DE4407682A1 - Laserbearbeitungsvorrichtung und Verfahren zu deren Brennpunkteinstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Feld der Laserverarbeitung und insbesondere ein System, in dem eine Laserbearbeitungsvorrichtung automatisch eine Brennpunktpositionserfassung als eine erforderliche vorbereitende Operation zur Durchführung der Laserbearbeitung durchführt, erfaßte Daten in einem Speicher speichert und automatisch eine Brennpunktpositionsbestimmung durchführt.

Eine zweidimensionale Laserbearbeitungsvorrichtung wird angewendet zum Schneiden eines plattenförmigen Werkstückes auf kontaktlose Art und Weise bei hoher Geschwindigkeit und mit hoher Genauigkeit. Die zweidimensionale Laserbearbeitungsvorrichtung steuert einen Bearbeitungskopf entlang einer X-, Y- und Z-Achse und schneidet ein Werkstück unter Benutzung eines Laserstrahls, welcher von einem Laseroszillator eingeführt wird und ausgegeben wird von der Spitze des Bearbeitungskopfes.

Gewöhnlicherweise ist es vom Standpunkt einer Bearbeitungsqualität erwünschenswert, daß der Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks fokussiert ist, so daß es beim Schneiden des Werkstücks unter Benutzung des Laserstrahls notwendig ist, eine Brennpunkteinstellungsoperation durchzuführen, welche von der tatsächlichen Bearbeitungsoperation verschieden ist. Während des aktuellen Bearbeitens wird basierend auf der Höhe des Bearbeitungskopfes, bestimmt durch die Brennpunkteinstellungsoperation, ein Höhenerfassungssensor angebracht an der Spitze des Bearbeitungskopfes und eine Bearbeitung wird durchgeführt durch Verfolgen des Umrisses des Werkstückes, um somit den Abstand von der Spitze bis zum Werkstück unter Benutzung des Höhenerfassungssensors konstant zu halten.

Mit Bezug auf Fig. 8 und 9 wird der allgemeine Aufbau einer zweidimensionalen Laserbearbeitungsvorrichtung im folgenden beschrieben werden. Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Bearbeitungskopf, welcher zur Bewegung entlang der Z- Achse angebracht ist. Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Abstandssensor, welcher als eine Brennpunkterfassungseinrichtung dient und an der Spitze des Bearbeitungskopfes 1 angebracht ist. Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Z-Achsenführung, welche die Bewegung des Bearbeitungskopfes 1, angetrieben durch den Motor M3, in der Richtung des Pfeiles Z führt; Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Y-Achsenführung, welche die Bewegung des Bearbeitungskopfes 1, angetrieben durch den Motor M2, in der Richtung des Pfeiles Y führt; und Bezugszeichen 13 bezeichnet eine X-Achsenführung, welche die Bewegung des Bearbeitungskopfes 1, angetrieben durch den Motor M1, in der Richtung des Pfeiles X führt. Die Motoren M1 bis M3 werden durch ein Ansteuersignal M von einem NC Steuerabschnitt (NC = numerical control) angesteuert und auf solche Art und Weise gesteuert, daß der Fleck eines Laserstrahls L einer Bearbeitungslinie K gemäß einem Maschinenprozessor folgt, während der Abstand von dem Maschinenkopf 1 zu einem Werkstück W konstant gehalten wird. Zum Konstanthalten des Abstandes von dem Bearbeitungskopfes 1 zum Werkstück W mißt der Abstandssensor 2, welcher an der Spitze des Bearbeitungskopfes 1 angebracht ist, den Abstand zwischen dem Werkstück W und dem Bearbeitungskopf 1 und koppelt ein Meßsignal an den NC-Steuerabschnitt 15 zurück, um dadurch letztendlich den Fleck des Laserstrahls L zu steuern.

Verbunden mit einem Steuerabschnitt 16 ist eine lokale Betriebsbox 17, welche bei der Brennpunktpositionserfassung und dergleichen benutzt wird. Bezugszeichen 18 bezeichnet einen Laseroszillator zum Ausgeben des Laserstrahls; und Bezugszeichen 19 einen Bearbeitungsvorrichtungshauptteil mit den drei Führungen für die X-, Y- und Z-Achsenrichtungen.

Im allgemeinen ist das zur Brennpunkterfassung benutzte Verfahren so, daß ein schwacher Laserstrahl auf das Werkstück einstrahlt und eine blaue Flamme, welche sich von einem Plasmazustand ableitet, der auftritt, wenn der Brennpunkt des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstückes plaziert ist, visuell beobachtet wird. Bei diesem Verfahren darf sich der Bearbeitungskopf 1 durch manuelle Operation zurückbewegen, um den Abstand zwischen der Spitze des Bearbeitungskopfes und dem Werkstück so aufzuweiten, daß die Spitze des Bearbeitungskopfes 1 nicht mit dem Werkstück interferiert während einer Brennpunktpositionserfassungsoperation; das Werkstück ist auf einem Bearbeitungstisch installiert; darauf wird mit einem Fokussierprogramm der Bearbeitungskopf relativ und parallel zum Werkstück bewegt, während der Laserstrahl auf das Werkstück einstrahlt; und ein Betreiber führt nur eine Feinbewegung einer Linse im Bearbeitungskopf in der Plus- und Minus-Richtung der Z-Achse unter Benutzung der lokalen Betriebsbox 17 durch, wodurch der Auftrittszustand der blauen Flamme, welche durch das Plasma, das nahe der Brennpunktposition auftritt, erzeugt wird, visuell überwacht wird.

