DE102005024085A1

DE102005024085A1 - Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs und Laserbearbeitungskopf

Info

Publication number: DE102005024085A1
Application number: DE102005024085A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Phys. Kogel-Hollacher; Axel Katwinkel
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2006-11-30
Also published as: CN201015816Y

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweiß- oder Laserschneidvorgangs, sowie einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks (21) mittels eines Laserstrahls (13). Um die Qualität eines Bearbeitungsprozesses und/oder den Bearbeitungsverlauf prozessunabhängig zu erfassen und/oder zu überwachen, umfasst eine Überwachungsvorrichtung eine strahlungsempfindliche Empfängeranordnung zur Erfassung von Strahlung aus einem Bereich einer Wechselwirkungszone (20) zwischen einem Laserstrahl (13) und einem Werkstück (21), die zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfänger (16) und zumindest eine Kamera (17) aufweist, zumindest eine Abbildungsvorrichtung, die zumindest einen zu beobachtenden Bereich aus dem Bereich der Wechselwirkungszone (209 auf die Empfängeranordnung (16, 17) abbildet, und einer Auswerteschaltung (22), der Ausgangssignale des zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfängers (16) und der zumindest einen Kamera (17) zeitgleich zugeführt werden und die die empfangenen Ausgangssignale der Empfängeranordnung verarbeitet, um ihrerseits Ausgangssignale zu liefern, die den Verlauf des Laserbearbeitungsvorgangs charakterisieren. Eine derartige Überwachungsvorrichtung ist zweckmäßiger Weise an einem Laserbearbeitungskopf angeordnet, der ein Gehäuse (30), durch das hindurch der Arbeitsstrahlengang (12) für den Laserstrahl (13) geführt ist, und einer Fokussieroptik (11) zur ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweiß- oder Laserschneidvorgangs, sowie einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, der mit einer derartigen Vorrichtung ausgerüstet ist, um die Güte eines Laserbearbeitungsvorgangs durch eine entsprechende Steuer- oder Regelung zu gewährleisten oder zumindest die Güte des Laserbearbeitungsprozesses parallel zur Bearbeitung zu dokumentieren.
Zur Prozessüberwachung bei der Laserbearbeitung, insbesondere beim Laserstrahlschweißen oder -schneiden, also bei der Überwachung von Laserbearbeitungsvorgängen werden Überwachungsvorrichtungen eingesetzt, die als strahlungsempfindliche Empfänger Photodioden oder CCD Bildsensoren verwenden, die optischen Emissionen während des Bearbeitungsprozesses erfassen und aufzeichnen.
Hierzu werden unter anderem externe Systeme eingesetzt, die außen an einem Laserbearbeitungskopf angebaute Sensoren, beispielsweise Flächenkameras, also CCD Bildsensoren mit flächenmäßig angeordneten Empfängerelementen, Zeilenkameras, also CCD Bildsensoren mit zeilenförmig angeordneten Empfängerelementen, oder Photodiodensysteme nutzen.

Aus der DE 100 13 892 A1 ist eine derartige externe Vorrichtung zur Bestimmung der Schweißqualität an einer Schweißnaht zwischen Werkstücken bekannt. Die Vorrichtung umfasst erste und zweite Sensoreinrichtungen die beide mit einer Messvorrichtung verbunden sind, und die die Emissionsintensität von Licht erfassen, das von der Schweißnaht unter verschiedenen Winkeln seitlich emittiert wird.

Aus der DE 39 08 187 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Qualitätssicherung bei Laserstrahlschweißen und -schneiden bekannt, bei dem Strahlung aus dem Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück mit einem oder mehreren Empfängeranordnungen erfasst wird, um nach einer geeigneten Signalverarbeitung ein Signal zu erhalten, das zeigt, ob bei der Laserbearbeitung ein Fehler aufgetreten ist.

Neben externen Systemen zur Überwachung von Laserbearbeitungsvorgängen werden auch Systeme eingesetzt, bei denen für den Strahlungstransport von der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück zu den strahlungsempfindlichen Empfängern zumindest einzelne Elemente des Laserstrahlführungssystems innerhalb des Laserbearbeitungskopfes benutzt werden.

