專利名稱：確定激光束的焦點(diǎn)位置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定特別是激光切割裝置的激光裝置的激光 束的焦點(diǎn)位置的方法，所述焦點(diǎn)位置適于工件加工操作，其中至 少兩個(gè)不同的焦點(diǎn)位置被調(diào)整。
背景技術(shù)：
為了能夠加工工件達(dá)到足夠的精度，無論是否通過激光切割 或者激光焊接，都必須使激光束在其具有最高能量密度的位置與 工件接觸。因此，問題在于確定激光束的最窄部位。為此，例如， 公知的是，用激光束在基準(zhǔn)工件中切割不同的槽，而不同的焦點(diǎn) 位置用于每個(gè)對(duì)應(yīng)的槽。隨后，基準(zhǔn)工件被取下并且槽的寬度被 手工測量。得到的最小的槽寬度的焦點(diǎn)位置即為最適于加工工件 的焦點(diǎn)位置。這種方法相對(duì)復(fù)雜并且不能被自動(dòng)完成。
德國專利公開文獻(xiàn)DE 19857694 Al公開了激光束的焦點(diǎn)位 置的調(diào)節(jié)，其中所述激光束指向工件并且從具有用于激光束的聚 焦裝置的加工頭排出。首先，利用激光束，而在加工頭與工件之 間的相互不同的距離處并且其它情況在相同的狀態(tài)下，在工件的 表面中燒出多個(gè)相互分離的溝槽。針對(duì)每個(gè)溝槽的得到的等離子 體的強(qiáng)度被單獨(dú)測量。隨后，加工頭與工件之間的距離對(duì)應(yīng)于被 測量的最大等離子體強(qiáng)度。激光加工裝置隨后用該距離校準(zhǔn)。該 方法還可以自動(dòng)完成，但是具有很大的難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所針對(duì)的問題是提供一種確定焦點(diǎn)位置的方法，該方 法可以被自動(dòng)完成。
根據(jù)本發(fā)明以極其簡便的方式該問題得以解決，在介紹里所 提出的那種類型的方法中，對(duì)于激光束的不同的焦點(diǎn)位置，確定 是否和在什么情況下至少激光束的周邊區(qū)域與工件接觸。因此， 根據(jù)可調(diào)的焦點(diǎn)位置，檢測激光束的周邊區(qū)域與材料接觸的情況。 在不同的焦點(diǎn)位置處，這出現(xiàn)在激光束的光束軸線與工件的邊緣 的不同的距離處或根據(jù)工件的已經(jīng)加工的通孔的大小。根據(jù)本發(fā) 明所述的方法可以被自動(dòng)完成，從而焦點(diǎn)位置可以被自動(dòng)確定。 因此基準(zhǔn)工件的人工測量可以被省去。
在特別優(yōu)選的方法的改型中，提供了至少一個(gè)描述以下情況 的變量，即至少激光束的周邊區(qū)域與被測的工件接觸。描述情況 的變量可以包括，例如，光束軸線相對(duì)于工件的距離，特別是相 對(duì)工件邊緣的距離，或者所檢測的射線強(qiáng)度，例如，工藝光的射 線強(qiáng)度。
特別優(yōu)選的是，如果確定激光束的周邊區(qū)域是否與工件相接 觸，在于檢測由工件或等離子體所發(fā)出的射線。特別地，在一微 米的波長具有最高靈敏度的光可以被檢測到。因而，可以特別準(zhǔn) 確地完成測量。可以想到，如果在激光加工過程中產(chǎn)生等離子體， 可以測量等離子體射線，盡管不是準(zhǔn)確的。當(dāng)相對(duì)大量的工件材 料已經(jīng)被熔化并且消耗時(shí)，精度降低是因?yàn)?，等離子體射線發(fā)生 相對(duì)較晚。還可以想到的是測量不反射的工藝光。在所有的操作 方法中，所特別強(qiáng)調(diào)的是當(dāng)激光束的周邊區(qū)域與工件接觸時(shí)希望 盡可能早地進(jìn)行檢測。
