DE4407682C2

DE4407682C2 - Laserbearbeitungsvorrichtung und Verfahren zu deren Brennpunkteinstellung

Info

Publication number: DE4407682C2
Application number: DE4407682A
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Otsuki; Manabu Kubo
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-03-08
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2014-03-09
Also published as: KR970010889B1; TW231985B; US5624587A; JPH06254691A; WO1994020256A1; CN1057721C; DE4407682A1; CN1105798A; KR940703727A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen des Brennpunkts eines Laserstrahls einer Laserbearbeitungsvorrichtung und eine Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkzeugs mit einem fokussierten Laserstrahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 5. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung sind aus der älteren Anmeldung EP 0 554 523 A1 bekannt. Insbesondere wird hier die Bearbeitungslinse auf und niederbewegt und zwei Abstandsinformationen werden gespeichert, bei denen sich jeweils die Flamme von orange nach blau bzw. von blau nach orange ändert. Dafür wird ein optischer Sensor verwendet, d. h. eine visuelle Überwachung zum Auswerten der blauen Flamme wird hier vorgenommen.

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. Ein Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Bearbeitungskopf, welcher zur Bewegung entlang der Z- Achse angebracht ist. Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Abstandssensor, welcher als eine Brennpunkterfassungseinrichtung dient und an der Spitze des Bearbeitungskopfes 1 angebracht ist. Ein Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Z-Achsenführung, welche die Bewegung des Bearbeitungkopfes 1, angetrieben durch den Motor M3, in der Richtung des Pfeiles Z führt; ein Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Y-Achsenführung, welche die Bewegung des Bearbeitungkopfes 1, angetrieben durch den Motor M2, in der Richtung des Pfeiles Y führt; und ein 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.

Mit einem Steuerabschnitt 16 ist eine lokale Betriebsbox 17 verbunden, 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 benuzte 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 Flußdiagramm 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 Flußdiagramm 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 Flußdiagramm 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 aufgeweitete 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.

Ferner ist es möglich, eine Steuerung so vorzunehmen, daß 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.

Beispielsweise kann eine Laserbearbeitungsrichtung einen kontaktlosen Zwischenraumsensor beinhalten, 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 Befehlzwischenraum von einem Steuerabschnitt entspricht.

Andererseits kann eine Laserbearbeitungsvorrichtung eine Bearbeitungskopf- Prüfeinrichtung beinhalten, eine Referenzausgabe- Einstelleinrichtung und eine Bearbeitungskopf-Gut/Schlecht- Beurteilungseinrichtung, wobei ein Bearbeitungskopf automatisch positioniert wird an einer Prüfreferenzposition durch einen vorgegebenene Prüfbefehl und eine Sensorausgabe gemessen wird, wodurch Gut/Schlecht des Bearbeitungskopfes beurteilt wird und zwar dadurch, ob der Wert innerhalb einer vorbestimmt Referenzausgabe liegt oder nicht. Außerdem ist es möglich, daß die Spitze eines Bearbeitungskopfes versehen ist mit einem kontaktlosen Sensor und mit einer Steuerung, die den Abstand zwischen einem Werkstück und einem Bearbeitungskopf während eines Lernens basierend auf einer in einem Steuerabschnitt eingestellten Höhe steuert.

Eine kontinuierliche Überwachung und Aufnahme der blauen Flamme und eine Verarbeitung der Daten zum Berechnen einer Brennpunktposition wird dabei nicht vorgenommen.

Obwohl beim Überwachungsbetrieb der blauen Flamme nach dem oben angeg ebenen Stand der Technik ein Laserstrahl auf ein Werkstück einstrahlt 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 Positions 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 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 werden kann, wodurch eine schlechte Bearbeitung erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Einstellen eines Brennpunkts eines Laserstrahls einer Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung und eine Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung anzugeben, die eine exakte Brennpunktposition des Laserstrahls in einfacher Weise einstellen können, ohne daß ein visuelles Überwachen der blauen Flamme des bei der Fokussierung auftretenden Plasmas vorgenommen werden muß.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 5 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Nachstehend wird die Erfindung anhand ihrer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

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 herkömmlichen zweidimensionalen Laserbearbeitungsvorrichtung;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen 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 Überwachung 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 Bearbeitungsvorrichtunghauptteil; Bezugszeichen 15 einen Steuerabschnitt des Bearbeitungsvorrichtunghauptteiles 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- Erfassungunterabschnitt 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 Datenverbeitungsabschnitt 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 für 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 Startzeit 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 variiert, 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- Positionfeineinstellung durch einen Betreiber.

