CN105277568A - 用于检测要通过激光加工设备加工的工件的表面数据和/或边界面的测量设备 - Google Patents

用于检测要通过激光加工设备加工的工件的表面数据和/或边界面的测量设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于检测要通过激光加工设备加工的工件(45)的表面数据和/或边界面的测量设备。激光加工设备包括激光源(10)和加工头(20)，该加工头构造用于提供至少一个高能加工射束，尤其是激光束。激光源(10)和加工头(20)通过光纤(30)彼此连接，并且测量设备包括构造为光学相干断层扫描器的用于工件(45)的表面扫描和/或边界面扫描的扫描装置(50)。将激光源(10)与加工头(20)彼此连接的光纤(30)构成扫描装置(50)的组成部分。

Description

用于检测要通过激光加工设备加工的工件的表面数据和/或边界面的测量设备
技术领域
本发明涉及一种用于检测要通过激光加工设备加工的工件的表面数据和/或边界面的测量设备。激光加工设备包括激光源和加工头，该加工头构造用于提供至少一个高能加工射束，尤其是激光射束。激光源和加工头通过光纤彼此连接。测量设备包括构造为光学相干断层扫描器(英语：OpticalCoherenceTomography,OCT)的用于工件的表面扫描和/或边界面扫描的扫描装置。
背景技术
用于利用至少一个加工头来加工具有至少部分吸收光的表面的工件的激光加工设备由DE10155203A1以及EP1977850B1所公知，该加工头构造用于提供高能加工射束，并且构造为光学相干断层扫描器的扫描装置配属于该加工头。这种激光加工设备能够实现一个或多个要加工的工件与加工头之间的相对运动，以便能够实现磨蚀和/或连接的材料加工。加工头装备有用于高能加工射束，例如激光射束的整合的或者单独实施的电源。用于这种加工装置的典型的应用领域是对工件材料的磨蚀或借助激光射束焊接塑料部件或金属部件。根据应用领域，对这种加工过程提出此外是相对工件精确引导高能加工射束以及控制工件上的加工结果所需的质量要求。出于该目的，这种加工设备配设有一个或多个传感器装置，它们在应用光学和/或电和/或声音的测量方法的情况下能够实现对加工结果进行对于质量控制所需的检查。
用于应用上面提到的测量方法的传感器可能受到高能加工射束的影响，和/或需要与要加工的表面进行机械接触。往往也要保持加工射束的加工位置与测量部位之间的侧向最小间距，在该测量部位上应用相应的测量方法。对于加工射束来说，过程调节可能延迟地发生。延迟由加工速度以及加工位置与测量位置之间的侧向间距得出。
由上面提到的DE10155203A1公知的激光加工设备包含用于检测3D表面数据的测量系统，其可以构造为白光干涉仪、短波相干光学雷达或共焦测量设备。测量系统的光学结构件直接装配到激光加工设备的加工光学件上，并且借助分束镜与加工射束同轴地耦入(einkoppeln)。激光加工设备能够实现的是，测定加工激光侵入到工件中的深度，并且必要时主动对其调节。
此外，上面提到的EP1977850B1公开了如下的加工装置，在该加工装置中，构造为光学相干断层扫描器的扫描装置配属于加工头，该扫描装置设置用于表面扫描。在此，扫描装置以如下方式整合到加工头中，即，加工射束和测量射束能一起使用至少一个光学部件。被共同使用的光学部件是透镜或保护玻璃。透镜设置用于将加工射束和测量光射束聚焦到工件表面上。此外，公知的激光加工设备具有以可运动的方式悬挂的可由控制装置驱控的镜子，其设置用于偏转测量射束和反射射束，并且可以沿一个或多个空间方向枢转，以便引起测量射束相对工件的表面的一维或二维的相对运动，由此能够实现对工件的表面的线形或面式的扫描。
通过将扫描装置装配在激光加工头上(像在两个公知的文献中所描述的那样)得到不同的缺点。一方面会增大加工头的外干扰轮廓。当加工头例如布置在引导机器，例如弯曲臂机器人、吊臂设施或类似装置上时，这可以导致与激光加工设备的夹紧工具或其他部件的碰撞。由此，特别是在现有的激光加工设备中加装上述类型的测量设备变得困难。