在有利方法的改型中，基于所確定的情況，確定合適的焦點(diǎn) 位置或附加的焦點(diǎn)位置，為此再次測量是否和在什么情況下激光 束的周邊區(qū)域與工件接觸。如果從己經(jīng)確定的情況發(fā)現(xiàn)，激光束 的周邊區(qū)域沒有與工件接觸，這可能表示，合適的焦點(diǎn)位置已被 發(fā)現(xiàn)，因?yàn)椋?，光束軸線相對(duì)于工件的最小距離已被發(fā)現(xiàn)或 者工件所在平面上的激光束比以前在工件中制出的通孔窄。可選 地，如果合適的焦點(diǎn)位置沒有被發(fā)現(xiàn)，則可以從對(duì)于其它焦點(diǎn)位 置的以前確定的情況確定下次必須調(diào)整的焦點(diǎn)位置的方向，從而 朝向合適的焦點(diǎn)位置移動(dòng)。
在有利方法的改型中，工件與激光束接觸，特別在不同的焦 點(diǎn)位置，其中工件和激光束彼此朝向移動(dòng)，直至激光束的周邊區(qū) 域在工件上開始加工操作，特別是切割操作。工件可以從一個(gè)側(cè) 部或多個(gè)側(cè)部與激光接觸?？蛇x地，在工件中，可以想到的是， 光束與工件中構(gòu)造的孔的側(cè)部接觸。在這種方式中，可以確定給 定的焦點(diǎn)位置處的光束直徑。該方法可以被重復(fù)直至最小的光束 直徑被確定。那么相關(guān)的焦點(diǎn)位置就是加工工件的激光束的合適 的焦點(diǎn)位置。
特別有利的是，只要檢測到激光束與工件接觸，則關(guān)閉激光 束。因此，工件盡可能少地?fù)p壞。從而確定焦點(diǎn)的精度可以被進(jìn) —步提咼。
在本發(fā)明的特別優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，首先，在第一焦點(diǎn)位置，在 工件中制造通孔，并且隨后，在至少一個(gè)附加的焦點(diǎn)位置，重復(fù) 通孔的制造。例如，孔或槽可以作為通孔被制造在工件中。槽的 制造具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即激光裝置在特定的時(shí)間內(nèi)操作并且因此
被預(yù)熱(warmup)。當(dāng)激光裝置被預(yù)熱時(shí)，焦點(diǎn)位置因而可以被 確定，這對(duì)應(yīng)于工件加工過程中的狀態(tài)。例如，可以設(shè)置成，首先在薄金屬板(基準(zhǔn))中在任何焦點(diǎn)位置制造孔或槽，并且隨后， 在相同的位置在不同的焦點(diǎn)位置重復(fù)該操作。在這種情況中，如 果產(chǎn)生工藝光，則光束直徑比第一孔或槽大。如果沒有產(chǎn)生工藝 光，則光束直徑比第一孔或槽小。工藝光可以被檢測，例如，利 用光電單元。特別地，工藝光可以利用傳感器、照相機(jī)、穿孔鏡 等被檢測。在附加的方法步驟中，在第一調(diào)整焦點(diǎn)位置(基準(zhǔn)) 重復(fù)用于制造通孔的操作，并且對(duì)于隨后的孔或切口，選擇這樣 的焦點(diǎn)位置，其具有針對(duì)基準(zhǔn)孔或切口相對(duì)于第一次嘗試的焦點(diǎn) 差。從兩個(gè)測試結(jié)果可以確定焦點(diǎn)尋找的方向。這就意味著，如 果基準(zhǔn)孔或槽在焦點(diǎn)位置X被完成，那么第二孔或槽可能在第一
次操作中在焦點(diǎn)位置x+y被完成，并且在第二次操作中在焦點(diǎn)位 置x — y被完成。只要x不準(zhǔn)確地對(duì)應(yīng)期望的合適的焦點(diǎn)位置，則 在每種情況中，在第二孔或槽中僅僅在兩次操作中的一次中產(chǎn)生 工藝光。根據(jù)該信息，所聚焦的光束在金屬板的表面上變大或變 小的方向是已知的，并且可以反復(fù)移向合適的焦點(diǎn)位置。利用測 量單元，即上文所提到的并且特別是工藝光的光電測量單元，該 操作可以被自動(dòng)完成。
