WO2012013818A1 - Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren einer laserbearbeitungsmaschine unter verwendung eines laserlicht-sensors - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren einer laserbearbeitungsmaschine unter verwendung eines laserlicht-sensors Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to machines and machining processes in which a workpiece is to be processed by means of a laser, that is to say, for example, cut, engraved or inscribed.
  • the machining should not be carried out at a fixed position with respect to the workpiece, but depending on the position of a pre-machining, which was previously performed on the workpiece, and their position on the workpiece production-related may each be a different.
  • the laser beam between the laser light source and its point of impingement on the workpiece is often deflected by one or more deflecting mirrors, and these deflecting mirrors are movable and driven to move the point of incidence of the laser beam along a desired path.
  • Precision machining of workpieces by laser radiation requires calibration of the machining system for adjustment of the laser power density in the focus and the beam deflection unit for laser beam positioning. State of the art is that in order to achieve the required accuracies (fluctuations, so-called drift, the above parameters by temperature, wear, aging, etc.) before processing sample processing is performed, which allow the deviations from the setpoint and actual values determine and calibrate the system until the required machining precision is achieved. Performing the calibration in this way usually requires special knowledge and is associated with high expenditure of time and possibly material consumption. The knowledge goes far beyond the level of expertise that a machine operator needs to perform the actual machining.
  • a typical application is the personalization of plastic cards, such as credit cards or ID cards, using laser:
  • the card blanks are first printed and possibly also embossed, the position of the imprinting or embossing on the card dictates the position of the subsequent laser marking.
  • the specific name of the cardholder is to be positioned exactly in the x and y direction. Since very large numbers of pieces are processed when personalizing such cards, these cards are automatically drawn into the laser processing machine and ejected and processed in between by means of a laser.
  • the laser light source can not be arranged at a great distance and directed perpendicular to the map plane, but instead the laser light source is arranged in or parallel to the map plane and the beam aligned and deflected by multiple deflection perpendicular to the map plane , wherein each deflection is subject to play and represents by unwanted displacement of its pivot axis is another source of error.
  • the laser beam is deflected by a movable mirror only in the x-direction. 2.
  • the card ie the workpiece, is moved in the y direction during machining. a) There is usually no pillow-ton distortion.
  • a position calibration can only be done in the y direction when the sensor is moved with the card holder.
  • the laser beam is deflected by two movable mirrors in x- and y-direction.
  • the sensor can be fixed in place in the machine.
  • the laser light source is fixedly positioned in the laser coordinate system and the point of incidence of the laser on the workpiece in this laser coordinate system is caused by the deflections of the laser beam and also the errors and inaccuracies of both the exit position of the laser beam from the laser light source and its direction, as well Error in the deflections of the laser beam.
  • the machine coordinate system :
  • This coordinate system is related to the machine as a whole, or to one of its parts, in particular the movable card holder, which is then a coordinate system movable with respect to the overall machine, but in turn has overall tolerances with respect to the fixed part of the machine.
  • This coordinate system is influenced by thermal expansions and guiding inaccuracies, e.g. As the card slide relative to the base frame of the machine, the vibrations of the base frame of the entire machine and similar factors.
  • the machine coordinate system would ideally be a coordinate system which is fixed with respect to the workpiece itself, which in the present case is not possible due to the mobility of the workpiece, so that positioning errors of the workpiece are not possible Workpiece in the card holder and its holder coordinate system, especially compared to the machine coordinate system, must be additionally compensated.
  • the special holder coordinate system (which is to be understood in this movable coordinate system as the position of the holder coordinate system in the processing position of the workpiece holder) can be represented in different ways:
  • the origins of the two coordinate systems - if they are determined analogously to one another - can differ, either in the X direction or in the Y direction, ie the two deflection directions of the laser beam, or in both directions.
  • the scaling of the two coordinate systems may differ by having their length units of different lengths in a coincident direction.
  • the geometric shape of the coordinate systems may differ.
  • the machine coordinate system is ideally a Cartesian coordinate system, ie with perpendicular to each other X and Y direction.
  • the possible deflection range of the laser (after the last deflection) to the focal point defines a cone or truncated cone with a spherical segment-shaped bottom surface, so that the last lens in the beam path is always a so-called plan field lens, which is the focus points of the laser of this ball segment to distribute in a plane plane.
  • the direction of the mutually corresponding X or Y directions may differ, so that the coordinate systems can be slightly rotated relative to each other about their perpendicular (Z direction). d)
  • the planes defined by the respective coordinate systems are not identical and also not parallel, but form a slight angle to one another, for example if the origins of the two coordinate systems are identical to each other, but deviating points represent an increasing offset in Z axis.
  • the two coordinate systems ie the laser coordinate system and the machine coordinate system, are not coordinate systems actually drawn on the machine, but coordinate systems defined by thought, for example also coordinate systems stored in the control of the machine, whereby not necessarily both must be stored separately in the control. It can also be deposited only one of two.
  • the laser coordinate system, on the one hand, and the machine coordinate system, on the other hand, can therefore also be seen as the desired position and the actual position of the desired laser impingement points. If only one of them, z. B. the laser coordinate system, in the control physically, ie by defining the zero point and the axial directions, is deposited, the target, so also actual position deposited in the coordinates of this coordinate system.
  • the map is then at the desired target position again, if the deviations of the laser coordinate system, ie the actual position of potential impact points from the machine coordinate system, the desired positions of potential points of incidence of the laser beam, known and the actual Position can be transferred by taking into account the calculated correction values in the desired desired position.
  • laser light sensors in the processing area are fixedly arranged on the machine at these specific positions, or preferably fixedly attached to the movable workpiece holder, so that their position is fixed. tion in the machine coordinate system or holder coordinate system is known.
  • a point correction value between the two coordinate systems is determined for each of these sensor positions by which the laser coordinate system (actual position) or the point of impact after the laser coordinate system, ie the actual position, must be additionally shifted to the correct point after the z.
  • This correction value is taken into account in the subsequent machining of the workpiece for the deflection of the laser beam according to the laser coordinate system. If only a single sensor is present, only a single point correction value can be determined and its components in the X and Y direction.
  • the two point correction values of the same direction can additionally be used to determine whether there is a rotation of the coordinate systems about their vertical axis (Z axis) relative to one another.
  • a scaling correction value for each of the X and Y directions can be determined, and optionally also a rotation correction value in the presence of a rotation of the two X-Y coordinate systems relative to each other.
  • the arrangement of three or four sensors would preferably each in the corners of a z.
  • one sensor is preferably provided for each direction in the middle of the extension of the edge region and one at the end of the edge region, ie in a corner best a barrel-shaped indentation or bulge in the central region of the edge can be determined and from this in turn for each deflection direction, a ton correction value can be calculated automatically.
  • the individual correction values are stored in the controller and, depending on the position of the laser incidence point currently to be calculated in the processing area, ie with respect to the laser coordinate system, calculated and possibly added exactly for this specific impact point, which depends on the type of correction value and the distance of the concrete Impact point of the computational origin of the coordinate system is possible.
  • the pre-processing result for example the pre-printing
  • the pre-processing result is recorded by a camera permanently installed in the machine and thus determines its position in the holder coordinate system as soon as the workpiece, for example the card, including the workpiece holder is in the processing position and determines a pre-processing correction value which must be taken into account in the subsequent laser processing in addition to the other correction values in the deflection of the laser beam according to the laser coordinate system.
  • the correct energy input into the workpiece must be effected, because an incorrect amount of energy leads to a wrong processing result, for example when labeling by laser to a too high or too low blackness or gray scale level.
  • the laser beam is not on the surface of the workpiece, so the xy plane z.
  • the machine Coordinate system is focused. For this reason, with each individual laser light sensor, the laser beam with its focal plane to the height (in the z direction) of the sensor, so the xy plane z.
  • the machine coordinate system set:
  • the Z coordinate is varied at this point and from this a relation between the signal strength of the sensor is determined as a function of the Z position of the focus of the laser beam in the form of a bell curve.
  • a shift of the focus position in the x and y direction should be avoided, as would inevitably be the case, for example, for a change in distance between the plane field lens and workpiece using a non-telecentric f-theta objective.
  • the change in the Z position can be achieved, for example, by a change by beam divergence in front of the plane field lens.
  • the correlation between focus distance and signal strength of the laser light sensor for the respective sensor can also be determined prior to installation of the sensor in the machine in a separate test device, instead of or in addition to the subsequent re-examination in the installed state in the machine.
  • Another reason why the right laser power is not given off on the workpiece surface during laser processing can be due to the laser light source or the beam path of the laser, for example because each laser light source produces a different line due to production or if the power of the laser light source decreases.
  • a power calibration curve is created for each of the laser light sensors in a test apparatus before it is installed in the processing machine.
  • the laser light sensor is detected by a structurally identical or ideally identical later laser light source from the later processing machine directly and without deflecting mirrors. precisely and with precise focus applied while the laser power varies gradually, preferably from 0 - 100% of the laser power, and recorded the associated signal strengths, such as diode voltages, the laser light sensor.
  • the control to compensate the recorded power of the laser light source readjust accordingly or - in case of excessive deviation - an error message is issued to the cause of this strong deviation to remedy, for example, a dirty or damaged deflecting mirror or a completely or partially defective laser light source.
  • a suitable laser light sensor is needed in addition to a corresponding control.
  • 1 shows the workpiece, the workpiece holder and the relevant coordinate systems
  • 2 the distortion of the laser coordinate system and the position determination of the laser light sensors in the machine
  • FIG. 5a the laser processing machine according to the single axis system in FIG
  • Fig. 5b only one beam deflection according to the two-axis system in a schematic representation.
  • the workpiece holder 3 can be moved between a loading position shown in dashed lines and a processing position shown in phantom within the laser processing machine 22 shown in the plan view, wherein an inserted workpiece 4, usually a plastic card, is located in the workpiece holder 3.
  • the workpiece holder 3 in the machining position, can be moved controlled in the Y direction, while only the X movement takes place by means of corresponding deflection of the laser beam 2. It is therefore a one-axis system of laser deflection.
  • the possible processing area 7 corresponds at least to the outer dimensions of the workpiece holder 3.
  • the laser beam 2 is emitted by a laser light source 1 in a direction in the XY plane next to the area of the workpiece holder 3. It is above the workpiece holder 3 to recognize a pentagonal frame, in whose main legs deflecting mirror 20 a, b, c are mounted, the z. B. pivotally controlled by the controller 10 of the machine 1, are.
  • An analogous same frame with also three deflection mirrors is positioned in alignment in the direction of FIG. 5 under the workpiece holder 3.
