DE10120251A1 - Verfahren und Sensorvorrichtung zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführen den Laserbearbeitungsvorgangs sowie Laserbearbeitungskopf mit einer derartigen Sensorvorrichtung - Google Patents
Verfahren und Sensorvorrichtung zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführen den Laserbearbeitungsvorgangs sowie Laserbearbeitungskopf mit einer derartigen SensorvorrichtungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein mit einer Sensorvorrichtung ausführbares Verfahren zur Überwachung eines an einem Werkstück (12) durchzuführenden Laserbearbeitungsvorganges, bei dem zur Qualitätssicherung mit einer ortsauflösenden Empfängeranordnung (10, 11, 14) ein bestimmtes Beobachtungsfeld (13) im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl (25) und Werkstück (12) ausgewählt wird, bei dem eine aus dem ausgewählten Beobachtungsfeld (13) kommende Strahlung mit einem strahlungsempfindlichen Empfänger (10), der ein der erfassten Strahlung entsprechendes elektrisches Signal liefert, erfaßt wird, bei dem das elektrische Signal in einer Signalverarbeitungsschaltung (16) gefiltert wird, um schnelle und/oder kurze, störungsbedingte Intensitätsänderungen der erfaßten Strahlung festzustellen, und bei dem das gefilterte elektrische Signal zum Erkennen von Störungen während des Laserbearbeitungsvorganges.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines an einem
Werkstück durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs sowie eine
Sensorvorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens und ei
nen Laserbearbeitungskopf mit einer derartigen Sensorvorrichtung.
Aus der WO 90/ 10520 ist bereits ein Verfahren zur Qualitätssicherung
beim Laserstrahlschweißen und -schneiden bekannt, bei dem das aus ei
ner Plasmawolke bei der Materialbearbeitung entstandene Ultraviolett
licht zur Überprüfung der Laserstrahleinkopplung und anderer Prozeßpa
rameter mit einer UV-empfindlichen Fotodiode erfaßt wird, die in einem
Detektorkopf angeordnet ist. Zusätzlich oder anstelle der UV-empfindli
chen Fotodiode kann eine IR-empfindliche Fotodiode im Detektorkopf vor
gesehen sein, wobei die IR-empfindliche Fotodiode durch eine verschieb
bare Blende gegenüber dem Schweißherd der Laserbearbeitung abge
schirmt werden kann.
Um die Strahlung aus der Plasmawolke erfassen zu können, wird die im
Bereich oder in der Umgebung der Wechselwirkungszone zwischen Laser
strahl und Werkstück, also z. B. im Bereich des Schweißherds auftretende
Plasmawolke auf die Fotodiode oder -dioden abgebildet. Die Blende zur
Unterbrechung der direkten Sichtverbindung zwischen Fotodiode und
Schweißherd ist dabei als senkrecht zur optischen Achse der Abbildungs
optik verschiebbare Stellschraube in einem Bereich zwischen Abbil
dungsoptik und Fotodiode angeordnet.
Ferner ist es aus dem Artikel von L. Schlichtermann et al. "Laserschweiß
prozesse on-line mit LWM 900 überwachen", bekannt, die im Bereich oder
in der Umgebung der Wechselwirkungszone bei der Laserbearbeitung ent
stehende Strahlung nach Spektralbereich und Ort getrennt zu überwa
chen, um aus entsprechenden Daten auf die Qualität des Laserschweiß
prozesses zu schließen. Dabei wird zum einen die Temperatur der
Schweißnaht einige mm hinter dem Schweißherd durch Messen der IR-
Strahlung erfaßt. Um die Größe von auftretenden Spritzern, die gelegent
lich aus dem Schweißherd herausgeschleudert werden, zu erfassen, wird
Strahlung im nahen Infrarotbereich gemessen. Außerdem wird das UV-
Licht der Plasmawolke erfaßt.
Die einzelnen Detektoren sind dabei so ausgelegt, daß die Plasmawolke
bzw. die Schweißnaht auf die strahlungsempfindlichen Empfänger abge
bildet werden.