Beispielsweise ist aus der DE 101 20 251 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs bekannt, bei dem die Prozessstrahlung aus dem Wechselwirkungsbereich zwischen Laserstrahl und Werkstück über die Fokussierlinse für den Arbeitslaserstrahl, zu einem Teilerspiegel gelangt, mit dessen Hilfe die aus der Wechselwirkungszone kommende Strahlung aus dem Arbeitsstrahlengang ausgekoppelt wird. Eine dem Teilerspiegel nachgeordnete Abbildungsoptik fokussiert dann die Strahlung auf eine ortsauflösende Empfängeranordnung, die eine Blende zur Bestimmung eines Beobachtungsfeldes auf dem Werkstück aufweist.

Neben der ortsauflösenden Empfängeranordnung ist bei dieser bekannten Vorrichtung eine Beobachtungskamera, beispielsweise eine Videokamera mittels eines Anschlussgehäuses am Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes angebracht. Die Videokamera dient dabei zur Beobachtung der Werkstückoberfläche während der Justierung der Empfängeranordnung.

Die DE 101 60 623 A1 betrifft eine weitere Vorrichtung zum Überwachen eines Laserbearbeitungsvorgangs. Diese bekannte Überwachungsvorrichtung wird mit einem Laserbearbeitungskopf eingesetzt, bei dem ein kollimierter Arbeitslaserstrahl über einen Umlenkspiegel auf einen als Fokussieroptik dienenden Hohlspiegel umgelenkt wird. Der Hohlspiegel weist dabei eine effektive Öffnung auf, die größer ist, als die des Umlenkspiegels. Somit wird ein Teil der von der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück ausgehenden Strahlung, die auf den Hohlspiegel trifft, an dem Umlenkspiegel ringförmig vorbei geführt und kann von einer hinter dem Umlenkspiegel angeordneten Sammellinse auf eine Eintrittsblende einer Empfängeranordnung fokussiert werden. Wird dabei der Abstand zwischen Blende und Sammellinse variiert, so wird der Beobachtungsbereich im Bereich der Wechselwirkungszone entsprechend verschoben. Die Empfängeranordnung ist dabei mit einem posi tionsempfindlichen Detektor ausgerüstet, der ein Signal liefert, das dem Schwerpunkt der spektralen Verteilung der empfangenen optischen Strahlung entspricht.

Neben diesen Überwachungsvorrichtungen, die zur Strahlführung abbildende Elemente des Arbeitsstrahlenganges nutzen, ist aus der DE 198 52 302 A1 eine Prozessüberwachungseinrichtung bekannt, bei der ein Fokussierspiegel für den Arbeitslaserstrahl mit einem Loch versehen ist, durch das aus der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück stammende Strahlung hindurchtreten kann, um von einer hinter dem Loch angeordneten Optik auf einen Detektor gelenkt zu werden. Als Detektor können hierbei Zeilen- oder Flächensensoren eingesetzt werden.

Bei derartigen Überwachungsvorrichtungen müssen die verwendeten Empfänger jeweils nach dem durchzuführenden Bearbeitungsprozess und/oder der zu überwachenden Eigenschaft ausgewählt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs sowie einen Laserbearbeitungskopf bereitzustellen, die bzw. der es ermöglicht, die Qualität eines Bearbeitungsprozesses und/oder den Bearbeitungsverlauf prozessunabhängig zu erfassen und/oder zu überwachen.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und den Laserbearbeitungskopf nach Patentanspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungskopfes weist also eine Strahlungsempfindliche Empfängeranordnung, zumindest eine Abbildungvorrichtung sowie eine Auswerteschaltung für Signale von der Empfängeranordnung auf, die ihrerseits Ausgangssignale liefert, die den Verlauf des Laserbearbeitungsvorgangs charakterisieren. Um eine hochwertige, prozessunabhängige Überwachung des Bearbeitungsvorgangs durchführen zu können, umfasst die Empfängeranordnung zur Erfassung von Strahlung aus dem Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfänger, z. B. eine Photodiode, und zumindest eine Kamera, z. B. mit einem CCD Bildsensor, deren jeweiligen Ausgangssignale zeitgleich der Auswerteschaltung zugeführt werden.

Auf diese Weise ist es möglich, die spezifischen Stärken der einzelnen Empfänger und der Kamera, die prozessabhängig sind, entsprechend dem jeweiligen Bearbeitungsprozess und/oder Bearbeitungsverlauf in einer Überwachungsvorrichtung zu nutzen.

