DE102010027031A1 - Capacitance measuring device for measuring a distance for a working head of a laser processing system, where the capacitance between a nozzle electrode and a conductive workpiece surface serves as a measured variable - Google Patents

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Abstract

The capacitance measuring device for measuring the distance for a working head of a laser processing system, is claimed, where the capacitance between a nozzle electrode (2) and a conductive workpiece surface (1) serves as a measured variable. The capacitance together with the inductance of a coil (5) of resonant circuit components form a high frequency oscillator (6), which provides a frequency-dependent capacitance of the measuring signal. The nozzle electrode is completely or partially surrounded by a shield electrode (14). The capacitance measuring device for measuring the distance for a working head of a laser processing system, is claimed, where the capacitance between a nozzle electrode (2) and a conductive workpiece surface (1) serves as a measured variable. The capacitance together with the inductance of a coil (5) of resonant circuit components form a high frequency oscillator (6), which provides a frequency-dependent capacitance of the measuring signal. The nozzle electrode is completely or partially surrounded by a shield electrode (14). A shield driver amplifier of the shield electrode provides magnitude and phase of same high-frequency potential as that of the nozzle electrode, where an amplitude limit ensures that the shield driver amplifier remains in the linear working range. The resonant circuit is a series resonant circuit or a parallel resonant circuit. The shield electrode completely or partially shields the nozzle electrode against the nozzle body. The high frequency oscillator, the shield driver amplifier, the amplitude limiting function, the coil and other components of the resonant circuit are completely or partially integrated into a housing closer to the working head and in the nozzle body of the working head. The amplitude limiting function is wholly or partly integrated in the oscillator circuit. The frequency jump at the contact between the nozzle electrode and the workpiece is evaluated as error signal.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kapazitive Messeinrichtung an Laserbearbeitungsköpfen zur berührungslosen Abstandsmessung bei einer leitfähigen Werkstückoberfläche, wobei die Kapazität zwischen der als Elektrode ausgebildeten Düse des Bearbeitungskopfes und der Werkstückfläche Teil der Schwingkreiskapazität eines LC-Oszillators ist.The present invention relates to a capacitive measuring device on laser processing heads for contactless distance measurement in a conductive workpiece surface, wherein the capacitance between the formed as an electrode nozzle of the machining head and the workpiece surface is part of the resonant circuit capacitance of an LC oscillator.

Bei der Lasermaterialbearbeitung ist eine hohe Bearbeitungsqualität nur dann sichergestellt, wenn der Abstand zwischen Werkstück und Bearbeitungskopf möglichst konstant ist. Das gilt insbesondere für das Laserstrahlschneiden, wo eine optimale Schnittqualität in der Regel nur dann erzielt wird, wenn die Abweichungen vom Sollabstand weniger als ±0.2 mm betragen.In the case of laser material processing, high machining quality is only ensured if the distance between the workpiece and the machining head is as constant as possible. This applies in particular to laser beam cutting, where optimum cutting quality is generally only achieved if the deviations from the nominal distance are less than ± 0.2 mm.

Der Einsatz eines LC-Oszillators zur kapazitiven Abstandsmessung bei einer leitfähigen Werkstück-Oberfläche ist aus den Patentschriften DE 1.914.876.6 bzw. US 3.651.505 vorbekannt. Die in obigen Patentschriften wesentlichen Elemente – soweit sie die vorliegende Erfindung betreffen – sind in 1 dargestellt. Die leitfähige Werkstückoberfläche 1 und die Elektrode 2, im folgenden als Düsenelektrode bezeichnet, bilden einen Kondensator mit einer Messkapazität 3, deren Wert von der Geometrie der Düsenelektrode und vom gegenseitigen Abstand abhängt. Die Düsenelektrode ist über ein Isolierteil 10 mit dem Düsenkörper 4 verbunden. Dieser befindet sich in der Regel auf dem Potential des Werkstücks. Düsenelektrode, Isolierteil und Düsenkörper bilden mit evtl. integrierten Elektronikkomponenten die Sensordüse des Schneidkopfes.The use of an LC oscillator for capacitive distance measurement in a conductive workpiece surface is from the patents DE 1.914.876.6 respectively. US 3,651,505 previously known. The essential elements in the above patents - as far as they relate to the present invention - are in 1 shown. The conductive workpiece surface 1 and the electrode 2 , hereinafter referred to as nozzle electrode, form a capacitor with a measuring capacity 3 whose value depends on the geometry of the nozzle electrode and the mutual distance. The nozzle electrode is via an insulating part 10 with the nozzle body 4 connected. This is usually at the potential of the workpiece. Nozzle electrode, insulating part and nozzle body with possibly integrated electronic components form the sensor nozzle of the cutting head.

