CN101646525B - 加工设备以及用于材料加工的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加工设备(10)，包括至少一个加工头(16)，该加工头用于提供至少一个高能加工射束(22)、尤其是电子射束或激光射束。这种加工设备用于工件(28)上的材料侵蚀或工件(28)的材料连接，尤其用于工件焊接。根据本发明规定，所述加工头(16)配备有至少一个设计成光学相干层析成像装置的扫描装置(32)，该扫描装置(32)用于表面扫描。此外，提出了一种方法，该方法用于使用高能加工射束的材料加工，并用于借助光学相干层析成像装置对工件的未加工、已加工或正在加工的表面区域进行扫描。

Description

加工设备以及用于材料加工的方法

技术领域

本发明涉及一种具有至少一个加工头的加工设备，该加工头设计成提供至少一个高能加工射束，尤其是电子射束或激光射束。

背景技术

市场上公知的加工设备能够实现一个或多个待加工工件与加工头之间的相对运动，以实现侵蚀和/或连接的材料加工。加工头装配有以内置或分离的方式实现的、高能加工射束——尤其是激光射束或电子射束——源。这种加工设备的典型应用领域是借助激光射束进行工件材料的侵蚀或者借助电子射束或激光射束进行塑料部件或金属部件的焊接。根据应用领域对这种加工过程提出了严格的质量要求，其中，也要求相对于工件对高能加工射束进行精确引导以及对工件上的加工结果进行控制。为此目的，已知加工设备可以设有一个或者多个传感器装置，所述传感器装置在应用光学测量方法(例如光截面法)和/或电学测量方法(例如涡流法)和/或声学测量方法(例如超声方法)的情况下实现质量控制所需的加工结果检验。

因为应用已知的测量方法的传感器受高能加工射束的影响很大和/或需要与加工表面机械接触，所以必须在加工射束的加工位置与应用相应的测量方法的测量位置之间保持一最小距离。因此，加工射束的过程控制仅能以一延时进行。该延时由加工速度以及加工位置与测量位置之间的几何距离得出。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种测量装置以及一种方法，该测量装置以及方法能够改进对使用高能加工射束的加工过程的过程控制。

根据本发明，关于测量装置，所述目的通过具有权利要求1的特征的加工设备实现。

本发明的有利构型是从属权利要求的主题。

根据本发明，将加工设备设计成，为加工头配备有至少一个扫描装置，所述至少一个扫描装置设计成光学相干层析成像装置并用于表面扫描。

光学相干层析成像装置应理解为一种测量装置，其借一助干涉仪来利用相干特性，即光(相互)干涉的能力。为此目的规定，借助一分束装置、尤其借助于半透射镜将由宽带光源射出的光束分为两个射束。第一射束在一参考臂中引导，该参考臂具有已知的、可调节的长度。所述射束在参考臂的末端被反射，再次在参考臂中引导，随后被输入一探测器中。第二射束被引导至待测表面，并在该待测表面上被至少部分地重新向着相干层析成像装置的方向反射。被反射的光同样被输入到相干层析成像装置的探测器中，并在该探测器中与第一射束干涉。从探测器产生的测量信号可以获取关于第二射束从分束器到探测器的路径长度的信息。从中可以求得相干层析成像装置与待测表面之间的距离。

代替例如平板或立方体形状的分束器，也可以使用具有两个分开的纤维束的纤维耦合器/光纤连接器，用于输出所述两个射束。

根据相干层析成像装置的技术设计，可以在时域或频域中串行地(时间编码)或并行地(空间编码)进行测量。为设计在时间编码测量的情况下、在频域中进行测量的相干层析成像装置，使用具有可变波长的光源——尤其是可调谐的激光，来取代用于其它设计的宽带光源。

根据本发明，相干层析成像装置用于无接触地扫描不透光表面的表面几何。相反，在根据本发明的方法中无法获得关于不透光表面下方的结构的信息。

可以一维、二维或者三维地进行表面扫描。一维的表面扫描提供从相干层析成像装置到被扫描表面的距离。二维表面扫描提供表面的走向/曲线，即被扫描表面的线状表面外形，三维的表面扫描提供一面图像，即被扫描表面的表面形貌。