此外，通过引导机器，例如弯曲臂机器人或吊臂设施使加工头快速且频繁地运动。因此，将测量系统直接装配在加工头上是以具有高机械强度和稳定性的光学部件为前提。用于测量系统的数据线路或光纤同样必须持续承受这些运动。
另一缺点在于：在焊接过程期间，必须以进行保护以防环境影响(例如赃物)的方式建立测量系统，这是因为测量系统的部件靠近工件的加工部位地布置。
发明内容
本发明的任务是，提供一种用于检测要通过激光加工设备加工的工件的表面数据和/或边界面数据的测量设备，其可以简单地、必要时补充地整合到激光加工设备中。
该任务通过根据权利要求1的特征的测量设备以及根据权利要求12的特征的激光加工设备来解决。有利的设计方案由从属权利要求得到。
根据本发明，建议了用于检测要通过激光加工设备加工的工件的表面数据和/或边界面数据的测量设备，其中，激光加工设备包括激光源和加工头，该加工头构造用于提供至少一个高能加工射束，尤其是激光束，并且其中，激光源和加工头通过光纤彼此连接。测量设备包括构造为光学相干断层扫描器的用于工件的表面扫描和/或边界面扫描的扫描装置。
根据本发明，将激光源与加工头彼此连接的光纤构造为扫描装置的组成部分。光纤是激光加工设备的所谓的加工纤维。
光学相干断层扫描器是测量装置，其在借助干涉仪的情况下利用相干性，即，光的干涉能力。处于该目的设置的是，由宽频带的光源发送出的光束借助分束器装置，尤其利用半透明的镜子拆分成两个射线束。
第一射线束在所谓的参考臂中引导，该参考臂具有公知的可调节的长度。射线束在端部侧在参考臂中反射，再次在参考臂中引导，并且随后成像到探测器上。
第二射线束导引至工件的要测定的表面上，并且在那里至少部分又沿相干断层扫描设备的方向反射。反射的光同样成像到相干断层扫描设备中的探测器上，并且在那里导致与第一射线束的干涉。从由探测器产生的测量信号可以获得关于测量臂与参考臂之间的长度差异的信息。由此，可以获知关于工件的表面和/或边界面的信息，并且由此还获知关于表面、棱边、锁孔深度、加工缺陷等的信息。
通过光学相干断层扫描器，可以检测到沿测量射束轴线在微米的范围内的高度差异。通过扫描运动，即，测量射束和反射射束沿一个或多个空间方向的偏转可以建立表面的三维型廓。在此确保的是，测量射束与加工射束同轴地延伸，这使测定变得简单。
例如，要加工的工件可以在加工之前进行测定。必要时，可以进行激光加工设备或加工头的加工位置与构件公差的匹配。此外可能的是，在加工期间测定加工射束侵入到构件中的深度。特别是在所谓的重叠焊接的情况下，该大小是有意义的，以便可以识别出两个重叠的工件之间的缺陷部位。在执行加工之后，通过测量射束经由冷却的焊缝的扫描运动可以检测且检查焊缝的三维几何结构。必要时，这甚至在加工过程之前，期间和之后是可能的。
检测表面和/或边界面可以用于过程监控、质量保证和/或调节激光加工设备。
因此根据本发明，构造为光学相干断层扫描器(OCT)的扫描装置的测量臂可以至少分区段地与加工射束一起在光纤(所谓的加工纤维)中延伸。这意味着：在测量设备运行时，扫描装置的测量臂能使用至少一部分光纤。
在一种设计方案中，扫描装置以如下方式整合到激光加工设备中，即，为了扫描装置而设置的光学测量臂至少分区段地在光纤中引导，该光纤将激光源与加工头彼此连接。
由此得到如下优点，即，测量设备没有像在现有技术中那样可以布置在加工头上，而是可以至少部分地布置在激光源上或在其中。由此，测量设备的一部分不需要随同运动，并且此外，加工头的外干扰轮廓没有改变，尤其是没有增大。因此，通过设置测量设备排除了与夹紧工具或设施的其他部件的碰撞。
另一优点在于，测量设备可以以简单方式通过加装而引入到存在的激光加工设备中。为此，仅需要将扫描装置的测量臂的射线束耦入至光学加工纤维中。