Ein sogenannter Serienresonanzkreis, bestehend aus der Serienschaltung der Spule 5 und der abstandsabhängigen Kapazität 3, ist über einen Abblock-Kondensator 4 mit einem Hochfrequenz-Oszillator 6 verbunden. Die Kapazität des Kondensators 4 ist gross gegen die Messkapazität 3, hat also nur geringen Einfluss auf die Oszillatorfrequenz. Er dient dazu, im Fall des Kurzschlusses zwischen Düsenelektrode und Werkstück Störungen des Oszillatorbetriebs zu verhindern.A so-called series resonant circuit, consisting of the series connection of the coil 5 and the distance-dependent capacity 3 , is via a blocking capacitor 4 with a high frequency oscillator 6 connected. The capacity of the capacitor 4 is big against the measuring capacity 3 , so has only a small influence on the oscillator frequency. It serves to prevent disturbances of the oscillator operation in the case of a short circuit between nozzle electrode and workpiece.

Bei Annäherung der Elektrode 2 an die Werkstückoberfläche nimmt die Kapazität zu, so dass die Oszillatorfrequenz sinkt und umgekehrt. Typische Oszillatorfrequenzen liegen bei 5...20 MHz.When approaching the electrode 2 the capacity of the workpiece surface increases, so that the oscillator frequency decreases and vice versa. Typical oscillator frequencies are 5 ... 20 MHz.

Mit unterbrochenen Linien schematisch dargestellt ist der Verlauf der elektrischen Feldlinien zwischen Düsenelektrode und dem Werkstück bzw. dem Körper des Bearbeitungskopfes.Shown schematically by broken lines is the course of the electric field lines between the nozzle electrode and the workpiece or the body of the machining head.

Das Oszillatorfrequenzsignal kann über mittlere Entfernungen (einige 10 m) mit einem Kabel übertragen werden, wird ggf. durch einen Verstärker 7 verstärkt und einem Frequenzdiskriminator 8 zugeführt, der eine frequenzabhängige Gleichspannung erzeugt, die am Ausgang 9 vorliegt. Die Höhe dieser Gleichspannung ist ein Maß für den Abstand zwischen Werkstück und Elektrode. Typische Abstandswerte im Schneidbetrieb liegen zwischen 0.5 und 3 mm. Die Düsenelektrode 2 ist meist konisch geformt und hat werkstückseitig einen Durchmesser von 4...10 mm.The oscillator frequency signal can be transmitted over medium distances (some 10 m) with a cable, if necessary through an amplifier 7 amplified and a frequency discriminator 8th fed, which generates a frequency-dependent DC voltage at the output 9 is present. The height of this DC voltage is a measure of the distance between the workpiece and the electrode. Typical distance values in cutting operation are between 0.5 and 3 mm. The nozzle electrode 2 is usually conical in shape and has a workpiece side diameter of 4 ... 10 mm.

In dem Aufsatz von Topkaya, A., Schmall, K.-H. und Majoli, R.: „Noncontact Capacitive Clearance Control System for Laser Cutting Machines”, Proceedings SPIE Vol. 1024 (Beam Diagnostics and Beam Handling Systems, 1988), S. 103–112 ,
wird über das Funktionsprinzip und den Einsatz kapazitiver Abstandssensorik mit Hochfrequenz-Oszillator zur Abstandsmessung und – regelung bei Laserschneidanlagen berichtet. Es werden mehrere industrielle Realisierungen von solchen Sensor-Schneidköpfen vorgestellt. Bei diesen Realisierungen befindet sich der Hochfrequenz-Oszillator in unmittelbarer Nähe des Schneidkopfes und ist mit diesem über ein kurzes Koaxkabel verbunden. In den Sensor-Schneidkopf ist i. d. R. die Induktivität 5 und evtl. weitere Kapazitäten integriert. Das verbindende Koaxkabel 12 ist Teil des Oszillator-Schwingkreises und muss für eine einwandfreie Funktion relativ kurz sein (z. B. 12 cm lang).In the essay of Topkaya, A., Schmall, K.-H. and Majoli, R .: Noncontact Capacitive Clearance Control System for Laser Cutting Machines, Proceedings SPIE Vol. 1024 (Beam Diagnostics and Beam Handling Systems, 1988), pp. 103-112 .
is reported on the principle of operation and the use of capacitive distance sensors with high frequency oscillator for distance measurement and - control in laser cutting machines. Several industrial implementations of such sensor cutting heads are presented. In these implementations, the high-frequency oscillator is in the immediate vicinity of the cutting head and is connected to this via a short coax cable. In the sensor cutting head is usually the inductance 5 and possibly further capacity integrated. The connecting coax cable 12 is part of the oscillator circuit and must be relatively short (eg 12 cm long) for proper operation.