Unter Benutzung der lokalen Betriebsbox der zweidimensionalen Laserbearbeitungsvorrichtung hat der Betreiber die Linsenhöhe eingegeben, für die die blaue Flamme gefunden wurde, was als das Resultat des Überwachens des Auftretens gefunden wurde, als die Höhe der Linse fokussiert war, um dadurch die Brennpunktposition einzustellen.

Nach Einstellen der Brennpunktposition wurde durch Betreiben der zweidimensionalen Laserbearbeitungsvorrichtung unter Beibehalten der gerade fokussierten Linsenposition, welche durch die Überwachungs- und Einstellungsoperationen gefunden wurde, die Höhe des Bearbeitungskopfes eingestellt durch einen manuellen Betrieb, um somit einen geeigneten Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück zu schaffen.

Fig. 10 ist ein Flußplan zum Zeigen der Schritte einer herkömmlichen Operation zum Überwachen der blauen Flamme. Um die Operation zum Überwachen der blauen Flamme durchzuführen, wird nach Zurückbewegen des Bearbeitungskopfes das Werkstück (oder Teststück) W auf den Bearbeitungstisch 14 installiert, um einen Brennpunkt zu bestimmen (S101); der Abstand zwischen der Spitze des Bearbeitungskopfes und dem Werkstück wird so eingestellt, daß die Spitze des Bearbeitungskopfes 1 nicht mit dem Werkstück oder dem Teststück W während der Brennpunktpositionserfassungsoperation interferiert (S102); und ein Programm zum Erfassen eines Brennpunktes wird gelesen in dem Steuerabschnitt 15 (S103). Darauf wird gemäß dem Programmbetrieb, der durchgeführt wird durch das Programm zur Brennpunktbestimmung, der Bearbeitungskopf relativ zum Werkstück bewegt unter Konstanthalten eines Abstandes dazwischen (S104); und der Laserstrahl L wird eingestrahlt (S105); wobei bei Bewegen entlang der Z-Achse unter Benutzung der lokalen Betriebsbox 17 (S106) ein Auftreten der blauen Flamme durch den Betreiber überwacht wird (S107).

Fig. 11 ist ein Flußplan zum Zeigen der Schritte einer herkömmlichen Brennpunktpositionseinstellungsoperation. Die blaue Flamme wird überwacht (S201); es wird geprüft ob die blaue Flamme geeignetermaßen auftritt (S202); und der Betreiber gibt die Höhe der momentanen Position ein, wenn die blaue Flamme geeignetermaßen auftritt, als die Höhe des Bearbeitungskopfes bei Fokussierung, und zwar in dem Steuerabschnitt 16 der Laserbearbeitungsvorrichtung (S203). Wenn eine geeignet blaue Flamme nicht in S202 auftritt, wird unter Benutzung der lokalen Betriebsbox die Z-Achse nach oben und unten bewegt (S204), und der Betrieb wird beginnend mit S201 wiederholt.

Fig. 12 ist ein Flußplan zum Zeigen einer herkömmlichen Fokussieroperation. Nachdem der Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück S101 wie gezeigt in Fig. 10, aufgeweitet ist, wird die blaue Flamme, welche auftritt, durch den Betreiber (S301) überwacht; es wird geprüft, ob die blaue Flamme auftritt, (S302); der Betreiber gibt die Höhe der momentanen Position ein als die Höhe des Bearbeitungskopfes bei Fokussierung, und zwar in den Steuerabschnitt der Laserbearbeitungsvorrichtung (S303); und der auf geweitete Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück wird auf einen geeigneten Zustand eingestellt (S304). Wenn ein Teststück benutzt wird beim obigen Fokussierbetrieb, wird das Teststück auf dem Bearbeitungstisch ersetzt durch das Werkstück, um einen tatsächlichen Bearbeitungsbetrieb zu starten. Wo der obige Fokussierbetrieb durchgeführt wurde unter Benutzung des Werkstückes, wird nach Vervollständigung der obigen Operation eine tatsächliche Bearbeitungsoperation unter dieser Bedingung gestartet.

Der Stand der Technik bezüglich der Steuerung, durch die der Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück, das geschnitten wird, gesteuert wird durch einen kontaktlosen Sensor, welcher auf der Spitze des Bearbeitungskopfes angebracht ist, ist in den japanischen offengelegten Patenten SHO64-78691 und SHO64-78692 offenbart.

Das vorige offenbart einen Stand der Technik bei dem eine Laserbearbeitungsrichtung einen kontaktlosen Zwischenraumsensor beinhaltet, eine Abtastbefehl-/ Antriebseinrichtung und eine Abtastdaten-Speichereinheit, wobei ein Bearbeitungskopf wegbewegt wird von einer Referenzposition von einem Werkstück mit einem Inkrement eines spezifizierten Betrages, und zwar durch Durchführen eines Abtastbefehls der Befehlseinrichtung, und ein Ausgabewert des Zwischenraumsensors gespeichert wird in der Datenspeicherschaltung, wodurch der Zwischenraumsensor- Ausgabewert auf eine Art und Weise gesteuert wird, das der gespeicherte Datenwert den Befehlszwischenraum von einem Steuerabschnitt entspricht.

