校准设备、加工系统和校准方法与流程

本发明涉及一种用于具有多个光学工具的加工系统的校准设备，其中，该校准设备具有用于检测光的传感器组件。本发明还涉及一种用于校准具有多个光学工具的加工系统的方法以及一种具有多个光学工具的加工系统。

背景技术：

1、具有光学工具的现代机床、尤其是激光切割机器除了具有实际的加工工具之外经常具有附加光学工具。附加光学工具可以用于例如支持加工工具和/或用于质量保证目的。这改进了使用机床执行的加工过程。

2、为了能够在加工过程中更精确地使用光学工具，光学工具必须关于它们的焦点位置进行校准。为此目的，通常已知的是将光学工具彼此分开地校准，并且为此可以针对每个光学工具使用单独的校准装置。

3、de 10 2004 043 072 a1披露了一种通过激光束进行加工的设备。该设备具有相对于至少一个工件可移动的激光头、用于将激光束定向并聚焦在有效区的光学组件、以及布置在激光头处并指向有效区的至少一个摄像机。激光头可定位在空间上固定的校准站中，其中，校准站在有效区中包含校准对象。校准站由平板构成。固定的图案和轨道位于板的表面上。为了更好的可识别性，图案可以由自光发射元件形成。作为自光发射元件可以设置发光二极管，这些发光二极管位于板的表面中的凹陷部中并且每个被覆盖有扩散面板。用于射束测量的装置集成在板的中心。为此，在表面中提供以矩阵形式布置的光接收器。

4、de 10 2018 219 129 b3披露了一种用于确定测量镜扫描仪的测量坐标系与加工镜扫描仪的加工坐标系之间的平移和/或旋转偏差的方法，该测量镜扫描仪可围绕两个轴倾斜并且使例如通过相干断层成像机器产生的测量射束二维地转向，该加工镜扫描仪可围绕两个轴倾斜并且使由测量镜扫描仪转向的测量射束以及加工射束二维地转向到工件上，其中，在工件处被反射的测量射束沿入射测量射束的路径返回并由空间分辨测量传感器检测以求取与工件相关的空间分辨信息，并且其中，在测量镜扫描仪的零位置处，被反射的测量射束在先前已知的图像位置处成像到测量传感器的传感器图像中。为了确定加工坐标系与测量坐标系之间的平移偏差，求取加工射束相对于布置在工件支撑平面上的针孔光阑检测器的针孔光阑中心的x-y焦点位置偏差。这是通过以下步骤完成的：在x-y网格中用经加工镜扫描仪转向的加工射束来扫描针孔光阑，并通过布置在针孔光阑下游的检测器表面来分析处理在每个网格点中检测到的激光输出。然后将加工镜扫描仪固定在已基于所求取的x-y焦点位置偏差已校正的扫描位置，在该扫描位置加工射束的焦点位置正好位于针孔光阑中心。在以这种方式固定加工镜扫描仪的情况下，借助于测量传感器通过借助由测量镜扫描仪转向的测量射束扫描针孔光阑，以空间分辨的方式检测针孔光阑的高度。基于测量传感器的传感器图像中存在的、对应于加工射束的焦点位置的先前已知图像位置与高度方面已检测的针孔光阑的针孔光阑中心之间的偏差，可以确定加工坐标系与测量坐标系之间的平移偏差δx、δy。

5、发明目的

6、本发明的目的是实现加工系统的多个光学工具相对于彼此简单且精确的校准。

技术实现思路

1、根据本发明，此目的通过根据专利权利要求1所述的校准设备、根据专利权利要求13所述的方法和根据专利权利要求16所述的加工系统来实现。

2、根据本发明的校准设备

3、该目的因此通过一种用于具有多个光学工具的加工系统的校准设备来实现。校准设备具有带有光阑孔径的壳体、用于检测穿过光阑孔径入射的光的传感器组件和用于将光发出穿过光阑孔径的光源组件。

4、校准设备用于将光学工具校准到共同的焦点位置。为了校准焦点位置(“聚焦”)，首先可以检测相应光学工具的焦点的实际焦点位置。接下来，根据光阑孔径设置焦点。尤其是，相应光学工具可以通过光阑孔径的“对焦(scharfstellen)”从非校准状态转变为校准状态。原则上，使用相同的校准设备来校准加工系统的多个光学工具，特别优选为所有光学工具。通过使用根据本发明的校准设备来校准加工系统的多个光学工具或所有光学工具可以特别快速且容易地执行校准，这与使用单独的装置来校准各个光学工具时不同。此外，光学工具的焦点位置的匹配通过(由光阑孔径定义的)共同的参考位置得到改善。

