DE19541643B4 - Verfahren zum räumlichen Lokalisieren des Brennpunktes eines Laserstrahls einer Bearbeitungsmaschine und Gerät zum Ausführen dieses Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum räumlichen Lokalisieren des Brennpunktes eines Laserstrahls einer Bearbeitungsmaschine und Gerät zum Ausführen dieses Verfahrens Download PDF

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Abstract

Verfahren zur räumlichen Lokalisation des Brennpunkts eines Laserstrahls (14) einer Bearbeitungsmaschine bezüglich eines Werkstückträgertischs (18) dieser Maschine, das gekennzeichnet ist durch die Tatsache, dass es die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
– a) die Befestigung eines Zielobjekts (20) mit vier Rändern, die in einer ersten Ebene (XOY) ein Quadrat bilden, auf dem Werkstückträgertisch (18);
– b) die Emission eines Laserstrahls (14) auf solche Weise, dass seine Achse senkrecht zur ersten Ebene (XOY) ist; die Bewegung des Laserstrahls in einer zweiten Ebene (YOZ), die senkrecht zur ersten Ebene und zu zwei ersten, einander gegenüberliegenden Rändern des Zielobjekts (20) ist, auf solche Weise, dass eine geschätzte Position (PFE) des Brennpunkts des Laserstrahls (14) der Reihe nach in zwei Arbeitsebenen angeordnet wird, die parallel zur ersten Ebene (XOY) sind und sich im wesentlichen im gleichen Abstand auf der einen beziehungsweise auf der anderen Seite dieser ersten Ebene befinden; die Detektion einer ersten Serie...

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, das ermöglicht, im Raum den Brennpunkt eines Laserstrahls, der aus der Düse einer Laserbearbeitungsmaschine, wie etwa einer Schneide- oder Schweißmaschine, austritt, bezüglich eines Werkstückträgertisches dieser Maschine zu lokalisieren.
  • Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Gerät, das geeignet ist, auf den Werkstückträgertisch einer Bearbeitungsmaschine, die einen Laserstrahl verwendet, montiert zu werden, um ein derartiges Verfahren zur räumlichen Lokalisierung des Brennpunkts des Laserstrahls auszuführen.
  • In einer Bearbeitungsmaschine, die einen Laserstrahl verwendet, geht der Laserstrahl, der von einer Laserquelle herrührt, über eine relativ große Anzahl von Umlenkspiegeln (zum Beispiel neun), eine Kollimationslinse, die ermöglicht, die Wirkung der natürlichen Divergenz des Strahls zu verringern, und eine Fokussierlinse, die ermöglicht, den Laserstrahl auf einem sogenannten Brennpunkt zu konzentrieren, bis zu dem Gerät. Die Position dieses Brennpunktes bezüglich des Werkstücks ist sehr wichtig, da in diesem Punkt die höchste Leistungsdichte zur Verfügung steht. So muß sich der Brennpunkt auf der Oberfläche des Werkstücks auf einer Schneide- oder Schweißmaschine befinden.
  • Eine genauere Analyse der optischen Phänomene und insbesondere die Berücksichtigung der chromatischen Aberrationsphänomene zeigt, daß der Brennpunkt in Wirklichkeit aus einem Fleck besteht. Außerdem ändert sich die Verteilung der Leistung in diesem Fleck in Abhängigkeit von dem transversalen elektromagnetischen Moden (TEM) der Laserquelle. In der gesamten Anmeldung bezeichnet daher der Ausdruck "Brennpunkt" den Fleck, den man erhält, wenn der Laserstrahl auf eine von der Fokussierlinse des Laserstrahls um eine Entfernung, die gleich der Brennweite dieser Linse ist, entfernte Oberfläche auftritt.
  • In Bearbeitungsmaschinen, die einen Laserstrahl verwenden, erfähr der optische Weg, dem der Strahl folgt, Abweichungen von dem theoretischen optischen Weg insbesondere in der Folge von Ausrichtungsfehlern der Spiegel und in Folge ihrer Abnutzung. Diese Abweichungen des optischen Wegs beeinflussen die Position des Brennpunkts bezüglich der Düse. Diese Position des Brennpunkts wird außerdem von den Eigenschaften der Laserquelle, von ihren Anomalien und auch von der Fokussierlinse beeinflußt. Die Position des Brennpunkts erfährt somit Veränderungen bezüglich des mechanischen Aufbaus der Maschine, von denen bestimmte völlig unabhängig von diesem mechanischen Aufbau sind.
  • Folglich erfordern die speziellen Eigenschaften der Bearbeitungsmaschinen, die einen Laserstrahl verwenden, daß den mechanischen Einregelungsvorgängen, die periodisch durchgeführt werden müssen, um den Zustand der Mechanik zu verifizieren, so wie es in herkömmlichen, programmierten Bearbeitungsmaschinen der Fall ist, zusätzliche Einregelungsvorgänge hinzugefügt werden, die darauf abzielen, den Brennpunkt des Laserstrahls im Raum bezüglich des Werkstückträgertischs der Maschine zu lokalisieren.
