DE10020604C1

DE10020604C1 - Verfahren zum Kalibrieren von Galvanometersteuerungen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10020604C1
Application number: DE10020604A
Authority: DE
Inventors: Gert Teschauer; Tino Petsch
Original assignee: Teschauer & Petsch AG Dr
Current assignee: 3D Micromac AG
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2001-07-26
Anticipated expiration: 2020-04-28

Abstract

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Laseranwendung zur Bearbeitung von Werkstücken. Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Kalibrierung von Galvanometerscannersteuerungen in Laserbearbeitungseinrichtungen unter Berücksichtigung der optischen Bedingungen der Laserbearbeitungseinrichtung und ohne den Einsatz von Einmalmaterial vorzunehmen. Die Aufgabe wird gelöst durch Korrektur der Scannerdrift mittels Bildverarbeitung, indem der Laserstrahl nach dem Austritt aus dem Resonator in einen Kalibrierstrahlengang umgelenkt wird, am Ende des Kalibrierstrahlengangs der Strahl defokussiert und derart auf den Arbeitsbereich des Bearbeitungslaserstrahls gerichtet wird, daß der Arbeitsbereich mit homogen gestreutem Laserlicht ausgeleuchtet wird, das Bild des homogen beleuchteten Arbeitsbereiches über die positionierten Galvanometerscanner von einer Bildverarbeitungseinrichtung aufgenommen wird, im Arbeitsbereich die Sollposition des Bearbeitungsstrahles markiert ist, die von der Bildverarbeitungseinrichtung erfaßte Abweichung zwischen der Sollposition und dem Bild der Markierung in einer Korrekturtabelle gespeichert wird und mittels der Datensätze der Korrekturtabelle die Korrekturvektoren der Sollpositionen der Scanner während der Bearbeitungsphase errechnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Laseranwendung zur Bearbeitung von Werkstüc ken.

Die Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen erfolgt vorzugsweise, wenn hochfeine Strukturen erzielt werden sollen. Dazu wird der in einem Resonator erzeugte Laserstrahl mittels Ablenkeinrichtungen auf die Werkstückoberfläche gerichtet. Als Ablenkeinrichtungen finden Galvanometerscanner Verwendung. Mittels Steuersignalen wird je Koordinatenachse ein Spiegel um vorbestimmte Winkel geschwenkt, wodurch die Richtung des reflektierten Laserstrahls und damit der Auftreffpunkt des Strahls auf dem Werkstück entsprechend verändert wird. Erfolgt der Bearbeitungsprozeß in einer Ebene, ist ein Zwei-Spiegel-System erforderlich, d. h. je ein Spiegel für die Ablenkung des Laserstrahls in X- und Y-Richtung. Dabei wird das Bildfeld bedingt durch die Spie gelanordnung kissenförmig verzerrt, weil sich die Strecke, die der Strahl zwischen dem ersten Spiegel und der Arbeitsebene zurückzulegen hat, mit zunehmendem Scanwinkel vergrößert. Die abgescannte Strecke ist proportional zum Tangens des Scanwinkels. Der hierdurch entstehende Fehler wird durch Verwendung eines F-Theta-Objektives ver mieden, wodurch jedoch eine tonnenförmige Verzerrung des Bildfeldes entsteht, die mit der kissenförmigen Verzerrung aufgrund der Spiegelanordnung überlagert ist. Eine Be hebung dieses Bildfehlers kann nach analytischer Erstellung von Korrekturvektoren durch das Steuerprogramm vorgenommen werden. Eine Korrektur des aufgrund der Trägheit der Ablenkspiegel dynamisch entstehenden Fehlers ist jedoch nur auf empiri sche Weise möglich.

Eine bekannte Lösung einer Positioniereinrichtung wird in dem deutschen Gebrauchs muster DE 298 08 112 U1 beschrieben. Hierbei handelt es sich um eine Positionierein richtung für die Bearbeitungsstelle von CO₂-Lasern mit einer optisch direkten Bestim mung der Position der Bearbeitungsstelle mittels direkter Beobachtung der Bearbei tungsstelle auf dem Werkstück. Die Positionierung der Fokussieroptik erfolgt durch den Beobachtungsstrahlengang, der mit dem Bearbeitungsstrahlengang zusammenfällt. Da zu befindet sich unmittelbar an der Fokussieroptik eine optische Vorrichtung mit einem Okular oder einer Kamera zur visuellen Bestimmung und Feststellung der Bearbei tungsstelle und eine Lichtquelle, die der Ausleuchtung der Bearbeitungsstelle auf dem Werkstück dient. Der Beobachtungsstrahl benutzt den Bearbeitungsstrahlengang, so daß die Position des Bearbeitungsstrahles auf der Werkstückoberfläche direkt visuell erfaßt wird. Dazu wird eine Optik in den Strahlengang des Bearbeitungsstrahles so positio niert, daß sich der Beobachtungsstrahl in der Position des dabei abgeschalteten Bear beitungsstrahls befindet. Während der Bearbeitung befindet sich die positionierbare Optik außerhalb des Bearbeitungsstrahls.

