CH713760A2 - System zur simultanen Vermessung und Bearbeitung eines Werkstücks mittels mehrerer Laserstrahlen. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur simultanen Vermessung und Bearbeitung eines Werkstücks mittels mehrerer Laserstrahlen. Durch einen optischen Scanner (1) werden nahezu zeitgleich drei Laserstrahlen geschickt, ein Probelaser (2), ein Messlaser (3) und ein Hochleistungslaser (4); Letzterer zur Bearbeitung der Oberfläche eines Werkstücks. Der Materialabtrag bzw. -auftrag soll dabei zeitlich entlang einer vom Benutzer definierten Musterfigur erfolgen, die durch die Scannerregelung realisiert wird. Mit dem Messlaser (3) wird zuerst die Lage und Orientierung des Werkstücks relativ zu einem optischen Referenzsystem (7) bestimmt und daraus die erforderliche Vorverzerrung der Musterfigur berechnet. Der Scanner (1) wird so gesteuert, dass die Ablenkfigur des Probelasers (2) auf einem 2D-Sensor (5) der berechneten, vorverzerrten Musterfigur entspricht; danach erst werden Messlaser (3) und Bearbeitungslaser (4) freigegeben. Dieses Vorgehen wird wiederholt, wenn das Werkstück aus dem optischen Arbeitsfeld im «Step & Repeat»-Modus weiter geschoben werden muss.

Description

Beschreibung Technisches Gebiet [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den Maschinenanlagenbau, bestehend aus mehreren Lasern, um gleichzeitig Vermessung und Bearbeitung von technischen Oberflächen von Metall-, Keramik-, Glas- oder Kunststoff körpern vorzunehmen. Kombiniert man Laser, die Entfernungen mit Nanometergenauigkeit messen können, mit neuartigen Ultra-kurzpuls-Lasern, die sehr hohe Leistungsdichten erzielen, kann der Gesamtablauf einer Bearbeitungsmaschine deutlich effizienter, genauer, flexibler und kostengünstiger gestaltet werden. Das gilt auch für grössere Werkstücke, die im «Step & Repeat»-Modus bearbeitet werden müssen.

Stand der Technik [0002] Bei der traditionellen Feinbearbeitung von technischen Oberflächen werden mechanische Werkzeuge wie Bohrer und Fräser, sowie mechanische Messtaster verwendet. Nachteilig dabei ist, dass aus Platzgründen diese nur zeitlich nacheinander eingesetzt werden können. Zudem benötigt man aus Genauigkeitsgründen sehr stabile Aufbauten wie Granittische. Erfolgen jedoch Bearbeitung und Messung des Werkstücks rein optisch mit neuartigen Lasersystemen, lassen sich beide Prozesse nicht nur zeitgleich durchführen, sondern auch die Anforderungen an den mechanischen Aufbau deutlich reduzieren.

[0003] Es sind derzeit eine Vielzahl optischer Aufnehmer bekannt, durch die verschiedene physikalische Grössen erfasst werden können. Derartige optische Aufnehmer sind sehr kostengünstig in der Herstellung und liefern Lichtwellensignale, die der erfassten physikalischen Grösse proportional sind. Zur Auswertung und Anzeige derartiger optischer Signale, z.B. Distanzmessgeräte, Interferometer, Triangulationsverfahren u.a., werden die Lichtwellensignale in weiterzuverarbeitende elektrische Signale umgewandelt. In der Lasermaterialbearbeitung, der 3D-Drucktechnik und ganz allgemein in der Strukturierung von Oberflächen werden heute immer mehr optische Messverfahren zur Bestimmung und Kontrolle der Strukturen eingesetzt. So sind aus der Literatur und Praxis seit vielen Jahren optische Messgeräte bekannt und angewendet, die hochgenaue Strukturparameter messen können. Erwähnt seien hier: optische Triangulationsverfahren (Bestimmung von Abständen und Orten über Winkelmessungen), Flugzeitverfahren (Abstandsmessung wie beim Radar über die Flugzeiten kurzer Lichtpulse oder entsprechende Phasenmessung in Wellenzügen) und insbesondere interferometrische Messungen mittels Laser (eine oder mehrere Wellenlängen gleichzeitig) oder Weisslicht. All diesen Verfahren ist gemeinsam, dass sie Oberflächenstrukturen schnell und hochgenau vermessen können. Typische Auflösungen für Strukturhöhen liegen derzeit bei nm (1CT9 Meter). Die Querausdehnung von Strukturen können z.B. mittels Interferenzmessungen mit ähnlicher Auflösung vermessen werden. Die entsprechenden Technologien und Gerätekonstruktionen sind in der Literatur extensiv beschrieben worden, und viele davon sind patentrechtlich abgesichert.