Das letztere offenbart einen Stand der Technik, bei dem eine Laserbearbeitungsvorrichtung eine Bearbeitungskopf- Prüfeinrichtung beinhaltet, eine Referenzausgabe- Einstelleinrichtung und eine Bearbeitungskopf-Gut/Schlecht- Beurteilungseinrichtung, wobei ein Bearbeitungskopf automatisch positioniert wird an einer Prüfreferenzposition durch einen vorgegebenen Prüfbefehl und eine Sensorausgabe gemessen wird, wodurch Gut/Schlecht des Bearbeitungskopfes beurteilt wird und zwar dadurch, ob der Wert innerhalb einer vorbestimmten Referenzausgabe liegt oder nicht. Ein anderer Stand der Technik, bei dem die Spitze eines Bearbeitungskopfes versehen ist mit einem kontaktlosen Sensor, und welcher sich auf die Steuerung bezieht, die den Abstand zwischen einem Werkstück und einem Bearbeitungskopf während eines Lernens basierend auf einer in einem Steuerabschnitt eingestellten Höhe steuert, ist offenbart im japanischen offengelegten Patent SHO61-165288.

Keines der oben erwähnten herkömmlichen Patente bietet eine kontinuierliche Überwachung und Aufnahme der blauen Flamme und eine Verarbeitung der Daten zum Berechnen einer Brennpunktposition.

Obwohl beim Überwachungsbetrieb der blauen Flamme nach dem Stand der Technik ein Laserstrahl auf ein Werkstück ein strahlt und ein Betreiber eine Feinbewegung eines Bearbeitungskopfes in der Z-Richtung oder Benutzung einer lokalen Betriebsbox durchführt, so daß das Werkstück und der Bearbeitungskopf relativ zu einander mit einer bestimmten Geschwindigkeit sich bewegen können, wobei der Operator visuell das Auftreten der blauen Flamme überwacht, welche erzeugt wird durch ein Plasma, das nahe der gerade fokussierten Position auftritt, gibt es ein Problem, daß das Überwachen ein komplexer Betrieb ist. Ein weiteres Problem ist, daß das Auftreten der blauen Flamme, welches erfaßt wird durch den Überwachungsbetrieb, nicht kontinuierlich gespeichert werden kann, so daß der Betreiber häufig die Brennpunktpositionserfassung durchführen muß für jede Überwachungsoperation zum Eingeben eines momentanen Z- Achsenwerts durch einen Steuerabschnitt.

Noch ein weiteres Problem ist, daß das Fokussieren nach dem Stand der Technik durch einen Betreiber durchgeführt wird, wodurch die erfaßte Brennpunktposition abhängt vom Grad der Fachkenntnis des Betreibers und wobei die Bestimmung der Brennpunktposition eine nicht-produktive Zeit erfordert, welche nicht durch eine tatsächliche Verarbeitung begleitet wird. Ein weiteres Problem ist, daß eine geeignete Brennpunktposition schwer zu bestimmen ist, wodurch ein geeignetes Fokkussieren nicht durchgeführt erden kann, wodurch eine schlechte Bearbeitung vorgesehen wird.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung kann folgendermaßen zusammengefaßt werden:
Das Verfahren der Brennpunkteinstellung einer Laserbearbeitungsvorrichtung umfaßt die Schritte:

• (1) Lesen eines Programms zum Einstellen des Brennpunktes des Laserstrahls auf einem Werkstück (Fig. 3-S12);
• (2) Bestrahlen des Werkstücks mit dem Laserstrahl gemäß dem Programm zum Einstellen des Brennpunkts (Fig. 3-S14);
• (3) Bewegen einer Bearbeitungslinse relativ zum Werkstück unter Konstanthalten des Abstandes zwischen dem Bearbeitungskopf und der Oberfläche des Werkstücks (Fig. 3-S15);
• (4) Erfassen einer Information bezüglich des relativen Abstandes zwischen der Bearbeitungslinse und dem Werkstück (Fig. 3-S17);
• (5) Beurteilen, daß der Laserstrahl fokussiert ist auf dem Werkstück, wenn die erfaßte relative Abstandsinformation einen vorbestimmten Bereich überschritten hat (Fig. 3-S18); und
• (6) Speichern der Positionsinformation der Bearbeitungslinse zur Zeit, wenn beurteilt ist, daß der Laserstrahl auf das Werkstück fokussiert ist (Fig. 3-S20).

Eine Laserbearbeitungsvorrichtung in Zusammenhang mit einem zweiten Aspekt der Erfindung hat einen Oszillator, eine Bearbeitungslinse, welche beweglich angebracht ist auf einem Bearbeitungskopf und einen Laserstrahl, der ausgegeben wird von dem Oszillator, auf ein Werkstück richtet; und eine Brennpunkterfassungseinrichtung zum Erfassen eines Brennpunktes der Bearbeitungslinse, wobei die Bearbeitungsvorrichtung eine Brennpunktinformation- Speichereinrichtung hat zum Speichern der Information, welche durch die Brennpunkterfassungseinrichtung ausgegeben wird.

