TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG

Johann-Maus-Straße 2

D-71254 Ditzingen Vertreter:

Köhler Schmid Möbus

Patentanwälte

Ruppmannstr. 27

D-70565 Stuttgart

Kapazitive und/oder induktive Abstandsmessunq Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abstandsmesseinrichtung zur kapazitiven und/oder induktiven Messung eines Abständs zwischen elektrisch leitenden Körpern, insbesondere zwischen einer Bearbeitungsdüse und einem Werkstück, umfassend: einen Wandler zur Umsetzung eines periodischen Schwingungssignais mit abstandsabhängiger Frequenz in ein impulssignai, sowie einen Zähler zur Zählung von Impulsen des Impulssignals innerhalb eines Messintervalis zur Bestimmung der abstandsabhängigen Frequenz des periodischen Schwingungssignais. Die Erfindung betrifft auch eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer solchen

Abstandsmesseinrichtung sowie ein Verfahren zum kapazitiven und/oder induktiven Messen eines Abständs zwischen elektrisch leitenden Körpern, insbesondere zwischen einer Bearbeitungsdüse und einem Werkstück, umfassend: Umsetzen eines periodischen Schwingungssignals mit abstandsabhängiger Frequenz in ein impulssignai, sowie Zählen von Impulsen des impulssignals innerhalb eines

Messintervalis zur Bestimmung der abstandsabhängigen Frequenz des periodischen Schwingungssignals. Aus der DE 10 2008 030 783 der Anmelderin ist eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem kapazitiven Abstandsmesssystem bekannt geworden, bei dem eine

Bearbeitungsdüse und ein zu bearbeitendes Werkstück einen . variablen Kondensator bilden, der in einen LC-Schwingkreis eingebunden ist. Eine kapazitive Abstands- messeinrichfung und ein zugehöriges Verfahren sind auch aus der EP 1 684 046 A1 oder der EP 0 873813 B1 der Anmelderin bekannt.

Alternativ oder zusätzlich zu einer kapazitiven Abstandsmessung ist auch eine induktive Abstandsmessung zwischen zwei Bauteilen mögiich. Ein Beispiel hierfür ist die DE 201 21 885 U1 , bei de sowohl eine Induktionsspule zur induktiven

Bestimmung des Abstands zwischen einem Arbeitskopf und einem Werkstück als auch eine Kondensatorelektrode zur kapazitiven Bestimmung des Abstands quer zu einem Austrittskanal des Arbeitskopfes vorgesehen sind. Zur Äbstandmessung wird die Frequenz des Schwingkreises durch das Zählen der Schwingungsperioden des (harmonischen) Schwingungssignais pro Zeitinterva!l bzw. pro Messtntervail ermittelt. Bei diesem Verfahren begrenzt die Abtastrate, d.h. die Rate, mit der aufeinander folgende Abstandsmessungen durchgeführt werden, die IVfessgenauigkeit: Je höher die Abtastrate, desto geringer die Zeitdauer des

Messintervalis und desto geringer die Genauigkeit der Frequenz- und damit der Äbstandsmessung. Beispielsweise liegt der Fehler bei der Frequenzmessung bei einer Zeitdauer des Messintervalls von t - 1 ms bei +/- 1000 Hz.

Aufgabe der Erfindung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abstandsmesseinrichtung, eine Laserbearbettungsmaschine mit einer solchen Abstandsmesseinrichtung, sowie ein zugehöriges Verfahren zur Abstandsmessung derart weiterzubilden, dass die

Genauigkeit bei der Äbstandsmessung erhöht wird.

Gegenstand der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Abstandsmesseinrichtung der eingangs genannten Art, die für die präzise Bestimmung der abstandsabhängigen Frequenz Mittel zur Anpassung der Phasenlage oder Mittel zur Berücksichtigung der Phaseniage zwischen dem Messintervall und den Impulsen des Impulssignals aufweist. Es wurde erkannt, dass es gunstig ist, zur Erhöhung der Messgenauigkeit den Einfluss des (diskreten) Messintervalls bzw. des Messzeitfensters auf die ermittelte Frequenz zu berücksichtigen. Bei der herkömmliche Bestimmung der

abstandsabhängigen Frequenz wird lediglich die Zahl der gemessenen Impulse durch die Zeitlänge des Messintervails dividiert. Hierbei kann jedoch sowohl die Länge des Messintervalfs als auch die Phaseniage des Messintervalls ggf. ungünstig gewählt sein, so dass eine zu große oder zu geringe Zahl an impuisen gezählt wird, was insbesondere bei einer verhältnismäßig kleinen Zahl von Impuisen innerhalb des Messintervalis zu großen Fehlern bei der Frequenzmessung führt.