[0004] Ein gravierender Nachteil fast aller optischer Messgeräte liegt darin, dass für hohe Auflösungen die Messsonde nahe an die zu vermessende Struktur gebracht werden muss. Die Gründe liegen zur Hauptsache in der notwendigen Winkelvermessung bei den trigonometrischen Verfahren und den sehr kleinen Eindeutigkeitsbereichen der interferometri-schen Verfahren. Um den Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Verfahren zu vergrössern, wurden in den letzten Jahren chromatische Interferometer (Eindeutigkeit über mm) sowie Mehrwellenlängen-Interferometer (Eindeutigkeit über mehrere Meter) entwickelt. Auf dem Markt ist insbesondere das Mehrwellenlängen-Interferometer MWLI der Firma Luphos zu erwähnen, welches u.a. für die hochgenaue Vermessung asphärischer Linsen und Spiegel verwendet wird. Die Auflösung liegt bei diesem Messgerät bei 1 nm.

[0005] Für die Vermessung ausgedehnter Oberflächen/Oberflächenstrukturen gibt es verschiedene erprobte Verfahren: z.B. die punktweise Abtastung und Vermessung der Oberfläche mit einem Abtastsystem (Scanning-System) oder das Abtasten der Oberfläche über eine 2D-Verschiebung des Objekts gegenüber der Messapparatur. Oder z.B. eine Vermessung der Oberfläche mittels eines 2D Interferometers (auch holographische Prinzipien). Bei diesen Messverfahren ist es jedoch notwendig, die Messapparatur sehr nahe zur Oberfläche zu bringen. In der Praxis heisst das in fast allen Fällen, dass der Messvorgang nicht gleichzeitig mit dem Bearbeitungsvorgang der Oberfläche durchgeführt werden kann. Ein solches «Nicht in-Situ»-Verfahren führt zu Zeitverlusten im Bearbeitungsprozess. Zudem ist in den meisten Fällen ein Ausspannen des zu bearbeitenden Objekts notwendig, was zu unzulänglichen Genauigkeiten bei der Wiedereinspannung des Objekts in den Bearbeitungsprozess führt.

[0006] Mit der 3D-Drucktechnik ist es möglich geworden, innerhalb eines Objektes (z.B. einer komplexen Turbinenschaufel) eine definierte dreidimensionale Struktur einzubringen (z.B. Kühlkanäle). Solche 3D-St.rukt.uren müssen jedoch während des Bearbeitungsprozesses kontrolliert und vermessen werden. Da diese Strukturen schlussendlich im Innern des zu fertigenden Werkstücks liegen, ist einen nachträgliche Vermessung schwer- oder sogar unmöglich. D.h. alle aufgetragenen Schichten müssen unverzüglich (vor der nächsten aufzubringenden Schicht) vermessen werden. Das heisst jedoch, dass mit den heutigen Möglichkeiten der Bearbeitungsprozess immer wieder durch einen Messprozess unterbrochen werden muss, um eine ausreichende Prozesskontrolle zu erreichen. Dies führt jedoch zu bis zu extrem langen Produktionsprozessen (Time is Money).

[0007] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine optische Messanordnung zu finden, die es gestattet, gleichzeitig mit dem örtlichen Strukturierungsvorgang (z.B. Laserbearbeitung) eine schnelle und hochgenaue Vermessung des soeben bearbeiteten Gebietes vorzunehmen. Dies bewirkt eine vollständige Kenntnis über die erzeugte Struktur bezüglich Masse und Qualität. Gleichzeitig kann der Herstellungsprozess drastisch verkürzt werden.

[0008] Diese Aufgaben werden durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass bei aufbauenden und abtragenden Laserbearbeitungen eine «in-situ»-Mass- und Qualitätskontrolle möglich wird. Dadurch werden die Produktionszeiten drastisch verkürzt. Zudem wird es möglich, fehlerhafte Bearbeitung «in-situ» zu korrigieren und zu verbessern.

