbearbeitungskopfs angeordnet ist. Der Justierlaserstrahl leuchtet die Aus trittsöffnung also vorzugsweise nicht vollständig aus. Der Justierlaserstrahl kann der Laserstrahl sein, der zur Laserbearbeitung durch das Laser bearbeitungssystem eingesetzt wird, oder kann vom Laserstrahl verschieden sein. Der Jus tierlaserstrahl kann dieselbe oder eine geringere Leistung als der Laserstrahl aufweisen und/oder kann dieselbe oder eine andere Wellenlänge wie der Laserstrahl aufweisen. Der Justierlaserstrahl verläuft koaxial zum Laserstrahl. Somit kann durch den Einsatz des Jus tierlaserstrahls eine automatisierte Positionierung des Laserstrahls durchgeführt werden. The diameter of the alignment laser beam can be smaller than a diameter, in particular a minimum diameter, of the outlet opening. The cross-sectional area of the Justierla serstrahls can be smaller than the area of the outlet opening. The diameter and the cross-sectional area of the alignment laser beam and the diameter and the area of the exit opening can be specified in a plane that includes the exit opening and is arranged perpendicular to the optical beam path of the laser processing head and / or to the optical axis of the laser processing head. The alignment laser beam therefore preferably does not completely illuminate the exit opening. The alignment laser beam can be the laser beam that is used for laser processing by the laser processing system, or it can be different from the laser beam. The adjustment laser beam can have the same or a lower power than the laser beam and / or can have the same or a different wavelength as the laser beam. The alignment laser beam runs coaxially to the laser beam. Automated positioning of the laser beam can thus be carried out by using the adjustment laser beam.
Die Düse ist am Laserbearbeitungskopf montiert. Die Düse weist einen Düsenmund und eine Austrittsöffnung zum Austritt des Laserstrahls und des Justierlaserstrahls auf. Mit an deren Worten wird die Austrittsöffnung von dem Düsenmund umgeben. Eine Innenkontur des Düsenmunds begrenzt also die Austrittsöffnung und definiert die Form der Austrittsöff nung. Der Düsenmund und die Austrittsöffnung sind an einem dem durch den Laserbearbei tungskopf zu bearbeitenden Werkstück zugewandten Ende der Düse ausgebildet. Die Aus trittsöffnung kann als eine ebene Fläche betrachtet werden. Eine Stirnfläche des Düsen munds kann mit der Austrittsöffnung koplanar sein. Die Stirnfläche kann an einem dem durch den Laserbearbeitungskopf zu bearbeitenden Werkstück zugewandten Ende des Dü senmundes ausgebildet sein. The nozzle is mounted on the laser processing head. The nozzle has a nozzle mouth and an exit opening for the exit of the laser beam and the alignment laser beam. In other words, the outlet opening is surrounded by the nozzle mouth. An inner contour of the nozzle mouth thus delimits the outlet opening and defines the shape of the outlet opening. The nozzle mouth and the outlet opening are formed on one end of the nozzle facing the workpiece to be processed by the laser processing head. The exit opening can be viewed as a flat surface. An end face of the nozzle mouth can be coplanar with the outlet opening. The end face can be formed on an end of the nozzle mouth facing the workpiece to be machined by the laser machining head.
Die zuvor beschriebene Ebene im Bereich der Austrittsöffnung kann den Düsenmund, ins besondere die Stirnfläche des Düsenmunds, und/oder die Austrittsöffnung selbst umfassen. Die Ebene im Bereich der Austrittsöffnung kann mit der Stirnfläche des Düsenmunds koplanar sein. Die Ebene im Bereich der Austrittsöffnung kann mit der Austrittsöffnung koplanar sein. Die Ebene im Bereich der Austrittsöffnung kann senkrecht zum optischen Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs und/oder zur optischen Achse des Laserbearbei tungskopfs ausgebildet sein. The plane described above in the area of the outlet opening can encompass the nozzle mouth, in particular the end face of the nozzle mouth, and / or the outlet opening itself. The plane in the area of the outlet opening can be coplanar with the face of the nozzle mouth. The plane in the area of the exit opening can be coplanar with the exit opening. The plane in the area of the exit opening can be formed perpendicular to the optical beam path of the laser processing head and / or to the optical axis of the laser processing head.
Die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls kann relativ zur Position der Austrittsöff nung vorgegeben sein. Die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls kann einem Zent rum bzw. einem Mittelpunkt der Austrittsöffnung entsprechen oder kann einem vorgegebe nen Offset vom Zentrum bzw. Mittelpunkt der Austrittsöffnung entsprechen. The predefined position of the alignment laser beam can be predefined relative to the position of the outlet opening. The predetermined position of the alignment laser beam can correspond to a center or a center point of the outlet opening or can correspond to a given offset from the center or center point of the outlet opening.
Das Bestimmen, ob der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt, kann mithilfe der optischen Erfassungseinheit erfolgen. Das Bestimmen kann insbesondere das Aufnehmen eines Bildes und/oder eines Videos durch die optische Erfassungseinheit und eine anschlie ßende Bildanalyse umfassen. Wird bestimmt, dass der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt, kann erneut ein zweidimensionales Bild von der Austrittsöffnung und dem durch die Austrittsöffnung tre tenden Justierlaserstrahl sowie von dem Düsenmund aufgenommen werden oder das zuvor aufgenommene Bild verwendet werden, um die relative Position zu bestimmen. The determination of whether the alignment laser beam passes through the exit opening can take place with the aid of the optical detection unit. The determination can in particular include the recording of an image and / or a video by the optical detection unit and a subsequent image analysis. If it is determined that the alignment laser beam passes through the exit opening, a two-dimensional image of the exit opening and the alignment laser beam passing through the exit opening as well as of the nozzle mouth can be recorded or the previously recorded image can be used to determine the relative position.
Das Bild kann ein zweidimensionales Bild, ein Foto, ein Video oder bewegte Bildes umfas sen. Bei Aufnahme von bewegten Bildern bzw. eines Videos kann die Position des Justier laserstrahls und/oder die Position der Austrittsöffnung in Echtzeit detektiert werden, z.B. während des Verstellens der relativen Position. Dies kann als „Tracking des Justierlasers“ bezeichnet werden. Basierend darauf kann die Verstelleinheit des Laserbearbeitungssystems angesteuert werden, um die relative Position des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung zu verstellen. The image can include a two-dimensional image, photo, video, or moving image. When recording moving images or a video, the position of the alignment laser beam and / or the position of the outlet opening can be detected in real time, e.g. while the relative position is being adjusted. This can be referred to as "tracking the alignment laser". Based on this, the adjustment unit of the laser processing system can be controlled in order to adjust the relative position of the adjustment laser beam and the exit opening.
Die Aufnahme des Bildes kann insbesondere in einer Bildebene außerhalb des Laserbear beitungskopfes erfolgen, z.B. in einer Ebene unterhalb des Düsenmunds bzw. zwischen dem Düsenmund und der optischen Erfassungseinheit. Vorzugsweise erfolgt die Aufnahme des Bildes bei einer Fokussierung auf den Düsenmund. Die Bildebene kann insbesondere senk recht zur optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes angeordnet sein und kann zu der zuvor beschriebenen Ebene im Bereich der Austrittsöffnung parallel sein. Die Bildebene kann insbesondere einer Sensorebene oder Sensorfläche der optischen Erfassungseinheit entsprechen. The image can in particular be recorded in an image plane outside the laser processing head, e.g. in a plane below the nozzle mouth or between the nozzle mouth and the optical detection unit. The image is preferably recorded when the nozzle mouth is focused. The image plane can in particular be arranged perpendicular to the optical axis of the laser processing head and can be parallel to the plane described above in the area of the exit opening. The image plane can in particular correspond to a sensor plane or sensor surface of the optical detection unit.
Das Ermitteln der Position des Justierlaserstrahls und der Position der Austrittsöffnung kann das Bestimmen eines Flächenschwerpunkts der Austrittsöffnung und ein Bestimmen eines Flächenschwerpunkts des Justierlaserstrahls umfassen. Der Flächenschwerpunkt der Aus trittsöffnung kann insbesondere als die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls für eine Strahlzentrierung bestimmt werden. Die Positionen und/oder die Flächenschwerpunkte kön nen in der zuvor beschriebenen Bildebene, z.B. im Bereich der Austrittsöffnung bzw. des Düsenmundes, angegeben sein. Das Ermitteln der Positionen und das Bestimmen der Flä chenschwerpunkte erfolgt anhand des aufgenommenen Bildes mittels Bildverarbeitung. Determining the position of the alignment laser beam and the position of the exit opening can include determining a centroid of the exit opening and determining a centroid of the alignment laser beam. The centroid of the exit opening can in particular be determined as the predetermined position of the adjusting laser beam for beam centering. The positions and / or the centers of gravity can be indicated in the image plane described above, e.g. in the area of the outlet opening or the nozzle mouth. The determination of the positions and the determination of the center of gravity takes place on the basis of the recorded image by means of image processing.
Das Bestimmen des Flächenschwerpunkts der Austrittsöffnung kann ein Ermitteln einer Innenkontur des Düsenmunds durch Bildanalyse und/oder Bildverarbeitung des aufgenom menen Bildes umfassen. Das Bestimmen des Flächenschwerpunkts des Justierlaserstrahls kann das Bestimmen einer Kontur des Justierlaserstrahls durch Bildanalyse und/oder Bild verarbeitung des aufgenommenen Bildes umfassen. Die Bildverarbeitung kann eine Bild- vorverarbeitung, eine Bildsegmentierung, eine Ermittlung der Konturen und eine Berech- nung von Abweichungen umfassen. Die Bildverarbeitung ermöglicht eine unmittelbare, ortsaufgelöste Messung der Position des Justierlaserstrahls bezüglich der Austrittsöffnung. The determination of the centroid of the outlet opening can include determining an inner contour of the nozzle mouth by image analysis and / or image processing of the recorded image. The determination of the centroid of the alignment laser beam can include the determination of a contour of the alignment laser beam by image analysis and / or image processing of the recorded image. The image processing can include image preprocessing, image segmentation, determination of the contours and calculation include deviation of deviations. The image processing enables a direct, spatially resolved measurement of the position of the alignment laser beam with respect to the exit opening.
Die Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Posi tion des Justierlaserstrahls kann einem Abstand der ermittelten Position des Justierlaser strahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls entsprechen. The deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam can correspond to a distance between the determined position of the alignment laser beam and the predetermined position of the alignment laser beam.
Die Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Posi tion des Justierlaserstrahls kann eine erste Abweichung der ermittelten Position des Justier laserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls in einer ersten Richtung und eine zweite Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorge gebenen Position des Justierlaserstrahls in einer zweiten Richtung umfassen. Die erste Rich tung und die zweite Richtung können senkrecht zueinander sein und in der zuvor beschrie benen Ebene im Bereich der Austrittsöffnung verlaufen. Die erste Richtung und/oder die zweite Richtung können mit Bezug auf die Austrittsöffnung definiert sein und insbesondere durch den Mittelpunkt der Austrittsöffnung verlaufen. Die erste Richtung und die zweite Richtung können insbesondere einer ersten Achse und einer zweiten Achse eines kartesi schen Koordinatensystems entsprechen, wobei der Ursprung des kartesischen Koordinaten systems dem Mittelpunkt der Austrittsöffnung entspricht. Bei einer ovalen Austrittsöffnung können die erste Richtung und die zweite Richtung entlang der langen Achse und der kur zen Achse verlaufen. The deviation of the determined position of the adjustment laser beam from the specified position of the adjustment laser beam can be a first deviation of the determined position of the adjustment laser beam from the specified position of the adjustment laser beam in a first direction and a second deviation of the determined position of the adjustment laser beam from the specified position of the adjustment laser beam include in a second direction. The first direction and the second direction can be perpendicular to one another and extend in the plane described above in the area of the outlet opening. The first direction and / or the second direction can be defined with reference to the outlet opening and in particular run through the center point of the outlet opening. The first direction and the second direction can in particular correspond to a first axis and a second axis of a Cartesian coordinate system, the origin of the Cartesian coordinate system corresponding to the center of the outlet opening. In the case of an oval outlet opening, the first direction and the second direction can run along the long axis and the short axis.
Die vorgegebene maximale Abweichung kann eine erste vorgegebene maximale Abwei chung entlang der ersten Richtung und eine zweite vorgegebene maximale Abweichung entlang der zweiten Richtung umfassen. Es kann bestimmt werden, dass die Abweichung größer ist als die vorgegebene maximale Abweichung, falls die erste Abweichung der ermit telten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls in der ersten Richtung größer ist als die erste vorgegebene maximale Abweichung und/oder falls die zweite Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorge gebenen Position des Justierlaserstrahls in der zweiten Richtung größer ist als die zweite vorgegebene maximale Abweichung. The predefined maximum deviation can comprise a first predefined maximum deviation along the first direction and a second predefined maximum deviation along the second direction. It can be determined that the deviation is greater than the specified maximum deviation if the first deviation of the determined position of the adjustment laser beam from the specified position of the adjustment laser beam in the first direction is greater than the first specified maximum deviation and / or if the second The deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam in the second direction is greater than the second predetermined maximum deviation.
Falls die Abweichung größer ist als die vorgegebene maximale Abweichung, kann die rela tive Position des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung verstellt werden. Falls die Ab weichung gleich oder kleiner als die vorgegebene maximale Abweichung ist, kann das Ver fahren beendet werden. Das Aufnehmen eines zweidimensionalen Bildes, das Ermitteln der Positionen des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung, das Bestimmen der Abweichung und das Verstellen der relativen Position werden vorzugsweise solange wiederholt, bis die Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls kleiner als oder gleich ist als die vorgegebene maximale Abweichung. If the deviation is greater than the specified maximum deviation, the relative position of the alignment laser beam and the outlet opening can be adjusted. If the deviation is equal to or smaller than the specified maximum deviation, the process can be terminated. Taking a two-dimensional image, determining the positions of the alignment laser beam and the exit opening, determining the deviation and the adjustment of the relative position is preferably repeated until the deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam is less than or equal to the predetermined maximum deviation.
