DE10130875A1

DE10130875A1 - Wechseleinrichtung für einen Linsenhalter eines Anschlußkopfes zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls und Verfahren zur Kontrolle einer Fokussieroptik für die Laserbearbeitung

Info

Publication number: DE10130875A1
Application number: DE10130875A
Authority: DE
Inventors: Bert Schuermann; Stephan Biermann; Christoph Dietz; Radu Ruican
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: DE10130875B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wechseleinrichtung für einen Linsenhalter (10) eines Anschlußkopfes (11) zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, mit wenigstens zwei Magazinplätzen (13), an denen jeweils zumindest ein Linsenhalter (10) ergriffen und gehalten werden kann, sowie ein Verfahren zur Kontrolle einer Fokussieroptik (9) im Linsenhalter (10), durch den die optische Achse eines Laserbearbeitungsstrahlengangs einer Laserbearbeitungsanlage definiert hindurch verläuft, wenn der Linsenhalter (10) in die Laserbearbeitungsanlage eingesetzt ist. Dabei ist zur Kontrolle der im Linsenhalter (10) angeordneten Fokussieroptik (9) für die Laserbearbeitung an wenigstens einem der Magazinplätze (13) eine optische Überwachungsvorrichtung (24) vorgesehen, die eine Kamera (25) umfaßt, die ein laseraustrittseitig liegendes Objekt beobachtet. Somit ist es möglich, daß mit einer Kamera vorzugsweise durch die Fokussieroptik (9) hindurch ein laseraustrittseitig liegendes Objekt beobachtet werden kann und daß das vom beobachteten Objekt kommende Licht aufgezeichnet und ausgewertet werden kann, um eine Eigenschaft der Fokussieroptik (9) zu untersuchen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wechseleinrichtung für einen Linsenhalter eines Anschlußkopfes zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls sowie ein Verfahren zur Kontrolle einer Fokussieroptik für die Laserbearbeitung, die in einem Linsenhalter angeordnet ist, der vorzugsweise in einem Magazinplatz der Wechseleinrichtung gehalten ist.

Bei der Werkstückbearbeitung mittels eines Laserstrahls kann durch eine fehlerhafte Lage oder eine Verschmutzung einer Fokussierlinse oder -optik in einem Anschlußkopf der Bearbeitungsprozeß negativ beeinflußt oder sogar unterbrochen werden. Um die Produktion von Ausschuß zu vermeiden, muß ein Maschinenbediener entscheiden, wann die Bearbeitungsqualität nicht mehr ausreichend ist. Dazu ist es erforderlich, daß der Maschinenbediener den Bearbeitungsprozeß und das Bearbeitungsergebnis regelmäßig überprüft, um rechtzeitig einen Austausch der Fokussierungsoptik vorzunehmen. Das bedeutet, daß der Zeitpunkt des Austausches einer Fokussierungslinse stark von der Erfahrung des Maschinenbedieners abhängt.

Aus der DE 295 07 189 U1 ist bereits ein Anschlußkopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Lasterstrahls bekannt, der mit Hilfe einer im Anschlußkopf vorhandenen Fokussieroptik fokussiert wird und nach dem Durchlaufen der Fokussieroptik durch eine Schneiddüse Austritt. Die Fokussieroptik ist dabei in Richtung und quer zu ihrer optischen Achse verstellbar an einem Linsenhalter angebracht. Um den Austausch einer Fokussieroptik durch den Maschinenbediener zu vereinfachen und zu erleichtern, ist der Linsenhalter als Einschub oder Kassette ausgebildet, der bzw. die in ein Anschlußkopfgehäuse einsetzbar und aus diesem herausnehmbar ist. Zur Unterstützung der Werkstückbearbeitung mittels Laserstrahl tritt durch die am Anschlußkopf angebrachte Schneiddüse zusammen mit dem Laserstrahl ein Prozeßgas unter Druck aus.

Derartige Anschlußköpfe kommen zum Beispiel in Laserschneidanlagen zum Einsatz. Das Laserschneiden ist im Vergleich zum konkurrierenden Trennverfahren (Stanzen, Sägen, usw.) außerordentlich flexibel. Der Wechsel auf neue Schnittkonturen, Werkstoffe oder Werkstückdicken kann dabei vergleichsweise schnell und automatisiert erfolgen. Zu diesem Zweck werden oftmals mehrere Maschinenparameter verändert, zum Beispiel das Konturprogramm, die Laserleistung, die Vorschubgeschwindigkeit, Art und Druck des Prozeßgases, Abstand zwischen Anschlußkopf und Werkstück, sowie die Fokuslage. Neben der Anpassung dieser Parameter ist es insbesondere auch oft erforderlich, die Brennweite der Fokussieroptik, den Düsendurchmesser, den Düsentyp usw. zu ändern, so daß ein Wechsel der Fokussieroptik und der Schneiddüse erforderlich wird.

Da die Fokussieroptik und die Schneiddüse im normalen Gebrauch verschleißen und verschmutzen, wie eingangs bereits erwähnt wurde, ist eine regelmäßige Kontrolle oder Inspektion gegebenenfalls mit nachfolgendem Austausch oder ein regelmäßiger Austausch von Fokussieroptik und Schneiddüse notwendig, um eine hochwertige Prozeßqualität sicherzustellen. Durch verschlissene oder beschädigte Fokussieroptiken oder Schneiddüsen könnten sowohl das zu bearbeitende Werkstück als auch die Laserschneidanlage beschädigt werden.