Unter einem Impulssignal wird ein Signal verstanden, das mindestens eine, typischer Weise genau eine steil ansteigende bzw. abfallende Flanke während einer

Schwingungsperiode des Schwingungssignals aufweist, die einem definierten

Zeitpunkt zugeordnet und mit dem (impuis-)zähier detektiert werden kann.

Insbesondere kann es sich bei dem Impulssigna! um ein Rechtecksignal oder ein Sägezahnsignal, ggf. auch um ein Dreiecksignal handeln.

Durch die erfsndungsgemäßen Mitte! kann die Präzision bei der Frequenzmessung erhöht werden. Somit können z.B. bei einer kapazitiven Abstandsmessung geringere Kapazitätsunterschiede festgestellt werden. Dies ermöglicht eine Erhöhung des Maximalabstandes bei der Absiandsmessung (Kapazität ~ 1 / Abstand) und damit des Messbereichs. Außerdem können größere Paralleikapazitäten in die Nähe der Bearbeitungsdüse gebracht und deren Einfluss kompensiert werden. Auch kann bei gleich bieibender Genauigkeit z.B. die Taktrate der Abstandsmessung erhöht werden.

Bei einer Ausführungsform umfassen die Mittel zur Anpassung der Phasenlage eine Synchronisationseinrichtung, insbesondere eine Triggerlogik, zur Synchronisation des Messintervalis mit den Impulsen des impulssignals. Durch die Synchronisation kan sichergestellt werden, dass der Startzeitpunkt und der Endzeitpunkt des Messintervalls mit einem jeweiligen Impuls des impulssignals übereinstimmt, d.h. durch die Synchronisation wird die Zeitdauer sowie die Phasenlage des

Messintervaiis an die jeweils zu bestimmende Frequenz angepagst. In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Äbstandsmesseinriehtung eine

Zeitmesseinrichtung zur Messung der Zeitdauer des Messintervaiis auf. Parallel zur Zählung der impuise wird mit Hiife der Zeitmesseinrichtung die Zeitdauer des Messintervalls präzise bestimmt. Dies ist notwendig, da dessen Zeitdauer von der zu bestimmenden Frequenz abhängt.

Für die vorliegenden Anwendungen hat sich eine Zestmesselnrichiung (präzise Uhr) mit einer Genauigkeit von mehr als 100 ps, bevorzugt von mehr als 50 ps als besonders vorteilhaft erwiesen. Bei der auf diese Weise angepassten Frequenzbestimmung kann die Anzahl der gezählten impuise wie bei der herkömmlichen Frequenzbestimmung durch die (angepasste) Länge des Messintervaiis geteilt werden, um di Frequenz präzise zu bestimmen, in einer Ausführungsform umfassen die Mittel zur Berücksichtigung der Phasenlage einen Phasendetektor zur Ermittlung der Phaseniage zwischen dem Messintervall und dem Impulssignal. Da der Phasendetektor die Phasenlage des Messintervaiis bezüglich der Impulse, z.B. in Form von Rechteck-, Dreieck- oder Sägezahnpulsen feststellt, kann ei Messintervail mit einer konstanten Zeitdauer verwendet werden, d.h. es ist nicht notwendig, die Zeitdauer des Messintervaiis bzw. die Phaseniage des Messintervaiis an die Impulse des Impulssignais anzupassen.

In einer Weiterbildung weisen die Mittel zur Berücksichtigung der Phaseniage eine Bestimmungseinrichtung, insbesondere eine Recheniogik, zur Bestimmung des Zeitversatzes zwischen dem Messintervali und den Impulsen des Impulssignals auf. in diesem Faii kann der Anteil der Teilperioden des impulssignals am Anfang und am Ende des Messintervaiis anhand der Phaseninformation ermittelt werden. Die Frequenz kann in diesem Fall bestimmt werden, indem zur Zahl der gemessenen Impulse der Startperiodenteil und den Stopp-Periodentei! hinzuaddiert wird und diese Summe durch die Messdauer bzw. die Zeitdauer des Messintervaiis geteilt wird. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Wandler als Schmitt-Trigger ausgebildet. Der Schmitt-Trigger ist eine elektronische Komparatorschaltung (Schweil- wertschalter) und wandelt auf einfache Weise das periodische Schwingungssignal typischer Weise in ein Rechtecksigna! um, um die Zählung der Schwingungsperioden des periodischen Schwingungssignals zu vereinfachen.

