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WO2019115449A1 - Method and adjustment unit for automatically adjusting a laser beam of a laser processing machine, and laser processing machine comprising the adjustment unit - Google Patents

Method and adjustment unit for automatically adjusting a laser beam of a laser processing machine, and laser processing machine comprising the adjustment unit Download PDF

Info

Publication number
WO2019115449A1
WO2019115449A1 PCT/EP2018/084144 EP2018084144W WO2019115449A1 WO 2019115449 A1 WO2019115449 A1 WO 2019115449A1 EP 2018084144 W EP2018084144 W EP 2018084144W WO 2019115449 A1 WO2019115449 A1 WO 2019115449A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser beam
optical sensors
radiation
workpiece
outlet opening
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/084144
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Murat Cetin Bayram
Original Assignee
Messer Cutting Systems Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Messer Cutting Systems Gmbh filed Critical Messer Cutting Systems Gmbh
Publication of WO2019115449A1 publication Critical patent/WO2019115449A1/en

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/042Automatically aligning the laser beam
    • B23K26/043Automatically aligning the laser beam along the beam path, i.e. alignment of laser beam axis relative to laser beam apparatus
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/0006Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring taking account of the properties of the material involved
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    • B23K26/702Auxiliary equipment
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    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04Steel or steel alloys

Definitions

  • the present invention relates to a method for the automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine relative to an exit opening for the laser beam, comprising the method steps:
  • the present invention relates to an adjusting unit for automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine relative to an outlet opening.
  • the present invention relates to a laser processing machine suitable for carrying out the method, comprising an exit opening for the laser beam, a focusing optics for focusing the laser beam in the direction of the exit opening, and an adjusting unit for automated adjustment of the laser beam relative to the outlet.
  • laser processing machine is understood in the context of the invention, a machine with which a workpiece can be processed with a laser beam.
  • Laser processing machines are used for a variety of processing methods, in particular for cutting, joining, cutting, welding, ablation, forming or for marking and labeling; They can be used for machining workpieces made of different materials, for example for machining workpieces made of metal, plastic, etc.
  • exit opening is understood to mean a spatially limited passage for a laser beam which is delimited by a material which is impermeable to the laser beam.
  • Laser processing machines regularly have an outlet opening for the laser beam.
  • An exit opening of a laser processing machine is a part of the laser processing machine from which the laser beam exits the laser processing machine before it hits the workpiece. If the laser beam is guided in a housing, for example, the outlet opening can be an opening in the housing.
  • the laser beam is guided onto the workpiece together with a process gas via a nozzle for workpiece machining
  • the outlet opening regularly coincides with the nozzle opening for the process gas.
  • the outlet opening defines an exit plane which the laser beam intersects, ideally with a point or circular cutting surface.
  • the inventive method relates to the adjustment and adjustment of the position of the laser beam and thus the adjustment of the position of the cutting surface of the laser beam with the exit plane.
  • the adjusting unit according to the invention serves to set this position; As a separate component, it can basically be retrofitted into an existing laser processing machine. State of the art
  • Workpieces especially those made of metal, can be machined with high quality and precision if laser radiation is used for workpiece machining.
  • laser processing machines are used which generate a laser beam, which is focused by means of focusing optics, before the laser beam exits the laser processing machine via an outlet opening, for example via a nozzle opening, and finally impinges on the workpiece to be machined.
  • the quality of the machining is influenced by a large number of factors, for example the focus position of the laser beam, the feed rate ability, with which the laser beam and the workpiece are moved relative to each other, or the laser power.
  • the position of the laser beam relative to the outlet opening of the laser processing machine has a great influence on the processing quality. It has been found that particularly good results with regard to the machining quality can be achieved if the laser beam is guided as centrally as possible through the outlet opening during machining.
  • the machined area of the workpiece may have different qualities depending on the processing direction.
  • Vorzujust Schlieren cutting process in such a way that it is guided as centrally as possible through the outlet opening.
  • the pre-adjustment of the laser beam can be done manually or automatically.
  • an adhesive strip is attached to the outlet nozzle of the laser beam and then briefly delivered a laser beam pulse with low power ("nozzle shot").
  • nozzle shot a laser beam pulse with low power
  • this process is repeated until an acceptable result with regard to the mean is achieved.
  • this type of adjustment has several disadvantages: the process must firstly be carried out before the machining process and is relatively time-consuming.
  • the reading accuracy is low and, finally, changes that occur during operation of the laser processing machine can not be detected and compensated for in a timely manner. As a result, the processing quality may deteriorate with increasing operating time.
  • DE 11 2010 003 743 B4 proposes a system and a method for the automated adjustment of the focal position of a laser beam.
  • the laser processing head is positioned above a jet trap before the actual processing operation.
  • two sensors are provided, namely a jet trap sensor arranged in the jet trap on the one hand and a scattered light sensor arranged inside the laser processing head on the other hand. The focus position is adjusted until the intensity signal of the beamfall sensor is as large as possible, and the intensity signal of the scattered light sensor is simultaneously as small as possible.
  • a beam trap for adjusting the laser beam allows a good pre-adjustment of the laser beam before a machining process.
  • the position of the laser beam relative to the outlet opening can change during processing, which may be accompanied by an impairment of the processing quality. Even if these changes are detected promptly, a readjustment is usually necessary, for which the machining process must be interrupted.
  • a termination of the machining process involves several disadvantages: On the one hand, a readjustment with a jet trap is time-consuming, since the laser machining head first has to be positioned over the jet trap before it can be moved back to the point of processing interruption.
  • the machining process must be continued again at the termination point.
  • the most exact possible positioning of the laser beam at the demolition points is, however, complicated and often a continuation of the processing is accompanied by a reduced processing quality in the demolition area.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method for the automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine which can be carried out simply and quickly and which adjusts an adjustment of the laser beam. tively to the exit opening even during operation of the laser processing machine.
  • Another object of the present invention is to provide a compact and easy-to-manufacture alignment unit for the automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine, which enables a simple and rapid adjustment of the laser beam relative to the outlet opening even during operation of the laser processing machine.
  • the object of the invention is to provide a laser processing machine with the adjusting unit.
  • the abovementioned object is achieved, starting from a method of the type mentioned above, by detecting the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece with at least three optical sensors during a machining of a workpiece and the radiation intensity values detected by the optical sensors during processing are used to adjust the position of the laser beam according to method step (b).
  • the basic idea of the method according to the invention is to carry out the adjustment of the laser beam relative to the outlet opening under operating conditions, ie during processing of the workpiece (in-process adjustment), wherein the adjustment of the laser beam relative to the outlet opening from the workpiece during a laser processing process emitted radiation is used.
  • the laser radiation used for machining the workpiece is narrow-band
  • the radiation emitted by the workpiece itself comprises radiation components with wavelengths in a relatively broad wavelength range, in particular radiation components in the visible and near-infrared range. It is therefore relatively easy to distinguish the radiation emitted by the workpiece itself from that of the laser beam.
  • the invention utilizes the effect that the radiation emitted by the workpiece is always emitted in an undirected manner, that is to say in all directions in space, whereby a uniformly decreasing radiation intensity distribution with a maximum in the region of the current processing point is observed. Since the workpiece has a side facing the laser beam and a side facing away from the laser beam, and higher radiation intensities of the radiation emitted by the workpiece can generally be detected on the side of the workpiece facing the laser beam, it has proven to be advantageous to use the at least three optical sensors to be arranged so that they are associated with the laser beam side facing the workpiece.
  • the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece and its distribution can be easily detected during a machining process; As will be explained in more detail below, it permits conclusions to be drawn, on the one hand, with regard to the current position and position of the laser beam and, on the other hand, with regard to the positional changes to be made in order to optimally adjust the laser beam with respect to the center of the outlet opening.
  • at least three optical sensors are provided with which the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece during processing can be detected. Because according to the invention at least three optical sensors are provided, an adjustment of the laser beam in two spatial directions and thus in the exit plane is possible.
  • the optical sensors according to the invention are designed to detect radiation intensities.
  • the detection of the radiation intensity can take place at selected, individual wavelengths, but also over a wavelength range. It has proven to be favorable if the at least three optical sensors are designed to detect radiation intensities in the same wavelength range or at the same wavelength are. The at least three optical sensors preferably have the same design.
  • the sensors are arranged equidistant to the center axis of the outlet opening, that is to say equidistant from the beam path of a fictitious laser beam passing through the actual center of the outlet opening. If the laser beam actually passes through the center of the outlet opening, then those of the optical sensors did not detect radiation intensity values of the radiation emitted by the workpiece or only insignificantly from each other; they are ideally identical. If, on the other hand, the position of the laser beam shifts relative to the center of the outlet opening, then the optical sensors are no longer at the same distance from the point of the workpiece on which the laser beam is focused.
  • the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece is detected with at least three optical sensors which are arranged equidistantly to the central axis of the outlet opening, the laser beam then being adjusted centrally to the outlet opening, if the radiation intensity values respectively recorded by the at least three optical sensors deviate from the mean value of the radiation intensity values detected by the optical sensors by at least a predefined percentage tolerance value.
  • An equidistant arrangement of the at least three optical sensors makes possible a particularly simple evaluation of the radiation intensity values detected by the optical sensors, since in this case a direct comparison of the radiation intensity values detected by the at least three sensors can be made. In practice, however, give way to one
  • the laser beam is therefore preferably considered to be aligned in the middle of the outlet opening if the radiation intensity values detected by the optical sensors are at most a predetermined percentage tolerance value from one another or value of the radiation intensity values recorded by the at least three optical sensors.
  • the percentage tolerance value to be set depends on a variety of factors, for example the desired machining accuracy, the nozzle diameter or the laser power.
  • the radiation intensity values detected by the at least three optical sensors are used as the basis for the adjustment by adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening on the basis of the radiation intensity values.
  • the adjustment is achieved, for example, when all the optical sensors detect the same radiation intensity value within a predetermined fluctuation range.
  • the end point of the adjustment can be made without specifying a desired value.
  • the position can be adjusted by comparing each radiation intensity value currently detected by an optical sensor (actual value of the sensor) with the desired value specified for the respective sensor and setting it to the respective desired value.
  • Laser beam and the subsequent adjustment can be increased if a larger number of optical sensors is used, so by four or more sensors are provided.
  • the optical sensors of the first and second sensor groups differ, for example, in their design, if they are designed to detect different wavelengths or wavelength ranges of the radiation emitted by the workpiece.
  • the adjustment method according to the invention can also be carried out during the operation of a laser processing machine (in-process adjustment), there are several advantages:
  • the advantage of an in-process adjustment is on the one hand that even during A processing possible adjustment a consistent quality machining can be achieved even with a longer processing time and on the other hand, the total processing time can be reduced, as a complex readjustment, for example using a jet trap, and the most accurate positioning of the laser beam at resumption The processing at the place of processing interruption can be omitted. This contributes to efficient and thus cost-effective processing.
  • the method according to the invention can also be used for monitoring the laser processing process, since it is also possible to detect deviations from predetermined radiation intensity values. An additional sensor for process monitoring can therefore be dispensed with.
  • the method can be used for separating or marking metallic workpieces, since the inventive method is accompanied by a high processing accuracy.
  • the inventive method is accompanied by a high processing accuracy.
  • gross deviations of the centering it is even possible that the cut due to the lack of centering of the laser beam tearing even during the cutting process.
  • the radiation intensity values detected by the optical sensors in the wavelength range from 800 nm to 1400 nm are used.
  • the adjustment accuracy can be increased if, for setting the position of the laser beam, only certain radiation intensity values are used, which were determined for a specific wavelength range or those at a specific wavelength. Which wavelength range or which wavelength appears the most suitable is basically independent of the laser wavelength and essentially depends on which material the workpiece is manufactured from. In the machining of metallic workpieces, in particular of steel, stainless steel, aluminum, brass or copper, good results are obtained with regard to the alignment accuracy, if the radiation intensity values determined in the wavelength range from 800 nm to 1,400 nm are used to set the position of the laser beam.
  • the wavelength range from 900 nm to 1250 nm has proved particularly suitable. This can be achieved, for example, by using either special optical sensors that are sensitive only in a certain wavelength range, preferably the above-mentioned wavelength range, or that a filter is arranged in the beam path in front of a sensitive sensor over a relatively large wavelength range for radiation of certain wavelengths, preferably only for wavelengths in the above-mentioned wavelength ranges, is permeable.
  • the optical sensors in the wavelength range from 800 nm to 1000 nm and in Wavelength range from 1,100 nm to 1,400 nm recorded radiation intensity values are used.
  • the method is particularly suitable for the adjustment of an Ytterbium fiber laser with an emission wavelength of 1060 nm.
  • the detection of two separate wavelength ranges can be carried out both with separate sensors and with a single sensor, for example by arranging a filter which absorbs optical radiation having wavelengths in the wavelength range from 1000 nm to 1100 nm by the single sensor.
  • the irradiation intensity of the radiation emitted by the workpiece is detected by the at least three optical sensors after they have passed through the outlet opening.
  • the optical sensors are arranged behind the exit opening, viewed from the workpiece, only a portion of the radiation emitted by the workpiece is detected by the optical sensors, namely the part which is emitted in the direction of the exit opening. As a result, it is primarily radiation portions which are emitted by the workpiece at a certain near range around the processing point of the laser beam that are detected. Since the differences in the radiation intensities in the vicinity of the processing point of the laser beam are particularly pronounced, the above-described arrangement of the optical sensors contributes to the accuracy of the position detection improves and, consequently, the Justiergenaumaschinetechnik is increased.
  • the outlet opening acts as an aperture, so that the light transmission is reduced to the optical sensors and only a limited proportion of radiation emitted by the workpiece radiation has to be detected by the optical sensors and taken into account in the adjustment of the laser beam.
  • a pilot beam is used for pre-adjustment of the laser beam, the radiation of the pilot beam reflected by the workpiece being detected by the at least three optical sensors, and the intensity values of the reflected radiation detected by the optical sensors for presetting the position of the laser beam are used relative to the outlet opening.
  • the inventive method for automated laser beam adjustment relates primarily to the in-process adjustment of the laser beam.
  • a pre-adjustment of the laser beam is first carried out.
  • This has the advantage that processing can begin immediately.
  • the pre-adjustment can be made either known methods, as described for example in DE 11 2010 003 743 B4, or, if the workpiece to be machined has a reflective surface, the pre-adjustment can alternatively with a pilot beam and the already existing at least three optical sensors are performed.
  • a reflective surface is understood to be a surface whose surface roughness (mean roughness R a ) is less than the wavelength of the pilot beam.
  • the use of the pilot beam for pre-adjustment has the advantage that the optical sensors already provided according to the invention can also be used for pre-adjustment, so that a simple and cost-effective method is obtained which simultaneously involves a low outlay on equipment.
  • a pilot beam is understood to mean a laser beam with low energy, preferably below 5 mW, which is guided in such a way that it is focused on the workpiece through the outlet opening instead of the laser beam. Particularly good results with regard to the accuracy of the pre-adjustment are achieved if the laser beam and pilot beam are at least partially coincidental. Focused on the workpiece using the same optics.
  • the wavelength of the pilot beam is chosen so that it can be detected by the already existing at least three optical sensors.
  • the pilot beam has a wavelength in the visible spectral range, in particular in the wavelength range of 635 nm to 750 nm.
  • the pilot beam Since the energy of the pilot beam is too low to machine the workpiece, the pilot beam is reflected at the workpiece, the reflected radiation from the optical sensors is detected.
  • the intensity values of the reflected radiation detected by the optical sensors are used analogously to the radiation intensity values described above for in-process adjustment for detecting and adjusting the position of the pilot beam and thus also of the laser beam relative to the outlet opening.
  • pilot beam is guided parallel to the beam path of the laser beam through a separate pilot beam opening.
  • the point at which the pilot beam hits the workpiece does not necessarily coincide exactly with the point at which the laser beam strikes the workpiece.
  • the abovementioned technical problem is solved according to the invention by an adjusting unit of the type mentioned in the introduction in that the adjusting unit has at least three optical sensors for detecting the radiation emitted by the workpiece during machining of a workpiece wherein the adjusting unit is designed such that the radiation intensities detected by the at least three optical sensors during processing are taken into account by the adjusting unit when adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening.
  • the adjusting unit according to the invention can be used for in-process adjustment of the laser beam of a laser processing machine and has at least three optical sensors, with which the sensors can be adjusted during a laser processing process.
  • This radiation emitted by the workpiece, in particular its intensity, can be detected.
  • the radiation intensities detected by the optical sensors permit conclusions, on the one hand, with regard to the current position and position of the laser beam relative to an outlet opening and, on the other hand, with regard to possible changes in position in order to optimally position the laser beam with respect to the center of the outlet opening to adjust.
  • the detection of the radiation intensity can take place at selected, individual wavelengths, but also over a wavelength range. It has proved to be advantageous if the at least three optical sensors are designed to detect radiation intensity in the same wavelength range or at the same wavelength.
  • the at least three optical sensors preferably have the same design.
  • the adjusting unit is designed such that it takes into account the radiation intensity values detected by the at least three optical sensors when adjusting a laser beam.