Die von den strahlungsempfindlichen Empfängern gelieferten elektri
schen Signale, die der jeweils erfaßten Strahlung entsprechen, werden
dann in geeigneter Weise ausgewertet, um Aussagen über die Qualität des
einzelnen Bearbeitungsvorgang treffen zu können. Während größere
Spritzer und im Zusammenhang damit auftretende Löcher in der
Schweißnaht sicher erkannt werden können, ist es bei der konventionel
len Online-Qualitätsüberwachung nahezu unmöglich sehr kleine
Schweißfehler und Löcher festzustellen, da die durch entsprechend kleine
Spritzer oder Auswürfe entstehenden Signalschwankungen innerhalb der
zulässigen Schwankungsbreite der Meßsignale liegen, die bei einer fehler
freien Laserbearbeitung auftreten dürfen.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein weiteres
Verfahren zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführen
den Laserbearbeitungsvorgangs bereitzustellen, das es ermöglicht, auch
kleine Störungen in der Laserbearbeitung, insbesondere kleine Auswür
fe/Spritzer oder Löcher in der Schweißnaht zuverlässig zu erfassen. Da
neben liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Sensorvorrichtung
zur Durchführung eines derartigen Verfahrens sowie einen damit ausge
rüsteten Laserbearbeitungskopf zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1, die Sensorvor
richtung nach Anspruch 6 und den Laserbearbeitungskopf nach An
spruch 24 gelöst.
Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, daß ein bestimmtes Beobachtungs
feld im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und
Werkstück, also auf der Wechselwirkungszone selbst oder in ihrer Umge
bung ausgewählt wird, und daß ein von einem strahlungsempfindlichen
Empfänger geliefertes, der erfaßten Strahlung entsprechendes Signal ei
ner Filterung unterzogen wird, um kleinere Störungen wie kleine Auswür
fe oder Spritzer, sowie kleine Löcher zu erkennen, und um anschließend
das gefilterte elektrische Signal zum Erkennen von Störungen während
des Laserbearbeitungsvorgangs auszuwerten.
Um kleine und sehr kleine Störungen beim Laserbearbeitungsvorgang er
fassen zu können, wird also ein spezielles, klar definiertes Beobachtungs
feld festgelegt, und das der aus diesem Beobachtungsfeld kommenden
Strahlung entsprechende elektrische Signal wird gefiltert, so daß auch
durch kleinere Bearbeitungsstörungen hervorgerufene Signalschwan
kungen erfaßt werden können.
Die Auswahl eines bestimmten Beobachtungsfeldes kann dabei je nach
Ausgestaltung des strahlungsempfindlichen Empfängers unterschiedlich
erfolgen. Beispielsweise ist es denkbar, daß als strahlungsempfindlicher
Empfänger ein CCD-Bildsensor eingesetzt wird, um das Beobachtungs
feld durch Auswahl entsprechender Pixel des Empfängers festzulegen. Ei
ne ähnliche Vorgehensweise ließe sich auch mit einer CCD-Sensorzeile re
alisieren.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch vorgese
hen, daß zum Auswählen eines bestimmen Beobachtungsfeldes die Wech
selwirkungszone auf eine vor dem strahlungsempfindlichen Empfänger
angeordnete Blende abgebildet wird. Hierdurch wird es nicht nur ermög
licht, ein bestimmtes Beobachtungsfeld klar zu definieren und Streulicht
aus anderen Bereichen wirkungsvoll zu reduzieren, sondern es ist auch
möglich, unabhängig von der Ausgestaltung des strahlungsempfindlichen
Empfängers, also unabhängig von der Form seiner strahlungsempfindli
chen Empfängerfläche ein definiertes, beliebig gestaltbares Beobach
tungsfeld festzulegen, das z. B. punkt- oder linienförmig sein kann.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, daß eine spektrale Empfindlichkeit des strahlungsempfindlichen
Empfängers entsprechend dem ausgewählten Beobachtungsfeld festge
legt wird.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch ge
kennzeichnet, daß das elektrische Signal einer Hochpaßfilterung unter
zogen wird, wobei das gefilterte elektrische Signal mit gespeicherten Wer
ten eines ungestörten Bearbeitungsvorgangs verglichen wird.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Hochpaßfilterung lassen sich in Kombi
nation mit der Unterdrückung von Störstrahlung aus anderen Bereichen
als dem ausgewählten Beobachtungsfeld Schwankungen des elektrischen
Ausgangssignals des Empfängers zuverlässig erkennen, die durch kleine
Störungen des Bearbeitungsvorgangs bewirkt werden, so daß die Quali
tätsüberwachung für Laserbearbeitungsvorgänge wesentlich verbessert
werden kann.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Sensor
vorrichtung mit einer ortsauflösenden Empfängeranordnung, mit der ein
Gebiet im Bereich der Wechselwirkungszone als ein Beobachtungsfeld
auswählbar ist, so daß die Empfängeranordnung der erfaßten Strahlung
aus dem Beobachtungsfeld ein entsprechendes elektrisches Ausgangs
signal liefert, und mit einer Signalverarbeitungsschaltung vorgesehen,
die das Ausgangssignal der Empfängeranordnung nach einer geeigneten
Filterung verarbeitet, um Störungen während des Laserbearbeitungsvor
gang zu erkennen.