Nachteilig an dieser bekannten Lösung ist, daß die Positionierung des Bearbeitungs strahles ohne Berücksichtigung der Dynamik der den Bearbeitungsstrahl auf den jewei ligen Zielpunkt ablenkenden Mittel erfolgt. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Po sitioniereinrichtung besteht darin, daß die Ausleuchtung des Arbeitsbereiches während der Beobachtung und damit der Positionierung mittels einer Fremdlichtquelle erfolgt, wodurch von den unterschiedlichen Lichtwellenlängen abhängige Strahlengangverfäl schungen, insbesondere ungleiches Brechungs- und Reflexionsverhalten unberücksich tigt bleiben.

Nach der DE 44 37 284 A1 ist bekannt, die Steue rung von Galvanometerscannern zu kalibrieren, indem der Laserstrahl über einen. Spie gel direkt in eine Videokamera abgelenkt wird. Die Auftreffpunkte des Laserstrahls werden in der Kamera digitalisiert. Durch Interpolation verschiedener Istpositionen des Laserstrahls wird eine Korrekturtabelle erstellt. Hierbei stellt jedoch das Auflösungs vermögen der Kamera entweder eine Grenze der Genauigkeit der Kalibrierung oder eine Grenze für das Einsatzgebiet der Laserbearbeitungseinrichtung dar, da mit zunehmender Größe des Arbeitsfeldes die Auflösung abnimmt. Aus diesem Grunde schlägt die be kannte Erfindungsbeschreibung ein Kalibrierungsverfahren vor, wonach der Bearbei tungslaserstrahl mittels der Galvanometerscanner im Arbeitsfeld positioniert wird, an stelle des zu bearbeitenden Werkstücks während der Kalibrierung aber ein lichtempfindliches Medium im Arbeitsfeld angeordnet ist und somit vom Bearbeitungslaserstrahl belichtet und derart auf dem lichtempfindlichen Medium ein Testbild der Auftreff punkte des Laserstrahls erzeugt wird. Mittels einer Bildverarbeitungseinrichtung in Form einer Videokamera oder eines Pixelscanners wird das Testbild digitalisiert, wobei die Bildverarbeitungseinrichtung außerhalb der Laserbearbeitungseinrichtung angeord net sein kann. Das Testbild widerspiegelt die auch durch die Drift der Galvanometer scanner beeinflußten Istpositionen, die mit den für die Steuerung verwendeten Sollposi tionen verglichen werden. Anhand des Vergleichs von Ist- und Sollpositionen werden Korrekturdaten errechnet, in einer Korrekturdatentabelle abgespeichert und für den Be arbeitungsprozeß den ursprünglichen Sollpositionsdaten überlagert.

Nachteilig an diesem bekannten Verfahren zeigt sich, daß das lichtempfindliche Medi um für jeden Kalibriervorgang zu erneuern ist. Dies ist zum einen unwirtschaftlich und stellt zum anderen eine unnötige Umweltbelastung in Form des entstehenden Abfalls dar.

Daraus ergibt sich die Aufgabe der Erfindung, die Kalibrierung von Galvanometerscan nersteuerungen in Laserbearbeitungseinrichtungen unter Berücksichtigung der optischen Bedingungen der Laserbearbeitungseinrichtung und ohne den Einsatz von Einmalmate rial vorzunehmen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte Aus gestaltungen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens und deren vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Ausgestaltungen sind in den Unteran sprüchen wiedergegeben.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfol gend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung nach der Erfindung.

Von einem Laserresonator I, vorzugsweise einem Nd:YAG-Laser, geht ein Bearbei tungsstrahlengang A aus, der über einen gesteuerten Galvanometerscanner 2 durch ein F-Theta-Objektiv 3 auf ein Arbeitsfeld 4 positioniert wird. Der Bearbeitungsstrahlen gang A wird zwischen dem Resonatorausgang und dem Scannereingang über einen er sten und einen zweiten Klappspiegel 5 umgelenkt. Während der Kalibrierphase sind die Klappspiegel S jedoch wie dargestellt in einer Stellung, die den Bearbeitungsstrahlen gang A unterbricht und statt dessen einen Meßstrahlengang C frei gibt. Zur Kalibrierung wird der Resonatorausgangsstrahl, der den ersten Klappspiegel 5 passiert, mittels einer ersten Fokussieroptik 6 in eine Glasfaser 7 eingekoppelt. Am freien Ende ist die Glasfa ser 7 an eine Beleuchtungseinheit 9 angeschlossen, aus der homogenes Licht B austritt und die derart angeordnet ist, daß der homogene Lichtschein B das Arbeitsfeld 4 aus leuchtet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das homogene Licht B vom Ar beitsfeld reflektiert. Es ist jedoch gleichermaßen möglich, daß das homogene Licht B das Arbeitsfeld 4 durchleuchtet. Im Arbeitsfeld 4 ist ein mit Markierungen versehener Prüfkörper angeordnet, wobei die Markierungen Sollpositionen von Auftreffpunkten des Bearbeitungsstrahles einnehmen. Der vom Arbeitsfeld 4 reflektierte Meßstrahlen gang C verläuft durch das F-Theta-Objektiv 3 über den Galvanometerscanner 2, passiert den zweiten Klappspiegel 5 und wird über eine zweite Fokussieroptik 6 von einer CCD- Kamera 8 erfaßt. Der Meßstrahlengang C ist in seinem Verlauf zwischen dem Arbeits feld 4 und dem zweiten Klappspiegel 5 deckungsgleich mit dem Verlauf des Bearbei tungsstrahlengangs A.