  • Somit teilt sich die Einregelung einer Bearbeitungsmaschine, die einen Laserstrahl verwendet, in verschiedene Vorgänge auf. Während eines ersten Vorgangs sucht der Benutzer den "Maschinen-Werkstück-Punkt", das heißt die automatisch von der Ausgangsdüse des Laserstrahls bezüglich des Werkstückträgertischs der Maschine erreichte Position. Wenn dieser erste Vorgang beendet ist, sucht der Benutzer den "Laser-Werkstück-Punkt", das heißt die Position des Brennpunktes bezüglich des Werkstückträgertisches. Der Vergleich zwischen diesen beiden Punkten definiert einen Korrekturvektor, der während der Bearbeitung automatisch berücksichtigt wird. Außerdem ermöglicht für jede Anordnung zur Bearbeitung eines Werkstücks eine andere Prozedur dem Benutzer den "Werkstückpunkt" zu suchen, das heißt den Ausgangspunkt des Programms, auf den sich die Bearbeitung dieses Werkstücks bezieht.
  • Der erste dieser Vorgänge, während dessen der "Maschinen-Werkstück-Punkt" gesucht wird, wird mittels eines internen Unterprogramms der digitalen Steuerung der Maschine ausgeführt. Es handelt sich um einen komplexen Vorgang, während dessen ein kapazitiver Fühler, der auf dem Kopf der Düse montiert ist, den Mittelpunkt einer Referenzkugel sucht, die auf dem Werkstückträgertisch der Maschine montiert ist. Dieser Vorgang ermöglicht eine genaue Lokalisierung des gesuchten "Maschine-Werkstück-Punkts" mit einer Genauigkeit von 2/100 mm.
  • Die Suche des "Werkstückpunkts", die für jeden Bearbeitungsaufbau durchgeführt werden muss, um den Ausgangspunkt für den Bearbeitungspunkt eines Werkstücks zu kennen, wird auf ähnliche Weise mit Hilfe eines kapazitiven Fühlers durchgeführt, der sich auf dem Kopf der Ausgangsdüse des Laserstrahl befindet, wobei ein räumlicher Ausgangspunkt verwendet wird, der auf dem Werkstückträgertisch montiert ist. Diese Prozedur besitzt daher die gleichen Eigenschaften wie diejenige, während der der "Maschinen-Werkstück-Punkt" festgelegt wird.
  • Im Gegensatz dazu besitzt der Vorgang, während dessen der Brennpunkt des La serstrahls im Raum bezüglich des Werkstückträgertischs lokalisiert wird, nicht die gleichen Eigenschaften hinsichtlich der Präzision und der Reproduzierbarkeit wie die beiden anderen.
  • Das erklärt sich hauptsächlich durch die Tatsache, daß dieser Vorgang zum Suchen des Brennpunktes auf der visuellen Lokalisierung einer blauen Flamme an der Stelle, an der der Laserstrahl einen auf dem Werkstückträgertisch fixierten Referenzzylinder trifft, beruht. Diese blaue Flamme, die durch das Auftreffen des Laserstrahls auf dem Referenzzylinder erzeugt wird, macht die Stelle der höchsten Leistungsdichte sichtbar. Da die genaue Lokalisierung der blauen Flamme schwierig zu beherrschen ist, kann der Benutzer die Endpunkte für das Auftreten dieser blauen Flamme in der vertikalen Richtung suchen und dann den Mittelwert bilden, um die vertikale Position des Brennpunktes zu erhalten. Der Brennpunkt wird dann in der horizontalen Ebene erhalten, indem man die blauen Flammen beobachtet, die auf vier Punkten des Zylinders erzeugt werden, die sich auf peripheren, gegeneinander um 90° verschobenen Stellen befinden.
  • All diese Vorgänge, die zur Bestimmung des Brennpunktes notwendig sind, wie auch weitere Vorgänge, die hier nicht beschrieben sind, könnten ungefähr drei Stunden dauern und bieten eine relative Genauigkeit.
  • So führt die visuelle Suche nach der blauen Flamme, die ermöglicht, die Position des Brennpunkts zu erhalten, in Abhängigkeit von dem Benutzer zu einer großen Dispersion der Meßwerte. Insbesondere wurde herausgefunden, daß die Dispersion der Position des Brennpunkts in der vertikalen Richtung bei verschiedenen Benutzern ungefähr 0,6 mm beträgt. Obwohl keine quantitativen Messungen vorliegen, könnte diesselbe Feststellung für die Lokalisierung des Brennpunkts in der horizontalen Ebene gemacht werden.
  • Aus diesen Beobachtungen folgt, daß die Einregelungsvorgänge, die derzeit in Bearbeitungsmaschinen mit Laserstrahlen verwendet werden, keine ausreichend genaue und wiederholbare räumliche Lokalisation des Brennpunkts ermöglichen, um eine maximale Wirksamkeit der Bearbeitungsmaschine zu garantieren.
  • Des weiteren zeigt die Patentschrift DE 31 34 555 C2 eine Einrichtung zur Bestimmung der Fokussierposition bei Laserbearbeitungseinrichtungen, die eine längs der optischen Achse verstellbare Sammellinse aufweist, mit Hilfe des Bearbeitungsstrahls selbst. Die Vorrichtung umfasst ein optisches Element in Form eines Lichtschirms oder eine Lochblende, sowie einen Lichtsensor, wobei das optische Element oder der Lichtsensor in Richtung der optischen Achse verstellbar ist.
  • Als weiteres Beispiel zeigt die Patentschrift DE 31 34 556 C2 eine Vorrichtung zur Überwachung der Lageabweichung der optischen Achse des Laserstrahls bei Laserbearbeitungseinrichtungen, insbesondere bei Laserschneideeinrichtungen, mit mehreren, um einen Mittelpunkt symmetrisch gruppierten, lichtempfindlichen Sensoren, welche Strahlungsanteile des Laserstrahls empfangen und entsprechend der Abweichung der optischen Achse des Laserstrahls von dem Mittelpunkt Signale einer Auswerteeinrichtung zuführen.