Um unabhängig von der Erfahrung eines Maschinenbedieners die Fokussierlinsen möglichst lange nutzen zu können, wurde bereits ein Verfahren zur Ermittlung des Verschleißgrades einer Fokussierlinse in einem Laserbearbeitungskopf vorgeschlagen (DE 197 09 473 C1), bei dem die erforderliche Einstechzeit zum Durchstechen eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls gemessen wird und die gemessene Einstechzeit mit einer vorbestimmten Referenzzeit verglichen wird, um ein den Verschleißgrad anzeigendes Signal zu erzeugen. Mit diesem bekannten Verfahren läßt sich also vor jedem Laserschneiden der Verschleißgrad der Fokussierlinse überprüfen, um gegebenenfalls einen Austausch der Fokussierlinse zu veranlassen.

Dieses bekannte Verfahren eignet sich gut für Laserschneidanlagen, die über längere Zeit Bearbeitungen mit den gleichen Parametern durchführen, so daß ein Linsenaustausch nur dann erfolgt, wenn die Fokussieroptik verschmutzt oder verschlissen ist. Bei Laserbearbeitungsanlagen, bei denen häufige Wechsel der Fokussieroptik erforderlich sind, um die jeweils für die gewünschte Bearbeitung benötigte Fokussieroptik einzusetzen, ist dieses Verfahren zwar auch geeignet, jedoch besteht ein gewisser Nachteil darin, daß eine gerade neu eingesetzte Fokussieroptik verschmutzt oder verschlissen sein kann, so daß ein erneuter Austausch erforderlich wird, wodurch der Bearbeitungsfluß gestört wird. Darüber hinaus läßt sich dieses bekannte Verfahren, das eine erheblich längere Einsatzzeit einer Fokussierungsanordnung ermöglicht, nicht bei Laserbearbeitungen einsetzen, bei denen kein Ein- oder Durchstechen eines Werkstücks erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wechseleinrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die bzw. das es ermöglicht, die im Linsenhalter eines Anschlußkopfes einer Laserbearbeitungsanlage gehaltene Fokussieroptik schnell und zuverlässig auf ihren Verschleißgrad und ihre Einbaulage hin kontrollieren zu können.

Diese Aufgabe wird durch die Wechseleinrichtung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß weist also eine Wechseleinrichtung für Linsenhalter mit wenigstens zwei Magazinplätzen zur Kontrolle einer im Linsenhalter angeordneten Fokussieroptik für die Laserbearbeitung an wenigstens einem der Magazinplätze eine optische Überwachungsvorrichtung auf, die eine Empfängeranordnung umfaßt, die ein laseraustrittsseitig liegendes Objekt beobachtet.

Je nach dem, ob der Verschleißgrad und/oder die Verschmutzung der Fokussieroptik oder deren relative Lage im Linsenhalter bestimmt werden soll, kann das laseraustrittsseitig liegende Objekt ein geeignetes Meßobjekt, die letzte optische Fläche der Fokussieroptik, die im Bearbeitungseinsatz der Bearbeitungszone des Werkstücks zugewandt ist, oder auf dieser Fläche befindliche Verschmutzungen sein.

Mit Hilfe der optischen Überwachungsvorrichtung, die Empfängereinrichtung eine auf der Lasereintrittseite eines im Magazinplatz gehaltenen Linsenhalters angeordnete Kamera aufweist, läßt sich also feststellen, ob eine in der Wechseleinrichtung abgesetze Fokussieroptik für den weiteren Einsatz geeignet ist oder nicht, so daß bei der Entnahme eines Linsenhalters stets sichergestellt ist, daß die darin befindliche Fokussieroptik in einem für die weitere Laserbearbeitung geeigneten Zustand ist. Da die Überwachung automatisch erfolgt, lassen sich unabhängig von der Erfahrung eines Maschinenbedieners optimale Nutzungszeiten der Fokussieroptik erzielen.

Um eine besonders zuverlässige Ermittlung des Verschleiß- und/oder Verschmutzungsgrades einer Fokussieroptik zu ermöglichen, ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß auf einer Seite eines im Magazinplatz gehaltenen Linsenhalters zumindest eine Lichtquelle vorgesehen ist, die die Fokussieroptik bestrahlt, so daß an den optischen Flächen der Fokussieroptik, insbesondere an der laseraustrittsseitig letzten optischen Fläche gestreutes Licht von der Kamera erfaßt werden kann, wobei vorzugsweise mehrere Lichtquellen vorgesehen sind, die in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind, um eine vollständige Ausleuchtung der Fokussieroptik zu ermöglichen.

Auf diese Weise läßt sich die Unterseite der Fokussieroptik, also die dem Bearbeitungsbereich zugewandte letzte zugewandte Fläche in einer Art Streulichtverfahren beobachten, wobei das an Schmutzpartikeln auf der beobachteten Fläche gestreute Licht von der Kamera erfaßt wird. Dieses Streulicht kann dann mit einer geeigneten Bildverarbeitung ausgewertet werden, um auf den Verschmutzungsgrad der Fokussierlinse zu schließen.

Obwohl es grundsätzlich möglich ist, die Beobachtung der laseraustrittsseitig letzten optischen Fläche im Rücklichtverfahren durchzuführen, also rückwärts gestreutes Licht zu erfassen, ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Lichtquelle oder Lichtquellen auf der Laseraustrittseite eines im Magazinplatz gehaltenen Linsenhalters angeordnet sind. Hierdurch wird ein Durchlichtverfahren ermöglicht, das die Vorwärtsstreuung an Verschmutzungen der zu beobachtenden Fläche nutzt.

