CN102985214B - 用于使激光射束聚焦的射束成型单元及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种射束成型单元（1），用于将用于激光材料加工的激光射束（3）聚焦到工件（9）上，其包括：第一光学元件（5），所述激光射束（3）射到所述第一光学元件上；第二光学元件（7），所述第二光学元件在射束传播方向上设置在所述第一光学元件（5）下游；和在射束传播方向上设置在所述第二光学元件（7）下游的聚焦光学装置（8），其中，给所述第一光学元件（5）配置用于通过影响该第一光学元件（5）而调节焦点直径（D）的第一焦点调节装置（10），其中，给所述第二光学元件（7）配置用于通过影响该第二光学元件（7）而在所述激光射束（3）的射束传播方向上调节焦点位置的第二焦点调节装置（12），并且其中，所述激光射束（3）通过所述第一光学元件（5）经由一中间焦点（6）成像到所述第二光学元件（7）上。本发明还涉及一种用于控制射束成型单元（1）的方法。

Description

用于使激光射束聚焦的射束成型单元及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于将用于激光材料加工的激光射束聚焦到工件上的射束成型单元以及一种用于控制该射束成型单元的方法。
背景技术
在激光材料加工中，为了不同的过程和应用，必须总是重复地匹配激光射束。除了调节相应所需的功率水平之外，特别是激光射束的焦点直径以及焦点位置也扮演重要角色。在很多情况下，例如在激光切割的情况下在将薄板更换为厚板或将厚板更换为薄板时，所述匹配要求更换加工光学装置，必要时甚至要求更换整个加工头。与此相关的装调时间降低了所采用的激光加工设备的生产率。
为了在具有激光射束的最小射束直径的工作点上调节不同的焦点直径，由JP 2009226473公开了一种装置和一种方法，其中，将发散的激光射束首先射到可移动的准直透镜上。通过在射束传播方向上处于下游的聚焦光学装置成像到工件上的焦点直径根据准直透镜的位置可在射束传播方向上、也就是可沿着激光射束轴调节。但是，通过该直径改变也会影响焦点位置，从而使得必须再调节该焦点位置以获得恒定的工作点。这例如可以通过设置在准直透镜与聚焦光学装置之间的自适应镜进行，所述自适应镜通过其可变的曲率半径允许焦点位置的再调节。然而，可通过所述自适应镜实现的再调节范围比较小。在成像质量好的情况下，再调节范围例如在与焦距为200mm的聚焦透镜结合的情况下小于10mm。自适应镜的另一缺点是由此导致的费事的结构形状，因为在该情况下不可能实现直线的结构方式。
对于使用自适应镜替代地，在JP 2009226473中也可以将聚焦光学装置类似于准直透镜地在射束传播方向上可运动地设置，以便根据焦点直径改变来匹配焦点位置。但是，聚焦光学装置的运动一方面要求精确的导向元件以及另一方面要求密封元件以能够在聚焦光学装置运动时严密地密封光学装置室。所述要求导致了射束引导系统的复杂的结构。此外，在聚焦光学装置的背离光学装置室产生的气体压力使得相应的运动变难。
发明内容
本发明的任务是，提供一种射束成型单元以及一种用于控制所述射束成型单元的方法，所述射束成型单元以结构技术简单的方式允许焦点直径和焦点位置的灵活调节并且特别是允许拓展焦点位置的再调节范围。
根据本发明，所述任务通过一种用于将用于激光材料加工的激光射束聚焦到工件上射束成型单元解决，其包括：第一光学元件，所述激光射束射到所述第一光学元件上；第二光学元件，所述第二光学元件在射束传播方向上设置在所述第一光学元件下游；和在射束传播方向上设置在所述第二光学元件下游的聚焦光学装置，其中，给所述第一光学元件配置用于通过影响该第一光学元件而调节焦点直径的第一焦点调节装置，并且其中，给所述第二光学元件配置用于通过影响该第二光学元件而在所述激光射束的射束传播方向上调节焦点位置的第二焦点调节装置，其中，所述激光射束通过所述第一光学元件经由一中间焦点成像到所述第二光学元件上。