Bei einer Weiterbildung urnfasst die Abstandsmesseinrichtung einen Schwingkreis mit abstandsabhängiger Kapazität und/oder Induktivität zur Erzeugung des periodischen Schwingungssignals. Die Bauteile, deren Abstand zueinander bestimmt werden soll, können einen Kondensator bilden, dessen Kapazität abstandsabhängig variiert. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eines der Bauteile mit einer Spule versehen werden, um eine induktive Abstandsmessung zu ermöglichen, in beiden Fällen wird hierbei ein (LC-)Schwingkreis gebildet, dessen Frequenz

abstandsabhängig variiert und welche auf die oben beschriebene Welse bestimmt wird. Es versteht sich, dass die Abstandsmesseinrichtung, die typischer Weise als Schaltungsanordnung ausgebildet ist, zur Kontaktierung der Bauteile, zwischen denen der Abstand gemessen werden soll, geeignete Anschlüsse aufweisen kann.

Die Abstandsmesseinrichtung urnfasst bevorzugt einen ansteuerbaren Schalter zum Aktivieren des Zählers während des essinterva ls sowie einen Messtaktgeber zum Ansteuern des Schalters. Der Messtaktgeber kann z.B. als Rechteck-, Dreieck- oder Sägezahngenerator ausgebildet sein und dient der Ansteuerung eines Schalters (z.B. in Form eines Transistors), um das Impulssignal während des Messintervalls dem (digitalen) Zähler zuzuführen bzw. das Zuführen Impulssignals zum Zähler zwischen zwei aufeinander folgenden essintervallen zu verhindern, um den Zähler auslesen und zurücksetzen zu können.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Laserbearbeiturigsmaschine, umfassend: eine Bearbeitungsdüse sowie eine Äbstandsmesseinrichiung, die wie oben beschrieben ausgebildet ist, um den Abstand zwischen der Bearbeitungsdüse und einem

Werkstück zu messen. Die Bearbeitungsdüse und das Werkstück können elektrisch kontaktiert werden und zwei Teile eines variable Kondensators zu bilden, der in einen LC-Schwingkreis eingebunden ist. Es versteht sich, dass mit der

Äbstandsmesseinrichtung sowohl ein Arbe iisabstand zwischen der Spitze der Bearbeitungsdüse und dem Werkstück als auch ggf. ein seitlicher Abstand zu Vorsprüngen an dem Werkstück bestimmt werden kann.

Um einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Kapazität und dem Abstand zwischen Bearbeitungsdüse bzw. Spitze der Bearbeitungsdüse und Werkstück herzustellen, ist es erforderlich, die Abstandsmesseinrichtung zu kalibrieren. Die Kalibrierung erfolgt über eine Kennlinienaufnahme, die in der Rege! an einem ebenen metallischen Werkstück (Blech) vorgenommen wird. Ist die Geometrie des Werkstücks nicht über die gesamte Bearbeitungsdauer konstant, z.B. wenn an diesem Umformungen vorgenommen werden, verändert sich das Abstandssignal aufgrund der lateralen Empfindlichkeit nicht nur wie gewünscht mit dem definierten Abstand, sondern auch mit der Werkstückgeometrie, d.h. nahe an der Schneidlinie befindliche Werkstückstrukturen, bspw. Innenkanten oder vergleichbare

Werkstückgeometrien haben einen Einfluss auf die Kapazität, was zu einer falschen bzw, ungenauen Bestimmung des Abstands führen kann.

Auch ist es ggf. problematisch, dass das von der Spitze der Bearbeitungsdüse ausgehende elektrische Feld bzw. dessen Feldlinien sich in mehrere Richtungen erstrecken und dass bei der Abstandsmessung automatisch eine Mittelung über die in diesen Richtungen gemessenen Abstände erfolgt. Eine Änderung der Kapazität kann daher nicht eindeutig auf die Änderung des Abstandes in einer definierten Messrichtung zurückgeführt werden.

Bei einer Ausführungsform ist die Bearbeitungsdüse zum indest in einem Teiibereich entlang ihrer Mantelfläche, der sich insbesondere bis zur Stirnseite der

Bearbeitungsdüse erstreckt, von einer elektrisch leitenden Abschirmung umgeben, um den (lateralen) Messdurchmesser (d.h. senkrecht zur Messrichtung) zu begrenzen und dadurch den Einfluss der Werkstückgeometrie auf die

Abstandsraessung zu reduzieren. Durch das Vorsehen einer Abschirmung kann die laterale Ausdehnung des„Messdurchmessers'', d.h. des Bereichs, in dem die

Feldlinien auf das Werkstück treffen, deutlich verringert werden. Die Abschirmung kann hierbei derart erfolgen, dass sich im Wesentlichen nur zwischen der Stirnseite der Bearbeitungsdüse und dem Werkstück ein elektrisches Feld ausbildet, nicht aber zwischen der Mantelfläche der typischer Weise rorationssym metrischen Bearbeitungsdüse und dem Werkstück. in einer Weiterbildung ist die Abschirmung durch ein metallisches Schirmelement, z.B. ein Schirmblech, gebildet Das metallische Schirmbiech ist von der

Bearbeitungsdüse beabstandet und dient dazu, die elektrischen Feldlinien möglichst in alle Richtunge bis auf die Messrichtung, d.h. bis auf die Richtung, in welcher der Abstand bestimmt werden soll, definiert (konstant) auszulegen.