還可以這樣確定焦點(diǎn)位置，即焦點(diǎn)位置連續(xù)地或者類似連續(xù) 地改變。例如，可以想到，光束軸線具有與工件邊緣固定的距離。 如果焦點(diǎn)位置隨后被改變，即，連續(xù)地或者類似連續(xù)地在兩個(gè)極 限之間變化，并且如果光束軸線設(shè)置成足夠靠近工件邊緣，則在 少數(shù)焦點(diǎn)位置將產(chǎn)生工藝光，而對(duì)于其它焦點(diǎn)位置，將不產(chǎn)生工 藝光。如果產(chǎn)生工藝光，則這意味著激光束在工件的平面上具有 相對(duì)較大的直徑。因此，該焦點(diǎn)位置不適合激光加工操作。目的 是找到那些沒有產(chǎn)生工藝光的焦點(diǎn)位置。所以，焦點(diǎn)位置用作為 變量，該變量描述了激光束的周邊區(qū)域與工件接觸的情況。
如果激光束沒有沿工件移動(dòng)，那么上述提到的方法的改型是 相對(duì)不準(zhǔn)確的。因此，有利的是，為了提高精度，激光束和工件 被相對(duì)彼此移動(dòng)，同時(shí)焦點(diǎn)位置改變。激光束和工件接觸，并且 特別是產(chǎn)生工藝光時(shí)，激光束和工件的相對(duì)位置被記錄。特別地， 激光束可以被沿著工件的側(cè)部移動(dòng)。適合激光加工操作的焦點(diǎn)位 置可以通過焦點(diǎn)位置的連續(xù)變化被很快確定。如果激光束沿工件 移動(dòng)，則在激光裝置預(yù)熱時(shí)焦點(diǎn)位置可以被確定。
還可以這樣確定合適的焦點(diǎn)位置，即工件中制造切口，而焦 點(diǎn)位置被改變，同時(shí)切口被制造，并且隨后在相同的位置操作被 重復(fù)，其中在第二切口時(shí)，焦點(diǎn)位置被改變偏移。
特別優(yōu)選的是，如果在這樣的情況中，具體講在這樣的焦點(diǎn) 位置進(jìn)行測量，即激光束的周邊區(qū)域與工件的上側(cè)部或下側(cè)部接 觸。如果這兩個(gè)焦點(diǎn)位置被確定，那么作為這兩個(gè)焦點(diǎn)位置的平 均值的并且是在具體為金屬板的工件的中央的焦點(diǎn)位置可以被確 定。因此，激光束可以被聚焦在金屬板的中央。
通過以下本發(fā)明的實(shí)施例的詳述，并且參考附圖，附圖示出 了本發(fā)明的主要細(xì)節(jié)，以及通過權(quán)利要求書，本發(fā)明的其它的特 點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)被理解。這些特點(diǎn)可以被單獨(dú)或者通過本發(fā)明的改 型的任意組合共同實(shí)現(xiàn)。


以下描述所要詳細(xì)說明的本發(fā)明的實(shí)施例在附圖中被示出， g巾
圖1是激光裝置的一部分的示意圖； 圖2a是工件以及具有理想焦點(diǎn)位置的激光束的剖視圖2b是用于解釋根據(jù)本發(fā)明的方法的示意圖； 圖3是用于解釋工件的接觸的示意圖4是用于解釋激光束變化的示意圖5是用于解釋工件的接觸的可選的結(jié)構(gòu)的示意圖6a至6c是用于解釋適合于激光切割的焦點(diǎn)位置的確定的 示意圖。
具體實(shí)施例方式
在激光裝置1中，特別在激光切割裝置中，根據(jù)圖1，激光 束2通過聚焦刮刀鏡形式的鏡3射到方向調(diào)整鏡(redirecting mirror) 4上，所述反射鏡設(shè)置在加工頭5內(nèi)。激光束2通過透鏡 形式的聚焦裝置6被聚焦并且被指向到工件7上。如果激光束2 照在工件7上，則產(chǎn)生射線(radiation),并由線8表示。其通過 鏡4、 3被反射回，并通過鏡3被指向到檢測裝置8上。檢測裝置 8包括光電二極管，光電二極管具有相應(yīng)的電子單元。檢測裝置8 的信息被傳送到評(píng)價(jià)與控制裝置9。在評(píng)價(jià)與控制裝置9中，這 樣的情況被確定，即激光束2、特別激光束2的周邊區(qū)域與工件7 接觸。特別地，相關(guān)的焦點(diǎn)位置，也就是說，聚焦裝置6和/或高 度調(diào)節(jié)器的位置，也就是說，加工頭5相對(duì)工件7的距離，被測