5、传感器组件具有至少一个传感器。传感器组件构造为间接或直接检测入射光的光强度。为此目的，传感器组件可以构造用于检测温度和/或亮度。通过检测光强度，可以得出关于穿过光阑孔径入射的光的结论。如果光发射光学工具发出的光是已知的，则可以通过检测穿过光阑孔径入射的光来得出与光发射光学工具相对于光阑孔径的焦点位置有关的结论。例如，如果检测的光对应于由光学工具发出的光，则焦点位置对应于光阑孔径的位置(即，焦点位于光阑孔径中)。

6、光源组件用于照射校准设备的光阑孔径。换言之，光阑孔径通过由光源组件发出的光的发射而突出显示。基于发射穿过光阑孔径的光，可以校准光探测光学工具的焦点位置。这里可以设置，光源组件发出具有可以被待校准的光学工具检测到的定义的波长的光。尤其是，光源组件可以构造为发出不同波长的光。以这种方式，通过用特定波长的光照射光阑孔径来突出显示光阑孔径可以特别地匹配待校准的不同光学工具。

7、术语“光”在本文中理解为是指电磁辐射，尤其是具有至少10nm和/或至多1mm的波长的电磁辐射。

8、除了光阑孔径之外，壳体优选在所有侧面被封闭。这可以防止灰尘渗入壳体。壳体典型地由多个部分构造。这简化了部件的布置和/或更换，例如在校准设备的生产和/或维修期间。

9、原则上，光源组件和传感器组件布置在壳体中。以这种方式，入射光可以在定义的条件下通过传感器组件检测。同样，光可以在定义的条件下从光源组件发出穿过光阑孔径。校准的干扰因素(比如环境光)由此被最小化。这提高了校准的准确度。

10、在一种优选的实施方式中，校准设备具有电路板，该电路板布置在壳体中并且光源组件和/或传感器组件保持在该电路板上。因此可以有利地仅在一个制造步骤中布置电子部件(电路板、传感器组件、光源组件)并且仅在另一个制造步骤中将电路板布置在壳体中。

11、电路板优选地平行于具有光阑孔径的光阑布置。换言之，电路板可以正交于光阑孔径的光阑轴布置。这可以防止光学失真。电路板优选地被保持夹紧在壳体中，尤其是夹紧在可彼此拆卸的两个壳体部分之间。以这种方式，可以有效地固定电路板在壳体中的位置。

12、根据此实施例的一个优选的扩展方案设置，传感器组件布置在电路板的背离光阑孔径的一侧上。设置导光结构以将穿过光阑孔径入射的光引导至传感器组件。换言之，电路板用作传感器组件的光保护。以这种方式，可以保护传感器组件免受入射光的直接照射。这有效地防止了对传感器组件的损坏。无论传感器组件的光保护位置如何，导光结构都能够检测穿过光阑孔径入射的光。

13、导光结构优选地具有降低的透光率以降低入射光的光强度。导光结构优选地具有至多百分之90、特别优选为至多百分之75、非常特别优选为至多百分之50的透光率。进一步优选地，导光结构具有至少百分之10、特别优选为至少百分之20、非常特别优选为至少百分之40的透光率。由于导光结构，入射光的光强度因此可以降低到适合于通过传感器组件检测它的程度。

14、在一种特别优选的扩展方案中，导光结构具有透光套筒，尤其是pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)套筒，电路板通过该透光套筒保持在壳体中。套筒因此既用于引导光并且还用于保持电路板。导光结构可以优选地由透光套筒形成。导光功能可以因此特别有利地仅由一个导光结构来实现。透光套筒典型地在电路板的面向光阑孔径和/或背离光阑孔径的一侧上延伸。这简化了光耦合输入和/或耦合输出导光结构。为了将电路板保持在壳体中，透光套筒可以夹持电路板的边缘。换言之，透光套筒布置在电路板的边缘与壳体的壁之间。以这种方式，入射光可以仅经由导光结构到达传感器组件，结果是，可以进一步提高准确度。

15、在优选的扩展方案中，校准设备具有布置在光阑孔径与电路板之间以将穿过光阑孔径入射的光换向的光学元件。尤其是，光学元件将沿着光阑轴入射的光从光阑轴转向。由此，入射光可以被有利地换向到导光结构的方向上，这进一步改进了到传感器组件的导光。光学元件原则上允许光源组件辐射的(ausgesandtem)光穿过光阑孔径射出。

16、在校准设备的优选实施方式中，传感器组件具有至少一个光电二极管和/或至少一个温度传感器。穿过光阑孔径入射的光在这里可以直接通过测量光强度和/或间接通过测量壳体中的温度升高而被检测。光电二极管可以检测尤其是可见光的强度。