  • Des weiteren zeigt die Patentschrift US 4,761,561 ein mustergenerierendes System zur Rasterabtastung eines Laserstrahls auf einem Werkstück, um eine automatische Zeichnung auf Basis der Designmusterdaten auszuführen.
  • Die Erfindung hat ein neues Verfahren zum Gegenstand, das ermöglicht, den Brennpunkt einer Bearbeitungsmaschine im Raum bezüglich des Werkstückträgertischs dieser Maschine auf eine ausreichend genaue und wiederholbare Weise zu lokalisieren, um in Verbindung mit den anderen vorhanden Einregelungsvorgängen das Erreichen einer maximalen Wirksamkeit dank einer präzisen Lokalisierung des Brennpunkts auf der Oberfläche des zu schneidenden oder je nachdem des zu schweißenden Werkstücks zu erhalten.
  • Erfindungsgemäß wird dieses Ergebnis erhalten durch ein Verfahren zur räumlichen Lokalisation des Brennpunkts eines Laserstrahls einer Bearbeitungsmaschine bezüglich eines Werkstückträgertischs dieser Maschine, das gekennzeichnet ist durch die Tatsache, dass es die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
    • – a) die Befestigung eines Zielobjekts mit vier Rändern, die in einer ersten Ebene ein Quadrat bilden, auf dem Werkstückträgertisch;
    • – b) die Emission eines Laserstrahls auf solche Weise, dass seine Achse senkrecht zur ersten Ebene ist; die Bewegung des Laserstrahls in einer zweiten Ebene, die senkrecht zur ersten Ebene und zu zwei ersten, einander gegenüberliegenden Rändern des Zielobjekts ist, auf solche Weise, dass eine geschätzte Position des Brennpunkts des Laserstrahls der Reihe nach in zwei Arbeitsebenen angeordnet wird, die parallel zur ersten Ebene sind und sich im wesentlichen im gleichen Abstand auf der einen beziehungsweise auf der anderen Seite dieser ersten Ebene befinden; die Detektion einer ersten Serie von vier Auftreffpunkten des Laserstrahls auf den beiden ersten, einander gegenüberliegenden Rändern des Zielobjekts; und die Bestimmung einer berechneten Position des Brennpunktes in der zweiten Ebene, die sich am Schnittpunkt der beiden Geraden befindet, die die auf den einander gegenüberliegenden Rändern des Zielobjekts und in den beiden Arbeitsebenen befindlichen Auftreffpunkte verbinden;
    • – c) wenigstens einmaliges Wiederholen des Schritts b), wobei der Reihe nach die erste Ebene auf der einen und der anderen Seite der Position des zuletzt berechneten Brennpunktes angeordnet wird;
    • – d) Wiederholung der Schritte b) und c) in einer dritten Ebene senkrecht zur den ersten und zweiten Ebenen, um eine berechnete Position des Brennpunkts in dieser dritten Ebene zu bestimmen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, detektiert man die Auftreffpunkte, indem man Vorrichtungen zum Lokalisieren des Auftreffens auf dem Werkstückträgertisch befestigt. Diese Vorrichtungen zum Lokalisieren des Auftreffens sind entweder Lichtstärkemesser oder thermische Fühler.
  • In dieser bevorzugten Ausführungsform montiert man das Zielobjekt ebenso wie vier Vorrichtungen zum Lokalisieren des Auftreffens derart auf einen Träger, daß die Vorrichtungen zum Lokalisieren des Auftreffens zu den Schnittpunkten der Ränder des Zielobjekts mit den zweiten und dritten Ebenen hin gerichtet sind, und befestigt man den Träger auf dem Werkstückträgertisch.
  • Damit die anderen Regelungsvorgänge der Maschine mittels des gleichen Aufbaus durchgeführt werden können, verwendet man einen Träger, der mit Bezugspunkten versehen ist, die eine räumliche Lokalisierung einer den Laserstrahl emittierenden Düse bezüglich des Werkstückträgertischs ermöglichen.
  • Vorteilhafterweise verwendet man ein Zielobjekt, das aus einem quadratischen Blech besteht, das man parallel zu einer oberen Fläche des Werkstückträgertischs befestigt.
  • Um eine maximale Präzision bei den durchgeführten Messungen zu erhalten, ordnet man die Arbeitsebenen in einem optimalen Abstand (in der Größenordnung von einigen zehn Millimetern) auf der einen und der anderen Seite der ersten Ebene an.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wiederholt man den Schritt b) ein einziges Mal, um eine zweite Reihe von vier Auftreffpunkten zu detektieren, man bestimmt aus der ersten und der zweiten Reihe von Auftreffpunkten vier berechnete Positionen des Brennpunkts in der zweiten Ebene, und man berechnet den Mittelwert dieser vier berechneten Punkte, um die Lokalisierung des Brennpunktes in der zweiten Ebene zu erhalten.