Das Aufnehmen des Bildes kann durch die optische Erfassungseinheit erfolgen. Die opti sche Erfassungseinheit ist außerhalb des Laserbearbeitungskopfes bzw. getrennt davon an geordnet. Das Verfahren kann daher das Bewegen des Laserbearbeitungskopfes zur opti schen Erfassungseinheit umfassen, sodass die Austrittsöffnung und der Düsenmund der am Laserbearbeitungskopf montierten Düse im Gesichtsfeld der optischen Erfassungseinheit liegt. Vorzugsweise wird der Laserbearbeitungskopf zur optischen Erfassungseinheit so ausgerichtet, sodass eine optische Achse der optischen Erfassungseinheit im Wesentlichen parallel oder koaxial zu einer optischen Achse des Laserbearbeitungskopfs verläuft. Mit anderen Worten kann der Laserbearbeitungskopf zur optischen Erfassungseinheit bewegt werden, sodass die Austrittsöffnung mit einer Sensorfläche der optischen Erfassungseinheit in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes und/oder zur optischen Achse der optischen Erfassungseinheit überlappt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein von der optischen Erfassungseinheit aufgenommenes Bild zumindest die Austrittsöffnung vollständig zeigt. The image can be recorded by the optical detection unit. The optical cal acquisition unit is arranged outside the laser processing head or separately from it. The method can therefore include moving the laser processing head to the optical detection unit, so that the outlet opening and the nozzle mouth of the nozzle mounted on the laser processing head are in the field of view of the optical detection unit. The laser processing head is preferably aligned with the optical detection unit in such a way that an optical axis of the optical detection unit runs essentially parallel or coaxially to an optical axis of the laser processing head. In other words, the laser processing head can be moved to the optical detection unit so that the exit opening overlaps with a sensor surface of the optical detection unit in a direction perpendicular to the optical axis of the laser processing head and / or to the optical axis of the optical detection unit. It can thereby be ensured that an image recorded by the optical detection unit shows at least the exit opening completely.
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen eines Düsenzustands anhand zumindest eines aufgenommenen Bildes umfassen. Das Verfahren kann ferner das Bestimmen anhand zu mindest eines aufgenommenen Bildes umfassen, ob eine Düsenzustandsbedingung erfüllt ist, und, falls die Düsenzustandsbedingung nicht erfüllt ist, das Ausgeben eines Fehlers. Der Schritt des Bestimmens des Düsenzustands bzw. der Erfüllung der Düsenzustandsbedingung kann gleichzeitig oder unmittelbar vor bzw. nach dem Schritt des Bestimmens erfolgen, ob der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt, und kann vorzugsweise anhand dessel ben aufgenommenen Bildes erfolgen. The method can further include determining a nozzle state on the basis of at least one recorded image. The method can further comprise determining, on the basis of at least one recorded image, whether a nozzle state condition is met and, if the nozzle state condition is not met, outputting an error. The step of determining the nozzle state or the fulfillment of the nozzle state condition can take place simultaneously or immediately before or after the step of determining whether the alignment laser beam passes through the exit opening, and can preferably take place on the basis of the same recorded image.
Das Bestimmen, ob die Düsenzustandsbedingung erfüllt ist, kann das Bestimmen eines Werts eines Düsenzustandsparameters anhand des aufgenommenen Bildes, und das Verglei chen des bestimmten Werts mit zumindest einem vorgegeben Wert für den Düsenzu standsparameter umfassen. Der Wert des Düsenzustandsparameters kann durch Bildanalyse und/oder Bildverarbeitung bestimmt werden. Dadurch kann eine mögliche Verformung der Düse bzw. des Düsenmunds und/oder der Austrittsöffnung festgestellt werden. Außerdem kann eine Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit der Düse bzw. des Düsenmunds festgestellt werden. Der Düsenzustandsparameter kann einen geometrischen Düsenzustandsparameter, der eine Innenkontur des Düsenmunds, eine Elliptizität der Innenkontur des Düsenmunds, einen Durchmesser der Innenkontur des Düsenmunds und/oder einen Formfaktor der Innenkontur des Düsenmunds umfasst, umfassen. Die Elliptizität der Innenkontur des Düsenmunds kann auf einem Verhältnis zwischen einer kurzen Achse der Austrittsöffnung und einer langen Achse der Austrittsöffnung umfassen. Die Elliptizität kann einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen, wobei 1 einer kreisförmigen Austrittsöffnung entspricht. Der Formfaktor der Innenkontur des Düsenmunds kann auf einer Fläche der Austrittsöffnung und/oder eines Umfangs der Innenkontur des Düsenmunds basieren. Determining whether the nozzle state condition is met can include determining a value of a nozzle state parameter on the basis of the recorded image, and comparing the determined value with at least one predetermined value for the nozzle state parameter. The value of the nozzle condition parameter can be determined by image analysis and / or image processing. A possible deformation of the nozzle or the nozzle mouth and / or the outlet opening can thereby be determined. In addition, a change in the surface properties of the nozzle or the nozzle mouth can be determined. The nozzle state parameter can comprise a geometric nozzle state parameter which comprises an inner contour of the nozzle mouth, an ellipticity of the inner contour of the nozzle mouth, a diameter of the inner contour of the nozzle mouth and / or a form factor of the inner contour of the nozzle mouth. The ellipticity of the inner contour of the nozzle mouth can include a ratio between a short axis of the outlet opening and a long axis of the outlet opening. The ellipticity can assume a value between 0 and 1, where 1 corresponds to a circular outlet opening. The form factor of the inner contour of the nozzle mouth can be based on an area of the outlet opening and / or a circumference of the inner contour of the nozzle mouth.
Der Düsenzustandsparameter kann einen optischen Düsenzustandsparameter umfassen, der eine Reflektivität des Düsenmunds umfasst. Die Reflektivität des Düsenmunds kann auch als „Reflexionsverhalten des Düsenmunds“ bezeichnet werden und kann auf einem Grau wert, d.h. einer relativen Lichtintensität, des Düsenmunds basieren. Falls der ermittelte Grauwert nicht einem vorgegebenen Grauwert entspricht, kann auf eine Beschädigung und/der Verschmutzung der Düse bzw. des Düsenmunds geschlossen werden. The nozzle state parameter can comprise an optical nozzle state parameter that comprises a reflectivity of the nozzle mouth. The reflectivity of the nozzle mouth can also be referred to as the "reflection behavior of the nozzle mouth" and can be based on a gray value, i.e. a relative light intensity, of the nozzle mouth. If the determined gray value does not correspond to a predefined gray value, it can be concluded that the nozzle or nozzle mouth is damaged and / or soiled.
Das Bestimmen, ob eine Düsenzustandsbedingung erfüllt ist, kann das Bestimmen eines Werts von mehreren Düsenzustandsparametern und das Vergleichen der bestimmten Werte mit den jeweiligen vorgegebenen Werten umfassen. Determining whether a nozzle state condition is met can include determining a value of a plurality of nozzle state parameters and comparing the determined values with the respective predetermined values.
Das Verfahren kann ferner das Beleuchten der Düse bzw. des Düsenmunds, insbesondere von einer Außenseite der Düse bzw. des Düsenmunds, umfassen. Das Beleuchten kann während dem Bestimmen, ob der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt, während dem Aufnehmen des Bildes und/oder während des Bestimmens, ob eine Düsenzustandsbe dingung erfüllt ist, erfolgen. The method can furthermore include illuminating the nozzle or the nozzle mouth, in particular from an outside of the nozzle or the nozzle mouth. The illumination can take place during the determination of whether the alignment laser beam passes through the exit opening, during the recording of the image and / or during the determination of whether a nozzle state condition is met.
Die Steuervorrichtung kann eingerichtet sein, das zuvor beschriebene Verfahren durchzu führen. Die Steuervorrichtung kann die optische Erfassungseinheit, die Ausrichteinheit, die Laserquelle und die Verstelleinheit ansteuem und/oder kann als Kommunikations Schnittstel le zwischen diesen Elementen dienen. Die Steuervorrichtung kann in eine Steuereinheit des Laserbearbeitungskopfes integriert sein und/oder Teile der Funktionalität der Steuervorrich tung können von der Steuereinheit des Laserbearbeitungskopfes übernommen werden. Die Steuervorrichtung kann in eine Steuereinheit des Laserbearbeitungssystems, auch „CNC“ oder „Maschinensteuerung“ genannt, integriert sein und/oder Teile der Steuervorrichtung können von der Steuereinheit des Laserbearbeitungssystems übernommen werden. Die Steuervorrichtung kann zur Bildanalyse und/oder zur Bildverarbeitung eingerichtet sein. Die Verstelleinheit kann im oder am Laserbearbeitungskopf angeordnet oder montiert sein. Die Verstelleinheit kann in den Laserbearbeitungskopf integriert sein und/oder kann fernge steuert werden. Die Verstelleinheit kann zumindest eine am oder im Laserbearbeitungskopf angeordnete, insbesondere femsteuerbare, Bewegungseinheit umfassen. Die Bewegungs einheit kann eingerichtet sein, um zumindest eines der folgenden Elemente in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserbearbeitungssystems zu bewegen: zumindest ein im Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs angeordnetes optisches Element, zumindest ein Teil einer Fokussieroptik des Laserbearbeitungskopfs, zumindest ein Teil einer Kollima tionsoptik des Laserbearbeitungskopfs, ein Faserende einer den Justierlaserstrahl und/oder den Laserstrahl dem Laserbearbeitungskopf zuführenden Lichtleitfaser, eine Faserbuchse zum Koppeln einer den Justierlaserstrahl und/oder den Laserstrahl führenden Lichtleitfaser am Laserbearbeitungskopf, und die Düse. Die Fokussieroptik kann eine Fokussierlinse und/oder ein Fokussierlinsenpaket, insbesondere eine Fokussiereinheit, umfassen. Ebenso kann die Kollimationsoptik eine Kollimationslinse und/oder ein Kollimationslinsenpaket, insbesondere eine Kollimationseinheit, umfassen. The control device can be set up to carry out the method described above. The control device can control the optical detection unit, the alignment unit, the laser source and the adjustment unit and / or can serve as a communication interface between these elements. The control device can be integrated into a control unit of the laser processing head and / or parts of the functionality of the control device can be taken over by the control unit of the laser processing head. The control device can be integrated into a control unit of the laser processing system, also called “CNC” or “machine control”, and / or parts of the control device can be taken over by the control unit of the laser processing system. The control device can be set up for image analysis and / or for image processing. The adjustment unit can be arranged or mounted in or on the laser processing head. The adjustment unit can be integrated into the laser processing head and / or can be controlled remotely. The adjustment unit can comprise at least one, in particular remotely controllable, movement unit arranged on or in the laser processing head. The movement unit can be set up to move at least one of the following elements in a plane perpendicular to the optical axis of the laser processing system: at least one optical element arranged in the beam path of the laser processing head, at least part of a focusing optics of the laser processing head, at least part of a collimation optics of the Laser processing head, a fiber end of an optical fiber feeding the alignment laser beam and / or the laser beam to the laser processing head, a fiber socket for coupling an optical fiber guiding the alignment laser beam and / or the laser beam to the laser processing head, and the nozzle. The focusing optics can comprise a focusing lens and / or a focusing lens package, in particular a focusing unit. The collimation optics can also include a collimation lens and / or a collimation lens package, in particular a collimation unit.
Das Verstellen der relativen Position des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung kann das Bewegen zumindest eines dieser Elemente in der Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserbearbeitungssystems umfassen. Das Bewegen kann das Bewegen des Elements in einer ersten Richtung und/oder in einer zweiten Richtung in dieser Ebene umfassen, wobei die erste Richtung von der zweiten Richtung verschieden, und insbesondere orthogonal zur zweiten Richtung, ist. Vorzugsweise führt das Bewegen des zumindest einen Elements in der ersten Richtung zu einer Bewegung des Justierlaserstrahls in einer ersten Richtung, und das Bewegen des zumindest einen Elements in der zweiten Richtung führt zu einer Bewe gung des Justierlaserstrahls in einer zweiten Richtung. Mit anderen Worten kann der Justier laserstrahl vorzugsweise unabhängig voneinander in der ersten und der zweiten Richtung in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserbearbeitungskopfs im Bereich der Aus trittsöffnung durch eine Bewegung des zumindest einen Elements bewegt werden. Adjusting the relative position of the alignment laser beam and the exit opening can include moving at least one of these elements in the plane perpendicular to the optical axis of the laser processing system. Moving can include moving the element in a first direction and / or in a second direction in this plane, the first direction being different from the second direction, and in particular orthogonal to the second direction. Moving the at least one element in the first direction preferably leads to a movement of the alignment laser beam in a first direction, and moving the at least one element in the second direction leads to a movement of the alignment laser beam in a second direction. In other words, the adjustment laser beam can preferably be moved independently of one another in the first and the second direction in a plane perpendicular to the optical axis of the laser processing head in the area of the exit opening by moving the at least one element.