17、光源组件优选地布置在光阑孔径附近。以这种方式，使得光可以能量高效地发出穿过光阑孔径。

18、在特别的构型中，光学元件构造用于将由光源组件发出的光沿着光阑孔径的方向转向。这进一步改善了光穿过光阑孔径的发出。在这种情况下，光学元件实现双重功能。首先，由光源组件发出的光被聚焦到光阑孔径上，其次，穿过光阑孔径入射的光被散射，或被引导而越过光源组件。以这种方式，可以保护光源组件免受入射光的影响，并且还可以有效地照射光阑孔径。

19、进一步在一种优选的实施方式中，光源组件具有至少一个第一光源、尤其是发光二极管，该至少一个第一光源用于发出波长为至少760nm、优选为至少1100nm、特别优选为至少1500nm、并且优选为至多2000nm、特别优选为至多1600nm的光。这使得能够使用基于红外光的光学工具(例如高温计、热像仪等)检测光阑孔径。

20、在一种扩展方案中，第一光源布置在光阑孔径的光阑轴上。这有助于光直接发出穿过光阑孔径以及光阑孔径的均匀照明。

21、在另一种优选的实施方式中，光源组件具有至少一个第二光源、尤其是发光二极管，该至少一个第二光源用于发出波长为至多760nm、特别优选为至多650nm、并且优选为至少610nm、特别优选为至少640nm的光。这使得能够通过基于红光的光学工具(例如距离测量设备、接缝位置调节设备等)探测光阑孔径。

22、该至少一个第二光源优选地布置在距光阑轴一定距离处。这使得第一光源能够布置在光阑轴上。典型地，光源组件具有多个、尤其是至少两个、特别优选为至少三个第二光源。该多个第二光源优选地布置成围绕光阑孔径均匀分布。这使得光阑孔径可以被均匀照明。

23、在一种优选的实施方式中，校准设备具有正交于光阑孔径的光阑轴延伸的测试板。测试板用于校准光学工具的共同定向。共同定向可以通过光学工具的一致的坐标系和/或通过坐标系的预定义的相互关系表征。在校准状态下，光学工具的光轴可以彼此平行延伸。正交于光阑轴的测试板的范围简化了定向的校准。

24、测试板优选地由金属制成，尤其是铝。这对于测试板的稳定性、尤其是强度和/或刚度是有利的。

25、根据校准设备的一个优选的扩展方案设置，测试板具有至少局部涂覆、优选为阳极氧化的(eloxierte)表面。涂层可以保护测试板的表面。涂层还可以支持光学工具的校准，例如通过其颜色或色差。

26、此外优选的扩展方案是，测试板具有用于校准光学工具的定义的表面结构。该表面结构不同于测试板的其余表面。除表面结构外，测试板的整个剩余表面也可以被涂覆。与周围区域相比，表面结构可以具有例如颜色差异、几何形状差异、高度差异和/或粗糙度差异。尤其是，表面结构可以构造为凹部或切口(凹口)、突起、标记和/或标尺。所列举的内容在此仅应理解为是示例性的，不应理解为穷举。表面结构简化了光学工具的定向的校准。

27、在一种特别优选的扩展方案中，测试板具有至少一个、尤其是至少两个、特别优选为至少四个具有平行于光阑轴的定义的高度跳跃的凹部和/或突起。换言之，凹部或突起相对于与它们邻接的测试板的参考面平行于光阑轴偏移。这使得能够通过凹部和/或突起的角度相关测量来准确求取定向。

28、测试板可以具有与凹部和/或突起邻接的空白参考面，尤其是金属空白参考面。换言之，参考面具有未涂覆的表面。这通过考虑参考面提高了凹部和/或突起的测量准确度并且因此也可以提高光学工件的定向的校准期间的准确度。

29、在一个优选的扩展方案中设置，测试板具有至少一个测试标尺，该至少一个测试标尺具有定义的参考间距。通过测量定义的参考间距，可以特别准确地求取光学工具的定向。

30、根据本发明的方法

31、本发明所基于的目的还通过一种用于借助于如上所述根据本发明的校准设备来校准具有至少一个光发射光学工具和至少一个光探测光学工具的加工系统的方法来实现。该方法具有以下方法步骤：