Wegen der berührungsfreien Messmethode und der Störunempfindlichkeit unter den schwierigen Bedingungen von Laserstrahlschneiden und Brennschneiden (Rauch, Metalldampf und – spritzer, Plasma, Hitze) hat sich die kapazitive Abstandssensorik mit Hochfrequenz-Oszillator gegenüber Alternativverfahren seit einigen Jahrzehnten weitgehend durchgesetzt. Die Störunempfindlichkeit gegenüber Metalldampf, Metallspritzern und Plasma beruht im wesentlichen auf der inhärenten Selektivität des LC-Oszillators und darauf, dass Plasma-induzierte Störungen bei Hochfrequenz nur sehr geringe Spektralanteile haben.Because of the non-contact measurement method and the immunity to interference under the difficult conditions of laser cutting and flame cutting (smoke, metal vapor and splatter, plasma, heat), the capacitive distance sensor technology with high-frequency oscillator has prevailed over alternative methods for several decades. The insensitivity to metal vapor, metal splatter and plasma is based essentially on the inherent selectivity of the LC oscillator and the fact that plasma-induced interference at high frequency have only very low spectral components.

Auf Grund der der starken Divergenz der elektrischen Feldlinien bei konischen Düsenelektroden (siehe 1) ist der bei der Abstandsmessung wirksame Messfleck wesentlich größer als die Fläche der Düsenelektrode. Dieser Sachverhalt wird als Seitenempfindlichkeit bezeichnet. Die Seitenempfindlichkeit hat u. a. zur Folge, dass der durch die Sensorik ermittelte Abstand in der Nähe von Löchern der Werkstück-Oberflache zu hoch und in der Nähe von Ecken zu niedrig ist. Im Abstandsregelbetrieb hat das zur Folge, dass sich die Schnittqualität wegen der Abweichungen vom Sollabstand deutlich verschlechtert. Im ersten Fall besteht sogar die Gefahr der Zerstörung der Sensordüse durch Aufsetzen auf die Werkstücksoberfläche.Due to the strong divergence of the electric field lines with conical nozzle electrodes (see 1 ) is the measuring spot effective in the distance measurement substantially larger than the area of Nozzle electrode. This issue is referred to as page sensitivity. One of the consequences of side sensitivity is that the distance determined by the sensors is too high in the vicinity of holes of the workpiece surface and too low in the vicinity of corners. In distance control mode, this has the consequence that the cut quality deteriorates significantly due to the deviations from the nominal distance. In the first case, there is even the risk of destruction of the sensor nozzle by placing on the workpiece surface.

In den Aufsätzen von Jagiella, M. et al: ”Lasermatic II – A New Developed Non-contact Capacitive Clearance Control System for Laser Cutting Machines”, Proceedings 10th Int. Congress ”Lasers in Engineering”, München (1991), S. 238–244 ,
und von Biermann, S. et al: ”Capacitive Clearance Sensor System for High Quality Nd:YAG Laser Cutting and Welding of Sheet Metal”, Proceedings of European Conference an Laser Treatment of Materials (1992), S. 51–56 ,
wird ein kapazitives Abstandsmesssystem für Laserschneid-Anlagen vorgestellt, bei dem die Seitenempfindlichkeit durch den Einsatz des Prinzips der „aktiven Schirmung” stark reduziert wird. Das Prinzip der aktiven Schirmung, in der Fachliteratur auch als Schutzring-Technik bezeichnet, ist bei kapazitiven Abstandssensoren seit langem vorbekannt (siehe z. B. die Patentschrift US 4058765 ). An Hand von 2 sind die Unterschiede zu dem in 1 dargestellten Messsystem mit Oszillator zu erkennen. Die Düsenelektrode 2 wird hier von einer weiteren konisch-zylindrischen Elektrode 14, der Schirmelektrode, umgeben, die sich auf dem gleichen Wechselspannungspotential wie die Düsenelektrode befindet. Dadurch wird erreicht, dass die von der Düsenelektrode ausgehenden Feldlinien weit weniger divergent sind. Damit werden also Messfleck und Seitenempfindlichkeit erheblich reduziert.In the essays of Jagiella, M. et al: "Lasermatic II - A New Developed Non-contact Capacitive Clearance Control System for Laser Cutting Machines", Proceedings 10th Int. Congress "Lasers in Engineering", Munich (1991), pp. 238-244 .
and from Biermann, S. et al., "Capacitive Clearance Sensor System for High Quality Nd: YAG Laser Cutting and Welding Sheet Metal", Proceedings of European Conference on Laser Treatment of Materials (1992), pp. 51-56 .
A capacitive distance measuring system for laser cutting systems is presented, in which the side sensitivity is greatly reduced by the use of the principle of "active shielding". The principle of active shielding, which is also referred to in specialist literature as a guard ring technique, has long been known in the case of capacitive distance sensors (see, for example, the patent US 4058765 ). Based on 2 are the differences to that in 1 Recognized measuring system with oscillator. The nozzle electrode 2 Here is another conical-cylindrical electrode 14 , which surround shield electrode, which is at the same AC potential as the nozzle electrode. This ensures that the field lines emanating from the nozzle electrode are far less divergent. Thus, the measurement spot and page sensitivity are significantly reduced.

