专利名称：用于检测激光束在物体的棱边上的接触点的方法和激光加工机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测聚焦的脉冲激光束在物体棱边上的接触点的方法，该棱边优选地形成在物体的孔上，还涉及一种具有位于激光加工头上的激光加工喷嘴的激光加工机。
背景技术：
在激光加工机中，需要尽可能精确地识别激光束在激光加工喷嘴内部
的实际位置(XY位置)和激光束相对于工件表面的聚焦位置(Z位置)或者使激光束对准，也就是说将激光束定位在相对于喷嘴孔和/或相对于工件表面的应有位置上。为此可以检测激光束在喷嘴孔的棱边上的接触点 或者在其它的适当定位的物体的棱边上的接触点。
激光束相对于激光加工喷嘴的应有位置通常位于喷嘴孔的中心。在现有技术中，所述对准通常人工地进行。为此，在喷嘴孔上粘贴胶带并且用小的激光功率在胶带上烧出一个小孔。射束位置从喷嘴中心的偏移通过肉眼和放大镜来确定。带有校准螺钉的相应的定位单元被用于修正射束位置，借助该定位单元能够在X方向和Y方向上改变激光束在喷嘴孔的与喷嘴轴线成直角地延伸的XY平面中的位置。该过程是不精确的、耗时的并且由于需要人工干预而不适合自动化的工艺流程。
由US 5， 574， 225和JP 04295711 A已知用于借助两个或者更多的声学传感器来确定脉冲激光束的位置的装置和方法，这些声学传感器具有相对于板状的光学元件的精确位置，该板状的光学元件设置在射束通路上。该脉冲激光束通过光声效应在光学元件中激发出声波，该声波被声学传感器检测到。时间上错置地进入到这些声学传感器中的信号的相位差用作激光束相对于延伸经过光学元件的中心的光学轴的偏差的尺度。为了射束的准确对准，在US 5, 574， 225和JP 04295711 A中描述的装置需要这些声学传感器的非常精确的定位。为了确定激光束的聚焦位置，即射束焦点相对于工件表面的位置，已
知了各种不同的方法。在JP 63108985 A中描述了一种应用光声效应的方法。在激光加工机的激光加工头沿着射束的传播方向运动时，工件上的射束直径发生变化。原则上，工件上的射束直径小，则产生的声学信号的强度就大，反之亦然。如果焦点落在工件的平面中，则材料表面上的激光斑点的直径最小且光声信号的强度最大。如果在分析处理声学信号时检测到最大强度，则焦点位于工件的平面中并由此确定聚焦位置。
发明内容
本发明的目的是提供一种开头所述类型的方法和激光加工机，其允许检测激光束在一个优选形成于激光加工喷嘴的或工件的孔上的棱边上的接触点并由此允许以简单且可自动化的方式使激光束对准。
按本发明，该目的通过包括以下步骤的方法实现a)使激光束相对于
一棱边在至少一个空间方向上优选与激光束轴成直角地运动，直至所述激光束扫过所述棱边，b)测量在激光束的运动过程中由所述激光束光声地产
生的声学振动，和c)通过分析处理测得的声学振动来检测所述激光束在所
述棱边上的接触点。接触点的位置坐标随后可以存储在存储装置中，该存储装置例如构造在控制单元中。
为了检测激光束的接触点，按本发明利用了光声效应。沿着基本上与
喷嘴轴线的方向相应的传播方向(Z方向)穿过喷嘴孔的脉冲激光束在喷嘴体中的孔内部或者向着棱边或者说在(测试)工件的孔内部在与该传播方向垂直的平面(XY平面)中移动，直到该激光束出现在通常金属的喷嘴体或者工件上并且在那里产生一个声波，该声波可以被声学传感器、优选麦克风接收。因此，对于按本发明的方法，只需要一个传感器，该传感器的精确定位并不起决定性作用。通过按本发明的方法确定激光束在棱边上的接触点的坐标。此外，在知道激光束运动之前起始点的位置坐标的情况下，确定激光束直到接触到棱边时的路程，由此也确定了射束在XY平面中的延伸尺寸。
如果在调节了激光束在激光束轴的方向(Z方向)上的聚焦位置之后重新执行按本发明的方法，则允许通过多次重复来确定激光束相对于棱边在Z方向上的形状(射束焦散)和最小的射束直径的位置。以这种方式检
7测激光束相对于激光加工喷嘴的孔或者相对于工件的聚焦位置。
在按本发明的方法的一种优选变型中，为了检测在棱边上的接触点，
与位置相关地测量在棱边的边缘上在侧沿中(Flanken)上升的振动功率并且使所述接触点对应于最大振动功率的给定的百分比，例如50%。在理想情况下，只要激光束无接触地通过孔或者从棱边旁经过，则麦克风接收不到任何信号。只有当激光束开始擦过孔的边缘并由此擦过棱边时，随着接触份额的增加，观察到的信号强度上升，这可作为特征曲线中的侧沿识别，在该特征曲线中，声学功率与位置相关地分布。