Eine Laserbearbeitungsvorrichtung in Zusammenhang mit einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung hat einen Oszillator, eine Bearbeitungslinse, welche beweglich angebracht ist auf einem Bearbeitungskopf und einen Laserstrahl, der ausgegeben wird von dem Oszillator, auf ein Werkstück richtet; und eine Brennpunkterfassungseinrichtung zum Erfassen eines Brennpunktes der Bearbeitungslinse, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Brennpunktinformations-Speichereinrichtung hat zum Speichern der Information, welche durch die Brennpunkterfassungseinrichtung ausgegeben wird, und eine Positionsinformations-Speichereinrichtung der Positionsinformation der Bearbeitungslinse.

Eine Laserbearbeitungsvorrichtung in Zusammenhang mit einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung hat einen Oszillator, eine Bearbeitungslinse, welche beweglich angebracht ist in einem Bearbeitungskopf und einen Laserstrahl, der von dem Oszillator ausgegeben wird, auf einem Werkstück sammelt, und eine Brennpunkterfassungseinrichtung zum Erfassen eines Brennpunktes der Bearbeitungslinse, wobei die Laserbearbeitungsrichtung eine Bearbeitungslinsenposition Informationsverarbeitungseinrichtung zum Bestimmen einer Bearbeitungslinsenposition, bei der eine Fokussierung geeignet ist, umfaßt, aus der Information die durch die Brennpunkterfassungseinrichtung ausgegeben wird.

Eine Laserbearbeitungsvorrichtung in Zusammenhang mit einem fünften Aspekt der Erfindung hat eine solche Zusammensetzung, daß die Laserverarbeitungsvorrichtung nach dem ersten oder zweiten Aspekt eine Brennpunktintervall Erfassungseinrichtung hat zum Erfassen eines Intervalls, in dem eine Fokussierung geeignet ist, und zwar von der Information, die ausgegeben wird durch die Brennpunkterfassungseinrichtung, und eine Bearbeitungslinsenpositions-Informationsverarbeitungs­ einrichtung zum Bestimmen der Bearbeitungslinsenposition an sowohl dem Start- als auch dem Endpunkt des Intervalls.

Eine Laserbearbeitungsvorrichtung in Zusammenhang mit einem sechsten Aspekt hat einen Aufbau, so daß die Laserbearbeitungsvorrichtung nach dem fünften Aspekt eine Brennpunktpositions-Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Brennpunktposition der Bearbeitungslinse basierend auf den durch die Bearbeitungslinsenpositionserfassungseinrichtung bestimmten zwei Positionen hat.

Eine Laserbearbeitungsvorrichtung in Zusammenhang mit einem siebenten Aspekt der vorliegenden Erfindung hat solch eine Zusammensetzung, daß die Brennpunkterfassungseinrichtung der Laserbearbeitungsvorrichtung nach dem zweiten bis sechsten Aspekt das Auftreten einer blauen Flamme erfaßt, wenn der Brennpunkt des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstückes gelegen ist.

Das Laserbearbeitungsverfahren in Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung verbessert eine Bearbeitungsgenauigkeit und deshalb eine Produktqualität.

Das Laserbearbeitungsverfahren in Zusammenhang mit dem zweiten Aspekt ermöglicht, daß die Brennpunktinformation gespeichert wird.

Das Laserbearbeitungsverfahren in Zusammenhang mit dem dritten Aspekt ermöglicht, daß die Brennpunktinformation und die Bearbeitungslinsen-Positionsinformation gleichzeitig gespeichert werden.

Das Laserbearbeitungsverfahren in Zusammenhang mit dem vierten Aspekt ermöglicht, daß die Bearbeitungslinsen- Brennpunktposition bestimmt wird.

Das Laserbearbeitungsverfahren in Zusammenhang mit dem fünften Aspekt ermöglicht, daß die Bearbeitungslinsenposition, welche für die Bearbeitung geeignet ist, bestimmt wird.

Das Laserbearbeitungsverfahren in Zusammenhang mit dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht, daß die Bearbeitungslinsen-Brennpunktposition mit einer höheren Genauigkeit bestimmt wird.

Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Laserbearbeitungsvorrichtungssystems als eine Ausführungsform gemäß dem ersten bis dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer Brennpunkteinstellrichtung einer Laserbearbeitungsvorrichtung als einer Ausführungsform nach dem ersten bis dritten Aspekt;

Fig. 3 einen Flußplan eines Brennpunkt-Einstellbetriebs einer Laserbearbeitungsvorrichtung als eine Ausführungsform nach dem ersten bis dritten Aspekt;

Fig. 4 eine Darstellung zum Zeigen der Beziehung zwischen einer Sensorausgabe und Bearbeitungslinsen-Positionsdaten, welche aufgenommen werden durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung als eine Ausführungsform nach dem ersten bis dritten Aspekt;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Laserbearbeitungsvorrichtungssystems als eine Ausführungsform nach dem vierten bis sechsten Aspekt;

Fig. 6 ein schematisches Diagramm einer Brennpunkteinstelleinrichtung einer Laserbearbeitungsvorrichtung als eine Ausführungsform nach dem vierten bis sechsten Aspekt;

Fig. 7 einen Flußplan eines Brennpunkt-Einstellbetriebs einer Laserbearbeitungsvorrichtung als einer Ausführungsform nach dem vierten bis sechsten Aspekt;

Fig. 8 ein Blockdiagramm einer zweidimensionalen Laserbearbeitungsvorrichtung;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer zweidimensionalen Laserbearbeitungsvorrichtung;

Fig. 10 einen Flußplan zum Zeigen der Schritte eines herkömmlichen Überwachungsbetriebs einer blauen Flamme;

Fig. 11 einen Flußplan zum Zeigen der Schritte eines herkömmlichen Brennpunktpositions-Einstellbetriebs; und

Fig. 12 einen Flußplan zum Zeigen der Schritte eines herkömmlichen Fokussierbetriebs.

