DE3134556C2

DE3134556C2 -

Info

Publication number: DE3134556C2
Application number: DE19813134556
Authority: DE
Priority date: 1980-09-02
Filing date: 1981-09-01
Publication date: 1989-06-15
Also published as: AU549219B2; AU7480681A; CH653587A5; SE8105215L; FR2491370A1; SE452418B; GB2083217A; GB2083217B; CA1165138A; US4520261A; IT1142729B; FR2491370B1; IT8149210A0; JPS6121192Y2; DE3134556A1; JPS5749089U

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Lageabweichung der optischen Achse des Laserstrahles bei Laserbearbeitungseinrichtungen, insbesondere bei Laser-Schneideinrichtungen, mit mehreren, um einen Mittel punkt symmetrisch gruppierten, lichtempfindlichen Sensoren, welche Strahlungsanteile des Laserstrahles empfangen und entsprechend der Abweichung der optischen Achse des Laser strahles von dem Mittelpunkt Signale einer Auswerteeinrich tung zuführen.

Es ist eine Vorrichtung dieser Art bekannt (DE-OS 26 24 121), mit der die Lage eines nach seiner Form bekannten, aber ungenau positionierten Werkstückes festgestellt und der Laserstrahl so abgelenkt werden soll, daß seine optische Achse mit dem Mittelpunkt des zu bearbeitenden Werkstücks übereinstimmt. Zu diesem Zwecke ist bei der bekannten Vor richtung zusätzlich zum Bearbeitungslaser ein Meßlaser vorgesehen, dessen Meßstrahlen in den Strahlengang des Bearbeitungslasers eingespiegelt werden und dessen vom Werkstück reflektierte, über einen Adapter seitwärts ab gelenkte Lichtstrahlen ihrer unterschiedlichen Intensität entsprechend von Sensoren erfaßt werden, die über einen Rechner zwei Motoren steuern, welche dann die Optik des Arbeitslasers transformieren und auf den gegebenenfalls verschobenen Koordinaten-Nullpunkt des Werkstückes ein richten.

Es ist auch bereits eine Vorrichtung zur Überwachung der Lageabweichung der optischen Achse der Laserstrahlen bei Lasereinrichtungen bekannt (JP-OS 53 97 796), bei der der Sensor von einer Ringlochblende gebildet wird, die im Strahlengang des Lasers unmittelbar hinter dem Strahlen erzeuger angeordnet ist und die von diesem ausgesandten Strahlen durch das zentrische Loch und die reflektierten Strahlen durch den dieses konzentrisch umgebenden Ring hindurchtreten läßt. Die Lageabweichung der optischen Achse wird hierbei durch die Randstrahlen festgestellt, die an einzelnen Punkten den Ringspalt verfehlen und auf dessen Innen- oder Außenwand auftreffen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der ein gangs näher erläuterten Art so auszubilden, daß die Ab weichungen der optischen Achse des Laserstrahles von der Mitte eines bearbeiteten Werkstückes sehr rasch festge stellt und Werkstück und Laserstrahl einfach und schnell aufeinander ausgerichtet werden können, wobei ggf. vorhan dene Abweichungen angezeigt und bei der Werkstückpositio nierung berücksichtigt werden können.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß die Sensoren zu mindestens drei, vorzugsweise vier linearen, um den gemeinsamen Mittelpunkt angeordneten Sensorreihen zusammengefaßt sind, die auf der Oberseite eines platten förmigen Meßgliedes angeordnet sind, das lösbar in einer Werkstücktransportvorrichtung anstelle des Werkstückes eingespannt ist.

Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß der Laserstrahl auf das Werkstück einjustiert werden kann, noch bevor dieses selbst in der Maschine in Stellung gebracht wurde. Dies ist dann besonders nützlich, wenn schwere und unhand liche Werkstücke bearbeitet werden sollen, deren seitliche Verschiebung auf dem Werkstücktisch zu Justierzwecken Schwierigkeiten macht und mit großen Anstrengungen ver bunden ist.