借助由相干层析成像装置射出的、在待测表面上反射的测量光束来进行表面扫描。反射光至少部分地被反射回光学相干层析成像装置，并与参考光束一起被引导到探测器上。在该探测器中，根据测量光束的反射部分与参考光束之间的干涉获取表面几何信息。

光学相干层析成像装置对于表面的待测空间几何具有高分辨率。此外，由高能加工射束确定的加工位置与通过光学相干层析成像装置进行表面扫描的测量位置之间的距离可被选择得很小，优选被选择得极小。因此，加工与表面测定之间仅存在很小，尤其极小的时间偏差，从而可以实施有利的过程控制。

实验表明，借助光学相干层析成像装置的表面扫描不受或至多仅极不明显地受到很亮的过程光的干扰，所述过程光通常在借助高能过程光进行加工时产生。这是相对于其他测量方法的重要优点，在其他方法中，在光学探测器等中的过程光比实际的测量信号还要亮。

在本发明的一种构型中提出，在一光纤中引导用于所述扫描装置的光学参考路径。在已知的、作为自由射束在多个光学元件之间引导的参考路径中，为此使用的光学元件的质量和调节必须满足严格的要求。在光纤中——尤其是在塑料纤维或玻璃纤维中——引导光学参考路径时，可以实现参考路径的成本有利且紧凑的结构。

在另一构型中提出，参考路径的光纤被放置在、尤其是缠绕在一能由控制装置控制的膨胀体上。为了实施光学相干层析成像，必须使参考路径的长度根据时间变化，该变化可以通过光纤的弹性膨胀实现。为此目的将参考路径的光纤放置在一膨胀体上。膨胀体优选地由压电材料制造并通过施加控制电压而改变体积，由此影响放置的光纤的长度。优选的是，膨胀体被设计成圆柱形并被缠绕一层或多层光纤，从而确保了光纤的特别均匀的膨胀。

在本发明的另一构型中，所述光学参考路径的长度选择成，使得测量射束的出射面与待测表面之间的距离大于100mm，优选地大于250mm，尤其优选地大于500mm，尤其大于800mm。因此，以一适应于加工距离的距离，实现对待加工、当前正在加工、或已完成加工的表面的几何的无接触检测，所述加工距离位于加工头朝向工件的端面与工件之间。因此扫描装置不会对加工头相对于工件的定位方面形成任何限制。在此，光学相干层析成像装置的测量射束的出射面指的是这样的面：在该面中由光学相干层析成像装置向着工件的方向射出的测量射束变成自由射束，即不再通过任何光学元件。

在本发明的一种优选实施形式中，如此改变光学参考路径的长度，使得光学相干层析成像装置的、沿着其指向工件的光轴的测量区域为至少3mm，优选至少5mm，特别优选至少8mm。为此目的，使参考路径以类似的，特别是以相同的长度大小膨胀。也就是说，在参考路径膨胀了8mm的情况下，可以以8mm的范围/间隔获取被扫描的表面的深度信息。

在本发明的另一构型中，在所述扫描装置上设置有一偏转装置，该偏转装置用于使来自所述扫描装置的测量射束偏转到测量目标上、以及使来自所述测量目标的反射射束偏转到所述扫描装置中。借助偏转装置，可以与加工头和工件之间的相对运动无关地将测量射束引导到工件表面上。由此可以改变例如高能加工射束在工件上的入射位置与测量射束在工件表面上的测量位置之间的距离。为了能够探测工件的表面几何，此外还规定，借助偏转装置使由测量目标反射的射束至少部分地被输入到扫描装置中，从而使测量射束的光路和反射射束的光路相同。