  • Die Erfindung hat außerdem zum Gegenstand ein Gerät zur räumlichen Lokalisierung des Brennpunktes eines Laserstrahls einer Bearbeitungsmaschine bezüglich eines Werkstückträgertischs dieser Maschine, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß es einen Träger, der geeignet ist, auf dem Werkstückträgertisch befestigt zu werden, ein auswechselbares Zielobjekt, das aus einem quadratischen Blech besteht, das auf einer Stelle entlang einer vorgegebenen Richtung auf dem Träger montiert ist, und vier Vorrichtungen zur Auftrefflokalisierung umfaßt, die in dem Träger solcherart montiert sind, daß sie zu den vier Rändern des Zielobjekts hin orientiert sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Geräts umfaßt die Stelle, die zur Aufnahme des Zielobjekts vorgesehen ist, eine ebene Oberfläche, die parallel zu einer Fläche des Trägers ist, der geeignet ist, auf dem Werkstückträgertisch befestigt zu werden, und zwei Ränder, die die ebene Fläche überragen, die untereinander einen rechten Winkel bilden, wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, das Zielobjekt auf der ebenen Oberfläche gegen die überragenden Rändern angelehnt zu halten.
  • Vorteilhafterweise umfassen die Vorrichtungen zum Halten des Zielobjekts eine elastische Vorrichtung, die das Zielobjekt gegen die überragenden Ränder überfängt, und eine magnetische Vorrichtung, die das Zielobjekt gegen die ebene Oberfläche überfängt.
  • Die Vorrichtungen zur Auftrefflokalisierung können Lichtstärkemesser sein. Das Gerät umfaßt dann eine Schutzkappe, die mit Fenstern zum Durchlassen des Laserstrahls versehen ist. In diesem Fall sind das Innere der Kappe und der Träger in einem matten Schwarz gestrichen.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen als nicht einschränkendes Beispiel eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
  • Die 1A und 1B zeigen schematisch die Detektion und Lokalisierung von vier Auftreffpunkten des Laserstrahls auf zwei gegenüberliegenden Rändern eines quadratischen Zielobjekts entsprechend einem ersten Schritt der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 2 zeigt schematisch den nachfolgenden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, im Laufe desselben vier Auftreffpunkte detektiert und lokalisiert werden.
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht, die das Gerät, das vorgesehen ist, auf dem Werkstückträgertisch der Maschine befestigt zu werden, wobei dieses Gerät vier Fühler zur Detektion der Auftreffpunkte aufweist, ebenso wie das quadratische Zielobjekt zeigt, das während der schematisch in den 1A, 1B und 2 gezeigten Schritte verwendet wird.
  • 4 ist eine Draufsicht des Geräts der 3 nach dem Entfernen der Schutzkappe.
  • 5 ist ein Querschnitt entlang der Linie V-V der 4.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren, das ermöglicht, im Raum den Brennpunkt eines Laserstrahls einer Bearbeitungsmaschine bezüglich des Werkstückträgertischs dieser Maschine zu lokalisieren, ist vorgesehen, in den Einregelungsvorgang integriert zu werden, der in Bearbeitungsmaschinen, die einen Laserstrahl verwenden, durchgeführt wird.
  • Genauer ist dieses Verfahren zum räumlichen Lokalisieren des Brennpunkts des Laserstrahls vorgesehen, nach der Lokalisierung des "Maschinen-Werkzeug-Punkts" ent sprechend den herkömmlichen Techniken und vor der Suche nach dem "Gerätepunkt", die ebenfalls nach den herkömmlichen Techniken vor der programmierten Bearbeitung eines neuen Typs von Werkstücken noch durchgeführt werden muß, ausgeführt zu werden. Die herkömmlichen Einregelungsschritte, die die Suche nach dem "Maschinen-Werkzeug-Punkt" und die Suche nach dem "Gerätepunkt" darstellen, sind kein Bestandteil der Erfindung, so daß sie hier nicht beschrieben werden. Es sei im übrigen festgestellt, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch in bestimmten Fällen ausgeführt werden kann, die von diesen anderen bekannten Einregelungsschritten völlig unabhängig sind.
  • Vor der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform eines besonders für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Geräts wird zunächst das Prinzip dieses Verfahrens unter sukzessiver Bezugnahme auf die 1A, 1B und 2 beschrieben.
  • In den 1A und 1B bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Düse einer Bearbeitungsmaschine, die einen Laserstrahl verwendet. Entsprechend dem Einzelfall kann diese Bearbeitungsmaschine eine Schneidemaschine oder eine Schweißmaschine sein. Die Düse 10 ist am Ende eines schwenkbaren Arms (nicht gezeigt) montiert, der ermöglicht, die Düse für die Zwecke der Bearbeitung auszurichten. Dank des schwenkbaren Arms verfügt die Düse 10 über eine bestimmte Anzahl von Freiheitsgraden (zum Beispiel drei Translationsfreiheitsgrade und zwei Rotationsfreiheitsgrade).
  • Der von der Laserquelle (nicht dargestellt) herrührende Laserstrahl geht in der Form eines parallelen Strahls, der von in den Gelenken angeordneten Spiegeln gespiegelt wird, durch das Innere des schwenkbaren Arms. Eine Fokussierlinse (nicht dargestellt) wandelt den parallelen Strahl am Ausgang der Düse 10 in einen konvergenten Strahl 14 um. Somit wird der von der Düse 10 kommende Laserstrahl 14 auf den reellen Brennpunkt fokussiert, von dem man mit größtmöglicher Genauigkeit die Position bezüglich des Werk stückträgertischs der Maschine bestimmen möchte. Dieser Werkstückträgertisch ist in den 1A und 1B schematisch mit dem Bezugszeichen 18 dargestellt.
