DE102005024085A1 - Laser processing step e.g. laser welding/cutting process, monitoring device for workpiece, has radiation-sensitive receiver e.g. photodiode, and camera e.g. CCD image sensor, that simultaneously supply output signals to evaluation circuit - Google Patents
Laser processing step e.g. laser welding/cutting process, monitoring device for workpiece, has radiation-sensitive receiver e.g. photodiode, and camera e.g. CCD image sensor, that simultaneously supply output signals to evaluation circuit Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweiß- oder Laserschneidvorgangs, sowie einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, der mit einer derartigen Vorrichtung ausgerüstet ist, um die Güte eines Laserbearbeitungsvorgangs durch eine entsprechende Steuer- oder Regelung zu gewährleisten oder zumindest die Güte des Laserbearbeitungsprozesses parallel zur Bearbeitung zu dokumentieren.The The invention relates to a device for monitoring a laser processing operation, in particular a laser welding or laser cutting process, as well as a laser processing head for Machining a workpiece by means of a laser beam equipped with such a device, for the goodness a laser processing operation by an appropriate control or regulation guarantee or at least the goodness of the laser processing process parallel to the processing.
Zur Prozessüberwachung bei der Laserbearbeitung, insbesondere beim Laserstrahlschweißen oder -schneiden, also bei der Überwachung von Laserbearbeitungsvorgängen werden Überwachungsvorrichtungen eingesetzt, die als strahlungsempfindliche Empfänger Photodioden oder CCD Bildsensoren verwenden, die optischen Emissionen während des Bearbeitungsprozesses erfassen und aufzeichnen.to process monitoring in laser processing, in particular laser beam welding or cutting, so in the monitoring of laser processing operations become monitoring devices used as radiation-sensitive receiver photodiodes or CCD image sensors use the optical emissions during the machining process capture and record.
Hierzu werden unter anderem externe Systeme eingesetzt, die außen an einem Laserbearbeitungskopf angebaute Sensoren, beispielsweise Flächenkameras, also CCD Bildsensoren mit flächenmäßig angeordneten Empfängerelementen, Zeilenkameras, also CCD Bildsensoren mit zeilenförmig angeordneten Empfängerelementen, oder Photodiodensysteme nutzen.For this Among other things, external systems are used, the outside of a Laser processing head mounted sensors, such as area cameras, So CCD image sensors with surface arranged Receiver elements, Line scan cameras, ie CCD image sensors with line-shaped receiver elements, or use photodiode systems.
Aus
der
Aus
der
Neben externen Systemen zur Überwachung von Laserbearbeitungsvorgängen werden auch Systeme eingesetzt, bei denen für den Strahlungstransport von der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück zu den strahlungsempfindlichen Empfängern zumindest einzelne Elemente des Laserstrahlführungssystems innerhalb des Laserbearbeitungskopfes benutzt werden.Next external monitoring systems of laser processing operations Systems are also used in which for the radiation transport of the interaction zone between laser beam and workpiece to the radiation-sensitive receivers at least individual elements of the laser beam guidance system within the Laser processing head are used.
Beispielsweise
ist aus der
Neben der ortsauflösenden Empfängeranordnung ist bei dieser bekannten Vorrichtung eine Beobachtungskamera, beispielsweise eine Videokamera mittels eines Anschlussgehäuses am Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes angebracht. Die Videokamera dient dabei zur Beobachtung der Werkstückoberfläche während der Justierung der Empfängeranordnung.Next the spatially resolving receiver arrangement is in this known device an observation camera, for example a video camera by means of a connection housing on the housing of the laser processing head appropriate. The video camera serves to observe the workpiece surface during the Adjustment of the receiver arrangement.