Darstellung der Erfindung [0009] (01) Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Effizienzsteigerung von hochgenauen Bearbeitungsprozessen an technischen Körperoberflächen. Die Bearbeitung eines Werkstücks durch ein Werkzeug kann generell subtrak-tiver, neutraler oder additiver Natursein. Im ersten Fall findet Materialabtrag durch mechanische Werkzeuge wie Bohrer, Fräser oder durch Laser statt, während man unter neutralen Verfahren mehr das Markieren oder Bedrucken von Oberflächen jeglicher Formgestalt versteht. Als additiver Prozess wird das 3D-Printing bezeichnet, bei dem der zu erstellende Materialkörper aus Schmelzen schichtweise aufgebaut wird, die durch Laserbeschuss verfestigt werden. Während der Trend bei der subtraktiven Methode immer mehr in Richtung höchster Oberflächengüte geht, sind es bei den neutralen Verfahren immer mehr komplexere Freiformoberflächen, die bedruckt werden müssen. Bei der additiven Methode des 3D-Printings spielt momentan mehr die Formtreue die dominante Rolle, da mittlerweile nicht nur Einzelteile, sondern ganze Bauteile wie Turbinenschaufeln aus der Schmelze erstellt werden können. Selbst innerhalb einer komplexen Turbinenschaufel lässt sich mit der Technik des 3D-Printings noch eine komplizierte funktionale Substruktur einbringen, wie z.B. für verwinkelte Kühlkanäle. (02) Ob nun subtraktiv, neutral oder additiv gearbeitet wird, stets bestehen hohe Anforderungen an die Messtechnik, damit der Materialabtrag, -auftrag oder -aufbau gemäss Arbeitsplan an der richtigen Stelle mit der geforderten Genauigkeit geschieht. Beim 3D-Printing muss zudem noch der richtige Zeitpunkt eingehalten werden, wenn Substrukturen im Innern des Werkstücks zu fertigen sind, da eine nachträgliche Vermessung in der Regel schwer- oder sogar unmöglich ist. (03) Der Messprozess muss also zu jedem Zeitpunkt die aktuelle 3D-Lage und der 3D-Orientierung des Werkteils relativ zum Bearbeitungswerkzeug liefern. Die Vermessung erfolgt zwar häufig noch in der traditionellen Art mittels mechanisch-taktiler Taster, aber sie wird immer stärker durch optische Verfahren wie das der industriellen Interferometrie abgelöst, die keinen mechanischen Kontakt zum Prüfling benötigen. (04) Die starke Zunahme optischer Messverfahren liegt weiter auch darin begründet, dass, anders als bei der mechanischen Abtastung, das Messgerät dem Bearbeitungswerkzeug nicht im Wege steht. Man muss die taktilen Taster in der Regel während der Bearbeitungsphase wegfahren. Umgekehrt gilt das gleiche während der Messphase, in der das Werkzeug von der Prüffläche weggefahren werden muss. In beiden Fällen verliert man nicht nur wertvolle Zeit, sondern -und fast noch schlimmer- auch die Koordinaten des Werkzeugs, respektive des Messgeräts in Bezug zum Werkstück. Auch kann es, bedingt durch den Wechselvorgang, zu Änderungen der Arbeitstemperatur und somit zu Formänderungen des Werkstücks kommen, die gerade beim Polieren optischer Oberflächen im Nanometerbereich kritisch sind. Das alles lässt sich mit optischen Methoden vermeiden. (05) Als optische Messgeräte für Oberflächenstrukturen setzen sich immer mehr neuartige Mehrwellenlängen-Inter-ferometer MWLI durch. Im Gegensatz zu den bekannten trigonometrischen Verfahren, bei denen das Objekt von der Messsonde aus verschiedenen Winkel angemessen wird, weshalb die Messsonde aus Genauigkeitsgründen sehr nahe ans Werkstück gebracht werden muss, können MWLI-Geräte Werkstücke aus Distanzen bis zu einigen Metern vermessen. Sie sind anders als klassische Interferometer zudem robust und somit industrietauglich. Typische Auflösungen für Strukturhöhen liegen derzeit im Nanometerbereich (10~9 Meter). Es sind zudem Systeme auf dem Markt, die mit bis zu 8 parallel arbeitenden Messköpfen ausgerüstet sind, und die somit nicht nur das Werkstück, sondern auch weitere bewegte Achsen in der Bearbeitungsmaschine in Echtzeit erfassen können. Die entsprechenden Technologien und Gerätekonstruktionen sind in der Literatur extensiv beschrieben und patentrechtlich abgesichert, http://www.taylor-hobson.com/products/34/109.html (06) Allerdings kann auch einem MWLI-Messkopf immer noch der mechanische Fräser im Wege stehen. Das jedoch lässt sich vermeiden, wenn zusätzlich auch die Bearbeitung der Oberfläche optisch vorgenommen wird. Dazu eignen sich moderne CW-Laser, aber vermehrt auch UKP-Laser (UKP = Ultrakurzpuls) mit Pulszeiten im Nano-, Pico- und Femtosekundenbereich mit den entsprechend hohen Leistungsdichten. Der ersichtliche Vorteil eines optischen Gesamtsystems ist, dass während der Pulslaser arbeitet, gleichzeitig der MWLI-Messlaser die Oberflächenstruktur und hier z.B. den Polierzustand erfassen kann. Die Gleichzeitigkeit wird ermöglicht, da sich Laserstrahlen, die aus verschiedenen Geräten stammen, in einer gemeinsamen Optik nicht gegenseitig stören können. Neben der so erzielten Zeitersparnis hat man als weiteren gewichtigen Vorteil, dass der Bearbeitungslaser nunmehr in Echtzeit geregelt werden kann. Denn misst man gleichzeitig am Werkstück das Oberflächenprofil mit Nanometer Genauigkeit, so lässt sich unmittelbar der erforderliche