  • Um zur gewünschten räumlichen Lokalisierung des reellen Brennpunkts bezüglich des Werkstückträgertischs 18 zu gelangen, befestigt man auf letzterem ein Zielobjekt 20. Man verwendet dazu ein Gerät 22, von dem eine bevorzugte Ausführungsform später unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 beschrieben wird.
  • Das Zielobjekt 20 besteht aus einem quadratischen Blech, das auf dem Gerät 22 solcherart montiert ist, daß es sich in einer horizontalen Ebene befindet, die sich in einem vorgegebenen Abstand oberhalb der horizontalen Ebene des Werkstückträgertischs 18 befindet.
  • Wenn man mit dem Werkstückträgertisch 18 ein orthonormales Bezugssystem OXYZ verbindet, in dem OX und OY zwei aufeinander senkrecht stehende, horizontale Richtungen und OZ eine vertikale Richtungen bezeichnen, sind die Seiten des von dem Zielobjekt 20 gebildeten Quadrats paarweise parallel zu den Richtungen OX beziehungsweise OY.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren lokalisiert man sukzessive den Brennpunkt des Laserstrahls in den vertikalen Ebenen YOZ und XOZ. Die 1A, 1B und 2 zeigen die Lokalisierung des Brennpunktes in der Ebene YOZ. Die Lokalisierung des Brennpunktes in der Ebene XYZ wird durchgeführt, indem man in dieser Ebene die Schritte wiederholt, die im folgenden im Rahmen der Lokalisierung des Brennpunkts in der Ebene YOZ beschrieben werden.
  • Wenn das Zielobjekt 20 auf dem Werkstückträger 18 mittels des Geräts 22 montiert ist, setzt man die Bearbeitungsmaschine in Betrieb, um den fokussierten Laserstrahl 14 durch die Düse 10 zu emittieren. Man orientiert dann die Düse 10 derart, daß die Achse des Laserstrahls 14 vertikal, also parallel zur Achse OZ, und senkrecht zur horizontalen Ebene, die das Zielobjekt 20 enthält, bleibt. Man ordnet die Düse 10 zunächst auf einer solchen Höhe an, daß sich die geschätzte Position PFE des Brennpunkts in einer Arbeitsebene befindet, die sich in einem vorgegebenen Abstand d unterhalb des Zielobjekts befindet. Unter diesen Bedingungen und wie in 1A gezeigt bewegt man die Düse 10 in einer vertikalen Ebene parallel zur Ebene YOZ solcherart, daß die hohen Auftreffpunkte A1 und B1 des Laserstrahls 14 auf den beiden gegebenüberliegenden Rändern des Zielobjekts 20, die sich parallel zur Richtung OX erstrecken, lokalisiert werden. Das Auftreffen des Laserstrahls 14 auf den Rändern des Zielobjekts 20 hat als unmittelbare Folge die Erzeugung eines Plasmas, das unmittelbar durch in dem Gerät 22 montierte Fühler detektiert werden kann.
  • Wie in 1B gezeigt, wird die Düse 10 anschließend auf einer solchen Höhe angeordnet, daß sich die geschätzte Position PFE des Brennpunkts des Laserstrahls 14 diesmal über dem Zielobjekt 20 in einem Abstand d, der im wesentlichen identisch mit demjenigen ist, der die geschätzte Position PFE des Zielobjekts 20 bei der Detektion der Auftreffpunkte A1 und B1 vertikal trennte, befindet.
  • Dann wiederholt man die zuvor unter Bezugnahme auf die 1A beschriebenen Schritte, um die tiefen Auftreffpunkte C1 und D1 des Laserstrahls 14 auf den zur Achse OX parallelen Rändern des Zielobjekts 20 zu lokalisieren.
  • Der Schnittpunkt der Geraden A1D1 und B1C1, die die hohen und tiefen Auftreffpunkte auf den gegenüberliegenden Rändern des Zielobjekts verbinden, erlaubt, eine erste berechnete Position des Brennpunkts des Laserstrahls 14 zu bestimmen. Diese erste berechnete Position des Brennpunkts wird in den 1A, 1B und 2 mit dem Bezugszeichen PFC1 bezeichnet.
  • Es sei hier festzustellen, daß die Reihenfolge der Schritte, die unter Bezugnahme auf die 1A und 1B beschrieben wurde, gleichgültig ist. Die hohen Auftreffpunkte A1 und B1 und die tiefen Auftreffpunkte C1 und D1 können also ebenso gut in der beschriebenen Reihenfolge wie auch in der umgekehrten Reihenfolge detektiert werden.
  • Die erste berechnete Position PFC1 des Brennpunkts liegt näher an der reellen Position dieses Punkts als die geschätzte Position PFE, die zur Bestimmung der von der Düse bei den in den 1A und 1B gezeigten Vorgängen eingenommenen Höhen verwendet wurde. Die Präzision der Lokalisierung bleibt jedoch unzureichend.
