DE69333540T2

DE69333540T2 - Robotische Bewegung eines Laserstrahles über einer Werkstückfläche

Info

Publication number: DE69333540T2
Application number: DE69333540T
Authority: DE
Inventors: H. Robert Minnetonka Schmidt; Dan Minneapolis Martin
Original assignee: GSI Lumonics Inc
Current assignee: Novanta Inc
Priority date: 1992-08-14
Filing date: 1993-08-16
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2013-08-17
Also published as: EP0608411A1; EP1018393A1; JP3427320B2; DE69331787T2; WO1994004968A1; US5340962A; EP1018393B1; EP0608411B1; DE69311528D1; DE69331787D1; JPH07502692A; EP0743130B1; US5428280A; DE69333540D1; DE69311528T2; EP0608411A4; EP0743130A1

Description

Die Anmeldung betrifft im allgemeinen die automatische oder robotische Steuerung der Bewegung und der Positionierung einer Laserstrahlpositioniervorrichtung zum Richten eines Laserstrahles zum Auftreffen auf eine spezielle Stelle auf der Oberfläche eines Werkstücks zur maschinellen Bearbeitung oder Bearbeitung der Oberfläche. Im besonderen betrifft das Verfahren das Messen und Steuern des Abstands zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück während des Betriebs der Maschine, das Bestimmen der Stelle des Brennpunktes des Laserstrahles und das optimale Ausrichten der Strahlachse auf eine gewünschte Orientierung relativ zu der Oberfläche des Werkstücks und zum Berechnen der Orientierung einer Werkzeugsteuerachse senkrecht zu einer komplexen Oberfläche eines Werkstücks.
Bestimmung des Normalvektors zur Oberfläche des Teils
Bei vielen robotischen oder automatischen Positionierungssystemen ist es oft erforderlich, ein Objekt, beispielsweise ein Werkzeug, auf einen speziellen Winkel auszurichten zu können und einen Arbeitspunkt eines in das Werkstück eingreifenden Abschnitts des Objektes an einer einzigen Stelle oder entlang einer Reihe von Stellen auf der Oberfläche eines Werkstücks in Position zu bringen. In diesen Fällen muß der normale Einheitsvektor an einer Reihe von Punkten entlang der Oberfläche des Werkstücks ermittelt werden.
Insbesondere bei der mehrachsigen maschinellen Laserbearbeitung oder -bearbeitung (d. h. beim Schneiden und Schweißen) werden gewöhnlich zwei alternative Verfahren angewandt, um den Brennpunkt des Strahles einem genau programmierten Laufweg auf der Oberfläche eines dreidimensionalen Teils folgen zu lassen.

1. Strahlbewegung: Es werden zwei orthogonale Rotationsachsen, die mit geeigneten, um 45° gekippten Spiegeln ausgestattet sind, in einem dreidimensionalen linearen Koordinatensystem geführt, um die Strahlen bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu bewegen. Bei alternativen Ausführungsformen können anstelle der Spiegel Lichtleitfasern zum Bewegen und Zielen des Laserstrahls verwendet werden.
2. Das zu bearbeitende Teil wird unter einem nach unten gerichteten Strahl mit zwei orthogonalen Achsen, die gewöhnlich als kippbarer Drehtisch bezeichnet werden, in Rotation versetzt.