Massenabtrag berechnen und damit die Intensität des Bearbeitungslasers entsprechend steuern, https://wvw.jenoptik.com/press/pressrelea-ses/2016/02/15/photonics-west-2016-femto-16-laser (07) Der Messstrahl und der Bearbeitungsstrahl müssen als nächstes über das Werkstück in geeigneter Weise geführt werden. Das geschieht mittels eines Scanners, der die gemeinsame Ablenkung in 2D vornimmt, sowie einer meist im Scanner integrierten Fokussierlinse, die die Laserstrahlen im gewünschten Abstand auf die Oberfläche bündelt, also der dritten Dimension. Mittlerweile gibt es auch Scanner, bei denen zusätzlich die beiden Neigungswinkel der Laserstrahlen relativ zur optischen Achse in Echtzeit verändert werden können, um z.B. nicht-zylindrische Mikrokanäle zu bohren. Dann spricht man von 5D-Scannern. Mittels ebenfalls im Scanner eingebauten Beamshape Elementen kann noch das Intensitätsprofil des Bearbeitungslasers punkt-, ring- oder strichförmig eingestellt und im letzteren Fall gedreht, also ausgerichtet werden, sodass man dann von 6D-Scan-nern spricht. (08) Das geschilderte Konzept der integrierten Messtechnik erlaubt den gesamten Arbeitsprozess deutlich zu beschleunigen und die Hardwarekosten signifikant zu senken. Der Ausgangspunkt ist, dass jedes Werkzeug, sei es Fräser oder Laser, und jeder Messsensor, sei es Taster oder MWLI Laser, nur innerhalb eines bestimmten Arbeitsfeldes, also innerhalb einer Fläche bestimmten Durchmessers oder eines Raumwinkels bestimmter Winkelgrösse wirken können. Sind nun Werkstücke zu bearbeiten, die grösser sind als das Arbeitsfeld, muss man entweder das Arbeitsfeld oder das Werkstück gegeneinander verschieben und neu ausrichten. Hier gibt es verschiedene Varianten: zum einen ein Umspannen des Werkstücks mit dem Nachteil des völligen Verlusts der Einstellkoordinaten; zum andern ein kontrolliertes Bewegen des Werkstücks relativ zum bisherigen Gesichtsfeld. Letzteres kann einerseits kontinuierlich erfolgen, aber in der Praxis, vor allem in der Halbleiter-Lithographie, haben sich sogenannte «Step & Repeat»-Systeme durchgesetzt, bei denen er Vorschub des Werkstücks oder des Werkzeugs diskret, also stufenweise erfolgt, und der Verschiebeweg etwas kleiner als die Grösse des Arbeitsfeldes ist. (09) Das erfordert jedoch grosse Präzision der Bewegungsmechanik, besonders um den heiklen Anschlussfehler zwischen zwei Arbeitsfeldern klein zu halten. Man löst dies traditionell durch aufwendige Konstruktionen des Verschiebemechanismus und unter Verwendung steifer und schwerer Trägerfundamente wie Granittische, um den hohen Anforderungen an Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Gesamtprozesses zu genügen. (10) Um diese Kostentreiber zu eliminieren, wird im Folgenden vorgeschlagen, die optische Vermessung der Oberfläche mit dem MWLI weiter auszubauen. Unmittelbar bevor der MWLI-Messstrahl die Oberfläche innerhalb des Arbeitsfeldes in einem vorgegebenen Scanraster mit hoher Geschwindigkeit abtastet, wird der Messstrahl mittels des Scanners oder alternativ auch mittels eines Hologramms an vier beliebige Punkte auf das Werkstück gerichtet. Aus der Kenntnis der vier gemessenen Abstände sowie der bekannten vier Ablenkwinkel des Scanners oder des Hologramms kann man nicht nur die aktuelle Lage und Orientierung des Werkstückes rechnerisch ermitteln, sondern auch, ob es sich beim Werkstück um einen planen, kugel- oder zylindrischen Körper handelt. Es lassen sich sogar sogenannte Freiform-Geometrien wie die in der Optik bekannten asphärischen Oberflächen von Linsen erkennen, wenn man mittels der vier Vektormessungen die lokale Krümmungskugel bestimmt und sie mit der Sollvorgabe der Asphäre vergleicht. (11) Da die erforderlichen Rechenprozesse quasi on-line ablaufen können, kann man das Werkzeug (Scanner, Druckkopf) so steuern, dass auf der krummen, verschobenen und gekippten Oberfläche des Werkstücks das Bearbeitungsmuster in gewünschter Geometrie, also z.B. unverzerrt projiziert wird. Damit erlangt man nicht nur grosse Flexibilität in Fällen, wo bislang umgespannt werden musste, sondern generell deutliche kürzere Durchlaufzeiten, und vor allem lassen sich geringere Genauigkeitsanforderungen an die Verschiebemechanik des «Step & Repeat»-Systems stellen. (12) Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine optische Messanordnung zu definieren, die es gestattet, in einem ersten Schritt Kenntnis über Form, Lage und Orientierung des Werkstücks zu gewinnen und, falls gewünscht, gleichzeitig die Oberflächenstruktur mit hoher Genauigkeit zu vermessen. Danach erfolgt in einem zweiten Schritt die An-steuerung des Werkzeugs, um die Bearbeitung des im Gesichtsfeld befindlichen Ausschnitts des Werkstücks vorzunehmen. (13) Diese Aufgaben werden durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben. (14) Die Erfindung hat den Vorteil, dass bei aufbauenden und abtragenden Laserbearbeitungen eine «in-situ»-Mass-und Qualitätskontrolle möglich wird. Gleichzeitig werden die Produktionszeiten drastisch verkürzt. Zudem ist es möglich, fehlerhafte Bearbeitung jederzeit zu erkennen und gegebenenfalls zu korrigieren.