  • the laser beam 2 hits in the area laterally adjacent to the workpiece holder 3 in the height between these two fixed mounted in the frame of the machine frame 1 on a pivotable selection mirror 2,4 of the laser beam, for example - as shown in Fig. 5 - up to the upper pentagonal frame and on the local deflecting mirror 20a, from there to the second deflecting mirror 20b and the third deflecting mirror 20c and from there into the plane of the drawing on the top of the workpiece holder 4 lying in the frame-shaped workpiece holder 3.
  • the respective last deflecting mirror 20c of the laser beam 2 or a further forward in the beam path, z. B. between the laser light source and selection mirror 24 arranged X-deflecting mirror can be controlled in the X direction deflected, while the Y positioning of the point of incidence for the laser beam by appropriate V merge the workpiece holder 3, which is preferably always changed only when a in X direction extending line of the label was terminated by the laser beam 2.
  • 5b shows, in a schematic representation, an arrangement in which the laser beam can be successively deflected in two spatial directions (x and y) by means of two pivotable mirrors whose pivot axes are not identical but preferably perpendicular to one another, ie a so-called two-axis system.
  • the rest of the laser processing machine is not shown.
  • a so-called plan field lens is arranged, which is the barrel distortion of the coordinate system on the workpiece surface, as they should compensate as well as possible by the cone-shaped deflected laser beam 2, but only limited is possible. From this basic situation it becomes clear that the laser coordinate system x, y, in which the deflection of the laser beam and thus the necessary movements of the deflecting mirrors 20a, b, c are fixed, do not always coincide with z.
  • the machine coordinate system or ', ⁇ ' fixed in the machine due to temperature drift of the mirror suspensions, elongations and shrinkages of the base frame of the laser processing machine 22 due to humidity changes, temperature changes, or deformations due to vibration or the like.
  • the laser coordinate system x, y does not coincide with the holder coordinate system X, Y, which is stationary with respect to the workpiece holder 3, which is movable in the Y direction and has play in its guides in the X direction, which despite its knowledge Target positions, especially in the X direction further conformity error already compared to the machine coordinate system ⁇ ', ⁇ ' represents, and even more relative to the laser coordinate system x, y.
  • the machine coordinate system X 'Y can be used as an intermediate step -, between the individual coordinate systems correction values, especially between the I - K .... x, y and the H ... -
  • the correction values determined for the relationship between the laser coordinate system x, y and the machine coordinate system ⁇ ', ⁇ ' apply to the (fixed) machine coordinate system ⁇ ', ⁇ ' in general, while in the determination of correction values between the laser coordinate system x, y and the holder coordinate system X , These apply only to a certain positioning of the workpiece holder 3 in the laser processing machine 22, so that these correction values may be set separately for several positions of the workpiece holder 3, at least the starting and ending position of the workpiece holder 3 in the processing area of the laser processing machine 22 and possibly also a course of these correction values depending on z. B. Y positioning of the workpiece holder 3 must be determined.
  • the achievable by the laser beam 2 processing area 7 is based on the laser processing machine 22 only one extending in the X direction line under the deflection mirror 20c, due to the Y-mobility of the workpiece holder 3, however, based on the workpiece holder 3 whose total area including the z. B. central large recess in which the workpiece 4 rests only on a narrow lateral edge.
  • FIG. 1 a the laser coordinate system x, y and the holder coordinate system X, Y are shown in an enlarged representation of only the workpiece holder 3 with inserted workpiece 4 with respect to FIG. 5, which are not covered.
  • the laser coordinate system x, y represents the actual point of impact of the laser beam on the card, which as a rule does not coincide with the desired position on the workpiece 4, as they do itself from the specification according to the holder coordinate system X, Y results, which is fixed with respect to the workpiece holder 3 defined.
  • a laser light sensor 5.1 is mounted, which is coupled to the controller 10, and upon impact of laser light 2 emits a particular quantitative signal. Since the approximate position of this laser light sensor 5.1 is also known according to the laser coordinate system x, y, the exact position of this sensor in the laser coordinate system x, y can be determined by repeatedly traversing the approximate position range in the x and y directions.
  • 2b shows how the presumed position of the laser light sensor 5.1 is run over in a scanning direction, x or y, and laser light pulses are emitted at regular time intervals, and the corresponding sensor signals SS emitted thereby by the laser light sensor 5.1 are recorded.
  • the peaks of these sensor signals SS result in a bell curve 19, which is automatically determined by the controller 10, and the one for each scanning direction and a fortiori for different sensors may have different amplitude and also a different center position.
  • the controller 10 is also automatically capable of using known algorithms to determine the highest point of this bell curve 19, which is then the exact value in the scanning direction, so x or y, this laser light sensor 5.1 in the laser coordinate system x, y.
  • the x or y value of the highest point of the bell curve 19 determined according to FIG. 2b is the respective component PKX1 or PKY1, which in total results in the point correction value PK1 by which in this case zero point of the holder coordinate system X, Y is different from the actual position, the zero point of the laser coordinate system x, y.
  • this does not only apply to the zero point, but to every point in the processing area.
  • the point correction value PK1 or an individual point correction value relevant for this point of incidence in the laser coordinate system x, y must therefore be used for the previously provided settings of the deflection mirror in the laser coordinate system x, y which is done automatically by the controller.
  • such a point correction value can be set not only for the zero points of these two coordinate systems, but for any point in the processing area 7, ie in the area of the workpiece holder 3. Accordingly, not only the laser light sensor 5.1 in the lower right corner of FIG present frame-shaped workpiece holder 3, but also laser light sensors 5.2 - 5.4 in the other E- ck. For each of these laser light sensors 5.1 - 5.4 corresponding point correction values PK1 - PK4 are determined, each separated according to their components in the x- and y-direction, z. Eg PK2x, PK2y.
  • the two coordinate systems x, y and X, Y are often not only shifted relative to each other, but also have a non-matching scale, so that a size unit z.
  • B. in the y-direction of the laser coordinate system x, y is another than a Y-unit in the holder coordinate system X, Y and also in the X direction.
  • the denominator of the fraction is the distance in units of the laser coordinate system in positions of the two sensors used 5.1 and 5.2.
  • This scaling correction value SKX, SKY is thus a correction value that must be added depending on the position of the laser beam in the coordinate system per unit length to the value after the laser coordinate system x, y, which is also done automatically in the controller 10. If the origins of the coordinate systems according to FIG. 1 a have already been offset relative to each other, this point correction value of the origin of the laser coordinate system x, y is, of course, added once.
  • Another problem is that due to the deflection of the laser beam 2 by two deflecting mirrors which can be pivoted about an axis, the impact points of the laser beams 2 in x- and y-direction after the laser coordinate system in the x or y direction usually no straight lines, but at most in the middle of the processing area, and thus the laser coordinate system x, y is barrel-shaped distorted, which in Fig 2a is exaggerated.
  • tire correction values TKX and TKY are used for the two directions x and y determine what happens as follows:
  • sensors are arranged spaced apart in the x and y directions at the edges of the processing region 7, both at the two corners of the processing region in this direction and in the middle of this edge, so that the deviation from the Cartesian Coordinate system is detectable.
  • a Y-line of the X, Y or ⁇ ', ⁇ ' coordinate system is located so that it passes through the two remote sensors 5.1 and 5.4.
  • the middle sensor 5.2. is in the laser coordinate system x, y removed by a ton correction value TKYmax from this line. From this, taking into account the degree of convergence of a specific laser incidence position to the upper or lower edge of the processing area 7 in the Y direction, a barrel correction value TKY to be determined for this point can be determined, and also a barrel correction value TKX in the x direction , calculated on the basis of the maximum barrel correction value TKXmax determined in the X-direction middle sensor 5.3. Furthermore, correction values for the adjustment of the focus position in the Z direction are necessary, as shown in FIGS.
  • the focus should be set exactly on the surface of the workpiece 4, and this is chosen as the zero point of the Z axis.
  • This focus adjustment ZK is usually performed on the individual sensors, after they are already firmly positioned in the laser processing machine, ie built-in.
  • this focus adjustment in the machine can not be performed.
  • the laser light sensors are installed in a special test device before installation in the machine 22 and there performed this focus adjustment. Further, for the laser light sensors spaced apart in the X- and Y-direction and the focus correction values ZK1, ZK2, ZK3 detected therefrom, it is possible to read in one direction, e.g. B. the Y direction, spaced sensors and focus correction values ZK1 and ZK2 turn a focus scale correction value ZSKY for the Y direction and ZSKX analog for the X direction are determined, if in the z in this z. B. Y-direction spaced sensors 5.1 and 5.2, the corresponding Z-correction values ZK1 and ZK2 were not the same size.
  • the xy plane in the laser coordinate system xy is not parallel but at an angle to the xy plane in the holder coordinate system X, Y or machine coordinate system X ', Y', which compensates with this focus scaling correction value ZSKX, ZSKY can be.
  • This aging phenomenon can be compensated for by means of control, so that the same value of the sensor signal SS and thus the line impinging there is always present at a desired processing location.
  • Amplifier circuit laser light pulse bell curvea, b, c deflection mirror
  • a workpiece holder (3) in which a workpiece (4) to be machined by means of laser light (2) is accommodated
  • At least one laser light sensor (5) with a small spatial extent with the machine, in particular the workpiece holder (3) is firmly connected and its position in the machine coordinate system ( ⁇ ', ⁇ '), better in the holder coordinate system (X, Y ), the at least one laser light sensor (5) is scanned with laser light (2),
  • the impact position of the laser beam (2) is assumed to coincide with the position of the laser light sensor (5) and determined in the laser coordinate system (x, y), in particular including that thereof necessary deflection of the laser beam (2),
  • At least one point correction value (PK1) is automatically calculated to adapt the laser coordinate system (x, y) to the machine coordinate system ( ⁇ ', ⁇ '), better the holder coordinate system (X, Y), and

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätssicherung des Bearbeitungsergebnisses bei der Bearbeitung eines Werkstückes (4) mittels Laser, insbesondere was die Positionierung und Leistungskontrolle der auf dem Werkstück (4) auftreffenden Energiemenge inklusive Selbstkalibrierung und Driftkompensation betrifft, was erst die zentrale Administrierung dezentral aufgestellter Geräte ermöglicht. Vor dem Bearbeiten des Werkstückes (4) wird wenigstens ein Laserlicht-Sensor (5.1) mit geringer räumlicher Ausdehnung mit der Maschine fest verbunden und seine Position im Maschinen-Koordinatensystem ermittelt, der wenigstens eine Laserlicht-Sensor (5.1) mit Laserlicht abgetastet, beim maximalen Sensor-Signal die Auftreffposition des Laserstrahls als übereinstimmend mit der Position des Laserlicht-Sensors (5.1) unterstellt und im Laser-Koordinatensystem bestimmt, aus der Differenz der Position des Sensors (5.1) im Maschinen-Koordinatensystem und der Auftreffposition des Laserstrahls im Laser-Koordinatensystem wenigstens ein Punkt-Korrekturwert automatisch errechnet zur Anpassung des Laser-Koordinatensystems an das Maschinen-Koordinatensystem und bei der anschließenden Bearbeitung des Werkstückes (4) der Laserstrahl nach dem Laser-Koordinatensystem unter Berücksichtigung des wenigstens einen Korrekturwertes ausgelenkt wird.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM KALIBRIEREN EINER LASERBEARBEITUNGSMASCHINE UNTER VERWENDUNG EINES LASERLICHT-SENSORS
I. Anwendungsgebiet Die Erfindung betrifft Maschinen und Bearbeitungsvorgänge, bei denen ein Werkstück mittels Laser bearbeitet werden soll, also beispielsweise geschnitten, graviert oder beschriftet werden soll.