在本发明的其他构型中，所述偏转装置具有至少一个可动地悬置的、能由一控制装置控制的镜。该镜用于使测量射束和反射射束偏转，该镜能在一个或多个空间方向上摆动，以实现测量射束相对于工件表面一维或二维的相对运动，进而实现对工件表面的线形的或平面的扫描。在本发明的一优选的实施形式中，该镜可万向地悬置并通过多个能独立进行控制的压电调节元件在多个空间方向上摆动。

在本发明的其他构型中，在镜和测量目标之间的光路中设置一F-Theta物镜。对于F-Theta物镜，像高正比于入射平行光束与光轴所夹的入射角。根据本发明，F-Theta物镜设置有一个镜，测量射束如此入射到该镜上，使得由该镜造成的测量射束的偏转引起测量射束的焦点在一平面内的线性移动。由此能够实现对基本上平坦的表面的精确扫描，因为这与测量射束相对于待扫描的表面的偏转不同，不会出现由表面反射的反射射束的角度依赖性。更确切地说，测量射束始终以相同的方向入射到待测表面上，并能够以相同的方式、通过F-Theta物镜和镜被反射回相干层析成像装置中，并与参考光束一起被引导到探测器。

在本发明的其他构型中，作为用于所述扫描装置的发光器件设置有一光源，尤其是超辐射发光二极管，该超辐射发光二极管的波长大于900nm、优选大于1200nm、特别优选地大于1350nm。超辐射发光二级管通常具有10nm至50nm的相干长度并提供具有在主波长周围约10nm至25nm的带宽的光束。

在本发明的其他构型中，扫描装置被这样内置在所述加工头中，使得所述加工射束和所述测量射束可共同使用至少一个光学元件。所共同使用的光学元件优选是透镜或玻璃护罩。透镜尤其可用于聚焦加工射束和测量光束，以能够适应于工件与加工头之间的不同距离。玻璃护罩用于保护加工头和光学相干层析成像装置的光学系统。玻璃护罩可配备有设置在加工头上的装置、如保护气出口或温度传感器，其用于避免玻璃护罩被污染和/或过热。由此可以有效地使扫描装置远离材料加工所产生的影响。在此，所述影响例如是来自焊接位置蒸汽和/或材料颗粒，所述蒸汽和/或材料颗粒在没有相应的保护机构的情况下对扫描装置的测量质量产生损害。

在本发明的其他构型中，具有使所述加工射束的加工平面与所述测量射束的扫描平面的至少基本上一致的布置结构。在通过加工射束进行表面加工时如此聚焦该加工射束，使得焦点与加工射束在待加工表面上的入射点至少基本上一致。根据本发明，扫描装置同样被如此聚焦，使得测量光束的焦点与加工射束的焦点一致。优选的是，加工射束和测量光束具有共焦结构，即它们的焦点一致。在本发明的一种特别优选的实施形式中，由加工头射出的加工射束与由扫描装置射出的扫描射束被设置共轴，从而能够通过扫描装置对由加工射束确定的加工点进行测量。

关于方法，在上文中提出的目的通过具有权利要求11的特征的方法来实现。根据本发明，利用光学相干层析成像装置的测量射束来扫描未加工的材料区域，根据至少一个由工件反射的反射射束对表面形态进行分析处理。这种扫描例如用于，实现精确地确定待通过焊接连接的焊隙(焊前的间隙Schweiβspalt)的走向、进而补偿所述焊隙走向中能通过加工设备的机械控制来平衡的公差。在此，既可以在功率密度方面、也可以在加工射束的焦点定位方面进行所述补偿。

尤其是，如果在通过光学相干层析成像装置进行扫描期间在加工射束的轴向方向上检测材料侵蚀，则或者在轴向方向上对焦点进行追踪、或者沿着轴向方向对工件进行再调节。这样的材料侵蚀例如通常在激光钻孔时出现。因为高能加工射束通常正好聚焦在一可预定的加工点上，所以在不进行相应追踪的情况下由于加工位置的位置变化而使材料侵蚀效率降低。在此，对焦点的追踪可以通过改变例如形成该焦点并设置在加工头中的光学系统的焦距实现，和/或通过改变加工头的位置实现。