Hierbei wird jedoch auch der Messbereich in Messrichtung reduziert, da die

Kapazität der Anordnung aus Messspitze und Werkstück bzw. der Anteil der _ Kapazität, der vom Abstand zum Werkstück beeinflusst wird, abnimmt.

Gegebenenfalls reicht daher die Präzision eines derart modifizierten

Laserbearbeitungskopfes für di Abstandsmessung nicht mehr aus, sofern nicht zusätzlich zu den oben beschriebenen Maßnahmen zur Abschirmung des

elektrischen ^' Feldes die weiter oben im Zusammenhang mit de

Abstandsmesseinrichtung beschriebenen Maßnahmen zur Erhöhung der

Messgenauigkeit verwendet werden. Durch die Kombination dieser Maßnahmen kann eine im Wesentlichen von der Werkstückgeometrie unabhängige

Abstandsmessung mit hoher Messgenauigkeit erfolgen.

Es versteht sich, dass sich auch die konstruktive Auslegung der Bearbeitungsdüse, insbesondere der Größe und der Geometrie der Bearbeitungsdüse auf den

Messdurchmesser sowie auf den Messbereich auswirken. In einer Ausführungsform ist die Bearbeitungsdüse plattenförmig, d.h. sie weist eine seitliche Erstreckung (senkrecht zur Düsenachse) auf, die erheblich größer ist als die Erstreckung der Bearbeitungsdüse in Richtung der Düsenachse. Unter einer plattenförmigen

Bearbeitungsdüse wird im Sinne dieser Anmeldung eine Bearbeitungsdüse verstanden* deren Stirnseite eine Erstreckung senkrecht zur Düsenachse

(entsprechend dem Durchmesser an der Stirnseite) aufweist, die mindestens doppelt so groß, bevorzugt mindestens vier Mal so groß, insbesondere mindestens 10 Mal so groß ist wie die Erstreckung der Bearbeitungsdüse in Richtung der Düsenachse. Durch die Verwendung einer piattenförmigen Bearbeitungsdüse wird die Oberfläche entlang des Düsenmantels auf ein Minimum reduziert, so dass der

Messdurchmesser bzw. der Beitrag der Feldlinien, welche von der Mantelfläche ausgehen, minimiert werden kann.

Es versteht sich _» das sowohl der Laserbearbeitungskopf mit der elektrischen

Abschirmung als auch die plattenförmige Bearbeitungsdüse ggf. auch ohne die oben beschriebene Äbstandsmesseinriohtung verwendet werden können und somit Gegenstände darstellen, die auch unabhängig von der Abstandsmesseinrichtung schützenswert sind.

Durch eine gezielte Auslegung der Bearbeiiungsdüse kann ein signifikant niedrigerer Messdurchmesser erzielt werden, mit dem im Regelfall jedoch eine signifikante

Verringerung des essbereichs {in Laserstrahl richtung) einhergeht, welche durch die präzisere Frequenzauflösung bzw. die höhere Messgenauigkeit der oben

beschriebenen Abstandsmesseinrichtung kompensiert werden kann. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem zur Bestimmung der abstandsabhängfgen Frequenz die Phasenlage zwischen dem Messintervall und dem impulssigna! angepasst oder berücksichtigt wird. Wie weiter oben dargestellt kann die Anpassung dadurch erfolgen, dass sowohl die Phasenlage als auch die Zeitdauer des Messintervalls angepasst wird. Alternativ kann als auch bei konstanter Zeitdauer und beliebiger Phasentage des

Messintervalis bezüglich des jmpuissignals die Phaseniage bestimmt und bei der Bestimmung der abstandsabhängigen Frequenz berücksichtigt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeieh- nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebige Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung,

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Abstandsmesseinrichtung gemäß dem

Stand der Technik, bei der zur Bestim mung einer abstandsabhängigen Frequenz ein periodisches Schwingungssignal in ein Rechtecksigna! umgewandelt wird,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Äusführungsforrrs einer

erfindungsgemäßen Abstandsmesseinrichtung, bei der eine Anpassung der Phaseniage eines Messintervalls an das Rechtecksignal erfolgt,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführu ngsform einer

erfindungsgemäßen Abstandsmesseinrichtung, bei der die Phaseniage des Messintervaiis bezüglich des Rechteeksignais berücksichtigt wird,

