Verfahren und Vorrichtung zum Führen eines Maschinenteils entlang einer definierten Bewequnqsbahn über einer Werkstückoberfläche

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Führen eines Maschinenteils entlang einer definierten Bewegungsbahn über einer Werkstückoberfläche, wobei das Maschinenteil entlang der Bewegungsbahn in einem definierten Abstand zu der Werkstückoberfläche gehalten wird, mit den Schritten:

Bereitstellen eines Abstandssensors, der dem Maschinenteil entlang der Bewegungsbahn mit einem definierten Vorlauf vorauseilt,

Bestimmen einer Vielzahl von Abstandswerten zwischen dem Abstandssensor und der Werkstückoberfläche entlang der Bewegungsbahn,

Bestimmen einer Vielzahl von Stellwerten zum Einstellen des definierten Abstandes in Abhängigkeit von den ersten Abstandswerten, und

Bewegen des Maschinenteils entlang der Bewegungsbahn und wiederholtes Einstellen des definierten Abstandes mit Hilfe der Stellwerte.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Führen eines Maschinenteils entlang einer definierten Bewegungsbahn über einer Werkstückoberfläche, wobei das Maschinenteil entlang der Bewegungsbahn in einem definierten Abstand zu der Werkstückoberfläche gehalten werden kann, mit:

- zumindest einem Abstandssensor, der dem Maschinenteil entlang der Bewegungsbahn mit einem definierten Vorlauf vorauseilt, wobei der zumindest eine Abstandssensor dazu ausgebildet ist, entlang der Bewegungsbahn eine Vielzahl von Abstandswerten zwischen dem Abstandssensor und der Werkstückoberfläche zu bestimmen,

einer Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von Stellwerten zum Einstellen des definierten Abstandes in Abhängigkeit von den ersten Abstandswerten zu bestimmen, und

einer ersten Antriebseinheit zum Bewegen des Maschinenteils entlang der Bewegungsbahn und einer zweiten Antriebseinheit zum wiederholten Einstellen des definierten Abstandes mit Hilfe der Stellwerte.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus DE 33 41 964 Al bekannt.

In dieser Druckschrift ist eine Vorrichtung beschrieben, die einen Schweißkopf besitzt, der dazu dient, zwei Platten entlang einer Stoßkante miteinander zu verschweißen. Dem Schweißkopf läuft ein Abstandssensor mit einem konstanten Vorlauf voraus. Der Abstandssensor dient dazu, den Verlauf der Stoßkante und die Höhe des Schweißkopfes über der Oberfläche der beiden Platten zu bestimmen, damit der Schweißkopf genau über den Verlauf der Stoßkante geführt werden kann. Eine Steuerschaltung für den Schweißkopf beinhaltet eine Verzögerungs- und Korrekturstufe, der die Ausgangssignale des vorlaufenden Abstandssensors zugeführt sind. Der Abstandssensor wird über Stellglieder auf die gewünschte Höhen- und Seitenlage relativ zu der Stoßkante geregelt. Die entsprechenden Steuersignale werden von der Verzögerungs- und Korrekturstufe um den Vorlauf verzögert an die Stellglieder für den Schweißkopf weitergegeben. Durch die Zeitverzögerung soll erreicht werden, dass der Schweißkopf in jedem Augenblick genau diejenige Position einnimmt, die der Abstandssensor um die Verzögerungszeit früher eingenommen hatte. Da der Abstandssensor aufgrund der Selbstregelung eine gewünschte Position über der Stoßkante beibehält, folgt der Schweißbrenner der gewünschten Bahn.

Die bekannte Vorgehensweise besitzt den Nachteil, dass sowohl der Abstandssensor als auch der Schweißkopf Antriebselemente benötigt, da der Abstandssensor unabhängig von der Bewegung des Schweißkopfes geregelt wird. Die hohe Anzahl an Stellgliedern macht diese Vorgehensweise teuer. Außerdem ist die Genauigkeit, mit der der Schweißkopf dem Abstandssensor folgt, durch die Toleranzen der einzelnen Stellglieder begrenzt. Der Schweißkopf kann der Selbstregelung des Abstandssensors nur insoweit folgen, wie die Stellglieder des Schweißbrenners den Stellgliedern

des Abstandssensors entsprechen. Besonders aufwendig und ungünstig ist die bekannte Vorgehensweise, wenn anstelle eines Schweißkopfes mit einem weitgehend punktförmigen Wirkungsbereich auf der Werkstückoberfläche ein Maschinenteil geführt werden soll, das einen linienförmigen Wirkungsbereich auf der Werkstückoberfläche besitzt.

DE 196 15 069 Al offenbart ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren, um ein Werkzeug mit einem definierten Abstand über einer Werkstückoberfläche zu führen. In einem dort beschriebenen Ausführungsbeispiel sollen zwei unterschiedlich große, aufeinander liegende Platten entlang der Abschlusskante der kleineren Platte verschweißt werden. Dem Schweißkopf läuft hier ein Tastelement voraus, mit dem der Kantenverlauf taktil er- fasst wird. Eine Regeleinrichtung sorgt dafür, dass der Schweißkopf dem Kantenverlauf folgt, wobei auch die Höhenlage des Schweißkopfes über der Werkstückoberfläche nachgeführt wird. Anders als bei der Vorrichtung aus DE 33 41 964 Al ist der Schweißkopf hier starr mit dem Abstandssensor gekoppelt. Daher werden weniger Stellglieder benötigt. Die bekannte Lösung setzt allerdings eine genau vorprogrammierte Bewegungsbahn voraus, da das Tastelement nur Abweichung von einer solchen vorprogrammierten Bewegungsbahn erfasst. Außerdem ist die Fokusregelung nur für das Tastelement, nicht jedoch für den nachlaufenden Schweißkopf exakt.