  • the adjusting unit preferably has an evaluation unit with a computer, at which the radiation intensities determined by the optical sensors are present as an input signal and which calculates and outputs an output signal on the basis of which the setting of the position the laser beam can be made relative to the outlet opening.
  • the evaluation unit is designed in such a way that, based on the radiation intensity values detected by the sensors, the current position of the laser beam relative to the outlet opening and its center can first be determined.
  • the processing process can first be monitored by means of the optical sensors. If the upper and / or lower limits are exceeded or fallen below, necessary position changes can be calculated by the evaluation unit in order to adjust the position of the laser beam relative to the outlet opening.
  • the optical sensors are preferably arranged in the adjusting unit such that the adjusting unit can be installed in a laser processing machine, in such a way that the optical sensors are arranged equidistant from the center axis of the outlet opening.
  • the sensors in the adjusting unit it is also possible for the sensors in the adjusting unit to be arranged as desired when the adjusting unit is designed such that the actual position of the sensors relative to the laser beam to be adjusted can be determined and determined by the adjusting unit can be considered in the evaluation of the radiation intensities detected by them, for example, by a computational correction by means of the evaluation unit.
  • the accuracy or the resolution of the position determination of the laser beam and the subsequent adjustment can be increased if a larger number of optical sensors is provided. If at least three optical sensors are provided, an adjustment in two spatial directions and thus in the exit plane is possible.
  • the accuracy or resolution of the position determination and adjustment can be further increased by four or more sensors are provided. Alternatively, it is also possible to increase the accuracy or resolution by using groups of optical sensors of different types.
  • the adjustment unit for detecting the radiation emitted by the workpiece has a first sensor group with at least three optical sensors of a first type and a second sensor group with at least three optical sensors second construction, wherein the adjusting unit is configured such that it takes into account the radiation intensity values detected by the first sensor group and / or the radiation intensity values detected by the second sensor group for adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening.
  • the consideration of the radiation intensity values of two sensor groups contributes to a high adjustment accuracy.
  • the optical sensors of the first and second sensor groups differ in their design, for example, when they are designed to detect different wavelengths or wavelength ranges of the radiation emitted by the workpiece. It has proved to be advantageous if the at least three optical sensors are designed to detect optical radiation in the wavelength range of visible light and / or near-infrared radiation.
  • the optical sensors are designed to detect optical radiation in the wavelength range of the visible and near-infrared light. Radiation in the wavelength range of visible light or those with wavelengths in the near-infrared range is emitted by many workpiece materials during their processing with a laser beam. Moreover, radiation in this wavelength range is easily distinguishable from the laser beam emission of many commonly used laser beam sources.
  • the at least three optical sensors are each sensitive in a wavelength range from 800 nm to 1,400 nm.
  • At least five optical sensors are provided for detecting the radiation emitted by the workpiece during machining of a workpiece.
  • a plurality of optical sensors are provided for detecting the radiation emitted by the workpiece, then the sensors differ in their position relative to the feed direction. If, for example, four optical sensors are arranged offset by 90 ° relative to one another around the central axis of the outlet opening, a distinction can be made between an optical sensor which precedes the machining process in the feed direction, two laterally arranged optical sensors and an optical sensor tracking the machining process. It has now been shown that at feed speeds of more than 800 mm / min, in particular, a sensor tracking the feed direction detects a signal, albeit usually slightly higher, than a sensor preceded in the feed direction or the two laterally arranged sensors sensors.
  • a radiation intensity value detected by the tracking optical sensor can contribute to a misalignment of the laser beam relative to the outlet opening.
  • the signal of the tracked in the feed direction led optical sensor can be disregarded without this an impairment of the alignment accuracy purchase must be taken because four sensors are still available for adjustment stand.
  • an optical filter is arranged in the beam path in front of the at least three optical sensors, which filters out the wavelength of the laser beam.
  • An optical filter which selects incident optical radiation by the wavelength in which it filters out the wavelength of the machining laser beam, contributes to the fact that radiation components, which are not needed in the adjustment of the laser beam and can even disturb, eliminated as effectively as possible - the. This contributes to achieving a high adjustment accuracy.
  • the optical sensors are arranged in the beam path after a partially transmissive mirror on which the optical filter is applied.
  • a partially transmissive mirror is a mirror which is permeable to some of the optical radiation incident on it and which reflects the other part.
  • the use of a semitransparent mirror has advantages in particular when the optical sensor is arranged downstream of the partially transmissive mirror, so that the proportion of the radiation impinging on the optical sensor is reduced. If the optical sensor is mounted behind a semitransparent mirror, the optical filter can be easily applied to the partially transmissive mirror.
  • a partially transparent mirror with a coating applied thereon is easy and inexpensive to manufacture.
  • a coated semitransparent mirror requires only a small space and thus contributes to a compact adjustment unit. It has proven useful if the optical sensors are photodiodes or CCD chips, and if an optical filter is applied as a coating to the photodiodes or the CCD chips.
  • the optical filter can be applied directly to the optical sensors, for example to a photodiode or a CCD chip.
  • a coated photodiode or a coated CCD chip can be manufactured easily and inexpensively; they also require little more space than their uncoated embodiment.
  • the abovementioned technical object is achieved on the basis of a laser processing machine of the type mentioned at the outset by providing an adjusting unit-as described above-for automated adjustment of the laser beam relative to the outlet opening.
  • the laser processing machine is designed for in-process adjustment of the laser beam relative to the outlet opening. It can be used in particular for cutting and marking workpieces made of metal.
  • the laser processing machine has an adjustment unit, which detects the intensity of the radiation emitted by the workpiece during processing. Based on the detected radiation intensities, it is possible to determine the current position and position of the laser beam as well as position changes that have to be made in order to optimally adjust the laser beam with respect to the center of the outlet opening.
  • the adjusting unit and its configuration reference is made to the above statements.
  • the outlet opening has an opening width and the laser beam in the plane of the outlet opening has a maximum laser beam diameter, and if the ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width is less than 0.7, preferably Range is between 0.5 and 0.25.
  • the ratio of the laser beam diameter to the opening width of the Austrittsöff opening has influence on the alignment accuracy. The following applies: the larger the opening width, the more radiation can pass through the outlet opening and be subsequently detected, that is to say the greater are the detected radiation intensity values. Since the laser beam can have different diameters in the exit plane as a function of the focal position, the diameter which the laser beam can take up to a maximum in the exit plane is subsequently turned off. This diameter is referred to herein as the maximum laser beam diameter.
  • the ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width is less than 0.5. If the ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width is less than 0.5, more than 75% of the surface of the exit plane is available for detecting the radiation emitted by the workpiece.
  • the detected signal is an intense radiation intensity signal, which contributes to the most accurate possible adjustment. If the ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width is less than 0.25, more than 93% of the surface of the exit plane is available for detecting the radiation emitted by the workpiece. A further reduction of the ratio of maximum laser beam diameter to the opening width therefore hardly contributes to an improvement in the alignment accuracy.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a laser processing head of a laser cutting machine according to the invention, positioned above a workpiece surface, with an alignment unit in longitudinal section
  • FIG. 2 shows a cutting nozzle of a laser cutting machine according to the invention, positioned above a workpiece surface, and the radiation path of the laser radiation and the radiation emitted by the workpiece, when the laser beam is non-centered relative to the outlet opening;
  • FIG. 3 shows the cutting nozzle positioned above the workpiece surface according to FIG.
  • FIG. 4 shows a first embodiment of an adjustment unit according to the invention with twelve sensors
  • Figure 5 shows a second embodiment of an adjusting unit according to the invention with five sensors.
  • FIG. 1 shows, in a schematic representation, an embodiment of a laser cutting machine to which the reference numeral 100 as a whole is assigned.
  • the laser cutting machine 100 is suitable for cutting a metallic workpiece 108 with a thickness of up to 25 mm and comprises a laser beam source 111 for generating a laser beam 101, a laser processing head 110 with a process gas inlet 105 and a focusing optics 104 for focusing the laser beam. serstrahls 101 in the direction of the cutting nozzle outlet opening 106 or in the direction of the workpiece 108, and an adjusting unit 112, which allows an automated adjustment of the laser beam 101 relative to the outlet opening 106.
  • the laser beam source 111 is a CO2 laser; the wavelength of the laser beam 101 generated by the laser beam source 111 is 10.6 ⁇ m.
  • a mirror 102 is provided for deflecting the laser beam 101 in the direction of the workpiece 108.
  • the laser beam 101 is finally focused by the focusing unit 104 so that the diameter of the laser beam 101 seen in the plane of the outlet opening 106 is a maximum of 2 mm.
  • the outlet opening 106 has an opening wide of 3 mm.
  • the ratio of the maximum diameter of the laser beam 101 in the plane of the exit opening 106 to the opening width is 0.67 adjustment unit 112 comprises three optical sensors 103a, 103b in the form of photodiodes designed to detect infrared radiation in the wavelength range of 800 nm to 1250 nm (In Figure 1, one of the three optical sensors is not shown). Applied to the two optical sensors 103a, 103b is a coating (not shown) which acts as a filter, which absorbs radiation in the wavelength range of the laser beam 101 generated by the laser beam source 111, for radiation in the abovementioned wavelength range from 800 nm to 1250 but permeable. The optical sensors 103a, 103b are designed to detect radiation intensities.
  • the spectrum of the radiation 107 emitted by the workpiece 108 depends primarily on the material from which the workpiece 108 is manufactured. Workpieces made of metal as a rule emit radiation in the wavelength range from 800 nm to 1,400 nm.
  • the two optical sensors 103a, 103b are arranged parallel to the beam path of the laser beam 101 and equidistant from a center axis extending through the center of the outlet opening 106 such that they detect the radiation 107 emitted by the workpiece 108 during processing, provided that it passes through the exit opening 106 of the cutting nozzle.
  • the radiation intensities detected by the optical sensors 103a, 103b are present as an input signal.
  • the evaluation unit 113 has a computing unit (not shown) which uses the input signals to determine the position of the laser beam
  • the computing unit calculates from the input signals how the position of the laser beam 101 needs to be changed so that the laser beam 101 passes through the center of the output port. Based on this, the evaluation unit 112 outputs an output signal to an actuator (not shown), which converts the calculated position changes.
  • the mirror 102 is a partially transmissive mirror onto which a filter layer is applied, which absorbs the wavelength of the laser beam 101.
  • three optical sensors in the form of CCD chips are provided, which are arranged in the beam path of the radiation emitted by the workpiece following the partially transmissive mirror in a plane perpendicular to the beam direction of the laser beam 101.
  • a pre-adjustment is carried out first.
  • a pilot beam with a wavelength of 730 nm and a power of 4.5 mW is generated and focused by means of the focusing unit 104 through the outlet opening 106 onto the workpiece 108.
  • the energy of the laser radiation of the pilot beam is so small that the workpiece 108 can not be processed with the pilot beam. Consequently, no radiation emitted by the workpiece 108 itself also arises.
  • the pilot beam is reflected at the workpiece surface, so that the reflected pilot beam radiation is detected by the two optical sensors 103a, 103b.
  • the desired pre-adjustment is achieved when the intensity values of the reflected radiation detected by the two optical sensors 103a, 103b are no more than 0.5% radiation intensity values differ.
  • a laser beam 101 is initially generated by means of the laser beam source 11 1.
  • the laser beam 101 is deflected by a mirror 102 in the direction of the workpiece 108.
  • the laser beam 101 focused on the workpiece 108, in such a way that the laser beam 101 first passes through the exit opening 106 of the cutting nozzle before it hits the workpiece 108.
  • the workpiece 108 undirectedly emits radiation 107 having wavelengths in a wide wavelength range, in particular in the wavelength range of 800 nm to 1400 nm.
  • the radiation 107 emitted by the workpiece 108 finally becomes with the three optical sensors 103a .
  • the optical sensors 103a, 103b are photodiodes designed to detect radiation intensities at a measurement wavelength of 1200 nm.
  • radiation intensity values which are subsequently used for adjusting the position of the laser beam 101 relative to the outlet opening 106 are detected by the optical sensors 103a, 103b.
  • the current position of the laser beam 101 relative to the center of the outlet opening 106 can be determined from the detected radiation intensity values.
  • it can be calculated on the basis of the detected radiation intensity values as to how the position of the laser beam 101 relative to the outlet opening 106 is to be changed in order to adjust the laser beam 101 centrally to the outlet opening 106.
  • the position of the laser beam 101 relative to the outlet opening 106 is adjusted by means of a suitable actuator.
  • the adjustment / adjustment of the position of the laser beam 101 relative to the exit opening 106 takes place in an iterative method. Since the optical sensors 103a, 103b are arranged equidistantly to the center axis of the exit opening 106 in FIG. 1, the desired adjustment of the laser beam 101 relative to the exit opening 106 is achieved when the radiation intensity values detected by the three optical sensors 103a, 103b by a maximum of 0.5%. In an alternative method, it is also possible to refer the radiation intensity values detected by the optical sensors 103a, 103b to the mean value of the radiation intensity values detected by all the optical sensors 103a, 103b.
  • the arithmetic mean it is preferable to use the arithmetic mean.
  • the desired adjustment is achieved if none of the radiation intensity values recorded by the optical sensors exceeds by more than 0.3% (percentage tol- value) deviates from the arithmetic mean value of the radiation intensity values detected by the optical sensors.
  • FIGS 2 and 3 show a cutting nozzle 210 of a laser cutting machine positioned over a steel workpiece 108. Furthermore, a laser beam 211 is shown, which is focused on the workpiece 108 through the outlet opening 106. Finally, on the side facing away from the workpiece 108 of the cutting nozzle 210 three sensors are arranged, which are designed to detect the emitted radiation from the workpiece 200 200. Of the three sensors, only two sensors S1 and S2 are shown to simplify the illustration. FIG. 2 illustrates the case that the beam path of the laser beam 211 does not run centered to the outlet opening 106. The processing of the workpiece 108 with the laser beam 211 results in an energy input into the workpiece 108.
  • the workpiece 108 emits non-directionally radiation 200 in a wavelength range from 800 nm to 1,400 nm, among other things. If one considers the boundary rays 201, 202 of the radiation emitted by the workpiece with critical angles ai, a 2 , it is shown that in the case of a maladjustment the sensors S1, S2 detect radiation intensity values deviating from each other. Here, the sensor S1 detects a lower radiation intensity than the sensor S2.
  • FIG. 3 illustrates the case in which the beam path of the laser beam 211 is centered with respect to the outlet opening 106. If one observes the boundary rays 201, 202 of the radiation emitted by the workpiece with the critical angles a, it can be seen that in the case of an adjusted laser beam 211, the sensor S1 and the sensor S2 theoretically detect the same radiation intensity.
  • FIG. 4 shows an embodiment of an adjusting unit according to the invention, to which the reference numeral 400 as a whole is assigned.
  • the adjusting unit 400 comprises an evaluation unit 401, an opening 402 through which a laser beam to be adjusted can be guided, and three sensor groups 403, 404, 405 each with four identically constructed sensors which are offset by 90 ° about the opening 402 are arranged.
  • the output signals of the individual sensors of the sensor groups 403, 404, 405 are applied to the evaluation unit 401 as an input signal.
  • the sensor groups 403, 404, 405 differed as follows:
  • the sensor group 403 comprises four identically constructed sensors which are designed to detect wavelengths in the range from 600 nm to 900 nm.
  • the sensor group 404 comprises four identically constructed sensors which are designed to detect wavelengths in the range of 1,000 nm to 1,200 nm. Because the sensors of the sensor groups 403 and 404 differ in the wavelength ranges that can be detected with them, it is possible to select, for example, depending on the laser used or the workpiece to be machined, which radiation components are to be detected in which wavelength ranges. In this case, it is possible to detect radiation in the wavelength range from 600 nm to 900 nm and / or radiation in the wavelength range from 1000 nm to 1200 nm. This contributes to the fact that the adjustment unit can be used flexibly.
  • the sensor group 405 like the sensor group 404, comprises four identically constructed sensors which are designed to detect wavelengths in the range from 1,000 nm to 1,200 nm.
  • the advantage of the simultaneous use of sensor groups, which differ in the sensor sensitivities, is that the same adjusting unit for focusing different laser beams can be used, for example, to focus a working laser beam and a pilot laser beam. In this way, a flexibly usable adjustment unit is obtained.
  • FIG. 5 shows an embodiment of an adjusting unit according to the invention, to which the reference numeral 500 is assigned overall.
  • the adjusting unit 500 comprises a suitable for performing a laser beam to be adjusted opening 501, and five identical optical sensors 503-507, which around the opening 501 to
  • the adjusting unit 500 is moved relative to a workpiece at a feed rate of more than 800 mm / min in the feed direction 502, in particular the sensor tracked in the feed direction of the machining, here the sensor 503, regularly detects a higher one Radiation intensity signal than the others in Vorschubrich- 502 seen laterally arranged sensors, here the sensors 504-507.
  • the adjustment unit 500 is therefore designed so that the radiation intensity signal of the sensor tracked in the feed direction 502, which is the signal of the sensor 503 in the present example, is disregarded and only the signals of the four remaining sensors are taken into account for the adjustment , This counteracts a misalignment caused by an increased radiation intensity signal of a sensor tracked in the feed direction.