Um die Anpassung der Überwachung des Laserbearbeitungsvorgangs an spezifische Bearbeitungsprozesse weiter zu verbessern, ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Empfängeranordnung einen ersten und zweiten strahlungsempfindlichen Empfänger umfasst, die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen, wobei der oder die strahlungsempfindlichen Empfänger jeweils eine Photodiode umfassen. Je nach der Art des durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs kann es auch zweckmäßig sein, dass der oder die strahlungsempfindlichen Empfänger ein Photodiodenarray, einen PSD oder einen CMOS-Empfänger umfassen.

Als Kamera werden insbesondere ein- oder vorzugsweise zweidimensionale CCD Bildsensoren eingesetzt.

Um den zu beobachtenden Bereich an die Charakteristiken des strahlungsempfindlichen Empfängers und/oder der Kamera anzupassen, ist es zweckmäßig, wenn diesen eine den zu beobachtenden Bereich festlegende Blende zugeordnet ist. Die Blende kann dabei als Positiv oder Negativblende ausgebildet sein, so dass nur Strahlung aus einem bestimmten Bereich in der Umgebung der Wechselwirkungszone zum Empfänger gelangt bzw. Strahlung aus einem spezifischen Bereich der Wechselwirkungszone daran gehindert wird, auf den Empfänger aufzutreffen.

Um einen besonders kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung zu erreichen, ist vorgesehen, dass die zumindest eine Abbildungsvorrichtung eine den Arbeitsstrahlengang definierende Fokussieroptik für den Laserstrahl, ein Element zum Auskoppeln von Strahlung aus dem Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück aus dem Arbeitsstrahlengang und wenigstens eine Fokussieroptik zum Fokussie ren der ausgekoppelten Strahlung auf den zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfänger und die zumindest eine Kamera der Empfängeranordnung aufweist, wobei zweckmäßigerweise dem zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfänger und der zumindest einen Kamera der Empfängeranordnung jeweils eine eigene Fokussieroptik zugeordnet ist, sowie insbesondere jedem der strahlungsempfindlichen Empfänger eine eigene Fokussieroptik zugeordnet ist.

Zur Auskoppelung der aus dem Bereich der Wechselwirkungszone kommenden Strahlung aus dem Arbeitsstrahlengang können verschiedene Strahlteilerelemente vorgesehen werden, die jeweils einen Teil der Strahlung passieren lassen, während sie den anderen in Richtung der Strahlungsempfänger umlenken. Neben herkömmlichen Teilerspiegeln, die eine intensitätsmäßige oder wellenlängenabhängige Aufteilung der Strahlung bewirken, können auch so genannte Scraperspiegel verwendet werden, die eine räumliche Aufteilung der Strahlung bewirken, die also beispielsweise einen außen oder innen liegenden Bereich des Strahlenbündels passieren lassen, während sie den innen bzw. außen liegenden Bereich des Strahlenbündels umlenken. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass das Element zum Auskoppeln von Strahlung aus dem Arbeitsstrahlengang ein teildurchlässiger Spiegel, insbesondere ein dichroitischer Spiegel ist, der den Laserstrahl durchlässt und Strahlung aus einem anderen Spektralbereich als dem des Laserstrahls in Richtung der Empfängeranordnung umlenkt, wobei die Umlenkung der Strahlung aus dem zu beobachtenden Bereich mittels des Spiegel 90° beträgt.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn die aus dem Arbeitsstrahlengang auskoppelte Strahlung mittels wenigstens eines Strahlteilerspiegels in verschiedene Strahlen aufgeteilt wird, die jeweils auf die einzelnen Empfänger und die Kamera gelenkt werden.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kamera mit der ihr zugeordneten Fokussieroptik den Bereich der Wechselwirkungszone direkt beobachtet.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die die Ausgangssignale der Empfängeranordnung verarbeitende Auswerteschaltung Ausgangssignale für eine Steuer- oder Regelschaltung liefert, die den Laserstrahl und/oder den Laserbearbeitungsvorgang steuert bzw. regelt. Dabei ist es besonders zweckmäßig, die Ausgangssignale der Auswerteschaltung auch für eine Dokumentation der Qualität des Laserbearbeitungsvorgangs zu nutzen. Eine derartige Dokumentation kann dann jedem bearbeiteten Werkstück beigegeben werden, so dass beim späteren Auftreten von Gebrauchsschäden des Werkstücks die Ursache hierfür einfacher ermittelt werden kann.