Mit den zwei Verfahren wird theoretisch der gleiche Zweck erfüllt, d. h. man läßt den Brennpunkt des Strahls einem genauen Laufweg auf der Oberfläche des Teils folgen und hält dabei die Orientierung des Strahls auf der Oberfläche des Teils in einem programmierten Winkel, gewöhnlich von 90°. Das Schneiden und Schweißen senkrecht (90°) zu der Oberfläche des Teils weist mehrere vorteilhafte Wirkungen auf. Es tritt eine geringere Reflexion des Laserstrahls ein, wodurch von dem Werkstück mehr Leistung aufgenommen wird, was zu schnellerem Schneiden und tiefer eindringendem Schweißen führt. Das Teil ist effektiv dünner, wenn es senkrecht zu der Oberfläche geschnitten wird. Weitere Vorteile beim Orientieren des Strahls senkrecht zu der Oberfläche sind eine bessere Dynamik des bearbeitenden Gasstroms durch die Düse und das geschnittene Teil hindurch und das Vermögen zum Sichern einer orthogonal geschnittenen Kante.
Wenn die Bearbeitungsvorgänge für ein Teil programmiert werden, beispielsweise mit Hilfe eines vollständigen dreidimensionalen CAD/CAM-Systems, berechnet der Computer die genauen Winkel der beiden Rotationsstufen der Laserpositioniervorrichtung, so daß praktisch der normale Einheitsvektor, der an der Auftreffstelle aus der Oberfläche des Teils heraus zeigt, genau mit der Achse des fokussierten Strahls, den sogenannten
-Vektor, ausgerichtet wird.
Während Computer in der Lage sind, die Verbundwinkel zu berechnen, die zur Erzeugung eines korrekten
-Vektors eines Laserstrahls notwendig sind, der in den normalen Einheitsvektor der Oberfläche des Teils "eintaucht", sind Menschen beim Schätzen des korrekten
-Vektors bei weitem nicht so gut, wenn ein Teileprogramm "gelehrt wird", wie den spezifischen Konturen eines vorhandenen Werkstücks zu folgen ist. Selbst mit spezieller Software, beispielsweise einer Werkzeugzentrierspitze (einer Fokalsperre), der/die eine Bewegung der Rotationsachsen ohne Einbuße der Lagestelle des Brennpunktes (der Düsenspitze) bewirkt, sind die Schätzungen der
-Achse oft schlecht. Fehler von 5° bis 10° sind üblich. Wenn die Fehler dann in das Teilebearbeitungsprogramm eingelagert werden, können sie eine ruckartige Bewegung der Strahlpositioniervorrichtung hervorrufen, die zu mangelhafter Schnittqualität führt, insbesondere dann, wenn die gelehrten Referenzpunkte einen engen Abstand aufweisen.
Eine automatische Brennpunktsteuerung ist bei Laserschneid- und -schweißvorgängen zwingend, wenn die Form des zu schneidenden oder zu schweißenden Teils nicht genau mit dem Teileprogramm übereinstimmt, das die Laserdüse oder ein anderes Werkzeug bei erwünschterweise einer gleichbleibenden Trennung oder einem Zwischenraum zwischen der Düsenspitze und dem Teil über das Teil führt. Es ist oft der Fall, daß das Teil entweder verzogen ist oder etwas außerhalb der richtigen Position eingespannt ist oder sich auf Grund der Entspannung verschiebt, während es geschnitten oder geschweißt wird. Wenn der Zwischenraum stärker von dem spezifizierten Wert abweicht, befindet sich der Brennpunkt des Laserstrahls, der sich ein kleines Stück unterhalb der Düsenspitze befindet, nicht an der richtigen Stelle relativ zu dem Teil, und der Strahl ist "defokussiert". Wenn das eintritt, sind die Bearbeitungsvorgänge Schneiden, Schweißen usw. nicht mehr unter Steuerung, und es entstehen gewöhnlich unbefriedigende Schnitte oder Schweißnähte.
Es ist sehr erwünscht, wenn nicht zwingend, daß der Zwischenraum direkt unter der Spitze der Düse, d. h. entlang der Achse der Spitze und nicht gegen die Achse der Düsenspitze versetzt, abgefühlt wird. Das geschieht ziemlich einfach mit kapazitiven Sensoren, bei denen die Kapazität zwischen der Spitze der Kupferdüse und dem leitenden Teil zum frequenzbestimmenden Element eines Oszillators wird. Die Frequenz des Oszillators ist umgekehrt proportional der Kapazität, die selbst direkt proportional der Zwischenraumlänge ist. Mithin wird die Trennung von Spitze und Teil direkt unter der Spitze der Düse abgefühlt.
Beispiele für solche Abfühlverfahren sind in US-A-3,596,050 gezeigt, in dem die Änderung der Kapazität zwischen dem Teil und einer mit dem Werkzeug angebrachten Metallplatte gemessen wird, und in US-A-4,298,784, in dem die Kapazität sowie in eine Änderung der Induktivität als Funktion des Abstands von dem Werkstück zum Werkzeug und die seitliche Position des Werkstücks relativ zu dem Werkzeug gemessen werden. Da solche Systeme auf der Messung der Kapazität zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück beruhen, eignen sie sich nicht zum fortgesetzten Überwachen des Abstands vom Werkzeug zum Werkstück während des Betriebs des Werkzeugs, wenn das Werkzeug eine ionisierte Gasfahne so wie bei einem CO₂-Laserschweißsystem erzeugt.
Wirbelstromsensoren, die ein alternatives Verfahren zum Messen des Zwischenraums bereitstellen, hätten idealerweise eine Windung oder Spule in der Düse selbst, um den Zwischenraum in enger Nachbarschaft zu dem Brennpunkt des Laserstrahls zu messen. Jedoch läßt sich eine Metalldüse nicht ohne weiteres in einem solchen System verwenden, da die Düse selbst einen großen Teil des Wirbelstroms absorbieren würde, was den Sensor ziemlich unempfindlich macht. Weiterhin können nichtmetallische Düsen oft die starke Hitze einer Schweißgasfahne nicht aushalten. In jedem Falle würde eine eingebettete Wirbelstromdüse Temperaturwirkungen aufweisen, die oft nicht von Wirbelstromwirkungen unterscheidbar sind, die auf den Temperaturkoeffizienten des Widerstands von Kupferdraht zurückzuführen sind. Zwar würde eine Düse aus Ferrit diese Temperaturwirkungen minimieren, jedoch wird sie auf Grund der von der Strahlung von der Schweißgasfahne verursachten hohen Temperatur der Düse durch die relativ niedrige Curie-Temperatur des Ferrits nutzlos, wenn sie sich in enger Nachbarschaft zu dem Strahl befindet. Wird der Wirbelstromsensor versetzt, wird er weniger nutzvoll als Sensor, denn er nicht in enger Nachbarschaft zu der Stelle ab, wo das Schneiden oder Schweißen erfolgt.
Zwar wird der kapazitive Sensor nach dem Stand der Technik zur Feststellung des Abstands beim Laserschneiden bevorzugt, er ist jedoch beim CO₂-Laserschweißen nutzlos, da die leitende Schweißgasfahne oder das Plasma, das die Düsenspitze umgibt, die Kapazität zwischen der Düsenspitze und dem Teil im wesentlichen überbrückt oder kurzschließt, so daß der Abstand in Zeiträumen, in denen der Strahl in Betrieb ist, nicht überwacht werden kann. Es versteht sich ebenso, daß die von der Leitfähigkeit der Schweißgasfahne verursachten Kapazitätsmeßprobleme nicht unbedingt auf Systeme mit CO₂-Lasern beschränkt sind, sondern auch bei YAG-Lasern oder jedem anderen Laserverfahren auftreten können, das eine Ionisierung zwischen der Arbeitsstelle des Werkzeugs und der Oberfläche des Werkstücks bewirkt.
Bei vielen automatischen Brennpunktsteuerungen, die auch als AFCs bezeichnet werden und in maschinellen Laserbearbeitungssystemen verwendet werden, wird ein kleines, oft leicht zu beschädigendes lineares Servosystem verwendet, das die Linsen/Düsen-Anordnung unter Steuerung durch einen Spaltsensor, der entweder einen Kondensator, einen Wirbelstromsensor oder eine Kombination derselben nutzt, in einer zum Strahl und zur Düse parallelen Richtung bewegt. Ein solches System ist in US-A-4,794,222 offenbart, auf dem der Oberbegriff von Anspruch 1 basiert. Solche Sensoren fühlen den Zwischenraum zwischen der Düse und dem Werkstück ab und befehlen dem Linsenservosystem der Strahlpositioniervorrichtung, den Zwischenraum konstant zu halten, wenn das Werkstück von seiner erwarteten Position relativ zu dem Teileprogramm abweicht. Das kann durch die Bewegung des Teils, während es mit dem Laser geschnitten wir, oder einfach dadurch hervorgerufen werden, daß das Teil nicht genau die gleiche Form aufweist, wie sie in dem Teileprogramm verlangt wird. In jedem Falle ist die Bewegung der AFC-Achse parallel zu Strahl und Düse festgelegt.
Allgemeiner gesagt, muß das robotische System oder das automatische Positioniersystem in der Lage sein, die Orientierung des Laserstrahls relativ zu der Oberfläche des Werkstücks aufrechtzuerhalten und die Positionierung der Arbeitsstelle des in das Werkstück eingreifenden Abschnitts des Objekts relativ zu Punkten auf der Oberfläche des Werkstücks zu halten. Dabei wird auch die Orientierung des Laserstrahls auf einer speziellen Orientierung relativ zu dem normalen Einheitsvektor an verschiedenen Punkten auf der Oberfläche des Werkstücks gehalten, wobei ein vorgegebener Abstand von der Oberfläche des Teils gehalten wird.
Dieses Verfahren zum Steuern des Laserwerkzeugs oder der -düse weist mehrere Nachteile auf.