  • Die zuvor unter Bezugnahme auf die 1A und 1B beschriebenen Vorgänge werden also wiederholt, indem dieses Mal die Düse 10 vertikal solcherart angeordnet wird, daß sich das Zielobjekt 20 im wesentlichen in einem gleichen Abstand d oberhalb beziehungsweise unterhalb der ersten berechneten Position PFC1 des Brennpunkts befindet. Man detektiert und lokalisiert somit vier neue Auftreffpunkte des Laserstrahls 14 auf den beiden Rändern des Zielgegenstands 20, die parallel zur Achse OX sind. Diese vier Auftreffpunkte werden mit den Bezugszeichen A2, B2, C2 und D2 in der 2 bezeichnet. Sie erlauben, eine zweite berechnete Position PFC2 des Brennpunkts zu bestimmen. Diese zweite berechnete Position liegt viel näher an der reellen Position als die erste berechnete Position PFC1.
  • Die exakte Position des Brennpunkts in der Ebene YOZ könnte erhalten werden, indem man die vorstehenden Vorgänge für eine bestimmte Anzahl wiederholt. Das hätte jedoch den Nachteil, die bei der Einregelung der Maschine durchgeführten Vorgänge beträchtlich zu verlängern.
  • Vorteilhafterweise beschränkt man sich daher auf die sukzessive Bestimmung der beiden berechneten Positionen PFC1 und PFC2 des Brennpunkts in der Ebene YOZ, und man lokalisiert den Brennpunkt in dieser Ebene, indem man die Koordinaten der vier Schnittpunkte der verschiedenen Geraden, die die verschiedenen hohen und tiefen Auftreffpunkte auf den gegenüberliegenden Rändern des Zielobjekts miteinander verbinden, be rechnet und dann den Mittelwert der Koordinaten dieser vier Schnittpunkte bestimmt. Genauer sind die vier für diese Berechnung verwendeten Punkt die Punkte, die sich an den Schnittpunkten der Geraden A2D2 und B2C2, A1D1 und B1C1, A1D2 und B1C2 und A2D1 und B2C1 befinden.
  • Wie zuvor erwähnt, werden alle gerade unter Bezugnahme auf die 1A, 1B und 2 beschriebenen Vorgängen in der Ebene XOZ wiederholt durchgeführt. Dadurch wird eine genaue und reproduzierbare räumliche Lokalisierung des Brennpunkts des Laserstrahls 14 erhalten.
  • Es ist klar, daß in der Praxis der Fehler der berechneten Positionen PFC1 und PFC2 umso geringer ist, je größer die vertikalen Abstände d sind, die das Zielobjekt 20 von den Arbeitsebenen, in denen sich der zuletzt berechnete Brennpunkt befindet, trennen. Umgekehrt beruhen die für die Bestimmung der räumlichen Position des Brennpunkts durchgeführten Berechnungen auf mathematischen Hypothesen, die falsch werden, wenn dieser Abstand zu groß wird. Aus diesem Grund verwendet man vorzugsweise einen optimalen vertikalen Abstand d (in der Größenordnung von einigen zehn Millimetern) zwischen dem Zielobjekt 20 und dem geschätzten oder zuvor berechneten Brennpunkt.
  • Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 eine bevorzugte Ausführungsform des Geräts 22 beschrieben, das das auswechselbare Zielobjekt 20 ebenso wie die vier Fühler trägt, die zum Festlegen und Lokalisieren der Auftreffpunkte des Laserstrahls auf diesem Zielobjekt dienen.
  • Wie zunächst in 3 gezeigt, umfaßt das Gerät 22 einen Träger 23, der mit einem Sockel 24 versehen ist, der vorgesehen ist, am Werkstückträgertisch 18 (1A und 1B) mittels zweier Schrauben, die durch Löcher 26 gehen, befestigt zu werden. Die Unterseite des Sockels ist somit auf der horizontalen Oberseite des Tisches 18 aufgebracht.
  • Der Sockel bildet somit eine horizontale Platte, von der aus sich vertikal vier Säu len 28 erheben, deren Achsen von oben betrachtet ein Quadrat bilden. An ihren obersten Enden tragen diese vier Säulen 28 eine Platte 30, die als Träger sowohl für das Zielobjekt als auf für vier Lichtstärkesensoren 32 dienen (4 und 5). Diese Lichtstärkesensoren können insbesondere aus Phototransistoren, Photodioden, Feldeffekt-Phototransistoren usw. bestehen. In einer Variante können sie durch thermische Sensoren ersetzt sein.
  • Genauer stellt sich die Platte 30 in der Form einer horizontalen Platte 30a quadratischer Form dar, die an jedem ihrer Winkel durch eine Ausstülpung 30b in der Form eines Kubus, der zur Aufnahme einer der Fühler 32 dient, nach oben verlängert ist. In ihrem zentralen Bereich, der sich zwischen den Ausstülpungen in der Form von Kuben befindet, weist die Platte 30a eine horizontale Oberseite 34 auf, die auf zwei Seiten von überragenden Rändern 36 begrenzt wird, die untereinander einen rechten Winkel bilden und die den Richtungen OX beziehungsweise OY in der 1A entsprechen. Das das Zielobjekt 20 bildende Blech ist vorgesehen, auf den solcherart geformten Träger derart angeordnet zu werden, daß eine seiner Flächen auf der Oberfläche 34 ruht und zwei seiner Seiten auf den überragenden Rändern 36 liegen.
  • Um die genaue und reproduzierbare Positionierung des Zielobjekts 20 auf der Platte 30 zu gewährleisten, ordnet man eine Feder 38 zwischen der Ausstülpung 30b dieser Platte, die dem Schnittpunkt der überragenden Ränder 36 gegenüberliegt, und einem stumpfen Winkel des Zielobjekts 20 an. Genauer ist diese Feder 38 eine Blattfeder, deren Ende sich auf Plättchen 40 (4) stützen, die sich in vertikalen Rillen befinden, die in die zuvor erwähnte Ausstülpung 30b der Platte 30 gearbeitet sind.