II. Technischer Hintergrund
Wie bei jedem Bearbeitungsvorgang, kommt es auch hier darauf an, dass dieses Gravieren oder Beschriften auf dem Werkstück an der exakten dafür vorgesehenen Soll-Position durchgeführt wird.
Häufig soll die Bearbeitung dabei jedoch nicht an einer bezüglich des Werkstückes fest vorgegebenen Position durchgeführt werden, sondern abhängig von der Position einer Vorbearbeitung, die am Werkstück zuvor durchgeführt wurde, und deren Position auf dem Werkstück produktionsbedingt eine je- weils andere sein kann.
Hinzu kommt, dass der Laserstrahl zwischen der Laserlichtquelle und seinem Auftreffpunkt auf dem Werkstück häufig— über einen oder mehrere Ablenkspiegel abgelenkt wird, und diese Ablenkspiegel beweglich sind und angesteuert werden, um den Auftreffpunkt des Laserstrahles entlang einem gewünschten Pfad zu bewegen. Die Präzisionsbearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung erfordert eine Kalibrierung des Bearbeitungssystems bezüglich der Einstellung der Laserleistungsdichte im Fokus und der Strahlablenkeinheit für die Laser- Strahlpositionierung. Stand der Technik ist, dass für das Erreichen der erforderlichen Genauigkeiten (Schwankungen, so genannte Drift, der o. g. Parameter durch Temperatur, Verschleiß, Alterung, etc.) vor einer Bearbeitung Probebearbeitungen durchgeführt werden, die es ermöglichen, die Abweichungen von Soll- und Istwerten zu bestimmen und eine Kalibrierung des Systems bis zum Erreichen der erforderlichen Bearbeitungspräzision durchzuführen. Die Durchführung der Kalibrierung in dieser Weise erfordert in aller Regel Spezialkenntnisse und ist mit hohem Zeitaufwand und ggf. Materialverbrauch verbunden. Die Kenntnisse gehen weit über das Maß an Fachwissen hinaus, das ein Maschinenbediener für die Durchführung der eigentlichen Bearbeitungen benötigt.
Die Folge ist nur, dass derartige Laserbearbeitungssysteme in zentralen Fertigungszentren eingesetzt werden, wo die Möglichkeit besteht, dass eine Fachkraft mehrere Maschinen betreut, die dann von geringer geschultem Personal bedient werden.
Ein typischer Anwendungsfall ist die Personalisierung von Kunststoff karten, etwa Kreditkarten oder Ausweiskarten, mittels Laser: Dabei werden die Kartenrohlinge zunächst bedruckt und ggf. auch geprägt, wobei die Position der Bedruckung oder Prägung auf der Karte die Position der anschließenden Laserbeschriftung vorgibt.
So soll beispielsweise unter dem vorher aufgedruckten Wort "Name" exakt in x- und y-Richtung dazu positioniert der konkrete Name des Karteninhabers aufgebracht werden. Da bei der Personalisierung solcher Karten sehr große Stückzahlen bearbeitet werden, werden diese Karten automatisch in die Laserbearbeitungsma- schine eingezogen und ausgeworfen und dazwischen mittels Laser bearbeitet.
Als mögliche Abweichungsquellen der Ist-Position der Laserbeschriftung hinsichtlich ihrer Soll-Position kommen deshalb in Frage: ungenaue Positionierung der Karte im Kartenhalter der Maschine, bedingt durch Spiel im Einzugs- und Haltemechanismus, insbesondere die Führungsbahnen für den Einzug und die Positionierung des Kartenhalters in der Maschine,
- Abweichung der Ist-Position der Bedruckung oder Prägung von der Soll-Position relativ zum Kartengrundkörper,
Umwelteinflüsse, insbesondere Erschütterungen und Temperatureinflüsse, die die gesamte Maschine beeinflussen und vor allem Temperaturdehnungen im Grundgestell der Maschine bewirken und dadurch die Schwenkachsen der am Grundgestell befestigten Spiegel der Laserstrahlführung verlagern.
Erschwerend ist es, wenn derartige Maschinen klein, leicht und kompakt gebaut werden sollen, um sie dezentral einsetzen zu können. Dies bedingt zum einen eine leichte Bauweise und damit ein tragendes Grundgestell der Maschine aus z. B. Kunststoff statt aus Stahl.
Sollen derartige Geräte dezentral genutzt werden, d.h. über mehrere, weit verstreute Standorte verteilt, ergibt sich die organisatorisch kaum zu bewäl- tigende Aufgabe, diese Systeme von hinreichend qualifiziertem Fachpersonal kalibrieren und einstellen zu lassen. Des Weiteren kann zwecks Vermeidung zu großer baulicher Abmessungen der Maschine die Laserlichtquelle nicht in großem Abstand und lotrecht auf die Kartenebene gerichtet angeordnet werden, sondern statt dessen wird die Laserlichtquelle in oder parallel zur Kartenebene angeordnet und der Strahl durch vielfache Umlenkung lotrecht zur Kartenebene ausgerichtet und ausgelenkt, wobei jede Umlenkung spielbehaftet ist und durch unerwünschte Verlagerung ihrer Schwenkachse eine weitere Fehlerquelle darstellt.
Ein weiteres Problem stellen Leistungsschwankungen des Lasers dar:
Zum einen können einzelne Dioden des Lasers defekt werden und dadurch kann die Leistung sinken, zum anderen unterliegen Laser einem natürlichen Alterungsprozess, der ebenfalls mit einem Leistungsverlust einhergeht. Da abnehmende Leistung bei ansonsten gleichen Einstellparametern jedoch eine zurückgehende Schwärzung des Beschriftungs-Ergebnisses bewirkt, was sich vor allem bei Graustufenbildern auf einer Karte nachteilig auswirkt, sollte für die Erzielung gleichbleibender Qualität auch die auf dem Werkstück auftreffende Laserleistung einer Kontrolle unterworfen werden. Diese kann nicht nur durch Veränderungen an der Laserlichtquelle, sondern auch durch z. B. Verschmutzung der Spiegel im Strahlengang des Laserlichts o- der andere Faktoren beeinflusst werden, etwa mangelhafte Fokussierung des Laserstrahls auf die Oberfläche des Werkstückes.
III. Darstellung der Erfindung a) Technische Aufgabe Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätssicherung des Bearbeitungsergebnisses bei der Bearbeitung eines Werkstückes mittels Laser zur Verfügung zu stellen, insbe- sondere was die Positionierung und Leistungskontrolle der auf dem Werkstück auftreffenden Energiemenge inklusive Selbstkalibrierung und Driftkompensation betrifft, was erst die zentrale Administrierung dezentral aufgestellter Geräte ermöglicht.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorausgeschickt werden soll, dass es unterschiedliche Laser- Ablenkungssysteme gibt: Einachssystem:
1 . Der Laserstrahl wird über einen beweglichen Spiegel nur in x-Richtung abgelenkt. 2. Die Karte, also das Werkstück, wird während der Bearbeitung in y- Richtung verschoben. a) Es gibt meist keine Kissen-Tonnen-Verzerrung.
b) Eine Positionskalibrierung kann nur dann in y-Richtung erfolgen, wenn der Sensor mit dem Kartenhalter bewegt wird.
Zweiachssystem:
1 . Der Laserstrahl wird über zwei bewegliche Spiegel abgelenkt in x- und y-Richtung.
2. Die Karte wird bei der Beschriftung nicht bewegt. 3. Es gibt immer eine Kissen-Tonnen-Verzerrung.
4. Der Sensor kann ortsfest in der Maschine fixiert sein.
Wenn ein in spezifischer Art und Weise in der Laserbearbeitungsmaschine ausgelenkter Lichtstrahl der Laserlichtquelle reproduzierbar immer exakt auf dem gleichen Punkt des Werkstückes auftreffen würde, läge das der Erfindung zugrunde liegende Problem gar nicht vor.
Es würde ein einziges Laser-Koordinatensystem existieren, in dem der Auf- treffpunkt des Laserstrahls bezüglich der Karte angegeben werden könnte, wenn die Kartenposition bekannt ist.
In der Praxis ist dies jedoch nicht so, da zweckmäßigerweise zwei unterschiedliche Koordinatensysteme definiert werden, die nicht identisch sind:
Zum einen das Laser-Koordinatensystem:
Die Laserlichtquelle ist im Laser-Koordinatensystem fest positioniert und der Auftreffpunkt des Lasers auf dem Werkstück in diesem Laserkoordinaten- System wird durch die Auslenkungen des Laserstrahls verursacht und auch die Fehler und Ungenauigkeiten sowohl der Austrittsposition des Laserstrahls aus der Laserlichtquelle und seiner Richtung, als auch die Fehler in den Umlenkungen des Laserstrahles. - Zum anderen das Maschinen-Koordinatensystem:
Dieses Koordinatensystem ist auf die Maschine als Ganzes bezogen, oder auf eines ihrer Teile, insbesondere den beweglichen Kartenhalter, wobei es sich dann um ein bezüglich der Gesamtmaschine bewegliches Koordinaten- System handelt, das dann jedoch wiederum insgesamt Toleranzen gegenüber dem festen Teil der Maschine besitzt. Dieses Koordinatensystem ist beeinflusst von Temperaturdehnungen und Führungsungenauigkeiten, z. B. des Kartenschlittens gegenüber dem Grundgestell der Maschine den Erschütterungen des Grundgestells der ge- samten Maschine und ähnlichen Faktoren.