Es gibt darüber hinaus eine Vielzahl von anderen Vorschlägen, um ein Maschinenteil in einem definierten Abstand über einer Werkstückoberfläche zu führen. Nach DE 299 04 097 Ul sind mehrere Laufräder an dem Maschinenteil (einem Laserbearbeitungskopf) angeordnet. Die Laufräder sollen so nah wie möglich an

der Schweißnaht des zu bearbeitenden Werkstücks positioniert sein, was bei Schweißvorgängen und/oder bei empfindlichen Oberflächen problematisch ist.

In DE 32 43 341 Al ist vorgeschlagen, ein auf die Werkstückoberfläche projiziertes Schlitzbild mit einer Kamera aufzunehmen. EP 0 554 523 Bl (= DE 692 19 101 T2 ) schlägt vor, das Farbspektrum im Bereich einer Schweißnaht auszuwerten, wobei der Schweißkopf ebenfalls über Rollen auf der Werkstückoberfläche geführt wird. DE 195 16 376 Al schlägt vor, die Intensität eines laserinduzierten Plasmas mit einem Detektor auszuwerten, der schräg auf den Verlauf einer Laserschweißnaht blickt. All diese Vorschläge erfordern eine aufwendige Signalverarbeitung für die Abstandsbestimmung.

Andere Vorschläge verwenden einen kapazitiven Sensor, der möglichst dicht an oder bei dem geführten Maschinenteil sitzen soll (EP 0 743 130 Bl, DE 197 27 094 C2, DE 91 17 180 Ul, DD 286 887 A5 ) . Diese Vorschläge versuchen einen Vorlauf des Abstandssensors vor dem geführten Maschinenteil zu vermeiden oder sie vernachlässigen einen solchen Vorlauf.

Aus DE 37 30 709 Al ist es bekannt, einen Abstandssensor zunächst in einem ersten Betriebsmodus über die zu bearbeitende Werkstückoberfläche zu führen und den eigentlichen Bearbeitungsvorgang später in einem zweiten Betriebsmodus vorzunehmen, wobei die Messwerte aus dem ersten Durchgang zur Abstandsregelung während des zweiten Durchgangs verwendet werden. Diese Vorgehensweise ist zeitaufwendig, weil das Maschinenteil zumindest zweimal über die Werkstückoberfläche geführt werden muss.

Allen bekannten Vorgehensweisen ist zudem gemeinsam, dass der Wirkungsbereich des geregelten Maschinenteils auf der Werkstückoberfläche im Wesentlichen punktförmig ist. Eine Fokusregelung für einen linienförmigen Wirkungsbereich ist nicht vorgesehen.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative anzugeben, die eine einfache und kostengünstige Fokusregelung auf einer Werkstückoberfläche ermöglicht. Dabei soll die Alternative bei Maschinenteilen mit einem linienförmigen Wirkungsbereich einfach und kostengünstig anwendbar sein.

Diese Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Abstandswerte an einer Vielzahl von Messpositionen bestimmt werden, die entlang der Bewegungsbahn mit einem ersten Rasterabstand verteilt sind, und bei dem die Stellwerte einer Vielzahl von Stellpositionen zugeordnet werden, die entlang der Bewegungsbahn mit einem zweiten Rasterabstand verteilt sind, wobei der erste und der zweite Rasterabstand unterschiedlich sind.

Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der der zumindest eine Abstandssensor dazu ausgebildet ist, die Abstandswerte an einer Vielzahl von Messpositionen zu bestimmen, die entlang der Bewegungsbahn mit einem ersten Rasterabstand verteilt sind, und bei der die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Stellwerte einer Vielzahl von Stellpositionen zuzuordnen, die entlang der Bewegungsbahn mit einem zweiten

Rasterabstand verteilt sind, wobei der erste und zweite Rasterabstand unterschiedlich sind.

Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung verwenden also zumindest einen vorlaufenden Abstandssensor, wie dies aus der eingangs genannten DE 33 41 964 Al für sich genommen bekannt ist. Dadurch sind das neue Verfahren und die neue Vorrichtung unabhängig von der Technologie des verwendeten Abstandssensors. Prinzipiell kann jeder Sensor verwendet werden, der in der Lage ist, ein Signal zu liefern, mit dem sich der Abstand zwischen dem Maschinenteil und der Werkstückoberfläche bestimmen lässt. Aufgrund der großen Vielfalt bei der Auswahl eines geeigneten Abstandssensors lassen sich das neue Verfahren und die neue Vorrichtung sehr kostengünstig realisieren. Außerdem können die Abstandssensoren aufgrund des Vorlaufs recht gut gegen Störungen und Beschädigungen durch das nachlaufende Maschinenteil geschützt werden. Da der Abstandssensor keinen „Blickkontakt" zu der Bearbeitungsstelle auf der Werkstückoberfläche erfordert, können Abschirmbleche zur Entkopplung eingesetzt werden.

Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung ermöglichen es, den zumindest einen Abstandssensor und das Maschinenteil starr miteinander zu verbinden. Dadurch kann die Zahl der erforderlichen Antriebselemente gegenüber der Lösung aus DE 33 41 964 Al reduziert werden. Außerdem werden Nachlauffehler, die durch Toleranzabweichungen in separaten Antriebselementen verursacht werden, vermieden. Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung ermöglichen daher eine kostengünstige Führung des Maschinenteils mit einer hohen Genauigkeit. Andererseits lassen sich Parallaxfehler aufgrund des Nachlaufs des Maschinenteils gut korrigieren bzw. vermeiden.

Darüber hinaus besitzen das neue Verfahren und die neue Vorrichtung den Vorteil, dass die Messwertaufnahme (Bestimmung des Istabstandes) und die Einstellung des definierten Sollabstandes aufgrund der unterschiedlichen Rasterabstände voneinander entkoppelt sind. Es ist daher leicht möglich, mehrere Abstandswerte zu einer Stellposition zu messen und zu mittein. Dies ermöglicht ein sehr ruhiges und genaues Regelverhalten, da kurzperiodische Schwankungen ignoriert werden. Umgekehrt lassen sich bei einer ebenen Werkstückoberfläche sehr hohe Bewegungsgeschwindigkeiten erreichen, weil die Einstellung des definierten Abstandes in diesem Fall nicht „unnötig" durch zahlreiche Abstandsmessungen aufgehalten wird.

Schließlich ermöglicht die Aufnahme von Abstandswerten und das Einstellen des definierten Abstandes mit voneinander unabhängigen Rasterabständen eine sehr einfache Realisierung, wenn ein linienförmiger oder sogar flächiger Wirkungsbereich auf der Werkstückoberfläche optimal eingestellt werden soll, wie nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele dargstellt ist.

Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Rasterabstand kleiner als der zweite Rasterabstand.

In dieser Ausgestaltung werden die Abstandswerte mit einer höheren Häufigkeit oder Dichte bestimmt als die Stellwerte zum Einstellen des definierten Abstandes. Dies ermöglicht eine Auswahl, Plausibilitätsprüfung und vorzugsweise eine Mittelung der erhaltenen Abstandswerte. Das Regelverhalten wird hierdurch ruhiger. Außerdem sind das neue Verfahren und die neue Vorrich-

tung dieser Ausgestaltung weniger empfindlich gegenüber sto- chastischen Störungen, die die Messung der Abstandswerte beeinflussen. Daher lässt sich mit dieser Ausgestaltung eine besonders hohe Genauigkeit der Fokusregelung erreichen.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der erste Rasterabstand größer als der zweite Rasterabstand.

Diese Ausgestaltung erlaubt sehr hohe Vorschubgeschwindigkeiten, und sie ist besonders bevorzugt, wenn die Werkstückoberfläche sehr eben ist. Da in dieser Ausgestaltung mehr Stellwerte verwendet werden als gemessene Abstandswerte zur Verfügung stehen (die Dichte der Stellwerte ist höher als die Dichte der Abstandswerte), ist es bevorzugt, Stellwerte ohne „eigenen" Abstandswert in Abhängigkeit von interpolierten Abstandswerten zu bestimmen. Aufgrund des vorlaufenden Abstandssensors ist dabei eine Interpolation unter Verwendung von „zukünftigen" Abstandswerten möglich, d.h. unter Verwendung von Abstandswerten von einer Messposition, die das Maschinenteil erste später erreicht. Daher ermöglicht diese Ausgestaltung trotz des reduzierten Messaufwandes eine genaue Einhaltung des definierten Abstandes .

In einer weiteren Ausgestaltung wird jeder Abstandswert derjenigen Stellposition zugeordnet, die der Messposition des Abstandswertes am nächsten liegt.

Alternativ hierzu könnten „überzählige" Abstandswerte verworfen werden oder lediglich einer Plausibilitätsprüfung dienen. Indem jeder Abstandswert einer Stellposition zugeordnet wird und in

die Bestimmung des Stellwertes eingeht, wird ein gleichmäßigeres und genaueres Regelverhalten erreicht.

In einer weiteren Ausgestaltung werden zu jeder Stellposition mehrere Abstandswerte bestimmt.

Diese Ausgestaltung trägt ebenfalls dazu bei, ein gleichmäßigeres und genaueres Regelverhalten zu erreichen, da jeder Stellwert von mehreren Abstandsmesswerten abhängt. Fehlmessungen und/oder Störungen im Messablauf werden besser unterdrückt.

In einer weiteren Ausgestaltung werden mehrere Abstandswerte zu einer Stellposition gemittelt, um den Stellwert dieser Stellposition zu bestimmen.

Wie bereits weiter oben erläutert, ist diese Ausgestaltung eine sehr einfache und wirksame Möglichkeit, um ein ruhiges und genaues Regelverhalten zu erreichen.

