DE10155203A1

DE10155203A1 - Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10155203A1
Application number: DE10155203A
Authority: DE
Inventors: Michael Lindner; Pawel Drabarek; Gerhard Reber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2003-06-18

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laser-Bearbeitungsgerät (2) zum Erzeugen eines an eine Bearbeitungsstelle (3.2) eines Werkstücks (3) gelenkten Bearbeitungsstrahls (2.1) und einem eine Beleuchtungseinrichtung und eine Beobachtungsvorrichtung aufweisenden Messsystem (4) zum Erfassen von Oberflächendaten des Werkstücks (3) im Bereich der Bearbeitungsstelle (3.2) an mindestens einer Messstelle. Eine zuverlässige Analyse des Bearbeitungsergebnisses mit der Möglichkeit einer Regelung des Bearbeitungsprozesses wird dadurch erzielt, dass das Messsystem (4) zumindest teilweise mit dem Bearbeitungsgerät (2) verbunden ist und zum Erfassen von 3-D-Oberflächendaten ausgebildet ist (Fig. 5).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laser-Bearbeitungsgerät zum Erzeugen eines an eine Bearbeitungsstelle eines Werkstücks gelenkten Bearbeitungsstrahls und einem eine Beleuchtungseinrichtung und eine Beobachtungsvorrichtung aufweisenden Messsystem zum Erfassen von Oberflächendaten des Werkstücks im Bereich der Bearbeitungsstelle an mindestens einer Messstelle.

Stand der Technik

Eine derartige Laserbearbeitungsvorrichtung wird (ohne vorliegende druckschriftliche Unterlagen) als bekannt angenommen. Derartige Laserbearbeitungsvorrichtungen sind z. B. zum Laserschweißen, Schneiden oder Bohren ausgebildet, wobei verschiedenartige Fehler in der Bearbeitungsqualität auftreten können. Mit den derzeit verfügbaren Messsystemen, wie z. B. durch Bildverarbeitung mit Grauwertanalyse oder Prozessschallmessung sind die Fehlererkennung und Regelung des Bearbeitungsprozesses und daraus resultierend auch die Fehlervermeidung schwierig und in vielen Fällen unzureichend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der eine zuverlässigere Analyse während des Bearbeitungsprozesses erreicht wird.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass das Messsystem zumindest teilweise mit dem Bearbeitungsgerät verbunden ist und zum Erfassen von 3-D-Oberflächendaten insbesondere Form, Abstand oder Schwingungen ausgebildet ist, wobei das Messsystem nach Art eines Interferometers mit kurzkohärenter Lichtquelle als Weisslichtinterferometer oder Kurzkohärenzlidar ausgebildet ist oder eine konfokale Messvorrichtung ist.

Durch die Anordnung des Messsystems an dem Bearbeitungsgerät wird eine 3- D-Oberflächenmessung im Wesentlichen in Richtung des Bearbeitungsstrahls ermöglicht, wodurch der Bearbeitungsprozess genau kontrollierbar ist, Fehler schnell und zuverlässig erkannt werden und z. B. auch die Regelung des Bearbeitungsprozesses genau durchführbar ist. Vorteilhaft ist dabei das optische Messsystem mit Teilen der Beleuchtungsvorrichtung und Beobachtungsvorrichtung in Teile der Optik des Laser-Bearbeitungsgeräts, insbesondere in dessen Bearbeitungskopf integriert.

Eine genaue Analyse der Messstelle wird dadurch begünstigt, dass das Messsystem in der Weise ausgebildet ist, dass die Beleuchtung und Beobachtung in derselben Richtung erfolgen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zur teilweisen Integration des Messsystems in das Bearbeitungsgerät ergibt sich dadurch, dass in dem Bearbeitungsgerät ein Strahlteiler angeordnet ist, mit dem der Beleuchtungsstrahlengang in den Strahlengang des Bearbeitungsstrahls eingekoppelt wird. Hierdurch sind Beleuchtungsstrahl und Bearbeitungsstrahl im Wesentlichen aus gleicher Richtung auf die Bearbeitungsstelle bzw. Messstelle gerichtet, wobei auch eine Ausrichtung vor und hinter der Bearbeitungsstelle im Bereich der Bearbeitungsstelle ermöglicht wird.