Ausführungsform 1

Fig. 1, welche eine Ausführungsform nach dem ersten bis dritten Aspekt zeigt, ist eine perspektivische Ansicht einer zweidimensionalen Laserbearbeitungsvorrichtung mit Überwachen eines Plasmazustandes. Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Bearbeitungskopf; Bezugszeichen 2 einen Abstandssensor des Kapazitätstyps; Bezugszeichen 10 eine Z-Achseneinheit, welche in der Lage ist, den Bearbeitungskopf in der Z- Achsenrichtung zu bewegen; Bezugszeichen 14 einen Bearbeitungstisch; Bezugszeichen 19 eine Bearbeitungsvorrichtungshauptteil; Bezugszeichen 15 einen Steuerabschnitt des Bearbeitungsvorrichtungshauptteiles 19; Bezugszeichen 17 eine lokale Betriebsbox, die mit dem Bearbeitungsvorrichtungshauptteil 19 verbunden ist; und Bezugszeichen 5 einen Datenüberwachungsabschnitt, welcher kontinuierlich mit der Zeit die in einem Sensorverarbeitungsabschnitt zum Verarbeiten einer Sensorausgabe verarbeitete Ausgabe, welche von dem Abstandssensor 2 erhalten wird, und den momentanen Wert einer Bearbeitungslinse, der sich sequentiell verändert und erhalten wird durch einen Bearbeitungslinsen- Antriebsmechanismus 4, überwacht.

Fig. 2 ist eine Ansicht zum Zeigen der Details der Brennpunkt-Einstellungseinrichtung der Laserbearbeitungsrichtung von Fig. 1. In Fig. 2 bezeichnet Bezugszeichen 3 einen Sensorverarbeitungsabschnitt zum Verarbeiten einer Sensorausgabe "h", welche durch den Abstandssensor 2 erhalten wird; und Bezugszeichen 4 bezeichnet den Bearbeitungslinsen-Antriebsmechanismus zum Antreiben einer Bearbeitungslinse 9. Bezugszeichen 5 bezeichnet den Datenüberwachungsabschnitt, welcher kontinuierlich mit der Zeit sowohl die Ausgabe überwacht, die verarbeitet wird in dem Sensorverarbeitungsabschnitt 3, als auch den momentanen Wert der Bearbeitungslinse, der sequentiell variiert und erhalten wird durch den Bearbeitungslinsen-Antriebsabschnitt 4, und einen Positions- Informationsspeicher-Unterabschnitt 5b zum Speichern einer Positionsinformation "delta" von dem Bearbeitungslinsen- Antriebsmechanismus 4 und einen Positionsinformationsspeicher-Unterabschnitt 5a zum Speichern einer Ausgabe von dem Sensorverarbeitungsabschnitt beinhaltet. Bezugszeichen 15 bezeichnet einen NC Steuerabschnitt; und Bezugszeichen 6 bezeichnet einen Bearbeitungslinsen-Antriebssteuerabschnitt.

Fig. 3 ist ein Flußplan einer automatischen Brennpunktdatenaufnahme der in Fig. 2 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung. Basierend auf Fig. 2 und 3 werden die Betriebsschritte der automatischen Brennpunktaufnahme im folgenden beschrieben werden. Ein Werkstück wird installiert auf dem Bearbeitungstisch 14 in dem Installationsschritt des S11 für das Werkstück W; ein Programm zum Bestimmen eines Brennpunkts wird aufgerufen in dem Schritt zum Aufrufen des Programms S12; und, während gemäß dem in Schritt S12 aufgerufenen Programm der Bearbeitungskopf relativ zu und gehalten auf einem bestimmten Abstand von dem installierten Werkstück W in dem Programmlauf-Betriebsschritt S13 bewegt wird, strahlt ein Laserstrahl L mit einer durch das in Schritt S12 aufgerufene Programm spezifizierte Ausgabe auf das Werkstück W (S14). An diesem Punkt darf, während der Laserstrahl L auf das Werkstück strahlt, die Bearbeitungslinse sich nach oben und unten bewegen durch den Bearbeitungslinsen- Antriebsmechanismus 4 (S15) zum Überwachen einer Sensorinformation und einer Bearbeitungslinsen- Positionsinformation (S16, S17). Während die obigen Operationen durchgeführt werden, wird das Auftreten einer blauen Flamme überwacht (S18), und falls die blaue Flamme auftritt, werden die Sensorausgabe und die Bearbeitungslinsen-Positionsinformationen jeweils aufgenommen bezüglich der Zeit in den Informationsspeicher- Unterabschnitten 5a und 5b, wie gezeigt in Fig. 2, (S19, S20). Falls die blaue Flamme nicht auftritt, springt der Betrieb zurück zu Schritt S15, wo die Bearbeitungslinse sich wieder nach oben und unten bewegen darf, um dabei eine Überwachtung bezüglich des Auftretens der blauen Flamme durchzuführen. Der NC Steuerabschnitt 15 steuert den Linsenantriebs-Steuerabschnitt 6 unter Benutzung der Daten der Informationsspeicher-Unterabschnitte 5a und 5b.