在按本发明的方法中，激光束优选这样地运动，使得该激光束在第一空间方向上、例如在X方向上完全扫过所述孔，g口，该激光束出现在喷嘴体上或者工件上的相对置的两个接触点上，这可以通过声学信号的上升(信号侧沿)确定。激光束在此优选沿着第一空间方向上的线运动。替代地，也可以使激光束沿着圆形轨迹或者其它的曲线相对于孔运动，直到该激光束出现在喷嘴体或者工件上的两个相对置的接触点上。在这种情况下，第一空间方向(在该第一空间方向上确定实际位置或应有位置)被确定为这样的线，该线使所述两个接触点彼此相连。
如上所述，可以借助于测得的声学信号在第一空间方向上检测所述两个接触点。在知道激光束相对于孔运动过程中的接触点和运动轨迹时，可以确定激光束相对于孔的实际位置。替代地或者附加地，在知道接触点的情况下，也可以确定激光束的应有位置，该应有位置通常落在这两个接触点之间的中心，因为通常希望激光束在所述孔中定心地对准。显然，以上述方式不仅可以确定X方向上的而且可以确定Y方向上的实际位置或应有位置。如果已知两个方向上的应有位置，则激光束可以对准在孔的中心中，优选地也对准在喷嘴中心中。
在一种有利的变型中，在确定了优选位于两个接触点之间的中心中的应有位置之后，激光束运动到该应有位置。因此，在确定了两个方向上的应有位置的情况下，激光束可以定位在喷嘴中心中。在运动到喷嘴中心之前，首先根据上述方法确定XY平面的两个空间方向上的相应应有位置。但是，优选地，首先确定X方向上的应有位置并且随后在X方向上使激光束在孔中定心。之后才确定Y方向上的应有位置并且在该方向上对激光束定心。由此保证在例如圆形的孔的情况下，该孔在Y方向上的总直径用于确定应有值，由此可以提高在检测接触点时的精度并且由此可以提高在
确定Y方向上的应有值时的精度。
尤其地，如果在确定X方向上的应有值之前激光束被定位在孔的边缘 附近，以至于检测到的两个接触点相互间在X方向上具有小的间距，则为 了提高所述精度，可以在激光束运动到Y方向上的应有位置中之后重新确 定X方向上的应有位置。在再次确定X方向上的应有位置时，在例如圆形 孔的情况下，这两个接触点之间有较大的间距供使用，这提高了在确定应 有位置时的精度。显然，第二方向并不一定必须与第一方向成直角地延伸。 而是这两个方向也可以相互间具有例如120°或60°的角度并且不必与激 光加工机的运动轴线(X或Y)重合。
在知道两个接触点的情况下，要么可以确定孔的直径，优选是喷嘴孔 的直径，要么可以在已知孔直径的情况下由激光束从运动起始点至相对置 的接触点的相应运动路程确定激光束在第一空间方向上的直径。
在一种有利的变型中，从这两个接触点之间在第一空间方向上的间距 和另外两个接触点之间在第二空间方向上的间距确定孔的横截面尺寸。尤 其是在圆形的喷嘴孔的情况下，以这种方式可以确定孔直径。因此，按本 发明的方法作为喷嘴更换之后的可信性控制使用，其中，引入了用于使测 得的值与实际直径相关的标定测量。
在另一种有利的变型中，激光束相对于位置固定的棱边运动，其中， 要么激光加工头运动，要么优选地一个设置在射束通路上的光学聚焦装置 尤其是自动地倾斜和域横向于激光束移动，禾口/或，至少一个在射束通路上 设置在所述棱边前面的转向镜尤其是自动地倾斜或者改变所述转向镜的曲 率半径。在横向于激光束移动的过程中，光学聚焦装置在垂直于其光学轴 的平面中运动。替代地或附加地，激光束的运动可以通过例如光学聚焦装 置之前的最后一个或倒数第二个转向镜的倾斜进行，或者，在激光束保持 位置固定的情况下可以移动喷嘴体。为了使激光束焦点沿着激光束轴(在Z 方向上)运动，优选的是改变设置在光学聚焦装置前面的转向镜的曲率半 径。
在另一种特别有利的变型中，所述振动借助至少一个声学传感器、优 选麦克风测量。该麦克风如此地定向，使得其尽可能只接收光声地产生的 声学信号。该麦克风要么接收来自喷嘴体或工件本身的固体声，要么接收
9来自空气的声学信号。测量装置将麦克风输出的电压信号转换成数字信号。
由数字信号计算出频普(傅里叶分析)并且表示为与频率相关的功率(FFT 功率)。一个或多个其它的声学传感器可以设置用于控制测量或者用于改善 精度。
在一种优选的变型中，在分析处理测得的振动的过程中，将该振动的 特性与脉冲激光束的特征量进行比较。在这种情况下，将测得的振动的特 性、尤其是频率和相位与脉冲激光束的脉冲宽度、脉冲频率和相位比较， 以便排除错误测量(例如来自驱动装置的干扰噪声)。