扫描装置可以包括光源，其中，光源可以布置在激光源的壳体内，或者光纤(即，加工纤维)的纤维耦合器中，纤维耦合器将用于传递加工射束的光纤的两个子部件彼此连接，并且其中，由光源输出的光可以经由激光源的壳体中的或者纤维耦合器中的第一耦入装置耦入至光纤中。第一耦入装置例如可以通过分束器，例如二向色性的镜子来形成。可以有选择地以反射或透射的方式进行耦入。替选地，测量射束也可以耦入至所谓的“组合器”中。这尤其是在如下的激光源中是可能且有利的，在该激光源中，在具有相应的纤维输出端的多个模块中产生加工射束。各个纤维或纤维输出端在基于纤维的组合器(“Combiner”)中共同地与加工纤维或光纤联接。可以使用这种基于纤维的组合器，以便将由扫描装置提供的测量射束以简单的方式，尤其是补充地耦入至相对应的纤维中，以便与光纤联接。
测量射束的耦合可以在激光源中进行。同样可行的是，测量射束在激光源之外耦入至纤维耦合器(其也可以构造为射束预选器)、光纤中。纤维耦合器用于将单独由激光源和/或加工头提供的光纤与激光源和/或加工头连接。在此，纤维耦合器确保的是，由激光源产生的加工射束无损耗或不改变地耦入至光纤中。如果测量射束不可以或不应该在激光源中(即，激光壳体之内)耦入至加工激光的射束路径中，那么根据本设计变型方案存在如下可能性，即，测量射束在激光源之外也经由纤维耦合器耦入至光纤中。为此，像上面描述的那样的第一耦合设备(例如半透明的镜子)设置在纤维耦合器中。
扫描装置具有第二耦入装置，其包括分束器，尤其是二向色性的镜子或基于纤维的组合器，其将导入到其中的光导引至测量臂和参考臂中。第二耦入装置是所谓的OCT分束器。第二耦入装置可以配属于激光源或纤维耦合器。这意味着，分束器以特殊的部件或作为特殊的部件布置在激光源或纤维耦合器上。在该设计方案中，光首先穿过OCT分束器，并且紧接着穿过激光源的或纤维耦合器的分束器。替选地，第二耦入装置可以配属于加工头。这意味着，分束器以特殊的部件或作为特殊的部件布置在加工头上。在该设计方案中，光首先穿过激光源的分束器，并且紧接着穿过加工头中或其上的OCT分束器。
也可以设置的是，具有所有部件的扫描装置布置在激光源中或在其上。在该设计方案中，光首先穿过OCT分束器，并且紧接着穿过激光源的或纤维耦合器的分束器。替选地可以设置的是，扫描装置除了光源以外布置在加工头中或在其上。在该设计方案中，光首先穿过激光源的分束器，并且紧接着穿过加工头中或其上的OCT分束器。
像开头描述的那样，构造为光学相干断层扫描器的扫描装置具有被称为参考臂的光学参考路径。根据另一设计方案，为了扫描装置而设置的参考臂在另一光纤中引导。其他光学光纤是不依赖于将激光源与加工头彼此连接的光纤(即，加工纤维)的纤维。
根据另一适宜的设计方案，尤其完全具有其所有部件的扫描装置布置在激光源中。为此，扫描装置可以固定、布置在激光源自身的壳体中，或者在单独的壳体中以及激光源的壳体上。
此外适宜的是，参考臂的长度例如通过参考臂的能沿射束方向移动的反射面能自动匹配于测量臂的长度。由此，不仅可以考虑到扫描装置联接到激光加工设备中的不同的可能性，而且也开辟了如下可能性，即，测量射束可以在扫描运动中通过加工头沿一个或多个空间方向枢转。通过枢转得到测量射束离开与撞击到要加工的工件上之间的不同的间距。通过参考臂的长度改变来考虑该长度改变，由此能够实现可靠的测量。
具有600nm与900nm之间的波长的超发光二极管例如可以设置为光源。尤其设置具有600nm与700nm之间的波长的光源。由此，所谓的领示激光(Pilotlaser)可以通过扫描装置的光源代替，该领示激光在激光源中出于激光加工设备的校准目的而耦入至加工纤维(光纤)中。典型的领示激光的波长在600nm与700nm之间的范围内。像建议的那样，当扫描装置的波长类似于领示激光的波长选定时，定位激光功能此外可以保持不变。替选地，光源可以设置具有800nm与900nm之间的波长。由此，测量可以不依赖于定位激光的波长范围来执行。
在另一设计方案中可以设置的是，光纤是单模纤维。
根据本发明的另一方面建议了如下的激光加工设备，其包括激光源和加工头，该加工头构造用于提供至少一个高能加工射束，尤其是激光束，其中，激光源和加工头通过光纤彼此连接。此外，设置有测量设备，其包括构造为光学相干断层扫描器的用于工件的表面扫描和/或边界面扫描的扫描装置。激光加工设备包括上面描述的类型的测量设备。