Ausführung der Erfindung [0010] Ein optisches System gemäss Abb. 1,2, 3 erlaubt die gleichzeitige Bestrahlung eines Werkstücks mit verschiedenen Lasern für unterschiedliche Aufgabenstellungen, z.B. eines Messlasers (3) als Teil eines MWLI- Interferometers zur Erfassung von Lage und Oberflächenform eines Werkstücks, sowie eines leistungsstarken UKP-Lasers (4), um die Oberfläche geeignet zu bearbeiten. Der Vorteil ist, dass das Messen und das Bearbeiten ohne Kenntnisverlust der Einstellkoordinaten des Werkstücks relativ zum Werkzeug vorgenommen werden können. Der Probelaser (2) dient der Regelung des Scanners und wird weiter unten im Detail erklärt.

[0011] Die Aufgabe eines modernen Mehrwellenlängen-Laser-Interferometers MWLI (3) ist zweierlei: zum einen die Erfassung von Form, Lage und Orientierung des Werkstücks im Referenzkoordinatensystem der Optik (7); zum anderen die Vermessung des Oberflächenprofils. Während aus der ersten Messung sich die geometrischen Einstelldaten des Bearbeitungslasers, nämlich die erforderliche 2D-Ablenkung, die Tiefenfokussierung und die Vorverzerrung für jeden Punkt im Gesichtsfeld der Optik berechnen lassen, bekommt man aus der zweiten Messung die für die Bearbeitung (z.B. Polieren) nötigen Intensitätsparameter wie Energiedichte, Spotdurchmesser und Pulsfrequenz.