Die
Neben
diesen Überwachungsvorrichtungen, die
zur Strahlführung
abbildende Elemente des Arbeitsstrahlenganges nutzen, ist aus der
Bei derartigen Überwachungsvorrichtungen müssen die verwendeten Empfänger jeweils nach dem durchzuführenden Bearbeitungsprozess und/oder der zu überwachenden Eigenschaft ausgewählt werden.at Such monitoring devices have the used receiver in each case after the to be carried out Machining process and / or the property to be monitored are selected.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs sowie einen Laserbearbeitungskopf bereitzustellen, die bzw. der es ermöglicht, die Qualität eines Bearbeitungsprozesses und/oder den Bearbeitungsverlauf prozessunabhängig zu erfassen und/oder zu überwachen.Of the Invention is based on the object, a further device for monitoring a laser processing operation and a laser processing head which allows the quality of a Processing process and / or the processing history process independent capture and / or monitor.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und den Laserbearbeitungskopf nach Patentanspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.These The object is achieved by the device according to claim 1 and the Laser processing head solved according to claim 17. Advantageous developments and embodiments of the invention are described in the respective subclaims.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungskopfes weist also eine Strahlungsempfindliche Empfängeranordnung, zumindest eine Abbildungvorrichtung sowie eine Auswerteschaltung für Signale von der Empfängeranordnung auf, die ihrerseits Ausgangssignale liefert, die den Verlauf des Laserbearbeitungsvorgangs charakterisieren. Um eine hochwertige, prozessunabhängige Überwachung des Bearbeitungsvorgangs durchführen zu können, umfasst die Empfängeranordnung zur Erfassung von Strahlung aus dem Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfänger, z. B. eine Photodiode, und zumindest eine Kamera, z. B. mit einem CCD Bildsensor, deren jeweiligen Ausgangssignale zeitgleich der Auswerteschaltung zugeführt werden.A inventive device for monitoring a laser processing head thus has a radiation sensitive Receiver arrangement, at least one imaging device and an evaluation circuit for signals from the receiver assembly which, in turn, provides output signals representing the course of the Characterize laser processing operation. To create a high-quality, process-independent monitoring of the machining process to be able to includes the receiver assembly for detecting radiation from the area of the interaction zone between the laser beam and the workpiece at least one radiation-sensitive receiver, for. B. a photodiode, and at least one camera, z. B. with a CCD image sensor whose respective output signals are simultaneously supplied to the evaluation circuit.
Auf diese Weise ist es möglich, die spezifischen Stärken der einzelnen Empfänger und der Kamera, die prozessabhängig sind, entsprechend dem jeweiligen Bearbeitungsprozess und/oder Bearbeitungsverlauf in einer Überwachungsvorrichtung zu nutzen.On this way it is possible the specific strengths the individual recipient and the camera, which is process-dependent are, according to the respective processing process and / or processing history in a monitoring device to use.
Um die Anpassung der Überwachung des Laserbearbeitungsvorgangs an spezifische Bearbeitungsprozesse weiter zu verbessern, ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Empfängeranordnung einen ersten und zweiten strahlungsempfindlichen Empfänger umfasst, die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen, wobei der oder die strahlungsempfindlichen Empfänger jeweils eine Photodiode umfassen. Je nach der Art des durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs kann es auch zweckmäßig sein, dass der oder die strahlungsempfindlichen Empfänger ein Photodiodenarray, einen PSD oder einen CMOS-Empfänger umfassen.Around the adaptation of the surveillance the laser machining process to specific machining processes To further improve is in an advantageous embodiment the invention provides that the receiver arrangement has a first and second radiation-sensitive receiver comprising different Have spectral sensitivities, wherein the one or more radiation sensitive receiver each comprise a photodiode. Depending on the type of to be performed Laser processing operation, it may also be appropriate that the or radiation-sensitive receiver a photodiode array, a PSD or a CMOS receiver.
Als Kamera werden insbesondere ein- oder vorzugsweise zweidimensionale CCD Bildsensoren eingesetzt.When In particular, one or two-dimensional camera CCD image sensors used.