通过按照本发明在第一和第二光学元件之间设置中间焦点可以使得焦点直径在较大的范围上变化。为此，在一个有利的实施方式中，所述第一光学元件构造为透射的光学元件，优选构造为透镜，所述透镜优选具有小于50mm的焦距，特别优选具有小于40mm的焦距，特别是具有小于约30mm范围内的焦距。
以有利的方式进行第一光学元件的成像特性的改变，其方式是，第一光学元件沿着激光射束的光学轴可通过配置给它的用于调节焦点直径的焦点调节装置运动。所述焦点调节装置为此设有马达或类似的驱动机构。
所述第二光学元件优选也构造为透射的光学元件，特别是构造为透镜。通过在射束成型单元中（也就是从第一光学元件到接下来的聚焦光学装置）使用透射元件得到直线状的结构，这种结构允许降低射束成型单元的复杂性和结构空间。
在本发明的一个特别优选的实施方式中，焦点位置通过第二光学元件类似于第一光学元件地改变，其方式是，所述第二光学元件也能够通过配置给它的第二焦点调节装置沿着所述激光射束的光学轴运动。第一和第二焦点调节装置的运动过程在此可以彼此耦合地或者彼此无关地进行。
替代地，第二焦点调节装置可以这样设计，使得该第二焦点调节装置可以改变第二光学元件的曲率半径并且从而改变其成像特性以调节焦点位置。第二光学元件在此优选构造为自适应透镜，其与第二焦点调节装置相互作用，以便例如通过调节施加在所述自适应透镜上的压力以改变其曲率半径从而改变成像特性。
不仅第一焦点调节装置而且第二焦点调节装置在此为了调节焦点直径和/或焦点位置优选可通过一控制单元根据应用特有的预给定值和当前的校正值被控制，所述当前的校正值特别是以过程监控装置的测量数据为基础。在该上下文中，对于“应用特有的预给定值”应理解需要为特定的加工任务调节的射束特性，其必要时也在所述参量中的至少一个改变时考虑或补偿焦点直径与焦点位置之间的由于所述调节导致的相互作用。与此相对，当前的校正值在过程中得出，例如通过射束成型单元的各个部件的成像特性的热致改变或者通过射束成型单元与工件之间的距离改变得出，所述距离改变必要时由于在工件上形成的轮廓必须被补偿。在此，相应的控制单元不仅可以是射束成型单元的组成部分，而且也可以是外设部件，例如是包含所述射束成型单元的激光加工设备的一部分。
在一个优选的实施方式中，所述射束成型单元还包括一壳体，所述壳体通过所述第一光学元件和所述第二光学元件以及通过所述第一和第二光学元件的保持装置分为一些腔，其中，在所述腔之间设置用于进行气体-和压力补偿的溢流通道。这考虑了下述情况，即，在射束成型单元至成像光学装置的区域中应尽可能存在净室条件。但是第一和/或第二光学元件的运动引起通过所述元件限定的腔的体积改变并且如果没有溢流通道的话会导致相应的欠压或过压情况。
有利的是，所述射束成型单元集成在激光加工机、特别是激光切割机的加工头中或者至少构成该加工头的一个组成部分。在聚焦光学装置与待加工的工件之间，可设置一个在射束传播方向上设置在所述聚焦光学装置下游的、另外的光学装置，特别是保护玻璃（平窗），用于相对于气体压力密封所述射束成型单元。呈平面平行的（玻璃）窗形式的保护玻璃保持在射束成型单元或加工头中。由此使得射束成型单元一方面针对气体压力密封，但是也可以在无需再定心所述激光射束的情况下进行面向加工部位的光学装置（在该情况下为保护玻璃）的更换或清洁。
在本发明的一个优选的进一步构型中，在所述聚焦光学装置与所述另外的光学装置之间设置防碰撞的分隔部位，其中，所述分隔部位的区域被弹性的波纹管遮盖。防碰撞装置允许在过载时在保护玻璃的保持架与聚焦光学装置之间进行分隔。进行分隔的区域在此被弹性的波纹管、例如折叠波纹管包围，从而在分隔时不会有颗粒进入到保护玻璃与聚焦光学装置之间的区域中并且特别是沉积在聚焦光学装置上。
本发明的射束成型单元在此优选在激光加工机中采用，所述激光加工机的激光射束源是固体激光器，也就是具有约1μm的近红外范围内的激光基本波长的激光器。在这种结构中，激光辐射从激光射束源到射束成型单元或到加工头的供应优选通过传输纤维进行。射束成型单元的第一光学元件在此在射束传播方向上连接在所述传输纤维后面，从而使得激光射束发散地射到第一光学元件上。