Das Verfahren kann ferner die folgenden Schritte umfassen: falls der Justierlaserstrahl nicht durch die Austrittsöffnung tritt, Wiederholen der folgenden Schritte so lange, bis bestimmt wird, dass der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt: Bewegen des zumindest einen Elements in der Ebene senkrecht zur optischen Achse entlang eines vorgegebenen Pfades und Bestimmen, ob der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt. Diese Schritte können insbesondere nötig sein, wenn die Düse bzw. der Düsenmund den Justierla serstrahl abschattet, sodass die optische Erfassungseinheit den Justierlaserstrahl nicht detek- tieren bzw. erfassen kann. Mit anderen Worten wäre der Justierlaserstrahl nicht auf dem durch die optische Erfassungseinheit aufgenommenen Bild sichtbar. Dieser Fall kann bei spielsweise bei einem kleinen Durchmesser der Austrittsöffnung und/oder einer falschen Position oder Ausrichtung des Justierlaserstrahls eintreten. Das Bewegen des zumindest einen Elements in der Ebene senkrecht zur optischen Achse entlang eines vorgegebenen Pfades kann auch als „Referenzzyklus“ bezeichnet werden. Der vorgegebene Pfad kann unterschiedliche Bewegungsmuster und/oder Bewegungsrichtungen des zumindest einen Elements umfassen, beispielsweise kann der Pfad zickzack förmig oder mäanderförmig sein. Das Bewegen des zumindest einen Elements kann insbesondere in einer Zickzack- Bewegung oder einer Mäanderbewegung des Justierlaserstrahls in der zur optischen Achse senkrechten Ebene resultieren. Die Zickzack-Bewegung bzw. die Mäanderbewegung kann so lange durchgeführt werden, bis die optische Erfassungseinheit den Justierlaserstrahl de- tektieren kann. Der vorgegebene Pfad kann auch das Bewegen des zumindest einen Ele ments bis zu einer ersten Endposition in einer ersten Richtung und anschließend das Bewe gen des zumindest einen Elements bis zu einer zweiten Endposition in einer zweiten Rich tung umfassen. Das zumindest eine Element wird anschließend in eine Mittelposition in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung bewegt. Bei der Mittelposition kann es sich um eine theoretische und/oder berechnete Mittelposition handeln. The method can further comprise the following steps: if the alignment laser beam does not pass through the exit opening, repeating the following steps until it is determined that the alignment laser beam passes through the exit opening: moving the at least one element in the plane perpendicular to the optical axis a predetermined path and determining whether the alignment laser beam passes through the exit opening. These steps may be necessary in particular if the nozzle or the nozzle mouth shadows the alignment laser beam so that the optical detection unit does not detect the alignment laser beam. animals or can capture. In other words, the alignment laser beam would not be visible on the image recorded by the optical detection unit. This case can occur, for example, with a small diameter of the outlet opening and / or an incorrect position or alignment of the alignment laser beam. Moving the at least one element in the plane perpendicular to the optical axis along a predetermined path can also be referred to as a “reference cycle”. The predetermined path can include different movement patterns and / or directions of movement of the at least one element, for example the path can be zigzag or meandering. Moving the at least one element can result in particular in a zigzag movement or a meandering movement of the alignment laser beam in the plane perpendicular to the optical axis. The zigzag movement or the meandering movement can be carried out until the optical detection unit can detect the alignment laser beam. The predetermined path can also include moving the at least one element up to a first end position in a first direction and then moving the at least one element up to a second end position in a second direction. The at least one element is then moved to a central position in the first direction and in the second direction. The middle position can be a theoretical and / or calculated middle position.
Die Bewegungseinheit der Verstelleinheit kann zumindest einen Aktuator umfassen, der am Laserbearbeitungskopf montiert ist, und eingerichtet ist, um eine Rotationsbewegung bereit zustellen. Die Rotationsbewegung kann durch ein Element des Aktuators, insbesondere eine Welle oder Achse, bereitgestellt werden. Die Bewegungseinheit kann insbesondere zwei derartige Aktoren umfassen, die vorzugsweise unabhängig voneinander ansteuerbar sein können. Die Bewegungseinheit kann ferner zumindest eine mechanische Einheit umfassen. Die zumindest eine mechanische Einheit kann eingerichtet sein, die von dem zumindest einen Aktuator bereitgestellte Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung umzu wandeln, um das Element in zumindest einer Richtung entlang der zur optischen Achse senkrechten Ebene zu bewegen. Insbesondere kann die zumindest eine mechanische Einheit eingerichtet sein, die von einem ersten Aktuator bereitgestellte Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung des zumindest einen optischen Element in die erste Richtung und die von einem zweiten Aktuator bereitgestellte Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung des zumindest einen optischen Element in die zweite Richtung umzuwandeln. Dadurch kann das optische Element unabhängig voneinander in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung bewegt werden. Der zumindest eine Aktuator kann einen Elektromotor, einen Drehstrommotor, einen Line armotor, einen Wechselstrommotor und/oder einen Schrittmotor umfassen. Die Motoren können am oder im Laserbearbeitungskopf montiert sein oder in diesen integriert sein. The movement unit of the adjustment unit can comprise at least one actuator which is mounted on the laser processing head and is set up to provide a rotational movement. The rotational movement can be provided by an element of the actuator, in particular a shaft or axle. The movement unit can in particular comprise two such actuators, which can preferably be controlled independently of one another. The movement unit can furthermore comprise at least one mechanical unit. The at least one mechanical unit can be set up to convert the rotational movement provided by the at least one actuator into a translational movement in order to move the element in at least one direction along the plane perpendicular to the optical axis. In particular, the at least one mechanical unit can be set up to convert the rotational movement provided by a first actuator into a translational movement of the at least one optical element in the first direction and the rotational movement provided by a second actuator into a translational movement of the at least one optical element in the second Convert direction. As a result, the optical element can be moved independently of one another in the first direction and in the second direction. The at least one actuator can comprise an electric motor, a three-phase motor, a linear motor, an AC motor and / or a stepping motor. The motors can be mounted on or in the laser processing head or integrated into it.
Die optische Achse der optischen Erfassungseinheit und die optische Achse des Laserbear beitungskopfes können parallel zueinander oder koaxial verlaufen. The optical axis of the optical detection unit and the optical axis of the Laserbear processing head can run parallel to one another or coaxially.
Die Ausrichteinheit kann ferner zumindest eines der folgenden Elemente umfassen: eine Abdeckung, die femsteuerbar zu öffnen und zu schließen ist; eine Beleuchtungseinrichtung, die eingerichtet ist, um den Düsenmund zu beleuchten; eine Abbildungsoptik, die eingerich tet ist, um den Düsenmund und den Justierlaserstrahl auf eine Sensorebene und/oder eine Bildebene der optischen Erfassungseinheit abzubilden, und/oder zumindest einen optischen Filter, der eingerichtet ist, um eine Wellenlänge des Justierlaserstrahls und eine Wellenlänge der Beleuchtungseinrichtung passieren zu lassen. Die Abbildungsoptik kann ein Festbrenn weitenobjektiv und/oder ein Zoomobjektiv umfassen. Der zumindest eine optische Filter kann einen Bandpassfilter umfassen. Die Beleuchtungseinrichtung ermöglicht eine optimale Ausleuchtung des Düsenmundes bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und ermög licht einen optimalen Kontrast für die Aufnahme des Bildes bzw. zum Ermitteln der Innen kontur des Düsenmundes. Die Beleuchtungseinrichtung kann als eine ringförmige Beleuch tungseinrichtung ausgebildet sein, und kann insbesondere als eine Beleuchtungseinrichtung ausgebildet sein, die im roten Farbspektrum Licht emittiert. Die Beleuchtungseinrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, die Düse bzw. den Düsenmund seitlich zu beleuchten. The alignment unit can further comprise at least one of the following elements: a cover which can be remotely opened and closed; a lighting device configured to illuminate the nozzle mouth; imaging optics that are set up to image the nozzle mouth and the alignment laser beam on a sensor plane and / or an image plane of the optical detection unit, and / or at least one optical filter that is set up to pass a wavelength of the alignment laser beam and a wavelength of the illumination device allow. The imaging optics can comprise a fixed focal length lens and / or a zoom lens. The at least one optical filter can comprise a bandpass filter. The lighting device enables optimal illumination of the nozzle mouth under different ambient conditions and light enables optimal contrast for taking the image or for determining the inner contour of the nozzle mouth. The lighting device can be designed as a ring-shaped lighting device, and can in particular be designed as a lighting device that emits light in the red color spectrum. The lighting device can in particular be set up to illuminate the nozzle or the nozzle mouth from the side.
Die optische Erfassungseinheit kann zumindest eines der folgenden umfassen: ein Kame rasystem, eine Kamera, einen CCD-Sensor, einen CMOS-Sensor, ein Photodioden-Array. Die optische Erfassungseinheit kann insbesondere eingerichtet sein, Objekte, insbesondere Düsen, mit einer Größe von mindestens 5mm x 5mm, vorzugsweise im Bereich von 10mm x 10mm, zu erfassen bzw. zu detektieren. The optical detection unit can comprise at least one of the following: a camera system, a camera, a CCD sensor, a CMOS sensor, a photodiode array. The optical detection unit can in particular be set up to detect or detect objects, in particular nozzles, with a size of at least 5 mm × 5 mm, preferably in the range of 10 mm × 10 mm.
Das Laserbearbeitungssystem kann ferner eine Bewegungseinheit umfassen, die eingerichtet ist, um den Laserbearbeitungskopf zu bewegen. Die Steuervorrichtung oder eine übergeord nete Steuereinheit des Laserbearbeitungssystems kann eingerichtet sein, um die Bewe gungseinheit zu steuern, um den Laserbearbeitungskopf zur Ausrichteinheit zu bewegen und so auszurichten, dass die optische Achse der optischen Erfassungseinheit im Wesentlichen koaxial mit einer optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes verläuft. The laser processing system can furthermore comprise a movement unit which is set up to move the laser processing head. The control device or a higher-level control unit of the laser processing system can be set up to control the movement unit in order to move the laser processing head to the alignment unit and to align it so that the optical axis of the optical detection unit is essentially coaxial with an optical axis of the laser processing head.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Ausführungsformen der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Fol genden näher beschrieben. Es zeigen: Brief description of the drawings Embodiments of the disclosure are shown in the figures and are described in more detail below. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung; Fig. 1 is a schematic representation of a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to an embodiment of the present inven tion;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; 2 shows a schematic representation of a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to embodiments of the present invention;
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes gemäß Ausführungs formen der vorliegenden Erfindung; 3 shows a flow diagram of a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head according to embodiments of the present invention;
Fig. 4A und B ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einer Aus führungsform der vorliegenden Erfindung; 4A and B show a flowchart of a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head according to an embodiment of the present invention;
Fig. 5 eine schematische und beispielhafte Darstellung eines Bildes, das von einer optischen Erfassungseinheit eines Laserbearbeitungssystems zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgenommenen wurde; 5 shows a schematic and exemplary illustration of an image that was recorded by an optical detection unit of a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to embodiments of the present invention;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Innenkontur eines Düsenmundes gemäß Ausfüh rung sformen der vorliegenden Erfindung; 6 shows a schematic representation of an inner contour of a nozzle mouth according to embodiments of the present invention;
Fig. 7 im oberen Teil eine schematische Darstellung einer Düse eines Laserbearbeitungs kopfes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und im unteren Teil ei nen beispielhaften Grauwertverlauf der Düse; 7 in the upper part a schematic representation of a nozzle of a laser processing head according to an embodiment of the present invention and in the lower part an exemplary gray value curve of the nozzle;
Fig. 8 und 9 schematische Darstellungen von Bewegungen eines Laserstrahls entlang eines vorgegebenen Pfades gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. 8 and 9 schematic representations of movements of a laser beam along a predetermined path according to embodiments of the present invention.
Ausführungsformen der Offenbarung Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleich und gleichwirkende Elemen te dieselben Bezugszeichen verwendet. Embodiments of the disclosure Unless otherwise noted, the same reference numerals are used below for elements that are identical and have the same effect.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl gemäß Ausführungsformen der vorlie genden Erfindung. 1 shows a schematic illustration of a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to an embodiment of the present invention. Fig. 2 shows a schematic representation of a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to embodiments of the present invention.
Die Figuren zeigen ein Laserbearbeitungssystem 10 zum Bearbeiten eines Werkstücks (nicht gezeigt) mit einem Laserstrahl (nicht gezeigt). Das Laserbearbeitungssystem 10 ist eingerichtet, das Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung des Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Außerdem ist das Laserbe arbeitungssystem 10 vorzugsweise eingerichtet, eine automatisierte Düseninspektion durch zuführen. The figures show a laser processing system 10 for processing a workpiece (not shown) with a laser beam (not shown). The laser processing system 10 is set up to carry out the method for automated beam positioning of the laser beam according to embodiments of the present invention. In addition, the laser processing system 10 is preferably set up to carry out an automated nozzle inspection.
Das Laserbearbeitungssystem 10 umfasst eine Laserquelle 20, einen Laserbearbeitungskopf 30, eine Verstelleinheit 40, eine Ausrichteinheit 50 und eine Steuervorrichtung 60. Die La serquelle 20 ist eingerichtet, den Laserstrahl und einen Justierlaserstrahl 21, auch „Pilotla ser“ oder „Pilotlaserstrahl“ genannt, zu erzeugen. Der Laserstrahl bzw. der Justierlaserstrahl 21 werden über eine Lichtleitfaser 22 und eine Faserbuchse 22a in den Laserbearbeitungs kopf eingekoppelt. Der Justierlaserstrahl 21 verläuft zum Laserstrahl koaxial. Dadurch kann durch die Positionierung des Justierlaserstrahls 21 auch der Laserstrahl eingestellt werden. Der Laserstrahl kann ein Bearbeitungslaserstrahl zum Bearbeiten eines Werkstücks, insbe sondere eines metallischen Werkstücks, sein. Alternativ kann auch der Laserstrahl selbst als Justierlaserstrahl 21 eingesetzt werden, beispielsweise mit einer geringeren Leistung als zur Materialbearbeitung . The laser processing system 10 comprises a laser source 20, a laser processing head 30, an adjustment unit 40, an alignment unit 50 and a control device 60. The laser source 20 is set up to supply the laser beam and an adjustment laser beam 21, also called “pilot laser” or “pilot laser beam” produce. The laser beam or the alignment laser beam 21 are coupled into the laser processing head via an optical fiber 22 and a fiber socket 22a. The alignment laser beam 21 runs coaxially to the laser beam. As a result, the laser beam can also be adjusted by positioning the adjusting laser beam 21. The laser beam can be a machining laser beam for machining a workpiece, in particular a metallic workpiece. Alternatively, the laser beam itself can also be used as an alignment laser beam 21, for example with a lower power than for material processing.