Um die Justierung zu erleichtern, ist es zweckmäßig, wenn die Auswerteeinrichtung mit einer Anzeigevorrichtung ver sehen ist.

Jeder Sensor kann einen lichtempfangenden Abschnitt auf weisen, auf dem eine Vielzahl kleiner Halbleiter-Licht empfängerelemente in Linearanordnung vorgesehen ist.

Die Überwachungsvorrichtung kann am Unterbau der Laser- Schneideinrichtung angeordnet sein, während im oberen Bereich, z. B. an einem Kopfträger Ablenkelemente vorge sehen sind, welche den Laserstrahl des Laser-Resonators vertikal nach unten auf das Meßglied ablenken. Dabei ist im verti kalen Strahlenweg eine justierbare Sammellinse vorgesehen.

Die Erfindung ist in der nach folgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung ausgerüstete Laser-Bearbeitungseinrichtung ge mäß der Erfindung in Seitenansicht;

Fig. 2 eine Draufsicht zu Fig. 1;

Fig. 3 eine Schemadarstellung der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung;

Fig. 4 und 5 die Überwachungseinrichtung in schematischen Darstellungen.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Laser-Bearbeitungs einrichtung 1 weist einen Laser-Resonator 3, z. B. einen Kohlendioxydgas-Laserresonator und eine Bearbeitungsein richtung 5 mit einem etwa C-förmigen Rahmengestell auf. Der Laser-Resonator 3 ist von handelsüblicher Ausführung, so daß sich eine nähere Erläuterung erübrigen kann.

Die Bearbeitungseinrichtung 5 besteht aus einem Bett oder Unterbau 9 mit einem daran angeordneten Tisch 7 zur Ab lage eines plattenförmigen Werkstücks W, ferner einem oberhalb des Unterbaus 9 angeordneten Kopfträger 11 und einer vertikalen Säule 13, welche den Unterbau 9 und den Kopfträger 11 zu dem C-förmigen Rahmengestell verbindet. Der Tisch weist an seiner Oberseite eine Vielzahl reibungsvermindernder Elemente 7 a mit drehbaren Stahl kugeln als Träger für das Werkstück W auf. An beiden Seiten des Unterbaus 9, d. h. gemäß Fig. 1 an der Vor derseite und an der Rückseite ist jeweils eine Führungs schiene 15 befestigt, die sich in Richtung der Y-Achse, nach Fig. 1 also von links nach rechts erstreckt. An den beiden Führungsstangen 15 ist ein Paar Schlitten 17 od. dgl. in Richtung der Y-Achse verstellbar geführt. Die beiden Schlitten 17 sind über eine Traverse 19 miteinan der verbunden, die sich in Richtung der X-Achse, also in horizontaler Richtung senkrecht zur Längsrichtung der Füh rungsstangen 15 erstreckt und mit geringem Abstand den Tisch 7 übergreift. Die beiden Schlitten sind demgemäß ge meinsam in Richtung der Y-Achse, gemäß Fig. 1 also von rechts nach links und umgekehrt beweglich am Unterbau 9 gelagert.

An der Traverse 19 ist eine Führungsschiene 21 befestigt, die sich senkrecht zur Y-Achse der Führungsstangen 15 in Richtung der X-Achse erstreckt und an der ein Schlitten 23 in Richtung der X-Achse verschiebbar geführt ist. An dem Schlitten 23 befinden sich mehrere Werkstück-Einspann vorrichtungen, welche das auf dem Tisch 7 ruhende Werk stück W an seinem rückwärtigen Rand einspannen. Mit Hilfe der beiden in senkrechten Richtungen zueinander bewegli chen Schlitten 17 und 23 läßt sich daher das Werkstück W auf dem Tisch 7 in Richtung der Y-Achse und in Richtung der X-Achse verschieben.