Fig. 4 zeigt eine Beziehung zwischen den Sensorausgabedaten und den Positionsdaten der Bearbeitungslinse 9, welche aufgenommen ist durch die Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß dem ersten bis dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Der Bearbeitungskopf 1 bewegt sich von der Position 1A über 1B nach 1C parallel zum Werkstück W mit einer bestimmten Geschwindigkeit unter Beibehaltung einer bestimmten Höhe oberhalb des Werkstücks. Die Bearbeitungslinse 9 wird in der Z-Achsenrichtung verbunden mit der Bewegung des Bearbeitungskopfes 1 bewegt. Wenn der Brennpunkt des Laserstrahls L eine gerade fokussierte Position auf der Oberfläche des Werkstücks W erreicht, tritt eine blaue Flamme auf durch das Plasma, das auftritt durch den Mikrolaserstrahl L, der eingestrahlt wird auf das Werkstück W (für das Intervall zwischen t1 und t2). Dieser Zustand wird ausgelesen in dem Sensorverarbeitungsabschnitt 3 als die Sensorausgabe, die erhalten wird durch den Abstandssensor 2, der angebracht ist an der Spitze des Bearbeitungskopfes 1, und sowohl die Auslesedaten als auch die momentane Position der Bearbeitungslinse 9, angetrieben durch den Bearbeitungslinsen-Antriebsmechanismus 4, werden kontinuierlich mit der Zeit ausgelesen und aufgenommen. Wenn der Bearbeitungszustand schlecht wird wegen eines äußeren Grundes während einer tatsächlichen Bearbeitung, werden die Positionsdaten der Bearbeitungslinse 9 innerhalb des Intervalls (t1 bis t2) in dem die blaue Flamme auftritt, geholt aus dem Brennpunkt-Informationsspeicher- Unterabschnitt 5a und dem Linsenpositions- Informationsspeicher-Unterabschnitt 5b der Brennpunkt- Einstelleinrichtung, und die Position der Bearbeitungslinse 9, wenn sie gerade fokussiert ist, wird bestimmt, wodurch die Bearbeitungslinse 9 wieder in die gerade fokussierte Position bewegt wird, um die Bearbeitung neu zu starten.

Ausführungsform 2

Fig. 5, welche eine Ausführungsform nach dem vierten bis sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt, ist eine perspektivische Ansicht einer zweidimensionalen Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bestimmen eines Plasmazustandes. Bezugszeichen 1 zeichnet einen Bearbeitungskopf; Bezugszeichen 2 einen Abstandssensor des Kapazitätstyps; Bezugszeichen 10 eine Z-Achseneinheit, die in der Lage ist, den Bearbeitungskopf in der Z- Achsenrichtung zu bewegen; Bezugszeichen 14 einen Bearbeitungstisch; Bezugszeichen 19 einen Bearbeitungsvorrichtungshauptteil; Bezugszeichen 15 einen Steuerabschnitt des Bearbeitungsvorrichtungshauptteiles 19; Bezugszeichen 17 eine lokale Betriebsbox, die mit dem Bearbeitungsvorrichtungshauptteil 19 verbunden ist; und Bezugszeichen 7 einen Datenverarbeitungsabschnitt, der kontinuierlich mit der Zeit sowohl die in einem Sensor verarbeiteten Abschnitt 3 zum Verarbeiten einer Sensorausgabe verarbeitete Ausgabe, die von dem Abstandssensor 2 erhalten wird, als auch den momentanen Wert einer Bearbeitungslinse, der sequentiell variiert und erhalten wird durch einen Bearbeitungslinsen- Antriebsmechanismus 4, aufnimmt und die Daten verarbeitet.

Fig. 6 ist eine Ansicht zum Zeigen der Details der Brennpunkt-Einstelleinrichtung der Laserbearbeitungsvorrichtung von Fig. 5. In Fig. 6 bezeichnet Bezugszeichen 3 einen Sensorverarbeitungsabschnitt zum Verarbeiten einer Sensorausgabe "h", die erhalten wird von dem Abstandssensor 2; und Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Bearbeitungs- Antriebsmechanismus zum Antreiben einer Bearbeitungslinse 9. Bezugszeichen 7 bezeichnet einen Datenverarbeitungsabschnitt, welcher die Position der Bearbeitungslinse 9 bestimmt, wenn sie gerade fokussiert ist, und zwar aus sowohl der Positions-Information der Bearbeitungslinse, als auch der Sensorausgabe, und welche beinhaltet: einen Start-/Endzeit-Erfassungsunterabschnitt 7a für das Auftreten einer blauen Flamme zum Erfassen der Startzeit t1 und Endzeit t2 eines Auftrittsintervalls einer blauen Flamme; einen Bearbeitungslinsenpositions- Informationserarbeitungs-Unterabschnitt 7b zum Erfassen von Bearbeitungslinsen-Positionsdaten delta_1, delta_2 zu den zwei Zeiten (t1, t2) durch ein Signal, das ausgegeben wird von den Zeiterfassungsunterabschnitt 7a, wenn die blaue Flamme auftritt oder endet; und einen Brennpunkt Positionsberechnungs-Unterabschnitt 7c zum Berechnen einer optimalen Brennpunktposition basierend auf den zwei Positionsdaten delta_1, delta_2. Bezugszeichen 15 bezeichnet einen NC Steuerabschnitt; und Bezugszeichen 6 bezeichnet einen Bearbeitungslinsen-Antriebssteuerabschnitt.