Zur Kapazitätsmessung wird nicht ein LC-Oszillator, sondern das allgemein bekannte Impedanz-Messprinzip, z. B. mit einer Wechselstromquelle im Niederfrequenzbereich, also z. B. bei 10...20 kHz, eingesetzt. Die Düsenelektrode 2 ist über ein Koaxkabel 13 mit der als „Sensor-Unit” bezeichneten Baugruppe 15 verbunden, die die Impedanz der Messkapazität 3 auswertet und am Ausgang 9 eine Gleichspannung liefert, die mit zunehmendem Abstand, also abnehmender Messkapazität, zunimmt.For capacitance measurement is not an LC oscillator, but the well-known impedance measuring principle, eg. B. with an AC power source in the low frequency range, ie z. B. at 10 ... 20 kHz used. The nozzle electrode 2 is via a coax cable 13 with the module called "sensor unit" 15 connected, which is the impedance of the measuring capacity 3 evaluates and at the exit 9 provides a DC voltage, which increases with increasing distance, ie decreasing measuring capacity.

Wie in 3 dargestellt, sind in einer Sensordüse parasitäre Kapazitäten CES1, CES2 und CGS vorhanden, die parallel zu der Messkapazität 3 geschaltet sind und daher das Messergebnis verfälschen können. Der Schirmtreiber-Verstärker 16 soll bewirken, dass sich die Schirmelektrode nach Betrag und Phase auf exakt dem gleichen Wechselspannungspotential wie die Düsenelektrode befindet. In diesem Idealfall ist die parasitäre Kapazität, die aus der der Kapazität zwischen Düsen- und Schirmelektrode, CES1, und der des Koaxkabels, CES2, besteht, dynamisch kompensiert, also gleich Null. CES1, CES2 und auch die Kapazität zwischen Schirmelektrode und Werkstück, CGS, verfälschen also das Messergebnis von CM nicht.As in 3 represented parasitic capacitances C ES1 , C ES2 and C GS are present in a sensor nozzle, which are parallel to the measuring capacity 3 are switched and can therefore falsify the measurement result. The screen driver amplifier 16 is to cause the shield electrode to be at the same AC potential as the nozzle electrode in terms of magnitude and phase. In this ideal case, the parasitic capacitance, which consists of the capacitance between the nozzle and shield electrode, C ES1 , and that of the coaxial cable, C ES2 , dynamically compensated, ie equal to zero. C ES1 , C ES2 and also the capacitance between screen electrode and workpiece, C GS , do not falsify the measurement result of C M.

Der Zusammenhang zwischen Verstärkungsfaktor G des Schirmtreiber-Verstärkers und verbleibender parasitärer Kapazität CES' zwischen Düsen- und Schirmelektrode ist gegeben durch die Gleichung (1): CES' = (CES1 + CES2)·(1 – G) (1). The relationship between gain G of the screen driver amplifier and residual parasitic capacitance C ES 'between the nozzle and shield electrodes is given by equation (1): C ES '= (CES1 + C ES2 ) * (1-G) (1).

Das folgende Dimensionierungsbeispiel zeigt, dass die Anforderungen an den Schirmtreiber-Verstärker sehr anspruchsvoll sind. Nimmt man typische Werte CM = 0.5 pF, CES1 = 100 pF, CES2 = 700 pF (entspricht 10 m Koaxkabel), sowie CGS = 10 pF an und läßt CES' = CM zu, so darf G nur um 6·10–4 von 1 abweichen. Das erfordert selbst im Niederfrequenzbereich eine komplexe und aufwendige elektronische Schaltungstechnik.The following sizing example shows that the requirements for the screen driver amplifier are very demanding. Assuming typical values C M = 0.5 pF, C ES1 = 100 pF, C ES2 = 700 pF (corresponds to 10 m coax cable), and C GS = 10 pF and allows C ES '= C M , then G may only be used 6 · 10 -4 of 1 differ. This requires a complex and expensive electronic circuitry even in the low frequency range.