Um die relative Lage der Fokussieroptik im Linsenhalter ermitteln zu können, ist es bei einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß auf der Laseraustrittseite der Fokussieroptik eines im Magazinplatz gehaltenen Linsenhalters eine Lichtquelle, vorzugsweise eine Punktlichtquelle vorgesehen ist, die auf der optischen Achse der Kameraoptik angeordnet werden kann.

Zur Feststellung der Fokuslage der Fokussieroptik relativ zum Linsenhalter ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß auf der Laseraustrittseite der Fokussieroptik eines im Magazinplatz gehaltenen Linsenhalters ein Meßobjekt vorgesehen ist, das so im Bereich der optischen Achse der Kameraoptik angeordnet werden kann, daß es sich sowohl in Richtung der optischen Achse als auch quer dazu erstreckt, wobei das Meßobjekt ein Gitter ist, das unter einem vorbestimmten Winkel schräg gegen die optische Achse der Kameraoptik geneigt ist.

Zur Erfassung der relativen Lage der Fokussieroptik im Linsenhalter sowohl in Richtung der optischen Achse als auch quer dazu ist es besonders zweckmäßig, wenn das Meßobjekt und die Lichtquelle wahlweise im Bereich der optischen Achse der Kameraoptik angeordnet werden können.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Überwachungsvorrichtung eine am selben Magazinplatz angeordnete Stellvorrichtung zugeordnet ist, die in Abhängigkeit von der von der Überwachungsvorrichtung erfaßten Lage der Fokussieroptik diese justiert.

Erfindungsgemäß wird also zur Kontrolle einer Fokussieroptik für die Laserbearbeitung, die in einem Linsenhalter angeordnet ist, mit einer auf der Lasereintrittseite des Linsenhalters angeordneten Kamera durch die Fokussieroptik hindurch ein laseraustrittsseitig liegendes Objekt beobachtet, und das vom beobachteten Objekt kommende Licht wird aufgezeichnet sowie ausgewertet, um eine Eigenschaft der Fokussieroptik zu untersuchen.

Um den Verschleiß- und/oder Verschmutzungsgrad der Fokussieroptik zuerfassen, wird diese dabei von der Lasereintrittseite des Linsenhalters her so bestrahlt, daß an den optischen Flächen der Fokussieroptik, insbesondere an der laseraustrittsseitig letzten optischen Fläche zurückgestreutes Licht von der Kamera erfaßt werden kann, wobei die Bestrahlung der Fokussieroptik mit mehreren Lichtquellen erfolgt, die in Umfangsrichtung gleichmäßig um die optische Achse des Laserbearbeitungsstrahlengangs herum angeordnet sind, um eine gleichmäßige Ausleuchtung der Fokussieroptik zu erzielen.

Zur Ermittelung der seitlichen Lage der Fokussieroptik im Linsenhalter ist vorgesehen, daß auf der Laseraustrittseite der Fokussieroptik eine Lichtquelle, vorzugsweise Punktlichtquelle auf der optischen Achse der Kameraoptik angeordnet wird, die Lichtquelle mittels der Kamera abgebildet wird, und die Lage des Bildes der Lichtquelle relativ zur optischen Achse der Kameraoptik festgestellt wird, um so eine seitliche Verschiebung der optischen Achse der Fokussieroptik relativ zur optischen Achse des Laserbearbeitungsstrahlengangs feststellen zu können.

Um die Lage des Brennpunktes der Fokussieroptik in Richtung der optischen Achse relativ zum Laserhalter festzustellen, ist es zweckmäßig, wenn auf der Laseraustrittseite der Fokussieroptik ein Meßobjekt so im Bereich der optischen Achse der Kameraoptik angeordnet wird, daß es sich sowohl in Richtung der optischen Achse als auch quer dazu erstreckt, und das dabei von der Kamera vom Meßobjekt erhaltene Bild ausgewertet wird. Als Meßobjekt wird hierbei zweckmäßigerweise ein Gitter verwendet, das unter einem vorbestimmten Winkel schräg gegen die optische Achse der Kameraoptik geneigt angeordnet wird.