An dem einen Ende der Verbindungstraverse 19, gemäß Fig. 2 an dem oberen Ende ist parallel zu der Y-Achse ein Arm 27 od. dgl. angeordnet. Außerdem ist an dem Arm 27 zu beiden Seiten des Tisches 7 jeweils ein beweglicher Tisch 29 a bzw. 29 b befestigt. Die Oberflächen des Armes 27, des Tisches 7 und der beweglichen Tische 29 a und 29 b liegen in einer ge meinsamen Ebene. In Nähe des freien Endes des Armes 27 ist ein in Richtung der X-Achse wirkender Anschlag 31 vertikal verstellbar so angeordnet, daß er sich von einer Position, in der er bis unter die Oberflächen zurückgezogen ist, in eine Position bringen läßt, in der er vertikal die genann ten Oberflächen überragt. Das sich mit seiner Kante gegen den angehobenen Anschlag 31 legende Werkstück W ist daher in seiner Bezugsposition, d. h. in der Ausgangsposition in Richtung der X-Achse positioniert. Die Positionierung des Werkstückes W in der Bezugs- bzw. Ausgangsposition in Rich tung der Y-Achse erfolgt mittels eines (nicht dargestell ten) Anschlages, der an der Werkstück-Einspannvorrichtung 25 angeordnet ist. Durch diesen Anschlag wird das einge spannte Werkstück in der linken Endposition des Schlit tens 17 positioniert.

Die Ausgangsposition (d. h. die Position mit x = 0 und Y = 0), ist demgemäß definiert durch den Schnittpunkt der sich in Richtung der Y-Achse erstreckenden, durch die An schlagfläche des Anschlages 31 hindurchgehenden Geraden und einer sich in Richtung der X-Achse erstreckenden Ge raden, die durch die Anschlagfläche des an der Einspann vorrichtung 25 angeordneten Anschlages hindurchgeht, wenn sich die Schlitten 17 in der in den Fig. 1 und 2 gezeigten linken Endlage befinden. Die Ecke des Werkstücks W befin det sich hierbei in der Ausgangsposition (x = 0, y = 0), wenn sich die beiden kreuzenden Kanten des Werkstückes W in Kontakt mit den Anschlagflächen der Einspannvorrichtung 25 und des Anschlages 31 befinden. Das Werkstück W läßt sich in Richtung der X- und Y-Achse genau positionieren, indem es in der Einspannvorrichtung 25 eingespannt und von der Ausgangsposition in Richtung der X-Achse und der Y- Achse bewegt wird. Wie erwähnt, werden die Schlitten 17 und 23 in ihren Arbeitsbewegungen in Richtung der Y-Achse und der X-Achse mit Hilfe einer geeigneten Steuervorrich tung, z. B. einer numerischen Steuerung oder eines (nicht dargestellten) Computers automatisch gesteuert.

Am Kopfträger 11 des Rahmengestells sind mehrere den La serstrahl LB ablenkende Ablenkelemente (Reflektions spiegel) angeordnet, von denen das in Nähe des vorderen Endes des Kopfträgers 11 befindliche Reflektionselement 33 c den Laserstrahl LB vertikal nach unten gegen den Tisch 7 ablenkt. Am vorderen Ende des Kopfträgers 11 ist außerdem eine in Vertikalrichtung justierbare Sammellinse 35 angeordnet, mit der der Laserstrahl gebündelt und in Form eines feinen Lichtpunktes auf die Oberfläche des Werkstücks W geworfen wird. Außerdem ist an der Unter seite des vorderen Endes des Kopfträgers 11 eine (nicht dargestellte) Düse für die Zuführung eines Hilfsgases auf den Arbeitspunkt des Laserstrahls am Werkstück W vorge sehen. Darunter befindet sich am Unterbau 9 ein Staub sammler zum Abführen der beim Laserprozeß entstehenden Metallteilchen und Gase. Das Werkstück W läßt sich mit Hilfe des vom Laser-Resonator 3 erzeugten Laserstrahls LB, der auf das auf dem Tisch 7 liegende Werkstück W geworfen wird, in die gewünschte Form oder Kontur bringen, wobei das Werkstück mit Hilfe der beschriebenen Werkstück-Trans portvorrichtung auf dem Tisch in Richtung der X- und Y- Achsen bewegt wird.