Fig, 4 eine schematische Darstellung eines Details einer Laserbearbeitungsmaschine mit einer Laserbearbeitungsdüse und einem Werkstück, welche einen variablen Kondensator bilden,

Fig. 5a eine schematische Darstellung des Rechteeksignais und eines

Messintervaiis bei einer Abstandsmesseinrichtung gemäß Fig. 1 ,

Fig. 5b eine schematische Darstellung eines Rechteeksignais und eines

Messintervaiis bei einer Abstandsmesseinrichtung gemäß Fig, 2,

Fig. 5c eine schematische Darstellung eines Rechteeksignais und eines

Messintervaiis bei einer Abstandsmesseinrichtung gemäß Fig. 3,

Fig. 6 eine schematische Darstellung analog Fig. 4 mit einer

Laserbearbeitungsdüse, die von einer metallischen Abschirmung umgeben ist, sowie

Fig, 7 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsdüse, welche zur

Verringerung des Messdurchmessers eine Isolation aufweist.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Abstandsmesseinrichtung 1 zur Bestimmung des

Abstandes zwischen zwei (in Fig. 1 nicht gezeigten) elektrisch leitenden Körpern bzw. Bauteilen. Die Abstandsmesseinrichtung 1 ist zur kapazitiven Abstandsmessung ausgelegt und weist einen (LC-)Schw!ngkreis 2 auf, dessen Kapazität in Abhängigkeit vorn Abstand der elektrisch leitenden Körper variiert, Der Schwingkreis 2 erzeugt ein periodisches, harmonisches Schwingungssignal 3, typischer Weise ein Sinussignal, das auch digitalisiert vorliegen kann und dessen Frequenz f ebenfalls abstandsabhängig ist und das zunächst einem Wandler 4 (Schweliwertgeber) in Form eines Schmitt-Triggers zugeführt wird, der das

periodische Schwingungssignal 3 in ein Impulssignal in Form eines Rechtecksignals 5 umwandelt. Das Rechtecksignal 5 wird über einen steuerbaren Schalter 6 einem digitalen Zähler 7 zugeführt. Der steuerbare Schalter 5 steht mit einem

iVlesstaktgeber 8 in Verbändung, weicher den Schalter 6 derart ansteuert, dass dieser mit einer vorgegebenen Abtastrate (Messtakt) geöffnet und geschlossen wird. Die Abtastrate kann z.B. so gewählt werden, dass ein in Fig. 5a gezeigtes Messintervall 9 eine Zeitdauer von z.B. Δί^ = 1 ms aufweist. Innerhalb des ..Me.ssinterval.ls 9 registriert der Zähler 7 die Impulse 5a des Rechtecksignals 5, z.B. indem dieser ansteigenden Flanken der Amplitude P des Rechtecksignals 5 registriert.

Die Frequenz f des Schwingkreises 2 wird ermittelt, indem die mil dem Zähler 7 ermittelte Anzahl der impuls 5a des Rechtecksignals 5 durch die Zeitdauer Δίω des Messintervalls geteilt wird, welche im vorliegenden Fall durch den Messtaktgeber 8 vorgegeben ist. Wie in Fig. 5a zu erkennen ist, kann hierbei das Problem auftreten, dass das Messintervall 9 bezüglich der Impulse 5a des Rechtecksignals 5 ungünstig Hegt so dass Impulse 5a, die unmittelbar vor dem Messintervall 9 bzw. unmittelbar nach dem Messintervall 9 liegen, bei der Zählung nicht berücksichtigt werden, so dass es zu einer Abweichung bei der Bestimmung der Frequenz f kommt. Bei dem in Fig. 5a gezeigten Beispiel weicht die Zahl der impulse im Messintervall 9 (hier:

sieben) von der Zahl der Impulse bzw. Schwingungspenoden (hier: acht) ab, die eigentlich bei der Frequenzmessung ermittelt werden sollten. Es versteht sich, dass zur Vereinfachung in Fig. 5a lediglich eine kleine Anzahl von Impulsen 5a dargestellt wurde und dass die Anzahl der Impulse 5a, die in einem Messintervali 9 liegen, in der Praxis deutlich größer ist.