Um die Einbaulage der Fokussieroptik in der Kassette sowohl in radialer als auch in axialer Richtung überprüfen zu können, ist zweckmäßigerweise vorgesehen, daß das Meßobjekt und die Lichtquelle einzeln nacheinander im Bereich der optischen Achse der Kameraoptik angeordnet werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lage der Fokussieroptik im Linsenhalter in Abhängigkeit von ihrer von der Überwachungsvorrichtung erfaßten Ist-Lage eingestellt wird, um die Fokussieroptik zu justieren. Hierdurch wird erreicht, daß Fehljustierungen, die z. B. in Folge von schnellen Bewegungen des Anschlußkopfes auftreten können, nach jedem Wechsel der Fokussieroptik beseitigt werden können, ohne daß ein erfahrener Maschinenbediener ständig mit entsprechenden Einstellarbeiten beschäftigt wäre.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine stark vereinfachte perspektivische Ansicht einer Wechseleinrichtung nach der Erfindung,
Fig. 2 eine stark vereinfachte, schematische Vorderansicht eines Magazinplatzes der Wechseleinrichtung nach Fig. 1 mit einer optischen Überwachungsvorrichtung,
Fig. 3 eine stark vereinfachte, schematische Darstellung der optischen Überwachungsvorrichtung zur Veranschaulichung einer Verschleißkontrolle bei einer in einem Linsenhalter angeordneten Fokussieroptik,
Fig. 4 eine stark vereinfachte, schematische Darstellung der optischen Überwachungsvorrichtung zur Veranschaulichung einer Überprüfung der seitlichen Ausrichtung der Fokussieroptik im Linsenhalter, und
Fig. 5 eine stark vereinfachte, schematische Darstellung der optischen Überwachungsvorrichtung zur Veranschaulichung einer Überprüfung der Fokuslage der Fokussieroptik relativ zum Linsenhalter.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Wechseleinrichtung für einen Linsenhalter 10 mit einer Fokussieroptik 9 eines Anschlußkopfes 11 einer Laserbearbeitungsanlage zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls. Der Anschlußkopf 11 ist an einem nur rein schematisch angedeuteten Bearbeitungsarm 12 einer nicht näher dargestellten Portalanlage einer Laserbearbeitungsanlage angebracht. Die Portalanlage realisiert über den Bearbeitungsarm 12 die Verschiebung des Anschlußkopfes 11 in allen drei Raumrichtungen also, wie durch Pfeile in Fig. 1 angedeutet in X-, Y- und Z-Richtung.
Die Wechseleinrichtung besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Magazinplätze 13, sie kann aber auch je nach der Anzahl von bereitzuhaltenden Funktionselementen mehr oder weniger Magazinplätze 13 umfassen, von denen jeder eine Haltevorrichtung 14 zum Ergreifen und Halten eines Linsenhalters 10 sowie eine Ver- und Entriegelungsvorrichtung 15 als Betätigungsvorrichtung für am Anschlußkopf 11 vorgesehene, nicht näher dargestellte, den Linsenhalter 10 fixierende Befestigungsmittel aufweist. Die Haltevorrichtung 14 umfaßt dabei eine in Richtung des Doppelpfeils B vertikal verschiebbar Fixiereinrichtung 16 mit zwei Fixierstiften 17, die zum Ergreifen und Halten eines Linsenhalters 10 im Magazinplatz 13 mit entsprechenden Löchern 18 in einem Griffelement 19 am Linsenhalter 10 zusammenwirken. Außerdem ist jeder Haltevorrichtung 14, die an einem Gestell oder Rahmen 20 angebracht und einem der Magazinplätze 13 zugeordnet ist, ein Stützflächenabschnitt auf einer allen Magazinplätzen 13 gemeinsamen Stützschiene 20d zugeordnet, auf der ein Linsenhalter 10 mit seinem Griffelement 19 und seiner Vorderfläche aufliegt, wenn er im Magazinplatz 13 angeordnet und gehalten ist.
Der Rahmen 20 umfaßt einen Grundrahmen 20a, der einen Hauptrahmen 20b und im Abstand dazu die Stützschiene 20d trägt, und einen Kopfrahmen 20c, der auf dem Hauptrahmen 20b gehalten ist.
Die Ausgestaltung der Haltevorrichtung 14, also die Ausgestaltung ihrer Greif- und Stützelemente hängt wesentlich von der Ausgestaltung des verwendeten Linsenhalters 10 ab und kann in vielfältiger Weise variiert werden. Zum Beispiel ist es auch denkbar, zum Erfassen des Griffelements 19 eine Greif- und Fixierzange einzusetzen. Auch als Ver- und Entriegelungsvorrichtung 15, die schematisch als in Richtung des Doppelpfeils C verschiebbarer Stift dargestellt ist, kann eine an die jeweils zum Verriegeln und/oder Befestigen des Linsenhalters 10 am Anschlußkopf 11 vorgesehenen Mittel angepaßte Betätigungsvorrichtung zum Einsatz kommen.
Um eine Justierung der Fokussieroptik 9 relativ zum Linsenhalter 10 in Abhängigkeit von den Ergebnissen der einzelnen Lagemessungen automatisch durchführen zu können, ist an dem mit der Überwachungsvorrichtung 24 ausgerüsteten Magazinplatz 13 eine Stellvorrichtung 32 angeordnet, die Betätigungsmittel 33 aufweist, mit denen entsprechende Stellmittel zum Verstellen der Fokussieroptik 9 in x-, y-, und z-Richtung relativ zum Linsenhalter 10 betätigt werden können.