Zweckmäßigerweise weist die Signalverarbeitungsschaltung einen Filter
kreis zum Filtern des Ausgangssignals der Empfängeranordnung und eine
Auswerteschaltung auf, die das gefilterte elektrische Signal auswertet.
Der Filterkreis ist dabei vorzugsweise ein Hochpaßfilter.
Um die erfindungsgemäße Überwachung bei einer Vielzahl von verschie
denen Laserbearbeitungsvorgängen für verschiedenste Materialien
durchführen zu können, ist vorgesehen, daß die Auswerteschaltung Spei
chermittel zum Speichern von Schwellenwerten und/oder Ausgangs-
signal-Werten eines ungestörten Bearbeitungsvorgangs und einen Ver
gleichskreis umfaßt, der das erfaßte, gefilterte Ausgangsmaterial mit den
gespeicherten Werten vergleicht und und ein Vergleichssignal liefert, das
Störungen während des Bearbeitungsprozesses anzeigt.
Bei einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vor
gesehen, daß die ortsauflösende Empfängeranordnung eine Abbildungs
optik, mit der ein Gebiet im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen
Laserstrahl und Werkstück auf eine Blende abbildbar ist, um ein be
stimmtes Beobachtungsfeld auszuwählen, und einen strahlungsempfind
lichen Empfänger umfaßt, der in Strahlungsrichtung der zu erfassenden
Strahlung optisch hinter der Blende angeordnet ist und ein der erfaßten
Strahlung entsprechendes elektrisches Ausgangssignal liefert.
Um eine einwandfreie Justierung des Überwachungsstrahlengangs der
Sensorvorrichtung auch dann realisieren zu können, wenn die Sensorvor
richtung relativ zur Wechselwirkungszone fest angeordnet, also beispiels
weise fest an einem Laserbearbeitungskopf gehalten ist, zu ermöglichen,
ist vorgesehen, daß der optische Abstand zwischen Abbildungsoptik und
Blende veränderbar ist, wobei die Blende zumindest in einer Richtung,
vorzugsweise jedoch in zwei von einander linear unabhängigen Richtun
gen senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik verschiebbar ist,
um ein bestimmtes Gebiet im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen
Laserstrahl und Werkstück als Beobachtungsfeld auswählen zu können.
Als Blende kann eine Lochblende vorgesehen sein, die ein zentrales Beob
achtungsfeld festlegt, oder eine dazu inverse Blende zum Abdecken eines
zentralen Bereichs. Sinnvollerweise wird die Blendenform, z. B. Punkt,
Kreis, Viereck, Linie oder dergleichen entsprechend der spektralen Emp
findlichkeit des Empfängers gewählt.
So ist es beispielsweise möglich, daß, wenn der strahlungsempfindliche
Empfänger ein Temperatursensor, insbesondere ein für Infrarotstrahlung
empfindlicher Temperatursensor ist, der Empfänger entweder mit einer
Lochblende oder mit einer dazu inversen Blende kombiniert wird. Im er
sten Fall wird der als Temperatursensor eingesetzte Empfänger so ausge
richtet, daß die Lochblende einen Beobachtungsfleck im Nachlauf der
Schweißung festlegt. Zusammen mit einer inversen Blende, die den soge
nannten "Keyhole"-Bereich ausblendet, kann der Temperatursensor ein
gesetzt werden, um Infrarotstrahlung aus der gesamten Umgebung des
Keyholes oder Schweißherdes zu erfassen.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
strahlungsempfindliche Empfänger ein für Plasmastrahlung empfindlicher
Empfänger ist. Ein derartiger Empfänger wird mit einer Lochblende einge
setzt, die als Beobachtungsfeld einen Bereich der Plasmawolke festlegt, um
daß Signal-Rauschverhältnis aufgrund üblicherweise starker Schwankun
gen in der Plasmawolke deutlich zu verbessern. Wird zur Erfassung des
Rückreflexes, also der vom Bearbeitungsbereich zurückreflektierten Bear
beitungslaserstrahlung ein Empfänger eingesetzt, der für die Bearbei
tungslaserstrahlung empfindlich ist, so läßt sich durch die Kombination ei
nes derartigen Empfängers mit einer Lochblende die Laserstreustrahlung
an der Plasmawolke weitgehend unterdrücken.