In einer weiteren Ausgestaltung werden die Stellwerte in einem rollierenden Speicher bereitgestellt. Vorzugsweise entsprechen die Speicherpositionen in dem rollierenden Speicher den Stellpositionen im zweiten Rasterabstand, d.h. es ist für jede Stellposition ein Speichereintrag vorgesehen.

Die Verwendung eines rollierenden Speichers ist eine sehr einfache und kostengünstige Möglichkeit, um die Stellwerte aus dem Vorlauf des zumindest einen Abstandssensors zu verwalten. Insbesondere erlaubt diese Ausgestaltung die Verwendung eines sehr kleinen Speichers mit einer Anzahl von Speicherstellen, die gleich oder nur geringfügig größer ist, als die Anzahl der

Stellwerte, die aufgrund des Vorlaufs des zumindest einen Abstandssensors zwischengespeichert werden müssen.

In einer weiteren Ausgestaltung werden die Stellwerte zum Einstellen des Abstandes einem Regler zugeführt, der eine progressive Regelverstärkung aufweist.

In dieser Ausgestaltung besitzt der Regler eine nichtlineare Regelverstärkung, die bei hohen Regelabweichungen überproportional ansteigt. Vorzugsweise reagiert der Regler bei geringen Regelabweichungen gar nicht, d.h. die Regelverstärkung ist unterhalb eines definierten Schwellwertes null.

Mit dieser Ausgestaltung lässt sich der Regelvorgang beschleunigen, d.h. der definierte Abstand wird bei höheren Regelabweichungen schneller auf den gewünschten Bereich eingestellt. Andererseits führt die Einführung einer „Unscharfe" bei geringen Regelabweichungen zu einem ruhigeren Verhalten. Dies ermöglicht eine höhere Bearbeitungsqualität.

In einer weiteren Ausgestaltung werden die Stellwerte in einem Speicher bereitgestellt werden, und zumindest zwei Stellwerte von verschiedenen Stellpositionen werden mit einem FIR-Filter kombiniert, um einen gefilterten Stellwert zu bestimmen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Kombination mit dem FIR-Filter erst beim Einregeln des Maschineteils, also bei oder nach dem Auslesen der Stellwerte aus dem Speicher erfolgt. Weiter ist es bevorzugt, wenn zumindest einer der verwendeten Stellwerte ein „zukünftiger" Stellwert ist, d.h. ein Stellwert zu einer Stellposition, die das nachlaufende Maschinenteil noch nicht erreicht hat.

Diese Ausgestaltung ermöglicht ein besonders ruhiges und genaues Regelverhalten. Sie macht sich einen Vorteil zunutze, den der vorlaufende Abstandssensor ermöglicht, indem „zukünftige" Abstandswerte in die Filterung einbezogen werden können. Es ist dadurch möglich, ein phasentreues Filter im Online-Betrieb zu realisieren. Besonders bevorzugt ist es, die Kombination der zumindest zwei Stellwerte vorzunehmen, wenn die Stellwerte zum Einstellen des Maschinenteils aus dem Speicher gelesen werden, weil dann eine maximale Anzahl an „zukünftigen" Abstandswerten berücksichtigt werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung besitzt das Maschinenteil einen linienförmigen Wirkungsbereich auf der Werkstückoberfläche, der quer zur Bewegungsbahn verläuft.

Diese Ausgestaltung ist auf eine bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung gerichtet, bei der eine Werkstückoberfläche mit einem linienförmigen Lichtband abgetastet und/oder aufgeheizt wird. Bei einer solchen Anwendung besteht die Herausforderung, nicht nur einen Punkt auf der Werkstückoberfläche im Fokus zu halten, sondern eine ausgedehnte geometrische Figur. Um hier eine optimale Fokusregelung zu erreichen, müssen die Abstände entlang des linienförmigen Wirkungsbereichs im Fokus des Maschinenteils gehalten werden, was mit den bislang bekannten Vorgehensweisen nur sehr aufwendig oder gar nicht möglich ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine einfache Fokusregelung für den linienförmigen Wirkungsbereich, wie nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt wird.

In einer weiteren Ausgestaltung werden zumindest zwei Abstandssensoren bereitgestellt, die dem linienförmigen Wirkungsbereich jeweils mit einem definierten Vorlauf vorauseilen.

Diese Ausgestaltung ist eine besonders einfache und kostengünstige Möglichkeit, um den linienförmigen Wirkungsbereich im Fokus zu halten. Sie ermöglicht insbesondere die Verwendung von einfachen, punktförmig messenden Abstandssensoren.

In einer weiteren Ausgestaltung, die auch für sich genommen eine Erfindung darstellt, werden ein Abstandsstellwert und ein Winkelstellwert mit Hilfe der zumindest zwei Abstandssensoren bestimmt und bereitgestellt, um den linienförmigen Wirkungsbereich parallel zu der Werkstückoberfläche zu führen.

Alternativ hierzu könnten auch mehrere Abstandsstellwerte verwendet werden. Die bevorzugte Ausgestaltung ermöglicht demgegenüber jedoch sehr einfache und kostengünstige Einstellung eines definierten Abstandes entlang eines linienförmigen Wirkungsbereichs .