Um auch eine am Anschlußkopf 11 angebrachte Schneiddüse 21 am selben Magazinplatz 13 vom Anschlußkopf 11 abzunehmen oder an diesem anzubringen wie den Linsenhalter 10, weist jeder Magazinplatz 13 als Haltevorrichtung zum Ergreifen und Halten der Schneiddüse 21 einen Klemm-Mechanismus auf, zum Beispiel einen Greifer 22 mit mehreren, insbesondere drei Greifarmen 23. Die Greifarme 23, die umfangsmäßig verteilt am Außenumfang der Schneiddüse 21 angreifen können, sind in Richtung der Doppelpfeile A zwischen einer Greif- und einer Freigabestellung verschwenkbar. Um die Schneiddüse 21 vom Anschlußkopf 11 zu lösen oder an diesem zu befestigen, kann der Greifer 22 um eine vertikale Achse in beiden Drehrichtungen gedreht werden, wie in der Zeichnung durch den Doppelpfeil A' angedeutet ist. Der Klemm-Mechanismus 22 kann auch in anderer Weise ausgebildet sein, um die Schneiddüse 21 zu ergreifen bzw. klemmend zu halten.
Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, ist bei der erfindungsgemäßen Wechseleinrichtung an einem der Magazinplätze 13, in Fig. 1 an dem am weitesten rechts gelegenen Magazinplatz 13 eine optische Überwachungseinrichtung 24 vorgesehen, die eine Kamera 25 mit einem entsprechenden, im folgenden als Kameraoptik 29 bezeichneten Opjektiv als Empfängereinrichtung, Lichtquellen 26, einen Meßobjektwechsler 27 und eine mit der Kamera 25 verbundene Auswerteeinheit 28 aufweist. Anstelle einer Kamera könnte auch eine Photodiode oder eine Gruppe davon oder andere photoempfindliche Empfänger vorgesehen sein, denen vorzugsweise eine Abbildungsoptik zu geordnet wird, um ein definiertes Beobachtungsfeld festzulegen.
Der Meßobjektwechsler 27 ist dabei in einem solchen Abstand von der Kamera 25 angeordnet, daß zwischen der Kamera 25 und dem Meßobjektwechsler 27 ein Linsenhalter 10 mit Fokussieroptik 9 angeordnet werden kann. Grundsätzlich können die Lichtquellen 26 seitlich von der Kamera 25 angeordnet sein, um eine Beobachtung einer Fokussieroptik 9 im Auflicht zu ermöglichen. Vorzugsweise sind jedoch die Lichtquellen 26 im Bereich des Meßobjektwechslers 27 so angeordnet, daß eine vollständige Ausleuchtung der zu beobachtenden Fokussieroptik 9 ermöglicht wird. Die Ausleuchtung kann dabei kontinuierlich oder mit Hilfe eines Abtaststrahls erfolgen, der die zu beobachtende Fläche zeilen- oder spaltenweise überstreicht.
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, ist die Kamera 25 so im Bereich eines Magazinplatzes 13 angeordnet, daß die optische Achse OA der Kameraoptik 29so zu einem im Magazinplatz 13 gehaltenen Linsenhalters 10 angeordnet ist, wie die optische Achse eines Laserbearbeitungsstrahlengangs, wenn der Linsenhalter 10 im Anschlußkopf 11 gehalten ist. Der unterhalb des Aufnahmebereichs für einen Linsenhalter 10 am Magazinplatz 13 angeordnete Meßobjektwechsler 27 umfaßt eine schematisch angedeutete Lichtquelle 30, die vorzugsweise als Punktlichtquelle ausgebildet ist, und ein Gitter 31, das sich schräg zur optischen Achse der Kameraoptik 29 erstreckt. Die Lichtquelle oder -quellen 26, von denen in Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber nur eine dargestellt ist, kann bzw. können ebenfalls in nicht näher dargestellter Weise am Meßobjektwechsler 27 oder separat davon im Bereich des Magazinplatzes gehalten sein.
Der Meßobjektwechsler 27 kann wie in Fig. 1 rein schematisch angedeutet ist, eine Schwenkeinrichtung sein, mit der wahlweise das Gitter 31 oder die Lichtquelle 30 in den Beobachtungsbereich eingebracht werden kann. Anstelle einer Schwenkeinrichtung kann auch eine lineare Verschiebevorrichtung vorgesehen sein, die die automatische Anordnung von Lichtquelle 30 oder Gitter 31 im Beobachtungsbereich der Kamera 25 ermöglicht.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemäße Wechseleinrichtung nur eine Überwachungseinrichtung an einem der Magazinplätze auf. Es ist jedoch auch denkbar, daß die Überwachungeinrichtung 24 verschiebbar am Rahmen 20 der Wechseleinrichtung angeordnet ist, so daß sie zu jedem der Magazinplätze 13 gefahren werden kann. Ferner ist es auch möglich, jedem Magazinplatz eine eigene Überwachungsvorrichtung 24 zuzuordnen. Darüberhinaus ist es denkbar, die Überwachungsvorrichtung 24 fest an einem Wechseleinrichtungsgestell anzuordnen, während die Magazinplätze 13 beispielsweise revolverartig verschoben werden können, so daß jeder Magazinplatz 13 in den Bereich der Überwachungsvorrichtung 24 bewegbar ist.
Die für die Justierung der Fokussieroptik 9 im Linsenhalter 10 vorgesehene Stellvorrichtung 32 kann, falls eine verfahrbare Überwachungvorrichtung 24 vorgesehen ist, ebenfalls verfahrbar am Rahmen 20 vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, daß jedem Magazinplatz eine eigene Stellvorrichtung 32 zum Justieren der Fokussieroptik 9 zugeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Wechselvorrichtung arbeitet in folgender Weise.