Um die Auswahl und Justierung eines Beobachtungsfeldes zu vereinfa
chen, ist bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen,
daß eine Vorrichtung zur Beobachtung der Auswahl eines Beobach
tungsfeldes im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl
und Werkstück vorgesehen ist, die eine Beobachtungsoptik aufweist, de
ren Beobachtungsstrahlengang über einen Strahlteilerspiegel in den
Überwachungsstrahlengang einkoppelbar ist, wobei die Vorrichtung zur
Beobachtung der Auswahl eines Beobachtungsfeldes eine Kamera, vor
zugsweise eine Videokamera ist.
Eine weitere Verbesserung und Vereinfachung des Einstellens der erfin
dungsgemäßen Sensorvorrichtung läßt sich erreichen, wenn eine Licht
quelle vorgesehen ist, die die Blende von der Empfängerseite her beim Ju
stieren der ortsauflösenden Empfängeranordnung beleuchtet, so daß zur
Auswahl eines Beobachtungsfeldes im Bereich der Wechselwirkungzone
zwischen Laserstrahl und Werkstück ein Bild der Blende auf dem Werk
stück beobachtbar ist, wobei die Lichtquelle zum Justieren der ortsau
flösenden Empfängeranordnung gegen den strahlungsempfindlichen
Empfänger austauschbar ist und mit der Blende mitbewegbar ist.
Als Lichtquelle kann dabei eine Laserlichtquelle oder eine Kaltlichtquelle
mit Faserbündel vorgesehen sein. Ein besonderer Vorteil der Kaltlichtquel
le liegt darin, daß die Blende zur Festlegung des Beobachtungsfeldes unter
Verwendung einer Beobachtungskamera auch an sehr schlecht einzuse
henden Bauteilen einjustiert werden kann.
Ist ein Laserbearbeitungskopf mit einer erfindungsgemäßen Sensorvor
richtung ausgerüstet, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die Sensorvor
richtung so angeordnet ist, daß der Überwachungsstrahlengang und ggf.
der Beobachtungsstrahlengang über einen Strahlteilerspiegel so in den
Laserbearbeitungsstrahlengang eingekoppelt ist, daß die Fokussieroptik
für einen Arbeitslaserstrahl zusammen mit der Abbildungsoptik der Emp
fängeranordnung das ausgewählte Beobachtungsfeld auf die Blende abbil
det.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung des Beobachtungs
strahlengangs einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah
rens geeigneten Sensorvorrichtung in Kombination mit einem vereinfach
tem Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung, und
Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbei
tungskopfes mit daran angeordneter Sensorvorrichtung und Beobach
tungskamera zum Justieren der Sensorvorrichtung.
In den beiden Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bau
teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist die Sensorvorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens einen strahlungsempfindlichen Emp
fänger 10 auf, vor dem eine Blende 11 in X- und Y-Richtung verschiebbar
angeordnet ist. Anstelle der als Lochblende dargestellen Blende 11 kann
auch eine dazu inverse Blende vorgesehen sein, die den zentralen Bereich
des strahlungsempfindlichen Empfängers 10 abdeckt. Die Form der Blen
de muß kein Kreis sein, sondern kann jede beliebige Form aufweisen, um
auf einem Werkstück 12 ein Beobachtungsfeld 13 festzulegen. Zu diesem
Zweck wird die Blende 11 von einer Abbildungsoptik 14 auf die Werk
stückoberfläche 12, oder was gleich bedeutend damit ist, die Werkstücko
berfläche 12 auf die Blende 11 abgebildet. Die Abbildungsoptik 14, die in
Fig. 1 als dünne Einzellinse dargestellt ist, kann auch aus mehreren Lin
sen zusammengesetzt sein. Ferner ist es denkbar, als Abbildungsoptik 14
auch einen Abbildungsspiegel einzusetzen, wodurch insbesondere Inten
sitätsverluste bei Beobachtungen im ultravioletem Spektralbereich ver
meidbar sind.