Für den praktischen Einsatz in der Fertigung ist es zweckmäßig, wenn ein Laserbearbeitungskopf, der ein Gehäuse, durch das hindurch ein Arbeitsstrahlengang für den Laserstrahl geführt ist, und eine Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls in einen außerhalb des Gehäuses vorgesehenen Arbeitsfokus aufweist, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung des Laserbearbeitungsvorgangs ausgerüstet ist. Dabei ist es zweckmäßig, wenn wenigstens der zumindest eine strahlungsempfindliche Empfänger der Empfängeranordnung im Gehäuse integriert ist.

Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die strahlungsempfindlichen Empfänger der Empfängeranordnung jeweils in einem Gehäuse aufgenommen sind, die am Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes montiert sind, wobei die zumindest eine Kamera zum Empfang der aus dem Arbeitslaserstrahl ausgekoppelten Strahlung aus dem Bereich der Wechselwirkungszone am Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes montiert ist. Dies ermöglicht auch die Nachrüstung bereits bestehender Laserbearbeitungsköpfe mit einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung.

Die Erfindung wir im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit einer Überwachungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs, im Folgenden kurz Überwachungsvorrichtung genannt, dargestellt, die in einen Laserbearbeitungskopf 10 integriert ist, der nur durch eine Fokussieroptik 11 und einen dadurch festgelegten Arbeitsstrahlengang 12 angedeutet ist. Eine in der erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung vorgesehene Abbildungsvorrichtung umfasst neben der Fokussieroptik 11 für den Laserstrahl 13 einen ersten teildurchlässigen Spiegel 14 zum Auskoppeln der zu beobachtenden Strahlung aus dem Arbeitsstrahlengang 12, einen zweiten teildurchlässigen Spiegel 15 zum Aufteilen der ausgekoppelten Strahlung auf einen strahlungsempfindlichen Empfänger 16 und eine Kamera 17, eine Fokussieroptik 18 zum Fokussieren der aus dem Arbeitsstrahlengang ausgekoppelten Strahlung auf den strahlungsempfindlichen Empfänger 16 und eine nicht näher dargestellte Fokussieroptik in der Kamera 17.
Vor dem strahlungsempfindlichen Empfänger 16 ist zwechmäßiger Weise eine Blende 19 angeordnet, mit der ein Bereich in einer Wechselwirkungszone 20 zwischen Laserstrahl 13 und Werkstück 21 ausgewählt werden kann. Eine entsprechende Blende kann auch vor oder vorzugsweise in der Kamera 17 angeordnet werden.
Der strahlungsempfindliche Empfänger 16 und die Kamera 17 liefern der empfangenen Strahlung entsprechende Ausgangssignale an eine Auswerteschaltung 22, die die Signale des Empfängers 16 und der Kamera 17 verarbeitet, um ihrerseits geeignete Ausgangssignale für eine Qualitätssicherung und für die Steuerung oder Regelung einer Laserbearbeitungsmaschine zu liefern. Die Ausgangssignale der Auswerteschaltung 22, die beispielsweise die Qualität oder Güte des Laserbearbeitungsvorgangs charakterisierende Statussignale sein können, können beispielsweise einer Steuer- oder Regelschaltung 23 zugeführt werden, die an einem Ausgang A entsprechende Steuersignale zum Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine liefert, in deren Laserbearbeitungskopf 10 die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung integriert ist.
Insbesondere wenn als Kamera 17 eine mit einem zweidimensionalen Empfänger, beispielsweise einem CCD Bildsensor, ausgerüstete Kamera vorgesehen ist, kann das Ausgangssignal der Kamera 17 auch an einem Ausgang B für den Anschluss eines Bildschirms geliefert werden, so dass auch während des Laserbearbeitungsvorgangs die Laserbearbeitung von einer Bedienperson optisch bewertet werden kann.
Während des Betriebs der Laserbearbeitungsmaschine, während also beispielsweise ein Laserschweiß- oder -schneidvorgang läuft, wird der Laserstrahl 13 von der Fokussieroptik 11 auf die Oberfläche des Werkstücks 21 fokussiert, wo der Laser mit dem Werkstück wechselwirkt, so dass das Material des Werkstücks im Bereich der Wechselwirkungszone 20 aufgeschmolzen wird. Die Strahlung, die vom Bereich der Wechselwirkungszone 20 ausgeht, wird dann von der Fokussieroptik 11 zurück in den Arbeitsstrahlengang 12 geführt, wo sie mittels des ersten teildurchlässigen Spiegels 14 aus dem Arbeitsstrahlengang 12 ausgekoppelt wird.