Soll nach einem Bearbeitungszeitraum die Fokussieroptik 9 eines Anschlußkopfes 11 gewechselt werden, so wird der Anschlußkopf 11 vom Bearbeitungsarm 12 der Portalanlage zunächst zu dem Magazinplatz 13 der Wechseleinrichtung geführt, an dem die Überwachungsvorrichtung 24 angeordnet ist. Der Anschlußkopf 11 wird in eine Position am Magazinplatz 13 bewegt, in der der Linsenhalter 10 mit seiner Frontfläche und der Unterseite seines Griffelements 19 auf der Stützschiene 20d aufliegt und in der er von der Fixiereinrichtung 16 fest im Magazinplatz 13 gehalten wird. Daraufhin kann der Anschlußkopf 11 aus dem Magazinplatz 13 herausbewegt werden, so daß der Linsenhalter 10 mit der Fokussieroptik 9 vom Anschlußkopf 11 abgenommen und so im Magazinplatz 13 gehalten ist, daß die gewünschte oder geforderte optische Überwachung und gegebenenfalls die Justierung der Fokussieroptik 9 durchgeführt werden kann.
Wie in Fig. 3 gezeigt, wird zum Erkennen von Schmutzpartikeln auf den optischen Flächen der Fokussierungsoptik 9 diese mit Hilfe der beiden Lichtquellen 26 bestrahlt. Anstelle der beiden dargestellten Lichtquellen 26 können auch mehr über den Umfang gleichmäßig verteilte Lichtquellen vorgesehen sein, um eine gleichmäßigere Ausrichtung der Fokussieroptik 9 zu erreichen. Bei der in der Zeichnung dargestellten Anordnung ist die Unterseite der Fokussieroptik die Fläche, die dem Werkstück im Bearbeitungsbetrieb zugewandt und deshalb für die Erkennung von Verschmutzungen relevant ist.
Mit der Kamera 25, die von oben durch die Fokussieroptik hindurchblickt, wird in einer Art Durchlichtverfahren die von unten beleuchtete Unterseite der Fokussieroptik 9 beobachtet. Dabei wird das von der beleuchteten Fläche kommende Licht erfaßt. Je nach der speziellen Auslegung der Beleuchtung kann in einer Art Hellfeldverfahren das reguläre Beleuchtungslicht beobachtet werden, das infolge von Verschmutzungen an der Unterseite der Fokussieroptik gestreut wird, so daß die Verschmutzungen sich als mehr oder weniger dunkle Flecken darstellen. Ferner kann in einer Art Dunkelfeldverfahren das von den Verschmutzungen in Richtung der Kamera gestreute Licht beobachtet werden, wobei sich die Verschmutzungen als mehr oder weniger helle Flecken darstellen. Das auf diese Weise aufgenommene Beleuchtungs- oder Streulicht wird dann in der Auswerteeinheit mit Hilfe einer Bildverarbeitung ausgewertet, um auf den Verschmutzungsgrad bzw. den Verschleißgrad der Fokussieroptik schließen zu können.
Zusätzlich ist es denkbar, daß die Kamera 25 nacheinander auf verschiedene Flächen und/oder Elemente der Fokussieroptik eingestellt wird, um darüber hinaus Risse, Sprünge oder andere Beeinträchtigungen der Fokussieroptik erkennen zu können.
Eine vollständige Ausleuchtung der Fokussieroptik muß dabei nicht gleichzeitig realisiert werden, sondern kann auch mit Hilfe eines Abtaststrahls erfolgen, wobei bei geeigneter Auswertung die Verschmutzungen sowohl in einer Hell- als auch in einer Dunkelfelddarstellung ermittelt werden können.
Nach dem Feststellen des Verschleiß- und/oder Verschmutzungsgrades der Fokussieroptik wird eine Lageüberprüfung durchgeführt, die jedoch nur dann sinnvoll ist, wenn die Fokussieroptik keine wesentlichen Verschmutzungen und keinen wesentlichen Verschleiß zeigt.
Bei der Lageerfassung wird zunächst die Linsenposition in Querrichtung zur optischen Achse OA festgestellt. Hierzu wird zunächst, wie in Fig. 4 rein schematisch angedeutet ist, als Meßobjekt eine Punktlichtquelle 30 in Blickrichtung der Kamera 25 hinter der Fokussieroptik 9 im Linsenhalter 10 auf der optischen Achse OA der Kameraoptik 29 angeordnet. Als Meßobjekt ist aber auch jedes andere als Zieleinrichtung geeignete Objekt, z. B. ein Fadenkreuz oder dergleichen denkbar. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in der Zeichnung, insbesondere in den Fig. 4 und 5, die optische Wirkung von zu prüfender Fokussieroptik 9 und abbildender Kameraoptik 29 so dargestellt, als wenn die zu prüfende Fokussieroptik 9 und die abbildende Kameraoptik 29 eine Einzellinse am Ort der zu prüfenden Fokussieroptik 9 bilden. Beim tatsächlichen Aufbau erzeugt jedoch die zu prüfende Fokussieroptik 9 ein reales Bild des Meßobjektes, das von der Kameraoptik 29 in deren Empfängerebene abgebildet wird. Vorzugsweise wird das Meßobjekt von der zu prüfenden Fokussieroptik 9 nach Unendlich abgebildet, d. h. daß das Licht einer Punktlichtquelle von der zu prüfenden Fokussieroptik 9 kollimiert wird, um dann von der auf unendliche Entfernung eingestellten Kameraoptik 29 auf deren Empfänger abgebildet zu werden.
Ist die optische Achse OA_F der Fokussieroptik 9 gegenüber der optischen Achse OA der Kameraoptik 29 versetzt, die der optischen Achse des Laserbearbeitungsstrahlengangs im Anschlußkopf entspricht, so wird die Punktlichtquelle 30 entsprechend dem Versatz der optischen Achsen gegeneinander verschoben in die Empfangsebene der Kamera 25 abgebildet, was von der nachfolgenden Bildverarbeitung erkannt wird. Der Linsenversatz kann nach Betrag und Richtung ermittelt werden, um entsprechende Steilsignale zum Justieren der Fokussieroptik 9 in x- und y-Richtung an die Stellvorrichtung 32 zu liefern. Die Verstellung der Fokussieroptik zur Justierung kann dabei fortlaufend überwacht werden, so daß auch mit einer relativ einfachen Stellvorrichtung eine hohe Justiergenauigkeit erreicht werden kann.