Eine genaue Erfassung der Werkstückoberfläche im Bereich der Messsteile wird dadurch ermöglicht, dass das Messsystem nach Art eines Weißlichtinterferometers aufgebaut ist.

Dabei besteht ein vorteilhafter Aufbau darin, dass das Weißlichtinterferometer einen in dem Beleuchtungsstrahlengang angeordneten Referenzspiegel aufweist, der einen Teil des Beleuchtungsstrahls als Referenzwelle reflektiert und den anderen Teil als Messwelle durchlässt, dass es ferner ein Demodulationsinterferometer aufweist, dem die von dem Werkstück mit einer entsprechenden Wegdifferenz kommende, mit der Referenzwelle überlagerte Messwelle zugeführt wird, und dass das Demodulationsinterferometer einen optischen Arm, dessen optische Länge mit einer Abtasteinheit variierbar ist, und einen Referenzarm aufweist, wobei der optische Arm und der Referenzarm einen optischen Wegunterschied aufweisen, der der optischen Wegdifferenz zwischen der Referenzwelle und der Messwelle für eine Nulllage des Werkstückes entspricht, und dass die optische Länge des optischen Arms mittels der Abtasteinheit in einem Bereich geändert wird, der einer maximalen Abstandsänderung der Messstelle des Werkstücks entspricht, wobei die optische Länge unter Steuerung der Abtasteinheit überwacht wird. Mit dem im Bereich des Bearbeitungsgeräts angeordneten Teil des Messsystems in Form eines Modulationsinterferometers einerseits und dem davon entfernt anordenbaren Demodulationsinterferometer andererseits wird auch der Messaufbau beispielsweise im Bereich einer Fertigungszelle begünstigt.

Verschiedene Ausführungen ergeben sich dabei weiterhin dadurch, dass die Abtasteinheit ein bewegter Abtastspiegel ist, dessen Position registriert wird, oder eine Wegänderungseinheit mit elektrooptischem Modulator ist, wobei die zugeführte Spannung registriert wird.

Für die Ankopplung des Demodulationsinterferometers und Handhabung des Messsystems sind weiterhin die Maßnahmen vorteilhaft, dass das Demodulationsinterferometer zum Aufnehmen der Referenzwelle und der überlagerten Messwelle über eine Lichtleitfaser an den Beleuchtungsstrahlengang angeschlossen ist.

Eine Ausführungsvariante für eine zuverlässige Messung besteht ferner darin, dass das Demodulationsinterferometer nach dem Prinzip eines Kohärenzradars mit einem Spektralelement und einer Photodetektorzeile aufgebaut ist.

Ein anderer vorteilhafter Aufbau des Messsystems, mit dem ebenfalls eine teilweise Integration in das Bearbeitungsgerät und eine genaue 3-D-Messung ermöglicht werden, besteht darin, dass das Messsystem eine Konfokalmessanordnung mit einem in Beleuchtungsrichtung oszillierenden Fokus aufweist, wobei die von der Messstelle rückgestrahlte Lichtintensität erfasst und hinsichtlich ihres Maximus ausgewertet wird.

Verschiedene Betrachtungsmöglichkeiten im Bereich der Messstelle ergeben sich dadurch, dass die Messung an der Messstelle unter entsprechender Formung des Beleuchtungsstrahls punktuell, linienhaft oder flächenhaft erfolgt. Durch eine flächenhafte Messung können z. B. auch Spritzer festgestellt werden.

Für eine Analyse des Bearbeitungsergebnisses und/oder eine Regelung des Bearbeitungsprozesses während eines Fertigungsvorganges sind weiterhin die Maßnahmen von Vorteil, dass die Messstelle in einer Bearbeitungszelle vor, an und/oder hinter der Bearbeitungsstelle liegt. Durch die Messstelle vor der Bearbeitungsstelle können z. B. die Fokuslage, die Werkstückposition, die Werkstückoberfläche und z. B. ein Spalt zwischen Fügepartnern überwacht und geregelt werden. Durch eine Messung an der Bearbeitungsstelle kann z. B. auch die Fokustiefe überwacht und geregelt werden.

Vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten werden durch Verwendung der Vorrichtung zur Regelung einer Fokuslage des Bearbeitungsstrahls, einer Kapillartiefe einer Schweißung, einer Bohrtiefe oder einer Abtragtiefe geboten.