Die Kalibrierung der Steuerung des Galvanometerscanners 2 erfolgt, indem der Galva nometerscanner 2 in seine die Sollposition des Auftreffpunktes des Bearbeitungsstrahles bewirkende Position gebracht wird und die CCD-Kamera 8 das vom Arbeitsfeld mit dem Prüfkörper reflektierte Bild erfaßt und digitalisiert. Dabei wird der Abweichungs vektor der Istkoordinaten der aufgenommenen Markierung vom Sollwert des Auftreff punktes des Bearbeitungsstrahles, der den aus der Drift des Galvanometerscanners 2 resultierenden Systemfehler darstellt, in eine Korrekturtabelle geschrieben. Die Kor rekturtabelle dient in der Bearbeitungsphase der Galvanometerscannersteuerung zum Ausgleich der Galvanometerscannerdrift.

Die Einfachheit und Schnelligkeit des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens ermög licht es, eine Korrekturtabelle für eine Vielzahl von Sollpositionen des Bearbeitungs strahles zu erstellen, so daß Interpolationen für zwischen den erfaßten Sollpositionen liegende weitere Auftreffpunkte des Bearbeitungsstrahles prinzipiell vollständig entfal len können. Die Anzahl der erfaßbaren Sollpositionen und damit die Anzahl der in der Korrekturtabelle speicherbaren Abweichungsvektoren wäre lediglich durch den verfüg baren Speicherplatz beschränkt. Die Kalibrierung erfordert maximal die gleiche Zeit wie ein vollständiger Bearbeitungsprozeß.

Claims

1. Verfahren zum Kalibrieren von Galvanometerscannersteuerungen in Laserbearbei tungseinrichtungen durch Korrektur der Scannerdrift mittels Bildverarbeitung, da durch gekennzeichnet, daß

- der Laserstrahl nach dem Austritt aus dem Resonator (1) in einen Kalibrier strahlengang (C) umgelenkt wird,
- am Ende des Kalibrierstrahlengangs (C) der Strahl defokussiert und derart auf den Arbeitsbereich (4) des Bearbeitungslaserstrahls gerichtet wird, daß der Ar beitsbereich (4) mit Laserlicht (B) homogen ausgeleuchtet wird,
- das Bild des homogen beleuchteten Arbeitsbereiches (4) über die positionierten Galvanometerscanner (2) von einer Bildverarbeitungseinrichtung (8) aufge nommen wird,
- im Arbeitsbereich (4) die Sollposition des Bearbeitungsstrahles markiert ist,
- die von der Bildverarbeitungseinrichtung (8) erfaßte Abweichung zwischen der Sollposition und dem Bild der Markierung in einer Korrekturtabelle gespeichert wird und
- mittels der Datensätze der Korrekturtabelle die Korrekturvektoren der Sollposi tionen der Scanner (2) während der Bearbeitungsphase errechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleuchtung des Arbeitsbereiches (4) durch Auflicht erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleuchtung des Arbeitsbereiches (4) mittels Durchleuchtung erfolgt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einem Resonator (1) austretender Laserstrahl mittels ei ner ersten Fokussieroptik (6) in eine Glasfaser (7) eingekoppelt wird, die in eine zur Ausleuchtung des Arbeitsbereiches (4) des Laserstrahles geeignet angeordnete Be leuchtungseinheit (9) mit Aufweitungsoptik mündet, im Arbeitsbereich (4) des Laserstrahls ein mit Markierungen versehener Prüfkörper angeordnet ist und in der op tischen Achse zwischen dem Eingang des Scanners (2) und dem Ausgang des Reso nators (1) eine Bildaufnahmeeinrichtung (8) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen an Sollpositionen des Laserstrahles während des Bearbeitungsprozesses angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildaufnah meeinrichtung (8) mit einem Steuerrechner verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Resonators (1) ein erster Klappspiegel (5) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Strah lengang des Bearbeitungsstrahles (A) vor dem optischen Eingang des Scanners (2) ein zweiter Klappspiegel (5) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bild aufnahmeeinrichtung (8) aus einer CCD-Kamera mit einer vorgeschalteten zweiten Fokussieroptik (6) besteht.