Als letztes wird dann die Lage der Fokussieroptik in z-Richtung, also in Richtung der optischen Achse OA festgestellt. Hierzu wird das Gitter 31 oder ein anderes schräg zur optischen Achse OA angeordnetes Meßobjekt mit geeigneter Struktur zum Erkennen unterschiedlicher Schärfebereiche auf der optischen Achse hinter der Fokussieroptik 9 angeordnet, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Die Darstellung in Fig. 5 ist in gleicher Weise vereinfacht, wie die von Fig. 4. Je nach der Lage des Brennpunktes der Fokussieroptik 9 relativ zum Gitter 31 wird ein entsprechender seitlich der optischen Achse OA liegender Bereich des Gitters scharf abgebildet.
Trifft der Schnittpunkt des Gitters 31 mit der optischen Achse mit dem Brennpunkt der Fokussieroptik 9 zusammen, so wird der Zentralbereich des Gitters 31 scharf abgebildet. Liegt der Brennpunkt der Fokussierlinse 9 jedoch in Blickrichtung der Kamera gesehen hinter dem Gitter, so wird ein in der Zeichnung links von der optischen Achse OA liegender Bereich des Gitters 31 scharf gesehen, während in dem Fall, in dem der Brennpunkt der Fokussieroptik 9 vor dem Gitter 31 liegt, ein rechts der optischen Achse OA liegender Bereich des Gitters 31 scharf abgebildet wird. Der Abstand des scharf abgebildeten Gitterbereichs von der optischen Achse ist dabei proportional zur Verschiebung des Brennpunkt gegenüber seiner Sollage, in der der Schnittpunkt der optischen Achse OA mit dem Gitter 31 angeordnet ist.
Auf der Grundlage der Gitterabbildung läßt sich dann in der Auswerteeinheit 28 mit Hilfe der Bildverarbeitung ein entsprechendes Bildsignal erzeugen, um die Fokussieroptik 9 in Richtung der optischen Achse so einzustellen, daß ihr Brennpunkt die gewünschte Position einnimmt.
Nach der Überprüfung und dem Justieren der Fokussieroptik kann der Linsenhalter 10 an einen anderen freien Magazinplatz 13 versetzt werden, wenn die erfindungsgemäße Wechseleinrichtung nur mit einer einzigen ortsfest am Rahmen 20 angeordneten Überwachungsvorrichtung 24 ausgerüstet ist.
Ist jedoch die Überwachungsvorrichtung verfahrbar oder ist jeder Magazinplatz 13 mit einer Überwachungsvorrichtung 24 ausgerüstet, so kann der Linsenhalter in dem entsprechenden Magazinplatz verbleiben.
Ist der Linsenhalter jedoch auf einen anderen Magazinplatz 13 umzusetzen, so wird er vom Anschlußkopf 11 oder einer Umsetzeinrichtung (nicht dargestellt) vom Magazinplatz 13 abgenommen und zu dem Magazinplatz bewegt, in dem er bis zum nächsten Einsatz verbleibt. Wird hierzu der Anschlußkopf 11 verwendet, so kann bei der dargestellten erfindungsgemäßen Wechseleinrichtung auch die Schneiddüse 21 vom Anschlußkopf 11 am selben Magazinplatz 13 gelöst und dort gehalten werden. Nach dem Absetzen des Linsenhalters 10 und der Schneiddüse 21 im Magazinplatz 13 fährt der Anschlußkopf 11 zu einem anderen Magazinplatz 13, an dem eine für die folgende Bearbeitung geeignete Fokussieroptik 9 mit der dazugehörigen Schneiddüse 21 bereitgehalten wird. Hier wird nun in umgekehrter Reihenfolge zunächst der Linsehalter 10 in den Anschlußkopf 11 eingesetzt, mit Hilfe der Ver- und Entriegelungsvorrichtung 15 am Anschlußkopf 11 verriegelt, und von der Haltevorrichtung 14 freigegeben, in dem die Fixierstifte 17 der Fixiereinrichtung 16 aus den Löchern 18 des Griffelement 19 herausgezogen werden. Gleichzeitig mit dem Einsetzen des Linsenhalters 10 wird von unten mit Hilfe des Greifers 22 die entsprechende Schneiddüse 21 angebracht.
Nachdem auch die Greifarme 23 von der Schneiddüse 21 gelöst sind, ist der mit neuer Fokussieroptik 9 und Schneiddüse 21 ausgerüstete Anschlußkopf 11 für eine weitere Laserbearbeitung eines Werkstücks bereit. Es wird auf diese Weise ermöglicht, daß die Laseranlage genutzt werden kann, während parallel dazu eine Fokussieroptik in einem anderen Linsenhalter untersucht und überprüft wird. Da die Fokussieroptiken bei der Laserbearbeitung häufig gewechselt werden, kann auf diese Weise der zunehmende Verschmutzungsgrad oder eine Verschiebung der Fokussieroptik während des Betriebs der Laseranlage automatisch erkannt werden und bei entsprechender Ausrüstung der Wechseleinrichtung kann die Verschiebung der Fokussieroptik automatisch korrigiert werden.
Wird bei der Überprüfung festgestellt, daß ein Austausch oder eine Reinigung der Fokussieroptik 9 erforderlich ist, so kann dies zum Beispiel über eine entsprechende Anzeigevorrichtung beispielsweise durch eine rote Leuchtdiode oder dergleichen angezeigt werden.
Die vorliegende Erfindung schafft somit eine Wechseleinrichtung und ein Verfahren zum Untersuchen einer Fokussieroptik mit der die Überwachung und/oder Justierung einer Fokussieroptik außerhalb der Laserbearbeitungsanlage erfolgen kann.