在另外的观点中，本发明还涉及一种用于控制上述射束成型单元的方法，在该方法中，根据应用特有的预给定值来控制焦点调节装置并且在控制所述焦点调节装置时考虑当前的校正值。
为此设置一控制单元，所述控制单元给第一和第二焦点调节装置预给出控制信号，通过所述控制信号这样地调节第一和/或第二光学元件，使得通过在加工点中聚焦得到期望的射束特性。为此，控制装置不仅调用应用特有的预给定值而且调用当前的校正值。如上所述应用特有的预给定值涉及的是需针对特定的加工任务调节的射束特性，其必要时也在所述参量中的至少一个改变时考虑或补偿焦点直径与焦点位置之间的由于所述调节导致的相互作用。为了补偿所提及的相互作用，控制单元例如调用存储的特征曲线或功能关联。此外，还可以只有在超过确定的极限值时才进行补偿。需附加地考虑的当前校正值由必要时设置的过程监控装置的测量数据或者同样由例如取决于辐射功率和辐照持续时间的特征曲线得出。
在所述方法的一个优选的变型方案中，所述当前的校正值被用来补偿所述射束成型单元的热致成像误差，所述成像误差特别是随着光学部件的辐照时间和/或其污染的增加而出现并且其特别是涉及焦点位置的不希望的改变。在求得校正值和相应的用于控制焦点调节装置的控制信号时，必要时引入已知的、焦点直径与焦点位置之间在所述参量中的至少一个改变时的相互作用。
优选所述当前的校正值基于辐照持续时间和供应给所述射束成型单元的至少一个光学部件的激光器功率求得。在该情况下，热致成像误差根据激光器功率和辐照持续时间例如存储在所述控制单元中。
对此替代地，为了求得所述当前的校正值，也可以在所述射束成型单元的至少一个光学部件上进行温度测量，其中，当前求得的温度可与相应的热致成像误差相关。在此特别优选的是求得至少一个光学部件的中央的温度。所述测量在此通过本领域技术人员公知的、必要时无接触的测量机构（热传感器）进行。
在一个在温度测量的框架内特别优选的变型方案中，仅仅求得根据激光射束的传播方向上处于最后的光学部件的温度，也就是聚焦光学装置或保护玻璃的温度。在该情况下，所求得的校正值不仅在这种保护玻璃的吸收率方面考虑由于激光器功率和辐照持续时间引起的焦点位置移位，而且借助于温度测量也考虑保护玻璃的由于过程导致的污染引起的吸收率的提高。这种通过温度测量求得污染程度的保护玻璃监控必要时也可以在达到前面定义的极限值的情况下确保该过程的关停。通过另外的信号分析处理（参见上面）可以将温度测量值用于调整焦点位置。
当前的校正值在热致成像误差的情况下主要涉及焦点位置，从而使得用来进行补偿的控制信号通常仅需传输给第二焦点调节装置。
附图说明
从说明书和附图中得出本发明的另外的优点。前面所述的以及还进一步提出的特征也可以单个地或者成多个任意组合地使用。所示出的和描述的实施方式不应被理解为穷举，而是对于描述本发明具有示例性特性。
附图示出：
图1a-c是射束成型单元的一个实施方式在焦点直径或焦点位置的三个不同调节时的示意图；
图2是图1a-c中的射束成型单元在壳体中集成的结构形状。
具体实施方式
在图1a中示出射束成型单元1，在该射束成型单元中，激光射束3发散地射到具有短焦距（典型地小于约50mm，特别是在约30mm的范围内）的第一透镜5上并且通过一个中间焦点6成像到第二透镜7（具有射束直径D1）上。通过该第二透镜7校准的激光射束3经由一个（位置固定的）另外的、用作聚焦光学装置8的透镜聚焦到工件表面9上以进行激光材料加工。在工作点处在工件表面9上形成的激光焦点在此具有直径d1。
在更换应用时、例如在转换到另外的板厚度或另外的待切割工件（板）时，可能需要改变工件表面9上的焦点直径d1并且例如选择较小的焦点直径d2（＜d1）。
为了可变地调节焦点直径，在射束成型单元1上设置第一焦点调节装置10，该第一焦点调节装置可借助于（未示出的）驱动器、例如直线电机使第一透镜5沿着激光射束3的光学轴11运动。