圖2a是工件7的剖視圖，其中工件7具有由激光束2制成的 通孔10。激光加工操作所期望的焦點(diǎn)位置如圖2所示。這意味著， 以腰部示出的、激光束2的最窄的部位，準(zhǔn)確地位于工件7所在 的平面，特別地處于工件7的中央位置。這意味著，在激光束的 焦點(diǎn)準(zhǔn)確地位于尤其是薄金屬板的工件7的中央時(shí)，激光束產(chǎn)生
最小的孔或最窄的切口縫隙。
圖2b示出了，在第一次試驗(yàn)或者基準(zhǔn)孔時(shí)，開口10已經(jīng)由
激光束2產(chǎn)生。如果焦點(diǎn)位置隨后被調(diào)整并且如果希望在相同的 位置產(chǎn)生通孔，那么，因?yàn)榧す馐?'的周邊區(qū)域11觸及工件7 并且擴(kuò)大通孔10，所以通過激光束2'就會(huì)產(chǎn)生與工件7的反應(yīng)。 這就提供了關(guān)于焦點(diǎn)位置必須被調(diào)整以確定最佳焦點(diǎn)位置的方向 的信息。
圖3示出了可確定焦點(diǎn)位置的可選實(shí)施方式。該圖是工件7 的俯視圖，工件7從由箭頭12、 13、 14所示的不同的方向與激光 束2接觸。這意味著，激光束2朝向工件7的側(cè)部15、 16、 17、 18移動(dòng)，直至激光束2的周邊區(qū)域接觸工件7。因此可以在調(diào)整 的焦點(diǎn)位置處確定激光束的直徑。這可以提供這樣的信息，即激 光束2的直徑是否足夠小以產(chǎn)生盡可能小的切割寬度。焦點(diǎn)位置 可以被改變，直至找到最小的光束直徑。工件7的側(cè)部或邊緣15 至18例如通過沖壓被制造，從而獲得準(zhǔn)確限定的邊緣。
圖4示出了激光束2沿箭頭20的方向沿工件7移動(dòng)的方式。 在沿箭頭20的方向移動(dòng)的過程中，激光束2的焦點(diǎn)位置是變化的， 即，改變。因而可以發(fā)現(xiàn)激光束2的周邊區(qū)域正好不再與工件7 接觸的焦點(diǎn)位置。在該操作的過程中，有利的是如果聚焦的激光 束的光束直徑是已知的。然后，在沿箭頭20方向移動(dòng)的過程中， 激光束2可以設(shè)置成，激光束的光束軸線21設(shè)置在相對(duì)于側(cè)部 17聚焦的激光束2的光束直徑一半的距離處。沒有工藝光(process light)或射線產(chǎn)生的焦點(diǎn)位置是所尋找的焦點(diǎn)位置。
圖5示出了可以通過所接觸的工件25來確定焦點(diǎn)位置的可選 實(shí)施方式。在工件25的孔26中，激光束2沿箭頭方向27、 28、 29、 30朝向孔26的側(cè)部31、 32、 33、 34移動(dòng)。因此，激光束2
的范圍可以在四象限中的特定的焦點(diǎn)位置被確定。因而可以確定
激光束2的中心光束厚度。工件25的厚度按照操作精度的要求被
確定。希望使用盡可能薄的工件，因?yàn)榭梢愿訙?zhǔn)確地確定焦點(diǎn)
位置。金屬板的厚度優(yōu)選S1 mm。但是，金屬板的厚度不可以被 選擇成太薄，因?yàn)楣ぜ缓罂勺兊貌环€(wěn)定，這將降低測量精度。
圖6a示出了，由于工件7的厚度和激光束2的形狀，所以很 難精確地發(fā)現(xiàn)激光束2的最高能量密度的位置。按照?qǐng)D6a所示， 激光束2或激光束2的周邊區(qū)域與工件7的上側(cè)部40接觸。按照 圖6b所示，激光束2的周邊區(qū)域與工件7的下側(cè)部41接觸。激 光束2恰好與上側(cè)部或下側(cè)部40、41接觸的焦點(diǎn)位置可以根據(jù)本 發(fā)明所述的方法被相對(duì)準(zhǔn)確地確定。然而，位于這兩個(gè)焦點(diǎn)位置 之間的焦點(diǎn)位置即為所求。如圖6c所示。根據(jù)圖6a的焦點(diǎn)位置 由虛線43示出，并且根據(jù)圖6b的焦點(diǎn)位置由虛線44示出。所求 的焦點(diǎn)精確地位于這些焦點(diǎn)位置之間的中央點(diǎn)，由虛線45示出。
該焦點(diǎn)位置可以通過平均的方式被確定。
權(quán)利要求