Da mit dem Maschinenkoordinatensystem Positionen auf dem Werkstück definiert werden sollen, wäre das Maschinenkoordinatensystem im Idealfall ein Koordinatensystem, welches bezüglich des Werkstückes selbst festge- legt ist, was im vorliegenden Fall jedoch wegen der Beweglichkeit des Werkstückes nicht möglich ist, so dass Fehler der Positionierung des Werkstückes im Kartenhalter und dessen Halterkoordinatensystem, erst recht gegenüber dem Maschinen-Koordinatensystem, zusätzlich kompensiert werden müssen.
Die mangelnde Übereinstimmung zwischen dem Laserkoordinatensystem und dem Maschinenkoordinatensystem, beispielsweise dem speziellen Halter-Koordinatensystem (worunter bei diesem beweglichen Koordinatensystem die Lage des Halterkoordinatensystems in der Bearbeitungsposition des Werkstückhalters zu verstehen ist) kann sich auf unterschiedliche Art und Weise darstellen: a)
Die Ursprünge der beiden Koordinatensysteme - wenn sie analog zueinan- der festgelegt werden - können differieren, entweder in X-Richtung oder in Y-Richtung, also den beiden Auslenkrichtungen des Laserstrahles, oder in beiden Richtungen, b)
Die Skalierung der beiden Koordinatensysteme kann differieren, indem ihre Längeneinheiten in einer übereinstimmenden Richtung unterschiedlich lang sind. c)
Die geometrische Form der Koordinatensysteme kann sich unterscheiden. - Das Maschinenkoordinatensystem ist idealerweise ein kartesisches Koordinatensystem, also mit lotrecht aufeinander stehender X- und Y- Richtung.
Bei dem Laserkoordinatensystem definiert der mögliche Ablenkungsbereich des Lasers (nach der letzten Umlenkung) bis zum Focuspunkt einen Kegel oder einen Kegelstumpf mit einer Kugel-Segment-förmigen Bodenfläche, so dass die letzte Linse im Strahlengang immer eine sogenannte Planfeldlinse ist, die die Focuspunkte des Lasers von diesem Kugelsegment in eine plane Ebene verteilen soll.
Dadurch wird jedoch leider auch bewirkt, dass das Laserkoordinatensystem in der planen Ebene, der Kartenebene, kein exakt kartesisches Koordinatensystem ist, sondern tonnenförmige, Ein- oder Ausbuchtungen aufweist gegenüber einem exakt kartesischen wie dem Maschinenkoordinatensystem.
Die Richtung der einander entsprechenden X- oder Y-Richtungen können voneinander abweichen, so dass die Koordinatensysteme relativ um ihre Lotrechte (Z-Richtung) zueinander geringfügig verdreht sein können. d)
Die durch die jeweiligen Koordinatensysteme definierten Ebenen, insbesondere die X-Y-Ebenen, sind nicht identisch und auch nicht parallel, sondern bilden einen leichten Winkel zueinander, indem beispielsweise die Ursprünge der beiden Koordinatensysteme miteinander identisch sind, davon abweichende Punkte jedoch einen zunehmenden Versatz in Z-Richtung aufweisen. Die beiden Koordinatensysteme, also Laserkoordinatensystem und Maschinenkoordinatensystem, sind keine real an der Maschine eingezeichneten Koordinatensysteme, sondern gedanklich festgelegte Koordinatensysteme, beispielsweise auch in der Steuerung der Maschine hinterlegte Koordina- tensysteme, wobei nicht unbedingt beide in der Steuerung separat hinterlegt sein müssen. Es kann auch nur eines von beiden hinterlegt sein.
Laserkoordinatensystem einerseits und Maschinenkoordinatensystem andererseits können deshalb auch als Soll-Position und Ist-Position der ge- wünschten Laserauftreffpunkte gesehen werden. Wenn nur eines davon, z. B. das Laser-Koordinatensystem, in der Steuerung körperlich, also durch Definierung des Nullpunktes und der Achsrichtungen, hinterlegt ist, sind Soll-, also auch Ist-Position in den Koordinaten dieses Koordinatensystems hinterlegt.
Der Laserauftreffpunkt auf dem Werkstück, z. B. der Karte, findet sich dann an der gewünschten Soll-Position wieder, wenn die Abweichungen des Laserkoordinatensystems, also der Ist-Position potentieller Auftreffpunkte, vom Maschinenkoordinatensystem, den Soll-Positionen potentieller Auftreffpunk- te des Laserstrahls, bekannt ist und die Ist-Position durch Berücksichtigen der daraus errechneten Korrekturwerte in die gewünschte Soll-Position überführt werden kann.
Zu diesem Zweck wird zunächst für eine oder mehrere konkrete Positionen im Bearbeitungsbereich der Maschine ermittelt, wie stark die Ist-Position (Laserkoordinatensystem) von der Soll-Position (Maschinenkoordinatensystem oder Halterkoordinatensystem) abweicht.
Zu diesem Zweck sind an diesen konkreten Positionen Laserlichtsensoren im Bearbeitungsbereich ortsfest an der Maschine, oder vorzugsweise ortsfest an dem beweglichen Werkstückhalter, angeordnet, so dass deren Posi- tion im Maschinenkoordinatensystem oder Halterkoordinatensystem bekannt ist.
Anschließend werden dieses Sensoren und damit deren Position im z. B. Halterkoordinatensystem mit dem Laserstrahl angefahren und festgehalten, um welche Position es sich bei dem Auftreffpunkt, und damit der Sensorposition gemessen im Laserkoordinatensystem, handelt.
Daraus wird für jeden einzelnen dieser Sensorpositionen ein Punkt- Korrekturwert zwischen den beiden Koordinatensystemen ermittelt, um den das Laserkoordinatensystem (Ist-Position) oder der Auftreffpunkt nach dem Laserkoordinatensystem, also die Ist-Position, zusätzlich verschoben werden muss, um den korrekten Punkt nach dem z. B. Halterkoordinatensystem (Soll-Position) zu erreichen.
Dieser Korrekturwert wird bei der anschließenden Bearbeitung des Werkstückes für die Auslenkung des Laserstrahls nach dem Laserkoordinatensystem mit berücksichtigt. Sofern nur ein einziger Sensor vorhanden ist, kann nur ein einziger Punkt- Korrekturwert ermittelt werden und dessen Komponenten in X- und Y- Richtung.
Nur wenn die beiden Koordinatensysteme außer eine Nullpunktsverschie- bung keine anderen Unterschiede aufweisen, lässt sich mit einem solchen einzelnen Punkt-Korrekturwert eine Korrelation der beiden Koordinatensysteme herbeiführen.
Da dies nicht sicher ist, werden für jede der beiden Auslenkrichtungen des Laserstrahls, also X- und Y-Richtung, zwei beabstandete Sensoren verwendet und für jeden Sensor ein Punkt-Korrekturwert bestimmt. Unter Umständen kann ein Sensor - abhängig von seiner Bauart - für die Ermittlung des Korrekturwertes in beide dieser Richtungen genutzt werden.
Aus den beiden Punkt-Korrekturwerten derselben Richtung kann somit au- tomatisch ermittelt werden, ob die Skalierung der beiden Koordinatensysteme in dieser Richtung übereinstimmt oder zusätzlich ein Skalierungsunterschied besteht. Durch die beiden Punkt-Korrekturwerte der anderen Richtung kann zusätzlich ermittelt werden, ob ein Verdrehen der Koordinatensysteme um ihre Hochachse (Z-Achse) zueinander vorliegt.
Auf diese Art und Weisen können aus diesen Punkt-Korrekturwerten zum einen ein Skalierungskorrekturwert für jede der X- und Y-Richtungen ermittelt werden und gegebenenfalls auch ein Drehungs-Korrekturwert bei Vorliegen einer Verdrehung der beiden X-Y-Koordinatensysteme um deren Lot zueinander.
In diesem Sinne wäre die Anordnung von drei oder vier Sensoren vorzugsweise jeweils in den Ecken eines z. B. rechteckigen Bearbeitungsbereiches, bei einer rechteckigen Karte als Werkstück dann knapp außerhalb des Kar- tenbereiches im Halterahmen, der dann den Werkstückhalter darstellt, am sinnvollsten.
Will man dagegen auch die Größe oder das Vorhandensein einer tonnen- förmigen Verzerrung des Laserkoordinatensystems feststellen, so wird für jede Richtung vorzugsweise je ein Sensor in der Mitte der Erstreckung des Randbereiches und einer am Ende des Randbereiches, also in einer Ecke, vorgesehen, da hierdurch am besten eine tonnenförmige Ein- oder Ausbuchtung im mittleren Bereich des Randes ermittelt werden kann und hieraus wiederum für jede Auslenk-Richtung ein Tonnen-Korrekturwert automatisch errechnet werden kann. Die einzelnen Korrekturwerte werden in der Steuerung hinterlegt und abhängig von der Position des aktuell zu berechnenden Laserauftreffpunktes im Bearbeitungsbereich, also bezüglich des Laserkoordinatensystems, für diesen konkreten Auftreffpunkt exakt berechnet und ggf. addiert, was an- hand der Art des Korrekturwertes und des Abstandes des konkreten Auftreffpunktes vom rechnerischen Ursprung des Koordinatensystems möglich ist.
Erschwerend kann hinzu kommen, dass der Laserauftreffpunkt nicht an einer festen Position des Werkstückes auftreffen soll, sondern in einer festen Positionierung bezüglich einer auf dem Werkstück vorhandenen sichtbaren Vorbearbeitung, beispielsweise einer Vorbedruckung, die sich jedoch herstellungsbedingt nicht immer an der exakt gleichen Kartenposition befindet. Für diesen Fall wird das Vorbearbeitungsresultat, beispielsweise die Vorbedruckung, von einer in der Maschine fest eingebauten Kamera aufgenommen und damit dessen Position im Halterkoordinatensystem bestimmt, sobald sich das Werkstück, beispielsweise die Karte, samt Werkstückhalter in der Bearbeitungsposition befindet und hieraus ein Vorbearbeitungs- Korrekturwert ermittelt, der bei der anschließenden Laserbearbeitung zusätzlich zu den anderen Korrekturwerten bei der Auslenkung des Laserstrahles nach dem Laserkoordinatensystem berücksichtigt werden muss.
Für die Laserbearbeitung muss neben der exakten Positionierung des Auf- treffpunktes des Laserstrahls auf dem Werkstück dort jedoch auch der korrekte Energieeintrag in das Werkstück bewirkt werden, denn eine falsche Energiemenge führt zu einem falschen Bearbeitungsergebnis, beispielsweise beim Beschriften mittels Laser zu einem zu hohen oder zu niedrigen Schwärzungsgrad oder Graustufengrad.