  • Weiterhin wird die Befestigung des Zielobjekts 20 in der vertikalen Richtung durch eine Paar von Magneten 42 und 44 sichergestellt, wie insbesondere in 5 gezeigt. Der Magnet 42 ist in einem Sitz eingeschlossen, der im Mittelpunkt der Oberfläche 34 der Platte 30 geformt ist. Im Gegensatz dazu ist der Magnet 44 frei und dazu bestimmt, auf dem Zielobjekt 20 gegenüber dem Magneten 42 angeordnet zu werden, wenn das Zielobjekt auf der Oberfläche 34 ruht.
  • Damit der Laserstrahl ohne Beschädigung die untere Platte 30a der Platte 30 bei der Suche nach den Auftreffpunkten des Strahls auf den Rändern des Zielobjekts 20 durchqueren kann, weist diese untere Platte vier Fenster 46 auf (4), die zwischen den Ausstülpungen der Platte 30 angeordnet sind und sich auf der einen und der anderen Seite der vier Ränder des Zielobjekts erstrecken, wenn dieses auf der Platte angeordnet ist.
  • Wie es die 4 und 5 zeigen, ist jeder der Fühler 32 in einem zylindrischen Sitz 48 montiert, der die eine der Ausstülpungen 30b der Platte 30 durchquert. Die Achse 49 jeder dieser zylindrischen Sitze 48 ist derart nach unten und zum Inneren der Platte hin geneigt, daß einer der Ränder des Zielobjekts 20 praktisch in seiner Mitte geschnitten wird. In der dargestellten Ausführungsform ist die Neigung der zylindrischen Sitze 48 solcherart, daß ihre Achse 49 mit der Horizontalen ebenso wie mit der entsprechenden Seite des Zielobjekts 20 in Draufsicht einen Winkel von 20° bildet. Diese Neigung wird ausgewählt, um die beste Wirkung und die bestmögliche Präzision für jeden der Fühler sicherzustellen.
  • Das in 3 dargestellte Gerät umfaßt außerdem eine Schutzabdeckung 50, die die Platte 30 ebenso wie die Säulen 28 vollständig bedeckt und auf dem Sockel 24 ruht. In ihrer oberen horizontalen Fläche, die unmittelbar auf der Platte 30 angeordnet ist, weist die Schutzabdeckung 50 vier Fenster 52 auf, die zum Durchgang des Laserstrahls bei der Suche nach den Auftreffpunkten desselben auf den vier Rändern des Zielobjekts bestimmt sind.
  • Um in dem Fall, in dem man Lichtstärkesensoren zum Feststellen der Auftreffpunkte verwendet, Lichtreflektionen zu vermeiden, sind das Innere der Abdeckung 50 ebenso wie der Träger 23 in matten Schwarz gestrichen.
  • Der Abstand, der die Platte 30 von dem Sockel 24 trennt und der durch die Länge der Säulen 28 bestimmt wird, wird derart ausgewählt, daß der Strahl, der bis zum Sockel 24 kommt, ausreichend gestreut ist, damit dieser Sockel nicht zerstört wird.
  • Das einzige Verbrauchsteil der in 3 dargestellten Anordnung ist das Zielobjekt 20. Um den Austausch dieses Zielobjekts durchzuführen, wenn das nötig ist, demontiert man die Schutzkappe 50 und entfernt den Magneten 44. Sobald ein neues Zielobjekt angeordnet ist, genügt es, den Magneten 44 und die Abdeckung 50 auf der Platte anzuordnen, damit die Anordnung wieder verwendet werden kann.
  • Wie in 3 gezeigt, ist der Träger 23 vorteilhafterweise mit Bezugspunkten ausgestattet, dank derer die anderen Einregelungsvorgänge der Maschine und insbesondere die Einregelung des Gerätepunkts durchgeführt werden können, ohne daß man auf eine andere Anordnung zurückgreifen müßte.
  • Ebenso sieht man in 3, daß die eine der Ausstülpungen 30b der Platte 30 auf ihrer oberen Fläche und auf der einen ihrer Seiten, die zur Außenseite der Platte hingewandt sind, zwei Hohlzylinder 54 trägt. Die Achse der in den Zylindern 54 geformten Löcher sind parallel zu den Achsen OY beziehungsweise OZ.