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Abstract

Known methods for automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine relative to an outlet opening for the laser beam comprise the method steps of: (a) focusing the laser beam, and (b) setting the position of the laser beam relative to the outlet opening. The aim of the invention is to to provide, from this starting point, a method which can be carried out simply and quickly for automated adjustment of a laser beam which also allows adjustment of the laser beam relative to the outlet opening during the operation of the laser processing. This aim is achieved, according to the invention, in that during processing of a workpiece, the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece is detected by at least three optical sensors, and the radiation intensity values detected by the optical sensors during the processing are used for setting the position of the laser beam according to the method step (b).

Description

Verfahren und Justier-Einheit zur automatisierten Justierung eines Laserstrahls einer Laserbearbeitungsmaschine, sowie Laserbearbeitungsmaschine mit der Justier-Einheit  Method and adjustment unit for the automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine, and laser processing machine with the adjusting unit
Technischer Hintergrund Technical background
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Justierung eines Laserstrahls einer Laserbearbeitungsmaschine relativ zu einer Austrittsöff- nung für den Laserstrahl, umfassend die Verfahrensschritte: The present invention relates to a method for the automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine relative to an exit opening for the laser beam, comprising the method steps:
(a) Fokussieren des Laserstrahls, und (a) focusing the laser beam, and
(b) Einstellen der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung.  (b) adjusting the position of the laser beam relative to the exit port.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Justier-Einheit zur automatisier- ten Justierung eines Laserstrahls einer Laserbearbeitungsmaschine relativ zu einer Austrittsöffnung. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine zur Durchführung des Verfah- rens geeignete Laserbearbeitungsmaschine, aufweisend eine Austrittsöffnung für den Laserstrahl, eine Fokussier-Optik zum Fokussieren des Laserstrahls in Rich- tung der Austrittsöffnung, sowie eine Justier-Einheit zur automatisierten Justie- rung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung. Unter dem Begriff Laserbearbeitungsmaschine wird im Sinne der Erfindung eine Maschine verstanden, mit der ein Werkstück mit einem Laserstrahl bearbeitet werden kann. Laserbearbeitungsmaschinen werden für eine Vielzahl von Bearbei- tungsverfahren eingesetzt, insbesondere zum Trennen, Fügen, Schneiden, Schweißen, Abtragen, Umformen oder zum Markieren und Beschriften; sie sind für die Bearbeitung von Werkstücken aus unterschiedlichen Werkstoffen einsetz- bar, beispielsweise zur Bearbeitung von Werkstücken aus Metall, Kunststoff,Furthermore, the present invention relates to an adjusting unit for automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine relative to an outlet opening. Finally, the present invention relates to a laser processing machine suitable for carrying out the method, comprising an exit opening for the laser beam, a focusing optics for focusing the laser beam in the direction of the exit opening, and an adjusting unit for automated adjustment of the laser beam relative to the outlet. The term laser processing machine is understood in the context of the invention, a machine with which a workpiece can be processed with a laser beam. Laser processing machines are used for a variety of processing methods, in particular for cutting, joining, cutting, welding, ablation, forming or for marking and labeling; They can be used for machining workpieces made of different materials, for example for machining workpieces made of metal, plastic, etc.
Glas, Keramik, Stein oder Holz. Unter dem Begriff Austrittsöffnung wird im Sinne der Erfindung ein räumlich be- grenzter Durchlass für einen Laserstrahl verstanden, der von einem für den La- serstrahl undurchlässigen Material begrenzt ist. Laserbearbeitungsmaschinen weisen regelmäßig eine Austrittsöffnung für den Laserstrahl auf. Eine Austrittsöff- nung einer Laserbearbeitungsmaschine ist ein Teil der Laserbearbeitungsma- schine, aus dem Laserstrahl aus der Laserbearbeitungsmaschine austritt, bevor er auf das Werkstück trifft. Wird der Laserstrahl beispielsweise in einer Umhau- sung geführt, kann die Austrittsöffnung eine Öffnung in der Umhausung sein.Glass, ceramics, stone or wood. For the purposes of the invention, the term exit opening is understood to mean a spatially limited passage for a laser beam which is delimited by a material which is impermeable to the laser beam. Laser processing machines regularly have an outlet opening for the laser beam. An exit opening of a laser processing machine is a part of the laser processing machine from which the laser beam exits the laser processing machine before it hits the workpiece. If the laser beam is guided in a housing, for example, the outlet opening can be an opening in the housing.
Wird - wie beim Laserstrahlschneiden von metallischen Werkstücken üblich - zur Werkstückbearbeitung der Laserstrahl zusammen mit einem Prozessgas über eine Düse auf das Werkstück geleitet, fällt die Austrittsöffnung regelmäßig mit der Düsenöffnung für das Prozessgas zusammen. Die Austrittsöffnung legt dabei eine Austrittsebene fest, die der Laserstrahl schneidet, im Idealfall mit einer punkt- o- der kreisförmigen Schnittfläche. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Justierung und Einstellung der Posi- tion des Laserstrahls und damit die Einstellung der Position der Schnittfläche des Laserstrahls mit der Austrittsebene. Die Justier-Einheit im Sinne der Erfindung dient der Einstellung dieser Position; sie ist als separates Bauteil grundsätzlich in eine bestehende Laserbearbeitungsmaschine nachrüstbar. Stand der Technik If, as is customary in the case of laser beam cutting of metallic workpieces, the laser beam is guided onto the workpiece together with a process gas via a nozzle for workpiece machining, the outlet opening regularly coincides with the nozzle opening for the process gas. The outlet opening defines an exit plane which the laser beam intersects, ideally with a point or circular cutting surface. The inventive method relates to the adjustment and adjustment of the position of the laser beam and thus the adjustment of the position of the cutting surface of the laser beam with the exit plane. The adjusting unit according to the invention serves to set this position; As a separate component, it can basically be retrofitted into an existing laser processing machine. State of the art
Werkstücke, insbesondere solche aus Metall, können mit hoher Qualität und Prä- zision bearbeitet werden, wenn zur Werkstück-Bearbeitung Laserstrahlung einge- setzt wird. Hierfür werden Laserbearbeitungsmaschinen verwendet, die einen La- serstrahl erzeugen, der mittels einer Fokussieroptik fokussiert wird, bevor der La- serstrahl aus der Laserbearbeitungsmaschine über eine Austrittsöffnung - bei- spielsweise über eine Düsenöffnung - austritt und schließlich auf das zu bearbei- tende Werkstück auftrifft. Workpieces, especially those made of metal, can be machined with high quality and precision if laser radiation is used for workpiece machining. For this purpose, laser processing machines are used which generate a laser beam, which is focused by means of focusing optics, before the laser beam exits the laser processing machine via an outlet opening, for example via a nozzle opening, and finally impinges on the workpiece to be machined.
Die Qualität der Bearbeitung wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst, beispielsweise von der Fokuslage des Laserstrahls, von der Vorschubgeschwin- digkeit, mit der der Laserstrahl und das Werkstück relativ zueinander bewegt werden, oder von der Laserleistung. Darüber hinaus hat insbesondere auch die Lage des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung der Laserbearbeitungsmaschine einen großen Einfluss auf die Bearbeitungsqualität. Es hat sich gezeigt, dass be- sonders gute Ergebnisse in Bezug auf die Bearbeitungsqualität erzielt werden können, wenn der Laserstrahl bei der Bearbeitung möglichst mittig durch die Aus- trittsöffnung geführt wird. The quality of the machining is influenced by a large number of factors, for example the focus position of the laser beam, the feed rate ability, with which the laser beam and the workpiece are moved relative to each other, or the laser power. In addition, in particular, the position of the laser beam relative to the outlet opening of the laser processing machine has a great influence on the processing quality. It has been found that particularly good results with regard to the machining quality can be achieved if the laser beam is guided as centrally as possible through the outlet opening during machining.
Im umgekehrten Fall, wenn der Laserstrahl bezogen auf die Austrittsöffnung nicht mittig geführt ist, kann der bearbeitete Bereich des Werkstücks je nach Bearbei- tungsrichtung unterschiedliche Qualitäten aufweisen. In the opposite case, if the laser beam is not centered relative to the outlet opening, the machined area of the workpiece may have different qualities depending on the processing direction.
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es bekannt, den Laserstrahl vor dem To avoid these disadvantages, it is known to laser beam before
Schneidvorgang vorzujustieren, und zwar so, dass er möglichst mittig durch die Austrittsöffnung geführt ist. Die Vorjustierung des Laserstrahls kann manuell oder automatisiert erfolgen. Bei einem bekannten, manuellen Verfahren wird ein Klebestreifen an der Aus- trittsdüse des Laserstrahls befestigt und anschließend kurzzeitig ein Laserstrahl- Puls mit geringer Leistung abgegeben („Düsenschuss“). Hierdurch entsteht im Klebestreifen ein Loch, anhand dessen die Position des Laserstrahls relativ zur Düsenöffnung, also die Lage und Zentrierung des Laserstrahls, ermittelt werden kann. Nach einer entsprechenden Einstellung der Lage des Laserstrahls wird die- ser Vorgang so lange wiederholt bis ein akzeptables Ergebnis hinsichtlich der Mittigkeit erzielt wird. Diese Art der Justierung weist allerdings mehrere Nachteile auf: Der Vorgang muss einerseits vor dem Bearbeitungsvorgang durchgeführt werden und ist verhältnismäßig zeitaufwendig. Andererseits ist die Ablesegenau- igkeit gering und schließlich können Veränderungen, die während des Betriebs der Laserbearbeitungsmaschine auftreten, nicht zeitnah erkannt und kompensiert werden. Dies führt dazu, dass sich die Bearbeitungsqualität mit zunehmender Be- triebsdauer verschlechtern kann. Vorzujustieren cutting process, in such a way that it is guided as centrally as possible through the outlet opening. The pre-adjustment of the laser beam can be done manually or automatically. In a known, manual method, an adhesive strip is attached to the outlet nozzle of the laser beam and then briefly delivered a laser beam pulse with low power ("nozzle shot"). This results in the adhesive strip a hole, by means of which the position of the laser beam relative to the nozzle opening, so the position and centering of the laser beam, can be determined. After a corresponding adjustment of the position of the laser beam, this process is repeated until an acceptable result with regard to the mean is achieved. However, this type of adjustment has several disadvantages: the process must firstly be carried out before the machining process and is relatively time-consuming. On the other hand, the reading accuracy is low and, finally, changes that occur during operation of the laser processing machine can not be detected and compensated for in a timely manner. As a result, the processing quality may deteriorate with increasing operating time.
Um dieses Verfahren zu vereinfachen, insbesondere um die Zuverlässigkeit der Justierung zu erhöhen und den mit der Durchführung des Verfahrens verbünde- nen Zeitaufwand zu reduzieren, wird in der DE 11 2010 003 743 B4 ein System und ein Verfahren zum automatisierten Justieren der Fokuslage eines Laser- strahls vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren wird der Laserbearbeitungskopf vor dem eigentlichen Bearbeitungsvorgang über einer Strahlfalle positioniert. Zur De- tektion der Fokuslage sind zwei Sensoren vorgesehen, nämlich ein in der Strahl- falle angeordneter Strahlfallensensor einerseits und ein innerhalb des Laserbear- beitungskopfs angeordneter Streulichtsensor andererseits. Die Fokuslage wird solange verstellt, bis das Intensitätssignal des Strahlfallensensors möglichst groß, und das Intensitätssignal des Streulichtsensors gleichzeitig möglichst gering ist. Der Einsatz einer Strahlfalle zur Justierung des Laserstrahls ermöglicht eine gute Vorjustierung des Laserstrahls vor einem Bearbeitungsprozess. Insbesondere bei einer längeren Werkstück-Bearbeitungsdauer hat es sich allerdings gezeigt, dass sich die Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung während der Bear- beitung verändern kann, womit eine Beeinträchtigung der Bearbeitungsqualität einhergehen kann. Selbst, wenn diese Veränderungen zeitnah erkannt werden, ist meist eine Nachjustierung notwendig, für die das Bearbeitungsverfahren unter- brochen werden muss. Ein Abbruch des Bearbeitungsvorgangs geht allerdings mit mehreren Nachteilen einher: Einerseits ist eine Nachjustierung mit einer Strahlfal le zeitaufwendig, da hierfür der Laserbearbeitungskopf zunächst über die Strahl- falle positioniert werden muss, bevor er wieder zum Punkt des Bearbeitungsab- bruchs zurückverfahren werden kann. Andererseits muss der Bearbeitungsvor- gang nach einer erfolgten Nachjustierung wieder an der Abbruchstelle fortgesetzt werden. Eine möglichst exakte Positionierung des Laserstrahls an der Abbruch- steile ist allerdings aufwendig und oft geht eine Fortsetzung der Bearbeitung da- her mit einer verringerten Bearbeitungsqualität im Abbruchbereich einher. In order to simplify this process, in particular to increase the reliability of the adjustment and to combine the procedure with the implementation of the method. In order to reduce the time required, DE 11 2010 003 743 B4 proposes a system and a method for the automated adjustment of the focal position of a laser beam. In this method, the laser processing head is positioned above a jet trap before the actual processing operation. For detecting the focus position, two sensors are provided, namely a jet trap sensor arranged in the jet trap on the one hand and a scattered light sensor arranged inside the laser processing head on the other hand. The focus position is adjusted until the intensity signal of the beamfall sensor is as large as possible, and the intensity signal of the scattered light sensor is simultaneously as small as possible. The use of a beam trap for adjusting the laser beam allows a good pre-adjustment of the laser beam before a machining process. However, in particular with a longer workpiece processing time, it has been shown that the position of the laser beam relative to the outlet opening can change during processing, which may be accompanied by an impairment of the processing quality. Even if these changes are detected promptly, a readjustment is usually necessary, for which the machining process must be interrupted. However, a termination of the machining process involves several disadvantages: On the one hand, a readjustment with a jet trap is time-consuming, since the laser machining head first has to be positioned over the jet trap before it can be moved back to the point of processing interruption. On the other hand, after a successful readjustment, the machining process must be continued again at the termination point. The most exact possible positioning of the laser beam at the demolition points is, however, complicated and often a continuation of the processing is accompanied by a reduced processing quality in the demolition area.
Technische Aufgabe Technical task
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfach und schnell durch- führbares Verfahren zur automatisierten Justierung eines Laserstrahls einer La- serbearbeitungsmaschine anzugeben, das eine Justierung des Laserstrahls rela- tiv zur Austrittsöffnung auch während des Betriebs der Laserbearbeitungsmaschi- ne ermöglicht. The invention is therefore based on the object of specifying a method for the automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine which can be carried out simply and quickly and which adjusts an adjustment of the laser beam. tively to the exit opening even during operation of the laser processing machine.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kompakte und einfach zu fertigende Justier-Einheit zur automatisierten Justierung eines Laserstrahls einer Laserbearbeitungsmaschine anzugeben, die eine einfache und schnelle Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung auch während des Be- triebs der Laserbearbeitungsmaschine ermöglicht. Another object of the present invention is to provide a compact and easy-to-manufacture alignment unit for the automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine, which enables a simple and rapid adjustment of the laser beam relative to the outlet opening even during operation of the laser processing machine.
Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsma- schine mit der Justier-Einheit anzugeben. Allgemeine Beschreibung der Erfindung Finally, the object of the invention is to provide a laser processing machine with the adjusting unit. General description of the invention
Hinsichtlich des Verfahrens zur automatisierten Justierung eines Laserstrahls ei- ner Laserbearbeitungsmaschine wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch ge- löst, dass während einer Bearbeitung eines Werkstücks die Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung mit mindestens drei optischen Sensoren erfasst wird, und die von den optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensi- tätswerte während der Bearbeitung zum Einstellen der Position des Laserstrahls gemäß Verfahrensschritt (b) verwendet werden. With regard to the method for the automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine, the abovementioned object is achieved, starting from a method of the type mentioned above, by detecting the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece with at least three optical sensors during a machining of a workpiece and the radiation intensity values detected by the optical sensors during processing are used to adjust the position of the laser beam according to method step (b).