[0012] Während es im ersten Fall genügt, das Werkstück an nur wenigen Punkten mit dem MWLI-Laser (3) abzutasten, ist im zweiten Fall je nach Aufgabenstellung ein hinreichend dichtes Punktenetz des im Gesichtsfeld der Optik gelegenen Oberflächenausschnitts, genannt Arbeitsfeld, erforderlich und zu messen.

[0013] Dieser zweistufige Ablauf ist vor allem dann von Vorteil, wenn das zu bearbeitende Werkstück z.B. eine kugelförmige Kalotte wie ein Linsenkörper, dessen Oberfläche poliert werden soll (Abb. 1 ), oder ein langes Zylinderrohr (Abb. 2), in das ein bestimmtes Muster eingearbeitet werden soll, grösser ist als das Gesichtsfeld der Optik (7), sodass die Bearbeitung im sogenannten «Step & Repeat»-Modus durchgeführt werden muss. Anstatt wie üblich den Werkstückvorschub mit hoher Genauigkeit durchzuführen, genügt es, nach erfolgtem Vorschub den neuen Lagezustand mittels vier Vektormessungen zu erfassen, um die Scanparameter (2D-Ablenkmuster, Fokussierung) in Echtzeit anzupassen. Damit ist ein deutlicher Zeit- und Effizienzgewinn verbunden.

[0014] Wie in den Abb. 1, 2 und 3 erläutert, steht im Mittelpunkt der Anordnung der motorisch betriebene Scanner (1), der den Strahl des Ultrakurzpuls-Lasers (4) in einer vorgegebenen Linienfigur über das Werkstück (10, 20) führt. Mit wenigen Punktmessungen des MWLI-Lasers (3) bestimmt man zuerst die Lage und Orientierung des Werkstücks und berechnet die Vorverzerrung der Ablenkfigur. Die dazu erforderliche Steuerung des Scanners wird kontrolliert, indem man die zeitliche Ablage des Probelaserstrahls (2) auf einem Sensor (5) misst und den Scannerantrieb gegebenenfalls fein nachregelt. Nach Erreichen der korrekten Ablenkfigur durch den Scanner können der Bearbeitungslaser (4) und der MWLI-Messlaser (3) synchron über das Werkstück geführt werden, wobei der Messlaser nunmehr mit hoher Auflösung den Oberflä-chenzustand, also den aktuellen Poliergrad, erfasst. Im Beispiel der Abb. 1 dreht sich die zu polierende Linse (10) langsam um die mit dem Motor (12) bewegte Drehachse ihres Aufspannkörpers (11), und beide können zusätzlich mit der Vorrichtung (13) senkrecht zur Drehachse bewegt werden, um weitere Linsenzonen zu polieren. In Abb. 2 ist das zu bearbeitende Werkstück ein zylindrisches Rohr (20), z.B. ein medizinischer Stent, in das eine Oberflächenstruktur eingearbeitet werden soll. Das Rohr wird ebenfalls im «Step & Repeat»-Modus von einer Verschiebevorrichtung (21) relativ zum Bearbeitungskopf in Richtung der Zylinderachse bewegt.

Messvarianten [0015] Die vier Vektormessungen auf das Werkstück, um dessen Lage und Orientierung zu gewinnen, können wie geschildert mit dem MWLI und dem Scanner nacheinander vorgenommen werden, aber auch alternativ mittels eines Image Rangers (30,31) im parallelen Modus. Bei einem Image Ranger startet der emittierte Laserpuls ähnlich wie beim MWLI eine Laufzeituhr, die aber, anders als beim MWLI, von jedem Pixel eines speziellen 2D-Sensors individuell gestoppt werden kann. Teilt man den Laserstrahl mittels eines Hologramms (32) in vier winkelmässig getrennte Teilstrahlen auf, die somit das zu vermessende Objekt an verschiedenen Stellen seiner Oberfläche treffen, bildet das Objekt auf den 2D-Stoppsensor (31) ab, dann werden die vier Returnpulse an den entsprechenden Pixeln des Image Range Sensors registriert und ihre Laufzeit gemessen. Damit kennt man die zurückgelegte Distanz der 4 Messstrahlen, aber nunmehr mit dem Vorteil, dass dies für alle 4 Teilstrahlen parallel, also gleichzeitig geschah.