Dies kann beispielsweise daran liegen, dass der Laserstrahl nicht auf die Oberfläche des Werkstückes, also die x-y-Ebene z. B. des Maschinen- Koordinatensystems, fokussiert ist. Aus diesem Grund wird bei jedem einzelnen Laserlicht-Sensor der Laserstrahl mit seiner Fokalebene auf die Höhe (in z-Richtung) des Sensors, also die x-y-Ebene z. B. im Maschinen- Koordinatensystem, eingestellt:
Zu diesem Zweck wird nach dem Abtasten des Sensors in x- und/oder y- Richtung und Ermitteln der genauen Position des Sensors in x-y-Richtung im Laser-Koordinatensystem der Laser auf die exakte x-y-Position des Sensors eingestellt, zunächst mit beispielsweise Z = 0 nach dem Laser- Koordinatensystem.
Anschließend wird die Z-Koordinate an dieser Stelle variiert und daraus eine Relation zwischen der Signalstärke des Sensors in Abhängigkeit von der Z-Position des Fokus des Laserstrahls in Form einer Glockenkurve ermittelt. Bei der Einstellung des Fokus in Z-Richtung sollte eine Verschiebung der Fokusposition in x- und y- Richtung vermieden werden, wie sie etwa bei einer Abstandsänderung zwischen Planfeldlinse und Werkstück bei Verwendung eines nicht telezentrischen f-Theta Objektivs zwangsläufig der Fall wäre. Die Änderung der Z-Position kann beispielsweise durch eine Änderung per Strahldivergenz vor der Planfeldlinse erreicht werden.
Durch Bestimmung des Maximums dieser Glockenkurve, was automatisch erfolgen kann, wird bestimmt, bei welchem Z-Wert die Signalstärke maximal ist, was dann der Z-Wert ist, an dem sich in Z-Richtung der Fokus des La- serstrahls genau auf der Höhe des Lichtsensors befindet. Stimmt dies nicht mit Z = 0 nach dem Laser-Koordinatensystem überein, ergibt sich daraus ein Z-Korrekturwert für das Laser-Koordinatensystem.
Wenn dies für alle Laserlichtsensoren durchgeführt wird, können aus den so erhaltenen einzelnen Z-Korrekturwerten wiederum Z-Skalierungs-Korrektur- werte für die Skalierung des Z-Korrekturwertes in X- und Y-Richtung automatisch bestimmt werden, die für die nachfolgende Laserbearbeitung zu- sätzlich beachtet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass an jedem Bearbeitungspunkt der Laser mit seinem Fokus auf die Bearbeitungsebene eingestellt ist. Selbst wenn dies für einen Punkt des Koordinatensystems bei Z = 0 ohnehin gegeben ist, beispielsweise für den Ursprung des Koordinatensystems, muss dies nicht für die Laserlichtsensoren gelten, die abseits des Ursprunges liegen, da die x-y-Ebene des Laser-Koordinatensystems unter Umständen in einem leichten Winkel zur x-y-Ebene des Maschinen- Koordinatensystems liegen kann.
Vorzugsweise kann die Korrelation zwischen Fokusabstand und Signalstärke des Laserlichtsensors für den jeweiligen Sensor auch vor dem Einbau des Sensors in die Maschine in einer separaten Testvorrichtung ermittelt werden, statt oder zusätzlich zur anschließenden erneuten Überprüfung im eingebauten Zustand in der Maschine.
Ein weiterer Grund, warum nicht die richtige Laserleistung bei der Laserbearbeitung auf der Werkstückoberfläche abgegeben wird, kann an der Laser- lichtquelle oder am Strahlengang des Lasers liegen, beispielsweise weil jede Laserlichtquelle produktionsbedingt eine andere Leitung liefert oder indem die Leistung der Laserlichtquelle abnimmt - z. B. alterungsbedingt - oder indem einer oder mehrere der Umlenkspiegel im Strahlengang verschmutzt sind und das Laserlicht nicht vollständig in die gewünschte Richtung reflek- tieren, sondern teilweise absorbieren, teilweise in unerwünschte andere Richtungen streuen.
Zu diesem Zweck wird eine Leistungskalibrierungskurve für jeden der Laserlichtsensoren in einer Testvorrichtung erstellt, bevor dieser in die Bearbei- tungsmaschine eingebaut wird. Dabei wird der Laserlichtsensor von einer baugleichen oder im Idealfall der identischen späteren Laserlichtquelle aus der späteren Bearbeitungsmaschine direkt und ohne Umlenkspiegel treffge- nau und mit exakter Fokussierung beaufschlagt und dabei die Laserleistung schrittweise variiert, vorzugsweise von 0 - 100% der Laserleistung, und die zugehörigen Signalstärken, beispielsweise Diodenspannungen, des Laserlichtsensors aufgezeichnet.
Damit kann bei dem anschließenden Anfahren der Laserlichtsensoren im eingebauten Zustand in der Maschine - wenn die x-y-Positionierung und die richtige Fokussierung erfolgt ist - aus den dann gemessenen Signalstärken rückgeschlossen werden, welche Leistung auf dem Werkstück auftrifft und ob dies der gewünschten Soll-Leistung entspricht.
Bei Abweichung der Ist-Leistung von der Soll-Leistung im Auftreffpunkt, also auf dem Laserlichtsensor, kann die Steuerung zum Ausgleich die aufgenommene Leistung der Laserlichtquelle entsprechend nachregeln oder - bei zu starker Abweichung - wird eine Fehlermeldung abgegeben, um die Ursache für diese starke Abweichung zu beheben, beispielsweise einen verschmutzten oder beschädigten Ablenkspiegel oder eine ganz oder teilweise defekte Laserlichtquelle. Für die vorstehend beschriebene Vorgehensweise wird - neben einer entsprechenden Steuerung - vor allem ein geeigneter Laserlicht-Sensor benötigt.
c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 : das Werkstück, den Werkstückhalter sowie die relevanten Koordinatensysteme, Fig. 2: die Verzerrung des Laserkoordinatensystems sowie die Positionsbestimmung der Laserlichtsensoren in der Maschine,
Fig. 3: das Festlegen der Fokuseinstellung der einzelnen Laserlicht- sensoren,
Fig. 4: die Leistungskalibrierungskurve eines Laserlichtsensors,
Fig. 5a: die Laserbearbeitungsmaschine nach dem Einachssystem in
Prinzipdarstellung, an der eine Kalibrierung vorgenommen werden soll,
Fig. 5b: nur eine Strahlablenkung nach dem Zwei-Achs-System in Prinzipdarstellung.
Gemäß Figur 5a ist innerhalb der - hier in der Aufsicht dargestellten - Laserbearbeitungsmaschine 22 der Werkstückhalter 3 zwischen einer gestrichelt dargestellten Beladeposition und einer durchgezogen dargestellten Bearbeitungsposition verfahrbar, wobei sich in dem Werkstückhalter 3 ein eingelegtes Werkstück 4, in der Regel eine Kunststoffkarte, befindet.
Zusätzlich ist in der Bearbeitungsposition der Werkstückhalter 3 in Y- Richtung gesteuert verfahrbar, während nur die X-Bewegung durch entsprechende Auslenkung des Laserstrahls 2 erfolgt. Es handelt sich somit um ein Ein-Achs-System der Laser-Auslenkung.
Der mögliche Bearbeitungsbereich 7 entspricht dabei mindestens den Außenabmessungen des Werkstückhalters 3. Der Laserstrahl 2 wird von einer Laserlichtquelle 1 in einer Richtung in der X-Y-Ebene neben dem Bereich des Werkstückhalters 3 abgegeben. Es ist oberhalb des Werkstückhalters 3 ein fünfeckiger Rahmen zu erkennen, in dessen Hauptschenkeln Ablenkspiegel 20 a,b,c montiert sind, die z. B. schwenkbar, gesteuert von der Steuerung 10 der Maschine 1 , sind. Ein analog gleicher Rahmen mit ebenfalls drei Ablenkspiegeln ist in Blickrichtung der Fig. 5 fluchtend unter dem Werkstückhalter 3 positioniert.
Der Laserstrahl 2 trifft im Bereich seitlich neben dem Werkstückhalter 3 in der Höhe zwischen diesen beiden fest im Gestell der Maschine 1 montierten Rahmen auf einen schwenkbaren Auswahlspiegel 2,4 der den Laserstrahl beispielsweise - wie in Fig. 5 dargestellt - nach oben zum oberen fünfeckigen Rahmen und auf den dortigen Ablenkspiegel 20a leitet, von dort auf den zweiten Ablenkspiegel 20b und den dritten Ablenkspiegel 20c und von dort in die Zeichenebene hinein auf die Oberseite der im rahmenförmigen Werk- stückhalter 3 liegenden Werkstückes 4.
In gleicher Art und Weise kann durch den schwenkbaren Auswahlspiegel 24 der Laserstrahl 2 auch zum unteren fünfeckigen Rahmen und den dortigen Ablenkspiegeln umgelenkt werden, was eine Beschriftung des Werkstückes 4 von der Unterseite her bewirkt.
Unabhängig davon, ob Oberseite oder Unterseite des Werkstückes 4 beschriftet werden sollen, wird mit einem X-Ablenkspiegel, der der jeweils letzte Ablenkspiegel 20c des Laserstrahls 2 oder ein weiter vorne im Strahlen- gang, z. B. zwischen Laserlichtquelle und Auswahlspiegel 24 angeordneter X-Ablenkspiegel sein kann, in X-Richtung gesteuert ausgelenkt, während die Y-Positionierung des Auftreffpunktes für den Laserstrahl durch entsprechende Verfahrung des Werkstückhalters 3 erfolgt, die vorzugsweise immer nur dann geändert wird, wenn eine in X-Richtung verlaufende Zeile der Beschrif- tung vom Laserstrahl 2 beendet wurde. Figur 5b zeigt demgegenüber in Prinzipdarstellung eine Anordnung, bei der der Laserstrahl nacheinander durch zwei schwenkbare Spiegel, deren Schwenkachsen nicht identisch sind, sondern vorzugsweise senkrecht aufeinander stehen, in zwei Raumrichtungen (x und y) ausgelenkt werden kann, also ein sogenanntes Zweiachssystem.
Der Rest der Laserbearbeitungsmaschine ist dabei nicht dargestellt.
Dabei ist ersichtlich, dass im Strahlengang des Lasers nacheinander ein X- Ablenkspiegel und ein Y-Ablenkspiegel, die jeweils mittels eines Galvomo- tors angesteuert von der Steuerung der Laserbearbeitungsmaschine, um ihre Schwenkachse gesteuert schräg gestellt werden, angeordnet sind.