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die grundsätzliche Idee zugrunde, die Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung unter Betriebsbedingun- gen, also während einer Bearbeitung des Werkstücks durchzuführen (In-Prozess- Justierung), wobei der Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung die während eines Laserbearbeitungsprozesses vom Werkstück emittierte Strahlung zugrunde gelegt wird. Während die zur Bearbeitung des Werkstücks eingesetzte Laserstrahlung schmalbandig ist, umfasst die vom Werkstück selbst emittierte Strahlung Strahlungsanteile mit Wellenlängen in einem relativ breiten Wellenlän- genbereich, insbesondere Strahlungsanteile im sichtbaren und nahinfraroten Be- reich. Es ist daher relativ einfach möglich, die vom Werkstück selbst emittierte Strahlung von der des Laserstrahls zu unterscheiden. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den Effekt, dass die vom Werkstück emittierte Strahlung grund- sätzlich ungerichtet, das heißt in alle Raumrichtungen gleichermaßen, emittiert wird, wobei eine gleichmäßig abfallende Strahlungsintensitätsverteilung mit einem Maximum im Bereich des aktuellen Bearbeitungspunkts beobachtet wird. Da das Werkstück eine dem Laserstrahl zugewandte und eine dem Laserstrahl abge- wandte Seite aufweist, und an der dem Laserstrahl zugewandten Seite des Werk- stücks in der Regel höhere Strahlungsintensitäten der vom Werkstück emittierten Strahlung erfassbar sind, hat es sich als günstig erwiesen, die mindestens drei optischen Sensoren so anzuordnen, dass sie der dem Laserstrahl zugewandten Seite des Werkstücks zugeordnet sind. Die Strahlungsintensität der vom Werk- stück emittierten Strahlung und deren Verteilung kann während eines Bearbei- tungsvorgangs einfach erfasst werden; sie erlaubt - wie nachfolgend näher erläu- tert wird - Rückschlüsse einerseits hinsichtlich der aktuellen Lage und Position des Laserstrahls, und andererseits hinsichtlich der vorzunehmenden Positionsän- derungen, um den Laserstrahl optimal in Bezug auf die Mitte der Austrittsöffnung zu justieren. Zu diesem Zweck sind erfindungsgemäß mindestens drei optische Sensoren vorgesehen, mit denen die Strahlungsintensität der vom Werkstück bei der Bearbeitung emittierten Strahlung erfassbar ist. Dadurch, dass erfindungsge- mäß mindestens drei optische Sensoren vorgesehen sind, ist eine Justierung des Laserstrahls in zwei Raumrichtungen und damit in der Austrittsebene möglich. Die optischen Sensoren im Sinne der Erfindung sind zur Erfassung von Strahlungsin- tensitäten ausgelegt. Die Erfassung der Strahlungsintensität kann bei ausgewähl- ten, einzelnen Wellenlängen, aber auch über einen Wellenlängenbereich erfol- gen. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die mindestens drei optischen Sensoren zur Erfassung von Strahlungsintensitäten in demselben Wellenlängen- bereich oder bei derselben Wellenlänge ausgelegt sind. Vorzugsweise weisen die mindestens drei optischen Sensoren dieselbe Bauart auf. The basic idea of the method according to the invention is to carry out the adjustment of the laser beam relative to the outlet opening under operating conditions, ie during processing of the workpiece (in-process adjustment), wherein the adjustment of the laser beam relative to the outlet opening from the workpiece during a laser processing process emitted radiation is used. While the laser radiation used for machining the workpiece is narrow-band, the radiation emitted by the workpiece itself comprises radiation components with wavelengths in a relatively broad wavelength range, in particular radiation components in the visible and near-infrared range. It is therefore relatively easy to distinguish the radiation emitted by the workpiece itself from that of the laser beam. The invention The method utilizes the effect that the radiation emitted by the workpiece is always emitted in an undirected manner, that is to say in all directions in space, whereby a uniformly decreasing radiation intensity distribution with a maximum in the region of the current processing point is observed. Since the workpiece has a side facing the laser beam and a side facing away from the laser beam, and higher radiation intensities of the radiation emitted by the workpiece can generally be detected on the side of the workpiece facing the laser beam, it has proven to be advantageous to use the at least three optical sensors to be arranged so that they are associated with the laser beam side facing the workpiece. The radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece and its distribution can be easily detected during a machining process; As will be explained in more detail below, it permits conclusions to be drawn, on the one hand, with regard to the current position and position of the laser beam and, on the other hand, with regard to the positional changes to be made in order to optimally adjust the laser beam with respect to the center of the outlet opening. For this purpose, according to the invention, at least three optical sensors are provided with which the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece during processing can be detected. Because according to the invention at least three optical sensors are provided, an adjustment of the laser beam in two spatial directions and thus in the exit plane is possible. The optical sensors according to the invention are designed to detect radiation intensities. The detection of the radiation intensity can take place at selected, individual wavelengths, but also over a wavelength range. It has proven to be favorable if the at least three optical sensors are designed to detect radiation intensities in the same wavelength range or at the same wavelength are. The at least three optical sensors preferably have the same design.
Im einfachsten Fall sind die Sensoren äquidistant zur Mittenachse der Austritts- Öffnung angeordnet, also äquidistant zum Strahlengang eines fiktiven, durch die tatsächliche Mitte der Austrittsöffnung verlaufenden Laserstrahls. Verläuft der La- serstrahl tatsächlich durch die Mitte der Austrittsöffnung, so weichen die von den optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte der vom Werkstück emittierten Strahlung nicht oder nur unwesentlich voneinander ab; sie sind im Idealfall identisch. Verschiebt sich hingegen die Position des Laserstrahls relativ zur Mitte der Austrittsöffnung, so befinden sich die optischen Sensoren nicht mehr im gleichen Abstand zu dem Punkt des Werkstückes, auf den der Laserstrahl fo- kussiert ist. Dies hat zur Folge, dass ein näher zum Fokuspunkt des Laserstrahls angeordneter Sensor eine höhere Strahlungsintensität erfasst als ein Sensor, der einen größeren Abstand zum Fokuspunkt des Laserstrahls aufweist. Anhand der von den Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte kann auf die aktuelle Po- sition des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung und deren Mitte geschlossen werden. In the simplest case, the sensors are arranged equidistant to the center axis of the outlet opening, that is to say equidistant from the beam path of a fictitious laser beam passing through the actual center of the outlet opening. If the laser beam actually passes through the center of the outlet opening, then those of the optical sensors did not detect radiation intensity values of the radiation emitted by the workpiece or only insignificantly from each other; they are ideally identical. If, on the other hand, the position of the laser beam shifts relative to the center of the outlet opening, then the optical sensors are no longer at the same distance from the point of the workpiece on which the laser beam is focused. This has the consequence that a sensor arranged closer to the focal point of the laser beam detects a higher radiation intensity than a sensor which has a larger distance to the focal point of the laser beam. Based on the radiation intensity values detected by the sensors, it is possible to deduce the current position of the laser beam relative to the outlet opening and its center.
Bei einer bevorzugten Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher vorgesehen, dass die Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strah- lung mit mindestens drei optischen Sensoren erfasst wird, die äquidistant zur Mit- tenachse der Austrittsöffnung angeordnet sind, wobei der Laserstrahl dann mittig zur Austrittsöffnung justiert ist, wenn die von den mindestens drei optischen Sen- soren jeweils erfassten Strahlungsintensitätswerte höchstens um einen vorgege- ben prozentualen Toleranzwert voneinander oder vom Mittelwert der von den op- tischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte abweichen. Durch eine äquidistante Anordnung der mindestens drei optischen Sensoren wird eine besonders einfache Auswertung der von den optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte ermöglicht, da in diesem Fall auf einen direkten Ver- gleich der von den mindestens drei Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswer- te abgestellt werden kann. In der Praxis weichen allerdings auch bei einem In a preferred modification of the method according to the invention, it is therefore provided that the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece is detected with at least three optical sensors which are arranged equidistantly to the central axis of the outlet opening, the laser beam then being adjusted centrally to the outlet opening, if the radiation intensity values respectively recorded by the at least three optical sensors deviate from the mean value of the radiation intensity values detected by the optical sensors by at least a predefined percentage tolerance value. An equidistant arrangement of the at least three optical sensors makes possible a particularly simple evaluation of the radiation intensity values detected by the optical sensors, since in this case a direct comparison of the radiation intensity values detected by the at least three sensors can be made. In practice, however, give way to one
Durchgang des Lasers durch die Mitte der Austrittsöffnung die von den optischenPassage of the laser through the center of the outlet opening of the optical
Sensoren erfassten Strahlungsintensitäten innerhalb gewisser Grenzen vonei- nander ab. Ein Grund für diese Abweichungen sind beispielsweise Messfehler, wie sie grundsätzlich bei jeder Messung auftreten können. Der Laserstrahl wird daher vorzugsweise dann als mittig zur Austrittsöffnung justiert angesehen, wenn die von den optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte höchstens um einen vorgegebenen prozentualen Toleranzwert voneinander oder vom Mit- telwert der von den mindestens drei optischen Sensoren erfassten Strahlungsin- tensitätswerte abweichen. Welcher prozentuale Toleranzwert vorzugeben ist, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, beispielsweise von der gewünschten Bearbeitungsgenauigkeit, vom Düsendurchmesser oder von der Laserleistung. Alternativ ist es aber auch möglich, die Sensoren beliebig in Bezug auf den La- serstrahl anzuordnen, allerdings ist dann die Position der Sensoren bei der Aus- wertung der von ihnen erfassten Strahlungsintensitäten zu berücksichtigen, bei- spielsweise durch eine rechnerische Korrektur. Dies kann beispielsweise über eine Auswerte- oder Korrektur-Einheit erfolgen, an der die von den optischen Sensoren ermittelten Strahlungsintensitätswerte als Eingangssignal anliegen. Sensors recorded radiation intensities within certain limits. One reason for these deviations are, for example, measurement errors, as they can basically occur with each measurement. The laser beam is therefore preferably considered to be aligned in the middle of the outlet opening if the radiation intensity values detected by the optical sensors are at most a predetermined percentage tolerance value from one another or value of the radiation intensity values recorded by the at least three optical sensors. The percentage tolerance value to be set depends on a variety of factors, for example the desired machining accuracy, the nozzle diameter or the laser power. Alternatively, however, it is also possible to arrange the sensors arbitrarily with respect to the laser beam, but then the position of the sensors in the evaluation of the radiation intensities detected by them must be taken into account, for example by a computational correction. This can be done, for example, via an evaluation or correction unit to which the radiation intensity values determined by the optical sensors are present as an input signal.
Die von den mindestens drei optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensi- tätswerte werden der Justierung zugrunde gelegt, indem die Einstellung der Posi- tion des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung anhand der Strahlungsintensi- tätswerte erfolgt. Im einfachsten Fall äquidistant angeordneter optischer Senso- ren, ist die Justierung beispielsweise dann erreicht, wenn alle optischen Sensoren innerhalb einer vorgegebenen Schwankungsbreite denselben Strahlungsintensi- tätswert erfassen. In diesem Fall kann der Endpunkt der Justierung ohne Vorgabe eines Soll-Wertes erfolgen. Alternativ ist aber auch die Vorgabe eines Soll- Wertes denkbar, und zwar insbesondere dann, wenn bei der Justierung bei- spielsweise zusätzlich empirisch ermittelte Korrekturfaktoren berücksichtigt wer- den sollen. Die Einstellung der Position kann in diesem Fall dadurch erfolgen, dass jeder von einem optischen Sensor aktuell erfasste Strahlungsintensitätswert (Ist-Wert des Sensors) mit dem für den jeweiligen Sensor vorgegebenen Soll- Wert verglichen und auf den jeweiligen Soll-Wert eingestellt wird. Die Genauigkeit beziehungsweise die Auflösung der Positionsbestimmung desThe radiation intensity values detected by the at least three optical sensors are used as the basis for the adjustment by adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening on the basis of the radiation intensity values. In the simplest case of equidistantly arranged optical sensors, the adjustment is achieved, for example, when all the optical sensors detect the same radiation intensity value within a predetermined fluctuation range. In this case, the end point of the adjustment can be made without specifying a desired value. Alternatively, however, it is also possible to prescribe a desired value, in particular if, for example, additional empirically determined correction factors are to be taken into account during the adjustment. In this case, the position can be adjusted by comparing each radiation intensity value currently detected by an optical sensor (actual value of the sensor) with the desired value specified for the respective sensor and setting it to the respective desired value. The accuracy or the resolution of the position determination of
Laserstrahls und der nachfolgenden Justierung kann erhöht werden, wenn eine größere Anzahl optischer Sensoren eingesetzt wird, also indem vier oder mehr Sensoren vorgesehen werden. Alternativ ist es auch möglich, die Genauigkeit beziehungsweise Auflösung zu erhöhen, indem Gruppen optischer Sensoren un- terschiedlicher Bauart eingesetzt werden. Hierbei hat es sich insbesondere als günstig erwiesen, wenn während einer Bearbeitung eines Werkstücks die Strah- lungsintensität der vom der vom Werkstück emittierten Strahlung gleichzeitig von einer ersten Sensorgruppe mit mindestens drei optischen Sensoren einer ersten Bauart und von einer zweiten Sensorgruppe mit mindestens drei optischen Sen- soren einer zweiten Bauart erfasst wird. Die optischen Sensoren der ersten und zweiten Sensorgruppe unterscheiden sich beispielsweise in ihrer Bauart, wenn sie zur Erfassung unterschiedlicher Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche der vom Werkstück emittierten Strahlung ausgelegt sind. Laser beam and the subsequent adjustment can be increased if a larger number of optical sensors is used, so by four or more sensors are provided. Alternatively, it is also possible to increase the accuracy or resolution by using groups of optical sensors of different types. Here it has in particular as proven favorable when the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece is simultaneously detected by a first sensor group having at least three optical sensors of a first type and a second sensor group having at least three optical sensors of a second type during processing of a workpiece , The optical sensors of the first and second sensor groups differ, for example, in their design, if they are designed to detect different wavelengths or wavelength ranges of the radiation emitted by the workpiece.
Dadurch, dass das erfindungsgemäße Justier-Verfahren auch während des Be- triebs einer Laserbearbeitungsmaschine durchführbar ist (In-Prozess- Justierung), ergeben sich mehrere Vorteile: Der Vorteil einer In-Prozess-Justierung liegt ei- nerseits darin, dass durch die auch während einer Bearbeitung mögliche Justie- rung eine gleichbleibende Bearbeitungsqualität auch bei einer längeren Bearbei- tungsdauer erreicht werden kann und andererseits die Bearbeitungsdauer insge- samt verringert werden kann, da ein aufwendiges Nachjustieren, beispielsweise unter Einsatz einer Strahlfalle, sowie eine möglichst exakte Positionierung des Laserstrahls bei Wiederaufnahme der Bearbeitung am Ort der Bearbeitungsun- terbrechung entfallen kann. Dies trägt zu einer effizienten und damit kostengüns- tigen Bearbeitung bei. Gleichzeitig ist das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Überwachung des Laserbearbeitungsprozesses einsetzbar, da auch Abweichun- gen von vorgegebenen Strahlungsintensitätswerten erfasst werden können. Auf einen zusätzlichen Sensor zur Prozessüberwachung kann daher verzichtet wer- den. Due to the fact that the adjustment method according to the invention can also be carried out during the operation of a laser processing machine (in-process adjustment), there are several advantages: The advantage of an in-process adjustment is on the one hand that even during A processing possible adjustment a consistent quality machining can be achieved even with a longer processing time and on the other hand, the total processing time can be reduced, as a complex readjustment, for example using a jet trap, and the most accurate positioning of the laser beam at resumption The processing at the place of processing interruption can be omitted. This contributes to efficient and thus cost-effective processing. At the same time, the method according to the invention can also be used for monitoring the laser processing process, since it is also possible to detect deviations from predetermined radiation intensity values. An additional sensor for process monitoring can therefore be dispensed with.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren zum Trennen oder Markieren metallischer Werkstücke verwendet werden, da das erfindungsgemäße Verfahren mit einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit einhergeht. Insbesondere beim Trennen metalli scher Werkstücke gibt es das Problem, dass es bei mangelhafter Zentrierung des Laserstrahls bezogen auf die Austrittsöffnung im Bereich der Schnittflächen zu Schnittflächenverletzungen oder zur Gratbildung kommen kann. Im schlimmsten Fall grober Abweichungen der Zentrierung ist es sogar möglich, dass der Schnitt aufgrund der mangelnden Zentrierung des Laserstrahls sogar während des Schneidvorgangs abreißt. Advantageously, the method can be used for separating or marking metallic workpieces, since the inventive method is accompanied by a high processing accuracy. In particular, when separating metalli shear workpieces, there is the problem that it can lead to cut surface injuries or burrs in the region of the cut surfaces in the case of poor centering of the laser beam with respect to the outlet opening. In the worst case, gross deviations of the centering, it is even possible that the cut due to the lack of centering of the laser beam tearing even during the cutting process.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn zum Einstellen der Position des Laser- strahls relativ zur Austrittsöffnung gemäß Verfahrensschritt b) die von den opti- sehen Sensoren im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm erfassten Strahlungsintensitätswerte herangezogen werden. It has proved to be advantageous if, for adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening in accordance with method step b), the radiation intensity values detected by the optical sensors in the wavelength range from 800 nm to 1400 nm are used.