Mit den beschriebenen Maßnahmen bei der Vorrichtung wird insbesondere eine Messung in Richtung nahe der Senkrechten zur Messstelle begünstigt, so dass auch relativ enge Hohlräume, wie z. B. Bohrungen oder Schlitze oder dergleichen, d. h. Oberflächenstrukturen mit hohem Aspekt-Verhältnis (Tiefe/Breite), genau erkannt und vermessen werden können. Abschirmungen und Schattenwürfe durch Erhebungen oder Vertiefungen sind praktisch vollständig ausgeschlossen, durch die für die Analyse günstige genaue 3-D-Intormation erhalten wird.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Laserschweißprozesses mit einem auf eine Werkstückoberfläche gerichteten Bearbeitungsstrahl und Messstrahl,
Fig. 2 eine Laser-Schweißoptik mit einem auf ein Werkstück gerichteten Bearbeitungsstrahl und Messstrahlen vor, in und hinter der Bearbeitungsstelle,
Fig. 3 eine verdeutlichte Darstellung der Messstrahlen nach Fig. 2 in Bezug auf die Bearbeitungsstelle des Werkstücks, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem einen Rechner aufweisenden Messsystem.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht ein mittels einer z. B. in den Fig. 4 und 5 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 1 in Form eines Laserschweißgeräts mit einem Laser-Bearbeitungsstrahl 2.1 bearbeitetes Werkstück 3, das über einen Beleuchtungsstrahlengang 4.2 eines Messsystems 4 zum Erfassen von 3-D- Oberflächendaten im Bereich einer Bearbeitungsstelle 3.2 beleuchtet wird. Im Bereich einer erstarrten Schmelze 3.3 ist der Messstrahl fokussiert und vollführt eine schwingende Fokusbewegung, wie durch den Doppelpfeil angedeutet.
Fig. 2 zeigt ein Laser-Bearbeitungsgerät 2 der Laserbearbeitungsvorrichtung 1 mit dem auf die Bearbeitungsstelle 3.2 gerichteten Bearbeitungsstrahl 2.1 und drei Messstrahlen im Bereich der Bearbeitungsstelle, wobei die Messstrahlen die Werkstückoberfläche linienhaft quer zur Bearbeitungsrichtung mit einem vorlaufenden Lichtschnitt 4.1, einem Schmelzbadlichtschnitt 4.2' unmittelbar an der Bearbeitungsstelle 3.2 und einem nachlaufenden Lichtschnitt 4.3 abtasten, so dass die Werkstückoberfläche nahe vor einer erzeugten Schweißnaht 3.1, bei deren Erzeugung und nach erzeugter Schweißnaht 3.1 erfasst wird, wie aus Fig. 3 näher ersichtlich. Mit den erhaltenen Oberflächendaten wird die 3-D-Struktur der Oberfläche genau analysierbar, und der Schweißprozess kann in der Höhe, lateral und hinsichtlich der Qualität der Schweißnaht unter Berücksichtigung des Werkstücks sehr genau geregelt werden. Die Messstrahlen werden über einen Strahlteiler 2.2 in einem Messkopf des Bearbeitungsgeräts 2 seitlich eingekoppelt, während der Bearbeitungsstrahl von oben in Richtung der Achse des unteren Bearbeitungstrahlabschnitts durch den Strahlteiler 2.2 geleitet wird. Der reflektierte Strahl wird zur Beobachtung ebenfalls über den Strahlteiler 2.2 in eine Beobachtungsvorrichtung des Messsystems 4 geführt. Durch die Beleuchtung in Richtung des Bearbeitungsstrahls 2.1 oder zumindest unter geringem Winkel von diesem wird der Bearbeitungsprozess genau erfassbar, wobei durch den nahezu senkrechten Einfall der Beleuchtung und der in entsprechender Richtung erfolgenden Beobachtung die 3-D-Oberflächendaten des Werkstücks 3 genau feststellbar sind und ein hohes Aspekt-Verhältnis erhalten wird.
Fig. 4 zeigt eine nähere Ausbildung des Messsystems 4, das wiederum über den Strahlteiler 2.2 mit dem Bearbeitungsgerät 2 gekoppelt ist, wobei der Beleuchtungsstrahlengang 4.2 wiederum durch einen Teil des Bearbeitungskopfs des Bearbeitungsgeräts 2 verläuft. Dieses Messsystem ist nach Art eines sogenannten Weißlichtinterferometers aufgebaut.