Zwischen dem letzten Ablenkspiegel und dem Werkstück 4, welches sich im Werkstückhalter 3 befindet, ist eine so genannte Planfeldlinse angeordnet, welche die tonnenförmige Verzerrung des Koordinatensystems auf der Werkstückoberfläche, wie sie durch den kegelförmig ausgelenkten Laserstrahl 2 möglichst gut ausgleichen soll, was jedoch nur begrenzt möglich ist. Aus dieser Grundsituation wird klar, dass das Laserkoordinatensystem x,y, in welchem die Auslenkung des Laserstrahls und damit die notwendigen Bewegungen der Ablenkspiegel 20a, b,c festgelegt werden, nicht immer mit z. B. dem in der Maschine ortsfesten Maschinenkoordinatensystem Χ',Υ' ü- bereinstimmt aufgrund von Temperaturdrift der Spiegelaufhängungen, Deh- nungen und Schrumpfungen des Grundgestells der Laserbearbeitungsmaschine 22 aufgrund von Luftfeuchtigkeitsänderungen, Temperaturänderungen oder Verformungen aufgrund Erschütterungen oder ähnlichen Gründen.
Erst recht stimmt das Laserkoordinatensystem x,y nicht mit dem Halter- Koordinatensystem X,Y überein, welches ortsfest bezüglich des Werkstückhalters 3 festgelegt ist, welcher in Y-Richtung beweglich ist und in X- Richtung in seinen Führungen spielbehaftet ist, was trotz Kenntnis seiner Soll-Positionen vor allem in X-Richtung weitere Übereinstimmungsfehler bereits gegenüber dem Maschinenkoordinatensystem Χ',Υ' darstellt, und erst recht gegenüber dem Laserkoordinatensystem x,y. Um die Übereinstimmungsfehler zwischen dem Laserkoordinatensystem x, y, in dem die Auslenkungen des Laserstrahls festgelegt werden, und vor allem dem Halter-Koordinatensystem X,Y zu beseitigen und damit die Laserbearbeitung an der richtigen Sollposition bezogen auf das Werkstück 4 anzubringen - wobei das Maschinenkoordinatensystem X'Y als Zwischenschritt benutzt werden kann -, werden zwischen den einzelnen Koordinatensystemen Korrekturwerte, vor allem zwischen den I - K... . x, y und den H... -
K... X, Y, ermittelt, was wie folgt abläuft:
Die für das Verhältnis zwischen Laserkoordinatensystem x,y und Maschi- nenkoordinatensystem Χ',Υ' ermittelten Korrekturwerte gelten für das (ortsfeste) Maschinenkoordinatensystem Χ',Υ' generell, während bei der Ermittlung von Korrekturwerten zwischen dem Laserkoordinatensystem x,y und dem Halterkoordinatensystem X,Y diese nur für eine bestimmte Positionierung des Werkstückhalters 3 in der Laserbearbeitungsmaschine 22 gelten, so dass diese Korrekturwerte unter Umständen für mehrere Positionierungen des Werkstückhalters 3, zumindest der Anfangs- und Endposition des Werkstückhalters 3 im Bearbeitungsbereich der Laserbearbeitungsmaschine 22 separat festgelegt werden und daraus möglicherweise auch ein Verlauf dieser Korrekturwerte je nach z. B. Y-Positionierung des Werkstückhalters 3 ermittelt werden muss.
Der vom Laserstrahl 2 erreichbare Bearbeitungsbereich 7 ist dabei bezogen auf die Laserbearbeitungsmaschine 22 nur eine in X-Richtung verlaufende Linie unter dem Ablenkspiegel 20c, aufgrund der Y-Beweglichkeit des Werkstückhalters 3 jedoch bezogen auf den Werkstückhalter 3 dessen Gesamtfläche einschließlich der z. B. mittigen großen Ausnehmung, in der das Werkstück 4 nur auf einem schmalen seitlichen Rand aufliegt. In Fig. 1 a sind in einer vergrößerten Darstellung nur des Werkstückhalters 3 mit eingelegtem Werkstück 4 gegenüber Fig. 5 das Laserkoordinatensystem x,y und das Halterkoordinatensystem X,Y eingezeichnet, die sich nicht de- cken.
Wird der Laserstrahl 2 in dem ihn bestimmenden Laserkoordinatensystem x,y ausgelenkt, so gibt das Laserkoordinatensystem x, y den Ist-Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Karte wieder, der in aller Regel nicht mit der Soll- position auf dem Werkstück 4 übereinstimmt, wie sie sich aus der Vorgabe nach dem Halterkoordinatensystem X,Y ergibt, welches ortsfest bezüglich des Werkstückhalters 3 definiert ist.
Gemäß Fig. 1 a wird an einem definierten Punkt des Halterkoordinatensys- tems X,Y, beispielsweise dessen Nullpunkt, jedenfalls vorzugsweise am Werkstückhalter 3 außerhalb des Bereichs des Werkstückes 4, ein Laserlichtsensor 5.1 montiert, der mit der Steuerung 10 gekoppelt ist, und beim Auftreffen von Laserlicht 2 ein insbesondere quantitatives Signal abgibt. Da die ungefähre Position dieses Laserlichtsensors 5.1 auch nach dem Laserkoordinatensystem x,y bekannt ist, kann durch mehrfaches Überfahren des ungefähren Positionsbereiches in x- und y-Richtung die genaue Position dieses Sensors im Laserkoordinatensystem x,y bestimmt werden. Fig. 2b zeigt, wie die vermutete Position des Laserlichtsensors 5.1 in einer Abtastrichtung, x oder y, überfahren wird und dabei in regelmäßigen zeitlichen Abständen Laserlicht-Pulse abgesandt werden, und die entsprechenden vom Laserlichtsensor 5.1 dadurch abgegebenen Sensorsignale SS aufgezeichnet werden. Die Spitzen dieser Sensorsignale SS ergeben eine Glo- ckenkurve 19, die von der Steuerung 10 automatisch ermittelt wird, und die für jede Abtastrichtung und erst recht für unterschiedliche Sensoren eine unterschiedliche Amplitude und auch eine unterschiedliche Mittenlage aufweisen kann.
Die Steuerung 10 ist ebenfalls automatisch in der Lage, mittels bekannter Algorithmen den höchsten Punkt dieser Glockenkurve 19 zu bestimmen, was dann der exakte Wert in der Abtastrichtung, also x oder y, dieses Laserlichtsensors 5.1 im Laserkoordinatensystem x,y ist.
Wenn der Istwert im Laserkoordinatensystem x, y der Nullpunkt war, ist der so gemäß Fig. 2b ermittelte x- oder y-Wert der höchsten Stelle der Glockenkurve 19 die jeweilige Komponente PKX1 oder PKY1 , die in Summe den Punktkorrekturwert PK1 ergeben, um den der in diesem Fall Nullpunkt des Halterkoordinatensystems X,Y sich von der Istposition, dem Nullpunkt des Laserkoordinatensystems x,y, unterscheidet. Dies gilt natürlich nicht nur für den Nullpunkt, sondern für jeden Punkt im Bearbeitungsbereich.
Um die Sollposition mit dem Auftreffpunkt des Laserstrahls 2 auf dem Werkstück 4 zu erreichen, muss also zu den hierfür bisher vorgesehenen Einstellungen der Auslenkspiegel im Laserkoordinatensystem x,y der Punktkorrek- turwert PK1 oder ein individueller, für diesen Auftreffpunkt maßgeblicher Punktkorrekturwert im Laserkoordinatensystem x,y hinzuaddiert werden, was von der Steuerung automatisch erfolgt.
Ein solcher Punktkorrekturwert kann natürlich nicht nur für die Nullpunkte dieser beiden Koordinatensysteme festgelegt werden, sondern für jeden beliebigen Punkt im Bearbeitungsbereich 7, also im Bereich des Werkstückhalters 3. Dementsprechend sind gemäß Fig. 1 b nicht nur der Laserlichtsensor 5.1 in der rechten unteren Ecke des rahmenförmigen Werkstückhalters 3 vorhanden, sondern auch Laserlichtsensoren 5.2 - 5.4 in den übrigen E- cken. Für jeden dieser Laserlichtsensoren 5.1 - 5.4 werden entsprechende Punktkorrekturwerte PK1 - PK4 ermittelt, jeweils getrennt nach ihren Komponenten in x- und y-Richtung, z. B. PK2x, PK2y.
Die beiden Koordinatensysteme x,y und X,Y sind häufig nicht nur relativ zueinander verschoben, sondern besitzen auch eine nicht übereinstimmende Skalierung, so dass also eine Größeneinheit z. B. in y-Richtung des Laserkoordinatensystems x,y eine andere ist als eine Y-Einheit im Halterkoordinatensystem X,Y und ebenso in X-Richtung.
Um dies zu ermitteln, werden - wiederum getrennt für die beiden Richtungen x und y - zwei in dieser Richtung beabstandete Laserlichtsensoren, z. B. 5.1 und 5.2, verwendet und aus z. B. den y-Komponenten PK1y und PK2y aus deren Punktkorrekturwerten PK1 und PK2 ein Skalierungs-Korrekturwert für diese Y-Richtung ermittelt insbesondere nach der Formel
PK2y -PK\y
SKY = 1 +
wobei der Nenner des Bruches der Abstand in Einheiten des Laserkoordina- tensystems in Positionen der beiden benutzten Sensoren 5.1 und 5.2 ist.
Dieser Skalierungs-Korrekturwert SKX, SKY ist somit ein Korrekturwert, der abhängig von der Position des Laserstrahls im Koordinatensystem pro Längeneinheit zu dem Wert nach dem Laserkoordinatensystem x,y hinzuge- rechnet werden muss, was ebenfalls in der Steuerung 10 automatisch erfolgt. Wenn bereits die Ursprünge der Koordinatensysteme gemäß Fig. 1 a zueinander versetzt waren, kommt dieser Punktkorrekturwert des Ursprungs des Laserkoordinatensystems x, y natürlich einmalig hinzu. Ein weiteres Problem ist, dass aufgrund der Auslenkung des Laserstrahls 2 durch zwei, um eine Achse schwenkbare Ablenkungsspiegel die Auftreff- punkte der Laserstrahlen 2 in x- und y-Richtung nach dem Laserkoordinatensystem in x- oder in y-Richtung meist keine geraden Linien durchlaufen, sondern höchstens in der Mitte des Bearbeitungsbereiches, und somit das Laserkoordinatensystem x,y tonnenförmig verzerrt ist, was in Fig. 2a über- trieben dargestellt ist.