Eine Erhöhung der Messgenauigkeit der Frequenz f und damit des Abstands kann durch eine Abstandsmesseinrichtung 1 erreicht werden, die in Fig. 2 dargestellt ist. Die Äbstandsmesseinrichtung 1 umfasst zusätzlich zu dem in Fig. 1 beschriebenen Aufbau eine Synchronisationseinrichtung in Form einer Triggerlogik 10, die zur Synchronisation des Messintervalts 9 mit den Impulsen 5a des Rechtecksignafs 5 dient. Mit änderen Worten dient die Triggerlogik 10 dazu, den Startzeitpunkt ts und den Endzeitpunkt te des Messintervalts ·9 so anzupassen, dass das essintervali 9 stets eine Zeitdauer MM aufweist, weiche einem ganzzahligen Vielfachen der

Periodendauer des periodischen Schwingungssignals 3 entspricht (vgl. Fig. 5b).

Da die Zeitdauer M des Messintervails 9 von der (abstandsabhängig variierenden) Frequenz f des Schwingkreises 2 abhängt, wird die Zeitdauer Δί _Μ in einer

Zöitmesseinrichtung 11 mit einer Genauigkeit von typischer Weise ca. 100 ps oder weniger, z.B. ca. 50 ps bestimmt. Die Frequenz f kann in diesem Fall präzise ermittelt werden, indem die Zahl der gemessenen Impulse 5a durch die gemessene Zeitdauer MM des (angepassten) Messintervalis 9 geteilt wird. Bei einem alternativen, in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Abstandsmesseinrichtung 1 wird ein Messintervall 9 mit fest vorgegebener Zeitdauer M _M - verwendet, aber die Phasenlage zwischen dem Messiniervall 9 und den Impulsen 5a des Rechtecksignals 5 bei der Bestimmung der Frequenz f berücksichtigt. Zu diesem Zweck weist die Abstandsmesseinrichtung 1 von Fig. 3 einen Phasendetektor 12 auf, welcher die Phase zwischen dem Rechtecksignaf 5 und dem Messintervail 9 detektiert. Anhand der detektierten Phase kann in einer Bestimmungseinrichtung in Form einer Recherilogik 13 der Zeitversatz zwischen dem Messiniervall 9 und den Impulsen 5a des Rechtecksignais 5 bestimmt werden. Genauer gesagt werden in der Bestimmungseinrichtung 13 Teilperioden Ats bzw. Δίε des periodischen

Schwingungssignals 3 bzw. des Rechtecksignals 5 bestimmt (vgl Fig. 5c), die z.B. in Brüchteiien der gezählten Impulse ausgedrückt werden können, so dass sich die Frequenz f gemäß folgender Formel ergibt: f = (impuisanzahl + Start-Periodenanteil f Stopp-Periodenantei!) / MM- Fig. 4 zeigt als ein Detail einer Laserbearbeitungsmaschine einen

Laserbearbeitungskopf 20, in welchen die Abstandsmesseinrichtung 1 von Fig. 2 oder Fig. 3 integriert ist. Im vorliegenden Beispiel ist die Abstandsmesseinrichtung 1 in einen Grundkörper 21 des Laserbearbeitungskopfes integriert, der gegenüber einer metallischen Laserbearbettungsdüse 22 elektrisch isoliert ist. Die Abstandsmesseinrichtung 1 dieni der Messung eines Äbstandes A zwischen dem unteren Ende der Laserbearbeitungsdüse 22 in Form einer Schneidgasdüse und einem metallischen, zu bearbeitenden Werkstück 23. Eine Spannungsqueiie 2 dient der Erzeugung einer Potentiaidifferenz zwischen der Düse 22 und dem Werkstück 23.

Um den Abstand A zwischen der Laserbearbeitungsdüse 22 und dem Werkstück 23 bzw. der Oberseite 23a des Werkstücks 23 während eines Bearbeitungsprozesses zu bestimmen, erzeugt die Spannungsqueiie 24 eine vorgegebene Potentiaidifferenz zwischen dem metallischen Körper der Laserbearbeitungsdüse 22 und dem ebenfatls metallischen Werkstück 23, so dass sich zwischen beiden ein elektrisches Feld E ausbildet, dessen Feldlinien in Fig. 4 dargestellt sind. Die Düse 22 und das

Werkstück 23 bilden somit einen Messkondensator, der Teil des (in Fig. 4 nicht gezeigten) Schwingkreises 2 ist und mit einer (ebenfalls nicht gezeigten) Spule als weiterem Teil des Schwingkreises 2 in Reihe geschaltet ist.