补充地或替代地，在根据本发明的方法中，对高能加工射束的工作区域进行扫描、并根据通过扫描获取的信息进行过程控制。这对于借助加工射束的材料侵蚀方法——尤其是激光侵蚀方法、材料连接方法——尤其是在激光焊接方法、以及生成方法——尤其是激光堆焊方法，都是很重要的。在材料侵蚀时，通过对工作区域的扫描可直接确定是否通过材料侵蚀实现了期望的表面结构。对于材料连接——尤其是通过电子射束焊接或激光射束焊接的材料连接，可以对所产生的焊缝的表面几何进行扫描，以便通过对焊接参数——如加工射束的功率密度和脉冲持续时间/脉宽——的匹配、在热影响较小的情况下实现可靠的材料连接。

补充地或替代地，可以借助扫描装置对已加工的材料区域进行扫描，以能够评价例如在焊缝冷却后由于热影响而造成的材料变形，以及必要时实施焊接参数的匹配。

附图说明

以下根据附图对本发明的实施例进行详尽地说明。在附图中示出：

图1：借助工业机器人进行激光焊接的加工设备的示意图；

图2：集成在加工头中的光学相干层析成像装置的示意图；

图3：设置在加工头的射束路径中的、摆动镜和F-Theta透镜的组合的示意图；

图4：加工头应用于钻孔过程的示意图。

具体实施方式

在图1中示出一加工设备10，该加工设备10主要由一工业机器人12、一激光源14以及由工业机器人12携带的加工头16组成。工业机器人12是一多轴机器人，其可以将加工头带到相对于工件28的不同空间位置上，以确保对工件28的有利加工。激光源14借助一可弯曲的玻璃纤维导管30与加工头16连接。在此，由激光源14产生的激光被输入到设置在加工头16中的、在图2中详细示出的光学系统中。从光学系统输出的激光作为高能加工射束22对准工件28。

在加工头16中，除了用于高能加工射束22的光学系统外，还设置有在图2中详细示出的光学相干层析成像装置32，其用于测定通过焊接过程在焊隙18和/或焊缝20的区域中产生的表面结构。对于预定的加工过程，在图1标出的加工方向上移动工件28，同时借助工业机器人12使加工头16保持与工件28的距离基本恒定并保持基本垂直于工件。

在图2中以框图的形式示意性示出的加工头16包括两个基本上相互独立地工作的系统：第一光学系统用于传导由激光源14提供的高能加工射束22。为此目的，在壳体40上设置有一转向装置44，该转向装置44具有一转向镜48以使从玻璃纤维导管30输出的激光射束以直角转向。此外，设置有用于将激光射束聚焦到工件28的加工位置80上的聚焦模块50。为此目的，聚焦模块50具有局部凹形弯曲的镜面52，该镜面52将入射的、扩散的激光射束聚焦，从而使其在工件28上形成焦斑。

此外，聚焦模块50设置有通孔54，该通孔54使光学相干层析成像装置32的测量射束24能够通过，该光学相干层析成像装置根据图2设置在聚焦模块50上方。此外，通孔54还允许在工件28的表面上、朝向光学相干层析成像装置32的方向反射回的反射光通过。

光学相干层析成像装置32包括一超辐射发光二极管42。该超辐射发光二极管42与控制电路34电连接，并朝向一分束器56的方向辐射波长约为1300nm的光。在设计成半透射镜的分束器56上，由超辐射发光二极管42发射的光部分地向着参考臂58的方向透射。由超辐射发光二极管42发射的光的另一部分在分束器56处向着工件28的方向反射并形成一测量臂。

参考臂58由玻璃纤维线圈构成，该玻璃纤维线圈设置在由压电材料制造的线圈芯60上。线圈芯60本身与一分析处理电路36电连接，以通过施加电压实现线圈芯60的有目的的膨胀、进而实现参考臂58的玻璃纤维线圈的膨胀。参考臂58的长度变化——例如可以在200Hz的频率下以参考臂58的8mm的膨胀实现所述长度变化——改变了超辐射发光二极管42的、输入到参考臂58中的光的传播时间。

