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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafterweise
verwendet man ein Zielobjekt, das aus einem quadratischen Blech
besteht, das man parallel zu einer oberen Fläche des Werkstückträgertischs
befestigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen als nicht
einschränkendes
Beispiel eine bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben.
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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.
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2 zeigt
schematisch den nachfolgenden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,
im Laufe desselben vier Auftreffpunkte detektiert und lokalisiert
werden.
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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.
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4 ist
eine Draufsicht des Geräts
der 3 nach dem Entfernen der Schutzkappe.
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5 ist
ein Querschnitt entlang der Linie V-V der 4.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.