Es versteht sich, dass die Darstellung der Abstandsmesseinrichtung 1 in Fig. 2 und Fig. 3 lediglich der Veranschaulichung dient und die dort gezeigten Schaltungselemente nicht als diskrete Bauteile realisiert sein müssen. Vielmehr kann die

Abstandsmesseinriehtung 1 bzw. können Teile der Abstandsrnesseänrschtung 1 z.B als Field Programmable Gate Ärray (FPGA), als Application Specific integrated Circuit ASIC) oder auf andere Weise realisiert werden, z.B. als eine Kombination aus Hard- und Software. Die Abstandsmesseinrichtung 1 kann insbesondere dazu dienen, während eines Trenn-Schneidprozesses oder Laserschweißprozesses, bei dem ein Laserstrahl 25 entlang einer Laserstrahlachse 26 auf das Werkstück 23 gerichtet wird (vgl. Fig. 4), den Abstand A zu überwachen und diesen ggf. mittels einer (nicht gezeigten)

Regeleinrichtung zu regein, indem die Position des Laserbearbeitungskopfes 20 in Laserstrahlrichtung 25 (Z-Richtung eines XYZ-Koordinatensysterns) verändert wird.

Durch die im Zusammenhang mit Fig. 2 und Fig. 3 beschriebenen Maßnahmen kann der Auswertefehier bei der Messung der Frequenz f des Schwingkreises 2

theoretisch vollständig eliminiert werden. Daraus resultiert ein wesentlich erhöhter Messbereich (d.h. größer© Abstände A sind messbar) sowie die Möglichkeit, die Abtastrate (den Messtakt} zu erhöhen sowie Paralleikapazitäten zu kompensieren (s.u.). Auch kann der Wandler 5 ausgelegt sein, an Stelle eines Rechtecksignals ein anderes Impulssignal mit ausreichender Flankensteilheit, z.B. ein Sägezahnsignal, zu erzeugen. Auch in diesem Fall kann die Phasenlage zwischen den impulsfianken des Impulssignals und dem Messintervall für die Bestimmung der

abstandsabhängigen Frequenz berücksichtigt oder angepasst werden. in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Laserbearbeitungsdüse 22 und dem metallischen Werkstück 23 verändert sich die Lage bzw. die Länge der Feldlinien E und somit die Kapazität. Um den Zusammenhang zwischen dem Abstand Ä und der Kapazität bzw. Frequenz f des Schwingkreises 2 zu ermitteln, kann z.B. eine Kapazitätsmessung bei variablem, bekanntem Abstand A vorgenommen werden, um eine Kennlinie für den Abstand A in Abhängigkeit von der Kapazität und damit von der Frequenz f zu erhalten. Der Abstand A wird entweder in der Abstands- messeinrichtung 1 selbst oder in einer anderen in der Laserbearbeitungsmaschin vorgesehenen Baueinheit anhand der Kenniine und der gemessenen Frequenz f bestimmt.

Um einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Kapazität und Abstand A bei der Kalibrierung der Abstandsmesseinrichtung 1 zu erhalten, wird zur Bestimmung der Kennlinie typischer Weise ein ebenes Werkstück 23 verwendet, ist die Geometrie des Werkstücks 23 jedoch nicht über die gesamte Bearbeitungsdauer konstant, z.B. weil an dem Werkstück 23 Umformungen vorgenommen werden, verändert sich das Schwingungssignal 3 aufgrund der lateralen Empfindlichkeit der Kapazitätsmessung nicht nur mit dem Abstand A, sondern auch mit der Werkstückgeometrie, Um die laterale Empfindlichkeit der Abstandsmessung herabzusetzen, kann wie in Fig. 6 gezeigt eine Abschirmung 27 am Grundkörper 21 des

Laserbearbeitungskopfes 20 vorgesehen werden, im gezeigten Beispiel ist die Abschirmung 27 als metallisches Schirmblech ausgebildet, weiches mit dem

Grundkörper 21 des Laserbearbeitungskopfes durch ein in Fig. 6 angedeutetes Gewinde verbunden ist, an das sich in Richtung auf das Werkstück 23 ein

Teilbereich 21a des Grundkörpers 21 anschließt, weicher aus einem Isolator, z.B. aus Kunststoff öder einer Keramik besteht. Am spitz zulaufenden Ende dieses Teilbereichs 21 a ist die Bearbeitungsdüse 22 über ein {nicht gezeigtes) Gewinde befestigt und wird von der Äbschirmung 27 in der Art eines Mantels umhüllt.