Der Laserbearbeitungskopf 30 weist eine Düse 31 auf. Die Düse 31, die eine Düsenelektro de sein kann, umfasst einen Düsenmund 32 und eine Austrittsöffnung 33 zum Austritt des Laserstrahls und des Justierlaserstrahls aus dem Laserbearbeitungskopf 30. Die Düse 31 kann integral mit dem Laserbearbeitungskopf 30 verbunden sein, oder kann am Laserbear beitungskopf 30 beweglich montiert sein. Der Laserbearbeitungskopf 30 kann mehrere opti sche Elemente, Optiken und/oder optische Einheiten, auch „Pakete“ genannt, umfassen. Dazu zählen beispielsweise Linsen, Linsenpakete, und Spiegel. Gemäß Ausführungsformen umfassen die optischen Elemente bzw. die optischen Einheiten Elemente bzw. Einheiten, die den Laserstrahl und den Justierlaserstrahl transmittieren und/oder Elemente bzw. Einhei- ten, die den Laserstrahl und den Justierlaserstrahl zumindest teilweise reflektieren. Wie in Fig. 1 gezeigt weist der Laserbearbeitungskopf 30 eine Kollimationsoptik 35 und eine Fo kussieroptik 36 auf. Die Kollimationsoptik 35 und/oder die Fokussieroptik 36 können ent lang einer optischen Achse z des Laserbearbeitungskopfes 30, die koaxial zu einer StrahlThe laser processing head 30 has a nozzle 31. The nozzle 31, which can be a nozzle electrode, comprises a nozzle mouth 32 and an exit opening 33 for the exit of the laser beam and the alignment laser beam from the laser processing head 30. The nozzle 31 can be integrally connected to the laser processing head 30, or it can be movable on the laser processing head 30 be mounted. The laser processing head 30 can comprise a plurality of optical elements, optics and / or optical units, also called “packages”. These include, for example, lenses, lens packages, and mirrors. According to embodiments, the optical elements or the optical units comprise elements or units that transmit the laser beam and the alignment laser beam and / or elements or units th, which at least partially reflect the laser beam and the alignment laser beam. As shown in FIG. 1, the laser processing head 30 has collimation optics 35 and focusing optics 36. The collimation optics 35 and / or the focusing optics 36 can ent long an optical axis z of the laser processing head 30, which is coaxial with a beam
5 ausbreitung srichtung des Justierlaserstrahls 21 verlaufen kann, verschoben werden, um eine Fokuslage des Justierlaserstrahls 21 bzw. des Laserstrahls einzustellen. 5 propagation direction of the alignment laser beam 21 can be shifted in order to set a focus position of the alignment laser beam 21 or the laser beam.
Die Ausrichteinheit 50 umfasst eine optische Erfassungseinheit 51, die eingerichtet ist, um ein zweidimensionales Bild von der Austrittsöffnung 33 und dem durch die Austrittsöffnung fO tretenden Justierlaserstrahl 21 sowie vom Düsenmund 32 aufzunehmen. Die Steuervorrich tung 60 ist eingerichtet, anhand des aufgenommenen Bildes eine Position des Justierlaser strahls 21 und eine Position der Austrittsöffnung 33 der Düse 31 zu ermitteln, eine Abwei chung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls 21 von einer vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls 21 zu bestimmen, und durch Ansteuem der Verstelleinheit 40 die f5 Position des Justierlaserstrahls 31 relativ zur Position der Austrittsöffnung 33 zu verstellen, falls die Abweichung größer ist als eine vorgegebene maximale Abweichung. The alignment unit 50 comprises an optical detection unit 51 which is set up to record a two-dimensional image of the outlet opening 33 and the alignment laser beam 21 passing through the outlet opening fO as well as of the nozzle mouth 32. The control device 60 is set up to determine a position of the alignment laser beam 21 and a position of the outlet opening 33 of the nozzle 31 based on the recorded image, to determine a deviation of the determined position of the alignment laser beam 21 from a predetermined position of the alignment laser beam 21, and through Controlling the adjustment unit 40 to adjust the f5 position of the adjustment laser beam 31 relative to the position of the outlet opening 33 if the deviation is greater than a predetermined maximum deviation.
Die Verstelleinheit 40 ist eingerichtet, die Position des Justierlaserstrahls 31 relativ zur Po sition der Austrittsöffnung 33 zu verstellen. Die Verstelleinheit 40 kann im oder am LaserThe adjustment unit 40 is set up to adjust the position of the adjustment laser beam 31 relative to the position of the outlet opening 33. The adjustment unit 40 can be in or on the laser
20 bearbeitung skopf 30 angeordnet oder montiert sein. Die Verstelleinheit 40 kann auch in den Laserbearbeitungskopf 30 integriert sein. 20 machining head 30 can be arranged or mounted. The adjustment unit 40 can also be integrated into the laser processing head 30.
Die Verstelleinheit umfasst eine am oder im Laserbearbeitungskopf 30 angeordnete Bewe gungseinheit 4L Die Bewegungseinheit 41 ist eingerichtet, ein Element, insbesondere einThe adjustment unit comprises a movement unit 4L arranged on or in the laser processing head 30. The movement unit 41 is set up to be an element, in particular a
25 optisches Element bzw. eine optische Einheit, in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse z des Laserbearbeitungskopfes 30 zu bewegen, verschieben oder positionieren. Das Bewe gen des Elements hat zur Folge, dass die Position des Justierlaserstrahls 21 relativ zur Posi tion der Austrittsöffnung 33 oder die Position der Austrittsöffnung 33 relativ zur Position des Justierlasers 21 in einer Ebene im Bereich der Austrittsöffnung, die senkrecht zur opti25 optical element or an optical unit to move, move or position in a plane perpendicular to the optical axis z of the laser processing head 30. The move gene of the element has the consequence that the position of the alignment laser beam 21 relative to the position of the exit opening 33 or the position of the exit opening 33 relative to the position of the alignment laser 21 in a plane in the area of the exit opening that is perpendicular to the opti
30 schen Achse angeordnet ist, verstellt wird. 30's axis is arranged, is adjusted.
In Fig. 1 und 2 ist die Ebene senkrecht zur Strahlachse z durch die beiden Richtungen x und y festgelegt. Mit anderen Worten sind die Richtungen x und y senkrecht zur optischen Ach se z und sind orthogonal zueinander. Das Bewegen des Elements bzw. der optischen EinheitIn FIGS. 1 and 2, the plane is defined perpendicular to the beam axis z by the two directions x and y. In other words, the directions x and y are perpendicular to the optical axis z and are orthogonal to one another. Moving the element or the optical unit
35 kann somit das Bewegen des Elements entlang der x-Richtung und entlang der y-Richtung umfassen. Gemäß den gezeigten Ausführungsformen ist die Bewegungseinheit 41 eingerichtet, zumin dest einen Teil der Fokussieroptik 36 zu bewegen. Die Fokussieroptik 36 kann eine Fokus sierlinse und/oder ein Fokussierlinsenpaket umfassen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die Bewegungseinheit 41 eingerichtet sein, zumindest ein Teil einer Kollimationsoptik des Laserbearbeitungskopfes 30, ein Faserende der den Justierlaserstrahl 21 und/oder den Laserstrahl dem Laserbearbeitungskopf 30 zuführenden Lichtleitfaser 22, eine Faserbuchse 22a zum Koppeln der den Justierlaserstrahl 21 und/oder den Laserstrahl führenden Lichtleit faser 22 am Laserbearbeitungskopf 30 und/oder die Düse 31 zu bewegen. 35 may thus comprise moving the element along the x-direction and along the y-direction. According to the embodiments shown, the movement unit 41 is set up to move at least part of the focusing optics 36. The focusing optics 36 can comprise a focusing lens and / or a focusing lens package. According to other embodiments, the movement unit 41 can be set up, at least part of a collimation optics of the laser processing head 30, a fiber end of the optical fiber 22 feeding the alignment laser beam 21 and / or the laser beam to the laser processing head 30, a fiber socket 22a for coupling the alignment laser beam 21 and / or the Laser beam leading fiber optic 22 on the laser processing head 30 and / or the nozzle 31 to move.
Die Bewegungseinheit 41 umfasst zumindest einen Aktuator, insbesondere eine motorische Einheit bzw. einen Motor. Der zumindest eine Aktuator kann insbesondere als Elektromo tor, z.B. Drehstrom-, Linear-, Schritt- oder Wechselstrommotor ausgebildet sein. Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die Bewegungseinheit 41 einen Aktuator. Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform umfasst die Bewegungseinheit 41 zwei Aktuatoren 42a, 42b. Gemäß den gezeigten Ausführungsformen ist der zumindest eine Ak tuator am Laserbearbeitungskopf 30 angebracht. Wie in Fig. 2 gezeigt können die Aktua toren 42a, 42b im Laserbearbeitungskopf 30 integriert sein. The movement unit 41 comprises at least one actuator, in particular a motor unit or a motor. The at least one actuator can in particular be designed as an electric motor, e.g. three-phase, linear, step or alternating current motor. According to the embodiment shown in FIG. 1, the movement unit 41 comprises an actuator. According to the embodiment shown in FIG. 2, the movement unit 41 comprises two actuators 42a, 42b. According to the embodiments shown, the at least one actuator is attached to the laser processing head 30. As shown in FIG. 2, the actuators 42a, 42b can be integrated in the laser processing head 30.
Der zumindest eine Aktuator ist eingerichtet, eine rotatorische Bewegung, insbesondere über eine Welle oder Achse, bereitzu stellen. Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungs- form umfasst die Bewegungseinheit 41 einen ersten Aktuator 42a mit einer Rotationsbewe gung RI und einen zweiten Aktuator 42b mit einer Rotationsbewegung R2, wobei die Rota tionsbewegungen RI und R2 unabhängig voneinander sind. Mit anderen Worten können die Aktuatoren 42a, 42b unabhängig voneinander angesteuert werden. Vorzugsweise umfasst die Bewegungseinheit 41 zwei Schrittmotoren als Aktuatoren, wobei jeweils ein Schrittmo tor die Bewegungsrichtungen x und y umsetzt. The at least one actuator is set up to provide a rotary movement, in particular via a shaft or axis. According to the embodiment shown in FIG. 2, the movement unit 41 comprises a first actuator 42a with a rotational movement RI and a second actuator 42b with a rotational movement R2, the rotational movements RI and R2 being independent of one another. In other words, the actuators 42a, 42b can be controlled independently of one another. The movement unit 41 preferably comprises two stepper motors as actuators, one stepper motor each converting the directions of movement x and y.
Die Bewegungseinheit 41 umfasst ferner zumindest eine mechanische Einheit (nicht ge zeigt), auch „Mechanik“ genannt. Die zumindest eine mechanische Einheit ist eingerichtet, um die von dem zumindest einen Aktuator bereitgestellte Rotationsbewegung in eine trans latorische Bewegung in der zur Strahlausbreitungsrichtung z senkrechten Ebene x-y umzu wandeln. Wie in Fig. 2 gezeigt ist die mechanische Einheit eingerichtet, die von dem ersten Aktuator 42a bereitgestellte Rotationsbewegung RI in eine translatorische Bewegung des Elements entlang der x-Richtung und die von dem zweiten Aktuator 42b bereitgestellte Ro tationsbewegung R2 in eine translatorische Bewegung entlang der y-Richtung umzuwan- deln. Dadurch kann das Element, hier die Fokussieroptik 36, unabhängig voneinander in der x-Richtung und in der y-Richtung bewegt werden. Die optische Erfassungseinheit 51, die auch als „bildgebender Detektor“ bezeichnet werden kann, kann beispielsweise eine Kamera und/oder einen Sensor, insbesondere einen Bildsensor, umfassen. Die optische Erfassungseinheit 51 umfasst vorzugsweise zumindest einen CCD-Sensor (CCD: „charge-coupled device“) oder einen CMOS-Sensor (CMOS: „complementary metal-oxide-semiconductor“). Erfindungsgemäß wird vorzugsweise ein CMOS-Sensor eingesetzt. The movement unit 41 furthermore comprises at least one mechanical unit (not shown), also called “mechanics”. The at least one mechanical unit is set up to convert the rotational movement provided by the at least one actuator into a translatory movement in the xy plane perpendicular to the direction of beam propagation z. As shown in FIG. 2, the mechanical unit is set up to convert the rotational movement RI provided by the first actuator 42a into a translational movement of the element along the x direction and the rotational movement R2 provided by the second actuator 42b into a translational movement along the y -To change direction. As a result, the element, here the focusing optics 36, can be moved independently of one another in the x-direction and in the y-direction. The optical detection unit 51, which can also be referred to as an “imaging detector”, can include, for example, a camera and / or a sensor, in particular an image sensor. The optical detection unit 51 preferably comprises at least one CCD sensor (CCD: “charge-coupled device”) or a CMOS sensor (CMOS: “complementary metal-oxide-semiconductor”). According to the invention, a CMOS sensor is preferably used.