In einer weiteren Ausgestaltung werden zumindest drei Abstandssensoren bereitgestellt, die dem linienförmigen Wirkungsbereich jeweils mit einem definierten Vorlauf vorauseilen, wobei jeder Abstandssensor einen Abstandswert liefert, und wobei der Abstandsstellwert und der Winkelstellwert in Abhängigkeit der zumindest drei Abstandswerte bestimmt werden.

Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr gleichmäßige und genaue Einstellung des definierten Abstandes über den gesamten Verlauf des linienförmigen Wirkungsbereichs. Sie ist zudem sehr

kostengünstig zu realisieren, wie nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt wird.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte, schematische Darstellung für ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung,

Fig. 2-4 die Vorrichtung aus Fig. 1 in drei verschiedenen Betriebspositionen ,

Fig. 5 ein vereinfachtes Flussdiagramm, das das Einlesen von Abstandswerten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert,

Fig. 6 ein vereinfachtes Flussdiagramm zur weiteren Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, bei der das Maschinenteil einen linienförmigen Wirkungsbereich auf der Werkstückoberfläche besitzt, und

Fig. 8 eine Grafik zur Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 7.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 beinhaltet ein Maschinenteil 12 und zumindest einen Abstandssensor 14, die hier gemeinsam an einem Träger 16 angeordnet sind. Der Abstandssensor 14 ist mit einem seitlichen Versatz 18 zu dem Maschinenteil 12 an dem Träger 16 befestigt. Der Versatz 18 ist der Vorlauf, um den der Abstandssensor 14 dem Maschinenteil 12 vorausläuft, wenn der Träger 16 relativ zu einem Werkstück verfahren wird.

Mit der Bezugsziffer 20 ist ein Tisch bezeichnet, auf dem ein Werkstück 22 angeordnet ist. Bei dem Werkstück 22 kann es sich beispielsweise um ein mehrlagiges Element handeln, dessen Oberfläche in einer bestimmten Weise aufgeheizt werden soll, um die oberflächennahen Lagen miteinander zu verbinden. Eine solche Anwendung stellt sich insbesondere bei der Herstellung von Flüssigkristallanzeigen (LCDs). In diesem bevorzugten Fall ist das Maschinenteil 12 ein Laser, der in einem optimalen Fokusabstand zu der Werkstückoberfläche 23 des Werkstücks 22 geführt werden muss.

Der Tisch 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel in der Höhe verstellbar, was durch einen Hydraulikzylinder 24 und einen Pfeil 26 angedeutet ist. Alternativ oder ergänzend hierzu könnte auch der Träger 16 in der Höhe verstellbar sein. Des weiteren ist der Tisch 20 in diesem Ausführungsbeispiel in Richtung des Pfeils 28 verfahrbar, wodurch sich eine Relativbewegung des

Maschinenteils 12 über der Werkstückoberfläche 23 in entgegengesetzter Richtung ergibt. Der Tisch 20 ist daher mit einem Antrieb 30 versehen, der hier nur schematisch dargestellt ist. Alternativ oder ergänzend hierzu könnte auch der Träger 16 parallel zu dem Pfeil 28 verfahrbar sein. Der Pfeil 28 gibt somit eine allgemeine Bewegungsachse der Vorrichtung 10 an. Diese Bewegungsachse wird im Folgenden auch als Y-Achse bezeichnet.

Mit der Bezugsziffer 32 ist eine Steuereinheit bezeichnet, die die Bewegungen des Tisches 20 steuert. Die Steuereinheit 32 beinhaltet einen Speicher 34, der in diesem Ausführungsbeispiel als rollierender Speicher ausgebildet ist. Der Speicher 34 besitzt eine Anzahl von Speicherzellen, die zyklisch der Reihe nach beschrieben und ausgelesen werden. Der älteste Eintrag in den Speicherzellen wird jeweils durch den neusten Eintrag überschrieben. Die Anzahl der Speicherstellen entspricht dem Vorlauf 18 zwischen dem Abstandssensor 14 und dem Maschinenteil 12. Sie ist zumindest so groß, dass ein vom Abstandssensor 14 an einer Position Y = Y ₀ eingelesener Abstandswert (oder ein darauf basierender Stellwert) noch im Speicher 34 vorhanden ist, wenn das Maschinenteil 12 die Position Y ₀ erreicht.

Die Steuereinheit 32 besitzt einen Eingangskreis 36. Der Eingangskreis 36 dient zum Aufnehmen der Abstandswerte oder Abstandssignale des Abstandssensors 14. Außerdem ist dem Eingangskreis 36 das Ausgangssignal eines Sensors 38 zugeführt, mit dem sich die Höhe des Tisches 20 in Richtung des Pfeils 26 (Z-Achse) bestimmen lässt. Der Eingangskreis 36 ist dazu ausgebildet, die erhaltenen Abstands- und Höhenwerte so aufzubereiten, dass sie an einer Speicherstelle des Speichers 34 abge-

speichert werden können. Es versteht sich, dass diese Speicherstelle mehrere Bytes umfassen kann, um die Daten aufzunehmen. Bevorzugt korrespondiert die Anzahl der Speicherstellen im rollierenden Speicher 34 mit der Anzahl der Y-Positionen, die entlang der Bewegungsachse 28 über den Vorlauf 18 auflösbar sind.