附图说明
下面结合附图中的实施例详细阐述了本发明。其中：
图1示出具有根据本发明的测量设备的激光加工设备的第一实施例；
图2示出具有根据本发明的测量设备的激光加工设备的第二实施例。
具体实施方式
图1示出激光加工设备1，其基本上由激光源10和由引导机器40承载的加工头20组装成。引导机器40例如是弯曲臂机器人或吊臂设施，其可以在相对于例如布置在加工头20下方的工件45的不同的空间位置中运送加工头20，以便确保工件45在预定的加工部位46上的加工。针对工件45的设置的加工过程，工件45例如可以移动，而加工头20借助引导机器40保持在相对于工件的基本上恒定且基本上垂直的位置中。替选地，加工头20的运动也可以在工件45同时静止时借助引导机器40来执行。
也被称为加工激光的激光源10借助柔软的光纤30，例如玻璃纤维线路与加工头20连接。在此，由激光源10的空腔11产生的激光经由设置在激光源10中的光学系统耦入至光纤30中。光纤30在本说明书中也被称为加工纤维。从激光源出发，激光作为高能加工射束31通过加工纤维30以及加工头20的光学系统指向工件45。
测量设备配属于激光源，该测量设备包括构造为光学相干断层扫描器的用于工件的表面扫描的扫描装置50。扫描装置50可以部分或完全整合到激光源10的壳体15中。当该扫描装置没有完全整合到壳体中时，扫描装置50可以在激光源10上设置在其壳体15之外。扫描装置50设置用于获知加工部位46(例如拼接间隙和/或焊缝)的区域中的通过加工过程，例如焊接过程产生的表面结构。
扫描装置50基本上包括光源52、OCT分束器51、反射器53和探测器54，该探测器有利地构造为光谱仪。光源52是超发光二极管，其与未详细示出的控制电路电连接，并且沿分束器51的方向射出具有波长为600nm与900nm之间，尤其是在600nm与700nm之间或800nm与900nm之间的范围内的光。例如构造为半透明(二向色性)的镜子的OCT分束器51将由超发光二极管52发出的光以部分作为透射射束的方式透射至参考臂59中。由超发光二极管52输出的光的另一部分在分束器51上沿光源10的分束器12的方向照射，并且由该分束器通过激光源10的光学系统耦入至加工纤维30中。由超发光二极管52输出的光的这部分形成所谓的测量臂58中的测量射束，并且沿工件45的方向导引。
参考臂59通过设置在扫描装置50中的光纤形成，该光纤至少分区段地构造为绕组。例如，光纤的缠绕部分可以施装到未详细示出的缠绕芯上，该缠绕芯例如可以通过施加电压在其直径上增大，以便因此导致参考臂59的光纤的绕组的膨胀。由此，可以导致参考臂的长度改变，该长度改变通过图1中的用55标记的箭头示意出。长度改变改变了超发光二极管52的耦入至参考臂59中的光的运行时间。
由超发光二极管52输出的光的导入到测量臂58中的部分通过仅示例性地布置在激光源10的壳体15之中的准直透镜57对准半透明的镜子12。半透明的镜子12对于加工射束31的由激光源11输出的光来说是透明的。由超发光二极管52输出的光的经由准直透镜57导引至半透明的镜子12上的部分完全偏转，并且经由激光源的构造为耦合透镜13的光学系统与加工射束31一起耦入至加工纤维30中。
在穿过光纤后，加工射束31和测量射束共同进入到加工头20的可沿着以25标记的运动方向移动的准直透镜21中，并且通过偏转镜23、聚焦透镜22导引至能沿空间方向枢转的扫描镜24上，从而加工射束31与测量臂58中的测量射束共同地撞击到工件45的加工部位46上。扫描镜24可以沿箭头方向26以一个或两个轴线枢转。
在工件45的加工部位46上，测量射束被反射，并且经由光学系统20的光学系统(包括准直透镜21、聚焦透镜22、偏转镜23和扫描镜24)，通过光纤30沿激光源10的方向回转。在此，测量射束通过激光源10的光学系统(包括镜子12、耦入透镜13和聚焦透镜57)沿扫描装置15的方向转向，以便由分束器51沿探测器54的方向转向。以相对应的方式，由反射镜53在参考臂59中反射的光由分束器51转向至探测器54中。