Ein für die praktische Anwendung weiterer Nachteil ist die sehr hohe Impedanz typischer Messkapazitätswerte im Niederfrequenzbereich. Für das o. g. Beispiel CM = 0.5 pF beträgt die Impedanz bei 10 kHz: |ZM| = 1/(2π·10 kHz·0.5 pF) = 32 MΩ. A further disadvantage for practical use is the very high impedance of typical measurement capacitance values in the low-frequency range. For the above example, C M = 0.5 pF, the impedance at 10 kHz is: | Z M | = 1 / (2π × 10 kHz × 0.5 pF) = 32 MΩ.

Die Hochohmigkeit der zu messenden Impedanz und die erforderliche Gleichheit der Potentiale von Düsen- und Schirmelektrode führen dazu, dass dieses Messsystem sehr anfällig gegen Störungen durch Metalldampf und -spritzer bzw. Plasma ist. Bei Auftreten von Plasma kann das Schirmpotential aus mehreren Gründen dem Düsenelektrodenpotential nicht mehr folgen, und der Eingang der Auswerteschaltung 15 wird übersteuert. Daraus resultiert eine Zunahme der parasitären Kapazität und fälschlicherweise die Ausgabe eines zu niedrigen Abstandswertes durch die Auswerteschaltung. Für das Laserschneiden bei Plasmabildung, d. h. für Aluminium oder verzinkten Stahl ist dieses Verfahren also nicht geeignet.The high impedance of the impedance to be measured and the required equality of the potentials of the nozzle and shield electrodes mean that this measuring system is very susceptible to disturbances caused by metal vapor and spatter or plasma. When plasma occurs, the shield potential can no longer follow the nozzle electrode potential for several reasons, and the input of the evaluation circuit 15 is overridden. This results in an increase of the parasitic capacitance and erroneously the output of a too low distance value by the evaluation circuit. For laser cutting in plasma formation, ie for aluminum or galvanized steel, this method is therefore not suitable.

Ausgehend vom geschilderten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte kapazitive Messeinrichtung zur Abstandsmessung an Laserbearbeitungsköpfen zu schaffen, die sowohl unempfindlich gegen Störungen durch Rauch, Metalldampf und -spritzer, sowie Plasma ist, als auch eine geringe Seitenempfindlichkeit und einen kleinen Messfleck aufweist. Based on the described prior art, the present invention based on the object to provide an improved capacitive measuring device for distance measurement on laser processing heads, which is both insensitive to interference from smoke, metal vapor and spatter, and plasma, as well as a low side sensitivity and a has small spot.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kapazitive Messeinrichtung gemäß Hauptanspruch 1. Die Kapazität zwischen der Düsenelektrode und der Werkstückfläche ist Teil der Schwingkreiskapazität eines Hochfrequenz-LC-Oszillators. Wie in 4 dargestellt, weist die Oszillatorschaltung eine Amplitudenbegrenzungsfunktion 17 und einen Schirmtreiber-Verstärker 16 auf. Die Amplitudenbegrenzungsfunktion sorgt dafür, dass die Amplitude des Eingangssignals des Schirmtreiber-Verstärkers 16, also die Hochfrequenzspannnung an der Messkapazität, dessen linearen Aussteuerungsbereich nicht überschreitet. Das ist deshalb wichtig, weil ohne Amplitudenbegrenzung in Oszillatorschaltungen auf Grund der Resonanzüberhöhung sehr hohe Amplitudenwerte auftreten würden, so daß der Schirmtreiber-Verstärker nicht in der Lage wäre, für die Schirmelektrode ein nach Betrag und Phase exakt gleiches Hochfrequenz-Wechselspannungspotential wie bei der Düsenelektrode bereit zu stellen. Die Amplitudenbegrenzungsfunktion kann sich auch an anderer Stelle befinden, als in 4 gezeigt ist. Sie kann auch in die Oszillatorschaltung 6 integriert sein. Geeignete Amplitudenbegrenzungsfunktionen sind dem Hochfrequenz-Fachmann bekannt. Eine geeignete Fundstelle ist das Buch Schünemann, K. und Hintz, A., „Bauelemente und Schaltungen der Hochfrequenztechnik, Teil 1”, Hüthig-Verlag, Heidelberg (1989), S. 392–295 .This object is achieved by the capacitive measuring device according to the main claim 1 , The capacitance between the nozzle electrode and the workpiece surface is part of the resonant circuit capacitance of a high frequency LC oscillator. As in 4 shown, the oscillator circuit has an amplitude limiting function 17 and a screen driver amplifier 16 on. The amplitude limiting function ensures that the amplitude of the input signal of the screen driver amplifier 16 , ie the high-frequency voltage at the measuring capacity whose linear modulation range does not exceed. This is important because without amplitude limiting in oscillator circuits due to the resonance peak very high amplitude values would occur, so that the screen driver amplifier would not be able for the screen electrode a magnitude and phase exactly the same high frequency AC potential as in the nozzle electrode ready to deliver. The amplitude limiting function can also be located elsewhere than in 4 is shown. It can also be in the oscillator circuit 6 be integrated. Suitable amplitude limiting functions are known to the person skilled in the art. A suitable reference is the book Schünemann, K. and Hintz, A., "Components and Circuits of High Frequency Technology, Part 1", Hüthig-Verlag, Heidelberg (1989), pp. 392-295 ,