1. Die lineare Linsen-Düse-Servoeinrichtung ist empfindlich, wird bei einer Kollision mit einem Teil oder einer Spannvorrichtung leicht beschädigt und ist teuer.
2. Die AFC kennt nicht die genaue Lage des Brennpunkts, wenn sich die Linsenservoeinrichtung (auf Grund des Teileverschiebungsfehlers) von ihrer programmierbaren Nennposition entfernt befindet, was gewöhnlich der Fall ist. Das ist darauf zurückzuführen, daß sich die Steuerung der Positioniervorrichtung, die den Zwischenraumsensor nutzt, nur in einer lokalen Positionsschleife befindet, die nur dazu vorgesehen ist, den Zwischenraum konstant zu halten. Informationen bezüglich der Verschiebung des Brennpunkts von der programmierten Lagestelle weg kennt die Hauptpositionsschleife nicht.
3. Zwar ist es manchmal notwendig, daß eine AFC die Oberfläche des Teils sucht und einen konstanten Zwischenraum in einer Achse aufrechterhält, die zu der Achse des Laserstrahls und zu der Linsen/Düsen-Anordnung nicht parallel ist, jedoch lassen die AFC-Systeme nach dem Stand der Technik diese Steuerung nicht zu.

Die Brennweite von ökonomischen, im Handel erhältlichen, zum Fokussieren von Laserstrahlen verwendeten Linsen ist von dem Hersteller auf eine Toleranz von mehreren Prozent festgelegt. Ein übliches, bei der industriellen Materialbearbeitung mit Lasern verwendetes Verfahren, bei dem energiereiche Laser zum Schneiden und Schweißen von Materialien verwendet werden, besteht darin, die Linsenanordnung derart zu bewegen, daß sich der wahre Brennpunkt oberhalb und "unterhalb" der Oberfläche des Materials bewegt.
Wenn ein CO₂-Laser verwendet wird, und jemand die Laserleistung richtig einstellt, ist ein blauer Funke zu beobachten, der anzeigt, daß der Laserstrahl mit Material zusammengreift, wenn sich welches an dem oder nahe an dem Brennpunkt befindet, wobei der blaueste Funke, d. h. der heißeste Funke, dann auftritt, wenn der Brennpunkt auf der Oberfläche des Teils positioniert ist. Jedoch ist es schwierig, auf diese Weise den Brennpunkt bis zu einer Genauigkeit von mehr als annähernd ±0,5 mm zu finden. Während diese Genauigkeit beim zweidimensionalen (zweiachsigen) Schneiden oder Schweißen akzeptabel sein kann, ist sie beim dreidimensionalen (fünfachsigen) Schneiden oder Schweißen oft nicht akzeptabel, da die Lagestelle des Brennpunkts zu einem Teil des Koordinatensystems wird und der Brennpunkt des Laserstrahls den gewünschten Punkt im Raum nicht aufspüren kann. Ein zusätzlicher Grund dafür, daß der genaue Brennpunkt schwierig zu finden ist, besteht darin, daß kein diskreter Punkt vorhanden ist. Statt dessen vollführt der Strahl symmetrisch durch einen Brennpunktbereich hindurch einen ungestörten Übergang.
Da kein diskreter Brennpunkt, sondern eine durchgehende "Taille" für den Strahl vorhanden ist, ist es der Bedienungsperson überlassen, zu beurteilen, wo das blaueste Blau erscheint, eine urteilsmäßige Entscheidung, über die sich zwei verschiedene Bedienungspersonen oft nicht einig sind, und die eine einzige Bedienungsperson von einem Versuch zum nächsten oft nicht genau wiederholen kann. Mithin ist das Auffinden des Brennpunkts mit dem "Schneiden und Probieren" nach dem Stand der Technik als Mittel, das die Bedienungsperson beurteilen soll, oft keine genaue oder reproduzierbare Prozedur.
Ein anderes Verfahren zum Auffinden des Brennpunkts besteht darin, die akustischen Emissionen, die von dem Werkstück ausgehen, wenn der Brennpunkt des Strahls von einem Punkt über der Oberfläche des Teils zu einem Punkt auf der Oberfläche des Teils und schließlich zu einem Punkt unterhalb der Oberfläche des Teils wandert, zu messen oder anzuhören. Da die Energiedichte des Strahls an dem Brennpunkt am größten ist, ist die akustischen Emission am größten, wenn sich der Brennpunkt an der Oberfläche des Teils befindet. Ohne weitere Hilfe müßte die Bedienungsperson beurteilen, an welcher Stelle die lautesten Emissionen zu hören sind, oder sie mit einem Mikrophon und einem Meßgerät messen, um den Brennpunkt zu ermitteln.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein AFC-System für ein maschinelles Laserbearbeitungssystem zu schaffen, das den Laserstrahl automatisch senkrecht zu der Oberfläche des Werkstücks ausrichtet.
Der vorliegenden Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Objektorientierungs- und -positioniersystem zu schaffen, insbesondere ein maschinelles Bearbeitungssystem, bei dem die Steuerung des Abstands zwischen einer Laserbearbeitungsdüse zum Zuführen eines Laserstrahls und eines Inertgases und dem Werkstück durch einen kapazitiven Sensor abgefühlt wird, der nur während des hitzebeständigen Zwischenraums zwischen den Impulsen abgetastet wird, um die Fehler zu vermeiden, die durch die leitende Gasfahne eingebracht werden, die vorhanden ist, wenn der Laserstrahl eingeschaltet wird.
Die Aufgabe kann erfüllt werden, indem in einem System zur maschinellen Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahlwerkzeug ein Steuerungsmittel zum Aufrechterhalten eines gesteuerten Abstands zwischen dem Werkzeug und einer Oberfläche eines Werkstücks gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffen wird, das ein kapazitives Sensormittel zum Messen der Kapazität zwischen dem Werkzeug und der Oberfläche des Werkstücks, ein Strahlsteuerungsmittel zum Ansteuern des Laserstrahls für das Werkzeug innerhalb von durch einen hitzebeständigen Zwischenraum getrennten periodischen Impulsen, und ein Abtastmittel zum Vornehmen einer Messung der Kapazität zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück während des hitzebeständigen Zwischenraums umfaßt.
Es sind robotische und automatische Orientierungs- und Positioniersysteme zur automatischen Steuerung des Brennpunkts eines Laserstrahls erforderlich.
Man betrachte einen Metallzylinder, beispielsweise eine Brennkammer eines Düsentriebwerks. Da sie groß ist und aus relativ dünnem Metall besteht, ist sie gewöhnlich "unrund" oder weist einen "Schlag" auf, d. h. ihr Radius ist als Funktion der Rotation verschieden (siehe 2). Unrundheitsfehler von 0,1 Zoll oder mehr sind üblich. Eine Vorderansicht des Zylinders würde eine Wandverschiebung von ΔR = R_max – R_min als Funktion der Rotation gegenüber ihrer Nennposition oder erwarteten Position zeigen (siehe 3). Wenn man senkrecht zu der Oberfläche schneidet, besteht kein Problem; wenn man jedoch in einem Winkel schneidet, der absichtlich nicht senkrecht zu der Oberfläche liegt, dann ergeben sich große Fehler zwischen der gewünschten, d. h. programmierten, Schnittbahn und der tatsächlichen Schnittbahn an dem Teil.
Um die Größe der Fehler vollkommen erkennen zu können, betrachte man folgendes:
Spezifikationen fordern, daß in einem Zylinder eine Reihe von Löchern in einem Winkel von 75° gegen die Senkrechte zu der Oberfläche des Teils versetzt oder von 15° gegen die Ebene des Teils versetzt geschnitten wird, und daß die Reihe von Löchern auf einer "Wasserlinie" liegt, d. h. in der Vorderansicht auf einer Geraden liegt.
Es kann gezeigt werden, daß die Selbstfokussierung in der Richtung des Strahls eine sinusartige Verschiebung der Löcher relativ zu der gewünschten Wasserlinie verursacht, bei der die Amplitude proportional dem Betrag der Unundheit und dem gegenüber der Senkrechten versetzten Winkel ist, in dem geschnitten wird. Wenn = ϕ = 0°, d. h. der Strahl senkrecht zu der Oberfläche des Teils ist, dann tanϕ = 0, und es entsteht kein Verschiebungsfehler. Wenn jedoch ϕ = 75°, dann tan75° = 3,73. Deshalb E = 3,73 × ΔR. Wenn ΔR = 0,1 Zoll, dann 3,73 × 0,1 = 0,373 Zoll! Der Schnitt muß in einem anderen Winkel als dem senkrechten zu der Oberfläche des Werkstücks geführt werden können, ohne daß eine Reihe von Löchern eine größere Abweichung von einer geraden Wasserlinie aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine selbstfokussierende Steuerung des Brennpunktes eines Laserstrahls durch Definieren eines Vektors mit Hilfe der linearen Achse der Maschine zu schaffen, der dann zum Ausrichten der Strahlachse der Düse verwendet wird, während die Düse als Reaktion auf ein Fehlersignal von dem Sensor entlang der Achse bewegt wird.
Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 erfüllt. Eine weitere Verbesserung desselben ist in dem Unteranspruch definiert.
Die automatische Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch speziell, daß sie die vorhandenen Translationsachsen x, y und z nutzt, auf denen die zwei Rotationsachsen C und D der Strahlpositioniervorrichtung fahren, um eine Steuerung des Abstands zwischen dem Arbeitspunkt des in das Werkstück eingreifenden Abschnitts des Objekts und der Oberfläche des Werkstücks vorzunehmen, um in manchen Fällen zu ermöglichen, daß der Arbeitspunkt die Oberfläche des Werkstücks abfährt. Das System wird derart betätigt, daß der Brennpunkt oder ein konstanter Zwischenraum zwischen der Spitze der Düse und dem Werkstück gehalten wird. Da die
-Richtung des von der Strahlpositioniervorrichtung ausgesandten Laserstrahls eine Funktion der Winkel C und D ist, nutzt der Steuercomputer des Laserverfahrens die Daten der Winkel C/D, um mit Hilfe der drei linearen Achsen einen Vektor gleich
zu erzeugen. Die Translation erfolgt in diesem Fall parallel zu der Richtung des Strahls.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der maschinellen Laserbearbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung mißt ein kapazitiver Sensor die Kapazität zwischen der Düsenspitze und dem Werkstück, und eine Servopositionsschleife bewirkt, daß sich die linearen Achsen in der Richtung des
-Vektors oder jedes anderen gewünschten Vektors bewegen, um einen konstanten Kapazitätswert und daher einen konstanten Abstand zwischen der Düsenspitze und dem Teil zu erzielen. In Zusammenhang mit der Ermittlung des normalen Einheitsvektors können auch andere Zwischenraumabfühlmittel verwendet werden.
Mit der automatischen Brennpunktsteuerungsanordnung ("AFC") der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Lagestelle des Brennpunkts stets bekannt und wird zur Berechnung des Betrags verwendet, den die linearen Achsen benötigen, um einen konstanten Abstand zwischen der Düsenspitze und dem Werkstück zu erreichen. Das unterscheidet sich von anderen Arten der Brennpunktsteuerung, bei denen ein kleines lineares Servosystem zum Bewegen der Linsen-Düsen-Anordnung verwendet wird, um einen konstanten Zwischenraum zwischen der Düsenspitze und dem Werkstück zu halten.
Bei der maschinellen Bearbeitung mit Lasern, bei der akustische oder optische Emissionen getestet werden, um den Brennpunkt des Laserstrahl durch den Eindruck der Bedienungsperson aufzufinden, lassen sich viel größere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erhalten, indem Kurvenfestlegungsverfahren der kleinsten Quadrate zu den Daten zur Bestimmung des Koeffizienten a₁, a₂ einer Parabel in der Form y(x) = a₀ + a₁X + a₂X² verwendet werden. Dieses Verfahren legt die Daten zu einer bekannten Parabel mit dem geringsten Fehler fest.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine perspektivische Ansicht einer Strahlpositionierungsvorrichtung mit bezeichneten Translationsachsen x, y und z und den Rotationsachsen C und D ist, die in gestricheltem Umriß die Drehung der Bearbeitungsdüse um 90° um beide Rotationsachsen C und D herum zeigt;
2 eine Darstellung ist, welche die Veränderung des Radius eines Werkstücks als Funktion der Rotation zeigt;
3 die Bewegung der Wandpositionen des Werkstücks zeigt, wenn sich der Radius verändert;
4 ein Blockschaltbild der abgetasteten Zwischenraumabfühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
5 die Orientierung der Achsen
und
im System x, y, z und C D zeigt;
6 die Translation des Vektors zeigt;
7 die Transformierung der Koordinaten
in das System x, y, z darstellt;
die 8 bis 9a die Transformationen der Koordinate y weiter darstellen;
10 die Fehler in dem normalen Vektor zeigt, die auf Grund von Düsenspaltfehlern auftreten, wenn der Radius des Werkstücks relativ zu dem Radius der Punkte
klein ist;
11A und 11B die Kurvenfestlegungsverfahren der kleinsten Quadrate darstellen; und
12 ein Schema ist, das die Anordnung der Ausrüstungen zum Lokalisieren des Brennpunkts zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung betreffen alle entweder robotische Positionierungssysteme oder ein maschinelles Bearbeitungssystem zum Ausführen verschiedener Bearbeitungsvorgänge an einem Werkstück unter Steuerung durch ein numerisches Steuerungssystem (CNC) eines Computers. Das System positioniert in allen Fällen eine Laserstrahlpositioniervorrichtung in einer gewünschten Orientierung und richtet einen Arbeitspunkt eines in ein Werkstück eingreifenden Abschnitts des Objekts mit vorgegebenen, ausgewählten Punkten auf der Oberfläche des Werkstücks aus.
Bei den maschinellen Bearbeitungsvorgängen wird ein Laserstrahl verwendet, um die maschinellen Bearbeitungsvorgänge auszuführen. Ein geeignetes CNC-Laserbearbeitungssystem ist in dem USA-Patent 4,555,610 offenbart, das an den Abtretungsempfänger der vorliegenden Anmeldung abgetreten wurde.
Das Bearbeitungssystem gemäß dem USA-Patent 4,555,610 ist ein System, das einen Schneidkopf entlang dreier Translationsachsen bewegt. Durch Anfügen eines Strahlpositionierkopfes 12 an den Translationsstrahl 20 der x-Achse in dem maschinellen Bearbeitungssystem wird eine Rotationsbewegung der Düse 30 um zusätzliche Achsen C und D herum in der in 1 gezeigten Weise möglich.
Bestimmung des normalen Vektors
Das Vermögen zur konstanten Überwachung des Abstands zwischen der Düse und der Oberfläche des Werkstücks ist unter der Voraussetzung vorhanden, daß die obige abgetastete Abfühlvorrichtung eine verbesserte Funktionsweise der automatischen Brennpunktsteuerung eines typischerweise zum Schneiden oder Schweißen verwendeten Laserstrahlwerkzeugs ermöglicht. Die automatische Brennpunktsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von bisherigen Systemen durch Verwendung der vorhandenen Achsen x y z des Systems, auf denen die zwei Rotationsachsen C und D fahren, um die Steuerung des Brennpunkts zu vollziehen oder durch Steuerung eines konstanten Zwischenraums zwischen der Spitze der Düse und dem Werkstück.
Da die
-Richtung des von der Positioniervorrichtung gelieferten Strahls in der in 5 gezeigten Weise nur eine Funktion der Winkel C und D ist, nutzt das Laserverfahren-Steuergerät oder der Computer die Daten des Winkels C/D zum Erzeugen eines Vektors gleich
mit Hilfe der drei linearen Achsen. Die Vektortranslation erfolgt in diesem Fall parallel zu der Richtung des Strahls.
Der kapazitive Sensor gemäß 2 mißt in der in 6 dargestellten Weise die Kapazität zwischen der Düsenspitze und dem Werkstück und der Servopositionsschleife der CNC und setzt die linearen Achsen der Maschine in der Richtung des Vektors
in Bewegung, um einen konstanten Kapazitätswert und daher einen konstanten Abstand zwischen der Düsenspitze und dem Teil aufrechtzuerhalten, wenn die Düse als Reaktion auf das maschinelle Bearbeitungsprogramm über die Oberfläche des Teils bewegt wird. Mit der automatischen Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Lagestelle des Brennpunkts stets bekannt und wird verwendet, um den Betrag des Laufs zu berechnen, den die linearen Achsen ausführen müssen, um einen konstanten Zwischenraum zu erreichen.
Die Steuerungsmethodik gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von anderen in der Technik bekannten Arten der Brennpunktsteuerung, bei denen ein kleines lineares Servosystem verwendet wird, um die Linsen-/Düsenanordnung auf der Achse des Strahls zu bewegen, um einen konstanten Zwischenraum zwischen der Düsenspitze und dem Werkstück zu halten. In solchen Systemen weist das Linsen-/Düsen-Servosystem einen begrenzten Bereich auf, typischerweise 0 ± 0,2 Zoll vom Nennwert, und funktioniert unabhängig von dem Teileprogramm. Mithin ist die Lagestelle des Brennpunkts nur dann bekannt, wenn sich das Linsenservosystem in seiner Nenn- oder "fehlerfreien" Position befindet, einer Situation, die gewöhnlich nicht der Fall ist, oder wo keine Brenpunktsteuerung vonnöten wäre.
Der Erfolg des Verfahrens zum Messen des normalen Vektors der Oberfläche des Teils gemäß der vorliegenden Erfindung hängt von zwei sich unterscheidenden Merkmalen des erfindungsgemäßen Systems ab.