1、一種確定激光裝置(1)的激光束(2，2′)焦點(diǎn)位置的方法，所述激光裝置具體為激光切割裝置，所述焦點(diǎn)位置適合于工件加工操作，其中至少兩個(gè)不同的焦點(diǎn)位置被調(diào)整，其特征在于，對(duì)于所述激光束(2，2′)的不同的焦點(diǎn)位置，確定是否和/或在什么情況下至少所述激光束(2，2′)的周邊區(qū)域(11)與工件(7，25)接觸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，測量說明以下 情況的至少一個(gè)變量，即至少所述激光束(2， 2')的周邊區(qū)域(11) 與工件(7， 25)接觸。
3、 根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于，確定是 否激光束(2， 2')的周邊區(qū)域(11)與工件(7， 25)接觸是通 過檢測所述工件(7， 25)或等離子體所發(fā)出的射線或工藝光。
4、 根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于，基于所 確定的情況，確定合適的焦點(diǎn)位置或附加的焦點(diǎn)位置，為此，再 次測量是否和在什么情況下激光束(2， 2')的周邊區(qū)域(11)與 工件(7， 25)接觸。
5、 根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于，工件以 這樣的方式與激光束(2， 20接觸，其中工件與激光束彼此朝向 移動(dòng)，直至激光束的周邊區(qū)域在工件上開始操作。
6、 根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于，只要檢測到激光束(2， 2')已經(jīng)與工件(7， 25)接觸，則關(guān)閉激光束 (2， 2')。
7、 根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于，首先， 在第一焦點(diǎn)位置，在工件(7， 25)中制成通孔(10);并且隨后， 在至少一個(gè)附加的焦點(diǎn)位置，重復(fù)所述通孔(10)的制造。
8、 根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于，以反復(fù) 的方式確定合適的焦點(diǎn)位置。
9、 根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于，焦點(diǎn)位 置連續(xù)地或近似連續(xù)地改變。
10、 根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于，激光 束(2， 2')和工件(7， 25)彼此相對(duì)移動(dòng)，同時(shí)焦點(diǎn)位置被改 變。
11、 根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的方法，其特征在于，測量 激光束(2， 2')的周邊區(qū)域(11)與工件(7， 25)的上側(cè)部(40) 或下側(cè)部(41)接觸的情況，尤其是焦點(diǎn)位置。
全文摘要
一種用于確定具體為激光切割裝置的激光裝置(1)的激光束(2，2′)的焦點(diǎn)位置的方法，其中所述焦點(diǎn)位置適于工件加工操作，在所述方法中，設(shè)定至少兩個(gè)不同的焦點(diǎn)位置，對(duì)于激光束(2，2′)的不同的焦點(diǎn)位置，確定是否和/或什么情況下至少激光束(2，2′)的周邊區(qū)域(11)與工件(7，25)接觸。因而，可以以自動(dòng)的方式確定合適的焦點(diǎn)位置。
文檔編號(hào)B23K26/04GK101208171SQ200580050205
公開日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月23日
發(fā)明者A·米希利, W·舍利克-特斯曼 申請(qǐng)人:通快機(jī)床兩合公司