Um den zu beobachtenden Bereich an die Charakteristiken des strahlungsempfindlichen Empfängers und/oder der Kamera anzupassen, ist es zweckmäßig, wenn diesen eine den zu beobachtenden Bereich festlegende Blende zugeordnet ist. Die Blende kann dabei als Positiv oder Negativblende ausgebildet sein, so dass nur Strahlung aus einem bestimmten Bereich in der Umgebung der Wechselwirkungszone zum Empfänger gelangt bzw. Strahlung aus einem spezifischen Bereich der Wechselwirkungszone daran gehindert wird, auf den Empfänger aufzutreffen.Around the area to be observed on the characteristics of the radiation-sensitive receiver and / or the camera, it is useful if this one to is assigned to the observing area. The aperture can be designed as a positive or negative diaphragm, so that only radiation from a certain area in the vicinity of the interaction zone to the recipient passes or radiation from a specific region of the interaction zone is prevented from striking the recipient.
Um einen besonders kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung zu erreichen, ist vorgesehen, dass die zumindest eine Abbildungsvorrichtung eine den Arbeitsstrahlengang definierende Fokussieroptik für den Laserstrahl, ein Element zum Auskoppeln von Strahlung aus dem Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück aus dem Arbeitsstrahlengang und wenigstens eine Fokussieroptik zum Fokussie ren der ausgekoppelten Strahlung auf den zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfänger und die zumindest eine Kamera der Empfängeranordnung aufweist, wobei zweckmäßigerweise dem zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfänger und der zumindest einen Kamera der Empfängeranordnung jeweils eine eigene Fokussieroptik zugeordnet ist, sowie insbesondere jedem der strahlungsempfindlichen Empfänger eine eigene Fokussieroptik zugeordnet ist.Around a particularly compact design of the monitoring device according to the invention To achieve, it is provided that the at least one imaging device a focusing optics defining the working beam path for the laser beam, an element for decoupling radiation from the region of the interaction zone between the laser beam and the workpiece from the working beam path and at least one focusing optics for Focusing the decoupled radiation on the at least one radiation-sensitive receiver and comprising at least one camera of the receiver arrangement, wherein expediently the at least one radiation-sensitive receiver and the at least one Camera of the receiver assembly respectively a separate focusing optics is assigned, and in particular each the radiation-sensitive receiver its own focusing optics is assigned.
Zur Auskoppelung der aus dem Bereich der Wechselwirkungszone kommenden Strahlung aus dem Arbeitsstrahlengang können verschiedene Strahlteilerelemente vorgesehen werden, die jeweils einen Teil der Strahlung passieren lassen, während sie den anderen in Richtung der Strahlungsempfänger umlenken. Neben herkömmlichen Teilerspiegeln, die eine intensitätsmäßige oder wellenlängenabhängige Aufteilung der Strahlung bewirken, können auch so genannte Scraperspiegel verwendet werden, die eine räumliche Aufteilung der Strahlung bewirken, die also beispielsweise einen außen oder innen liegenden Bereich des Strahlenbündels passieren lassen, während sie den innen bzw. außen liegenden Bereich des Strahlenbündels umlenken. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass das Element zum Auskoppeln von Strahlung aus dem Arbeitsstrahlengang ein teildurchlässiger Spiegel, insbesondere ein dichroitischer Spiegel ist, der den Laserstrahl durchlässt und Strahlung aus einem anderen Spektralbereich als dem des Laserstrahls in Richtung der Empfängeranordnung umlenkt, wobei die Umlenkung der Strahlung aus dem zu beobachtenden Bereich mittels des Spiegel 90° beträgt.To decouple the radiation coming from the area of the interaction zone from the working beam path, different beam splitter elements can be provided, each of which allows a portion of the radiation to pass, while deflecting the other in the direction of the radiation receivers. In addition to conventional divider mirrors, which cause an intensity-dependent or wavelength-dependent division of the radiation, it is also possible to use so-called scraper mirrors, which effect a spatial distribution of the radiation, which thus for example allows an outer or inner region of the radiation bundle to pass, while redirecting the outer area of the beam. In an advantageous embodiment of the invention, however provided that the element for coupling radiation from the working beam path is a partially transmissive mirror, in particular a dichroic mirror which transmits the laser beam and deflects radiation from a spectral range other than that of the laser beam in the direction of the receiver arrangement, wherein the deflection of the radiation from the zu observing range by means of the mirror is 90 °.