如图1b中所示，在第一透镜5在激光射束3的射束传播方向上沿着光学轴11位移ΔZL1的情况下，射到第二透镜7上的激光射束3的射束直径降低（D2＜D1）。第一透镜5的位移ΔZL1在此这样选择，使得射束直径在第二透镜7上的减小给出焦点直径的期望的减小（从d1到d2）。
如从图1b中还可以看出的那样，第一透镜5的位移导致激光射束3的射束传播方向上的焦点位置位移ΔZF。为了补偿所述焦点位置位移ΔZF并且又将激光焦点定位在工件上侧9上，使用第二焦点调节装置12，其使第二透镜7在射束传播方向上沿着激光射束3的光学轴11移动一个量值ΔZL2，所述量值这样选择，使得工件侧的焦点位置又与工件上侧9上的工作位置一致，正如图1c所示。在此利用的原理是，虽然第二透镜7的位置改变引起焦点位置的改变，但是焦点直径d2不受影响。如果第二透镜7是自适应透镜（具有可调节的曲率半径），则可以对于第二透镜7的移动替代或附加地，焦点位置位移ΔZF的补偿也可以通过以下方式进行，即，第二焦点调节装置12适当地调节第二透镜7的曲率。
在图2中以在壳体2中的安装状态示出射束成型单元1，具有约1μm的近红外范围内的激光基本波长的激光射束3通过传输纤维4耦合到所述壳体中。除了焦点调节装置10、12之外，还分别示出用于在沿着激光射束3的光学轴11移动时引导第一透镜5或第二透镜7的透镜保持装置13、14。所述透镜保持装置13、14即使在透镜5、7运动时也与所述壳体2密封，从而使得所述两个透镜5、7与所述透镜保持装置13、14一起限定三个腔17、18、19。用于引导第一或第二透镜5、7的透镜保持装置13、14在此具有溢流通道15、16，所述溢流通道负责在透镜5、7运动时在所述腔17、18、19之间进行压力补偿。
在沿射束传播方向在聚焦光学装置8的下游，射束成型单元1具有保护玻璃/压力窗20。未详细示出的防撞保护在此规定，在聚焦光学装置8与保护玻璃/压力窗20支架的区域中进行由于碰撞引起的分隔21a。在这种情况下，一个围绕该区域设置在射束成型单元1的壳体2上的波纹管21防止污物颗粒进入，所述污物颗粒在最不利的情况下会直接沉积在聚焦光学装置8上。
焦点位置和焦点直径的经由焦点调节装置10、12的调节通过由一控制装置22预给出的控制信号进行。所述控制信号根据具体应用的预给定值23也确定当前的校正值24。通过预给定值23求得的控制信号不仅被传送给第一焦点调节装置而且也传送给第二焦点调节装置10、12并且被转换为第一或第二透镜5、7的相应运动。图2中所示的情况在当前校正值方面由热致成像误差的补偿给出，所述成像误差基本上影响焦点位置，从而使得在此仅需将由于当前校正值的改变而用于补偿焦点位置位移的控制信号传送给第二焦点调节装置12。
可以的是，仅仅在超过确定的极限值时才进行焦点位置位移由于当前校正值的补偿，以便防止即使当仅仅出现焦点位置的小改变也使透镜5、7运动。需要附加地考虑的当前校正值可由过程监控的测量数据得出，其在图2所示的实例中由用于监控保护玻璃20的温度的温度传感器25形成。当前由温度传感器25求得的温度在所述控制单元22中与相应地热致成像误差相关联并且据此计算出用于矫正焦点位置的当前校正值24。
替代或附加地，为了确定当前的校正值24，控制单元22也可以调用与负载相关的特征曲线，在所述特征曲线中根据激光器效率和辐照时间存储射束成型单元1的或射束成型单元1的单个部件的热致成像误差。在此，通过与负载相关的特征曲线与温度测量的结合可以确定保护玻璃20的污染并且在确定当前校正值24时考虑其作用以调整焦点位置。
在一个未示出的变型方案中，当前的校正值24也可以用作用于计算应用特有的预给定值23的输入参量。

Claims (20)

1.一种射束成型单元(1)，用于将用于激光材料加工的激光射束(3)聚焦到工件(9)上，其包括：
第一光学元件(5)，所述激光射束(3)以发散的方式射到所述第一光学元件上；
第二光学元件(7)，所述第二光学元件在射束传播方向上设置在所述第一光学元件(5)下游；和