Beispiele der Vorverzerrung von Schreibmustern auf verschieden geformten Oberflächen [0016] Im Folgenden wird beispielhaft gezeigt, welche Vorverzerrungen einer Testfigur erforderlich sind, damit diese unverzerrt auf verschiedene Objektkörper wie geneigte Planebene, dezentrierte Kugel (Abb.1 ) und Zylinder (Abb. 2, 3) durch beide Laser (3) und (4) geschrieben werden kann.

Beispiel 1/Plane Fläche [0017] Das Werkstück sei eine plane Fläche, die sich im nichtbekannten Abstand vom Objektiv (7) befindet und zudem relativ zu dessen optischer Achse verkippt sein kann. Es sollen in Abb. 4 darauf als Muster ein Quadrat und eine Kreisfigur mit dem UKP-Bearbeitungslaser (4) geschrieben werden. Dazu projiziert man zuerst mit dem Scanner vier Messpunkte des Probelasers (2) auf den Sensor (5) und misst deren Ablagekoordinaten (Abb. 4a). Gleichzeitig sendet man durch den Scanner den MWLI-Laser (3) und misst die vier Distanzen der auf die Objektfläche projizierten Messpunkte (Abb. 4b). Da man die vier Ablenkwinkel des Scanners kennt, bekommt man somit den Richtungsvektor von jedem der vier MWLI-Strah-len relativ zur Austrittspupille der Optik (7). Aus deren Kenntnis sowie der simultan durchgeführten Probelasermessung lassen sich mittels eines bekannten Algorithmus der Projektiven Geometrie die Lage und die Verkippung der Objektfläche relativ zur Optik (7) bestimmen. Mit Hilfe der sich so ergebenden Abbildungstransformation kann man nun mit dem Scanner die zu schreibende Musterfigur - im Beispiel eine Quadrat- und Kreisfigur- entsprechend vorverzerren und mit dem Probelaser (2) auf dem Sensor (5) kontrollieren (Abb. 4c). Damit ist gesichert, dass der Kreis und das Quadrat mit dem Bearbeitungslaser (4) unverzerrt auf die gekippte Objektebene geschrieben werden (Abb. 4d).

Beispiel 2/Kugel [0018] Das Werkstück sei eine dezentrierte Kugelfläche (Abb. 1), auf die der Bearbeitungslaser (4) z.B. als Musterfigur ein Quadrat unverzerrt schreiben soll. Auch hier muss die räumliche Lage der Kugel im Bezug zum optischen Koordinatensystem (7) laufend im Prozess ermittelt werden. Dabei genügen wiederum vier MWLI Messpunkte, um die Position des Kugelmittelpunktes, sowie den Kugelradius zu bestimmen. Damit lässt sich wie im Beispiel 1 gezeigt die erforderliche Verzerrungsfunktion bestimmen. Abb. 5a zeigt perspektivisch zwei Quadrate, die an verschiedene Stellen der Kugel projiziert werden sollen. In Abb. 5b sieht man die entsprechend verzerrten Ablenkmuster, wie sie vom Probelaser (2) auf den 2D-Sensor (5) geschrieben werden müssen, damit der Bearbeitungslaser (4) sie unverzerrt auf die Kugelfläche schreiben wird.

Beispiel 3/Zylinder [0019] Wie Beispiel 2, nur dass in diesem Falle das Werkstück ein Zylinder sei, auf den ein Quadrat projiziert werden soll (Abb. 6a, 6b).

Beispiel 4/Freiformfläche [0020] Die bisherigen Beispiele sind auch auf Freiformflächen anwendbar, wobei man die 4 MWLI Messpunkte entsprechend dicht setzt und damit die 2. räumliche Ableitung, nämlich die Lage und den Radius der lokalen Krümmungskugel der Oberfläche bestimmt.

Abbildungsbeschreibungen [0021]

Abb. 1: Der motorisch betriebene Scanner (1) schreibt den Laserstrahl eines Probelasers als Musterfigur auf den

Sensor (5). Gleichzeitig wird über die Strahlteiler (6a) und (6b) der Messstrahl des MWLI Laser, respektive der des UKP-Lasers eingekoppelt. Beide Strahlen werden über den Strahlteiler (6c) ausgekoppelt und mit einer Optik (7) auf das Werkstück (10) fokussiert. Das Werkstück sitzt auf dem Drehzylinder (11, wird vom Motor(12) gedreht und kann vom Verschiebetisch (13) senkrecht zur Drehachse verschoben werden.