Fig. 7 ist ein Flußplan zum Zeigen der Betriebsschritte der Laserbearbeitungsvorrichtung einer Ausführungsform des vierten bis sechsten Aspekts der vorliegenden Erfindung.

Basierend auf diesem Flußplan und Fig. 6 wird der Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung einer Ausführungsform nach dem vierten bis sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung im weiteren erklärt werden. Die Sensorausgabedaten und die Positionsdaten der Bearbeitungslinse 9 in Fig. 6 werden in Schritt S21 ausgelesen; und die Startzeit t1 des Auftretens der blauen Flamme und die Endzeit t2 des Auftretens der blauen Flamme werden durch den Start-/Endzeit-Erfassungs- Unterabschnitt 7a für das Auftreten der blauen Flamme in dem Datenverarbeitungsabschnitt 7 bestimmt in Schritt S22. Dann wird das Signal von dem Start-/Endzeit- Erfassungsunterabschnitt 7a für das Auftreten der blauen Flamme empfangen, wodurch die Positionsdaten delta_1 und delta_2 der Bearbeitungslinse 9, welche den Zeiten t1 und t2 entsprechen, bestimmt werden aus dem Auftrittsintervall durch den Bearbeitungslinsen-Positionsinformations­ verarbeitungs-Unterabschnitt 7b in dem Datenverarbeitungsabschnitt 7 (S23, S24); und die Position delta der Bearbeitungslinse, wenn sie gerade fokussiert ist, wird berechnet aus den zwei Positionen der Bearbeitungslinse 9 durch den Brennpunkt-Positionsberechnungs-Unterabschnitt 7c in dem Datenverarbeitungsabschnitt 7 (S25). Die berechnete Position der Verarbeitungslinse 9, wenn sie gerade fokussiert ist, wird eingegeben durch den NC- Steuerabschnitt an den Bearbeitungslinsenantriebs- Steuerabschnitt, wodurch die Bearbeitungslinse 9 bewegt wird auf solch eine Art und Weise, daß sie den gerade fokussierten Zustand erreicht, mittels des Bearbeitungslinsenmechanismus 4 (S26).

In dem Start-/Endzeit-Erfassungsunterabschnitt 7a führt das Auftreten der blauen Flamme wird, falls eine Variation der Sensorausgabedaten einen Schwellgrenzwert überschreitet, das Auftreten einer blauen Flamme beurteilt. D.h. eine Zeit, wenn der Sensorausgabezustand von einem kontinuierlichen Zustand zu einem unstabilen Zustand sich ändert, wird erkannt, der Zeitpunkt des Starts des Auftretens der blauen Flamme zu sein; und eine Bedingung, daß der Schwellgrenzwert in umgekehrter Weise überschritten wird, d. h. eine Zeit wenn der Sensorausgabezustand von einem unstabilen zu einem stabilen Zustand sich ändert, wird erkannt als die Zeit des Beendens des Auftretens der blauen Flamme. Die Ausgabedaten werden kontinuierlich mit der Zeit aufgenommen, so daß die Auftrittszeit der blauen Flamme ebenfalls bestimmt werden kann durch die Start zeit t1 des Auftretens der blauen Flamme und die Endzeit t2 des Auftretens der blauen Flamme.

In dem Brennpunkt-Positionsberechnungs-Unterabschnitt 7c wird die Position delta der Bearbeitungslinse 9, wenn sie gerade fokussiert ist, bestimmt durch die folgende arithmetische Gleichung (S26).

Im allgemeinen wird delta durch die folgende Gleichung dargestellt:

delta (delta_1, delta_2)
= (m delta_1 + n delta_2)/(m + n)

wobei m und n jeweils ein Koeffizient, der mit dem Bearbeitungsverfahren variert, ist. Wenn beispielsweise m = 1 und n = 1, wird delta durch die folgende Gleichung bestimmt:

delta = (delta_1 + delta_2)/2.

Obwohl die obigen Ausführungsformen den Fokussierbetrieb unter Benutzung eines Werkstückes gezeigt haben, kann ein Teststück anstelle des Werkstücks benutzt werden, wobei nach Vervollständigung des Fokussierbetriebs das Teststück auf dem Bearbeitungstisch nur durch das Werkstück ersetzt zu werden braucht. Bei der obigen Beschreibung wurde der Abstandssensor 2 gezeigt als Kapazitätstypssensor, aber er ist nicht auf diesen Typ beschränkt, und Sensoren anderer Typen, welche in der Lage sind, das Auftreten der blauen Flamme zu überprüfen, können benutzt werden. Beispielsweise können ein optischer Sensor, ein magnetischer Sensor und dergleichen benutzt werden. Obwohl bei der obigen Beschreibung die vorliegende Erfindung beschrieben wurde in einem Fall, in dem sie geladen ist in einer Einrichtung, die verschieden ist von der Steuereinrichtung und benutzt wird für eine zweidimensionale Laserverarbeitungsvorrichtung, wird klar erscheinen, daß die vorliegende Erfindung beispielsweise miteingegliedert werden kann in die NC- Steuereinrichtung einer zweidimensionalen Laserbearbeitungsvorrichtung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wie zuvor beschrieben, die Brennpunkt-Positionserfassung in einer kurzen Zeit durchgeführt werden, und zwar unabhängig von dem Fachwissen eines Betreibers, und die Brennpunktposition kann eindeutig bestimmt werden, so daß vorliegende Erfindung den Effekt der Reduktion einer schlechten Verarbeitung hat, welche verursacht wird durch die Brennpunkt- Positionsfeineinstellung durch einen Betreiber.