在射束传播方向上设置在所述第二光学元件(7)下游的聚焦光学装置(8)，其中，
给所述第一光学元件(5)配置用于通过影响该第一光学元件(5)而调节焦点直径(D)的第一焦点调节装置(10)，并且其中，
给所述第二光学元件(7)配置用于通过影响该第二光学元件(7)而在所述激光射束(3)的射束传播方向上调节焦点位置的第二焦点调节装置(12)，
其特征在于，
发散的所述激光射束(3)通过所述第一光学元件(5)经由一中间焦点(6)成像到所述第二光学元件(7)上。
2.根据权利要求1的射束成型单元，其特征在于，所述第一光学元件通过透射的光学元件构成。
3.根据权利要求2的射束成型单元，其特征在于，所述第一光学元件通过透镜构成。
4.根据权利要求3的射束成型单元，其特征在于，所述透镜具有小于50mm的焦距。
5.根据权利要求4的射束成型单元，其特征在于，所述透镜具有小于40mm的焦距。
6.根据权利要求1-5之一的射束成型单元，其特征在于，所述第一光学元件(5)能够通过用于调节焦点直径(D)的所述第一焦点调节装置(10)沿着所述激光射束(3)的光学轴(11)运动。
7.根据权利要求1-5之一的射束成型单元，其特征在于，所述第二光学元件能够通过用于调节焦点位置的所述第二焦点调节装置(12)沿着所述激光射束(3)的光学轴(11)运动和/或能够通过所述第二焦点调节装置(12)改变其成像特性。
8.根据权利要求7的射束成型单元，其特征在于，所述第二光学元件通过透射的光学元件构成。
9.根据权利要求8的射束成型单元，其特征在于，所述第二光学元件通过透镜(7)构成。
10.根据权利要求1-5之一的射束成型单元，其特征在于，其包括一控制单元(22)，该控制单元用于根据应用特有的预给定值(23)和当前的校正值来控制第一焦点调节装置(10)和/或第二焦点调节装置(12)。
11.根据权利要求10的射束成型单元，其特征在于，所述当前的校正值以过程监控装置(25)的测量数据为基础。
12.根据权利要求1-5之一射束成型单元，其还包括一壳体(2)，所述壳体通过所述第一光学元件(5)和所述第二光学元件(7)以及通过所述第一和第二光学元件的保持装置(13)分为一些腔(17，18，19)，其中，在所述腔(17，18，19)之间设置用于进行气体-和压力补偿的溢流通道(15，16)。
13.根据权利要求1-5之一的射束成型单元，其特征在于，其包括在射束传播方向上设置在所述聚焦光学装置(8)下游的、另外的光学装置(20)，用于相对于气体压力密封所述射束成型单元(1)。
14.根据权利要求13的射束成型单元，其特征在于，所述另外的光学装置(20)是平窗。
15.根据权利要求13的射束成型单元，其特征在于，在所述聚焦光学装置(8)与所述另外的光学装置(20)之间设置防碰撞的分隔部位(21a)，其中，所述分隔部位(21a)的区域被弹性的波纹管(21)遮盖。
16.用于控制根据以上权利要求之一的射束成型单元(1)的方法，在该方法中，根据应用特有的预给定值(23)来控制第一和第二焦点调节装置(10，12)，
其特征在于，
在控制所述第一和第二焦点调节装置(10，12)时考虑当前的校正值(24)。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，所述当前的校正值(24)被用来补偿所述射束成型单元(1)的热致成像误差。
18.根据权利要求16或17的方法，其特征在于，所述当前的校正值(24)基于辐照持续时间和供应给所述射束成型单元(1)的至少一个光学部件的激光器功率求得。
19.根据权利要求16或17的方法，其特征在于，所述当前的校正值(24)根据所述射束成型单元(1)的至少一个光学部件上的温度测量求得。
20.根据权利要求19的方法，其特征在于，所述当前的校正值(24)根据所述射束成型单元(1)的在射束传播方向上设置在最后的光学部件上的温度测量求得。
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