Claims

1. Verfahren zum Einstellen des Brennpunktes eines Laserstrahls einer Laserbearbeitungsvorrichtung (1-6, 9, 10, 14, 15, 17, 19) mit einem Bearbeitungskopf (1) mit einer darin beweglich angebrachten Fokussierlinse (9), durch die der Laserstrahl auf eine Werkstückoberfläche gelangt, wobei die Fokussierlinse (9), unter Konstanthalten des Abstandes des Bearbeitungskopfes (1) zur Werkstückoberfläche, zu der Werkstückoberfläche hin- oder von ihr wegbewegt wird, dabei der Abstand (δ, t) zwischen Fokussierlinse (9) und Werkstückoberfläche erfaßt und der Brennpunkt des Laserstrahls auf Grundlage der beiden Linsenabstände eingestellt wird, bei deren Unterschreiten oder Überschreiten kein blaues Plasmaleuchten auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsignal (h) eines Abstandssensors (2) zum Erfassen des Abstandes des Bearbeitungskopfes (1) vom Werkstück bei der Hin- oder Wegbewegung der Fokussierlinse (9) überwacht wird, der erste Linsenabstand (δ₁) zu dem Zeitpunkt t₁ erfaßt wird, an dem das Sensorsignal (h) von einem kontinuierlichen Verlauf in einen instabilen Verlauf übergeht und der zweite Linsenabstand (δ₂) zu dem Zeitpunkt t₂ erfaßt wird, an dem dieses Sensorsignal von dem instabilen Verlauf in den konstanten Verlauf übergeht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hin- und Herbewegung der Fokussierlinse (9) und die Bestrahlung der Werkstückfläche mit dem Laserstrahl gemäß einem vorgegebenen Programm durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitpunkte t1 und t2 als Startzeit und Endzeit erfaßt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Linsenabstand δ auf folgenden Wert eingestellt wird:
δ = δ1 + δ2)/2
wobei δ1, δ2 der erste bzw. zweite Abstandswert ist.

5. Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem fokussierten Laserstrahl, umfassend einen Bearbeitungskopf (1) mit einer darin beweglich angebrachten Fokussierlinse (9), durch die der Laserstrahl auf das Werkstück gelangt, einer Datenverarbeitungseinrichtung (5, 7) zum Speichern des Abstandes (δ) der Fokussierlinse (99) vom Werkstück, wenn der Lesestrahl fokussiert ist und eine Steuereinrichtung (15, 4, 6) zur Relativbewegung der Fokussierlinse (9) zum Werkstück und zum Einstellen des Brennpunktes des Laserstrahls auf der Grundlage der beiden Laserabstände, bei deren Unterschreiten oder Überschreiten kein blaues Plasmaleuchten auftritt; dadurch gekennzeichnet, daß
ein Abstandssensor (2) zum Bestimmen des Abstandes des Bearbeitungskopfes (1) vom Werkstück und zur Ausgabe von entsprechenden Sensorsignalen (h) vorgesehen ist;
die Datenverarbeitungseinrichtung (5, 7) die Sensorsignale (h) erfaßt, während die Fokussierlinse (9) unter Konstanthalten des Abstandes des Bearbeitungskopfes (1) zu der Werkstückoberfläche hin oder von ihr weg bewegt wird und diese von einem kontinuierlichen Verlauf in einen instabilen Verlauf übergehen;
die Datenverarbeitungseinrichtung (5, 7) die Sensorsignale (h) und die Abstände (δ) über der Zeit (t) während der Hin- und Herbewegung der Bearbeitungslinse (9) durch die Steuereinrichtung (15, 4, 6) speichert; und
einen ersten Linsenabstandswert (δ1) und eine Startzeit (t1), zu der die Sensorsignale (h) von einem kontinuierlichen in einen instabilen Verlauf übergehen, und einen zweiten Linsenabstandswert (δ2) und eine Endzeit (t2), zu der die Sensorsignale wieder in einen kontinuierlichen Verlauf übergehen, ermittelt.

6. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (15, 4, 6) die Hin- und Herbewegung der Bearbeitungslinse (9) nach einem vorgegebenen Programm durchführt.

7. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (15, 6) den Abstand δ der Fokussierlinse (9) auf den folgenden Wert einstellt:
δ = (δ1 + δ2)/2
wobei δ1, δ2 der erste bzw. zweite Abstandswert ist.