Zur Erfassung der vom Werkstück emittierten Strahlung können zwar grundsätz- lich optische Sensoren eingesetzt werden, die über einen mehr oder minder gro- ßen Wellenlängenbereich sensitiv sind. Die Justiergenauigkeit lässt sich aller- dings erhöhen, wenn zum Einstellen der Position des Laserstrahls nur bestimmte Strahlungsintensitätswerte herangezogen werden, die für einen bestimmten Wel- lenlängenbereich oder die bei einer bestimmten Wellenlänge ermittelt wurden. Welcher Wellenlängenbereich beziehungsweise welche Wellenlänge am geeig- netsten erscheint, ist grundsätzlich unabhängig von der Laser-Wellenlänge und hängt im Wesentlichen davon ab, aus welchem Material das Werkstück gefertigt ist. Bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken, insbesondere aus Stahl, Edelstahl, Aluminium, Messing oder Kupfer, werden gute Ergebnisse hinsichtlich der Justiergenauigkeit erzielt, wenn zum Einstellen der Position des Laserstrahls die im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm ermittelten Strahlungsin- tensitätswerte herangezogen werden. Als besonders geeignet hat sich der Wel- lenlängenbereich von 900 nm bis 1250 nm erwiesen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass entweder spezielle optische Sensoren verwendet werden, die nur in einem bestimmten Wellenlängenbereich, vorzugsweise dem oben genannten Wellenlängenbereich, sensitiv sind, oder dass im Strahlengang vor einem über einen größeren Wellenlängenbereich sensitiven Sensor ein Filter angeordnet ist, das nur für Strahlung bestimmter Wellenlängen, vorzugsweise nur für Wellenlängen in den obengenannten Wellenlängenbereichen, durchlässig ist. To detect the radiation emitted by the workpiece, it is possible to use optical sensors which are sensitive over a more or less large wavelength range. However, the adjustment accuracy can be increased if, for setting the position of the laser beam, only certain radiation intensity values are used, which were determined for a specific wavelength range or those at a specific wavelength. Which wavelength range or which wavelength appears the most suitable is basically independent of the laser wavelength and essentially depends on which material the workpiece is manufactured from. In the machining of metallic workpieces, in particular of steel, stainless steel, aluminum, brass or copper, good results are obtained with regard to the alignment accuracy, if the radiation intensity values determined in the wavelength range from 800 nm to 1,400 nm are used to set the position of the laser beam. The wavelength range from 900 nm to 1250 nm has proved particularly suitable. This can be achieved, for example, by using either special optical sensors that are sensitive only in a certain wavelength range, preferably the above-mentioned wavelength range, or that a filter is arranged in the beam path in front of a sensitive sensor over a relatively large wavelength range for radiation of certain wavelengths, preferably only for wavelengths in the above-mentioned wavelength ranges, is permeable.
Es sich als besonders günstig erwiesen, wenn zum Einstellen der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung gemäß Verfahrensschritt b) die von den optischen Sensoren im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.000 nm und im Wellenlängenbereich von 1.100 nm bis 1.400 nm erfassten Strahlungsintensi- tätswerte herangezogen werden. Dadurch, dass der Wellenlängenbereich von 1.000 nm bis 1.100 nm nicht erfasst wird, ist das Verfahren insbesondere für die Justierung eines Ytterbium-Faserlasers mit einer Emissionswellenlänge von 1.060 nm geeignet. Die Erfassung zweier separater Wellenlängenbereiche kann sowohl mit separaten Sensoren als auch mit einem einzigen Sensor erfolgen, beispiels weise indem dem einzigen Sensor ein Filter vorgeordnet wird, das optische Strah- lung mit Wellenlängen im Wellenlängenbereich von 1.000 nm bis 1.100 nm ab- sorbiert. Vorteilhafterweise wird von den mindestens drei optischen Sensoren die Strah- lungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung nach deren Durchtritt durch die Austrittsöffnung erfasst. It has proved to be particularly favorable when, for adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening according to method step b), that of the optical sensors in the wavelength range from 800 nm to 1000 nm and in Wavelength range from 1,100 nm to 1,400 nm recorded radiation intensity values are used. The fact that the wavelength range of 1000 nm to 1100 nm is not detected, the method is particularly suitable for the adjustment of an Ytterbium fiber laser with an emission wavelength of 1060 nm. The detection of two separate wavelength ranges can be carried out both with separate sensors and with a single sensor, for example by arranging a filter which absorbs optical radiation having wavelengths in the wavelength range from 1000 nm to 1100 nm by the single sensor. Advantageously, the irradiation intensity of the radiation emitted by the workpiece is detected by the at least three optical sensors after they have passed through the outlet opening.
Sind die optischen Sensoren vom Werkstück aus gesehen hinter der Austrittsöff nung angeordnet, wird von den optischen Sensoren nur ein Teil der vom Werk- stück emittierten Strahlung erfasst, nämlich der Teil, der in Richtung der Austritts- Öffnung emittiert wird. Dies führt dazu, dass in erster Linie Strahlungsanteile er- fasst werden, die von dem Werkstück in einem gewissen Nahbereich um den Be- arbeitungspunkt des Laserstrahls emittiert werden. Da die Unterschiede in den Strahlungsintensitäten im Nahbereich um den Bearbeitungspunkt des Laser- Strahls besonders stark ausgeprägt sind, trägt die zuvor beschriebene Anordnung der optischen Sensoren dazu bei, dass die Genauigkeit der Positionserfassung verbessert und damit einhergehend die Justiergenauigkeit erhöht wird. Die Aus- trittsöffnung wirkt wie eine Blendenöffnung, so dass der Lichtdurchlass auf die optischen Sensoren verringert wird und nur ein begrenzter Strahlungsanteil der vom Werkstück emittierten Strahlung von den optischen Sensoren erfasst und bei der Justierung des Laserstrahls berücksichtigt werden muss. Dies eröffnet Mög- lichkeiten in zweierlei Hinsicht: Einerseits kann durch eine geeignete Wahl der Austrittsöffnung und deren Größe der von den optischen Sensoren erfassbare Strahlungsanteil der vom Werkstück emittierten Strahlung an die physikalischen Eigenschaften der optischen Sensoren angepasst werden, andererseits wird durch die Begrenzung des Strahlungsanteils durch die Austrittsöffnung auch der Einsatz kostengünstiger Sensoren ermöglicht. If the optical sensors are arranged behind the exit opening, viewed from the workpiece, only a portion of the radiation emitted by the workpiece is detected by the optical sensors, namely the part which is emitted in the direction of the exit opening. As a result, it is primarily radiation portions which are emitted by the workpiece at a certain near range around the processing point of the laser beam that are detected. Since the differences in the radiation intensities in the vicinity of the processing point of the laser beam are particularly pronounced, the above-described arrangement of the optical sensors contributes to the accuracy of the position detection improves and, consequently, the Justiergenauigkeit is increased. The outlet opening acts as an aperture, so that the light transmission is reduced to the optical sensors and only a limited proportion of radiation emitted by the workpiece radiation has to be detected by the optical sensors and taken into account in the adjustment of the laser beam. This opens up possibilities in two respects: On the one hand, by suitable choice of the outlet opening and its size, the radiation fraction detectable by the optical sensors can be adapted to the physical properties of the optical sensors and, on the other hand, the radiation emitted by the workpiece can be adjusted by the limitation of the radiation component through the outlet opening and the use of inexpensive sensors allows.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Vorjustierung des Laserstrahls ein Pilotstrahl verwendet, wobei die vom Werk- stück reflektierte Strahlung des Pilotstrahls von den mindestens drei optischen Sensoren erfasst wird, und die von den optischen Sensoren erfassten Intensi- tätswerte der reflektierten Strahlung zum Voreinstellen der Position des Laser- strahls relativ zur Austrittsöffnung verwendet werden. In an advantageous embodiment of the method according to the invention, a pilot beam is used for pre-adjustment of the laser beam, the radiation of the pilot beam reflected by the workpiece being detected by the at least three optical sensors, and the intensity values of the reflected radiation detected by the optical sensors for presetting the position of the laser beam are used relative to the outlet opening.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur automatisierten Laserstrahl-Justierung be- trifft in erster Linie die In-Prozess-Justierung des Laserstrahls. Allerdings ist es auch beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, wenn vor der Werkstückbearbeitung zunächst eine Vorjustierung des Laserstrahls durchgeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass unmittelbar mit einer Bearbeitung begonnen wer- den kann. Hinsichtlich der Vorjustierung kann entweder auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, wie sie beispielsweise in der DE 11 2010 003 743 B4 beschrieben sind, oder, wenn das zu bearbeitende Werkstück eine reflektierende Oberfläche hat, kann die Vorjustierung alternativ mit einem Pilotstrahl und den bereits vorhandenen mindestens drei optischen Sensoren durchgeführt werden. Unter einer reflektierenden Oberfläche wird eine Oberfläche verstanden, deren Oberflächenrauheit (mittlere Rauheit Ra) geringer ist als Wellenlänge des Pilot- strahls. Der Einsatz des Pilotstrahls zur Vorjustierung hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäß ohnehin vorgesehenen optischen Sensoren auch zur Vorjustie- rung genutzt werden können, sodass ein einfaches und kostengünstig durchzu- führendes Verfahren erhalten wird, das gleichzeitig mit einem geringen apparati- ven Aufwand einhergeht. The inventive method for automated laser beam adjustment relates primarily to the in-process adjustment of the laser beam. However, it is also advantageous when using the method according to the invention if, prior to workpiece machining, a pre-adjustment of the laser beam is first carried out. This has the advantage that processing can begin immediately. With regard to the pre-adjustment can be made either known methods, as described for example in DE 11 2010 003 743 B4, or, if the workpiece to be machined has a reflective surface, the pre-adjustment can alternatively with a pilot beam and the already existing at least three optical sensors are performed. A reflective surface is understood to be a surface whose surface roughness (mean roughness R a ) is less than the wavelength of the pilot beam. The use of the pilot beam for pre-adjustment has the advantage that the optical sensors already provided according to the invention can also be used for pre-adjustment, so that a simple and cost-effective method is obtained which simultaneously involves a low outlay on equipment.
Unter einem Pilotstrahl wird im Sinne der Erfindung ein Laserstrahl mit geringer Energie, vorzugsweise unterhalb von 5 mW, verstanden, der so geführt wird, dass er anstelle des Laserstrahls durch die Austrittsöffnung auf das Werkstück fokus- siert wird. Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Genauigkeit der Vorjustie- rung werden erzielt, wenn der Laserstrahl und Pilotstrahl zumindest teilweise mit- tels derselben Optik auf das Werkstück fokussiert werden. Die Wellenlänge des Pilotstrahls ist so gewählt, dass sie von den bereits vorhandenen mindestens drei optischen Sensoren erfasst werden kann. Vorzugsweise hat der Pilotstrahl eine Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich, insbesondere im Wellenlängenbe- reich von 635 nm bis 750 nm. Da die Energie des Pilotstrahls zu gering ist, um das Werkstück zu bearbeiten, wird der Pilotstrahl am Werkstück reflektiert, wobei die reflektierte Strahlung von den optischen Sensoren erfasst wird. Die von den optischen Sensoren erfassten Intensitätswerte der reflektierten Strahlung werden analog zu den oben zur In-Prozess-Justierung beschriebenen Strahlungsintensi- tätswerten zum Erfassen und Einstellen der Position des Pilotstrahls und damit auch des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung verwendet. For the purposes of the invention, a pilot beam is understood to mean a laser beam with low energy, preferably below 5 mW, which is guided in such a way that it is focused on the workpiece through the outlet opening instead of the laser beam. Particularly good results with regard to the accuracy of the pre-adjustment are achieved if the laser beam and pilot beam are at least partially coincidental. Focused on the workpiece using the same optics. The wavelength of the pilot beam is chosen so that it can be detected by the already existing at least three optical sensors. Preferably, the pilot beam has a wavelength in the visible spectral range, in particular in the wavelength range of 635 nm to 750 nm. Since the energy of the pilot beam is too low to machine the workpiece, the pilot beam is reflected at the workpiece, the reflected radiation from the optical sensors is detected. The intensity values of the reflected radiation detected by the optical sensors are used analogously to the radiation intensity values described above for in-process adjustment for detecting and adjusting the position of the pilot beam and thus also of the laser beam relative to the outlet opening.
Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass der Pilotstrahl parallel zum Strahlen- gang des Laserstrahls durch eine separate Pilotstrahlöffnung geführt wird. In die- sem Fall stimmt allerdings der Punkt, an dem der Pilotstrahl auf das Werkstück trifft, nicht zwangsläufig genau mit dem Punkt überein, an dem der Laserstrahl auf das Werkstück trifft. Um dennoch eine Vorjustierung durchzuführen zu können, müssten daher entweder separate optische Sensoren für den Pilotstrahl oder eine rechnerische Korrektur der mittels des Pilotstrahls ermittelten Ergebnisse vorge- sehen werden. Hinsichtlich der Justier-Einheit wird die oben genannte technische Aufgabe aus- gehend von einer Justier-Einheit der eingangs genannten Gattung erfindungsge- mäß dadurch gelöst, dass die Justier-Einheit mindestens drei optische Sensoren zur Erfassung der während einer Bearbeitung eines Werkstücks vom Werkstück emittierten Strahlung aufweist, wobei die Justier-Einheit derart ausgestaltet ist, dass die von den mindestens drei optischen Sensoren während der Bearbeitung erfassten Strahlungsintensitäten von der Justier-Einheit beim Einstellen der Posi- tion des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung berücksichtigt wird. In addition, it is also conceivable that the pilot beam is guided parallel to the beam path of the laser beam through a separate pilot beam opening. In this case, however, the point at which the pilot beam hits the workpiece does not necessarily coincide exactly with the point at which the laser beam strikes the workpiece. In order nevertheless to be able to perform a pre-adjustment, it would therefore be necessary to provide either separate optical sensors for the pilot beam or a mathematical correction of the results determined by means of the pilot beam. With regard to the adjusting unit, the abovementioned technical problem is solved according to the invention by an adjusting unit of the type mentioned in the introduction in that the adjusting unit has at least three optical sensors for detecting the radiation emitted by the workpiece during machining of a workpiece wherein the adjusting unit is designed such that the radiation intensities detected by the at least three optical sensors during processing are taken into account by the adjusting unit when adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening.
Die erfindungsgemäße Justier-Einheit ist zur In-Prozess-Justierung des Laser- strahls einer Laserbearbeitungsmaschine einsetzbar und weist mindestens drei optische Sensoren auf, mit denen die während eines Laserbearbeitungsprozes- ses vom Werkstück emittierte Strahlung, insbesondere deren Intensität, erfasst werden kann. Wie bereits oben erläutert, erlauben die von den optischen Senso- ren erfassten Strahlungsintensitäten Rückschlüsse einerseits hinsichtlich der ak- tuellen Lage und Position des Laserstrahls relativ zu einer Austrittsöffnung und andererseits hinsichtlich etwaiger Positionsänderungen, um den Laserstrahl opti- mal in Bezug auf die Mitte der Austrittsöffnung zu justieren. Die Erfassung der Strahlungsintensität kann bei ausgewählten, einzelnen Wellenlängen, aber auch über einen Wellenlängenbereich erfolgen. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die mindestens drei optischen Sensoren zur Erfassung Strahlungsintensität in demselben Wellenlängenbereich oder bei derselben Wellenlänge ausgelegt sind. Vorzugsweise weisen die mindestens drei optischen Sensoren dieselbe Bauart auf. The adjusting unit according to the invention can be used for in-process adjustment of the laser beam of a laser processing machine and has at least three optical sensors, with which the sensors can be adjusted during a laser processing process. This radiation emitted by the workpiece, in particular its intensity, can be detected. As already explained above, the radiation intensities detected by the optical sensors permit conclusions, on the one hand, with regard to the current position and position of the laser beam relative to an outlet opening and, on the other hand, with regard to possible changes in position in order to optimally position the laser beam with respect to the center of the outlet opening to adjust. The detection of the radiation intensity can take place at selected, individual wavelengths, but also over a wavelength range. It has proved to be advantageous if the at least three optical sensors are designed to detect radiation intensity in the same wavelength range or at the same wavelength. The at least three optical sensors preferably have the same design.
Weiterhin ist die Justier-Einheit so ausgestaltet, dass sie die von den mindestens drei optischen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte bei der Justierung eines Laserstrahls berücksichtigt. Hierzu weist die Justier-Einheit vorzugsweise eine Auswerte-Einheit mit einem Rechner auf, an der die von den optischen Sen- soren ermittelten Strahlungsintensitäten als Eingangssignal anliegen und die dar- aus ein Ausgangssignal errechnet und ausgibt, anhand dessen die die Einstel- lung der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung erfolgen kann. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Auswerte-Einheit derart ausgelegt ist, dass anhand der von den Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte zu- nächst die aktuelle Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung und de- ren Mitte ermittelt werden kann. Bei Vorgabe von Ober- und Untergrenzen für die Position des Laserstrahls kann so mittels der optischen Sensoren zunächst der Bearbeitungsprozess überwacht werden. Werden die Ober- und/oder Untergren- zen über- bzw. unterschritten, können von der Auswerte-Einheit notwendige Posi- tionsänderungen errechnet werden, um die Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung zu justieren. Furthermore, the adjusting unit is designed such that it takes into account the radiation intensity values detected by the at least three optical sensors when adjusting a laser beam. For this purpose, the adjusting unit preferably has an evaluation unit with a computer, at which the radiation intensities determined by the optical sensors are present as an input signal and which calculates and outputs an output signal on the basis of which the setting of the position the laser beam can be made relative to the outlet opening. It has proved favorable if the evaluation unit is designed in such a way that, based on the radiation intensity values detected by the sensors, the current position of the laser beam relative to the outlet opening and its center can first be determined. Given the specification of upper and lower limits for the position of the laser beam, the processing process can first be monitored by means of the optical sensors. If the upper and / or lower limits are exceeded or fallen below, necessary position changes can be calculated by the evaluation unit in order to adjust the position of the laser beam relative to the outlet opening.