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn die aus dem Arbeitsstrahlengang auskoppelte Strahlung mittels wenigstens eines Strahlteilerspiegels in verschiedene Strahlen aufgeteilt wird, die jeweils auf die einzelnen Empfänger und die Kamera gelenkt werden.Further it is useful if the decoupled from the working beam radiation by means of at least a beam splitter mirror is divided into different beams, each directed to the individual receiver and the camera become.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kamera mit der ihr zugeordneten Fokussieroptik den Bereich der Wechselwirkungszone direkt beobachtet.at Another embodiment of the invention provides that the Camera with its associated focusing optics the area of the interaction zone directly observed.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die die Ausgangssignale der Empfängeranordnung verarbeitende Auswerteschaltung Ausgangssignale für eine Steuer- oder Regelschaltung liefert, die den Laserstrahl und/oder den Laserbearbeitungsvorgang steuert bzw. regelt. Dabei ist es besonders zweckmäßig, die Ausgangssignale der Auswerteschaltung auch für eine Dokumentation der Qualität des Laserbearbeitungsvorgangs zu nutzen. Eine derartige Dokumentation kann dann jedem bearbeiteten Werkstück beigegeben werden, so dass beim späteren Auftreten von Gebrauchsschäden des Werkstücks die Ursache hierfür einfacher ermittelt werden kann.at a particularly preferred embodiment The invention provides that the output signals of the receiver array processing evaluation circuit output signals for a control or control circuit that controls the laser beam and / or the laser processing operation or regulates. It is particularly useful, the output signals of Evaluation circuit also for a documentation of quality to use the laser processing operation. Such documentation can then be added to any machined workpiece, so that at later appearance of damage of the workpiece Cause for this can be determined more easily.
Für den praktischen Einsatz in der Fertigung ist es zweckmäßig, wenn ein Laserbearbeitungskopf, der ein Gehäuse, durch das hindurch ein Arbeitsstrahlengang für den Laserstrahl geführt ist, und eine Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls in einen außerhalb des Gehäuses vorgesehenen Arbeitsfokus aufweist, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung des Laserbearbeitungsvorgangs ausgerüstet ist. Dabei ist es zweckmäßig, wenn wenigstens der zumindest eine strahlungsempfindliche Empfänger der Empfängeranordnung im Gehäuse integriert ist.For the practical Use in manufacturing, it is useful if a laser processing head, the a housing, through which a working beam path for the laser beam is guided, and a focusing optics for focusing the laser beam into one outside of the housing provided working focus, with a device according to the invention for monitoring the laser processing operation is equipped. It is useful if at least the at least one radiation-sensitive receiver of receiver arrangement in the case is integrated.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die strahlungsempfindlichen Empfänger der Empfängeranordnung jeweils in einem Gehäuse aufgenommen sind, die am Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes montiert sind, wobei die zumindest eine Kamera zum Empfang der aus dem Arbeitslaserstrahl ausgekoppelten Strahlung aus dem Bereich der Wechselwirkungszone am Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes montiert ist. Dies ermöglicht auch die Nachrüstung bereits bestehender Laserbearbeitungsköpfe mit einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung.at an alternative embodiment of the invention, it is provided that the radiation-sensitive receivers the receiver arrangement each in a housing are added to the housing the laser processing head are mounted, wherein the at least one Camera for receiving the decoupled from the working laser beam Radiation from the area of the interaction zone on the housing of the Laser processing head is mounted. This also allows retrofitting already existing laser processing heads with a monitoring device according to the invention.
Die Erfindung wir im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The Invention, we explained in more detail below, for example, with reference to the drawing. It demonstrate:
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.In The various figures of the drawing are corresponding to each other Components provided with the same reference numerals.