Zwischen der Bearbeitungsdüse 22 und dem (geerdeten) Schirmbiech 27 besteht eine (zeitiich) konstante Potentialdifferenz, so dass sich zwischen dem Schirmbiech 27 und der Bearbeitungsdüse 22 ein zeitlich konstantes elektrisches Feld ausbildet, weiches von der Geometrie des Werkstücks 23 unabhängig ist. Der durch das Werkstück 23 beeinfiusste Feldanteil des elektrischen Feldes E verläuft zwischen einer Stirnseite 22b der Bearbeitungsdüse 22 und dem Werkstück 23, wobei die Feldlinien im Wesentlichen parallel zur Laserstrahiachse 25 verlaufen, Die

Erstreckt] ng der Feldlinien des elektrischen Feldes E auf dem: Werkstück 23 senkrecht zur Laserstrahiachse 25 und damit der Messdurchmesser ist bei der Bearbeitungsdüse 22 von Fig. 6 deutlich geringer als beispielsweise bei der

Bearbeitungsdüse 22 von Fig. 4, bei der keine Abschirmung vorgesehen ist.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Lösung ist der Anteii der Kapazität des zeitiich

konstanten, abstandsunabhängigen elektrischen Feldes E zwischen der

Bearbeitungsdüse 22 und dem Schirmbiech 27 an der Gesarnt-Kapazität jedoc verhältnismäßig groß, wodurch eine Verringerung des Messbereichs in

Laserstrahirichtung 25 entsteht, welche durch die hohe Genauigkeit der oben beschriebenen Abstandsmesseinnchtung 1 bzw. durch eine präzisere

Frequenzmessung kompensiert werden kann.

Es versteht sich, dass die Feldlinien in Fig. 6 nur schematisch dargestellt sind und deren tatsächlicher Verlauf vom dort gezeigten Verlauf abweicht. Auch kann die Länge der Abschirmung 27 in Laserstrahlrichtung 25 geringer ausfallen als in Fig. 6 dargestellt und deren Geometrie kann (wie auch die Geometrie der

Bearbeitungsdüse 22) von dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel abweichen, in einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Abschirmung 27 zumindest bis zur Stirnseite 22b der Bearbeitungsdüse 22, d.h. die Abschirmung 27 schließt bündig mit der Spitze der Bearbeitungsdüse 22 ab. Alternativ kann zur Verringerung des Einflusses der Geometrie des Werkstücks 23 auf die Messung eine piattenförmige Bearbeitungsdüse 22 verwendet werden, wie sie in Fig. 7b (zur Vereinfachung ohne Laserbearbeitungskopf) dargestellt ist. Fig. 7a zeigt demgegenüber eine Bearbeitungsdüse, wie sie Im Stand der Technik

verwendet wird. Die piattenförmige Bearbeitungsdüse 22 in Fig. 7b weist eine sehr viel geringere seitliche Fläche auf als die herkömmliche Bearbeitungsdüse 22 von Fig. 7a, wodurch eine seitliche Ausbreitung des elektrischen Feldes E nahezu vollständig verhindert wird und das elektrische Feld E im Wesentlichen parallel zur Laserstrahlrichtung 25 zwischen dem Werkstück 23 und der Stirnseite 22b der

Bearbeitungsdüse 2 verläuft. Dies führt jedoch zu einer deutlichen Verringerung der Gesamt- apazität zwische der Bearbettungsdüse 22 und dem Werkstück 23 und somit zu einer Verringerung des Messbereiehs bei der Abstandsmessung A in Laserstrahlrichtung 25, welche durch die höhere Genauigkeit bei der Bestimmung des Abstands A mittels der oben beschriebenen Abstandsmesseinrichtung 1

kompensiert werden kann.

Zusätzlich oder alternativ kann der zur Abstandsmessung dienende

Oberfiachenbereieh an der Stirnseite 22a der Bearbeitungsdüse 22 klein gehalte werden, was jedoch ebenfalls zu einer deutlichen Verringerung der Gesamt-

Kapazität zwischen der Bearbeitungsdüse 22 und dem Werkstück 23 und somit z einer Verringerung des Messbereichs bei der Abstandsmessung A in

Laserstrahlrichtung 25 führt, welche durch die höhere Genauigkeit bei der

Bestimmung des Abstands A mitteis der oben beschriebenen

Abstandsmesseinrichtung 1 kompensiert werden kann.

Durch die in Zusammenhang mit Fig. 6 und Fig. 7a, beschriebenen Maßnahmen ist der Messdurchmesser in lateraler Richtung und damit der Einfluss der Geometrie des Werkstücks 23, insbesondere einzelner Kanten an dem Werkstück 23 (vgl. Fig. 7), auf die Abstandsmessung verhältnismäßig gering. Auch verlaufen d ie

elektrischen Feldlinien im Wesentlichen in Messrichtung (d.h. in Laserstrahlrichtung 25), so dass die Präzision bei der Messung des Äbstandes A insbesondere bei Werkstücken 23, die keine plane Werkstückoberfläche 23a aufweisen, signifikant erhöht werden kann.