Abb. 2: Hier ist das zu bearbeitende Werkstück ein zylindrisches Rohr (20), in das eine Oberflächenstruktur ein gearbeitet werden soll. Das Rohr wird dann im «Step & Repeat»-Modus mit einer Verschiebevorrichtung (21) relativ zum Bearbeitungskopf in Richtung der Zylinderachse bewegt.

Abb. 3: Der emittierte Laserpuls (30) des Image Rangers wird mittels des Hologramms (32) in vier winkelmäs- sig bekannte Teilstrahlen aufgetrennt und über den speziellen Beamsplitter (6d) und die Optik (7) auf das Werkstück (20) fokussiert. Die Return-Pulse von Werkstück (20) werden über Beamsplitter (6d) auf den 2D-Sensor (31) des Image-Rangers abgebildet.

Abb. 4a: Lage von 4 willkürlich gewählten Messpunkten MO, M1, M2 und M3 des Probelasers (2) auf dem Sensor (5).

Abb. 4b: Vektormessung: Lage der gleichzeitig gesendeten 4 Messpunkte des MWLI Lasers (3) auf dem Werkstück, einer gekippten Planplatte.

Abb. 4c: Mit dem Probelaser(2) und dem Scanner (1) geschriebene Kreis und Quadratfigur auf dem Sensor (5).

Abb. 4d: Mit dem MWLI-Laser(3) und UKP-Laser(4) durch den Scanner (1) geschriebener Musterkreis und Musterquadrat auf der gekippten Planplatte.

Abb. 5a: Auf eine Kugelfläche (10) sollen beispielshaft zwei Musterquadrate an verschiedene Stellen geschrieben werden.

Abb. 5b: Vorverzerrte Musterfiguren, geschrieben mit Probelaser (2) auf Sensor (5). auf Sensor (5).

Abb. 6a: Auf eine Zylinderfläche (20) soll beispielshaft ein Musterquadrat geschrieben werden.

Abb. 6b: Vorverzerrte Musterfigur, geschrieben mit Probelaser (2) auf Sensor (5).

Claims (10)

1. Patentansprüche

   1. System zur simultanen Vermessung und Bearbeitung eines Werkstücks mittels mehrerer Laserstrahlen, dergestalt, dass durch einen optischen Scanner (1 ) ein Probelaser (2), ein Messlaser (3) und ein Bearbeitungslaser (4) geschickt werden.
2. 2. System nach Anspruch 1, dass der Scanner den Strahl des Bearbeitungslasers (4) als vorgegebene Musterfigur auf das Werkstück schreibt.
3. 3. System nach Anspruch 2, dass der Scanner den Strahl des Probelasers (2) als vorgegebene Testfigur auf einen 2D-Sensor (5) schreibt.
4. 4. System nach Anspruch 3, dass der Strahl des Messlasers (3) auf mindestens 4 Punkte des Werkstücks gerichtet wird, dass deren Distanz zu einem optischen Referenzpunkt (7) gemessen wird (Vektormessung), und dass daraus die Lage und Orientierung des Werkstücks zum Referenzpunkt bestimmt wird.
5. 5. System nach Anspruch 4, dass aus den Messungen gemäss Anspruch 3 und 4 die Vorverzerrung des Schreibmusters für den Bearbeitungslasers berechnet wird.
6. 6. System nach Anspruch 5, dass der Scanner motorisch so gesteuert wird, dass die Ablenkfigur des Probelaserstrahls (2) auf dem 2D-Sensor (5) dem vorverzerrten Schreibmuster entspricht.
7. 7. System nach Anspruch 4, dass die Vektormessungen mittels eines optischen Distanzmessers (3) vorgenommen werden.
8. 8. System nach Anspruch 7, dass die Vektormessungen mittels diskreter Ablenkwinkel des optischen Scanners (1) vorgenommen werden.
9. 9. System nach Anspruch 7, dass die Vektormessungen mittels eines Image Rangers (30,31) vorgenommen werden.
10. 10. System nach Anspruch 9, dass die diskreten Ablenkwinkel des Lasers des Image Rangers (30,31) mittels eines Hologramms (32) erzeugt werden.