1. Die Lagestelle des Brennpunkts im Raum ist auf Grund des speziellen AFC-Verfahrens stets bekannt.
2. Das Vermögen zur Aufstellung eines neuen Brennpunktkoordinatensystems, deren Senkrechte der Achsenvektor
ist, beispielsweise die Richtung des Strahls. Das lokale Koordinatensystem weist Kordinaten
auf, die in der in 7 gezeigten Weise speziell zurück in das xyz-Koordinatensystem der Maschine transformierbar sind.

Ein Punkt
in dem lokalen Raum uvw kann in Vektorform als
geschrieben werden, wobei "." das Punktprodukt, eine skalare Größe, anzeigt.
Mithin ist
die
-Komponente von
usw. Der Brennpunkt wird zum Ursprung des neuen Koordinatensystems und ist auch im Koordinatensystem der Maschine bekannt. Ebenso sind
in bezug auf das im Koordinatensystem der Maschine bekannt. Ein Punkt
, der in bezug auf den Ursprung (0, 0, 0) des örtlichen Koordinatensystems programmiert ist, kann nach Blieben in das Koordinatensystem der Maschine umgesetzt werden.
Schritte zum Auffinden des normalen Einheitsvektors

1. Der Strahlpositionierkopf (
-Achse) ist annähernd senkrecht zu der Oberfläche des Teils gerichtet, nachdem der Brennpunkt des Laserstrahls auf die richtige Stelle umgesetzt ist, gewöhnlich auf einen Punkt, der auf einer angerissenen Linie auf einem zu bearbeitenden Teil gelegen ist. Das ist der übliche Lehrprozeß.
2. Dabei wird senkrecht zu der
-Achse des Strahlpositionierkopfes eine Ebene gesetzt, und es wird ein lokales orthogonales Koordinatensystem auf der Basis der Nutzerkriterien aufgestellt, wo jedoch
Der Brennpunkt wird zum Ursprung des neuen Koordinatensystems.
3. Dann wird ein Teileprogramm für die Maschine in das lokale Koordinatensystem hinsichtlich seines ursprünglichen Brennpunkts eingeschrieben. Das Programm wird eingeschrieben, um drei Punkte auf der Oberfläche des Teils in der Ebene u/v zu definieren, die nicht kolinear zu sein brauchen und vorzugsweise in gleichem Abstand von dem lokalen Ursprung liegen. Der Abstand von den drei Punkten zum Ursprung ist vom Benutzer wählbar, wie später erläutert wird. Siehe 8. Das Teileprogramm bewirkt, daß sich der Brennpunkt des Strahlpositionierkopfes unter automatischer Brennpunktsteuerung vom Ursprung zu Punkt
bewegt, wobei ein konstanter Zwischenraum zwischen der Düse und dem Werkstück aufrechterhalten wird, und dann werden die Koordinaten aller Punkte
plus Brennpunkt für jeden Punkt aufgezeichnet. Diese drei Punkte bilden die tatsächliche Ebene der Oberfläche des Teils, eine Ebene, deren normaler Vektor der normale Einheitsvektor ist. Die Punkte können in jedem von beiden Koordinatensystem aufgezeichnet werden, so daß jeder Punkt in einem Koordinatensystem in das andere umsetzbar ist. Wichtig ist, daß das Teileprogramm in dem lokalen Koordinatensystem mit AFC darauf abgearbeitet wird, um eine Kollision zwischen der Düse und dem Teil zu vermeiden, da das Teileprogramm in der
,
-Ebene (beispielsweise w = 0) geschrieben wurde, die Oberfläche des Teils selbst jedoch im wesentlichen nicht in der uv-Ebene liegt, es sei denn, daß perfekt geraten wurde und
Dann bewirkt die AFC eine Messung der Ebene des Teils, da der Zwischenraum zwischen der Düse und dem Teil konstant ist.
4. Aus
bis
wird ein Vektor
aufgestellt, und ein zweiter Vektor
wird zwischen
und
aufgestellt.
5. Der Vektor
erzeugt einen zu der Ebene des Teils normalen Vektor, und
die Bestandteile des normalen Einheitsvektors sind und
der wahre normale Flächeneinheitsvektor ist. In diesem Fall ist es wichtig, daß die Punkte in Übereinstimmung mit der Drehung im Uhrzeigersinn programmiert werden, denn andernfalls kehrt sich durch das Kreuzprodukt die Richtung um. Die Aufgabe besteht jetzt darin, die Achsen C und D durch Änderung ihrer Winkel in einer solchen Weise in Bewegung zu setzen, daß
gleich
, dem wahren normalen Vektor, wird und mithin den Strahlpositionierkopf veranlaßt, den zur Oberfläche normalen Vektor abzufühlen und sich selbst automatisch darauf auszurichten. Es besteht eine Anzahl von Beziehungen, um die Winkel C und D zu dem normalen Einheitsvektor n in Beziehung zu setzen. Darunter sind: C = 0 – tan–1 (I/J), D = –sin–1 (K)wobei I, J und K die Bestandteile des berechneten normalen Einheitsvektors in dem Koordinatensystem der Maschine sind. Wenn die Winkel C und D auf die neuen berechneten Werte geändert werden, dann ist der Vektor
parallel zu
, und der Punkt ist die Gegenrichtung, beispielsweise
6. Der programmierte Radius der Punkte
über dem Datenpunkt, welcher der Ursprung des lokalen Systems ist, liefert eine gute Einschätzung von
am Ursprung, wenn der Radius im Vergleich zu dem Krümmungsradius des Teils an diesem Punkt klein ist. Wenn der Radius jedoch zu klein ist, führen Änderungen der Höhe der Düse über dem Teil, vielleicht auf Grund von leichten Brennpunktsteuerungsfehlern in der
-Richtung zu größerer relativer Winkelbewegung von
als dann, wenn der Radius größer wäre. Siehe 10, die zeigt, daß
um einen viel größeren Betrag mit einem konstanten Fehler δ beim Abfühlen der wahren Oberfläche des Teils abgelenkt wird.

Wir haben festgestellt, daß ein Radius von 0,05'' für die den gelehrten Punkt umgebenden Punkte in den meisten Fällen befriedigend ist. Wichtig ist, daß

1. die Koordinaten des Brennpunkts während der Steuerung bekannt sind,
2. ein lokales Koordinatensystem aufgestellt wird, dessen Ursprung und Brennpunkt (ein gewünschter Punkt auf der Oberfläche des Teils) und dessen orthogonales System hinsichtlich des Koordinatensystems der Maschine bekannt sind.
3. ein Teileprogramm in das lokale Koordinatensystem eingeschrieben wird, um die Maschine zu P₁, P₂ und P₃ fahren zu lassen und die Koordinaten bei aktiver AFC aufzuzeichnen, um Kollisionen zwischen der Düse und dem Teil zu vermeiden.
4. der wahre normale Einheitsvektor
als Kreuzprodukt der Vektoren
definiert wird.
5. sich die Winkel C und D derart auf die neuen Koordinatenwerte ändern, daß der neue
Man beachte, daß 3 oben ermöglicht, ein standardmäßiges Teileprogramm mit Definition von
unabhängig von der Orientierung des Strahlpositioniervorrichtungskopfes geschrieben wird. Als zusätzliche Verfeinerung könnte man die Punkte
in jeder Reihenfolge oder jeder Rotation (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn, beispielsweise CW oder CCW) aufnehmen, wenn der folgende Test ausgeführt wird (Das könnte eintreten, wenn ein manuelles Lehren von P₁, P₂ und P₃ erfolgte). Wir erwarten, daß der berechnete normale Vektor das umgekehrte Vorzeichen wie der gelehrte Vektor der
-Achse aufweist, da diese ungefähr 180° voneinander weg gerichtet sind. Mithin sollte das Punktprodukt von
sein. Wenn es das nicht ist, dann sollte das Vorzeichen des Kreuzprodukts
umgekehrt werden, da es in der falschen Reihenfolge der Drehung aufgenommen wurde, beispielsweise
oder I₂ = –I₁, J₂ = –J₁, K₂ = –K₁.