在另一种优选的变型中，所述运动和测量在保护气体下进行。为了保 护光学聚焦装置和喷嘴体，在此可以产生保护气体流动，其中，作为保护 气体使用例如氮气。保护气体即便在高的激光功率、尤其是工作功率的情 况下也允许执行测量，以至于也可以控制对射束通路中在喷嘴之前的光学 元件的热变化的影响，并且，尤其是可以控制射束位置与光学轴的偏差。
在一种特别有利的变型中，测得的振动由一个在射束通路中设置在喷 嘴体之后的、优选板状的物体(工件)产生。如果激光束在喷嘴孔的XY 平面上移动并且出现在喷嘴孔的边缘上，则在板状物体上可供使用的激光 功率小。这导致在该物体中产生的声学信号的强度减弱。显然，在这种情 况下，在喷嘴体内产生的声学信号必须被屏蔽，以便能够通过声学传感器 仅仅测量到由板状物体产生的信号。
在该变型的一种有利的扩展方案中，为了确定激光束的聚焦位置，即 为了确定焦点和工件平面之间的间距，激光束的焦点和板状物体之间沿着 激光束的传播方向的间距发生变化，如由JP 63108985 A在原理上所公开的 那样。在物体沿着传播方向运动的过程中，板状物体上的聚焦直径变化。 通常，物体上的聚焦直径小会导致所产生的声学信号的强度高，反之亦然。 如果焦点落在物体的平面中，则材料表面上的激光斑点的直径最小且光声 信号的强度最大。如果在分析处理声学信号时检测到最大强度，则聚焦位 置位于板状物体的平面中，由此确定了聚焦位置。以这种方式确定的聚焦 位置可以与给定的应有聚焦位置比较，该应有聚焦位置通常这样地选择， 使得焦点落在工作平面或工件平面中。如果给定的应有聚焦位置和借助测
量检测到的聚焦位置相互偏离，则可以借助测量结果修正聚焦位置。
为了改变聚焦位置并由此改变物体上的聚焦直径，存在以下可能性-用于激光束的光学聚焦装置和/或板状物体可以在激光束的传播方向上行
进。替代地或附加地，整个激光加工头在z方向上行进，而板状物体静止。
但是优选的是，调节一个在射束通路上在喷嘴体前面的适应性的转向镜。 这样的适应性的转向镜例如在其背面被水冲刷。通过不同的水压来改变该 镜的曲率半径并且由此改变焦点。
在另一种优选的扩展方案中，板状物体的材料被这样地选择，使得该 材料比喷嘴体的材料吸收的激光功率多。如果为板状物体使用一种比喷嘴 体的通常金属的材料吸收更多能量的材料，例如陶瓷，则声学信号被加强 并且可以以更小的激光功率执行所述测量，以至于喷嘴体遇到的功率小并 且由此得到保护。
按本发明的方法也能够实现激光束在激光加工喷嘴中的定心，以及检 测和调节激光束相对于激光加工喷嘴或者(测试)工件的聚焦位置。当声 学信号直接在喷嘴孔的边缘上产生时，该方法允许仅借助于激光加工喷嘴 作为测量目标进行定心以及调节聚焦位置。以这种方式不必为了测量而强 制性地在射束通路中插入一个特别的物体。
在一种激光加工机中实现了本发明，该激光加工机包括位于激光加 工头上的激光加工喷嘴，脉冲的、聚焦的激光束穿过该激光加工喷嘴的孔， 其中，激光束和所述孔可相对于彼此在至少一个空间方向上与激光束轴成 直角地运动，直到所述激光束扫过一个物体的棱边，所述棱边优选地形成
在所述物体的孔上；至少一个声学传感器、优选麦克风，用于测量在所述 激光束的运动过程中光声地产生的声学振动；和分析处理装置，该分析处 理装置被设计成通过分析所测得的振动来检测所述激光束在所述棱边上的 接触点。
在一种优选的实施形式中，激光加工机还包括一个优选自动化的运动 装置，用于使在射束通路中设置在所述喷嘴体前面的光学聚焦装置倾斜和/ 或横向于所述激光束移动。该移动可以例如借助步进电机发生，由此同时 提供关于运动路程的信息。
在另一种有利的实施形式中，该运动装置设置在激光加工机的激光加 工头中或者在激光加工机的校准站上，所述激光加工头被带到所述校准站 中，以便确定所述激光束在所述孔中的实际位置或应有位置和/或应有聚焦 位置并且能够使所述激光束运动到所述应有位置和/或应有聚焦位置。在第
ii一种情况下，用作运动装置的步进电机直接安装在激光加工头上在通常的 校准螺钉的位置处，使得能够实现激光束相对于喷嘴边缘的自动对准。在 后一种情况下，步进电机位于调节主轴上，该调节主轴耦接在位于校准位 置的校准站中，激光加工机能够行进到该校准站中以调节射束位置。
在一种优选的实施形式中，激光加工机还具有一个优选板状的物体， 该物体设置在射束通路上在喷嘴体之后并且优选具有一个尤其形成在所述 板状物体的孔上的棱边。如上所述，该物体的材料可以如此地选择，使得 该材料比喷嘴体的材料吸收更多的激光辐射，以至于可以在射束功率较小 的情况下执行所述测量，由此保护喷嘴体。此外，物体可以具有孔或棱边， 使得可以调节激光束相对于该孔或棱边的聚焦位置。