Die Genauigkeit der Bearbeitung wird beeinträchtigt von Fehlern und Abweichungen in der Relativposition zwischen der Arbeitsposition, d. h. der optischen Achse der Laser strahlen LB, und der Ausgangsposition (x = 0, y = 0), von der aus das Werkstück W in Richtung der X- und Y-Achsen bewegt wird. Zur Vermeidung solcher Bearbeitungsungenauig keiten ist eine Überwachungsvorrichtung 37 vorgesehen, welche etwaige Abweichungen der optischen Achse der Laser strahlen LB feststellt und größenordnungsmäßig erfaßt.

Wie die Fig. 2 bis 4 zeigen, weist die Überwachungsvor richtung 37 eine Positionstastvorrichtung 43 mit mehreren, nachfolgend auch Bildsensoren genannte Sensorreihen 41 auf, die an einem Meßglied 39 angeordnet sind, welches als Vergleichsplatte ausgebildet ist, deren Seitenkanten 39 a und 39 b rechtwinklig zueinander verlau fen. Jeder Bildsensor 41 besteht aus einem lichtempfangen den Abschnitt oder Feld, welcher bzw. welches aus einer Vielzahl kleiner lichtempfindlicher Elemente in Form von Halbleitern gebildet ist, die in Linearanordnung angeord net sind. Ferner weist jeder Abschnitt der Bildsensoren 41 eine elektronische Bild- oder Zeilenabtastung, beste hend aus einem Schieberegister, auf, mit welcher eine elektronische Zeilenabtastung des vom Laserlicht belich teten lichtempfindlichen Abschnitts durchgeführt wird und die hierbei Ausgangssignale (Fotostrom) nach Maßgabe der Anzahl der jeweils lichtempfangenden lichtempfindlichen Elemente der genannten Abschnitte liefert. Auf diese Wei se läßt sich an jedem lichtempfindlichen Abschnitt der Bildsensoren der vom Laserlicht bestrahlte Bereich durch Abtastung der Ausgangssignale ermitteln.

Wie Fig. 4 zeigt, sind die Bildsensoren 41 um einen Punkt A als Mittelpunkt herum so angeordnet, daß sie sich in radialer Richtung, d. h. in Richtung der X- und Y-Achsen erstrecken. Die innenliegenden Enden der einzelnen Bild sensoren 41 weisen von dem Punkt A denselben Abstand auf. Der Punkt A liegt in Richtung der X-Achse in der Koordi natenposition a und in Richtung der Y-Achse in der Koordi natenposition b, wobei der Schnittpunkt der beiden Seiten kanten 39 a und 39 b des Meßgliedes 39 mit dem Aus gangspunkt 0 zusammenfällt. Demgemäß repräsentiert der Punkt A die optische Achse der Laserstrahlen LB, die in einem vorgegebenen Punkt (X = a + c, Y = b + d) liegt und sich durch Verschiebung um die Strecke c in Richtung der X-Achse und um die Strecke d in Richtung der Y-Achse in den Punkt A überführen läßt. Wird der Punkt A in den Punkt B gebracht, so werden die Bildsensoren 41 gemäß den Fig. 4 und 5 von dem aus der Sammellinse 35 austretenden Laserstrahl belichtet. Die Bildsensoren 41 tasten in die ser Position jeweils das einfallende Laserlicht ab. Es empfiehlt sich, hierbei die Energie der Laserstrahlen LB zu vermindern, was sich mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen, z. B. eines im Strahlungsweg der Laserstrahlen LB vor den Bildsensoren 41 angeordneten Halbspiegels od. dgl. bewerk stelligen läßt. Wenn die Punkte A und B zusammenfallen, so werden die Bildsensoren 41 gleichmäßig, d. h. auf gleichen Teillängen bis zu den Grenzpunkten P 1, P 2, P 3 und P 4 be strahlt. Diese Grenzpunkte P 1 bis P 4 bezeichnen den Über gang der Teillängen der zeilenförmigen Bildsensoren 41, die von dem Laserlicht bestrahlt werden, zu den außenlie genden Teillängen, die nicht von dem Laserlicht bestrahlt werden. Falls die optische Achse der Laserstrahlen LB sich verschiebt, so verschieben sich entsprechend die Grenz punkte P 1 bis P 4, wobei die Abstände dieser Grenzpunkte von dem Punkt A und demgemäß die von dem Laserlicht be strahlten Teillängen der einzelnen Bildsensoren unter schiedlich groß sind. Bei einer Abweichung der optischen Achse der Laserstrahlen LB um das Versetzungsmaß Q läßt sich diese Abweichung durch Abtasten von drei Grenzpunk ten, z. B. den Grenzpunkten P 1, P 2, P 3 feststellen und größenmäßig über die Komponenten dieser Abweichung in Richtung der X-Achse und der Y-Achse exakt erfassen. Dabei wird über die Komponente in Richtung der Y-Achse der Schnittpunkt B′ mit der X-Achse, d. h. das Ab weichungsmaß in Richtung der Y-Achse und entsprechend das Abweichungsmaß in Richtung der X-Achse ermittelt. Durch über den Lichteinfall an den verschiedenen Bildsensoren 41 ist damit jede Abweichung der optischen Achse von der Sollage A bestimmbar und korrigierbar, so daß sich der Laserprozeß selbst bei sich einstellenden Verschiebungen der optischen Achse mit hoher Genauigkeit durchführen läßt.