32、a)使用传感器组件来检测穿过光阑孔径入射的、由光发射光学工具发出光，并根据光阑孔径来设置光发射光学工具的焦点位置；

33、b)使用光探测光学工具来检测穿过光阑孔径辐射的、由光源组件发出的光，并根据光阑孔径来设置光探测光学工具的焦点位置。

34、在方法步骤a)之前的方法步骤中，光发射工具和光探测工具的焦点位置优选地(预先)定位在光阑孔径附近。

35、光发射工具具有至少一个光发出元件，其中，发出的光用于直接实现工具目标。光发射工具是例如加工激光器和/或激光测距仪。

36、光探测工具具有至少一个光探测元件，该至少一个光探测元件能够分析尤其是从发出光的表面和/或反射光的表面出发的光。光探测工具是例如热成像仪和/或光学摄像机。

37、入射穿过光阑孔径的光在方法步骤a)中通过传感器组件检测，尤其是通过传感器组件的光电二极管检测。典型地，光发射工具根据测试图案在平行于光阑孔径(即垂直于光阑轴)的平面中在光阑孔径上移动。测试图案尤其是具有多个具有定义的偏转的测试点。可以设置，对于每次偏转，光发射工具可以以定义的方式发出光并且可以检测穿过光阑孔径入射的光的比例。换言之，对于每个定义的偏转，记录穿过光阑孔径入射的光的量。在焦点位置的非校准状态下，结果是所检测的光在测试图案上的不对称分布，基于此可以设置光发射工具的焦点位置。可以平行于光阑轴校准焦点位置，其方式如下：移动光发射工具，直到传感器组件检测的光强度达到最大值。

38、可以类似于前面的描述来设置光探测工具的焦点位置。光探测工具根据测试图案垂直于和/或平行于光阑轴移动。对于每次偏转，由光阑孔径辐射的光可以通过光探测工具检测。检测的辐射的光在这里取决于光探测工具在光阑孔径上的偏转位置。基于根据位置检测的光，可以设置光探测工具的焦点位置。

39、测试图案优选具有至少9个、尤其是至少25个、特别优选至少81个定义的偏转。以这种方式，焦点位置的设置可以特别准确地进行。进一步优选地，测试图案在光发射工具的两个、特别优选为三个坐标轴的方向上具有定义的偏转。换言之，定义的偏转具有x分量和y分量并且优选地具有z分量。以这种方式，可以在相应的坐标方向上进行焦点位置的设置。

40、如果校准设备具有测试板，则该方法可以包括以下进一步的方法步骤：

41、c)通过光发射工具将测试标识标记在测试板上；

42、d)通过光探测光学工具通过检测测试标识来检查光发射工具的焦点位置。

43、测试板优选地具有至少一个用于标记(优选地用于激光雕刻)测试标识的定义的区段。一个或多个定义的区域优选地不具有表面结构。

44、方法步骤c)优选地在方法步骤a)之前和之后执行。在这种情况下，可以有利地通过确定两个所标记的测试标识之间的偏差来执行检查。

45、测试标识之间的偏差优选地由光探测工具、尤其是具有图像处理系统的摄像机来确定。以这种方式，加工系统的光学工具可以有利地用于相互控制。

46、如果测试板具有表面结构，则可以设置以下进一步的方法步骤：

47、e)以定义的方式偏转光探测光学工具；

48、f)通过光探测光学工具测量表面结构中的至少一个；

49、g)将测量值与存储的参考值进行比较；

50、h)基于测量值与参考值之间的偏差来定向光探测工具。

51、方法步骤e)至h)优选地在已设置光探测工具的焦点位置之后进行。因此，关于定向校准的准确度而言有利的是，所述校准可以从共同的参考点开始执行。

52、方法步骤e)至g)和必要时h)优选地多次执行。以这种方式，可以进一步提高校准的准确度。

53、为了测量表面结构，由表面结构反射的光可以通过光探测工具检测并且随后被分析处理。出于分析处理的目的，可以设置，光探测工具具有分析处理器件，尤其是软件。例如，光探测工具可以具有摄像机和用于测量由摄像机记录的图像的图像处理系统。

54、为了更好地检测表面结构反射的光，可以设置，光探测工具具有用于发出光的光发射元件。例如，摄像机可以具有用于提高图像质量的曝光元件。

55、根据本发明的加工系统

56、本发明所基于的目的还通过具有如上所述根据本发明的校准设备和具有多个光学工具的加工系统来实现。多个光学工具可以通过使用一个校准设备来校准，使得设置共同的焦点位置和相对于彼此的定义的定向，尤其是平行的光轴。这可以使用如上所述根据本发明的方法来实现。

57、加工系统可以具有至少一个光探测光学工具和至少一个光发射光学工具。光学工具优选地布置在加工系统的共同的加工头处。如果光学工具通过加工头共同移动，则它们相对于彼此的焦点位置保持不变。

58、本发明的进一步优点从描述和附图中显现。根据本发明，上述特征和还有待进一步呈现的特征可以在各自情况下单独使用或以任何期望的便利组合一起使用。所示出和描述的实施例不应被理解为详尽的列表，而是具有用于阐明本发明的示例性特征。