在一种有利的实施形式中，激光加工机还包括一个射束陷阱，用于保 护所述声学传感器免受散射光影响。该射束陷阱与孔边缘相距适当距离地 设置在射束通路中在喷嘴体下方并且吸收激光束，由此保护声学传感器免 受激光辐射的破坏。
在一种特别优选的实施形式中，所述声学传感器在一个空间方向上相 对于激光束轴错位地定位在射束通路之外并且相对于激光束轴成一角度地 定向。以这种方式减小了干扰噪声的影响，该干扰噪声不是通过光声效应 产生的。但是，声学传感器的定位不仅用于通过相对于喷嘴或相对于板状 物体的适宜对准来减弱干扰噪声，而且对测得的强度有决定性的影响。在 激光功率不变的情况下，在光学传感器的一定的位置/角度下测得的最大值 比在其它的位置/角度下测得最大值明显更大。特征曲线中的最大值越强， 在确定接触点时的精度就越高，因为在这种情况下特征曲线的侧沿更加陡 峭。同样在圆形的孔情况下，角度以及空间方向(声学传感器在该空间方 向上相对于喷嘴轴错位地定位)对强度最大值有决定性的影响，因为在激 光加工机中相对于孔非旋转对称地设置的构件可以影响所述测量。
本发明的其它优点由说明书和附图得出。同样，以上所述的和尚待进 一步说明的特征可以各自应用或者成组地以任意组合应用。所示的和所述 的实施形式不应理解为穷尽性的列举，而是具有用于用于描述本发明的很 多示例性的特征。附图中-图1示出按本发明的激光加工机的一种实施形式的示意性视图； 图2a， b示出图1的激光加工机的激光加工头的剖面的示意性视图； 图3a-c示出激光束从初始位置向孔的边缘的第一侧运动的示意性视
图4a-c示出图3a-c的激光束向孔的边缘的相对一侧运动的示意性视
图5示出声学功率的测量曲线的示意性视图，该声学功率在图3a-c和 图4a-c中的激光束的运动中产生；禾口
图6以俯视图示出激光加工喷嘴的孔的示意性视图，其中激光束的应 有位置在孔的接触点之间。
具体实施例方式
图1示出一种激光加工机1，其带有一个具有多个光学元件2.1至2.5 的光学装置，该光学装置用于将激光束3射束导向到用于加工(未示出的) 工件的激光加工头4上。为了使激光加工头4沿着一个定义了工作平面5 的加工台在XYZ坐标系的第一空间方向X上运动，该激光加工头4固定 在一个可在第一空间方向X上行进的滑座6上，如通过双箭头所示的那样。 该激光加工头4还可以沿第二空间方向Y在工作平面5中行进，其方式是 激光加工头4沿着滑座6移动，如同样通过双箭头所示的那样。该激光加 工头4能够以这种方式在两个空间方向X、Y上在加工台的整个工作平面5 上移动并且对定位在该加工台上的工件进行加工。激光加工头4还可以被 带到位于加工台5边缘处的校准位置中，在那里设置有一个校准站7，在该 校准站7上可以对激光加工头4进行校准，如继续在下面详细描述的那样。
脉冲激光束3从未示出的激光源出发经过第一镜2.1被导向到补偿元件 8，该补偿元件8具有两个另外的镜2.2和2.3并且可在第一空间方向X上 移动，如通过另一个双箭头所示的那样。通过补偿元件8的移动可以保持 激光束3在激光加工机1中的射束路程恒定。在借助两个另外的、设置在 滑座6中的镜2.4和2.5使激光束3从第一空间方向X转向至第二空间方向 Y之后，激光束3进入到激光加工头4内，在那里借助第一和第二转向镜 9.1和9.2使激光束3从第二空间方向Y转向至第三空间方向Z。第二转向 镜9.2在此构造为适应性的镜，即该第二转向镜9.2能够改变其形状，以便最终地形成激光束3。在第二转向镜9,2之后，激光束3通过用于聚焦激 光束3的光学聚焦装置10出现在激光加工喷嘴11的工作平面5中的焦点F 上，如在图2a， b中详细地在激光加工头4的剖视图中示出的那样。激光 加工喷嘴11具有一个金属的喷嘴体12，在该喷嘴体12内设置有一个具有 圆形孔14的喷嘴孔13，在图2a， b中，激光束轴15延伸通过该孔14的中 心。
为了确定激光束3相对于孔14的位置，激光加工头4被带至所述校准 站7。如图3a所示，在该校准站7上如此设置一个作为声学传感器的麦克 风16，使得在激光加工头4行进到该校准位置时，麦克风16在第一空间方 向X上相对于激光束轴15错位地在喷嘴体12之后的射束通路外部且以相 对于激光束轴15成30。的角度a定向。为了保护麦克风16免受由激光束 3引起的漫射光影响，激光束3被射束陷阱17吸收。此外，为了保护喷嘴 体12免受损害，该喷嘴体12被(未示出的)由氮气组成的保护气流保护。