Dem Konzept der aktiven Schirmung entsprechend ist der Eingang des Schirmtreiber-Verstärkers an der Düsenelektrode angeschlossen. Der Schirmtreiber-Verstärker hat einen Verstärkungsfaktor, der möglichst nahe bei G = 1 liegt, um eine optimale Unterdrückung der parasitären Kapazitäten (sieh 3 und Gl. (1)) zu bewirken und für weitgehend parallele, von der Düsenelektrode ausgehende Feldlinien zu sorgen. Das hat, wie weiter oben erläutert, den gewünschten minimalen Messfleck und geringe Seitenempfindlichkeit zur Folge. Die Oszillatorfrequenz liegt vorteilhafterweise im Hochfrequenzbereich, z. B. bei 5...20 MHz. Daher weist die erfindungsgemäße Lösung die weiter oben erläuterte Störunempfindlichkeit des LC-Oszillators gegenüber Metalldampf, Metallspritzern und Plasma auf.According to the concept of active shielding, the input of the screen driver amplifier is connected to the nozzle electrode. The screen driver amplifier has a gain factor as close as possible to G = 1 to provide optimal suppression of the parasitic capacitances (see FIG 3 and Eq. (1)) and to provide for largely parallel, emanating from the nozzle electrode field lines. As explained above, this results in the desired minimum spot and low side sensitivity. The oscillator frequency is advantageously in the high frequency range, z. At 5 ... 20 MHz. Therefore, the solution according to the invention has the above-explained noise immunity of the LC oscillator against metal vapor, metal splash and plasma.

Auf den Oszillator folgt, wie in der in 1 dargestellten vorbekannten Lösung, falls erforderlich ein Hochfrequenz-Verstärker 7 und eine Frequenz-Auswerteschaltung 8, so dass am Ausgang 9 eine frequenzabhängige Gleichspannung vorliegt. Die Frequenz-Auswerteschaltung kann einen aus der Hochfrequenztechnik bekannter analogen Frequenzdiskriminator, aber auch einen digitalen Frequenzzähler mit nachgeschaltetem Digital-Analog-Wandler enthalten.The oscillator follows, as in the 1 illustrated prior art solution, if necessary, a high-frequency amplifier 7 and a frequency evaluation circuit 8th so that at the exit 9 a frequency-dependent DC voltage is present. The frequency evaluation circuit may include an analog frequency discriminator known from high-frequency technology, but also a digital frequency counter with a downstream digital-to-analog converter.

Es wird bei der erfindungsgemäßen Lösung ein Serienresonanzkreis, wie in 4 gezeigt, bevorzugt, da hierbei im Fall der Kollision der Düsenelektrode mit den Werkstück ein Frequenz sprung zu tieferen Frequenzen auftritt, wie bereits in der Patentschrift US 3.651.505 erläutert ist. Dieser Frequenzsprung kann vorteilhafterweise für ein Fehlersignal der Laserschneidanlage ausgewertet werden. Aber auch ein Parallelresonanzkreis, wie in 5 dargestellt, ist erfindungsgemäß.It is in the inventive solution, a series resonant circuit, as in 4 shown, preferably, since in the case of the collision of the nozzle electrode with the workpiece a frequency jump occurs at lower frequencies, as already in the patent US 3,651,505 is explained. This frequency jump can advantageously be evaluated for an error signal of the laser cutting machine. But also a parallel resonant circuit, as in 5 is shown, is according to the invention.