通过输入到参考臂58中的光与被工件28反射回的反射射束26的相互作用形成这两个光束的干涉，即光波的相加或者相减。可以通过一与分析处理电路36相连接的光电二极管62测定在此出现的光强度。在分别已知参考臂58的当前长度和光电二极管62上的光强度的情况下，可以推导出光学相干层析成像装置32与工件28表面之间的距离，从而可以在适当地导向测量射束24的情况下求得工件28的表面外形。

虽然在焊接过程期间由于高能加工射束22的作用而在工件28上既发生工件28反射的激光的反向散射，也发生由热辐射引起的二次光辐射，但是通过应用光学相干层析成像装置32可以直接确定焊接位置或加工位置区域中的表面外形。加工射束22的由工件28反向散射的一次光和由被加热的工件28辐射的二次光不满足以10nm至50nm的短相干长度发出的测量光的相干条件，该相干条件是与从超辐射发光二极管42输入到参考臂58中的光发生干涉所必需的。

如图2示意性示出的，高能加工射束22、测量射束24和反射回光学相干层析成像装置32的反射射束26被设置为相互共轴。为调整高能加工射束在工件28的表面上形成的焦斑的大小，在用于高能加工射束22的光学系统中设置一根据图2可在竖直方向上移动的会聚透镜64，该会聚透镜由一未示出的调节装置控制。

可以借助一设计成具有两个相互垂直的摆动轴的摆动镜的偏转装置70使测量射束24偏转，以实现对工件28的表面的平面扫描。

为了保护高能加工射束22以及光学相干层析成像装置32的整个光学系统免受不希望的环境影响——环境影响尤其可能由来自焊接位置的蒸汽和颗粒引起，在加工头16的下端面上设置一由热稳定的透光材料制成的玻璃罩66。玻璃罩66必要时可设置有过滤涂层，该过滤涂层仅允许加工射束22、由超辐射发光二极管42辐射的测量射束24和反射射束26的光波长透射。玻璃罩66配备有一与控制电路34电连接的温度传感器72，该温度传感器72用于探测玻璃罩66的热过载。此外，在加工头16上设置一喷射管68，该喷射管68可以将横向于反射射束26和测量射束24的光轴的保护气流引导到玻璃罩66上，以阻止来自焊床的蒸汽或熔化颗粒沉积。

在图3中详细示出的加工头16具有与图2所示的加工头16同样的结构，并配备有一平面的摆动镜80和一设置在摆动镜80与测量目标28之间的光路中的F-Theta透镜装置82。与图2示出的加工头16不同，根据图3的加工头16的光学系统旨在输出平行射束。可以借助一未示出的执行机构使摆动镜80绕一摆动轴摆动，该摆动轴设置在摆动镜80的表面上的朝向测量射束的镜平面中并且根据图3的示图正交于示图平面。为了说明F-Theta透镜装置82的工作原理，由加工头16射出的测量射束表示为平行射束，但也可以根据F-Theta透镜的折射能力提供发散的射束或会聚的射束。

测量射束到达摆动镜80上并被其相应地偏转。以不同的角度、在不同的位置到达F-Theta透镜装置82的测量射束通过F-Theta透镜装置82的折射作用转变为会聚的测量射束，其主射束始终平行于F-Theta透镜装置82的光轴。在图3所示的实施例中，测量目标28的待扫描表面位于测量射束的焦平面中。因此，在使摆动镜80绕摆动轴摆动时，可以始终以保持不变地聚焦的测量射束来扫描测量目标28的线形的表面区域。如果可以使摆动镜80附加地绕一与上述摆动轴正交的、位于示图平面内的另一摆动轴摆动，则由于F-Theta透镜装置82的透镜是旋转对称的而可以进行对测量目标的二维表面扫描。