Die Ausrichteinheit 50 umfasst ferner eine Abbildungsoptik 52, auch „Objektiv“ genannt. Die Abbildungsoptik 52 bildet sowohl den Justierlaserstrahl 21 als auch den Düsenmund 32, d.h. einen gewissen Bereich der Unterseite der Düse 31, auf die optische Erfassungsein heit 51 ab, insbesondere auf eine Sensorfläche oder Sensorebene der optischen Erfassungs einheit 51. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können zumindest Ob jekte mit einer Größe von 5 mm x 5 mm detektiert werden. Vorzugsweise werden Objekte bis zu einer Größe von 10 mm x 10 mm detektiert. Die Abbildungsoptik 52 kann ein Fest brennweitenobjektiv oder ein Zoomobjektiv umfassen. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise ein Festbrennweitenobjektiv verwendet. The alignment unit 50 also includes imaging optics 52, also called “objective”. The imaging optics 52 images both the alignment laser beam 21 and the nozzle mouth 32, ie a certain area of the underside of the nozzle 31, onto the optical detection unit 51, in particular on a sensor surface or sensor plane of the optical detection unit 51 at least objects with a size of 5 mm x 5 mm can be detected. Objects up to a size of 10 mm × 10 mm are preferably detected. The imaging optics 52 can comprise a fixed focal length lens or a zoom lens. According to the invention, a fixed focal length lens is preferably used.
Die Ausrichteinheit 50 kann außerdem eine Beleuchtungseinrichtung 54 und/oder eine opti sche Filtereinheit 53 mit zumindest einem optischen Filter und/oder einem optischem Fil terpaket umfassen. Vorzugsweise werden Bandpassfilter eingesetzt, die das Umgebungslicht filtern und die Wellenlänge des Justierlaserstrahls 21 und den Wellenlängenbereich der Be leuchtungseinrichtung 54 transmittieren. Die Beleuchtungseinrichtung 54 dient zur optima len Ausleuchtung des Düsenmundes 32 bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und sorgt für einen optimalen Kontrast für die Detektion der Düseninnenkontur bei der Bildver arbeitung. Vorzugsweise kommt eine Ringbeleuchtung zum Einsatz, die im roten Farbspekt rum Licht emittiert. Weiterhin ist eine seitliche Beleuchtung der Düse 31 möglich. The alignment unit 50 can also include a lighting device 54 and / or an optical filter unit 53 with at least one optical filter and / or an optical filter package. Bandpass filters are preferably used which filter the ambient light and transmit the wavelength of the alignment laser beam 21 and the wavelength range of the lighting device 54. The lighting device 54 is used to optimally illuminate the nozzle mouth 32 in different ambient conditions and ensures an optimal contrast for the detection of the nozzle inner contour during image processing. Ring lighting is preferably used, which emits light in the red color spectrum. Lateral illumination of the nozzle 31 is also possible.
Weiterhin umfasst die Ausrichteinheit 50 eine Abdeckung 55, die sich automatisch bzw. ferngesteuert öffnen und schließen lässt. Eine Umhausung 56, auch „Gehäuse“ genannt, schützt die darin enthaltenen Elemente der Ausrichteinheit 50, etwa die optische Erfas sungseinheit 51, die Abbildungsoptik 52, die optische Filtereinheit 53 und die Beleuch tungseinrichtung 54, vor diversen Umgebungseinflüssen, wie z.B. Schmutz, Staub und Wasser. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Ausrichteinheit 50 als eigenständige Station im Laserbearbeitungssystem vorgesehen, oder in ein Düsenwechs ler System integriert. Die Steuervorrichtung 60, auch als „Auswerteinheit“ bezeichnet, ist eingerichtet, die opti sche Erfassungseinheit 51, die Ausrichteinheit 50, die Laserquelle 20 und/oder die Verstel leinheit 40 zu steuern. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung dient die Steuervorrich tung 60 als Kommunikationsschnittstelle zwischen diesen Elementen. The alignment unit 50 further comprises a cover 55 which can be opened and closed automatically or remotely. A housing 56, also called "housing", protects the elements of the alignment unit 50 contained therein, such as the optical acquisition unit 51, the imaging optics 52, the optical filter unit 53 and the lighting device 54, from various environmental influences, such as dirt, dust and Water. According to embodiments of the present invention, the alignment unit 50 is provided as an independent station in the laser processing system, or is integrated into a nozzle changer system. The control device 60, also referred to as an “evaluation unit”, is set up to control the optical detection unit 51, the alignment unit 50, the laser source 20 and / or the adjustment unit 40. According to embodiments of the invention, the control device 60 serves as a communication interface between these elements.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kommuniziert die Steuervor richtung 60 unter anderem mit einer übergeordneten Steuerung, beispielsweise einer soge nannten „CNC“ oder einer Maschinensteuerung (nicht dargestellt). Die Hauptaufgabe der Steuervorrichtung 60 liegt darin, Steuer- und Informations Signale zwischen der Verstellein heit 40 und der optischen Erfassungseinheit 51 bzw. der Ausrichteinheit 50 zu verarbeiten und zu übertragen. Dabei wird das Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung des Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch die CNC gestar tet und die CNC erhält wiederum das Signal von der Steuervorrichtung 50 über das Ende des Verfahrens. According to one embodiment of the present invention, the control device 60 communicates, among other things, with a higher-level controller, for example a so-called “CNC” or a machine controller (not shown). The main task of the control device 60 is to process and transmit control and information signals between the adjustment unit 40 and the optical detection unit 51 or the alignment unit 50. The method for automated beam positioning of the laser beam according to embodiments of the present invention is started by the CNC and the CNC in turn receives the signal from the control device 50 about the end of the method.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vereint die Steuervor richtung 60 die Aufgaben zur Maschinensteuerung und zur automatisierten Strahlpositionie rung des Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Dabei kom muniziert die Steuervorrichtung 60 sowohl mit der Laserquelle 20, mit den Maschinenkom ponenten (nicht gezeigt), der Verstelleinheit 40 und der optischen Erfassungseinheit 51 bzw. der Ausrichteinheit 50. According to a further embodiment of the present invention, the control device 60 combines the tasks of machine control and automated beam positioning of the laser beam according to embodiments of the present invention. The control device 60 communicates with the laser source 20, with the machine components (not shown), the adjustment unit 40 and the optical detection unit 51 or the alignment unit 50.
Bei beiden Ausführungsformen übernimmt die Steuervorrichtung 60 die Aufgabe der Bild verarbeitung, der Steuerung der Beleuchtungs Vorrichtung 54, der Steuerung der Verstellein heit 40 und das Öffnen und Schließen der Ausrichteinheit 50. In both embodiments, the control device 60 takes on the task of image processing, the control of the lighting device 54, the control of the adjustment unit 40 and the opening and closing of the alignment unit 50.
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes gemäß Ausführungs formen der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst die folgenden, vorzugsweise automatisiert durchgeführten, Schritte. Fig. 3 shows a flow chart of a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head according to execution forms of the present invention. The method comprises the following, preferably automated, steps.
Nach dem Start (SO) wird ein zum Laserstrahl koaxialer Justierlaserstrahl 21 auf eine Aus trittsöffnung 33 einer am Laserbearbeitungskopf 30 montierten Düse 31 gerichtet (Sl). An schließend wird ein Bild von der Austrittsöffnung 33 sowie von einem die Austrittsöffnung umgebenden Düsenmund 32 aufgenommen (S2). Anschließend wird beispielsweise anhand des aufgenommenen Bildes bestimmt, ob der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung 33 tritt (S3). Falls der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung 33 tritt (Yl), werden die folgenden weiteren Schritte ausgeführt: Ermitteln einer Position des durch die Austrittsöffnung 33 tretenden Justierlaserstrahls 21 und einer Position der Austrittsöffnung 33 der Düse 31 an hand des aufgenommenen Bildes (S4), Bestimmen, ob eine Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls DC, DU von einer vorgegebenen Position O des Justierlaser strahls 21 größer ist als eine vorgegebene maximale Abweichung, wobei die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls relativ zur Position der Austrittsöffnung vorgegeben ist (S5). Falls die Abweichung größer ist als die vorgegebene maximale Abweichung (Y2), wird die Position des Justierlaserstrahls 21 relativ zur Austrittsöffnung 33 verstellt (S6). After the start (SO) a coaxial to the laser beam adjustment laser beam 21 is directed to an exit opening 33 from a nozzle 31 mounted on the laser processing head 30 (S1). An image of the outlet opening 33 and of a nozzle mouth 32 surrounding the outlet opening is then recorded (S2). Subsequently, it is determined on the basis of the recorded image, for example, whether the alignment laser beam passes through the exit opening 33 (S3). If the alignment laser beam passes through the exit opening 33 (Y1), the following further steps are carried out: Determination of a position of the alignment laser beam 21 emerging through the exit opening 33 and a position of the exit opening 33 of the nozzle 31 on the basis of the recorded image (S4), determination, Whether a deviation of the determined position of the alignment laser beam DC, DU from a predetermined position O of the alignment laser beam 21 is greater than a predetermined maximum deviation, the predetermined position of the alignment laser beam relative to the position of the exit opening being predetermined (S5). If the deviation is greater than the specified maximum deviation (Y2), the position of the adjustment laser beam 21 is adjusted relative to the exit opening 33 (S6).
Die Schritte Aufnehmen eines Bildes, Ermitteln der Position des Justierlaserstrahls und der Position der Austrittsöffnung, Bestimmen der Abweichung und Verstellen der Position, werden solange durchgeführt, bis bestimmt wird, dass die Abweichung der ermittelten Posi tion des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls kleiner als oder gleich wie die vorgegebene maximale Abweichung ist (N2). In diesem Fall kann das Verfahren beendet werden (S8). The steps of taking an image, determining the position of the alignment laser beam and the position of the exit opening, determining the deviation and adjusting the position are carried out until it is determined that the deviation of the determined position of the alignment laser beam from the specified position of the alignment laser beam is less than or the same as the predetermined maximum deviation (N2). In this case, the process can be ended (S8).
Falls der Justierlaserstrahl nicht durch die Austrittsöffnung tritt (NI), kann ein nachfolgend beschriebener Referenzzyklus durchgeführt werden (S7). If the alignment laser beam does not pass through the exit opening (NI), a reference cycle described below can be carried out (S7).
Fig. 4A und 4B zeigen ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur automatisierten Strahlposi tionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Fig. 5 ist eine schematische, bei spielhafte Darstellung eines Bildes, welches von einer optischen Erfassungseinheit 51 eines Laserbearbeitungssystems zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgenommen wurde. 4A and 4B show a flowchart of a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head according to an embodiment of the present invention and Machining a workpiece with a laser beam according to embodiments of the present invention was added.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren, automatisch, beispielsweise durch die Steuervorrichtung 60, nach einem Wechsel der Düse 31 am Laser bearbeitung skopf 30 oder nach einer Kollision des Laserbearbeitungskopfes 30 bzw. der Düse 31 mit einem Gegenstand, beispielsweise einem zu bearbeitenden Werkstück, gestar tet. Ferner kann das Verfahren auch manuell durch einen Bediener über eine bestimmte Schnittstelle (beispielsweise eine GUI) zur Steuervorrichtung 60 gestartet werden. According to embodiments of the present invention, the method is automatically, for example by the control device 60, after a change of the nozzle 31 on the laser processing head 30 or after a collision of the laser processing head 30 or the nozzle 31 with an object, for example a workpiece to be processed, started. Furthermore, the method can also be started manually by an operator via a specific interface (for example a GUI) to the control device 60.
Zu Beginn des Verfahrens wird die Abdeckung 55 der Ausrichteinheit 50 bzw. der Düsen wechsler automatisch geöffnet. Der Laserbearbeitungskopf 30 wird durch Maschinenachsen des Laserbearbeitungssystems 10 auf die Position, bei der der Zentriervorgang erfolgen soll, verfahren. Mit anderen Worten wird der Laserbearbeitungskopf 30 auf die Ausrichteinheit 50 verfahren, sodass die optische Achse des Laserbearbeitungskopfes 30 und die optische Achse der Ausrichteinheit 50 im Wesentlichen koaxial verlaufen. Somit ist der Düsenmund 32 der am Laserbearbeitungskopf 30 montierten Düse 31 vollständig im Gesichtsfeld der optischen Erfassungseinheit 51. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein von der opti schen Erfassungseinheit 51 aufgenommenes Bild den Düsenmund 32 bzw. die Austrittsöff nung 33 vollständig zeigt. At the beginning of the method, the cover 55 of the alignment unit 50 or the nozzle changer is opened automatically. The laser processing head 30 is supported by machine axes of the laser processing system 10 to the position at which the centering process is to take place. In other words, the laser processing head 30 is moved onto the alignment unit 50, so that the optical axis of the laser processing head 30 and the optical axis of the alignment unit 50 run essentially coaxially. Thus, the nozzle mouth 32 of the nozzle 31 mounted on the laser processing head 30 is completely in the field of view of the optical detection unit 51. This ensures that an image recorded by the optical detection unit 51 shows the nozzle mouth 32 or the outlet opening 33 completely.