Die optischen Sensoren sind in der Justier-Einheit vorzugsweise derart angeord- net, dass die Justier-Einheit in eine Laserbearbeitungsmaschine einbaubar ist, und zwar so, dass die optischen Sensoren äquidistant zur Mittenachse der Aus- trittsöffnung angeordnet sind. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Senso- ren in der Justier-Einheit beliebig angeordnet sind, wenn die Justier-Einheit so ausgestaltet ist, dass die tatsächliche Position der Sensoren zu dem zu justieren- den Laserstrahl ermittelbar und von der Justier-Einheit bei der Auswertung der von ihnen erfassten Strahlungsintensitäten berücksichtigbar ist, beispielsweise durch eine rechnerische Korrektur mittels der Auswerte-Einheit. The optical sensors are preferably arranged in the adjusting unit such that the adjusting unit can be installed in a laser processing machine, in such a way that the optical sensors are arranged equidistant from the center axis of the outlet opening. Alternatively, however, it is also possible for the sensors in the adjusting unit to be arranged as desired when the adjusting unit is designed such that the actual position of the sensors relative to the laser beam to be adjusted can be determined and determined by the adjusting unit can be considered in the evaluation of the radiation intensities detected by them, for example, by a computational correction by means of the evaluation unit.
Die Genauigkeit beziehungsweise die Auflösung der Positionsbestimmung des Laserstrahls und der nachfolgenden Justierung kann erhöht werden, wenn eine größere Anzahl optischer Sensoren vorgesehen wird. Sind mindestens drei opti- sche Sensoren vorgesehen, ist eine Justierung in zwei Raumrichtungen und da- mit in der Austrittsebene möglich. Die Genauigkeit beziehungsweise Auflösung der Positionsbestimmung und Justierung kann weiter erhöht werden, indem vier oder mehr Sensoren vorgesehen werden. Alternativ ist es auch möglich, die Ge- nauigkeit beziehungsweise Auflösung zu erhöhen, indem Gruppen optischer Sen- soren unterschiedlicher Bauart eingesetzt werden. Hierbei hat es sich insbeson- dere als günstig erwiesen, wenn die Justier-Einheit zur Erfassung der vom Werk- stück emittierten Strahlung eine erste Sensorgruppe mit mindestens drei opti- schen Sensoren einer ersten Bauart und eine zweite Sensorgruppe mit mindes- tens drei optischen Sensoren einer zweiten Bauart aufweist, wobei die Justier- Einheit derart ausgestaltet ist, dass sie die von der ersten Sensorgruppe erfass- ten Strahlungsintensitätswerte und/oder die von der zweiten Sensorgruppe er- fassten Strahlungsintensitätswerte zum Einstellen der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung berücksichtigt. Die Berücksichtigung der Strahlungsin- tensitätswerte von zwei Sensorgruppen trägt zu einer hohen Justiergenauigkeit bei. Die optischen Sensoren der ersten und zweiten Sensorgruppe unterscheiden sich in ihrer Bauart beispielsweise dann, wenn sie zur Erfassung unterschiedli- cher Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche der vom Werkstück emittierten Strahlung ausgelegt sind. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die mindestens drei optischen Sensoren zur Erfassung von optischer Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts und/oder nahinfraroter Strahlung ausgelegt sind. The accuracy or the resolution of the position determination of the laser beam and the subsequent adjustment can be increased if a larger number of optical sensors is provided. If at least three optical sensors are provided, an adjustment in two spatial directions and thus in the exit plane is possible. The accuracy or resolution of the position determination and adjustment can be further increased by four or more sensors are provided. Alternatively, it is also possible to increase the accuracy or resolution by using groups of optical sensors of different types. In this case, it has proved particularly advantageous for the adjustment unit for detecting the radiation emitted by the workpiece to have a first sensor group with at least three optical sensors of a first type and a second sensor group with at least three optical sensors second construction, wherein the adjusting unit is configured such that it takes into account the radiation intensity values detected by the first sensor group and / or the radiation intensity values detected by the second sensor group for adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening. The consideration of the radiation intensity values of two sensor groups contributes to a high adjustment accuracy. The optical sensors of the first and second sensor groups differ in their design, for example, when they are designed to detect different wavelengths or wavelength ranges of the radiation emitted by the workpiece. It has proved to be advantageous if the at least three optical sensors are designed to detect optical radiation in the wavelength range of visible light and / or near-infrared radiation.
Es hat sich gezeigt, dass eine gute Justiergenauigkeit erreicht werden kann, wenn die optischen Sensoren zur Erfassung von optischer Strahlung im Wellen- längenbereich des sichtbaren und nahinfraroten Lichts ausgelegt sind. Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts oder solche mit Wellenlängen im Nahinfrarot-Bereich wird von vielen Werkstück-Materialien während ihrer Bearbei- tung mit einem Laserstrahl emittiert. Darüber hinaus ist Strahlung in diesem Wel- lenlängenbereich einfach von der Laserstrahl-Emission vieler häufig verwendeter Laserstrahlquellen unterscheidbar. Vorzugsweise sind die mindestens drei opti- schen Sensoren jeweils in einem Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm sensitiv. It has been shown that a good adjustment accuracy can be achieved if the optical sensors are designed to detect optical radiation in the wavelength range of the visible and near-infrared light. Radiation in the wavelength range of visible light or those with wavelengths in the near-infrared range is emitted by many workpiece materials during their processing with a laser beam. Moreover, radiation in this wavelength range is easily distinguishable from the laser beam emission of many commonly used laser beam sources. Preferably, the at least three optical sensors are each sensitive in a wavelength range from 800 nm to 1,400 nm.
Vorteilhafterweise sind mindestens fünf optische Sensoren zur Erfassung der während einer Bearbeitung eines Werkstücks vom Werkstück emittierten Strah- lung vorgesehen. Advantageously, at least five optical sensors are provided for detecting the radiation emitted by the workpiece during machining of a workpiece.
Sind mehrere optische Sensoren zur Erfassung der vom Werkstück emittierten Strahlung vorgesehen, so unterscheiden sich die Sensoren in ihrer Lage bezogen auf die Vorschubrichtung. Sind beispielsweise vier optische Sensoren jeweils um 90° versetzt zueinander um die Mittelachse der Austrittsöffnung angeordnet, so kann grundsätzlich zwischen einem dem Bearbeitungsprozess in Vorschubrich- tung vorangeführten optischen Sensor, zwei seitlich angeordneten optischen Sensoren und einem dem Bearbeitungsprozess nachgeführten optischen Sensor unterschieden werden. Es hat sich nun gezeigt, dass bei Vorschubgeschwindig- keiten von mehr als 800 mm/min insbesondere ein der Vorschubrichtung nachge- führter Sensor ein - wenn auch meist geringfügig - höheres Signal erfasst als ein in Vorschubrichtung gesehen vorangeführter Sensor oder die beiden seitlich an- geordneten Sensoren. Ein vom nachgeführten optischen Sensor erfasster, zu ho- her Strahlungsintensitätswert kann allerdings zu einer Fehljustierung des Laser- Strahls bezogen auf die Austrittsöffnung beitragen. Sind mindestens fünf optische Sensoren vorgesehen, kann bei Vorschubgeschwindigkeiten von mehr als 800 mm/min bei der Auswertung das Signal des in Vorschubrichtung gesehen nachge- führten optischen Sensors unberücksichtigt bleiben, ohne dass hierdurch eine Beeinträchtigung der Justiergenauigkeit Kauf genommen werden muss, da zur Justierung weiterhin vier Sensoren zur Verfügung stehen. If a plurality of optical sensors are provided for detecting the radiation emitted by the workpiece, then the sensors differ in their position relative to the feed direction. If, for example, four optical sensors are arranged offset by 90 ° relative to one another around the central axis of the outlet opening, a distinction can be made between an optical sensor which precedes the machining process in the feed direction, two laterally arranged optical sensors and an optical sensor tracking the machining process. It has now been shown that at feed speeds of more than 800 mm / min, in particular, a sensor tracking the feed direction detects a signal, albeit usually slightly higher, than a sensor preceded in the feed direction or the two laterally arranged sensors sensors. However, too high a radiation intensity value detected by the tracking optical sensor can contribute to a misalignment of the laser beam relative to the outlet opening. Are at least five optical Provided sensors at feed speeds of more than 800 mm / min in the evaluation, the signal of the tracked in the feed direction led optical sensor can be disregarded without this an impairment of the alignment accuracy purchase must be taken because four sensors are still available for adjustment stand.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Justier-Einheit ist im Strahlengang vor den mindestens drei optischen Sensoren ein optisches Filter angeordnet, das die Wellenlänge des Laserstrahls herausfiltert. In a preferred embodiment of the adjusting unit according to the invention, an optical filter is arranged in the beam path in front of the at least three optical sensors, which filters out the wavelength of the laser beam.
Ein optisches Filter, das auf einfallende optische Strahlung nach der Wellenlänge selektiert, in dem es die Wellenlänge des Bearbeitungs-Laserstrahls herausfiltert, trägt dazu bei, dass Strahlungsanteile, die bei der Justierung des Laserstrahls nicht benötigt werden und sogar stören können, möglichst effektiv eliminiert wer- den. Dies trägt zur Erzielung einer hohen Justiergenauigkeit bei. An optical filter, which selects incident optical radiation by the wavelength in which it filters out the wavelength of the machining laser beam, contributes to the fact that radiation components, which are not needed in the adjustment of the laser beam and can even disturb, eliminated as effectively as possible - the. This contributes to achieving a high adjustment accuracy.
In diesem Zusammenhang hat es sich als günstig erwiesen, wenn die optischen Sensoren im Strahlengang nach einem teildurchlässigen Spiegel angeordnet sind, auf den das optische Filter aufgebracht ist. In this context, it has proved to be advantageous if the optical sensors are arranged in the beam path after a partially transmissive mirror on which the optical filter is applied.
Ein teildurchlässiger Spiegel ist ein Spiegel, der für einen Teil der auf ihn einfal lenden optischen Strahlung durchlässig ist und der den anderen Teil reflektiert. Der Einsatz eines teildurchlässigen Spiegels hat Vorteile insbesondere dann, wenn der optische Sensor dem teildurchlässigen Spiegel nachgeordnet ist, so dass der Anteil der auf den optischen Sensor auftreffenden Strahlung reduziert wird. Ist der optische Sensor hinter einem teildurchlässigen Spiegel angebracht, kann das optische Filter einfach auf den teildurchlässigen Spiegel aufgebracht werden. Ein teildurchlässiger Spiegel mit einer darauf aufgebrachten Beschich- tung ist einfach und kostengünstig zu fertigen. Darüber hinaus benötigt ein be- schichteter teildurchlässiger Spiegel nur einen geringen Bauraum und trägt so zu einer kompakten Justier-Einheit bei. Dabei hat es sich bewährt, wenn die optischen Sensoren Photodioden oder CCD- Chips sind, und wenn auf die Photodioden beziehungsweise die CCD-Chips je- weils ein optisches Filter als Beschichtung aufgebracht ist. A partially transmissive mirror is a mirror which is permeable to some of the optical radiation incident on it and which reflects the other part. The use of a semitransparent mirror has advantages in particular when the optical sensor is arranged downstream of the partially transmissive mirror, so that the proportion of the radiation impinging on the optical sensor is reduced. If the optical sensor is mounted behind a semitransparent mirror, the optical filter can be easily applied to the partially transmissive mirror. A partially transparent mirror with a coating applied thereon is easy and inexpensive to manufacture. In addition, a coated semitransparent mirror requires only a small space and thus contributes to a compact adjustment unit. It has proven useful if the optical sensors are photodiodes or CCD chips, and if an optical filter is applied as a coating to the photodiodes or the CCD chips.
Das optische Filter kann unmittelbar auf die optischen Sensoren aufgebracht werden, beispielsweise auf eine Photodiode oder einen CCD-Chip. Eine be- schichtete Phototodiode oder ein beschichteter CCD-Chip sind einfach und kos- tengünstig zu fertigen; sie benötigen darüber hinaus kaum mehr Bauraum als ihre unbeschichtete Ausführungsform. The optical filter can be applied directly to the optical sensors, for example to a photodiode or a CCD chip. A coated photodiode or a coated CCD chip can be manufactured easily and inexpensively; they also require little more space than their uncoated embodiment.
Hinsichtlich der Laserbearbeitungsmaschine wird die oben genannte technische Aufgabe ausgehend von einer Laserbearbeitungsmaschine der eingangs genann- ten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Justier-Einheit - wie sie zuvor beschrieben ist - zur automatisierten Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung vorgesehen ist. With regard to the laser processing machine, the abovementioned technical object is achieved on the basis of a laser processing machine of the type mentioned at the outset by providing an adjusting unit-as described above-for automated adjustment of the laser beam relative to the outlet opening.
Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine ist zur In-Prozess-Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung ausgelegt. Sie ist insbesondere zum Schneiden und Markieren von Werkstücken aus Metall einsetzbar. Die Laserbe- arbeitungsmaschine weist eine Justier-Einheit auf, die während einer Bearbeitung die Intensität der vom Werkstück emittierten Strahlung erfasst. Anhand der er- fassten Strahlungsintensitäten ist eine Bestimmung der aktuellen Lage und Posi- tion des Laserstrahls sowie von Positionsänderungen möglich, die vorgenommen werden müssen, um den Laserstrahl optimal in Bezug auf die Mitte der Austritts- Öffnung zu justieren. Bezüglich der Justier-Einheit und deren Ausgestaltung wird auf die obigen Ausführungen verwiesen. The laser processing machine according to the invention is designed for in-process adjustment of the laser beam relative to the outlet opening. It can be used in particular for cutting and marking workpieces made of metal. The laser processing machine has an adjustment unit, which detects the intensity of the radiation emitted by the workpiece during processing. Based on the detected radiation intensities, it is possible to determine the current position and position of the laser beam as well as position changes that have to be made in order to optimally adjust the laser beam with respect to the center of the outlet opening. With regard to the adjusting unit and its configuration, reference is made to the above statements.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Austrittsöffnung eine Öffnungsweite und der Laserstrahl in der Ebene der Austrittsöffnung gesehen einen maximalen Laserstrahl-Durchmesser aufweist, und wenn das Verhältnis des maximalen La- serstrahl-Durchmessers zur Öffnungsweite weniger als 0,7 beträgt, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 und 0,25 liegt. Das Verhältnis des Laserstrahl-Durchmessers zur Öffnungsweite der Austrittsöff nung hat Einfluss auf die Justiergenauigkeit. Dabei gilt: Je größer die Öffnungs- weite, umso mehr Strahlung kann durch die Austrittsöffnung gelangen und nach- folgend erfasst werden, das heißt umso größer sind die erfassten Strahlungsin- tensitätswerte. Da der Laserstrahl in der Austrittsebene in Abhängigkeit von der Fokuslage unterschiedliche Durchmesser aufweisen kann, wird nachfolgend auf den Durchmesser abgestellt, den der Laserstrahl in der Austrittsebene maximal einnehmen kann. Dieser Durchmesser wird hier als maximaler Laserstrahl- Durchmesser bezeichnet. Bei einem Verhältnis des maximalen Laserstrahl- Durchmessers zur Öffnungsweite von weniger als 0,7 stehen mindestens 50 % der Fläche der Austrittsebene für die Erfassung der vom Werkstück emittierten Strahlung zur Verfügung. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis des maximalen Laserstrahl-Durchmessers zur Öffnungsweite weniger als 0,5. Beträgt das Ver- hältnis des maximalen Laserstrahl-Durchmessers zur Öffnungsweite weniger als 0,5, stehen mehr als 75% der Fläche der Austrittsebene für die Erfassung der vom Werkstück emittierten Strahlung zur Verfügung. Das erfasste Signal ist ein intensives Strahlungsintensitätssignal, das zu einer möglichst genauen Justierung beiträgt. Beträgt das Verhältnis des maximalen Laserstrahl-Durchmessers zur Öffnungsweite weniger als 0,25, stehen mehr als 93% der Fläche der Austritts- ebene für die Erfassung der vom Werkstück emittierten Strahlung zur Verfügung. Eine weitere Verringerung des Verhältnisses von maximalem Laserstrahl- Durchmesser zur Öffnungsweite vermag daher kaum noch zu einer Verbesserung der Justiergenauigkeit beizutragen. It has proved to be advantageous if the outlet opening has an opening width and the laser beam in the plane of the outlet opening has a maximum laser beam diameter, and if the ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width is less than 0.7, preferably Range is between 0.5 and 0.25. The ratio of the laser beam diameter to the opening width of the Austrittsöff opening has influence on the alignment accuracy. The following applies: the larger the opening width, the more radiation can pass through the outlet opening and be subsequently detected, that is to say the greater are the detected radiation intensity values. Since the laser beam can have different diameters in the exit plane as a function of the focal position, the diameter which the laser beam can take up to a maximum in the exit plane is subsequently turned off. This diameter is referred to herein as the maximum laser beam diameter. At a ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width of less than 0.7, at least 50% of the area of the exit plane is available for detecting the radiation emitted by the workpiece. Preferably, the ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width is less than 0.5. If the ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width is less than 0.5, more than 75% of the surface of the exit plane is available for detecting the radiation emitted by the workpiece. The detected signal is an intense radiation intensity signal, which contributes to the most accurate possible adjustment. If the ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width is less than 0.25, more than 93% of the surface of the exit plane is available for detecting the radiation emitted by the workpiece. A further reduction of the ratio of maximum laser beam diameter to the opening width therefore hardly contributes to an improvement in the alignment accuracy.