Abgetastetes Abfühlen
Bei der Nutzung des Systems von US-A-4,555,610 mit dem in 1 gezeigten Strahlpositionierkopf muß ein Mittel zum Halten eines konstanten Zwischenraums zwischen der Düsenspitze 82 und dem Werkstück bereitgestellt werden. Das erfolgt bei der vorliegenden Erfindung durch Verwendung eines kapazitiven Abfühlverfahrens zum Abfühlen des Abstands zwischen den Laserimpulsen.
Durch Messung wurde ermittelt, daß dann, wenn ein gepulster Laserstrahl zum Schweißen verwendet würde, ein beschränkter Zeitverzug zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Strahl eingeschaltet wird, und der Entstehung einer leitenden Plasmagasfahne vorhanden ist. Es wurde ebenso ermittelt, daß ein beschränkter Zeitverzug zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Laserstrahl eingeschaltet wird, und dem Abklingen des Plasmas auf Null vorhanden ist.
Eine Schaltkreis zum Messen des Zwischenraums zwischen der Düse 30 und dem Werkstück 40 ist in 4 gezeigt. Eine leitende Düsenspitze 80 ist durch einen Isolator 82 von dem Rest der Strahlpositioniervorrichtung isoliert. Die leitende Düsenspitze 80 ist mit einem Oszillatorschaltkreis 84 verbunden. Die Kapazität des Zwischenraums zwischen der Spitze 80 und der Oberfläche des Werkstücks ist Teil eines Oszillatorabstimmkreises, der einen Teil des Schaltkreises 84 bildet, der eine Ausgangsfrequenz erzeugt, die proportional der Größe des Zwischenraums ist. Der Frequenzausgang des Oszillators 84 ist mit einem herkömmlichen Frequenz-Spannungs-Wandlerkreis 86 verbunden, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional der empfangenen Frequenz ist. Zum Glätten der Wellenform des Frequenz-Spannungs-Wandlers 86 wird ein Tiefpaßfilter 88 verwendet. Der Analogausgang des Tiefpaßfilters 88 wird von einem Analog-Digital-Wandler 90 abgetastet, der immer dann eine digitale Darstellung der Größe des Zwischenraums zu der AFC-Servosteuerungsschleifenkreis liefert, wenn das analoge Signal abgetastet wird. Der Abtastbefehl an den Analog-Digital-Wandler 90 wird von der Vorderflanke des Laserbefehlsimpulses 92 initiiert, der mit einem Taktsignal von einer 100 Hz-Quelle durch ein Zeitverzögerungsmittel, beispielsweise einen monostabilen Multivibrator 96, synchronisiert wird, der ein kurzes Abtastsignal 98 für den Analog-Digital-Wandler 90 erzeugt, wodurch der Analog-Digital-Wandler 90 die Kapazität des Zwischenraums in dem Zeitabstand zwischen der Vorderflanke der Laserdrehung auf einen Befehlsimpuls hin und dem Zeitpunkt abtastet, zu dem die leitende Gasfahne erscheint.
Wie in 4 gezeigt ist, wurden die Abtast- und die Haltevorrichtung synchronisiert zwecks Erscheinens an der Vorderflanke des Impulses synchronisiert, der den Strahl einschaltet, und die eine Spannung abtastet und hält, die proportional dem Zwischenraum zwischen der Düse und dem Werkstück in dem Zeitraum ist, bevor das Plasma entsteht. In einem typischen System betrugen die Zeitverzögerungen zwischen der Flanke des Laseransteuerimpulses und dem Beginn oder dem Abklingen der leitenden Gasfahne annähernd 200 bis 400 μs.
Man könnte auch nach einer angemessenen Zeit nach dem Abschalten des Lasers und dem Abklingen des Plasmas einen Zeitabstand von etwa 500 μs abtasten und halten. Das Abtasten des Zwischenraums zwischen Düse und Werkstück wurde mit einer minimalen Abtastgeschwindigkeit von 100 Hz bei der bevorzugten Ausführungsform wiederholt, um die Stabilität des Systems bei einem Servosystem mit einer speziellen Positionschleifenbandbreite wiederholt.
Die Düsenspitze 80 und das metallische Werkstück kann man sich als zwei Platten eines Kondensators 100 vorstellen, dessen Kapazität umgekehrt proportional dem Zwischenraum d ist.
wobei E die Dielektrizitätskonstante ist und A die Wirkfläche ist. Die Frequenz des Oszillators 84 ist proportional
und ist daher direkt proportional d, dem Zwischenraum. Wenn sich der Zwischenraum verändert, ändert sich dementsprechend die Oszillatorfrequenz. Der Frequenz-Spannungs-Wandler 86 wandelt die Oszillatorfrequenz in eine Spannung um, die proportional dem Zwischenraum (nach dem Filtern) ist. Die Aufgabe des Tiefpaßfilters 88 ist es, die Trägerfrequenz des Oszillators auszufiltern und eine Analogspannung zu hinterlassen, die proportional dem Zwischenraum ist. Der Analog-Digital-Wandler 90 tastet den Ausgang des Filters 88 während der Abtastzeit ab und hält die digitalen Informationen bis zum nächsten Abtastzeitraum. Die Abtastzeit ist (in diesem Fall) mit der Vorderflanke des "Lasereinschalt"-Impulses synchronisiert. Die Daten werden gehalten, bevor das Plasma entsteht. Das Abtasten wird mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit wiederholt, um hinreichende Stabilität des Systems zu erreichen.
Die gespeicherten digitalen Daten, die proportional dem Zwischenraum sind, werden in den Computer eingespeist, wo sie mit dem gewünschten Zwischenraum verglichen werden, worauf das System in einer solchen Weise in Betrieb gesetzt wird, daß der gewünschte Zwischenraum zustande gebracht wird.
Um die effektive Laserleistung zu maximieren, ist es wichtig, daß das Verhältnis von Laser-Aus-Zeit zu Laser-Ein-Zeit rechtzeitig minimiert wird; das heißt, die Laser-Aus-Zeit (Abtastzeit) sollte viel kleiner als der Abtastzeitraum sein (beispielsweise 1/100 Hz). Wenn die Abtastzeit T₀ = 200 μs und der Abtastzeitraum T_s = 1/100 Hz = 100 μs, dann beträgt die durchschnittliche Laserleistung
= 0,98 P₀, wobei P0 die Leistung der CW (kontinuierlichen Welle) ist.
Es ist ebenso wichtig, daß die Frequenz des kapazitiven Sensoroszillators 84 ausreichend hoch ist, so daß seine Beruhigungszeit von der durch das leitende Plasma verursachten Störung viel kleiner als die Abtastzeit (200 μs) ist, so daß sich der Oszillator vollständig erholt hat und stabil ist, bevor die Daten abgetastet und gehalten werden.