Ausgangsseitig besitzt die Steuereinheit 32 einen Regler 40, der dazu dient, die Höhe und die Vorschubbewegung des Tisches 20 einzustellen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt der Regler 40 eine nichtlineare Regelverstärkung, was mit dem Kennlinienverlauf in Fig. 1 dargestellt ist. Bevorzugt handelt es sich um einen PID-Regler. Es kann jedoch ein PI-, ein PD- oder ein P-Regler verwendet werden. Besonders bevorzugt ist es außerdem, wenn der Regler 40 bei sehr kleinen Regelabweichungen nicht reagiert. Mit anderen Worten beginnt der Regler 40 erst bei einer Regelabweichung, die oberhalb eines definierten Schwellenwertes liegt, die Regelabweichung auszuregeln.

Unterhalb der Vorrichtung 10 ist eine Skala 42 dargestellt. Die Skala 42 weist ein gröberes Raster 44 und ein feineres Raster 46 auf. Das gröbere Raster 44 gibt hier die Y-Positionen an, die in Bewegungsrichtung 28 des Tisches 20 auflösbar sind. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zu jeder Y-Position 48 ein Stellwert bestimmt, mit dem die Höhe des Tisches 20 und damit der Abstand 50 zwischen dem Maschinenteil 12 und der Werkstückoberfläche 23 eingestellt wird.

Das Raster 46 besitzt Rasterabstände, die kleiner sind als die Rasterabstände des Rasters 44. Jeder Rasterpunkt 52 des Rasters 46 bezeichnet eine Messposition, an der der Abstandssensor 14

seinen Abstand von der Werkstückoberfläche 23 misst. Diese Messwerte werden als Abstandswerte an die Steuereinheit 32 übertragen, und sie sind mit dem Abstand 50 zwischen dem Maschinenteil 12 und der Werkstückoberfläche 23 nicht in allen Fällen identisch, wie sich aus der Darstellung in Fig. 1 ergibt.

Die höhere Rasterdichte des ersten Rasters 46 kann auch eine Folge davon sein, dass der Abstandsensor 14 den Abstand zur Werkstückoberfläche 23 kontinuierlich bestimmt, wobei die kontinuierlichen Abstandswerte dann vorzugsweise mit einem A/D- Wandler umgewandelt werden, um digitale Abstandswerte zu erhalten.

An den mit Bezugsziffer 48 dargestellten Y-Positionen des zweiten Rasters 44 fallen die Rasterpunkte des ersten Rasters 46 und des zweiten Rasters 44 zusammen. Die Y-Positionen (Rasterpunkte) 48 des zweiten Rasters werden hier beispielsweise mit Hilfe eines Glasmaßstabes eingelesen, wie dies bei Werkzeugmaschinen und Koordinatenmessgeräten für sich genommen bekannt ist. Die Auflösung des Glasmaßstabes bestimmt die Rasterabstände 44 des zweiten Rasters.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen die Vorrichtung 10 in drei Betriebspositionen, wobei gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente bezeichnen wie zuvor.

Es sei angenommen, dass sich der Tisch 20 in Fig. 2 an der Position Y=Y ₀ befindet und dass der Vorlauf zwischen dem Abstandssensor und dem Maschinenteil 50 mm beträgt. Die Höhe des Tisches 20 sei beispielsweise 5 μm bezogen auf einen Tischnull-

punkt (hier nicht dargestellt). Der Abstandssensor 14 misst beispielsweise einen Abstandswert zur Werkstückoberfläche 23 von -3 μm. Der Wert von -3 μm ist auf einen Nullpunkt (hier nicht dargestellt) bezogen. Die Nullpunkte für den Tisch 20 und den Abstandssensor 14 sind so gewählt, dass sich die Werkstückoberfläche 23 im Fokus des Maschinenteils 12 befindet, wenn beide Werte Null sind.

In Fig. 3 sei angenommen, dass sich der Tisch 20 bei der Y- Position von Y = 25 mm befindet. Mit anderen Worten hat sich der Tisch 20 um 25 mm nach rechts bewegt. Der Abstandssensor 14 liefert beispielsweise einen Abstandswert von 2 μm, die Höhe des Tisches 20 sei hier 7 μm.

In der Betriebsposition gemäß Fig. 4 sei angenommen, dass der Tisch 20 bei y = 50 mm steht. Die Höhe des Tisches 20 beträgt 6 μm, der Abstandsmesswert des Sensors 14 sei (zufälligerweise) wiederum 2 μm. Alle angegebenen Werte sind in der nachfolgenden Tabelle nochmals zusammengefasst :

Die Zeilen der Tabelle entsprechen den Speicherstellen im rol- lierenden Speicher 34. Jeder Y-Position ist eine Speicherstelle = Tabellenzeile zugeordnet. Abgespeichert sind in jeder Speicherstelle insbesondere die Tischhöhe T(y) und die Abstandswerte S(m). Der Regelvorgang kann in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung erst beginnen, nachdem der Tisch 20 die Y-

Position Y = 50 mm erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt steht sowohl die aktuelle Tischhöhe T (50mm) = 6μm als auch die Information zur Verfügung, welche Tischhöhe T ( 0 ) = 5 μm und welcher Abstandswert S (0) = -3 μm vorlagen, als sich der Abstandssensor 14 an der Y-Position y = 0 befunden hatte. Mit anderen Worten muss das Maschinenteil 12 anfänglich um den Vorlauf 18 gegenüber der Werkstückoberfläche 23 bewegt werden, damit der Regelprozess starten kann.