Um eine scharfe Abbildung zu realisieren, ist die Abbildungsoptik 14 in
herkömmlicher Weise in Z-Richtung, also in Richtung ihrer optischen
Achse verschiebbar angeordnet.
Je nachdem, welcher Spektralbereich der vom Beobachtungsfeld 13 aus
gehenden Strahlung erfaßt werden soll, kann ein entsprechendes Filter
15 an geeigneter Stelle im Beobachtungsstrahlengang angeordnet wer
den. Zur kontinuierlichen Überwachung eines Laserbearbeitungsvor
gangs liefert der strahlungsempfindliche Empfänger 10 ein elektrisches
Signal, daß der empfangenen Strahlungsintensität entspricht, an eine
Signalverarbeitungsschaltung 16, die einen Filterkreis 17 und eine Auswerteschaltung
18 umfaßt. Der Filterkreis kann dabei jede Filteranord
nung sein, die kleine, kurze und/oder schnelle Signale aus dem Rauschen
heraushebt. Vorzugsweise wird der Filterkreis von einem Hochpaßfilter
17 gebildet. Es ist aber auch denkbar, ein Bandpaßfilter zu verwenden.
Zum Auswerten des hochpaßgefilterten elektrischen Signals umfaßt die
Auswerteschaltung 18 in nicht näher dargestellter Weise Speichermittel
zum Speichern von Schwellenwerten und/oder Werten, die mit Hilfe eines
ungestörten Bearbeitungsvorgangs ermittelt wurden, und einen Ver
gleichkreis, der das erfaßte gefilterte Ausgangssignal mit den gespeicher
ten Werten vergleicht und ein Vergleichssignal liefert, aus dem auf Stö
rungen während des Bearbeitungsprozesses geschlossen werden kann.
Das gefilterte Ausgangssignal des strahlungsempfindlichen Empfängers
10 kann auch in ebenfalls nicht dargestellten Speichermitteln der Aus
werteschaltung gespeichert und/oder zur Aufzeichnung ausgegeben wer
den, um den Bearbeitungsverlauf zu protokollieren und um die Güte des
jeweiligen Bearbeitungsergebnisses zur dokumentieren.
Ferner kann auch ein Melde-, Warn- und/oder Alarmsignal ausgegeben
werden, wenn die Anzahl der erfaßten Störungen oder deren Größe be
stimmte Grenzwerte übersteigen. Derartige Ausgangssignale der Auswer
teschaltung 18 können in geeigneter Weise in einer nicht näher darge
stellten Maschinensteuerung weiter verarbeitet werden.
Fig. 2 zeigt die Anordnung einer ortsauflösenden Empfängeranordnung
19 an einem Laserbearbeitungskopf 20. Der Laserbearbeitungskopf 20
umfaßt ein Gehäuse 21, durch das ein Laserbearbeitungstrahlengang 22
mit einem Kollimator 23 und einer Fokussieroptik 24 für den Arbeitslaser
strahl 25 hindurchgeführt ist. In Arbeitslaserstrahlrichtung vor der Fo
kussieroptik 24 ist ein Strahlteilerspiegel 26 angeordnet, der dazu dient,
einen Überwachungsstrahlengang 27 und einen Beobachtungsstrahlen
gang 28 in den letzten Abschnitt des Laserbearbeitungsstrahlengangs 22
einzukoppeln. Die Empfängeranordnung 19 und eine Beobachtungska
mera 29, die beispielsweise eine Videokamera ist, sind mittels eines Anschlußgehäuses
30 am Gehäuse 21 des Laserbearbeitungskopfes 20 ge
halten. Im Anschlußgehäuse 30 ist ein weiterer Strahlteilerspiegel 31 an
gebracht, um den Beobachtungsstrahlengang 28 in den Überwachungs
strahlengang 27 einzukoppeln.