Meist sind zwei einander gegenüberliegende Kanten ballig konvex, die anderen beiden ballig konkav ausgebildet. Um die Abweichung des Laserkoordinatensystems x,y vor allem hinsichtlich der äußersten x- und y-Linien des Bearbeitungsbereiches 7 an das karthesi- sche, rechteckige Koordinatensystem X,Y bzw. Χ',Υ' mittels Korrekturwerten anzugleichen, werden Tonnenkorrekturwerte TKX und TKY für die beiden Richtungen x und y ermittelt, was wie folgt geschieht:
Gemäß Fig. 2a werden zu diesem Zweck Sensoren in x- und y-Richtung beabstandet an den Rändern des Bearbeitungsbereiches 7 angeordnet, und zwar sowohl an den beiden Ecken des Bearbeitungsbereiches in dieser Richtung als auch in der Mitte dieses Randes, sodass die Abweichung vom karthesischen Koordinatensystem detektierbar ist.
Wenn also in Y-Richtung die Sensoren 5.1 und 5.4 die entlang des in Y- Richtung verlaufenden Randes am weitesten voneinander entfernten Positionen einnehmen, ist dazwischen in der Mitte dieses Randes ein weiterer Laserlichtsensor 5.2 angeordnet.
Sofern keine zusätzliche Verdrehung der Koordinatensysteme stattfindet, liegt eine Y-Linie des X,Y- oder Χ',Υ'-Koordinatensystems so, dass sie durch die beiden entfernten Sensoren 5.1 und 5. 4. verläuft.
Der mittlere Sensor 5.2. ist dagegen im Laserkoordinatensystem x, y um einen Tonnenkorrekturwert TKYmax von dieser Linie entfernt. Daraus lässt sich - unter Berücksichtigung des Maßes der Annäherung einer konkreten Laserauftreffposition an den oberen oder unteren Rand des Bearbeitungsbereiches 7 in Y-Richtung - ein für diesen Punkt jeweils zu er- mittelnder Tonnenkorrekturwert TKY ermitteln, und ebenso in der x-Richtung ein Tonnenkorrekturwert TKX, berechnet basierend auf den beim in X- Richtung mittleren Sensor 5.3 ermittelten maximalen Tonnenkorrekturwert TKXmax. Weiterhin sind Korrekturwerte für die Einstellung der Fokusposition in Z- Richtung notwendig, wie in den Figuren 3 dargestellt.
Bisher wurde von den Abweichungen der zweidimensionalen Koordinatensysteme gesprochen, die in der Zeichenebene der Figuren 5 und 1 liegen.
Senkrecht hierzu, in der Z-Richtung, ist für die vorliegende Anmeldung lediglich die Brennpunkte des Laserstrahls 2 von Bedeutung, die gezielt auf der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstückes 4 oder auch um eine vorgegebene Differenz in dessen Tiefe oder oberhalb dessen Oberfläche liegen soll.
Da es jedoch beabsichtigt ist, eine optimale Schwärzung auf dem Werkstück 4 durchführen zu können, soll in aller Regel der Fokus genau auf der Oberfläche des Werkstückes 4 eingestellt werden, und dies wird als Nullpunkt der Z-Achse gewählt.
Um zu ermitteln, ob dies auch zutrifft, wird - für jeden der in der Maschine verwendeten Laserlichtsensoren 5.1 bis 5.4 und gegebenenfalls getrennt für Oberseite - der Laserstrahl 2 in X-Y-Richtung exakt auf den jeweiligen Sen- sor z. B. 5.1 ausgerichtet und die Fokuseinstellung, also die Lage in Z- Richtung des Brennpunktes bezüglich des Laserkoordinatensystems auch mehrfach unterschiedlich, vorzugsweise beidseits von Z = 0, eingestellt und das sich jeweils ergebende Sensorsignal SS aufgezeichnet, woraus sich ein Zusammenhang gemäß Figur 3a ergibt.
Findet sich nun das maximale Sensorsignal SS max. nicht bei Z = 0 sondern einem anderen Z-Wert, etwa Z = 1 , so ist die Differenz der Fokuskorrekturwert ZK, um den die Einstellung der Höhe des Fokuspunktes in Z-Richtung verändert werden muss, um auf der Oberfläche des Werkstückes 4 eine optimale Schwärzung hervorzurufen. Diese Fokuseinstellung ZK wird in der Regel an den einzelnen Sensoren durchgeführt, nachdem diese bereits in der Laserbearbeitungsmaschine fest positioniert, also eingebaut, sind.
Dann ist natürlich auch die Kenntnis der Höhenlage (Z-Richtung) dieser Sensoren gegenüber dem Null-Höhe (X-/Y-Ebene) notwendig, zu der der Fokuskorrekturwert gegebenenfalls hinzuaddiert werden muss.
In einigen Fällen kann aus konstruktiven Gründen diese Fokuseinstellung in der Maschine nicht durchgeführt werden.
In diesem Fall werden die Laserlichtsensoren vor dem Einbau in die Maschine 22 in eine spezielle Testvorrichtung eingebaut und dort diese Fokuseinstellung durchgeführt. Ferner können für die in X- und Y-Richtung beabstandeten Laserlichtsensoren und den daran festgestellten Fokus-Korrekturwerten ZK1 , ZK2, ZK3 aus den in einer Richtung, z. B. der Y-Richtung, beabstandeten Sensoren und Fokuskorrekturwerten ZK1 und ZK2 wiederum ein Fokus-Skalierungs- Korrekturwert ZSKY für die Y-Richtung und analog ZSKX für die X-Richtung ermittelt werden, falls bei den in dieser z. B. Y-Richtung beabstandeten Sensoren 5.1 und 5.2 die entsprechenden Z-Korrekturwerte ZK1 und ZK2 nicht gleich groß waren. Denn dies bedeutet, dass die x-y-Ebene im Laserkoordinatensystem xy nicht parallel sondern unter einem Winkel zur x-y-Ebene im Halterkoordinatensystem X, Y oder Maschinenkoordinatensystem X', Y' liegt, was mit diesem Fo- kus-Skalierungs-Korrekturwert ZSKX, ZSKY ausgeglichen werden kann.
Dagegen wird immer außerhalb der Maschine - in Figur 4 dargestellt - der Zusammenhang zwischen der am Laser 1 eingestellten Leistung und der sich daraus ergebenden Signalhöhe des Sensorsignals SS als Leistungs- Kalibrierungskurve 8 aufgezeichnet.
Dies ist notwendig, um später andersherum aus der Signalhöhe des Sensorsignals SS einen Rückschluss auf die auf dem Werkstück ankommende Leistung durchführen zu können, die trotz unveränderter Leistungseinstel- lung - die Laserkalibrierkurve 8 wird mit der neuen Laserlichtquelle durchgeführt - nicht gleich bleibt, sondern einen Abfall als Alterserscheinung oder aufgrund einer Spiegelverschmutzung aufweist.
Diese Alterungserscheinung kann mittels Steuerung ausgeglichen werden, so dass an einer gewünschten Bearbeitungsstelle immer der gleiche Wert des Sensorsignals SS und damit der dort auftreffenden Leitung vorliegt.
BEZUGSZEICHENLISTE
x-y Laser-Koordinatensystem
ΧΎ Halter-Koordinatensystem
Χ',Υ' Maschinen-Koordinatensystem
VK1 Vorbearbeitungs-Korrekturwert
TKX, TKY Tonnen-Korrekturwert
K1 Korrekturwert
PK1 , PK2 Punkt-Korrekturwert, Abweichung
VK1 Vorbearbeitungs-Korrekturwert
SKX, SKY Skalierungs-Korrekturwert
ZK1 Fokus-Korrekturwert
ZSKX, ZSKY Fokus-Skalierungs-Korrekturwert z Fokuseinstellung
SS Sensorsignal
Werte im Koordinatensystem
1 Laserlichtquelle 2 Laserlicht, Laserstrahl
3 Werkstückhalter 4 Werkstück
5.1 , 5.1 ', 5.2, .3, 5.4 Laserlicht-Sensor
6 Vorbearbeitungsresultat
6' Sollposition
7 Bearbeitungsbereich
8 Leistungs-Kalibrierungs-Kurve
9 Fokus-Kalibrierungs-Kurve
10 Steuerung
1 1 Glasfaser
1 1 a freies Ende Glasfaser-Abdeckung Fotodiode
Blende
Streulichtscheibe
Verstärker-Schaltung Laserlicht-Puls Glockenkurvea,b,c Ablenk-Spiegel
Laserbearbeitungsmaschine elektrische Leitung
Auswahlspiegel
PATENTANSPRÜCHE
(x-y-Positionierung)
1 . Verfahren zum Kalibrieren einer Laserbearbeitungsmaschine (22), mit einer Laserlichtquelle (1 ),
einem Laserstrahl (2), der in den beiden Auslenk-Richtungen (x und y) des Laser-Koordinatensystems (x, y) auslenkbar ist,
einem Werkstückhalter (3), in dem ein mittels Laserlicht (2) zu bearbeitendes Werkstück (4) aufgenommen ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s
vor dem Bearbeiten des Werkstückes (4)
wenigstens ein Laserlicht-Sensor (5) mit geringer räumlicher Ausdehnung mit der Maschine, insbesondere dem Werkstückhalter (3), fest verbunden wird und seine Position im Maschinen-Koordinatensystem (Χ',Υ'), besser im Halter-Koordinatensystem (X, Y), ermittelt wird, der wenigstens eine Laserlicht-Sensor (5) mit Laserlicht (2) abgetastet wird,
beim maximalen Sensor-Signal (SS) des Sensors (5) die Auftreffposition des Laserstrahls (2) als übereinstimmend mit der Position des Laserlicht-Sensors (5) unterstellt und im Laser-Koordinatensystem (x,y) bestimmt wird, insbesondere einschließlich der dafür notwendigen Auslenkung des Laserstrahls (2),
aus der Differenz der Position des Sensors (5) im Maschinen- Koordinatensystem (Χ', Υ'), besser im Halter-Koordinatensystem (X,Y), und der Auftreffposition des Laserstrahls (2) im Laser- Koordinatensystem (x,y) wenigstens ein Punkt-Korrekturwert (PK1 ) automatisch errechnet wird zur Anpassung des Laser- Koordinatensystems (x,y) an das Maschinen-Koordinatensystem (Χ',Υ'), besser das Halter-Koordinatensystem (X,Y), und

Claims

29 PATENTANSPRÜCHE (x-y-Positionierung)
1 . Verfahren zum Kalibrieren einer Laserbearbeitungsmaschine (22), mit einer Laserlichtquelle (1 ),
einem Laserstrahl (2), der in den beiden Auslenk-Richtungen (x und y) des Laser-Koordinatensystems (x, y) auslenkbar ist,
einem Werkstückhalter (3), in dem ein mittels Laserlicht (2) zu bearbeitendes Werkstück (4) aufgenommen ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s
vor dem Bearbeiten des Werkstückes (4)