In
Vor
dem strahlungsempfindlichen Empfänger
Der
strahlungsempfindliche Empfänger
Insbesondere
wenn als Kamera
Während des
Betriebs der Laserbearbeitungsmaschine, während also beispielsweise ein
Laserschweiß-
oder -schneidvorgang läuft,
wird der Laserstrahl
Der
teildurchlässige
Spiegel
Die
aus dem Arbeitsstrahlengang
Mit
Hilfe der Blende
Als
strahlungsempfindlicher Empfänger
Das
Ausgangssignal des photo- oder strahlungsempfindlichen Empfängers
Zweckmäßigerweise
ist die Auswerteschaltung
Wie
in
Im
Anschlussgehäuse
Das
Anschlussgehäuse
In
Richtung der ausgekoppelten Strahlung hinter dem teildurchlässigen Spiegel
Obwohl es grundsätzlich möglich ist, die aus dem Arbeitsstrahlengang ausgekoppelte Strahlung aus dem zu beobachtenden Bereich mit einer einzigen Fokussieroptik auf alle angeschlossenen strahlungsempfindichen Empfänger und Kameras zu fokussieren, ist es erfindungsgemäß von Vorteil, jedem strahlungsempfindlichen Empfänger und jeder Kamera eine eigene Fokussieroptik zuzuordnen, da so jedem strahlungsempfindlichen Empfänger auch ein eigener Beobachtungsbereich zugewiesen werden kann.Even though it basically possible is, the decoupled from the working beam radiation the area to be observed with a single focusing optics to focus all connected radiation-sensitive receivers and cameras, it is advantageous according to the invention every radiation-sensitive receiver and every camera one Assign your own focusing optics, as so radiation sensitive receiver also a separate observation area can be assigned.
Die
spektrale Charakteristik der einzelnen Empfänger lässt sich auch noch weiter durch
entsprechende dichroitische Teilerspiegel
Erfindungsgemäß wird also aus einem oder mehreren Bereichen im Bereich der Wechselwirkungszone kommende Strahlung zur Prozessüberwachung während eines Laserbearbeitungsvorgangs mit einem, zwei oder mehreren (nicht dargestellt) strahlungsempfindichen Empfängern sowie mit wenigstens einer Kamera zeitgleich in verschieden spektrale Bereiche erfasst, um die Vorteile der verschiedenen Überwachungen je nach durchzuführendem Bearbeitungsprozess voll nutzen zu können. Die von den verschiedenen Empfängern und der Kamera gelieferten Signale werden dann zur Steuerung und/oder Regelung des jeweiligen Laserbearbeitungsvorgangs herangezogen. Insbesondere ist es möglich, hierbei je nach Art des Bearbeitungsvorgangs oder nach Art des zu bearbeitenden Materials die Ausgangssignale einer der Empfänger bevorzugt oder allein zur Bewertung der Güte oder Effektivität des Bearbeitungsvorgangs heranzuziehen.Thus, according to the invention from one or more areas in the area of the interaction zone incoming radiation for process monitoring while a laser processing operation with one, two or more (not shown) radiation-sensitive receivers and with at least a camera recorded simultaneously in different spectral ranges, to take advantage of the different monitors depending on what is to be done To make full use of the editing process. The ones from the different ones recipients and the camera supplied signals are then used to control and / or Regulation of the respective laser processing operation used. In particular, it is possible depending on the type of processing or the type of processing material preferably the output signals of one of the receiver or solely for the evaluation of the quality or effectiveness of the To use machining process.
Mit der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung wird es somit möglich, für einen speziellen Bearbeitungsvorgang jeweils die Empfängeranordnung oder Kamera auszuwählen, die für diesen Prozess die signifikanteste Korrelation zwischen Bearbeitungsqualität und Signal aufweist.With the monitoring device according to the invention is it thus possible for one special editing process to select each of the receiver assembly or camera, the for this process the most significant correlation between editing quality and signal having.
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