Die Steuervorrichtung 60 aktiviert die Beleuchtung durch die Beleuchtungseinrichtung 54 und stellt die optimalen Beleuchtungsparameter (beispielsweise die Helligkeit) ein. Die Steuervorrichtung 60 überprüft ferner, z.B. mittels eines Aus wertealgorithmus, ob ein Dü senmund 32 und eine Innenkontur 34 des Düsenmunds 32 (siehe Fig. 5) detektiert werden können. Falls nicht, wird der Bediener mit einer Fehlermeldung informiert. Falls die Detek tion erfolgreich ist, wird der Düsenzustand überprüft (nachfolgend beschrieben). Entspricht der Düsenzustand nicht den definierten Kriterien, beispielsweise aufgrund einer defekten, verschmutzten oder falschen Düse, dann erfolgt eine automatische Fehlermeldung und/oder es kann automatisiert ein Düsenwechsel gestartet werden. Im Anschluss daran startet das Verfahren automatisch von Neuem. The control device 60 activates the lighting by the lighting device 54 and sets the optimal lighting parameters (for example the brightness). The control device 60 also checks, e.g. by means of an evaluation algorithm, whether a nozzle mouth 32 and an inner contour 34 of the nozzle mouth 32 (see FIG. 5) can be detected. If not, the operator is informed with an error message. If the detection is successful, the nozzle status is checked (described below). If the nozzle status does not correspond to the defined criteria, for example due to a defective, dirty or incorrect nozzle, an automatic error message is issued and / or a nozzle change can be started automatically. The process then starts again automatically.
Nach erfolgreicher Überprüfung des Düsenzustands wird zunächst eine Soll-Fokuslage ein gestellt und anschließend der Justierlaserstrahl 21 aktiviert. Dies kann dem Schritt S1 in Fig. 3 entsprechen. Die Steuervorrichtung 60 überprüft anschließend, z.B. mittels eines Auswer tealgorithmus, ob der Justierlaserstrahl 21 durch eine Bildverarbeitung detektiert werden kann, z.B. in Schritt S2. Die Detektion kann insbesondere durch Bildverarbeitung eines von der optischen Erfassungseinheit 51 aufgenommenen Bildes oder Videos erfolgen. Dies kann dem Schritt S3 in Fig. 3 entsprechen. Wenn der Justierlaserstrahl 21 nicht detektiert wird, dann startet die Steuervorrichtung 60 automatisch einen sogenannten „Referenzzyklus“ wie in Schritt S7 in Fig. 3 (nachfolgend beschrieben). After the nozzle status has been successfully checked, a target focus position is first set and the adjustment laser beam 21 is then activated. This can correspond to step S1 in FIG. 3. The control device 60 then checks, for example by means of an evaluation algorithm, whether the alignment laser beam 21 can be detected by image processing, for example in step S2. The detection can take place in particular by image processing of an image or video recorded by the optical detection unit 51. This can correspond to step S3 in FIG. 3. If the alignment laser beam 21 is not detected, then the control device 60 automatically starts a so-called “reference cycle” as in step S7 in FIG. 3 (described below).
Wird hingegen der Justierlaserstrahl 21 detektiert, so ermittelt die Steuervorrichtung 60, z.B. mittels Bildverarbeitung den Flächenschwerpunkt S des Justierlaserstrahls 21 und den Flächenschwerpunkt O der Austrittsöffnung 32 (siehe Fig. 5) in dem aufgenommenen Bild und berechnet die relativen Abweichungen DC und DU in den zwei Richtungen x und y des Flächenschwerpunkts S vom Flächenschwerpunkt O. Dies kann dem Schritt S4 in Fig. 3 entsprechen. Wenn bestimmt wird, dass beide relativen Abweichungen kleiner als oder gleich einer vordefinierten maximalen Abweichung (AX<Soll-pm und AY<Soll-pm) sind, dann ist eine Strahlpositionierung nicht erforderlich. Dies kann dem Schritt S5 in Fig. 3 ent sprechen. Somit kann der Laserbearbeitungskopf 30 zurück auf eine Ausgangsposition ge fahren werden und die Abdeckung 55 oder das Düsenwechsler-System kann geschlossen werden. Das Verfahren ist beendet. Dies kann dem Schritt S8 in Fig. 3 entsprechen. If, on the other hand, the alignment laser beam 21 is detected, the control device 60 determines, for example by means of image processing, the centroid S of the alignment laser beam 21 and the centroid O of the exit opening 32 (see Fig. 5) in the recorded image and calculates the relative deviations DC and DU in the two Directions x and y of the centroid S from the centroid O. This can correspond to step S4 in FIG. 3. If it is determined that both relative deviations are less than or equal to a predefined maximum deviation (AX <target-pm and AY <target-pm), then beam positioning is not necessary. This can correspond to step S5 in FIG. The laser processing head 30 can thus be moved back to a starting position and the cover 55 or the nozzle changer system can be closed. The procedure is over. This can correspond to step S8 in FIG. 3.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist gemäß Ausführungsformen der Durchmesser des Justierlaserstrahls 21 in einer Ebene im Bereich der Austrittsöffnung 33 und damit auch in der Sensorebene der optischen Erfassungseinheit 51 kleiner als ein Durchmesser, insbesondere ein minimaler Durchmesser, der Austrittsöffnung 33 in dieser Ebene. Insbesondere ist die Querschnittsflä che des Justierlaserstrahls 21 in dieser Ebene kleiner als die Fläche der Austrittsöffnung 33 in dieser Ebene. Der Justierlaserstrahl 21 leuchtet die Austrittsöffnung 33 gemäß Ausfüh rungsformen also nicht vollständig aus. Die Ebene im Bereich der Austrittsöffnung 32 um fasst gemäß Ausführungsformen den Düsenmund 32, insbesondere eine Stirnfläche des Dü senmunds 32. Mit anderen Worten kann die Ebene im Bereich der Austrittsöffnung 32 koplanar mit der Stirnfläche des Düsenmunds 32 und der Austrittsöffnung 33 sein. As shown in FIG. 5, according to embodiments, the diameter of the alignment laser beam 21 in a plane in the area of the exit opening 33 and thus also in the sensor plane of the optical detection unit 51 is smaller than a diameter, in particular a minimum diameter, of the exit opening 33 in this plane. In particular, the cross-sectional area of the alignment laser beam 21 in this plane is smaller than the area of the outlet opening 33 in this plane. The alignment laser beam 21 therefore does not completely illuminate the exit opening 33 according to embodiments. According to embodiments, the plane in the area of the outlet opening 32 comprises the nozzle mouth 32, in particular an end face of the nozzle mouth 32. In other words, the plane in the area of the outlet opening 32 can be coplanar with the end face of the nozzle mouth 32 and the outlet opening 33.
Wenn hingegen eine oder beide relativen Abweichungen DC, DU größer als die vordefinier te maximale Abweichung ist bzw. sind, d.h. AX>Soll-pm und AY>Soll-pm, (entsprechend Y2 in Fig. 3), dann wird die Verstelleinheit 40 angesteuert, um das Element, z.B. ein opti sches Element bzw. eine optische Einheit des Laserbearbeitungskopfes, zu verfahren bzw. zu bewegen. Dies kann dem Schritt S6 in Fig. 3 entsprechen. Im Anschluss werden erneut die Abweichungen durch Bildverarbeitung ermittelt. Diese Schritte werden so oft wieder holt, bis beiden relativen Abweichungen DC, DU kleiner als die vordefinierte maximale Abweichung sind. If, on the other hand, one or both of the relative deviations DC, DU is or are greater than the predefined maximum deviation, ie AX> target pm and AY> target pm (corresponding to Y2 in FIG. 3), then the adjustment unit 40 is activated to move or move the element, for example an optical cal element or an optical unit of the laser processing head. This can correspond to step S6 in FIG. 3. The deviations are then determined again by image processing. These steps are repeated until both relative deviations DC, DU are smaller than the predefined maximum deviation.
Die Bildverarbeitung, auch „Bildanalyse“ genannt, umfasst die Punkte Bildgewinnung, Bildvorverarbeitung, Bildsegmentierung, Ermittlung der Konturen und die Berechnung der relativen Abweichungen. Image processing, also called “image analysis”, comprises the points image acquisition, image preprocessing, image segmentation, determination of the contours and the calculation of the relative deviations.
Das erfindungsgemäße bildgebende Verfahren, umfassend die Aufnahme eines Bildes von der Düse 31, dem Düsenmund 32 und dem durch die Austrittsöffnung 33 tretenden Justier laserstrahl 21 und die anschließende Bildverarbeitung, ermöglicht eine unmittelbare orts aufgelöste Messung der relativen Position des Justierlaserstrahls 21 zur Mitte bzw. Flächen schwerpunkt der Austrittsöffnung 33. The imaging method according to the invention, comprising the recording of an image of the nozzle 31, the nozzle mouth 32 and the adjusting laser beam 21 passing through the outlet opening 33 and the subsequent image processing, enables an immediate spatially resolved measurement of the relative position of the adjusting laser beam 21 to the center or surfaces center of gravity of the outlet opening 33.
Sobald die Innenkontur 34 des Düsenmundes 33 und die Kontur 23 des Justierlaserstrahls 21 durch die Bildverarbeitung ermittelt wurden, werden die beiden Flächenschwerpunkte S und O berechnet (vgl. Fig. 5). Aus den beiden Flächenschwerpunkten S und O werden die relativen Abweichungen DC und DU entlang der beiden Richtungen x und y berechnet, wel che als entsprechende Steuersignale von der Steuervorrichtung 60 an die Verstelleinheit 40 ausgegeben werden können. As soon as the inner contour 34 of the nozzle mouth 33 and the contour 23 of the alignment laser beam 21 have been determined by the image processing, the two centroids S and O is calculated (see Fig. 5). The relative deviations DC and DU along the two directions x and y, which can be output as corresponding control signals from the control device 60 to the adjustment unit 40, are calculated from the two centroids S and O.
Für die Überprüfung des Düsenzustands, d.h. die Düseninspektion, wird zumindest ein ge ometrischer oder optischer Parameter, welcher durch die Bildverarbeitung ermittelt wird, mit einem Soll-Parameter abgeglichen. Dabei liegt der Fokus auf einer möglichen Verfor mung der Düse 31 und auf dessen Oberflächenbeschaffenheit. To check the nozzle status, i.e. the nozzle inspection, at least one geometric or optical parameter, which is determined by the image processing, is compared with a target parameter. The focus here is on a possible deformation of the nozzle 31 and on its surface properties.
Zu den geometrischen Parametern zählen der Formfaktor der Innenkontur 34 des Düsen munds 32, die Elliptizität der Innenkontur 34 und der Innendurchmesser der Düse 31, d.h. dem Durchmesser der Austrittsöffnung 33. Der Formfaktor der Innenkontur 34 ist abhängig von der ermittelten Fläche und des ermittelten Umfangs der Austrittsöffnung 33. The geometric parameters include the form factor of the inner contour 34 of the nozzle mouth 32, the ellipticity of the inner contour 34 and the inner diameter of the nozzle 31, ie the diameter of the outlet opening 33. The form factor of the inner contour 34 is dependent on the determined area and the determined circumference of the Outlet opening 33.
Bei der Elliptizität wird das Verhältnis aus einer Nebenachse zu einer Hauptachse der Aus trittsöffnung 33 gebildet. Die Nebenachse ist definiert als die Strecke vom Flächenschwer punkt O zu einem Punkt P2 auf der Innenkontur 34 des Düsenmunds 33 (siehe Fig. 6). Die Hauptachse ist definiert als die Strecke vom Flächenschwerpunkt O zu einem Punkt PI auf der Innenkontur 34 des Düsenmunds 33 (siehe Fig. 6). Unterschreitet dieses Verhältnis ei nen bestimmten Wert, dann wird bestimmt, dass die Düseninspektion nicht erfolgreich war bzw. der Düsenzustand nicht zufrieden stellend ist. Die Elliptizität kann per Definition einen Wertebereich zwischen 0 und 1 annehmen, wobei der Wert 1 einem Kreis entspricht. In the case of the ellipticity, the ratio of a minor axis to a major axis of the outlet opening 33 is formed. The minor axis is defined as the distance from the center of gravity point O to a point P2 on the inner contour 34 of the nozzle mouth 33 (see Fig. 6). The main axis is defined as the distance from the centroid O to a point PI on the inner contour 34 of the nozzle mouth 33 (see FIG. 6). If this ratio falls below a certain value, then it is determined that the nozzle inspection was not successful or the nozzle state is not satisfactory. By definition, the ellipticity can assume a value range between 0 and 1, with the value 1 corresponding to a circle.
Bei dem Parameter „Innendurchmesser der Düse 31“ wird der Soll-Wert, welcher in der Steuervorrichtung 60 Aus werteeinheit hinterlegt ist, mit dem ermittelten Ist-Wert vergli chen. Der Innendurchmesser der Düse 31 entspricht einem Durchmesser der Austrittsöff nung 33 und kann basierend auf der Innenkontur 34 des Düsenmunds 32 mittels Bildverar beitung ermittelt werden. In the case of the parameter “inside diameter of the nozzle 31”, the setpoint value, which is stored in the evaluation unit in the control device 60, is compared with the determined actual value. The inner diameter of the nozzle 31 corresponds to a diameter of the outlet opening 33 and can be determined based on the inner contour 34 of the nozzle mouth 32 by means of image processing.
Ein optischer Parameter ist beispielsweise das Reflexionsverhalten des Düsenmundes 32. Das Reflexionsverhalten kann durch die Grauwerte der Pixel, d.h. eine relative Lichtintensi tät, des von der optischen Erfassungseinheit 51 aufgenommenen Bildes (Fig. 7 oben) ermit telt werden. Entspricht der Ist-Grauwertverlauf (Fig. 7 unten links) entlang einer Richtung nicht dem Soll- Grau wertverlauf (Fig. 7 unten rechts), kann dies auf Beschädigung oder Ver schmutzung 32a der Düse 31 bzw. Düsenmunds 32 hindeuten. Die beschriebenen geometrischen und optischen Parameter können in einer beliebigen Konstellation zur Düseninspektion verwendet werden. An optical parameter is, for example, the reflection behavior of the nozzle mouth 32. The reflection behavior can be determined from the gray values of the pixels, ie a relative light intensity, of the image recorded by the optical detection unit 51 (FIG. 7 above). If the actual gray value curve (FIG. 7 bottom left) does not correspond to the target gray value curve (FIG. 7 bottom right) along one direction, this can indicate damage or contamination 32a of the nozzle 31 or nozzle mouth 32. The geometrical and optical parameters described can be used in any constellation for nozzle inspection.