Das Licht einer kurzkohärenten Lichtquelle 4.10, beispielsweise einer Superlumineszenzdiode wird mit einer ersten Linse 4.11 kollimiert und über einen weiteren Strahlteiler 4.12 auf einen in dem Beleuchtungsstrahlengang 4.2 vor dem Strahlteiler 2.2 angeordneten Referenzspiegel 4.13 mit z. B. einem Transmissionsgrad im Bereich 80 bis 98% in eine durchlaufende Messwelle 4.21 und eine reflektierte Referenzwelle 4.20 aufgeteilt. Die Messwelle wird auf den Strahlteiler 4.2 z. B. über ein Interferenzfilter 4.14 geleitet, der für die Wellenlänge der Messwelle 4.21 transparent ist, und nach der Umlenkung an dem Strahlteiler 2.2 mit einer Fokussierungslinse 4.23 auf die Oberfläche des Werkstücks bzw. die Bearbeitungsstelle 3.2 fokussiert. Die von der Oberfläche des Werkstücks 3 zurückgeworfene Messwelle 4.21 wird im Rückweg mit der Referenzwelle 4.20 überlagert und gemeinsam mit dieser von dem weiteren Strahlteiler 4.12 in ein Demodulationsinterferometer 4.22 geführt. Aufgrund der optischen Wegdifferenz zwischen der Messwelle 4.21 und der Referenzwelle 4.20, die dem doppelten optischen Weg zwischen dem Referenzspiegel 4.13 und der Messstelle des Werkstücks 3 entspricht, interferieren die Teilstrahlen in Form der Messwelle 4.21 und der Referenzwelle 4.20 nicht. Das Demodulationsinterferometer 4.22 z. B. in Form eines Michelson-Interferometers, weist einen noch weiteren Strahlteiler 4.15 auf, von dem aus das Licht zum einen in einen optischen Arm 4.18 und über eine zweite Linse 4.16 auf einen in Richtung des gezeigten Doppelpfeils bewegbaren Abtastspiegel 4.17 und zum andern in einen Referenzarm geleitet wird. Ein in dem Demodulationsinterferometer 4.22 gebildeter optischer Wegunterschied zwischen dem optischen Arm 4.18 und dem Referenzarm entspricht der Wegdifferenz zwischen der Referenzwelle 4.20 und der Messwelle 4.21 für eine angenommene Nulllage des Werkstücks 3 bzw. der Messstelle. Der Abtastspiegel 4.17 wird in einem Bereich bewegt, der der maximalen Abstandsänderung der Messstelle entspricht. Von dem Abtastspiegel 4.17 gelangt das Beleuchtungslicht schließlich über eine dritte Linse 4.19 auf einen Bildaufnehmer 4.5, von dem ein gebildetes elektrisches Signal in einen Rechner 4.8 gelangt, in diesem ausgewertet wird, und auf einem Bildschirm 4.9 dargestellt werden kann. Die momentane Position des Abtastspiegels 4.17 wird kontinuierlich registriert und mit dem Photodetektorsignal des Bildaufnehmers 4.5 verglichen. Durch die Detektion des Maximums des Interferenzkontrastes in Korrelation zur Position des Abtastspiegels 4.17 wird der momentane Abstand der gemessenen Werkstückoberfläche ermittelt. Eine für die Handhabung und die Anordnung günstige Ausbildung besteht darin, dass das Demodulationsinterferometer 4.22 über eine z. B. monomode Lichtfaser mit dem Modulationsteil des Messsystems verbunden ist, um darüber die mit der Referenzwelle 4.20 überlagerte Messwelle 4.21 aufzunehmen. Die mechanische Bewegung des Abtastspiegels 4.17 kann z. B. durch eine Anordnung mit akusto-optischen Modulatoren ersetzt werden. Die Demodulationsanordnung kann auch ohne bewegte Elemente und mit einem Spektralelement und Photodetektorenzeile nach dem Prinzip eines Kohärenzradars realisiert werden.
Der Bildaufnehmer 4.5 ist z. B. Teil einer Kamera, z. B. einer CMOS-Kamera bzw. einer sehr schnell arbeitenden HDRC-Kamera, wie sie an sich bekannt ist.
Es werden Messaufnehmer und Auswerteverfahren eingesetzt, die eine hohe Messgeschwindigkeit entsprechend dem durchzuführenden Bearbeitungsprozess ermöglichen. Durch die Online-Erfassung wird eine Prozessüberwachung und Prozessregelung ermöglicht.