Die Einstellung des Meßgliedes 39 in der vorgenann ten Weise in den Punkt B wird so vorgenommen, daß die Schlitten 17 gemäß den Fig. 1 und 2 in die linke Endlage gefahren werden, worauf das Meßglied 39 in der selben Weise wie das Werkstück W in Richtung der X- und Y-Achsen ausgerichtet und dann, in der Werkstück-Einspann vorrichtung 25 eingespannt in Richtung der X- und Y-Achsen bewegt wird.

An der die Versetzung der optischen Achse abtastenden Über wachungsvorrichtung 37 ist eine Auswerte- bzw. Anzeigevor richtung 45 gelagert, die mit den einzelnen Bildsensoren 41 elektrisch verbunden ist und die Rechenoperationen zur Be stimmung der Position des Punktes B′ aufgrund der ihr von den einzelnen Bildsensoren 41 zugeführten Eingangssignale nach Maßgabe der Lage der Grenzpunkte P 1 bis P 4 durchführt und hieraus die Richtung und Größe der Versetzung Q be rechnet. Durch Ablesen der Anzeige an der Auswertevorrich tung 45 ist daher das Maß der Abweichung der Laserstrahlen LB von der axialen Mittellage an der Auswertevorrich tung 45 ablesbar, so daß sich die Korrektur der Lage der opti schen Achse leicht durchführen läßt. Damit ist sicherge stellt, daß der Laserprozeß mit hoher Genauigkeit durch geführt werden kann. Selbst wenn die optische Achse des Laserstrahls z. B. aufgrund eines Austauschs der Sammel linsen oder sonstiger Fehler im Strahlengang der Laser strahlen aus der Sollage abweicht, ist über die Fehler korrektur eine hohe Arbeitsgenauigkeit mühelos erreich bar.

Claims

1. Vorrichtung zur Überwachung der Lageabweichung der optischen Achse des Laserstrahls bei Laserbearbeitungs einrichtungen, insbesondere bei Laser-Schneideinrichtungen, mit mehreren um einen Mittelpunkt (A) symmetrisch gruppierten, lichtempfindlichen Sensoren, welche Strahlungsanteile des Laserstrahls empfangen und entspre chend der Abweichdung der optischen Achse des Laser strahls von dem Mittelpunkt (A) Signale einer Auswerte einrichtung zuführen, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sensoren zu mindestens drei, vorzugsweise vier linearen, um den gemeinsamen Mittelpunkt (A) angeordneten Sensorreihen (41) zusammengefaßt sind, die auf der Oberseite eines plattenförmigen Meßgliedes (39) angeordnet sind, das lösbar in einer Werkstück-Transport vorrichtung (17, 19, 21, 23, 25) anstelle des Werkstückes eingespannt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte einrichtung (45) mit einer Anzeigevorrichtung versehen ist.