为了将激光束3定位在喷嘴中心的应有位置上(在圆形的孔14的情况 下该应有位置与激光束轴15在喷嘴中心中的位置重合)，需要的是首先 确定第一空间方向X (以下简称X方向)上的应有位置。为此目的，激 光束3从图3a中所示的初始位置沿着正的X方向运动，其方式是在图2 中示出的光学聚焦装置10在X方向上移动。在该运动过程中，激光束3 首先接触孔14的边缘(见图3b)，随后继续在X方向上移动，直到激光束 3完全出现在喷嘴体12上，见图3c。随后，如在图4a中所示，激光束3 沿着负的X方向首先往回运动到初始位置，随后在激光束3完全出现在喷 嘴体12上(见图4b)之前首先接触喷嘴孔14的边缘(图4b)。因此，在 激光束3的如图3a-c和图4a-c所示的运动过程中，该激光束3在X方向上 完全扫过该喷嘴孔14并且出现在该孔14棱边20上的相对两侧上。
如果脉冲激光束3在以上描述的运动过程中出现在金属的喷嘴体12上 (见图3b, c和图4b， c)，则该激光束3在那里激发一个光声波。因此， 该脉冲激光束3激发一个声学信号，该声学信号的频率相应于该激光束的 脉冲频率。对于相应地选择的脉冲频率，声学信号处于听得见的范围内并 且可以通过麦克风16检测到，其中，激光频率的增加由于惯量而按期待的 那样导致信号强度的降低。但是，空气的气压也直接地因为由激光辐射引 起的加热而改变。然而，对于以传统的麦克风进行测量而言，该压力波动通常太弱或者说环境噪声太强。
为了从图3a-c和图4a-c中所示的、激光束在X方向上的运动中检测孔 14的所述接触点(在这些接触点之间可以确定一个应有位置)，在激光加工 机1的分析处理单元18 (见图1)中将在激光束的运动过程中用麦克风16 测得的并且被转化为模拟的电压信号的声学振动转化为数字信号。由所述 数字信号计算出频谱(傅里叶分析)并且表示为与频率相关的功率(快速 傅里叶变换，FFT功率)。在此，将数字信号的频率和相位与激光束3的激 光脉冲的脉冲频率和相位进行比较，以便排除错误测量(例如来自驱动装 置的干扰噪声)。
在图5中示出一条在分析处理过程中产生的测量曲线19,在该测量曲 线19中，与频率相关的功率P、也就是说在所述脉冲频率下测得的功率P 分布在沿着X方向的位置上。在分析处理过程中，在多个测量点处测量声 学信号的最大声强并且将其表示为与频率相关的功率。如图5所示，只要 激光束3无接触地穿过孔12，则麦克风16接收不到任何信号。只有当激光 束3开始擦过孔14的棱边20时，随着接触份额的增加，观察到的信号强 度上升，这可作为测量曲线19中的侧沿19a、 19b，侧沿19a、 19b的坡度 尤其与麦克风16相对于孔14的位置有关。当在喷嘴体12上出现完整的射 束直径吋，在继续偏移的过程中测量曲线19的信号强度减小。由此在每个 侧沿19a、 19b上形成一个定义的最大值Ml、 M2。
在所示的例子中，光学聚焦装置10在X方向上在整个可能的士2mm 的调节范围内移动，由此使激光束3在该方向上运动，如在图5中通过重 叠的射束横截面示出的那样。在图5所示的测量曲线19中，激光束3的激 光功率为1.5kW，而激光束3的脉冲频率为500Hz。分别以90nm的间隔对 声学信号进行测量。 一旦激光束3接触到孔14的棱边20，测量曲线19的 走向在此示出一个上升，这同样在图5中示出。
为了确定接触点，在两个测量侧沿19a、 19b上确定一个位置，在该位 置上，相对于各自的最大值M1、 M2的相对强度具有相同的百分率，其在 当前情况下为50%。这样确定的位置通过孔14的、在X方向上相对置的 第一和第二接触点B1、 B2识别，见图6a。作为接触点B1、 B2在X方向 上的中点确定用于使激光束3在喷嘴中心中定心的应有位置Sl。替代地或 者附加地，在知道激光束3的接触点B1、 B2和运动轨迹的情况下，也可
15以确定激光束3相对于孔14的实际位置。
在确定了应有位置Sl之后，激光束3运动到该应有位置并且在第二空 间方向Y (以下简称Y方向)上重复以上所述的测量过程。在此，检测 孔14的第三和第四接触点B3、 B4并且确定第三和第四接触点B3、 B4之 间的中点上的第二应有位置S2，见图6b。在激光束3运动到该第二应有位 置S2之后，在理想情况下，该激光束3就被定位在孔14的中心。然而， 在以上情况下，为了确定第一应有值Sl而提供的、在第一和第二接触点 Bl、 B2之间的间隔非常小，以至于可能无法以足够的精度来确定第一应有 值。因此，如图6c所示，再一次在X方向上执行以上所述的测量，其中， 得到了第五和第六接触点B5、 B6。通过第五和第六接触点B5、 B6之间较 大的间隔可以确定第三应有位置S3，该第三应有位置S3比X方向上的第 一应有位置S1更精确。