Claims

1. Wechseleinrichtung für einen Linsenhalter (10) eines Anschlußkopfes (11) zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, mit wenigstens zwei Magazinplätzen (13), an denen jeweils zumindest ein Linsenhalter (10) ergriffen und gehalten werden kann, wobei zur Kontrolle einer im Linsenhalter (10) angeordneten Fokussieroptik (9) für die Laserbearbeitung an wenigstens einem der Magazinplätze (13) eine optische Überwachungsvorrichtung (24) vorgesehen ist, die eine Empfängereinrichtung (25) umfaßt, die ein laseraustrittseitig liegendes Objekt beobachtet.

2. Wechseleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfängereinrichtung eine auf der Lasereintrittseite eines im Magazinplatz (13) gehaltenen Linsenhalters (10) angeordnete Kamera (25) vorgesehen ist, die in Arbeitsstrahlrichtung durch die Fokussieroptik (9) hindurch blickt.

3. Wechseleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Seite eines im Magazinplatz (13) gehaltenen Linsenhalters (10) zumindest eine Lichtquelle vorgesehen ist, die die Fokussieroptik (9) bestrahlt, so daß an den optischen Flächen der Fokussieroptik, insbesondere an der laseraustrittseitig letzten optischen Fläche gestreutes Licht von der Empfängereinrichtung (25) erfaßt werden kann.

4. Wechseleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Seite eines im Magazinplatz (13) gehaltenen Linsenhalters (10) mehrere Lichtquellen vorgesehen sind, die in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind, um eine vollständige Ausleuchtung der Fokussieroptik (9) zu ermöglichen.

5. Wechseleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle oder Lichtquellen (26) auf der Laseraustrittseite eines im Magazinplatz (13) gehaltenen Linsenhalters (10) angeordnet sind.

6. Wechseleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Laseraustrittseite der Fokussieroptik (9) eines im Magazinplatz (13) gehaltenen Linsenhalters (10) eine Lichtquelle, vorzugsweise eine Punktlichtquelle vorgesehen ist, die auf der optischen Achse einer Kameraoptik (29) der Empfängereinrichtung (25) angeordnet werden kann.

7. Wechseleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Laseraustrittseite der Fokussieroptik (9) eines im Magazinplatz (13) gehaltenen Linsenhalters (10) ein Meßobjekt vorgesehen ist, das so im Bereich der optischen Achse einer Kameraoptik (29) der Empfängereinrichtung (25) angeordnet werden kann, daß es sich sowohl in Richtung der optischen Achse als auch quer dazu erstreckt.

8. Wechseleinrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt und die Lichtquelle wahlweise im Bereich der optischen Achse der Kameraoptik angeordnet werden können.

9. Wechseleinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt ein Gitter ist, daß unter einem vorbestimmten Winkek schräg gegen die optische Achse der Kameraoptik (29) geneigt ist.

10. Wechseleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Überwachungsvorrichtung (24) eine am selben Magazinplatz angeordnete Stellvorrichtung (32) zugeordnet ist, die in Abhängigkeit von der von der Überwachungsvorrichtung (24) erfaßten Lage der Fokussieroptik (9) diese justiert.

11. Verfahren zur Kontrolle einer Fokussieroptik für die Laserbearbeitung, die in einem Linsenhalter (10) angeordnet ist, durch den die optische Achse eines Laserbearbeitungsstrahlengangs einer Laserbearbeitungsanlage definiert hindurch verläuft, wenn der Linsenhalter (10) in die Laserbearbeitungsanlage eingesetzt ist, bei dem
mit einer Empfängereinrichtugn (25) ein laseraustrittseitig liegendes Objekt beobachtet wird und
das vom beobachteten Objekt kommende Licht aufgezeichnet und ausgewertet wird, um eine Eigenschaft der Fokussieroptik (9) zu untersuchen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beobachtung des laseraustrittseitig liegenden Objekts eine auf der Lasereintrittseite des Linsenhalters (10) angeordnete Kamera (25) eingesetzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussieroptik von der Laseraustrittseite des Linsenhalters (10) her so bestrahlt wird, daß an den optischen Flächen der Fokussieroptik (9), insbesondere an der laseraustrittseitig letzten optischen Fläche gestreutes Licht von der Kamera erfaßt werden kann, um einen Verschmutzungs- und/oder Verschleißgrad der Fokussieroptik (9) zu ermitteln.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahltung der Fokussieroptik von der Laseraustrittseite Linsenhalters (10) her mit mehreren Lichtquellen erfolgt, die in Umfangsrichtung gleichmäßig um die optische Achse des Laserbearbeitungsstrahlengangs herum angeordnet sind, um eine vollständige Ausleuchtung der Fokussieroptik (9) zu erzielen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
auf der Laseraustrittseite der Fokussieroptik eine Lichtquelle, vorzugsweise Punktlichtquelle auf der optischen Achse der Kameraoptik angeordnet wird,
die Lichtquelle mittels der Kamera aufgenommen wird, und
die Lage des Bildes der Lichtquelle relativ zur optischen Achse der Kameraoptik festgestellt wird, um eine seitliche Verschiebung der optischen Achse der Fokussieroptik (9) relativ zur optischen Achse des Laserbearbeitungsstrahlengangs festzustellen.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß
auf der Laseraustrittseite der Fokussieroptik (9) ein Meßobjekt so im Bereich der optischen Achse der Kameraoptik angeordnet wird, daß es sich sowohl in Richtung der optischen Achse als auch quer dazu erstreckt,
das Meßobjekt mittels der Kamera abgebildet wird, und
das dabei vom Meßobjekt erhaltene Bild ausgewertet wird, um die Lage des Brennpunktes der Fokussieroptik (9) in Richtung der optischen Achse relativ zur Kassette festzustellen.

17. Verfahren nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt und die Lichtquelle einzeln nacheinander im Bereich der optischen Achse der Kameraoptik angeordnet werden, um die Einbaulage der Fokussieroptik (9) im Linsenhalter (10) sowohl in radialer als auch in axialer Richtung zu überprüfen.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßobjekt ein Gitter verwendet wird, das unter einem vorbestimmten Winkel schräg gegen die optische Achse der Kameraoptik geneigt angeordnet wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Fokussieroptik (9) im Linsenhalter (10) in Abhängigkeit von ihrer von der Überwachungsvorrichtung (24) erfaßten Ist- Lage eingestellt wird, um die Fokussieroptik (9) zu justieren.