对于图4中示意性示出的、加工头16在钻孔过程中的应用情况，在放大的细节示图中示出了射入孔88中的加工射束22和测量射束24。加工射束22聚焦到一焦点90上。在根据图4的示图中，焦点90位于孔底部的高度上，即与工作位置一致，在该位置处借助加工射束22进行材料侵蚀。因此，加工射束22以最大能量密度入射在工作位置上，能以最大的效率侵蚀材料。

因为工作位置由于材料侵蚀而发生转移，所以在不对加工射束22进行聚焦位置调节的情况下，能量密度因为加工射束22非聚焦地入射到加工位置上而减小。为了避免上述情况进行如下设置：根据测量射束24以及由其测定的距离信息如此调节在加工头16与工作位置之间的距离，使得焦平面90始终位于工作位置的高度上。为了改变所述距离，可以移动加工头16和/或工件。附加地或替代地，可以通过光学系统(图2中的会聚透镜62)来改变焦点，该光学系统产生所述焦点并设置在加工头中。

Claims (16)

1.一种加工设备(10)，用于对具有不透光表面的工件的加工，包括至少一个加工头(16)，所述至少一个加工头用于提供至少一个高能加工射束(22)，其中，所述加工头(16)配备有至少一个扫描装置，所述至少一个扫描装置设计成光学相干层析成像装置(32)并用于表面扫描，其特征在于，在所述扫描装置(32)上设置有一偏转装置(70)，该偏转装置用于使来自所述扫描装置(32)的测量射束(24)偏转到工件(28)上、以及使来自所述工件(28)的反射射束(26)偏转到所述扫描装置(32)中，其中所述偏转装置(70)具有至少一个可动地悬置的、能由一控制装置(34)控制的镜，以及在所述镜和所述工件(28)之间的光路中设置有一F-Theta物镜。

2.根据权利要求1所述的加工设备，其特征在于，在一光纤中引导用于所述扫描装置(32)的光学参考路径(58)。

3.根据权利要求2所述的加工设备，其特征在于，所述参考路径(58)的光纤被放置在一能由控制装置(34)控制的膨胀体(60)上。

4.根据权利要求2或3所述的加工设备，其特征在于，所述光学参考路径的长度选择成，使得测量射束(24)的出射面与待测表面(28)之间的距离大于100mm。

5.根据权利要求2或3所述的加工设备，其特征在于，作为用于所述扫描装置的发光器件，设置有一光源。

6.根据权利要求2或3所述的加工设备，其特征在于，所述扫描装置(32)被这样内置在所述加工头(16)中，使得所述加工射束(22)和所述测量射束(24)能共同使用至少一个光学元件(66)。

7.根据权利要求2或3所述的加工设备，其特征在于，具有使所述加工射束(22)的加工平面与所述测量射束(24)的扫描平面至少基本上一致的布置结构。

8.根据权利要求1所述的加工设备，其特征在于，所述高能加工射束为电子射束或激光射束。

9.根据权利要求3所述的加工设备，其特征在于，所述参考路径(58)的光纤被缠绕在所述膨胀体(60)上。

10.根据权利要求4所述的加工设备，其特征在于，测量射束(24)的出射面与待测表面(28)之间的距离大于250mm。

11.根据权利要求4所述的加工设备，其特征在于，测量射束(24)的出射面与待测表面(28)之间的距离大于500mm。

12.根据权利要求4所述的加工设备，其特征在于，测量射束(24)的出射面与待测表面(28)之间的距离大于800mm。

13.根据权利要求5所述的加工设备，其特征在于，所述光源是一超辐射发光二极管(42)。

14.根据权利要求13所述的加工设备，其特征在于，该超辐射发光二极管的波长大于900nm。

15.根据权利要求13所述的加工设备，其特征在于，该超辐射发光二极管的波长大于1200nm。

16.根据权利要求13所述的加工设备，其特征在于，该超辐射发光二极管的波长大于1300nm。

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