Ausführunqsbeispiel Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeich- nungen näher beschrieben. Dabei zeigt in schematischer Darstellung: EXEMPLARY EMBODIMENT The invention will be described in more detail below on the basis of exemplary embodiments and drawings. It shows in a schematic representation:
Figur 1 eine Ausführungsform eines über einer Werkstückoberfläche positi onierten Laserbearbeitungskopfs einer erfindungsgemäßen Laser- schneidmaschine mit einer Justier-Einheit im Längsschnitt, Figur 2 eine über einer Werkstückoberfläche positionierte Schneiddüse ei- ner erfindungsgemäßen Laserschneidmaschine, sowie den Strah- lengang der Laserstrahlung und der von dem Werkstück emittierten Strahlung, wenn der Laserstrahl relativ zur Austrittsöffnung nicht- zentriert verläuft, FIG. 1 shows an embodiment of a laser processing head of a laser cutting machine according to the invention, positioned above a workpiece surface, with an alignment unit in longitudinal section, FIG. 2 shows a cutting nozzle of a laser cutting machine according to the invention, positioned above a workpiece surface, and the radiation path of the laser radiation and the radiation emitted by the workpiece, when the laser beam is non-centered relative to the outlet opening;
Figur 3 die über der Werkstückoberfläche positionierte Schneiddüse gemäß FIG. 3 shows the cutting nozzle positioned above the workpiece surface according to FIG
Figur 2 und den Strahlengang der Laserstrahlung und der von dem Werkstück emittierten Strahlung bei einem relativ zur Austrittsöff- nung zentrierten Laserstrahl, Figur 4 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Justier- Einheit mit zwölf Sensoren, und  FIG. 2 and the beam path of the laser radiation and the radiation emitted by the workpiece at a laser beam centered relative to the outlet opening, FIG. 4 shows a first embodiment of an adjustment unit according to the invention with twelve sensors, and
Figur 5 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Justier- Einheit mit fünf Sensoren. Figure 5 shows a second embodiment of an adjusting unit according to the invention with five sensors.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Laser- schneidmaschine, der insgesamt die Bezugsziffer 100 zugeordnet ist. Die Laser- schneidmaschine 100 ist zum Schneiden eines metallischen Werkstücks 108 mit einer Dicke bis 25 mm geeignet und umfasst eine Laserstrahlquelle 111 zur Er- zeugung eines Laserstrahls 101 , einen Laserbearbeitungskopf 110 mit einem Prozessgaseinlass 105 und einer Fokussier-Optik 104 zum Fokussieren des La- serstrahls 101 in Richtung der Schneiddüsen-Austrittsöffnung 106 beziehungs- weise in Richtung des Werkstücks 108, sowie eine Justier-Einheit 112, die eine automatisierte Justierung des Laserstrahls 101 relativ zur Austrittsöffnung 106 ermöglicht. FIG. 1 shows, in a schematic representation, an embodiment of a laser cutting machine to which the reference numeral 100 as a whole is assigned. The laser cutting machine 100 is suitable for cutting a metallic workpiece 108 with a thickness of up to 25 mm and comprises a laser beam source 111 for generating a laser beam 101, a laser processing head 110 with a process gas inlet 105 and a focusing optics 104 for focusing the laser beam. serstrahls 101 in the direction of the cutting nozzle outlet opening 106 or in the direction of the workpiece 108, and an adjusting unit 112, which allows an automated adjustment of the laser beam 101 relative to the outlet opening 106.
Die Laserstrahlquelle 111 ist ein CO2-Laser; die Wellenlänge des von der Laser- strahlquelle 111 erzeugten Laserstrahls 101 beträgt 10,6 pm. Zur Umlenkung des Laserstrahls 101 in Richtung des Werkstücks 108 ist ein Spiegel 102 vorgesehen Der Laserstrahl 101 wird schließlich von der Fokussier-Einheit 104 so fokussiert, dass der Durchmesser des Laserstrahls 101 in der Ebene der Austrittsöffnung 106 gesehen maximal 2 mm beträgt. Die Austrittsöffnung 106 hat eine Öffnungs- weite von 3 mm. Das Verhältnis des maximalen Durchmessers des Laserstrahls 101 in der Ebene der Austrittsöffnung 106 zur Öffnungsweite beträgt 0,67 Justier- Einheit 112 umfasst drei optische Sensoren 103a, 103b in Form von Photodioden, die zur Erfassung von Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.250 nm ausgelegt sind (In Figur 1 ist einer der drei optischen Sensoren nicht dargestellt). Auf die beiden optischen Sensoren 103a, 103b ist eine als Filter wir kende Beschichtung aufgebracht (nicht dargestellt), die Strahlung im Wellenlän- genbereich des von der Laserstrahlquelle 111 erzeugten Laserstrahls 101 absor- biert, für Strahlung im oben genannten Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.250 nm aber durchlässig ist. Die optischen Sensoren 103a, 103b sind zur Er- fassung von Strahlungsintensitäten ausgelegt. The laser beam source 111 is a CO2 laser; the wavelength of the laser beam 101 generated by the laser beam source 111 is 10.6 μm. For deflecting the laser beam 101 in the direction of the workpiece 108, a mirror 102 is provided. The laser beam 101 is finally focused by the focusing unit 104 so that the diameter of the laser beam 101 seen in the plane of the outlet opening 106 is a maximum of 2 mm. The outlet opening 106 has an opening wide of 3 mm. The ratio of the maximum diameter of the laser beam 101 in the plane of the exit opening 106 to the opening width is 0.67 adjustment unit 112 comprises three optical sensors 103a, 103b in the form of photodiodes designed to detect infrared radiation in the wavelength range of 800 nm to 1250 nm (In Figure 1, one of the three optical sensors is not shown). Applied to the two optical sensors 103a, 103b is a coating (not shown) which acts as a filter, which absorbs radiation in the wavelength range of the laser beam 101 generated by the laser beam source 111, for radiation in the abovementioned wavelength range from 800 nm to 1250 but permeable. The optical sensors 103a, 103b are designed to detect radiation intensities.
Bei der Bearbeitung des Werkstücks 108 mit dem Laserstrahl 101 kommt es lokal zu einem Energieeintrag in das Werkstück 108, wodurch das Werkstück 108 selbst Strahlung 107 emittiert. Das Spektrum der vom Werkstück 108 emittierten Strahlung 107 hängt in erster Linie davon ab, aus welchem Material das Werk- stück 108 gefertigt ist. Werkstücke aus Metall emittieren in der Regel Strahlung im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm. Die beiden optischen Senso- ren 103a, 103b sind parallel zum Strahlengang des Laserstrahls 101 und äqui distant zu einer durch die Mitte der Austrittsöffnung 106 verlaufenden Mittenachse derart angeordnet, dass sie die bei einer Bearbeitung vom Werkstück 108 emit- tierte Strahlung 107 erfassen, sofern diese durch die Austrittsöffnung 106 der Schneiddüse hindurchtritt. An der Auswerte-Einheit 113 der Justier-Einheit 112 liegen die von den optischen Sensoren 103a, 103b erfassten Strahlungsintensitä- ten als Eingangssignal an. Die Auswerte-Einheit 113 weist eine Rechen-Einheit (nicht dargestellt) auf, die aus den Eingangssignalen die Lage des LaserstrahlsDuring the processing of the workpiece 108 with the laser beam 101, an energy input into the workpiece 108 occurs locally, as a result of which the workpiece 108 itself emits radiation 107. The spectrum of the radiation 107 emitted by the workpiece 108 depends primarily on the material from which the workpiece 108 is manufactured. Workpieces made of metal as a rule emit radiation in the wavelength range from 800 nm to 1,400 nm. The two optical sensors 103a, 103b are arranged parallel to the beam path of the laser beam 101 and equidistant from a center axis extending through the center of the outlet opening 106 such that they detect the radiation 107 emitted by the workpiece 108 during processing, provided that it passes through the exit opening 106 of the cutting nozzle. At the evaluation unit 113 of the adjusting unit 112, the radiation intensities detected by the optical sensors 103a, 103b are present as an input signal. The evaluation unit 113 has a computing unit (not shown) which uses the input signals to determine the position of the laser beam
101 relativ zur Austrittsöffnung 106 berechnet. Darüber hinaus errechnet die Re- chen-Einheit aus den Eingangssignalen, wie die Position des Laserstrahls 101 verändert werden muss, so dass der Laserstrahl 101 durch die Mitte der Aus- gangsöffnung verläuft. Basierend hierauf gibt die Auswerte-Einheit 112 ein Aus- gangssignal an einen Aktor (nicht dargestellt) aus, der die errechneten Positions- änderungen umsetzt. Bei einer alternativen Ausführungsform der Laserschneidmaschine 100 (nicht dargestellt) ist der Spiegel 102 ein teildurchlässiger Spiegel, auf den eine Filter- schicht aufgebracht ist, die die Wellenlänge des Laserstrahls 101 absorbiert. Darüber hinaus sind drei optische Sensoren in Form von CCD-Chips vorgesehen, die im Strahlengang der vom Werkstück emittierten Strahlung folgend nach dem teildurchlässigen Spiegel in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung des Laser- strahls 101 angeordnet sind. Alternativ ist es natürlich auch möglich, anstelle des mit der Filterschicht versehenen teildurchlässigen Spiegels einen unbeschichte- ten teildurchlässigen Spiegel einzusetzen und die Filterschicht dafür auf die CCD- Chips aufzubringen (ebenfalls nicht dargestellt). 101 calculated relative to the outlet opening 106. In addition, the computing unit calculates from the input signals how the position of the laser beam 101 needs to be changed so that the laser beam 101 passes through the center of the output port. Based on this, the evaluation unit 112 outputs an output signal to an actuator (not shown), which converts the calculated position changes. In an alternative embodiment of the laser cutting machine 100 (not shown), the mirror 102 is a partially transmissive mirror onto which a filter layer is applied, which absorbs the wavelength of the laser beam 101. In addition, three optical sensors in the form of CCD chips are provided, which are arranged in the beam path of the radiation emitted by the workpiece following the partially transmissive mirror in a plane perpendicular to the beam direction of the laser beam 101. Alternatively, it is of course also possible to use an uncoated, partially transparent mirror instead of the partially transmissive mirror provided with the filter layer and to apply the filter layer therefor to the CCD chips (likewise not shown).
Nachfolgend wird anhand von Figur 1 das erfindungsgemäße Verfahren zur au- tomatisierten Justierung eines Laserstrahls 101 einer Laserbearbeitungsmaschine 100 relativ zu einer Austrittsöffnung 106 für den Laserstrahl 101 näher erläutert: The method according to the invention for the automated adjustment of a laser beam 101 of a laser processing machine 100 relative to an outlet opening 106 for the laser beam 101 will be explained in greater detail below with reference to FIG.
Vor dem Start einer Bearbeitung des Werkstücks 108 wird zunächst eine Vorjus- tierung durchgeführt. Hierbei wird anstelle des Laserstrahls 101 ein Pilotstrahl mit einer Wellenlänge von 730 nm und einer Leistung von 4,5 mW erzeugt und mit- tels der Fokussier-Einheit 104 durch die Austrittsöffnung 106 auf das Werkstück 108 fokussiert. Die Energie der Laserstrahlung des Pilotstrahls ist so gering, dass das Werkstück 108 mit dem Pilotstrahl nicht bearbeitet werden kann. Folglich ent- steht auch keine vom Werkstück 108 selbst emittierte Strahlung. Allerdings wird der Pilotstrahl an der Werkstück-Oberfläche reflektiert, sodass die reflektierte Pi- lotstrahl-Strahlung von den beiden optischen Sensoren 103a, 103b erfasst wird. Da in Figur 1 die optischen Sensoren 103a, 103b äquidistant zur Mittenachse der Austrittsöffnung 106 angeordnet sind, ist die gewünschte Vorjustierung erreicht, wenn die von den beiden optischen Sensoren 103a, 103b erfassten Intensitäts- werte der reflektierten Strahlung Strahlungsintensitätswerte um maximal 0,5% voneinander abweichen. Before starting a machining of the workpiece 108, a pre-adjustment is carried out first. Here, instead of the laser beam 101, a pilot beam with a wavelength of 730 nm and a power of 4.5 mW is generated and focused by means of the focusing unit 104 through the outlet opening 106 onto the workpiece 108. The energy of the laser radiation of the pilot beam is so small that the workpiece 108 can not be processed with the pilot beam. Consequently, no radiation emitted by the workpiece 108 itself also arises. However, the pilot beam is reflected at the workpiece surface, so that the reflected pilot beam radiation is detected by the two optical sensors 103a, 103b. Since the optical sensors 103a, 103b are arranged equidistantly to the center axis of the outlet opening 106 in FIG. 1, the desired pre-adjustment is achieved when the intensity values of the reflected radiation detected by the two optical sensors 103a, 103b are no more than 0.5% radiation intensity values differ.
Bei der Bearbeitung wird zunächst mittels der Laserstrahlquelle 11 1 ein Laser- strahl 101 erzeugt. Der Laserstrahl 101 wird über einen Spiegel 102 in Richtung des Werkstücks 108 umgelenkt. Mittels der Fokussier-Einheit 104 wird der Laser- strahl 101 auf das Werkstück 108 fokussiert, und zwar derart, dass der Laser- strahl 101 zunächst durch die Austrittsöffnung 106 der Schneiddüse hindurchtritt, bevor er auf das Werkstück 108 auftrifft. Durch die Bearbeitung des Werkstücks 108 mit dem Laserstrahl 101 emittiert das Werkstück 108 ungerichtet Strahlung 107 mit Wellenlängen in einem weiten Wellenlängenbereich, insbesondere im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm. Die von dem Werkstück 108 emittierte Strahlung 107 wird schließlich mit den drei optischen Sensoren 103a,During the processing, a laser beam 101 is initially generated by means of the laser beam source 11 1. The laser beam 101 is deflected by a mirror 102 in the direction of the workpiece 108. By means of the focusing unit 104, the laser beam 101 focused on the workpiece 108, in such a way that the laser beam 101 first passes through the exit opening 106 of the cutting nozzle before it hits the workpiece 108. By machining the workpiece 108 with the laser beam 101, the workpiece 108 undirectedly emits radiation 107 having wavelengths in a wide wavelength range, in particular in the wavelength range of 800 nm to 1400 nm. The radiation 107 emitted by the workpiece 108 finally becomes with the three optical sensors 103a .
103b erfasst. Die optischen Sensoren 103a, 103b sind Photodioden, die für die Erfassung von Strahlungsintensitäten bei einer Meßwellenlänge von 1.200 nm ausgelegt sind. Dabei werden von den optischen Sensoren 103a, 103b in Abhän- gigkeit von der Zeit Strahlungsintensitätswerte erfasst, die nachfolgend zum Ein- stellen der Position des Laserstrahls 101 relativ zur Austrittsöffnung 106 verwen- det werden. Insbesondere kann aus den erfassten Strahlungsintensitätswerten die aktuelle Position des Laserstrahls 101 relativ zur Mitte der Austrittsöffnung 106 ermittelt werden. Darüber hinaus kann anhand der erfassten Strahlungsinten- sitätswerte berechnet werden, wie die Position des Laserstrahls 101 relativ zur Austrittsöffnung 106 zu verändern ist, um den Laserstrahl 101 mittig zur Austritts- Öffnung 106 zu justieren. Schließlich erfolgt das Einstellen der Position des La- serstrahls 101 relativ zur Austrittsöffnung 106 mittels eines geeigneten Aktors. Die Einstellung/Justierung der Position des Laserstrahls 101 relativ zur Austrittsöff- nung 106 erfolgt in einem iterativen Verfahren. Da in Figur 1 die optischen Senso- ren 103a, 103b äquidistant zur Mittenachse der Austrittsöffnung 106 angeordnet sind, ist die gewünschte Justierung des Laserstrahls 101 relativ zur Austrittsöff- nung 106 erreicht, wenn die von den drei optischen Sensoren 103a, 103b erfass- ten Strahlungsintensitätswerte um maximal 0,5% voneinander abweichen. Bei einem alternativen Verfahren ist es auch möglich, die von den optischen Senso- ren 103a, 103b erfassten Strahlungsintensitätswerte auf den Mittelwert der von allen optischen Sensoren 103a, 103b erfassten Strahlungsintensitätswerte zu be- ziehen. Hierbei ist vorzugsweise der arithmetische Mittelwert zugrunde zu legen. Die gewünschte Justierung ist erreicht, wenn keiner der von den optischen Sen- soren erfassten Strahlungsintensitätswerte um mehr als 0,3 % (prozentualer Tole- ranzwert) vom arithmetischen Mittelwert der von den optischen Sensoren erfass- ten Strahlungsintensitätswerte abweicht. 103b recorded. The optical sensors 103a, 103b are photodiodes designed to detect radiation intensities at a measurement wavelength of 1200 nm. As a function of time, radiation intensity values which are subsequently used for adjusting the position of the laser beam 101 relative to the outlet opening 106 are detected by the optical sensors 103a, 103b. In particular, the current position of the laser beam 101 relative to the center of the outlet opening 106 can be determined from the detected radiation intensity values. In addition, it can be calculated on the basis of the detected radiation intensity values as to how the position of the laser beam 101 relative to the outlet opening 106 is to be changed in order to adjust the laser beam 101 centrally to the outlet opening 106. Finally, the position of the laser beam 101 relative to the outlet opening 106 is adjusted by means of a suitable actuator. The adjustment / adjustment of the position of the laser beam 101 relative to the exit opening 106 takes place in an iterative method. Since the optical sensors 103a, 103b are arranged equidistantly to the center axis of the exit opening 106 in FIG. 1, the desired adjustment of the laser beam 101 relative to the exit opening 106 is achieved when the radiation intensity values detected by the three optical sensors 103a, 103b by a maximum of 0.5%. In an alternative method, it is also possible to refer the radiation intensity values detected by the optical sensors 103a, 103b to the mean value of the radiation intensity values detected by all the optical sensors 103a, 103b. In this case, it is preferable to use the arithmetic mean. The desired adjustment is achieved if none of the radiation intensity values recorded by the optical sensors exceeds by more than 0.3% (percentage tol- value) deviates from the arithmetic mean value of the radiation intensity values detected by the optical sensors.