通过耦入至参考臂59中的光与由工件45反射回的反射射束的相互作用，在分束器后，两个光射束发生干涉，即，光波重叠。出现的光强可以通过探测器54根据波长获知，该探测器与未详细示出的评估电路联接。在对参考臂59的各当前存在的长度和在探测器上存在的取决于波长的光强的认识中，可以推断出光学相干断层扫描器(即，扫描装置50)与工件45的表面之间的间距，从而在适当引导测量射束58的情况下，可以获知工件45的表面型廓或加工激光侵入到工件中的深度。
在光源10之中的测量射束的图1中所示的耦入使用在许多激光加工设备中，以便出于校准目的而耦入所谓的红的领示激光。在公知的存在的激光加工设备1中代替使用领示激光地，测量设备的测量射束可以耦入至加工纤维(光纤)中。因此，测量设备的加装可以特别简单地实现。如果在设计方案中，由超发光二极管52输出的光的照明波长类似于红的领示激光的波长(该领示激光的波长通常是在600nm与700nm之间的范围内)地选定，那么领示激光的出于校准目的的功能可以保持不变。替选地可以实现是，领示激光经由半透明的镜子耦合至光纤30中，并且测量射束经由在激光源的射束路径中附加地布置的半透明的镜子耦合至光纤30中。在该情况下，所建议的测量设备优选使用800nm与900nm之间的波长范围。
像从之前的描述中看到的那样，在图1的本实施例中，测量射束完全穿过光纤30，其使激光源10与加工头20彼此连接。该方式的优点是：测量设备可以以简单方式整合到存在的激光加工设备1中。为了将测量设备50整合到存在的激光加工设备1中，仅需将测量臂在激光源的区域中耦入至加工射束31中，这在该情况下借助准直透镜57和半透明的镜子12来实现。
在替选的未示出的设计变型方案中，测量臂的耦入也可以在所谓的纤维耦合器的区域中进行。纤维耦合器将光纤30的两个子部件彼此连接。纤维耦合器例如用于将光纤30在特定的部位上与激光源10的光纤区段耦联。因此，测量臂仅穿过光纤30的一个子区段。
因此，本发明的特征是：高能加工射束31和测量臂58的测量射束彼此同轴地布置，并且至少部分一起在光纤30中延伸，该光纤将激光源10与加工头20彼此连接。
测量臂58中的测量射束和高能加工射束31可以借助能枢转的扫描镜子24沿一个或多个方向偏转，以便能够实现对工件45的表面的面式的扫描或加工。为了由此考虑到在测量臂58中形成的长度改变，以上面描述的方式进行参考臂59中的长度的自动调整。可以使用该结构，以便在执行焊接连接之前确定工件45的加工部位46上的加工位置。在加工期间可以测定、监控和调节加工激光的侵入深度。在进行焊接之后，所产生的焊缝可以通过扫描镜子24的枢转来扫描，并且因此检查表面缺陷。
图2示出激光加工设备1的第二实施例。在图2所示的实施例中，扫描装置50使用现有的激光加工设备的部件。在该实施例中设置的是，仅超发光二极管52设置在激光源10中。由超发光二极管52输出的光经由已描述的半透明的镜子12和耦入透镜13耦入至光纤30中。加工头20具有整合的二向色性的分束器镜子，用以分开测量射束和照相机射束。已有的分束器镜子51(其现在可以被视为扫描装置50的组成部分)用于扫描设备和测量方法。在此，相应于图2，在分束器51的背对加工射束31的面上布置有探测器54和参考臂59。参考臂的设计方案可以以上面描述的方式来进行。相对于扫描装置完全整合到激光源10中的优点是更短的参考臂59。此外，通过加工纤维30的运动不会形成扫描装置50的测量臂58中的长度改变。
附图标记列表
1激光加工设备
10激光源
11空腔
12分束器
13耦入透镜
15激光源的壳体
20加工头
21准直透镜
22聚焦透镜
23偏转镜子
24扫描镜子
25准直透镜21的运动方向
26扫描镜子的枢转方向
30光纤(加工纤维)
31加工射束/加工路径
40引导机器
45工件
46加工部位
50扫描装置
51OCT分束器(例如二向色性的镜子)
52光源
53反射器