Claims

1. Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laser-Bearbeitungsgerät (2) zum Erzeugen eines an eine Bearbeitungsstelle (3.2) eines Werkstücks (3) gelenkten Bearbeitungsstrahls (2.1) und einem eine Beleuchtungseinrichtung und eine Beobachtungsvorrichtung aufweisenden Messsystem (4) zum Erfassen von Oberflächendaten des Werkstücks (3) im Bereich der Bearbeitungsstelle (3.2) an mindestens einer Messstelle, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (4) zumindest teilweise mit dem Bearbeitungsgerät (2) verbunden ist und zum Erfassen von 3-D-Oberflächendaten oder Schwingungen ausgebildet ist, wobei das Messsystem nach Art eines Interferometers mit kurzkohärenter Lichtquelle als Weisslichtinterferometer oder Kohärenzlidat ausgebildet ist oder eine konfokale Messvorrichtung ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (4) in der Weise ausgebildet ist, dass die Beleuchtung und Beobachtung in derselben Richtung erfolgen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bearbeitungsgerät (2) ein Strahlteiler (2.2) angeordnet ist, mit dem der Beleuchtungsstrahlengang (4.2) in den Strahlengang des Bearbeitungsstrahls (2.1) eingekoppelt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Beleuchtungsvorrichtung der Bearbeitungslaser ausgenutzt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Weißlichtinterferometer einen in dem Beleuchtungsstrahlengang (4.2) angeordneten Referenzspiegel (4.13) aufweist, der einen Teil des Beleuchtungsstrahls (4.2) als Referenzwelle (4.20) reflektiert und den anderen Teil als Messwelle (4.21) durchlässt,
dass es ferner ein Demodulationsinterferometer (4.22) aufweist, dem die von dem Werkstück (3) mit einer entsprechenden Wegdifferenz kommende, mit der Referenzwelle (4.20) überlagerte Messwelle (4.21) zugeführt wird, und
dass das Demodulationsinterferometer (4.22) einen optischen Arm (4.18), dessen optische Länge mit einer Abtasteinheit (4.17) variierbar ist, und einen Referenzarm aufweist, wobei der optische Arm (4.18) und der Referenzarm einen optischen Wegunterschied aufweisen, der der optischen Wegdifferenz zwischen der Referenzwelle (4.20) und der Messwelle (4.21) für eine Nulllage des Werkstückes (3) entspricht, und
dass die optische Länge des optischen Arms (4.18) mittels der Abtasteinheit (4.17) in einem Bereich geändert wird, der einer maximalen Abstandsänderung der Messstelle des Werkstücks (3) entspricht, wobei die optische Länge durch Steuerung der Abtasteinheit (4.17) überwacht wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit ein bewegter Abtastspiegel (4.17) ist, dessen Position registriert wird, oder eine Wegänderungseinheit mit elektrooptischem Modulator ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Demodulationsinterferometer (4.22) zum Aufnehmen der Referenzwelle (4.20) und der überlagerten Messwelle (4.21) über eine Lichtleitfaser an den Beleuchtungsstrahlengang (4.2) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Demodulationsinterferometer (4.22) nach dem Prinzip eines Kohärenzradars mit einem Spektralelement und einer Photodetektorzeile aufgebaut ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem eine Konfokalmessanordnung mit einem in Beleuchtungsrichtung oszillierenden Fokus aufweist, wobei die von der Messstelle rückgestrahlte Lichtintensität erfasst und hinsichtlich ihres Maximus ausgewertet wird.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung an der Messstelle unter entsprechender Formung des Beleuchtungsstrahl punktuell, linienhaft oder flächenhaft erfolgt.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstelle in einer Bearbeitungszelle vor, an und/oder hinter der Bearbeitungsstelle liegt.

12. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Regelung einer Fokuslage des Bearbeitungsstrahls (2.1), einer Kapillartiefe einer Schweißung, einer Bohrtiefe oder einer Abtragtiefe.