Die Schirmelektrode kann die Düsenelektrode vollständig – wie in 4 gezeigt – oder auch teilweise umgeben, um so die Messfleckgröße bzw. Seitenempfindlichkeit an die bearbeitungstechnischen Gegebenheiten anzupassen. Der Düsenkörper 11 befindet sich vorteilhafterweise auf Schirmpotential, ist also mit der Schirmelektrode verbunden. Er kann aber auch mit dem Bezugspotential, also dem Werkstück, verbunden sein oder sich auf nicht definiertem Potential befinden. Der letzte Fall ist in 5 dargestellt. In solchen Ausführungsfällen ist es sinnvoll, dass die Schirmelektrode die Düsenelektrode gegen den Düsenkörper abschirmt, wie ebenfalls in 5 dargestellt ist.The shield electrode can completely cover the nozzle electrode as in 4 shown - or partially surrounded so as to adapt the spot size or page sensitivity to the machining conditions. The nozzle body 11 is advantageously at screen potential, so it is connected to the shield electrode. But it can also be connected to the reference potential, ie the workpiece, or be at an undefined potential. The last case is in 5 shown. In such cases of execution, it makes sense that the shield electrode shields the nozzle electrode against the nozzle body, as also in FIG 5 is shown.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Oszillatorschaltung 6, Induktivität 5, Schirmtreiber 16 und Amplitudenbegrenzung 17 in einem gemeinsamen Gehäuse 13 in unmittelbarer Nähe des Laserbearbeitungskopfes untergebracht und mit diesem über ein Koaxkabel 7 verbunden. Diese Konfiguration ist in 6 schematisch dargestellt. Die Länge des Koaxkabels 7 wird zweckmäßigerweise recht kurz gewählt, z. B. 15 cm, was eine relativ geringe parasitäre Kapazität des Kabels zur Folge hat. Dadurch ist die Kompensation der parasitären Kapazität durch den Schirmtreiber-Verstärker mit geringerem Aufwand möglich.In an advantageous embodiment of the invention are oscillator circuit 6 , Inductance 5 , Screen driver 16 and amplitude limitation 17 in a common housing 13 housed in the immediate vicinity of the laser processing head and with this via a coaxial cable 7 connected. This configuration is in 6 shown schematically. The length of the coax cable 7 is suitably chosen to be quite short, z. B. 15 cm, which has a relatively low parasitic capacitance of the cable. As a result, the compensation of the parasitic capacitance by the screen driver amplifier with less effort is possible.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist in 7 dargestellt. Sie zeigt das 3D-Modell einer Sensordüse mit Düsenelektrode 2, Schirmelektrode 14 und Düsenkörper 11. Damit das Innere sichtbar ist, ist der äussere Gehäusekonus auf diesem Bild entfernt. Oszillator 6, Induktivität 5, sowie Schirmtreiber 16 und Amplitudenbegrenzung 17 befinden sich hierauf einer kreisringförmigen Leiterplatte im Innern der Sensordüse. Dadurch sind die parasitären Kapazitäten besonders klein. Am Koax-Steckverbinder 18 liegt das Oszillator-Frequenzsignal an; die Auswerteschaltung kann über eine Koaxleitung mit 18 verbunden sein. Sie stellt die Stromversorung für die in der Sensordüse integrierte Elektronik zur Verfügung. Die Verbindungsleitung vom Oszillator zur Auswerteschaltung kann eine Länge von 10...20 m haben.A particularly advantageous embodiment of the invention is in 7 shown. It shows the 3D model of a sensor nozzle with nozzle electrode 2 , Shielding electrode 14 and nozzle body 11 , For the interior to be visible, the outer case cone on this image is removed. oscillator 6 , Inductance 5 , as well as screen drivers 16 and amplitude limitation 17 are on this a circular circuit board inside the Sensor nozzle. As a result, the parasitic capacitances are particularly small. On coax connector 18 is the oscillator frequency signal on; the evaluation circuit can be connected via a coax line 18 be connected. It provides the power supply for the electronics integrated in the sensor nozzle. The connection line from the oscillator to the evaluation circuit can have a length of 10 ... 20 m.

Typische Abmessungen einer solchen erfindungsgemäßen Sensordüse sind: Durchmesser: 70 mm Lange: 80 mm Durchmesser der Düsenelektrode (werkstückseitig): 4 mm. Typical dimensions of such a sensor nozzle according to the invention are: Diameter: 70 mm Long: 80 mm Diameter of the nozzle electrode (workpiece side): 4 mm.