在激光束3运动到第三应有位置S3之后，该激光束3最终地对准在孔 12的中心。附加地，也可以由检测到的接触点Bl至B6确定圆形的孔12 的直径，然而为此附加地需要一次标定，在该标定中确定在与频率相关 的最大功率的何种份额下可以最精确地确定所述直径。这样确定的喷嘴直 径可以在更换激光加工喷嘴11时用于可信性控制。
在将激光束3对准在激光加工喷嘴11的中心中之后，确定并调节激光 束焦点相对于激光加工喷嘴的位置。为此，从XY平面中的起始点SP出发， 如上所述地检测激光束3在喷嘴孔上的一个接触点(B1至B6)，该起始点 SP的坐标存储在控制单元中。为此目的，如图3a所示，激光束3从起始 点SP出发沿着正的X方向或Y方向运动，其方式是图2a、 b中所示的光 学聚焦装置IO在X方向或Y方向上移动。在该运动过程中，激光束3首 先接触到孔14的棱边20，见图3b，随后继续在X方向上移动，直到该激 光束3完全出现在喷嘴体12上，见图3c。检测到的接触点的坐标同样被存 储在控制单元中。由所储存的坐标允许获得从起始点SP直至激光束出现在 喷嘴孔上的路程，并且由该路程允许获得激光束在XY平面中的延伸尺寸。 如果从起始点出发在负的X或Y方向上重复该测量，则以这种方式在喷嘴 孔的直径已知的情况下确定激光束的直径。接着，激光束的在Z方向上的 焦点通过适应性的转向镜9.2的曲率半径的变化而移动并且重新执行该测 量。因此，在多次重复的过程中，能够相对于喷嘴孔确定激光束的形状，即射束焦散。该z调节(在该z调节中测量射束的最小延伸尺寸或者说最
小直径)在此表明激光束的焦点正好落在喷嘴孔的XY平面中。接着，
所述焦点按定义地移动到喷嘴孔下方的一个平面中，大多正好移动到工作
平面5中。聚焦位置的确定不必借助喷嘴体进行，而是也可以以类似的方 式在(测试)工件上进行，该工件位于加工平面5上并且具有一个定义的 棱边或者一个正方形的或圆形的孔，激光束"触碰"所述棱边或孔。然而，
将激光加工喷嘴用作测量物提供了如下优点在射束通路上不必插入任何
附加的工件。
为了使激光束3在XY平面中运动，图2中所示的光学聚焦装置10在 X和Y方向上移动。该运动借助于(未示出的、通过双箭头B表示的)步 进电机进行，由此同时提供了关于运动路程的信息。该步进电机处于调节 主轴上，该调节主轴耦接在图1的校准站7中，激光加工头4必须行进到 该校准站中以便调节射束位置。替代地或附加地，激光束可以通过在光学 聚焦装置10前面的最后一个或者倒数第二个转向镜9.1、 9.2的倾斜进行偏 移。
作为将声学传感器设置在喷嘴体12之后的射束通路上的替代，该声学 传感器也可以直接设置在喷嘴体12本身上，以便接收该喷嘴体的固体声。 在该情况下有利的是，用于使光学聚焦装置IO运动的步进电机直接设置在 激光加工头4上，具体地说设置在常见的校准螺钉的位置上。在此，可以 取消调节站的设置，即，校准在原则上可以在加工平面5中的任何位置进 行，因为除了分析处理装置18，为此所需的所有部件都设置在激光加工头 4上。
此外，作为以上所述的措施的替代，测量可以通过以下方式进行，即 通过在由喷嘴体12产生的声学振动的位置处测量由图2a中所示的、板状 物体21发出的声学振动，喷嘴体12下方的激光束3出现在该物体21上。 在该情况下，设置有压电传感器16'，该压电传感器设置在物体21的背离 喷嘴体12的一侧上，使得物体21屏蔽了由喷嘴体12发出的声学振动。
在激光束3在喷嘴孔14的XY平面中运动的过程中，只要该激光束3 出现在孔14的棱边20上，则板状物体21上可供使用的激光功率少，这导 致由激光束3在板状物体21中产生的声学信号强度减弱。为了确定喷嘴中 心，激光束3向外移动这么长，直到激光束3例如一半由喷嘴体12屏蔽，
17因此由板状物体21发出的信号的强度也下降到最大值的50%。在该方法中， 可以将这样的材料(例如陶瓷)用于板状物体21，所述材料比喷嘴体12 的通常的金属材料吸收的能量多。通过这种方式能够以更小的激光功率执 行所述测量，以便保护喷嘴体12。