Claims (14)

1. Verfahren zum Einstellen eines Brennpunktes einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Bearbeitungslinse, welche einen Laserstrahl fokussiert, und welche beweglich angebracht ist in einem Bearbeitungskopf, mit den Schritten:
Bewegen der Bearbeitungslinse relativ zum Werkstück unter Konstanthalten eines Abstandes zwischen dem Bearbeitungskopf und der Oberfläche des Werkstückes;
Erfassen von Information zum Anzeigen eines relativen Abstandes zwischen Bearbeitungslinse und dem Werkstück;
Bestimmen, daß der Laserstrahl fokussiert ist auf das Werkstück, wenn die erfaßte relative Abstandsinformation einen vorbestimmten Bereich überschritten hat; und
Speichern der Abstandsinformation zu einer Zeit, wenn bestimmt ist, daß der Laserstrahl auf das Werkstück fokussiert ist.

2. Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Oszillator, einer Bearbeitungslinse, welche beweglich in einem Bearbeitungskopf angebracht ist und einen von dem Oszillator ausgegebenen Laserstrahl auf einem Werkstück fokussiert, und einer Brennpunkt-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Brennpunktes der Bearbeitungslinse und zum Ausgeben entsprechender Brennpunktinformation, wobei die Vorrichtung eine Brennpunktinformations-Speichereinrichtung zum Speichern der durch die Brennpunkt-Erfassungseinrichtung aus gegebenen Brennpunktinformation umfaßt.

3. Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Oszillator, einer Bearbeitungslinse, welche beweglich an einem Bearbeitungskopf angebracht ist und welche einen von dem Oszillator ausgegebenen Laserstrahl auf einem Werkstück fokussiert, und einer Brennpunkt-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Brennpunktes der Bearbeitungslinse und zum Erfassen entsprechender Brennpunktsinformation, wobei die Vorrichtung eine Brennpunktinformations-Speichereinrichtung zum Speichern der Brennpunktinformation, welche durch die Brennpunkterfassungseinrichtung ausgegeben wird, und eine Positionsinformations-Speichereinrichtung zum Speichern der Information zum Anzeigen der Position der Bearbeitungslinse umfaßt.

4. Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Oszillator, einer Bearbeitungslinse, welche beweglich angebracht ist an einem Bearbeitungskopf und welche eine von dem Oszillator ausgegebenen Laserstrahl auf einem Werkstück fokussiert, und einer Brennpunkts-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Brennpunktes der Bearbeitungslinse, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Bearbeitungs­ linSenpositions-Informationsverarbeitungseinrichtung zum Bestimmen einer Bearbeitungslinsenposition, an der das Fokussieren geeignet ist, aus der durch die Brennpunkterfassungseinrichtung aus gegebenen Information umfaßt.

5. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Brennpunktintervall-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Intervalls, für das die Fokussierung geeignet ist, aus der Information, die von der Brennpunkt-Erfassungseinrichtung ausgegeben wird, und eine Bearbeitungslinsenpositions- Informationsverarbeitungseinrichtung zum Bestimmen der Bearbeitungslinsenposition sowohl am Start- als auch am Endpunkt des Intervalls umfaßt.

6. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Brennpunktintervall-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Intervalls, für das Fokussieren geeignet ist, aus der Information, die von der Brennpunkterfassungseinrichtung ausgegeben wird, und eine Bearbeitungslinsenpositions- Informationsverarbeitungseinrichtung zum Bestimmen der Bearbeitungslinsenposition an sowohl dem Start- als auch Endpunkt des Intervalls umfaßt.

7. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserverarbeitungsvorrichtung eine Brennpunktpositions-Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Brennpunktposition der Bearbeitungslinse basierend auf den durch die Bearbeitungslinsenpositions-Erfassungseinrichtung bestimmten zwei Positionen umfaßt.

8. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Brennpunktpositions-Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Brennpunktposition der Bearbeitungslinse basierend auf den von der Bearbeitungslinsenpositions-Erfassungseinrichtung bestimmten zwei Positionen umfaßt.

9. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Brennpunkterfassungseinrichtung das Auftreten einer blauen Flamme erfaßt, wenn der Brennpunkt des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstückes liegt.

10. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennpunkterfassungseinrichtung das Auftreten einer blauen Flamme erfaßt, wenn der Brennpunkt des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks liegt.

11. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennpunkterfassungseinrichtung das Auftreten einer blauen Flamme erfaßt, wenn der Brennpunkt des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks liegt.

12. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennpunkterfassungseinrichtung das Auftreten einer blauen Flamme erfaßt, wenn der Brennpunkt des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks liegt.

13. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbearbeitungsvorrichtung ein Auftreten einer blauen Flamme erfaßt, wenn der Brennpunkt des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks liegt.

14. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Anfangsschritte:
Lesen eines Programms zum Einstellen des Brennpunktes; und
Bestrahlen einer Oberfläche des Werkstückes mit dem Laserstrahl gemäß dem Programm.