Nun lässt sich gemäß der fünften Spalte die momentane Regelabweichung CV aus der Differenz der beiden Tischhöhen an den Y- Positionen y = 0 und y = 50 und dem Abstandswert S(O) bei der Y-Position y = 0 bestimmen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich eine Regelabweichung von -2 μm bezogen auf den Referenznullpunkt. Diese Regelabweichung wird dem Regler 40 zugeführt, um die Regelabweichung auszuregeln. Mit anderen Worten steuert der Regler 40 die Tischhöhe so, dass die Regelabweichung von -2 μm zu Null wird. Dieser Vorgang wird zyklisch für jede weitere Y-Position wiederholt.

Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, um die Tischhöhen und Abstandswerte in den Speicher 34 einzulesen.

Gemäß Schritt 60 wird zunächst die Höhe T(i) des Tisches 20 an der Y-Position y = i eingelesen. Mit Schritt 62 wird ein Zähler, der den Rasterabständen 46 entspricht, auf Null gesetzt. Im Schritt 64 wird der Zähler m = m + 1 inkrementiert . Dann wird gemäß Schritt 66 der Abstandswert S(m) eingelesen. Gemäß Schritt 68 wird die Differenz δTS(i) zwischen der eingelesenen Tischhöhe T(i) und dem Abstandswert S(m) bestimmt. Diese Differenz wird im Speicher 34 entsprechend der oben dargestellten

Tabelle abgespeichert. Außerdem wird die Tischhöhe T(i) zu dem Differenzwert abgespeichert. Gemäß Schritt 70 kann eine Winkelbestimmung erfolgen, die weiter unten näher erläutert wird. Gemäß Schritt 72 erfolgt eine Abfrage, ob bereits die nächste Y-Position erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, kehrt das Verfahren gemäß Schritt 74 zum Schritt 64 zurück. Es wird ein weiterer Abstandswert zu der Rasterposition (Messposition) m = m+1 eingelesen. Da die Y-Position y = i dieselbe ist (oder zumindest die Messauflösung keine Veränderung anzeigt) werden die Abstandswerte S(m) und S (m+1) gemittelt und im Schritt 68 von der Tischhöhe T(i) abgezogen. Auf diese Weise ergibt sich eine Glättung der Abstandswerte, die zu einem ruhigeren und genaueren Regelverhalten führt.

Erst wenn die Abfrage 72 ergibt, dass die nächste Y-Position y = i+1 erreicht ist, wird die Zählvariable m wieder zu Null gesetzt. Nun werden die Abstandswerte, die der Y-Position y = i+1 zugeordnet werden, eingelesen, gemittelt und abgespeichert.

Bei diesem Verfahren werden die Abstandswerte an den Messpositionen m (aufgenommen im Raster 46) jeweils derjenigen Y- Position (= Stellposition) zugeordnet, der sie am nächsten liegen. Dies ist in Fig. 2 bei der Bezugsziffer 77 symbolisch angedeutet .

In den bisherigen Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass die Rasterabstände 46, die die Messpositionen des Abstandssensors 14 angeben, kleiner sind als die Rasterabstände 44, die die Y-Positionen des Tisches 20 angeben. Auch der umgekehrte Fall ist möglich. Dabei kann es vorkommen, dass eine

neue Y-Position eingelesen wird, jedoch kein neuer Abstandswert zur Verfügung steht. Abweichend von der vorherigen Erläuterung erfolgt dann im Schritt 66 kein Einlesen eines Abstandswertes, sondern es wird ein Abstandswert durch Extrapolation oder — bei einer späteren Nachverarbeitung — durch Interpolation gebildet. Auch in diesem Fall wird also jeder Y-Position zumindest ein Abstandswert zugeordnet.

Fig. 6 erläutert anhand eines vereinfachten Flussdiagramms den Regelvorgang zum Einstellen der Tischhöhe. Auch hier wird im Schritt 80 zunächst eine Zählvariable, die die Y-Position des Tisches 20 angibt, auf Null gesetzt. Im Schritt 82 wird die Zählvariable i inkrementiert . Im Schritt 84 wird die aktuelle Tischhöhe T(i) eingelesen. In der oben angegebenen Tabelle betrug diese Tischhöhe beispielsweise 6 μm (siehe unterste Tabellenzeile) .

Im Schritt 86 wird die Differenz δTS(i-V) zwischen Tischhöhe und Abstandswert an der Y-Position y = i - V aus dem Speicher 34 geholt. Anschließend erfolgt im Schritt 88 die Bestimmung der Regelabweichung CV aus der Differenz der eingelesenen Werte:

CV = δTS(i-V) - T(i) .

Die Regelabweichung CV wird im Schritt 90 dem Regler 40 zugeführt, der die Tischhöhe entsprechend verstellt. Anschließend erfolgt gemäß Schritt 90 ein weiterer Programmdurchlauf für die nächste Stellposition i = i + 1.