Automatische Brennpunktsteuerung mit wählbarer Suche
Durch das Vermögen des maschinellen Bearbeitungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zur Steuerung des Zwischenraums zwischen der Düse und Durch das Vermögen des maschinellen Bearbeitungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zur Steuerung des Zwischenraums zwischen der Düse und dem Werkstück und das Vermögen des Systems zum Ermitteln des normalen Einheitsvektors zu der Oberfläche des Werkstücks kann das System derart funktionieren, daß bestimmte Bearbeitungsfehler des Sytems vermindert werden.
Man betrachte einen Metallzylinder, beispielsweise eine Brennkammer eines Düsentriebwerks. Da sie groß ist und aus relativ dünnem Metall besteht, ist sie gewöhnlich "unrund" oder weist einen "Schlag" auf, d. h. ihr Radius ist als Funktion der Rotation verschieden. Unrundheitsfehler von 0,1 Zoll oder mehr sind üblich. Eine Vorderansicht des Zylinders würde eine Wandverschiebung von ΔR = R_max – R_min aus ihrer nominellen oder erwarteten Position in der in 3 dargestellten Weise zeigen. Wenn man mit der senkrecht zu der Oberfläche orientierten Strahlachse schneidet, besteht kein Problem; wenn man jedoch in einem Winkel schneidet, der absichtlich nicht senkrecht zu der Oberfläche liegt, dann ergeben sich große Fehler zwischen der gewünschten, d. h. programmierten, Schnittbahn und der tatsächlichen Schnittbahn an dem Teil.
Um die Größe der Fehler vollkommen erkennen zu können, betrachte man folgendes: Spezifikationen fordern, daß in einem Zylinder eine Reihe von Löchern in einem Winkel von 75° gegen die Senkrechte zu der Oberfläche des Teils oder 15° gegen die Ebene des Teils versetzt geschnitten wird, und daß sich die Reihe von Löchern auf einer "Wasserlinie" befindet, d. h. in der Vorderansicht in einer Geraden. 3 zeigt den Lochverschiebungsfehler auf Grund der Selbstfokussierung, die nur in einer zu dem Strahl parallelen Richtung wirkt.
Es kann gezeigt werden, daß die Selbstfokussierung in der Richtung des Strahls eine sinusartige Verschiebung der Löcher relativ zu der gewünschten Wasserlinie verursacht, bei der die Amplitude proportional dem Betrag der Unundheit und dem zur Senkrechten versetzten Winkel ist, in dem geschnitten wird.
Wenn = ϕ = 0°, d. h. der Strahl senkrecht zu der Oberfläche des Teils ist, dann tanϕ = 0, und es entsteht kein Verschiebungsfehler. Wenn jedoch ϕ = 75°, dann tan75° = 3,73. Deshalb E = 3,73 × ΔR. Wenn ΔR = 0,1 Zoll, dann 3,73 × 0,1 = 0,373 Zoll!
Bei dem System gemäß der vorliegenden Erfindung werden die linearen Achsen der Maschine verwendet, um den Vektor zu erzeugen, der die AFC der Düse als Reaktion auf ein Fehlersignal von dem Zwischenraumsensor (bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von dem kapazitiven Sensor, der in einer Abtastpause verwendet wird, wenn der Strahl ausgeschaltet ist) parallel dazu bewegt. Der gewünschte Vektor liegt oft parallel zu dem Strahl und ist vom Benutzer wählbar, wenn jedoch nicht senkrecht zu der Oberfläche des Teils geschnitten oder geschweißt wird, wird ein Vektor, der normal zu der Oberfläche des Teils liegt, als AFC-Achse gewählt.
Festlegen des Brennpunkts
Wenn das System gemäß der vorliegenden Erfindung eingestellt wird und das System die Koordinaten der Punkte gelehrt wird, die zum Aufstellen des Teilebearbeitungsprogramms notwendig sind, muß eine Ermittlung zu der Lagestelle des Brennpunkts des Laserstrahls vorgenommen werden. Wie oben dargelegt, kann die Grobermittlung der Lagestelle des Brennpunkts durch Abfühlen der Änderung in dem akustischen Geräusch oder beim Erscheinen der Gasfahne vorgenommen werden, wenn die Lagestelle verändert wird. In jedem Fall, ob nun bei Verwendung der Akustik oder der Emission zum Auffinden des Brennpunkts, lassen sich viel größere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erhalten, indem Kurvenfestlegungsverfahren der kleinsten Quadrate zu den Daten zur Bestimmung des Koeffizienten a₁, a₂ einer Parabel in Form von y(x) = a₀ + a₁X + a₂X² verwendet werden. Dieses Verfahren legt die Daten zu einer bekannten Parabel mit dem geringsten Fehler fest. Die Lagestelle des Brennpunkts kann dann durch Differenzieren der Positionsgleichung
berechnet werden.
Wenn y gleich der Amplitude der akustischen Emisson ist und x die Lagestelle des Brennpunkts darstellt, dann können die Datenpunkte von y als Funktion von x wie in 11 aussehen.
11 zeigt eine akustische Emission als Funktion des Abstands x. Die Position des Brennpunkts befindet sich an den Maxima der Kurve. Der Brennpunkt wird dann errechnet durch Setzen von
dann durch
und die Lagestelle des Brennpunkts läßt sich sehr genau errechnen. Da der Brennpunktbereich symmetrisch über dem Brennpunkt liegt, wird ein hohes Maß an Daten sichergestellt, die zu einer Parabel passen.
Die klassischen Kurvenanpaßgleichungen des kleinsten Quadrats werden zum Ermitteln der Koeffizienten a₀, a₁, a₂ verwendet. Es ist angebracht, das Material zwei Durchläufe ausführen zu lassen, einen von oberhalb des Brennpunkts und einen von unterhalb. Durch Mitteln der zwei Antworten werden Zeitverzögerungen beim Ablesen der Daten als Fehlerquelle beseitigt.
Wie in 12 gezeigt ist, kann der Computer, der den Betrieb der Maschine steuert, mit Hilfe von herkömmlichen Programmierungsverfahren programmiert werden, um akustische Emissionsdaten abzutasten und zu speichern, die Koeffizienten a₀, a₁, a₂ zu berechnen und die Lagestelle der Maxima
zu steuern.
Des weiteren läßt sich die Qualität der Daten durch Berechnen der Standardabweichung der Daten und Vergleichen derselben mit einer bekannten guten Zahl ermitteln.