Eine typische Abstands-Frequenz-Kennlinie einer erfindungsgemäßen Sensordüse mit integrierter Elektronik gemäß 7 ist in 8 gezeigt. Die relative Frequenzänderung für den Abstandsbereich 0.5...10 mm ist vergleichbar mit konventionellen Sensordüsen mit vorbekannter Abstandssensorik gemäss 1. Das zeigt, dass die Kompensation der parasitären Kapazitäten durch die aktive Schirmung sehr gut funktioniert.A typical distance-frequency characteristic of a sensor nozzle according to the invention with integrated electronics according to 7 is in 8th shown. The relative frequency change for the distance range 0.5 ... 10 mm is comparable to conventional sensor nozzles with prior art distance sensor according to 1 , This shows that the compensation of the parasitic capacitances by the active shielding works very well.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (8)

Kapazitive Messeinrichtung zur Abstandsmessung für einen Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsanlage, wobei die Kapazität 3 zwischen Düsenelektrode 2 und leitender Werkstück-Oberfläche 1 als Messgrösse dient, und diese Kapazität 3 mit der Induktivität einer Spule 5 Bestandteile des Schwingkreises eines Hochfrequenz-Oszillators 6 bilden, welcher ein von der Messkapazität abhängiges Frequenzsignal liefert, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenelektrode von einer Schirmelektrode 14 ganz oder teilweise umgeben ist, ein Schirmtreiber-Verstärker 16 die Schirmelektrode im wesentlichen nach Betrag und Phase auf das gleiche Hochfrequenz-Potential wie die Düsenelektrode bringt, wobei eine Amplitudenbegrenzung 17 dafür sorgt, dass der Schirmtreiber-Verstärker im linearen Arbeitsbereich bleibt.Capacitive measuring device for distance measurement for a machining head of a laser machining system, wherein the capacitance 3 between nozzle electrode 2 and conductive workpiece surface 1 serves as a measure, and this capacity 3 with the inductance of a coil 5 Components of the resonant circuit of a high-frequency oscillator 6 form, which provides a frequency dependent on the measuring capacity frequency signal, characterized in that the nozzle electrode of a screen electrode 14 is completely or partially surrounded, a screen driver amplifier 16 the screen electrode substantially in magnitude and phase brings to the same high frequency potential as the nozzle electrode, wherein an amplitude limitation 17 ensures that the screen driver amplifier remains in the linear operating range. Kapazitive Messeinrichtung zur Abstandsmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis ein Serienresonanzkreis ist.Capacitive measuring device for distance measurement according to claim 1, characterized in that the resonant circuit is a series resonant circuit. Kapazitive Messeinrichtung zur Abstandsmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis ein Parallelresonanzkreis ist.Capacitive measuring device for distance measurement according to claim 1, characterized in that the resonant circuit is a parallel resonant circuit. Kapazitive Messeinrichtung zur Abstandsmessung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Schirmelektrode die Düsenelektrode gegen den Düsenkörper vollständig oder teilweise abschirmt,Capacitive measuring device for distance measurement according to claim 1, 2 or 3, characterized in that screening electrode completely or partially shields the nozzle electrode against the nozzle body, Kapazitive Messeinrichtung zur Abstandsmessung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Oszillator 6, der Schirmtreiber-Verstärker 16, die Amplitudenbegrenzungsfunktion 17, die Spule 5, sowie weitere Komponenten des Schwingkreises in ihrer Gesamtheit oder teilweise in einem Gehäuse 13 in der Nähe des Bearbeitungskopfes integriert sind.Capacitive measuring device for distance measurement according to one of the preceding claims, characterized in that the high-frequency oscillator 6 , the screen driver amplifier 16 , the amplitude limiting function 17 , the sink 5 , as well as other components of the resonant circuit in their entirety or partially in a housing 13 are integrated near the machining head. Kapazitive Messeinrichtung zur Abstandsmessung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Oszillator 6, der Schirmtreiber-Verstärker 16, die Amplitudenbegrenzungsfunktion 17, die Spule 5, sowie weitere Komponenten des Schwingkreises in ihrer Gesamtheit oder teilweise im Düsenkörper 11 des Bearbeitungskopfes integriert sind.Capacitive measuring device for distance measurement according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the high-frequency oscillator 6 , the screen driver amplifier 16 , the amplitude limiting function 17 , the sink 5 , as well as other components of the resonant circuit in their entirety or partially in the nozzle body 11 of the machining head are integrated. Kapazitive Messeinrichtung zur Abstandsmessung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenbegrenzungsfunktion 17 ganz oder teilweise in der Oszillatorschaltung 6 integriert ist.Capacitive measuring device for distance measurement according to one of the preceding claims, characterized in that the amplitude limiting function 17 wholly or partly in the oscillator circuit 6 is integrated. Kapazitive Messeinrichtung zur Abstandsmessung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzsprung beim Kontakt zwischen Düsenelektrode 2 und Werkstück 1 als Fehlersignal ausgewertet wird.Capacitive measuring device for distance measurement according to one of the preceding claims, characterized in that the frequency jump in contact between the nozzle electrode 2 and workpiece 1 is evaluated as an error signal.
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