  • Es ist klar, daß diese insbesondere für die Einregelung des "Gerätepunkte" verwendeten Bezugspunkte auf einem von dem Träger 23 verschiedenen Träger montiert werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (13)

  1. Verfahren zur räumlichen Lokalisation des Brennpunkts eines Laserstrahls (14) einer Bearbeitungsmaschine bezüglich eines Werkstückträgertischs (18) dieser Maschine, das gekennzeichnet ist durch die Tatsache, dass es die folgenden Verfahrensschritte umfasst: – a) die Befestigung eines Zielobjekts (20) mit vier Rändern, die in einer ersten Ebene (XOY) ein Quadrat bilden, auf dem Werkstückträgertisch (18); – b) die Emission eines Laserstrahls (14) auf solche Weise, dass seine Achse senkrecht zur ersten Ebene (XOY) ist; die Bewegung des Laserstrahls in einer zweiten Ebene (YOZ), die senkrecht zur ersten Ebene und zu zwei ersten, einander gegenüberliegenden Rändern des Zielobjekts (20) ist, auf solche Weise, dass eine geschätzte Position (PFE) des Brennpunkts des Laserstrahls (14) der Reihe nach in zwei Arbeitsebenen angeordnet wird, die parallel zur ersten Ebene (XOY) sind und sich im wesentlichen im gleichen Abstand auf der einen beziehungsweise auf der anderen Seite dieser ersten Ebene befinden; die Detektion einer ersten Serie von vier Auftreffpunkten (A1, B1, C1, D1) des Laserstrahls (14) auf den beiden ersten, einander gegenüberliegenden Rändern des Zielobjekts (20); und die Bestimmung einer berechneten Position (PFC1) des Brennpunktes in der zweiten Ebene, die sich am Schnittpunkt der beiden Geraden (A1D1, B1C1) befindet, die die auf den einander gegenüberliegenden Rändern des Zielobjekts (20) und in den beiden Arbeitsebenen befindlichen Auftreffpunkte verbinden; – c) wenigstens einmaliges Wiederholen des Schritts b), wobei der Reihe nach die erste Ebene auf der einen und der anderen Seite der Position (PFC1) des zuletzt berechneten Brennpunktes angeordnet wird; – d) Wiederholung der Schritte b) und c) in einer dritten Ebene (XOZ) senkrecht zur den ersten und zweiten Ebenen, um eine berechnete Position des Brennpunkts in dieser dritten Ebene zu bestimmen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass man die Auftreffpunkte detektiert, indem man Vorrichtungen (32) zum Lokalisieren des Auftreffens auf dem Werkstückträgertisch befestigt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass man Lichtstärkemesser (32) als Vorrichtungen zum Lokalisieren des Auftreffens verwendet.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass man thermische Sensoren als Vorrichtungen zum Lokalisieren des Auftreffens verwendet.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass man das Zielobjekt (20) ebenso wie vier Vorrichtungen (32) zum Lokalisieren des Auftreffens derart auf einen Träger (23) montiert, dass die Vorrichtungen (32) zum Lokalisieren des Auftreffens zu den Schnittpunkten der Ränder des Zielobjekts (20) mit den zweiten und dritten Ebenen hin gerichtet sind, und man den Träger (23) auf dem Werkstückträgertisch (18) befestigt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass man einen Träger (23), der mit Bezugspunkten (54) versehen ist, die eine räumliche Lokalisierung einer den Laserstrahl (14) emittierenden Düse (10) bezüglich des Werkstückträgertischs (18) ermöglichen, verwendet.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass man ein Zielobjekt (20) verwendet, das aus einem quadratischen Blech besteht, das man parallel zu einer oberen Fläche des Werkstückträgertischs (18) befestigt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass man den Schritt b) ein einziges Mal wiederholt, um eine zweite Reihe von vier Auftreffpunkten (A2, B2, C2, D2) zu detektieren, man aus der ersten und der zweiten Reihe von Auftreffpunkten vier berechnete Positionen des Brennpunkts in der zweiten Ebene (YOZ) bestimmt, und man den Mittelwert dieser vier berechneten Punkte berechnet, um die Lokalisierung des Brennpunktes in der zweiten Ebene zu erhalten.
  9. Gerät zur räumlichen Lokalisierung des Brennpunktes eines Laserstrahls (14) einer Bearbeitungsmaschine bezüglich eines Werkstückträgertischs (18) dieser Maschine, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass es einen Träger (23), der geeignet ist, auf dem Werkstückträgertisch befestigt zu werden, ein auswechselbares Zielobjekt (20), das aus einem quadratischen Blech besteht, das auf einer Stelle entlang einer vorgegebenen Richtung auf dem Träger (23) montiert ist, und vier Vorrichtungen (32) zur Auftrefflokalisierung umfasst, die in dem Träger (23) solcherart montiert sind, dass sie zu den vier Rändern des Zielobjekts hin orientiert sind.
  10. Gerät nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass die Stelle, die zur Aufnahme des Zielobjekts vorgesehen ist, eine ebene Oberfläche (34), die parallel zu einer Fläche des Trägers (23) ist, der geeignet ist, auf dem Werkstückträgertisch (18) befestigt zu werden, und zwei Ränder (36) umfasst, die die ebene Fläche überragen und die untereinander einen rechten Winkel bilden, wobei Vorrichtungen (38, 42, 44) vorgesehen sind, das Zielobjekt (20) auf der ebenen Oberfläche (34) gegen die überragenden Rändern (36) angelehnt zu halten.
  11. Gerät nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass die Vorrichtungen zum Halten des Zielobjekts (20) eine elastische Vorrichtung (38), die das Zielobjekt gegen die überragenden Ränder (36) überfängt, und eine magnetische Vorrichtung (42, 44) umfassen, die das Zielobjekt gegen die ebene Oberfläche (34) überfängt.
  12. Gerät nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass die Vorrichtungen zur Auftrefflokalisierung Lichtstärkemesser (32) sind und dass das Gerät eine Schutzabdeckung (50) umfasst, die mit Fenstern (52) zum Durchlassen des Laserstrahls versehen ist, wobei das Innere der Kappe und der Träger in einem matten Schwarz gestrichen sind.
  13. Gerät nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch die Tatsache, dass der Träger (23) mit Bezugspunkten (54) versehen ist.
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