Claims

Verfahren zur Positionierung des Brennpunktes eines Laserstrahles auf ausgewählten Punkten auf der Oberfläche eines Werkstücks (40), welches in einem System zur automatischen Steuerung einer Fokussierung durch Bewegung des Brennpunktes des Laserstrahls durch Bewegungen entlang orthogonaler Maschinentranslationsachsen x, y und z und Rotationsachsen C und D eines einstellbaren Strahl-Richtkopfes (12), der auf der Maschine angebracht ist, angewendet wird und die folgenden Schritte umfasst: a) die Orientierungen der C und D Rotationsachsen werden verändert, um dabei die Strahlachse
des Richtkopfes (12) auf eine erwartete vorbestimmte Orientierung im Verhältnis zur Oberfläche des Werkstückes einzustellen, und die x, y und z Achsen werden ausgerichtet, um den Strahl auf einem der ausgewählten Punkte zu positionieren; b) ein Zwischenraumsensor (4) wird dazu verwendet, ein Signal zu erzeugen, das proportional zum Zwischenraum zwischen dem Richtkopf (12) und der Oberfläche des Werkstückes (40) ist, und ein vorbestimmter Zwischenraum wird beibehalten, während sich der Brennpunkt des Stahls durch die ausgewählten Punkte bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtkopf (12) entlang einer ausgewählten x, y und z Koordinatenachse bewegt wird, um den vorbestimmten Zwischenraum zu halten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die vorbestimmte Orientierung der Strahlachse
senkrecht zur Oberfläche des Werkstückes (40) steht.