Das Flussdiagramm in Fig. 6 zeigt eine Abwandlung dieses bevorzugten Verfahrensablauf. Dabei wird nicht nur die Differenz δTS(i-V) aus dem Speicher 34 geholt. Es werden vielmehr auch die entsprechenden Werte δTS(i+l-V), δTS(i+2-V) der benachbarten Y-Positionen aus dem Speicher ausgelesen. Anschließend werden alle Werte in einer FIR-Filterung (Finite Impulse Response) miteinander kombiniert, um einen gefilterten Wert δTS _fUt ( i-V) zu erhalten. Im Schritt 88 wird dann der gefilterte Wert verwendet, um die Regelabweichung CV zu bestimmen. Die FIR-Filterung führt zu einem ruhigeren Regelverhalten. Da aufgrund des vorlaufenden Abstandssensors 14 auch „zukünftige" Y- Positionen in die Filterung einbezogen werden können, erhält man zudem ein phasentreues FIR-Filter, das eine besonders hohe Regelgenauigkeit ermöglicht.

Fig. 7 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Werkstückoberfläche 23 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Maschinenteil 12 ein Laser, der auf der Werkstückoberfläche 23 eine Laserlinie 98 erzeugt, die mit Hilfe des neuen Verfahrens über die gesamte Länge L im Fokus gehalten werden soll. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist die Erwärmung einer Werkstückoberfläche, die in Richtung der Y-Achse unter der Laserlinie 98 durchläuft wird. Die Laserlinie 98 verläuft quer zur Bewegungsrichtung der Werkstückoberfläche 23. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 7 ist die Laserlinie 98 orthogonal zu der Y-Achse ausgerichtet.

Der Laserlinie 98 laufen in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel drei Abstandssensoren 14a, 14b, 14c voraus. Die Abstandssensoren 14a, 14b, 14c sind nebeneinander angeordnet und besitzen jeweils denselben Vorlauf 18 zu dem Maschinenteil 12 bzw. der

Laserlinie 98. Durch diese Anordnung ist es möglich, eine Rollbewegung 100 der Werkstückoberfläche 23 um die Y-Achse zu bestimmen. Vorzugsweise ist die Vorrichtung 10 in diesem Fall so ausgebildet, dass der Tisch 20 um die Y-Achse verschwenkt werden kann, so dass die Laserlinie 98 über die gesamte Länge auf die Werkstückoberfläche 23 fokussiert werden kann.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Einstellung der Werkstückoberfläche 23 um die Y-Achse, indem aus den Abstandswerten von zumindest zwei Abstandssensoren 14a, 14b, 14c ein Abstandsstellwert und ein Winkelstellwert bestimmt. Dies ist in dem Flussdiagramm in Fig. 5 in Schritt 70 angegeben. Die Indizes „1" und „2" bezeichnen die zumindest zwei Abstandsmesswerte der zumindest zwei Abstandssensoren 14a, 14b, 14c.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass ein Winkel- und ein Abstandsoffsetwert in die Steuereinheit 32 eingegeben werden können. Der Regler 40 berücksichtigt die Offsetwerte beim Einstellen der Tischposition. Durch Eingabe geeigneter Offsetwerte ist es möglich, die Laserlinie 98 gezielt aus dem Fokus herauszuregeln, um beispielsweise Testreihen durchzuführen. Die Eingabe eines Winkel- und Abstandsoffsetwertes von Null führt dazu, dass die Laserlinie 98 über die gesamte Länge im Fokus gehalten wird.

Zur Fokusregelung der Laserlinie 98 würden an sich zwei Abstandswerte von zwei Abstandssensoren 14a, 14c genügen. Die Verwendung von drei oder mehr Abstandssensoren 14a, 14b, 14c führt zu einer höheren Anzahl an Abstandswerten als zur Bestimmung der zwei Regelgrößen Abstand und Winkel benötigt werden.

Mit anderen Worten ist das System der Abstands- und Winkelregelung bei drei und mehr Abstandssensoren überbestimmt. Die überbestimmung kann jedoch vorteilhaft genutzt werden, wenn eine Ausgleichsgerade bestimmt wird, die dann zur Bestimmung der Regelabweichungen verwendet wird. Eine solche Ausgleichsgerade ist in Fig. 8 bei der Bezugsziffer 102 dargestellt. Die Gerade 102 ist in diesem Fall eine Ausgleichsgerade nach der Methode der kleinsten Quadrate zwischen den Abstandswerten der Abstandssensoren 14a, 14b, 14c. Vorteilhafterweise lässt sich der Offset 104 der Geraden 102 (der Schnittpunkt der Geraden 102 mit der Z-Achse) als Regelabweichung für die Abstandsregelung verwenden. Die Steigung der Geraden, d.h. der Winkel 106, dient dann als Regelabweichung zur Einstellung der Tischneigung um die Y-Achse.

In weiteren Ausführungsbeispielen (hier nicht dargestellt) ist vorgesehen, dass der Regler 40 auf die maximal zulässige Dynamik (maximale Beschleunigung und maximale Geschwindigkeit) der Vorrichtung 10 begrenzt ist. Hierdurch werden Beschädigungen der Vorrichtung 10 bei großen Regelabweichungen vermieden.