Ein Referenzzyklus ist erforderlich, wenn die Düse 31 den Justierlaserstrahl 21 abschattet und die optische Erfassungseinheit 51 somit den Justierlaserstrahl 21 nicht detektieren kann. Dies kann beispielsweise bei einem kleinen Innendurchmesser der Düse 31 und/oder einer falschen Position oder Ausrichtung des Justierlaserstrahls 21 der Fall sein. A reference cycle is required when the nozzle 31 shades the alignment laser beam 21 and the optical detection unit 51 cannot therefore detect the alignment laser beam 21. This can be the case, for example, with a small inside diameter of the nozzle 31 and / or an incorrect position or alignment of the alignment laser beam 21.
Der Referenzzyklus kann unterschiedliche Bewegungsmuster des durch die Verstelleinheit 40 bewegten Elements umfassen, die zu einem bestimmten Bewegungsmuster bzw. Bewe gungspfad des Justierlasers 21 in der Ebene im Bereich der Austrittsöffnung 33 führt. The reference cycle can include different movement patterns of the element moved by the adjustment unit 40, which lead to a specific movement pattern or movement path of the alignment laser 21 in the plane in the area of the outlet opening 33.
Fig. 8 und 9 zeigen beispielhafte Bewegungsmuster des Justierlasers 21 im Bereich der Aus trittsöffnung 33. Die Austrittsöffnung 33 und der Düsenmund 32 sind in den Fig. 8 und 9 von einem Punkt im Inneren des Laserbearbeitungskopfes 30 aus dargestellt und zeigen eine Position des Justierlasers 21 zu Beginn des Referenzzyklus, bei der der Justierlaser 21 auf eine Innenfläche der Düse 31 trifft, und somit nicht durch die Austrittsöffnung 33 tritt. 8 and 9 show exemplary movement patterns of the alignment laser 21 in the area of the exit opening 33. The exit opening 33 and the nozzle mouth 32 are shown in FIGS. 8 and 9 from a point inside the laser processing head 30 and show a position of the alignment laser 21 at the beginning of the reference cycle, in which the alignment laser 21 hits an inner surface of the nozzle 31 and thus does not pass through the outlet opening 33.
Der Referenzzyklus kann eine definierte Mäanderbewegung des durch die Verstelleinheit 40 bewegten Elements umfassen (siehe Fig. 8). Diese Bewegung wird so lange durchgeführt bis die optische Erfassungseinheit 51 den Justierlaserstrahl 51 detektiert. Anschließend wird der Referenzzyklus beendet und die Strahlpositionierung wird durchgeführt. Eine weitere Ausführungsform des Referenzzyklus beschreibt eine Bewegung des durch die Verstellein heit 40 bewegten Elements bis zu einem Endschalter (siehe Fig. 9). Dazu wird das Element zunächst entlang einer ersten Richtung, beispielsweise der x-Richtung, bis zu dem entspre chenden Endschalter in dieser Richtung bewegt. Wird dieser erreicht, erfolgt die Bewegung des Elements bis zum Endschalter in der zweiten Richtung, beispielsweise der y-Richtung. Von dieser Position des Justierlaserstrahls 21 bzw. des durch die Verstelleinheit 40 beweg ten Elements an den jeweiligen Endschaltern der x- und y-Richtung ist es nun möglich, mit dem Justierlaserstrahl 21 eine Position anzufahren, die theoretisch dem Mittelpunkt der Dü se 31 bzw. der Austrittsöffnung 33 entspricht. Anschließend wird auch bei dieser Ausfüh rung sform der Referenzzyklus beendet und die Strahlpositionierung durchgeführt. The reference cycle can include a defined meandering movement of the element moved by the adjustment unit 40 (see FIG. 8). This movement is carried out until the optical detection unit 51 detects the alignment laser beam 51. The reference cycle is then ended and the beam positioning is carried out. Another embodiment of the reference cycle describes a movement of the element moved by the adjusting unit 40 up to a limit switch (see FIG. 9). For this purpose, the element is first moved in a first direction, for example the x direction, up to the corresponding limit switch in this direction. If this is reached, the element is moved up to the limit switch in the second direction, for example the y-direction. From this position of the adjustment laser beam 21 or the element moved by the adjustment unit 40 at the respective limit switches in the x and y directions, it is now possible to use the adjustment laser beam 21 to move to a position which theoretically corresponds to the center of the nozzle 31 or the outlet opening 33 corresponds. The reference cycle is then ended and the beam positioning is carried out in this embodiment as well.
Durch das Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes und das Laserbearbeitungssystem zum Bearbei ten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, sowohl eine automatisierte bzw. automatisierte und motorische Strahlpositionie- rung, insbesondere eine Strahlzentrierung bezüglich der Düsenmitte, als auch eine automati sierte bzw. automatisierte und motorische Düseninspektion durchzuführen. The method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head and the laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to embodiments of the invention make it possible to use both an automated or automated and motorized beam positioning tion, in particular a beam centering with respect to the nozzle center, as well as an automated or automated and motorized nozzle inspection.
Das Verfahren und das Laserbearbeitungssystem ermöglichen durch die Bereitstellung eines Referenzzyklus für die Bewegung eines Justierlasers die automatisierte bzw. automatisierte Strahlpositionierung und die automatisierte bzw. automatisierte Düseninspektion auch dann, wenn der Justierlaser von der am Laserbearbeitungskopf montierten Düse abgeschattet wird. By providing a reference cycle for the movement of an alignment laser, the method and the laser processing system enable automated or automated beam positioning and automated or automated nozzle inspection even when the alignment laser is shaded by the nozzle mounted on the laser processing head.
Durch die Verstelleinheit, die am oder im Laserbearbeitungskopf montiert ist oder mit dem Laserbearbeitungskopf integral ausgebildet ist, wird eine zur Strahlpositionierung und Dü seninspektion integrierte Lösung bereitgestellt. The adjustment unit, which is mounted on or in the laser processing head or is formed integrally with the laser processing head, provides an integrated solution for beam positioning and nozzle inspection.
Ferner wird durch die optische Erfassungseinheit bzw. die Ausrichteinheit eine unmittelba re, ortsaufgelöste Messung der Position des Justierlasers relativ zur Mitte der Düse bzw. der Austrittsöffnung ermöglicht und basiert somit nicht auf einer indirekten Messmethode, bei spielsweise mithilfe von akustischen oder thermischen Sensoren oder Photodioden. Furthermore, the optical detection unit or the alignment unit enables a direct, spatially resolved measurement of the position of the alignment laser relative to the center of the nozzle or the outlet opening and is therefore not based on an indirect measurement method, for example with the aid of acoustic or thermal sensors or photodiodes.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
10 Laserbearbeitungssystem 10 laser processing system
20 Laserquelle 20 laser source
21 Justierlaserstrahl 21 Alignment laser beam
22 Lichtleitfaser 22 optical fiber
22a Faserbuchse 22a fiber socket
23 Kontur des Justierlaserstrahls 23 Contour of the alignment laser beam
30 Laserbearbeitungskopf 30 laser processing head
30a optische Achse des Laserbearbeitungskopfs30a optical axis of the laser processing head
31 Düse 31 nozzle
32 Düsenmund 32 nozzle mouth
32a Beschädigung oder Verschmutzung 32a damage or contamination
33 Austrittsöffnung 33 outlet opening
34 Innenkontur des Düsenmunds 34 Inner contour of the nozzle mouth
35 Kollimationsoptik 35 collimation optics
36 Fokussieroptik 36 focusing optics
40 Verstelleinheit 40 adjustment unit
41 Bewegungseinheit 42a, 42b Aktuator 41 movement unit 42a, 42b actuator
50 Ausrichteinheit 50 alignment unit
51 optische Erfassungseinheit 51 optical detection unit
52 Abbildungsoptik 52 imaging optics
53 optische Filtereinheit 53 optical filter unit
54 Beleuchtungseinrichtung 54 lighting equipment
55 Abdeckung 55 cover
56 Umbau sung 56 Conversion
60 Steuervorrichtung 60 control device

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich ei ner Düse (31) eines Laserbearbeitungskopfes (30), das Verfahren umfassend die Schritte: 1. A method for the automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle (31) of a laser processing head (30), the method comprising the steps:
Richten eines zum Laserstrahl koaxialen Justierlaserstrahls (21) auf eine Austritts öffnung (33) der am Laserbearbeitungskopf (30) montierten Düse (31); Directing an adjustment laser beam (21) coaxial to the laser beam onto an exit opening (33) of the nozzle (31) mounted on the laser processing head (30);
Aufnehmen eines Bildes von der Austrittsöffnung (33) sowie von einem die Aus trittsöffnung umgebenden Düsenmund (32); Recording an image of the outlet opening (33) and of a nozzle mouth (32) surrounding the outlet opening;
Bestimmen, ob der Justierlaserstrahl (21) durch die Austrittsöffnung (33) tritt; undDetermining whether the alignment laser beam (21) passes through the exit opening (33); and
Durchführen der folgenden Schritte, falls der Justierlaserstrahl (21) durch die Aus trittsöffnung (33) tritt: Carry out the following steps if the alignment laser beam (21) passes through the outlet opening (33):
Ermitteln einer Position des durch die Austrittsöffnung (33) tretenden Justierlaser strahls (21) und einer Position der Austrittsöffnung (33) der Düse (31) anhand des aufge nommenen Bildes; Determining a position of the alignment laser beam (21) passing through the exit opening (33) and a position of the exit opening (33) of the nozzle (31) based on the image recorded;
Bestimmen, ob eine Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls (21) von einer vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls (21) größer ist als eine vorgegebene maximale Abweichung, wobei die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls (21) relativ zur Position der Austrittsöffnung (33) vorgegeben ist; falls die Abweichung größer ist als die vorgegebene maximale Abweichung, Verstel len der Position des Justierlaserstrahls (21) relativ zur Austrittsöffnung (33); undDetermining whether a deviation of the determined position of the alignment laser beam (21) from a predetermined position of the alignment laser beam (21) is greater than a predetermined maximum deviation, the predetermined position of the alignment laser beam (21) being predetermined relative to the position of the exit opening (33); if the deviation is greater than the predetermined maximum deviation, Verstel len the position of the alignment laser beam (21) relative to the outlet opening (33); and
Wiederholen der Schritte Aufnehmen eines Bildes, Ermitteln der Position des Jus tierlaserstrahls (21) und der Position der Austrittsöffnung (33), Bestimmen der Abweichung und Verstellen der Position, solange bis die Abweichung der ermittelten Position des Jus tierlaserstrahls (21) von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls (21) kleiner als oder gleich wie die vorgegebene maximale Abweichung ist. Repeating the steps of taking an image, determining the position of the adjustment laser beam (21) and the position of the outlet opening (33), determining the deviation and adjusting the position until the deviation of the determined position of the adjustment laser beam (21) from the predetermined position of the alignment laser beam (21) is less than or equal to the specified maximum deviation.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Verstellen der Position des Justierlaser strahls (21) relativ zur Austrittsöffnung (33) ein Verstellen der Position des Justierlaser strahls (21) bezüglich der Austrittsöffnung (33) und/oder ein Verstellen der Position der Austrittsöffnung (33) bezüglich des Justierlaserstrahls (21) umfasst. 2. The method according to claim 1, wherein the adjustment of the position of the alignment laser beam (21) relative to the exit opening (33) an adjustment of the position of the alignment laser beam (21) with respect to the exit opening (33) and / or an adjustment of the position of the exit opening ( 33) with respect to the alignment laser beam (21).
3. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln der Posi tionen umfasst: 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein determining the positions comprises:
Bestimmen eines Flächenschwerpunkts (O) der Austrittsöffnung (33) als die vorge gebene Position des Justierlaserstrahls (21) und/oder Bestimmen eines Flächenschwerpunkts (S) des Justierlaserstrahls (21) als Position des Justierlaserstrahls (21). Determination of a centroid (O) of the outlet opening (33) as the predetermined position of the alignment laser beam (21) and / or determination of a centroid (S) of the alignment laser beam (21) as the position of the alignment laser beam (21).
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Bestimmen des Flächenschwerpunkts (O) der Austrittsöffnung (33) ein Ermitteln einer Innenkontur (34) des Düsenmunds (32) durch Bildanalyse des aufgenommenen Bildes umfasst, und/oder wobei das Bestimmen des Flächenschwerpunkts (S) des Justierlaserstrahls (21) das Bestimmen einer Kontur (24) des Justierlaserstrahls (21) durch Bildanalyse des aufgenom menen Bildes umfasst. 4. The method according to claim 3, wherein the determination of the centroid (O) of the outlet opening (33) comprises determining an inner contour (34) of the nozzle mouth (32) by image analysis of the recorded image, and / or where the determination of the centroid (S) of the alignment laser beam (21) comprises determining a contour (24) of the alignment laser beam (21) by image analysis of the recorded image.
5. Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei eine erste Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls (21) von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls (21) in einer ersten Richtung (x) und eine zweite Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls (21) von der vorgegebe nen Position des Justierlaserstrahls (21) in einer zweiten Richtung bestimmt wird, wobei die erste und die zweite Richtung (y) senkrecht zueinander sind; wobei die vorgegebene maximale Abweichung eine erste vorgegebene maximale Abweichung entlang der ersten Richtung (x) und eine zweite vorgegebene maximale Ab weichung entlang der zweiten Richtung (y) umfasst, und wobei bestimmt wird, dass die Abweichung größer ist als die vorgegebene maximale Abweichung, falls die erste Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls (21) von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls (21) in der ersten Richtung (x) größer ist als die erste vorgegebene maximale Abweichung und/oder falls die zweite Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls (21) von der vorgegebenen Position des Jus tierlaserstrahls (21) in der zweiten Richtung (y) größer ist als die zweite vorgegebene ma ximale Abweichung. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein a first deviation of the determined position of the adjustment laser beam (21) from the predetermined position of the adjustment laser beam (21) in a first direction (x) and a second deviation of the determined position of the adjustment laser beam (21) from the predetermined position of the alignment laser beam (21) is determined in a second direction, the first and the second direction (y) being perpendicular to one another; wherein the predetermined maximum deviation comprises a first predetermined maximum deviation along the first direction (x) and a second predetermined maximum deviation along the second direction (y), and wherein it is determined that the deviation is greater than the predetermined maximum deviation, if the first deviation of the determined position of the adjustment laser beam (21) from the predetermined position of the adjustment laser beam (21) in the first direction (x) is greater than the first predetermined maximum deviation and / or if the second deviation of the determined position of the adjustment laser beam (21) from the predetermined position of the adjustment laser beam (21) in the second direction (y) is greater than the second predetermined maximum deviation.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Aufnehmen des Bildes durch eine optische Erfassungseinheit (51) erfolgt, und wobei das Verfahren ferner umfasst: Bewegen des Laserbearbeitungskopfes (30) relativ zur optischen Erfassungseinheit (51), sodass der Düsenmund (32) der am Laserbear beitungskopf (30) montierten Düse vollständig im Gesichtsfeld der optischen Erfassungs einheit (51) liegt. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the recording of the image is carried out by an optical detection unit (51), and wherein the method further comprises: moving the laser processing head (30) relative to the optical detection unit (51) so that the nozzle mouth (32) the nozzle mounted on the Laserbear processing head (30) lies completely in the field of view of the optical detection unit (51).
7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend die Schritte: 7. The method according to any one of the preceding claims, further comprising the steps:
Bestimmen anhand zumindest eines aufgenommenen Bildes, ob eine Düsenzu standsbedingung erfüllt ist, und falls die Düsenzustandsbedingung nicht erfüllt ist, Ausgeben eines Fehlers. Using at least one recorded image, determining whether a nozzle state condition is met, and if the nozzle state condition is not met, outputting an error.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei zum Bestimmen, ob die Düsenzustandsbedin gung erfüllt ist, die Schritte umfasst: 8. The method of claim 7, wherein to determine whether the nozzle state condition is met, comprises the steps of:
Bestimmen eines Werts eines Düsenzustandsparameters anhand des aufgenommenen Bildes, und Determining a value of a nozzle state parameter on the basis of the recorded image, and
Vergleichen des bestimmten Werts mit zumindest einem vorgegeben Wert für den Düsenzustandsparameter, wobei der Düsenzustandsparameter einen geometrischen Düsenzustandsparameter umfasst, der eine Innenkontur (34) des Düsenmunds (32), eine Elliptizität der Innenkontur (34) des Düsenmunds (32), einen Durchmesser der Innenkontur (34) des Düsenmunds (32) und/oder einen Formfaktor der Innenkontur (34) des Düsenmunds (32) umfasst, und/oder wobei der Düsenzustandsparameter einen optischen Düsenzustandsparameter umfasst, der eine Reflektivität des Düsenmunds (32) umfasst. Comparing the determined value with at least one predetermined value for the nozzle state parameter, the nozzle state parameter comprising a geometric nozzle state parameter which includes an inner contour (34) of the nozzle mouth (32), an ellipticity of the inner contour (34) of the nozzle mouth (32), a diameter of the inner contour (34) of the nozzle mouth (32) and / or a form factor of the inner contour (34) of the nozzle mouth (32), and / or wherein the nozzle state parameter comprises an optical nozzle state parameter which comprises a reflectivity of the nozzle mouth (32).
9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum Verstellen der Position des Justierlaserstrahls (21) relativ zur Austrittsöffnung (33) zumindest eines der folgenden Elemente in einer Ebene (x-y) senkrecht zur optischen Achse des Laserbearbei tungskopfes (30) bewegt wird: zumindest ein im Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes (30) angeordnetes optisches Element, zumindest ein Teil einer Fokussieroptik des Laserbe arbeitungskopfes (30), zumindest ein Teil einer Kollimationsoptik des Laserbearbeitungs kopfes (30), ein Faserende einer den Justierlaserstrahl (21) und/oder den Laserstrahl dem Laserbearbeitungskopf (30) zuführenden Lichtleitfaser (22), eine Faserbuchse zum Koppeln einer den Justierlaserstrahl (21) und/oder den Laserstrahl führenden Lichtleitfaser (22) am Laserbearbeitungskopf (30), und die Düse (31). 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein for adjusting the position of the alignment laser beam (21) relative to the outlet opening (33) at least one of the following elements in a plane (xy) perpendicular to the optical axis of the Laserbearbei processing head (30) is moved: at least an optical element arranged in the beam path of the laser processing head (30), at least part of a focusing optics of the laser processing head (30), at least part of a collimation optics of the laser processing head (30), a fiber end of the alignment laser beam (21) and / or the laser beam Optical fiber (22) feeding the laser processing head (30), a fiber socket for coupling an optical fiber (22) which carries the alignment laser beam (21) and / or the laser beam to the laser processing head (30), and the nozzle (31).
10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt: falls der Justierlaserstrahl (21) nicht durch die Austrittsöffnung (33) tritt, Wiederho len der folgenden Schritte so lange, bis der Justierlaserstrahl (31) durch die Austrittsöffnung (33) tritt: Verstellen der Position des Justierlaserstrahls (21) relativ zur Austrittsöffnung (33) entlang eines vorgegebenen Pfads und Bestimmen, ob der Justierlaserstrahl (21) durch die Austrittsöffnung (33) tritt. 10. The method according to any one of the preceding claims, further comprising the step: if the alignment laser beam (21) does not pass through the exit opening (33), repeat the following steps until the alignment laser beam (31) passes through the exit opening (33) : Adjusting the position of the alignment laser beam (21) relative to the exit opening (33) along a predetermined path and determining whether the alignment laser beam (21) passes through the exit opening (33).
11. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Durchmesser des Justierlaserstrahls kleiner ist als ein Durchmesser der Austrittsöffnung, und/oder wobei eine Querschnittsfläche des Justierlaserstrahls kleiner ist als eine Fläche der Austrittsöffnung. 11. The method according to any one of the preceding claims, wherein a diameter of the alignment laser beam is smaller than a diameter of the exit opening, and / or wherein a cross-sectional area of the alignment laser beam is smaller than an area of the exit opening.
12. Laserbearbeitungssystem (10) zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laser strahl, das Laserbearbeitungssystem (10) umfassend: eine Laserquelle (20), die eingerichtet ist, den Laserstrahl und einen zum Laserstrahl koaxialen Justierlaserstrahl (21) zu erzeugen, einen Laserbearbeitungskopf (30) mit einer Düse (31), wobei die Düse (31) eine Austrittsöffnung (33) zum Austritt des Laserstrahls oder des Justierlaserstrahls (21) aus dem Laserbearbeitungskopf (30) und einen die Austrittsöffnung (33) umgebenden Düsenmund (32) umfasst, und mit einer Verstelleinheit (40) zum Verstellen der Position des Justierlaser strahls (21) relativ zur Austrittsöffnung (33); eine Ausrichteinheit (50) mit einer optischen Erfassungseinheit (51), wobei die opti sche Erfassungseinheit (51) eingerichtet ist, um ein Bild von der Austrittsöffnung (33) so wie vom Düsenmund (32) aufzunehmen; und eine Steuervorrichtung (60), die eingerichtet ist: zu bestimmen, ob der Justierlaserstrahl (21) durch die Austrittsöffnung (33) tritt; eine Position des durch die Austrittsöffnung (33) tretenden Justierlaserstrahls (21) und eine Position der Austrittsöffnung (33) anhand des aufgenommenen Bildes zu ermitteln; eine Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls (21) von einer vor gegebenen Position des Justierlaserstrahls (21) zu bestimmen, wobei die vorgegebene Posi tion des Justierlaserstrahls (21) relativ zur Position der Austrittsöffnung (33) vorgegeben ist; und durch Ansteuem der Verstelleinheit (40) die Position des Justierlaserstrahls (21) re lativ zur Austrittsöffnung (33) zu verstellen, . 12. Laser processing system (10) for processing a workpiece with a laser beam, the laser processing system (10) comprising: a laser source (20) which is set up to generate the laser beam and an alignment laser beam (21) coaxial with the laser beam, a laser processing head (30) ) with a nozzle (31), the nozzle (31) comprising an exit opening (33) for the exit of the laser beam or the adjustment laser beam (21) from the laser processing head (30) and a nozzle mouth (32) surrounding the exit opening (33), and with an adjustment unit (40) for adjusting the position of the alignment laser beam (21) relative to the outlet opening (33); an alignment unit (50) with an optical detection unit (51), the optical detection unit (51) being set up to record an image of the outlet opening (33) as well as of the nozzle mouth (32); and a control device (60) configured to: determine whether the alignment laser beam (21) passes through the exit opening (33); to determine a position of the alignment laser beam (21) passing through the exit opening (33) and a position of the exit opening (33) on the basis of the recorded image; to determine a deviation of the determined position of the alignment laser beam (21) from a given position of the alignment laser beam (21), the predetermined posi tion of the alignment laser beam (21) relative to the position of the outlet opening (33) is specified; and by controlling the adjustment unit (40) to adjust the position of the adjustment laser beam (21) relative to the outlet opening (33),.
13. Laserbearbeitungssystem (10) gemäß Anspruch 12, wobei die Verstelleinheit (40) umfasst: zumindest eine am oder im Laserbearbeitungskopf (30) angeordnete Bewegungsein heit (41), die eingerichtet ist, um zumindest eines der folgenden Elemente in einer Ebene (x- y) senkrecht zur optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes (30) zu bewegen: zumindest ein im Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs angeordnetes optisches Element, zumin dest ein Teil einer Fokussieroptik des Laserbearbeitungskopfs, zumindest ein Teil einer Kol limationsoptik des Laserbearbeitungskopfs, ein Faserende einer den Justierlaserstrahl und/oder den Laserstrahl dem Laserbearbeitungskopf zuführenden Lichtleitfaser, eine Fa serbuchse zum Koppeln einer den Justierlaserstrahl und/oder den Laserstrahl führenden Lichtleitfaser am Laserbearbeitungskopf, und die Düse. 13. Laser processing system (10) according to claim 12, wherein the adjustment unit (40) comprises: at least one movement unit (41) which is arranged on or in the laser processing head (30) and is set up to move at least one of the following elements in a plane (x- y) perpendicular to the optical axis of the laser processing head (30) to move: at least one optical element arranged in the beam path of the laser processing head, at least part of a focusing optics of the laser processing head, at least a part of a collimation optics of the laser processing head, a fiber end of the alignment laser beam and / or the optical fiber feeding the laser beam to the laser machining head, a fiber socket for coupling an optical fiber guiding the alignment laser beam and / or the laser beam to the laser machining head, and the nozzle.
14. Laserbearbeitungssystem (10) gemäß Anspruch 13, wobei die Bewegungseinheit umfasst: zumindest einen Aktuator (42a, 42b), der am Laserbearbeitungskopf (30) montiert ist, und eingerichtet ist, um eine Rotationsbewegung bereitzustellen, und zumindest eine mechanische Einheit, die eingerichtet ist, die von dem zumindest einen Aktuator (42a, 42b) bereitgestellte Rotationsbewegung in eine translatorische Bewe- gung umzuwandeln, um das Element in zumindest einer Richtung entlang der zur optischen Achse senkrechten Ebene zu (x-y) bewegen. 14. The laser processing system (10) according to claim 13, wherein the movement unit comprises: at least one actuator (42a, 42b) which is mounted on the laser processing head (30) and is configured to provide a rotational movement, and at least one mechanical unit which is configured to provide the rotational movement provided by the at least one actuator (42a, 42b) to be converted into a translational movement in order to move the element in at least one direction along the plane perpendicular to the optical axis to (xy).
15. Laserbearbeitungssystem (10) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die op tische Achse der optischen Erfassungseinheit (51) und die optische Achse des Laserbearbei- tungskopfes (30) parallel zueinander oder koaxial verlaufen. 15. Laser processing system (10) according to one of claims 12 to 14, wherein the optical axis of the optical detection unit (51) and the optical axis of the laser processing head (30) run parallel to one another or coaxially.
16. Laserbearbeitungssystem (10) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Ausrichteinheit (50) ferner umfasst: eine Abdeckung (55), die femsteuerbar zu öffnen und zu schließen ist; und/oder - eine Beleuchtungseinrichtung (54), die eingerichtet ist, um den Düsenmund (32) zu beleuchten; und/oder eine Abbildungsoptik (52), die eingerichtet ist, um den Düsenmund (32) und den Justierlaserstrahl (21) auf die optischen Erfassungseinheit (51) abzubilden, und/oder eine optische Filtereinheit (53), der eingerichtet ist, um eine Wellenlänge des Justier- laserstrahls (21) passieren zu lassen. 16. The laser processing system (10) according to any one of claims 12 to 15, wherein the alignment unit (50) further comprises: a cover (55) which can be remotely opened and closed; and / or - a lighting device (54) which is set up to illuminate the nozzle mouth (32); and / or imaging optics (52) which are set up to image the nozzle mouth (32) and the alignment laser beam (21) onto the optical detection unit (51), and / or an optical filter unit (53) which are set up to a To let the wavelength of the alignment laser beam (21) pass.
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