Die Figuren 2 und 3 zeigen eine Schneiddüse 210 einer Laserschneidmaschine, die über einem Werkstück 108 aus Stahl positioniert ist. Ferner ist ein Laserstrahl 211 dargestellt, der durch die Austrittsöffnung 106 auf das Werkstück 108 fokus- siert ist. Schließlich sind auf der dem Werkstück 108 abgewandten Seite der Schneiddüse 210 drei Sensoren angeordnet, die zur Erfassung der vom Werk- stück emittierten Strahlung 200 ausgelegt sind. Von den drei Sensoren sind zur Vereinfachung der Darstellung nur zwei Sensoren S1 und S2 gezeigt. In Figur 2 ist der Fall dargestellt, dass der Strahlengang des Laserstrahls 211 nicht zentriert zur Austrittsöffnung 106 verläuft. Durch die Bearbeitung des Werk- stücks 108 mit dem Laserstrahl 211 erfolgt ein Energieeintrag in das Werkstück 108. Dies hat zur Folge, dass das Werkstück 108 unter anderem Strahlung 200 in einem Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm ungerichtet emittiert. Be- trachtet man die Grenzstrahlen 201 , 202 der vom Werkstück emittierten Strahlung mit Grenzwinkeln a-i, a2, so zeigt sich, dass im Falle einer Fehljustierung die Sen- soren S1 , S2 voneinander abweichende Strahlungsintensitätswerte erfassen. Hier erfasst der Sensor S1 eine geringere Strahlungsintensität als der Sensor S2. Figures 2 and 3 show a cutting nozzle 210 of a laser cutting machine positioned over a steel workpiece 108. Furthermore, a laser beam 211 is shown, which is focused on the workpiece 108 through the outlet opening 106. Finally, on the side facing away from the workpiece 108 of the cutting nozzle 210 three sensors are arranged, which are designed to detect the emitted radiation from the workpiece 200 200. Of the three sensors, only two sensors S1 and S2 are shown to simplify the illustration. FIG. 2 illustrates the case that the beam path of the laser beam 211 does not run centered to the outlet opening 106. The processing of the workpiece 108 with the laser beam 211 results in an energy input into the workpiece 108. As a result, the workpiece 108 emits non-directionally radiation 200 in a wavelength range from 800 nm to 1,400 nm, among other things. If one considers the boundary rays 201, 202 of the radiation emitted by the workpiece with critical angles ai, a 2 , it is shown that in the case of a maladjustment the sensors S1, S2 detect radiation intensity values deviating from each other. Here, the sensor S1 detects a lower radiation intensity than the sensor S2.
In Figur 3 ist hingegen der Fall dargestellt, dass der Strahlengang des Laser- Strahls 211 zentriert zur Austrittsöffnung 106 verläuft. Betrachtet man die Grenz- strahlen 201 , 202 der vom Werkstück emittierten Strahlung mit den Grenzwinkeln a, so zeigt sich, dass bei einem justierten Laserstrahl 211 der Sensor S1 und der Sensor S2 jedenfalls theoretisch dieselbe Strahlungsintensität erfassen. In contrast, FIG. 3 illustrates the case in which the beam path of the laser beam 211 is centered with respect to the outlet opening 106. If one observes the boundary rays 201, 202 of the radiation emitted by the workpiece with the critical angles a, it can be seen that in the case of an adjusted laser beam 211, the sensor S1 and the sensor S2 theoretically detect the same radiation intensity.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Justier-Einheit, der insgesamt die Bezugsziffer 400 zugeordnet ist. Die Justier-Einheit 400 umfasst eine Auswerte-Einheit 401 , eine Öffnung 402, durch die ein zu justierender Laser- strahl geführt werden kann, sowie drei Sensorgruppen 403, 404, 405 mit jeweils vier baugleichen Sensoren, die um 90° versetzt um die Öffnung 402 angeordnet sind. Die Ausgangssignale der einzelnen Sensoren der Sensorgruppen 403, 404, 405 liegen als Eingangssignal an der Auswerte-Einheit 401 an. Die Sensorgruppen 403, 404, 405 unterschieden sich wie folgt: FIG. 4 shows an embodiment of an adjusting unit according to the invention, to which the reference numeral 400 as a whole is assigned. The adjusting unit 400 comprises an evaluation unit 401, an opening 402 through which a laser beam to be adjusted can be guided, and three sensor groups 403, 404, 405 each with four identically constructed sensors which are offset by 90 ° about the opening 402 are arranged. The output signals of the individual sensors of the sensor groups 403, 404, 405 are applied to the evaluation unit 401 as an input signal. The sensor groups 403, 404, 405 differed as follows:
Die Sensorgruppe 403 umfasst vier baugleiche Sensoren, die zur Erfassung von Wellenlängen im Bereich von 600 nm bis 900 nm ausgelegt sind. Die Sensor- gruppe 404 umfasst vier baugleiche Sensoren, die zur Erfassung von Wellenlän- gen im Bereich von 1.000 nm bis 1.200 nm ausgelegt sind. Dadurch, dass sich die Sensoren der Sensorgruppen 403 und 404 in den mit ihnen erfassbaren Wellen- längenbereichen unterscheiden, kann beispielsweise in Abhängigkeit vom einge- setzten Laser oder zu bearbeitenden Werkstück ausgewählt werden, welche Strahlungsanteile in welchen Wellenlängenbereichen erfasst werden sollen. Da- bei ist es möglich, Strahlung im Wellenlängenbereich von 600 nm bis 900 nm und/oder Strahlung im Wellenlängenbereich von 1.000 nm bis 1.200 nm zu erfas- sen. Dies trägt dazu bei, dass die Justier-Einheit flexibel einsetzbar ist. The sensor group 403 comprises four identically constructed sensors which are designed to detect wavelengths in the range from 600 nm to 900 nm. The sensor group 404 comprises four identically constructed sensors which are designed to detect wavelengths in the range of 1,000 nm to 1,200 nm. Because the sensors of the sensor groups 403 and 404 differ in the wavelength ranges that can be detected with them, it is possible to select, for example, depending on the laser used or the workpiece to be machined, which radiation components are to be detected in which wavelength ranges. In this case, it is possible to detect radiation in the wavelength range from 600 nm to 900 nm and / or radiation in the wavelength range from 1000 nm to 1200 nm. This contributes to the fact that the adjustment unit can be used flexibly.
Die Sensorgruppe 405 umfasst wie die Sensorgruppe 404 vier baugleiche Senso- ren, die zur Erfassung von Wellenlängen im Bereich von 1.000 nm bis 1.200 nm ausgelegt sind. Die Sensoren der Sensorgruppe 405 weisen allerdings eine etwa 10-fach höhere Empfindlichkeit auf, als die Sensoren der Sensorgruppe 404. Der Vorteil des gleichzeitigen Einsatzes von Sensorgruppen, die sich in den Sensor- Empfindlichkeiten unterscheiden, liegt darin, dass dieselbe Justier-Einheit zur Fokussierung unterschiedlicher Laserstrahlen eingesetzt werden kann, beispiels- weise zur Fokussierung eines Arbeitslaserstrahls und eines Pilotlaserstrahls. Auf diese Weise wird eine flexibel einsetzbare Justier-Einheit erhalten. The sensor group 405, like the sensor group 404, comprises four identically constructed sensors which are designed to detect wavelengths in the range from 1,000 nm to 1,200 nm. The sensors of the sensor group 405, however, have an approximately 10-fold higher sensitivity than the sensors of the sensor group 404. The advantage of the simultaneous use of sensor groups, which differ in the sensor sensitivities, is that the same adjusting unit for focusing different laser beams can be used, for example, to focus a working laser beam and a pilot laser beam. In this way, a flexibly usable adjustment unit is obtained.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Justier-Einheit, der insgesamt die Bezugsziffer 500 zugeordnet ist. Die Justier-Einheit 500 umfasst eine zur Durchführung eines zu justierenden Laserstrahls geeignete Öffnung 501 , sowie fünf baugleiche optische Sensoren 503-507, die um die Öffnung 501 umFIG. 5 shows an embodiment of an adjusting unit according to the invention, to which the reference numeral 500 is assigned overall. The adjusting unit 500 comprises a suitable for performing a laser beam to be adjusted opening 501, and five identical optical sensors 503-507, which around the opening 501 to
72° versetzt zueinander angeordnet sind. Wird beispielsweis die Justier-Einheit 500 mit einer Vorschubgeschwindigkeit von mehr als 800 mm/min in Vorschub- richtung 502 relativ zu einem Werkstück bewegt, erfasst insbesondere der in Vor- schubrichtung der Bearbeitung nachgeführte Sensor, hier der Sensor 503, regel- mäßig ein höheres Strahlungsintensitätssignal als die anderen in Vorschubrich- tung 502 gesehen seitlich angeordneten Sensoren, hier die Sensoren 504-507. Die Justier-Einheit 500 ist daher so ausgelegt, dass das Strahlungsintensitätssig- nal des in Vorschubrichtung 502 gesehen nachgeführten Sensors, das ist im vor- liegenden Beispiel das Signal des Sensors 503, unberücksichtigt bleibt und zur Justierung nur die Signale der vier übrigen Sensoren berücksichtigt werden. Hier- durch wird einer Fehljustierung bedingt durch ein erhöhtes Strahlungsintensitäts- signal eines in Vorschubrichtung gesehen nachgeführten Sensors entgegenge- wirkt. 72 ° offset from one another. If, for example, the adjusting unit 500 is moved relative to a workpiece at a feed rate of more than 800 mm / min in the feed direction 502, in particular the sensor tracked in the feed direction of the machining, here the sensor 503, regularly detects a higher one Radiation intensity signal than the others in Vorschubrich- 502 seen laterally arranged sensors, here the sensors 504-507. The adjustment unit 500 is therefore designed so that the radiation intensity signal of the sensor tracked in the feed direction 502, which is the signal of the sensor 503 in the present example, is disregarded and only the signals of the four remaining sensors are taken into account for the adjustment , This counteracts a misalignment caused by an increased radiation intensity signal of a sensor tracked in the feed direction.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur automatisierten Justierung eines Laserstrahls einer Laserbe- arbeitungsmaschine relativ zu einer Austrittsöffnung für den Laserstrahl, umfassend die Verfahrensschritte: 1. A method for the automated adjustment of a laser beam of a laser processing machine relative to an exit opening for the laser beam, comprising the method steps:
(a) Fokussieren des Laserstrahls, und  (a) focusing the laser beam, and
(b) Einstellen der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Bearbeitung eines Werk- stücks die Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung mit mindestens drei optischen Sensoren erfasst wird, und die von den opti- schen Sensoren erfassten Strahlungsintensitätswerte während der Bearbei- tung zum Einstellen der Position des Laserstrahls gemäß Verfahrensschritt (b) verwendet werden.  (b) adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening, characterized in that during a machining of a workpiece, the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece is detected by at least three optical sensors, and the radiation intensity values detected by the optical sensors during the Processing for adjusting the position of the laser beam according to method step (b) can be used.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung gemäß Verfah- rensschritt b) die von den optischen Sensoren im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm erfassten Strahlungsintensitätswerte herangezogen werden. 2. The method according to claim 1, characterized in that for adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening according to process step b) the radiation intensity values recorded by the optical sensors in the wavelength range from 800 nm to 1400 nm are used.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von den mindestens drei optischen Sensoren die Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung nach deren Durchtritt durch die Austritts- Öffnung erfasst wird. 3. The method of claim 1 or 2, characterized in that is detected by the at least three optical sensors, the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece after their passage through the outlet opening.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass zur Vorjustierung des Laserstrahls ein Pilotstrahl verwendet wird, wobei die vom Werkstück reflektierte Strahlung von den mindestens drei optischen Sensoren erfasst wird, und die von den optischen Sensoren erfassten Intensitätswerte der reflektierten Strahlung zum Voreinstellen der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung verwendet werden. 4. Method according to claim 1, characterized in that a pilot beam is used for pre-adjustment of the laser beam, wherein the radiation reflected by the workpiece is detected by the at least three optical sensors, and the intensity values of the reflected radiation detected by the optical sensors be used for presetting the position of the laser beam relative to the outlet opening.
5. Justier-Einheit zur automatisierten Justierung eines Laserstrahls einer La- serbearbeitungsmaschine relativ zu einer Austrittsöffnung für den Laser- strahl, dadurch gekennzeichnet, dass die Justier-Einheit mindestens drei optische Sensoren zur Erfassung der während einer Bearbeitung eines Werkstücks vom Werkstück emittierten Strahlung aufweist, wobei die Jus- tier-Einheit derart ausgestaltet ist, dass die von den mindestens drei opti- schen Sensoren während der Bearbeitung erfassten Strahlungsintensitäten von der Justier-Einheit beim Einstellen der Position des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung berücksichtigt wird. 5. adjusting unit for the automated adjustment of a laser beam of a laser machining machine relative to an exit opening for the laser beam, characterized in that the adjusting unit has at least three optical sensors for detecting the radiation emitted by the workpiece during machining of a workpiece, wherein the adjusting unit is designed in such a way that the radiation intensities detected by the at least three optical sensors during processing are taken into account by the adjusting unit when adjusting the position of the laser beam relative to the outlet opening.
6. Justier-Einheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindes- tens drei optischen Sensoren zur Erfassung von optischer Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts und/oder nahinfraroter Strah- lung ausgelegt sind. 6. Adjustment unit according to claim 5, characterized in that the at least three optical sensors are designed for detecting optical radiation in the wavelength range of visible light and / or near-infrared radiation.
7. Justier-Einheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass 7. adjusting unit according to claim 5 or 6, characterized in that
mindestens fünf optische Sensoren zur Erfassung der während einer Bear- beitung eines Werkstücks vom Werkstück emittierten Strahlung vorgesehen sind.  at least five optical sensors are provided for detecting the radiation emitted by the workpiece during a machining of a workpiece.
8. Justier-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang vor den mindestens drei optischen Sensoren ein optisches Filter angeordnet ist, das die Wellenlänge des Be- arbeitungslasers herausfiltert. 8. Adjustment unit according to one of the preceding claims 5 to 7, characterized in that in the beam path in front of the at least three optical sensors, an optical filter is arranged, which filters out the wavelength of the processing laser.
9. Justier-Einheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die opti- schen Sensoren im Strahlengang nach einem teildurchlässigen Spiegel an- geordnet sind, auf den das optische Filter aufgebracht ist. 9. Adjusting unit according to claim 8, characterized in that the optical sensors are arranged in the beam path after a partially transparent mirror, on which the optical filter is applied.
10. Justier-Einheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die opti- schen Sensoren Photodioden oder CCD-Chips sind, und dass auf die Pho- todioden beziehungsweise die CCD-Chips jeweils ein optisches Filter als Beschichtung aufgebracht ist. 10. Adjustment unit according to claim 9, characterized in that the optical sensors are photodiodes or CCD chips, and that an optic filter is applied as a coating to the photodiodes or the CCD chips.
11. Laserbearbeitungsmaschine, aufweisend eine Austrittsöffnung für den La- serstrahl und eine Fokussier-Optik zum Fokussieren des Laserstrahls in Richtung der Austrittsöffnung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Justier- Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 10 zur automati- sierten Justierung des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung vorgesehen ist. 11. Laser processing machine, comprising an outlet opening for the laser beam and a focusing optics for focusing the laser beam in the direction of the outlet opening, characterized in that an adjusting unit according to one of the preceding claims 5 to 10 for the automatic adjustment of the laser beam relative is provided to the outlet opening.
12. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung eine Öffnungsweite und der Laserstrahl in der Ebene der Austrittsöffnung gesehen einen maximalen Laserstrahl- Durchmesser aufweist, und dass das Verhältnis des maximalen Laserstrahl- Durchmessers zur Öffnungsweite weniger als 0,7 beträgt, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 und 0,25 liegt. 12. Laser processing machine according to claim 11, characterized in that the outlet opening has an opening width and the laser beam in the plane of the outlet opening seen a maximum laser beam diameter, and that the ratio of the maximum laser beam diameter to the opening width is less than 0.7, preferably ranges between 0.5 and 0.25.
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