wenigstens ein Laserlicht-Sensor (5) mit geringer räumlicher Ausdehnung mit der Maschine, insbesondere dem Werkstückhalter (3), fest verbunden wird und seine Position im Maschinen-Koordinatensystem (Χ',Υ'), besser im Halter-Koordinatensystem (X, Y), ermittelt wird, der wenigstens eine Laserlicht-Sensor (5) mit Laserlicht (2) abgetastet wird,
beim maximalen Sensor-Signal (SS) des Sensors (5) die Auftreffposition des Laserstrahls (2) als übereinstimmend mit der Position des Laserlicht-Sensors (5) unterstellt und im Laser-Koordinatensystem (x,y) bestimmt wird, insbesondere einschließlich der dafür notwendigen Auslenkung des Laserstrahls (2),
aus der Differenz der Position des Sensors (5) im Maschinen- Koordinatensystem (Χ', Υ'), besser im Halter-Koordinatensystem (X,Y), und der Auftreffposition des Laserstrahls (2) im Laser- Koordinatensystem (x,y) wenigstens ein Punkt-Korrekturwert (PK1 ) automatisch errechnet wird zur Anpassung des Laser- Koordinatensystems (x,y) an das Maschinen-Koordinatensystem (Χ',Υ'), besser das Halter-Koordinatensystem (X,Y), und 30 bei der anschließenden Bearbeitung des Werkstückes (4) der Laserstrahl (2) nach dem Laser-Koordinatensystem (x,y) unter Berücksichtigung des wenigstens einen Korrekturwertes (PK1) ausgelenkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Abtasten der Laserlicht-Sensor (5) mit dem Laserstrahl (2) in derjenigen Richtung (x oder y) überlaufen wird, in der die Abweichung (PK1X, PK1Y) oder zwischen Sensor-Position und Auftreff-Position bestimmt werden soll.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Richtung (x oder y), in der die Abweichung (PK1X, PK1Y) oder zwischen Sensor-Position und Auftreff-Position bestimmt werden soll, beabstandet zwei Laserlicht-Sensoren (5.1 und 5.2 oder 5.1 und 5.3) angebracht werden und jeweils ein Punkt-Korrekturwert (PK1 und PK2 oder PK1 und PK3) ermittelt wird, und aus den beiden Punkt-Korrekturwerten (PK1, PK2) einer Richtung ein Skalierungs-Korrekturwert (SKX, SKY) für diese Richtung automatisch ermittelt wird, aus dem automatisch weitere Punkt- Korrekturwerte für jeden beliebigen Punkt in dieser Richtung ermittelt werden können.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
für jede Auslenk-Richtung (X, Y) des Laser-Strahls (2) zwei beabstandete Laserlicht-Sensoren ((5.1 und 5.2, 5.1 und 5.3)) verwendet werden, von denen mindestens ein Laserlicht-Sensor (5.1) für beide Richtungen benutzt wird. 31
(Laser-Fokussierung)
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem Bearbeiten des Werkstückes (4) bei mindestens einem der in der Maschine eingebauten Sensoren (5.1), insbesondere bei allen Sensoren (5.1 - 5.4), der Laserstrahl (2) mit der Fokuseinstellung Z=0 im Laser- Koordinatensystem (x,y) auf die x-y-Position des maximalen Sensorsignals (SS) des Sensors (5.1) eingestellt wird und in dieser Position die Fokusein- Stellung (Z) des Laserstrahls (2) variiert wird sowie die sich dabei ergebenden Werte des Sensorsignals (SS) aufgezeichnet und in der Steuerung (10) abgespeichert werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
aus der Fokuseinstellung (Zmax), bei der sich ein maximales Sensorsignal (SSmax) des Sensors (5.1) ergibt, im Vergleich zur Fokuseinstellung Z=0 ein Fokus-Korrekturwert (ZK1) für diesen Sensor (5.1) ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
aus den Fokus-Korrekturwerten (ZK1, ZK2,...) aller Sensoren (5.1 - 5.4) Fokus-Skalierungs-Korrekturwerte (ZSKX, ZSKY) für die X- und Y-Richtung automatisch bestimmt werden, die die Abweichung von der Parallelität zwi- sehen Maschinen-Koordinatensystem (Χ',Υ') und Laser-Koordinatensystem (x,y) wiedergeben und aus denen automatisch für jeden Punkt des Bearbeitungsbereiches ein Fokus-Korrekturwert automatisch berechnet und bei der Bearbeitung mittels Laserstrahl (2) berücksichtigt wird. 32
(Vorbedruckung)
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- vor dem Bearbeiten die Position der Vorbearbeitungsresultate (6), insbesondere Vorbedruckung oder Vorprägung, des Werkstückes (4) im Maschinen-Koordinatensystem (Χ',Υ'), insbesondere im Halter- Koordinatensystem (X,Y) als auch im Laserkoordinatensystem (x, y) bestimmt wird und daraus ein Vorbearbeitungs-Korrekturwert (VK1) be- stimmt wird und
bei der anschließenden Bearbeitung des Werkstückes (3) die Laserbearbeitung in gewünschter örtlicher Relation zu dem Vorbearbeitungsresultat (6) aufgebracht wird, indem die Position der Vorbearbeitungsresultate (6) im Maschinen-Koordinatensystem (Χ',Υ') als auch ein Vor- bearbeitungs-Korrekturwert (VK1) für diese Position zwischen Laser-
Koordinatensystem (x,y) und Maschinen-Koordinatensystem (Χ',Υ') berücksichtigt wird.
(Tonnen-Korrektur)
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch Anordnung der zwei in einer Richtung (x oder y) beabstandeten Laser- licht-sensoren (5.1 und 5.2, 5.1 und 5.3) am Rand des Bearbeitungsberei- ches, einerseits in der Mitte des Randes (5.2) und andererseits am einen Ende des Randes (5.1), aus den beiden Punkt-Korrekturwerten (z. B. PK1, PK2) zusätzlich ein Tonnen-Korrekturwert (TKX, TKY) für jede Richtung automatisch errechnet wird für die Formabweichung des tonnenförmig verzerrten Laser-Koordinatensystems (x,y) in dieser Richtung im Vergleich zum kar- tesischen Maschinen-Koordinatensystem (Χ',Υ'), insbesondere Halter- Koordinatensystem (X,Y). 33
(Leistungs-Bestimmung)
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
je der Laserlicht-Sensor (z. B.5.1) vor dem Einbau in die Maschine mit dem Licht einer Laserlichtquelle (1) gleicher Bauart, insbesondere der identischen Laserlichtquelle (1), treffgenau zentral und mit Fokuseinstellung (Z=0) beaufschlagt wird und durch Variation der Leistung der Laserlichtquelle (1) sowie der zugehörigen Stärken des Sensorsignals (SS) des Laserlicht- Sensors (1) eine Leistungskalibrierungskurve (8) automatisch erstellt und insbesondere in der Steuerung (10) der Maschine hinterlegt wird.
(Fokus-Abweichung)
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Laserlicht-Sensor (5) vor dem Einbau in die Maschine mit dem Licht einer Laserlichtquelle (1) gleicher Bauart, insbesondere der identischen La- serlichtquelle (1), treffgenau zentral beaufschlagt wird und durch Variation der Fokuseinstellung (Z) des Fokuspunktes des Laserstrahls (2) vom Laserlicht-Sensor (5) sowie des zugehörigen Sensorsignal (SS) des Laserlicht- Sensors (5) eine Focus-Kalibrierungskurve (9) automatisch erstellt und insbesondere in der Steuerung (10) der Maschine hinterlegt wird.
12. Vorrichtung zum Kalibrieren einer Laserbearbeitungsmaschine (22) mit einem Maschinen-Koordinatensystem (Χ',Υ') die umfasst
eine Laserlichtquelle (1), die
einen Laserlichtstrahl (2) abgibt, der über bewegliche Ablenk-Spiegel (20) in den beiden Auslenkrichtungen (X und Y) des Laser-
Koordinatensystems (x, y) auslenkbar ist, 34 einen Werkstückhalter (3), in dem ein mittels Laserlicht (2) zu bearbeitendes Werkstück (4) aufgenommen ist, und das in den Bearbeitungsbereich (7) des Laserstrahls (2) bringbar ist,
eine Steuerung (10), in der sowohl das Laser-Koordinatensystem (x,y) als auch das Maschinen-Koordinatensystem (Χ',Υ'), insbesondere dessen Halter-Koordinatensystem (X,Y) hinterlegt ist und die eine Recheneinheit umfasst und die die Stellung der beweglichen Ablenk- Spiegel (20) steuert,
gekennzeichnet durch
wenigstens einem Laserlichtsensor (5.1), dessen Position im Maschinen- Koordinatensystem (Χ',Υ'), insbesondere im Halter-Koordinatensystem (X, Y) bekannt ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Blende (14) und der Fotodiode (13) eine Streulichtscheibe (15) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, gekennzeichnet durch
einen optischen Sensor, insbesondere einen CCD-Sensor, zum Bestimmen des wenigstens einen Vorbearbeitungsresultates (6) auf dem in dem Bearbeitungsbereich (7) befindlichen Werkstück (4) im Maschinen- Koordinatensystem (Χ',Υ'), insbesondere im Halter-Koordinatensystem (X,Y), wobei der optische Sensor signaltechnisch mit der Steuerung (10) verbunden ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung einen Prüfstand außerhalb der Laserbearbeitungsmaschine (22) für Laserlichtsensoren (5.1 ff.) umfasst, der eine Laserlichtquelle (1), insbesondere die gleiche Laserlichtquelle (1) wie die Laserbearbeitungsma- 35 schine (22), umfasst und in der der Laserstrahl (2) der Laserlichtquelle (1 ) exakt auf das vorstehende freie Ende der Glasfaser (1 1 ) oder die Blende (14) des Laserlichtsensors (5.1 ) ausgerichtet werden kann und die Leistung der Laserlichtquelle (1 ) und/oder die Fokuseinstellung (Z) des Laserstrahls (2) variiert werden kann und die Signalstärken (SS) des Laserlichtsensors (5) einer Steuerung, die auch eine Recheneinheit umfasst, insbesondere der Steuerung (10), zugehen.
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