54传感器(光谱仪)
55参考臂中的长度改变
56聚焦透镜
57准直透镜
58测量臂
59参考臂

Claims (12)

1.一种用于检测要通过激光加工设备进行加工的工件(45)的表面数据和/或边界面的测量设备，其中，所述激光加工设备包括激光源(10)和加工头(20)，所述加工头构造用于提供至少一个高能加工射束，尤其是激光束，并且其中，所述激光源(10)和所述加工头(20)通过光纤(30)彼此连接，并且其中，所述测量设备包括构造为光学相干断层扫描器的用于所述工件(45)的表面扫描和/或边界面扫描的扫描装置(50)，其特征在于，将所述激光源(10)与所述加工头(20)彼此连接的所述光纤(30)构造为所述扫描装置(50)的组成部分。
2.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述扫描装置(50)以如下方式整合到所述激光加工设备中，即，为了所述扫描装置(50)而设置的光学测量臂(58)至少分区段地在将所述激光源(10)与所述加工头(20)彼此连接的光纤(30)中引导。
3.根据权利要求1或2所述的测量设备，其特征在于，所述扫描装置(50)包括光源(52)，其中，所述光源(52)布置在所述激光源(10)的壳体内，或者所述光纤(30)的纤维耦合器中，所述纤维耦合器将用于传递加工射束的所述光纤(30)的两个子部件彼此连接，并且其中，由所述光源输出的光能经由所述激光源(10)的壳体中的或者所述纤维耦合器中的第一耦入装置，尤其是分束器(12)耦入至所述光纤(30)中。
4.根据上述权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述扫描装置的第二耦入装置包括分束器(51)，尤其是二向色性的镜子或基于纤维的组合器，其将导入到其中的光导引至所述测量臂(58)和参考臂(59)中。
5.根据权利要求4所述的测量设备，其特征在于，所述第二耦入装置配属于所述激光源(10)或者所述纤维耦合器或所述加工头(20)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述扫描装置(50)布置在所述激光源(10)或所述纤维耦合器中。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述扫描装置(50)除了所述光源(52)以外布置在所述加工头(20)中。
8.根据上述权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于，为了所述扫描装置(50)而设置的光学参考臂(59)在另一光纤(30)中引导。
9.根据上述权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述参考臂(59)的长度通过所述参考臂(59)的能沿射束方向移动的反射面能自动匹配于所述测量臂(58)的长度。
10.根据上述权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于，具有600nm与900nm之间，尤其是600nm与700nm之间或800nm与900nm之间波长的光源，尤其是超辐射发光二极管设置为所述光源(52)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述光纤(30)是单模纤维。
12.一种激光加工设备，所述激光加工设备包括激光源(10)和加工头(20)，所述加工头构造用于提供至少一个高能加工射束，尤其是激光束，其中，所述激光源(10)和所述加工头(20)通过光纤(30)彼此连接，并且其中，设置有测量设备，所述测量设备包括构造为光学相干断层扫描器的用于工件(45)的表面扫描和/或边界面扫描的扫描装置(50)，其特征在于，所述测量设备根据权利要求1至11中的任一项来构造。
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