Um die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Durchführung des er
findungsgemäßen Überwachungsverfahrens zu justieren, wird zunächst
der Laserbearbeitungskopf gegenüber dem Werkstück 12 so positioniert,
wie es für die beabsichtigte Laserbearbeitung erforderlich ist. Dann wird
in der Empfängeranordnung 19 der strahlungsempfindliche Empfänger
10 gegen eine geeignete Lichtquelle 32, z. B. eine Laserlichtquelle oder ei
ne Kaltlichtquelle mit Faserbündel, ausgetauscht, um die Blende 11 von
hinten zu beleuchten. Die Abbildungsoptik 14' bildet die Blende 11 über
den Strahlteilerspiegel 31 und den Strahlteilerspiegel 26 zusammen mit
der Fokussieroptik 24 für den Arbeitslaserstrahl 25 auf die Oberfläche
des Werkstücks 12 ab. Die Lage und Schärfe des Bildes der Blende 11 auf
der Werkstückoberfläche läßt sich mit der Kamera 29 beobachten, die
durch den Strahlteilerspiegel 31 hindurch über den Strahlteilerspiegel 26
im Laserbearbeitungskopf 20 und die Fokussieroptik 24 die Werkstücko
berfläche beobachtet.
Durch Verschieben der Blende 11 in X- und Y-Richtung, also senkrecht
zur optischen Achse des Beobachtungsstrahlengangs 27 kann auf der
Werkstückoberfläche ein Beobachtungsfeld 13 relativ zur Wechselwir
kungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück festgelegt werden. Durch
Verschieben der Abbildungsoptik 14' in Z-Richtung, also in Richtung der
optischen Achse kann die Blende scharf auf die Werkstückoberfläche ab
gebildet werden, ohne das die einzelnen Parameter der Fokussieroptik 24
für den Arbeitslaserstrahl 25 bekannt sein müßten.
Nachdem in der beschriebenen Weise das Bild der Blende 11 auf der Werk
stückoberfläche ausgerichtet und scharf gestellt wurde, ist ein bestimm
tes Beobachtungsfeld relativ zur Wechselwirkungszone ausgewählt wor
den. Die Lage des Beobachtungsfeldes, das umgekehrt von der Fokusieroptik
24 über die Strahlteilerspiegel 26, 31 zusammen mit der Abbil
dungsoptik 14' auf die Blende 11 abgebildet wird, wird dabei entspre
chend der gewünschten Überwachung festgelegt.
Anschließend wird die Lichtquelle 32 wieder gegen den strahlungsemp
findlichen Empfänger 10 ausgetauscht. Die Sensorvorrichtung ist nun
mehr für die Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs bereit.
Während des eigentlichen Überwachungsvorgangs wird die aus dem aus
gewähltem Beobachtungsfeld 13 kommende Strahlung vom strahlungs
empfindlichen Empfänger 10 erfaßt, der ein entsprechendes elektrisches
Ausgangssignal an den Hochpaßfilter 17 liefert. Das Ausgangssignal des
Hochpaßfilters 17 wird dann von der Auswerteschaltung 18 entsprechend
verarbeitet, um Störungen im Laserbearbeitungsvorgang zu erfassen.
Hierbei wird das gefilterte Ausgangssignal des strahlungsempfindlichen
Empfängers mit gespeicherten Werten verglichen. Im einfachsten Fall
kann hierzu ein Schwellenwert gespeichert sein, bei dessen Überschreiten
auf eine Störung im Laserbearbeitungsprozeß geschlossen wird. Es ist
aber auch möglich, wie bereits erwähnt, das gefilterte Ausgangssignal mit
entsprechenden gespeicherten Werten zu vergleichen, die mit Hilfe eines
ungestörten Laserbearbeitungsvorgangs ermittelt wurden, um dann auf
einen Bearbeitungsfehler zu schließen, wenn die Abweichungen zwischen
dem aktuellen und den gespeicherten Werten größer als einen vorgegebe
ne Toleranzschwelle sind.
Anstelle des einzelnen strahlungsempfindlichen Empfängers 10, der mit
Hilfe einer Blende 11, zur Beobachtung eines bestimmten Beobachtungs
feldes eingesetzt wird, kann auch eine CCD-Bildwandlerzeile mit und oh
ne Blende verwendet werden. Ferner ist es auch möglich, einen zweidi
mensionalen CCD-Bildwandler einzusetzen, wobei dann die Auswertung
der Empfängersignale mit einer geeigneten Bildverarbeitungsschaltung
durchgeführt werden kann.