在使用板状物体12的情况下，同样可以附加地检查激光束3的聚焦位 置FL。激光束3的焦点F通常借助光学聚焦装置10和适应性的转向镜9.2 这样地调节，使得该焦点落在加工平面5中的应有聚焦位置FL上。然而， 设置在激光束3的射束通路上的光学元件在激光加工机1的运行过程中被 加热，因此焦点F可能从应有聚焦位置FL离开。为了检查聚焦位置是否仍 然正确，使焦点F沿着第三空间方向Z (以下简称Z方向)移动，例如， 其方式是调节适应性的转向镜9.2。原则上，板状物体21上的小聚焦直径 导致所产生的声学信号的高强度，反之亦然。在焦点F的变化过程中，板 状物体21上的聚焦直径也变化。如果焦点F落在板状物体21的平面中， 则物体21上的激光斑点的直径最小并且光声信号的强度最大。如果沿着Z 方向检测到的最大值在不同于应有聚焦位置FL的其它位置上，则焦点F 必须沿着Z方向移动，这例如可以通过适当地调节适应性的镜9.2来进行。
替代地，如图2b所示，在确定喷嘴中心和聚焦位置的过程中，板状物 体21可以具有一个穿透材料的区域和一个均匀的棱边22，所述区域大于喷 嘴孔13，所述棱边22形成在板状物体21中的正方形的或圆形的孔23上。 在该情况下，在各种不同的聚焦调节中，激光束3的聚焦位置FL也可以如 上所述地通过"触碰"板状物体21的孔23的棱边22来确定。此外，该方 法不仅能够确定焦点的位置，而且也能够确定激光束在焦点区域中的形状 (射束焦散)。
以上述方式可以确定激光束3在孔14、 23内部的射束位置并且使激光 束3对准在该射束位置中，其中，二者可以自动地进行。附加地，可以检 査聚焦位置并且必要时予以修正。可以想到，以上所述的方法并不限于用 在激光加工机中，而是也可以有利地用在其它一些装置领域中，在这些装 置领域中，应当确定和调节、尤其是对准激光束在任意孔内的位置。
权利要求
1.用于检测聚焦的脉冲激光束(3)在物体(12，21)的棱边(20，22)上的接触点(B1至B6)的方法，所述棱边(20，22)优选形成在物体(12，21)的孔(14，23)上，该方法包括以下步骤a)使激光束(3)相对于棱边(20，22)在至少一个空间方向(X，Y)上优选与激光束轴(15)成直角地运动，直至所述激光束(3)扫过所述棱边(20，22)，b)测量在激光束(3)的运动过程中由所述激光束(3)光声地产生的声学振动，和c)通过分析处理测得的声学振动来检测所述激光束(3)在所述棱边(20，22)上的接触点(B1至B6)。
2. 如权利要求1的方法，还包括以下步骤-调节所述激光束(3)的焦点(F)在激光束轴(15)的方向上的位置， 并且，重复所述步骤a)至c)。
3. 如权利要求1或2的方法，在该方法中，为了检测所述棱边(20，22) 上的接触点(B1至B6)，与位置相关地测量在所述棱边(20， 22)上 在侧沿(19a， 1%)中上升的振动功率，并且，将所述接触点(B1至B6) 对应于最大振动功率(Ml， M2)的给定的百分比，例如50%。
4. 如前列权利要求之一的方法，在该方法中，所述激光束(3)在第 一空间方向(X)上完全扫过所述孔(14， 23)，其中，检测在所述孔(14，23) 的棱边(20， 22)上的两个相对置的接触点(Bl， B2; B5， B6)，并 且，借助检测到的两个接触点(Bl， B2; B5， B6)确定所述激光束(3) 在孔(14， 23)中的实际位置或应有位置(Sl， S3)。
5. 如权利要求4的方法，在该方法中，在确定了优选位于所述两个接 触点(Bl， B2; B5， B6)之间的中心上的应有位置(Sl; S3)之后，使 所述激光束(3)运动到所述应有位置(Sl; S3)。
6. 如权利要求4或5的方法，在该方法中，由所述两个接触点(Bl， B2; B5， B6)之间在第一空间方向(X)上的间距和另外两个接触点(B3， B4)之间在第二空间方向(Y)上的间距确定所述孔(14， 23)的横截面 尺寸。
7. 如权利要求4至6之一的方法，在该方法中，由所述激光束(3) 从运动的起始点(SP)直至所述两个相对置的接触点(Bl， B2)的相应运 动路程确定所述激光束(3)的直径。
8. 如前列权利要求之一的方法，其特征在于，所述棱边(20， 22)构 造在激光加工喷嘴(11)的喷嘴体(12)中的孔(14， 23)上。
9. 如前列权利要求之一的方法，在该方法中，所述激光束(3)相对 于位置固定的棱边(20， 22)运动，其方式是一个在射束通路上设置在所 述棱边(20， 22)前面的光学聚焦装置(10)尤其是自动地倾斜和/或横向 于激光束轴(15)地移动，和/或，至少一个在射束通路上设置在所述棱边(20， 22)前面的转向镜(9.1， 9.2)尤其是自动地倾斜或者改变所述转向 镜(9.1， 9.2)的曲率半径。