Andererseits ist es bei der Verwendung eines zweidimensionalen CCD-
Bildwandlers auch möglich, ein bestimmtes Beobachtungsfeld im Bereich
der Wechselwirkungszone, also auf ihr selbst oder in ihrer Umgebung auf
dem Werkstück dadurch festzulegen, daß entsprechende Bildpunkte des
CCD-Bildwandlers ausgewählt werden, und nur die Ausgangssignale die
ser Bildpunkte, die gegebenenfalls räumlich integriert werden können,
ausgewertet werden.
Claims (24)
1. Verfahren zur Überwachung eines an einem Werkstück (12)
durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs, bei dem zur gualitätssi
cherung folgende Schritte ausgeführt werden:
- - Auswählen eines bestimmten Beobachtungsfeldes (13) im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl (25) und Werkstück (12),
- - Erfassen einer aus dem ausgewählen Beobachtungsfeld (13) kom menden Strahlung mit einem strahlungsempfindlichen Empfänger (10), der ein der erfassten Strahlung entsprechendes elektrisches Signal lie fert,
- - Filtern des elektrischen Signals, um schnelle und/oder kurze, störungsbedingte Intensitätsänderungen der erfaßten Strahlung feststel len zu können, und
- - Auswerten des gefilterten elektrischen Signals zum Erkennen von Störungen während des Laserbearbeitungsvorgangs.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Auswählen eines bestimmen Beobachtungsfeldes (13) die Wechselwir
kungszone auf eine vor dem strahlungsempfindlichen Empfänger ange
ordnete Blende (11) abgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
eine spektrale Empfindlichkeit des strahlungsempfindlichen Empfängers
entsprechend dem ausgewählen Beobachtungsfeld (13) festgelegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrische Signal einer Hochpaßfilterung unterzogen wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß das gefilterte elektrische Signal mit gespeicherten
Werten eines ungestörten Bearbeitungsvorgangs verglichen werden, um
kleinere Störungen wie kleine Auswürfe oder Spritzer, sowie kleine Löcher
zu erkennen.
6. Sensorvorrichtung zur Überwachung eines an einem Werkstück
(12) durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere zur
Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprü
che, mit:
einer ortsauflösenden Empfängeranordnung (10, 11, 14), mit der ein Gebiet im Bereich der Wechselwirkungzone als ein Beobachtungsfeld (13) auswählbar ist, so daß die Empfängeranordnung ein der erfassten Strahlung aus dem Beobachtungsfeld (13) entsprechendes elektrisches Ausgangssignal liefert, und
einer Signalverarbeitungsschaltung (16), die das Ausgangssignal der Empfängeranordnung nach einer geeigneten Filterung verarbeitet, um Störungen während des Laserbearbeitungsvorgangs zu erkennen.
einer ortsauflösenden Empfängeranordnung (10, 11, 14), mit der ein Gebiet im Bereich der Wechselwirkungzone als ein Beobachtungsfeld (13) auswählbar ist, so daß die Empfängeranordnung ein der erfassten Strahlung aus dem Beobachtungsfeld (13) entsprechendes elektrisches Ausgangssignal liefert, und
einer Signalverarbeitungsschaltung (16), die das Ausgangssignal der Empfängeranordnung nach einer geeigneten Filterung verarbeitet, um Störungen während des Laserbearbeitungsvorgangs zu erkennen.
7. Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Signalverarbeitungsschaltung (16) einen Filterkreis (17) zum Filtern
des Ausgangssignals der Empfängeranordnung und eine Auswerteschal
tung (18) aufweist, die das gefilterte elektrische Signal auswertet.
8. Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Filterkreis ein Hochpaßfilter (17) ist.
9. Sensorvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich
net, daß die Auswerteschaltung (18) Speichermittel zum Speichern von
Schwellenwerten und/oder Ausgangssignal-Werten eines ungestörten Be
arbeitungsvorgangs und einen Vergleichskreis umfaßt, der das erfaßte,
gefilterte Ausgangssignal mit den gespeicherten Werten vergleicht und ein
Vergleichssignal liefert, das Störungen während des Bearbeitungsprozes
ses anzeigt.
10. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß die ortsauflösende Empfängeranordnung
eine Abbildungsoptik (14), mit der ein Gebiet im Bereich der Wech selwirkungzone zwischen Laserstrahl und Werkstück (12) auf eine Blende (11) abbildbar ist, um ein bestimmtes Beobachtungsfeld (13) auszuwäh len, und
einen strahlungsempfindlichen Empfänger (10) umfaßt, der in Strah lungsrichtung der zu erfassenden Strahlung optisch hinter der Blende (11) angeordnet ist und ein der erfassten Strahlung entsprechendes elek trisches Ausgangssignal liefert.
eine Abbildungsoptik (14), mit der ein Gebiet im Bereich der Wech selwirkungzone zwischen Laserstrahl und Werkstück (12) auf eine Blende (11) abbildbar ist, um ein bestimmtes Beobachtungsfeld (13) auszuwäh len, und
einen strahlungsempfindlichen Empfänger (10) umfaßt, der in Strah lungsrichtung der zu erfassenden Strahlung optisch hinter der Blende (11) angeordnet ist und ein der erfassten Strahlung entsprechendes elek trisches Ausgangssignal liefert.
11. Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der optische Abstand zwischen Abbildungsoptik (14) und Blende (11)
veränderbar ist.
12. Sensorvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Blende (11) zumindest in einer Richtung, vorzugsweise je
doch in zwei von einander linear unabhängigen Richtungen senkrecht zu
optischen Achse der Abbildungsoptik (14) verschiebbar ist, um ein be
stimmtes Gebiet im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laser
strahl (25) und Werkstück (12) als Beobachtungsfeld (13) auswählen zu
können.
13. Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Blende (11) eine Lochblende ist.
14. Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Blende (11) eine inverse Blende zum Abdecken eines
zentralen Bereichs ist.
15. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der strahlungsempfindliche Empfänger (10) ein Tem
peratursensor, insbesondere ein für Infrarotstrahlung empfindlicher Tem
peratursensor ist.
16. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der strahlungsempfindliche Empfänger (10) ein für
Plasmastrahlung empfindlicher Empfänger ist.
17. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der strahlungsempfindliche Empfänger (10) ein für
die Bearbeitungslaserstrahlung empfindlicher Empfänger (10) ist.
18. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (29) zur Beobachtung der Auswahl
eines Beobachtungsfeldes (13) im Bereich der Wechselwirkungzone zwi
schen Laserstrahl (25) und Werkstück (12) vorgesehen ist, die eine Beob
achtungsoptik aufweist, deren Beobachtungsstrahlengang über einen
Strahlteilerspiegel in den Überwachungsstrahlengang einkoppelbar ist.
19. Sensorvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zur Beobachtung der Auswahl eines Beobach
tungsfeldes eine Kamera (29), vorzugsweise eine Videokamera ist.
20. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (32) vorgesehen ist, die die Blende
(11) von der Empfängerseite her beim Justieren der ortsauflösenden Emp
fängeranordnung beleuchtet, so daß zur Auswahl eines Beobachtungs
feldes (13) im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl (25)
und Werkstück (12) ein Bild der Blende (11) auf dem Werkstück (12) beob
achtbar ist.
21. Sensorvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtquelle (32) zum Justieren der ortsauflösenden Empfängeran
ordnung gegen den strahlungsempfindlichen Empfänger (10) austausch
bar ist und mit der Blende (11) mitbewegbar ist.
22. Sensorvorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Lichtquelle (32) eine Laserlichtquelle ist.
23. Sensorvorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Lichtquelle (32) eine Kaltlichtquelle mit Faserbündel ist.
24. Laserbearbeitungskopf mit einer Sensorvorrichtung nach einem
der Ansprüche 10 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Überwa
chungsstrahlengang (27) und ggf. der Beobachtungsstrahlengang (29)
über einen Strahlteilerspiegel (26) so in den Laserbearbeitungsstrahlen
gang (22) eingekoppelt ist, daß die Fokussieroptik (24) für einen Arbeitsla
serstrahl (25) zusammen mit der Abbildungsoptik (14') der Empfängeran
ordnung das ausgewählte Beobachtungsfeld (13) auf die Blende (11) abbil
det.
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