10. 如前列权利要求之一的方法，在该方法中，借助至少一个声学传 感器(16， 16')、优选麦克风(16)测量所述振动。
11. 如前列权利要求之一的方法，在该方法中，在分析处理所测得的 振动时，将所述振动的特性与脉冲激光束(3)的特征量进行比较。
12. 如前列权利要求之一的方法，在该方法中，在保护气体下进行所 述运动和所述测量。
13. 如前列权利要求之一的方法，在该方法中，由在射束通路中设置 在喷嘴体(12)之后的、优选板状的物体(21)产生所测得的振动。
14. 如权利要求13的方法，在该方法中，为了确定所述激光束(3) 的聚焦位置(FL)，改变所述激光束(3)的焦点(F)和板状物体(21)之 间沿着所述激光束(3)的激光束轴(15)的间距。
15. 如权利要求13或14的方法，在该方法中，这样地选择所述板状 物体(21)的材料，使得该材料比所述喷嘴体(12)的材料吸收更多的激 光功率。
16. 激光加工机(1),包括位于激光加工头(4)上的激光加工喷嘴(11)，脉冲的、聚焦的激光 束(3)穿过所述激光加工喷嘴(11)的孔(14)，其中，所述激光束(3) 和所述孔(14)可相对于彼此在至少一个第一空间方向(X， Y)上与激光 束轴(15)成直角地运动，直到所述激光束(3)扫过一个物体(12， 21) 的棱边(20， 22)，所述棱边(20， 22)优选地形成在所述物体(12， 21) 的孔(14， 23)上，至少一个声学传感器(16， 16，)，优选麦克风(16)，用于测量在所述 激光束(3)的运动过程中光声地产生的声学振动，和分析处理装置(18)，该分析处理装置被设计成通过分析处理所测得的 振动来检测所述激光束(3)在所述棱边(20， 22)上的接触点(Bl， B2; B5， B6)。
17. 如权利要求16的激光加工机，还包括一个优选自动化的运动装置 (B)，用于使在射束通路中设置在所述喷嘴体(12)前面的光学聚焦装置 (10)横向于所述激光束(3)倾斜和/或移动。
18. 如权利要求17的激光加工机，在该激光加工机中，所述运动装置 (B)设置在激光加工机(1)的激光加工头(4)中或者在激光加工机(1)的校准站(7)上，所述激光加工头(4)能够被带到所述校准站(7)中， 以便确定所述激光束(3)在所述孔(14， 23)中的实际位置或应有位置(Sl 至S3)和/或应有聚焦位置(FL)，并且以便使所述激光束(3)运动到所述 应有位置(S1至S3)和/或应有聚焦位置(FL)。
19. 如权利要求16至18之一的激光加工机，还包括一个优选板状的物体(21)，该物体(21)在射束通路上设置在喷嘴体(12)之后并且优选具有一个尤其形成在所述板状物体(21)的孔(23)上的棱边(22)。
20. 如权利要求16至19之一的激光加工机，还包括一个射束陷阱(17)，用于保护所述声学传感器(16)免受散射光。
21. 如权利要求16至20之一的激光加工机，在该激光加工机中，所述声学传感器(16)设置在所述喷嘴体(12)上或者在一个空间方向(X)上相对于激光束轴(15)错位地定位在射束通路之外并且以相对于激光束轴(15)的角度(a)定向。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测聚焦的脉冲激光束(3)在物体(12)的棱边(20)上的接触点的方法，所述棱边(20)优选形成在物体(12)的孔(14)上，该方法包括以下步骤a)使激光束(3)相对于一棱边(20)在至少一个空间方向上优选与激光束轴(15)成直角地运动，直至所述激光束(3)扫过所述棱边(20)，b)测量在激光束(3)的运动过程中由所述激光束(3)光声地产生的声学振动，和c)通过分析处理测得的声学振动来检测所述激光束(3)在所述棱边(20)上的接触点。如果所述激光束(3)在第一空间方向(X)上完全扫过所述孔(14)，则能够检测到所述激光束(3)在所述孔(14)的棱边(20)上的两个相对置的接触点并且由此确定所述激光束(3)在所述孔(14)中的应有位置。本发明还涉及一种激光加工机，其包括位于激光加工头上的激光加工喷嘴(12)，在所述激光加工机上可以执行上述方法。
文档编号B23K26/04GK101687280SQ200880021925
公开日2010年3月31日 申请日期2008年4月24日 优先权日2007年6月27日
发明者A·米利希, J-M·韦克, U·里特尔 申请人:通快机床两合公司