Der teildurchlässige Spiegel 14 ist dabei zweckmäßigerweise ein dichroitischer Spiegel, der die Arbeitslaserstrahlung praktisch ungehindert passieren lässt, während er Strahlung aus anderen Spektralbereichen nahezu vollständig reflektiert. Der teildurchlässige Spiegel 14 könnte aber auch als den Arbeitslaserstrahl 13 umgebender Scraperspiegel ausgebildet sein.
Die aus dem Arbeitsstrahlengang 12 ausgekoppelte Strahlung wird dann mit Hilfe eines zweiten teildurchlässigen Spiegels 15 auf die Kamera 17 und dem strahlungsempfindlichen Empfänger 16 aufgeteilt. Der teildurchlässige Spiegel 15 kann dabei ebenfalls dichroitische Eigenschaften aufweisen, die an die spektrale Empfindlichkeit der Kamera 17 und des strahlungsempfindichen Empfängers 16 angepasst sind.
Mit Hilfe der Blende 19, lässt sich ein bestimmter Beobachtungsbereich im Bereich der Wechselwirkungszone 20 auswählen, der ebenfalls entsprechend der spektralen Empfindlichkeit des Empfängers 16 gewählt werden kann. Anders gesagt, kann der strahlungsempfindliche Empfänger 16 im Hinblick auf seine spektrale Empfindlichkeit entsprechend dem zu beobachtenden Bereich ausgewählt werden. Falls beabsichtigt ist, dass die Strahlung aus einer Plasmawolke oberhalb der Wechselwirkungszone erfasst werden soll, wird vor zugsweise ein UV-empfindlicher Empfänger 16 eingesetzt, soll hingegen Strahlung aus dem Bereich des Schmelzbads oder des Randes davon erfasst werden, so wird die Empfindlichkeit des Empfängers auf sichtbares und/oder nahes Infrarotlicht eingestellt.
Als strahlungsempfindlicher Empfänger 16 können entsprechende Photodioden vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, positionsempfindliche Detektoren oder CMOS Empfänger einzusetzen.
Das Ausgangssignal des photo- oder strahlungsempfindlichen Empfängers 16 wird zeitgleich mit dem Ausgangssignal der Kamera 17 an die Auswerteschaltung 22 geliefert, die diese in geeigneter Weise verarbeitet, um Güte-, Status- und/oder Fehlersignale zu bilden. Derartige Güte-, Status- oder Fehlersignale können dann in der Steuer- oder Regelschaltung 23 für die Steuerung oder Regelung einer Laserbearbeitungsmaschine genutzt werden, um entsprechende Signale zum Einstellen der Laserleistung und/oder zum Einstellen von Betriebsparametern für den Bearbeitungsprozess zu bilden, die an einem Ausgang A einer entsprechenden Maschinensteuerung übergeben werden.
Zweckmäßigerweise ist die Auswerteschaltung 22 mit einem weiteren Ausgang C versehen, an dem die entsprechenden Signale zur Aufzeichnung und/oder Anzeige bereitgestellt werden, so dass der Überwachungsprozess dokumentierbar ist.
Wie in 2 dargestellt ist, sind an einem Laserbearbeitungskopf 10, der nur durch einen Abschnitt seines Gehäuses 30, die Fokussieroptik 11 und den Arbeitsstrahlengang 12 mit Laserstrahl 13 angedeutet ist, ein erster strahlungsempfindlicher Empfänger 16', einer zweiter strahlungsempfindlicher Empfänger 16'' und eine Kamera 17 mittels entsprechender Anschlussgehäuse 31, 32 montiert. Das Gehäuse 30 des Laserbearbeitungskopfes 10 weist dazu einen Anschlussabschnitt 33 auf, in dem der Teilerspiegel 14 angeordnet ist, um Strahlung aus dem zu beobachtenden Bereich oder Bereichen im Bereich der Wechselwirkungszone 20 zwischen Laserstrahl 13 und Werkstück 21 aus dem Arbeitsstrahlengang 12 auszukoppeln und in Richtung der Empfängeranordnung zu lenken.
Im Anschlussgehäuse 31 des ersten strahlungsempfindlichen Empfängers 16' ist ein Strahlteiler 15' angeordnet, der einen Teil der ausgekoppelten Strahlung in Richtung des strahlungsempfindlichen Empfängers 16' lenkt. Zwischen dem teildurchlässigen Spiegel 15' und dem strahlungsempfindlichen Empfänger 16' sind eine entsprechende Fokussieroptik 18' und wahlweise ein Filter 34 vorgesehen, so dass die spektrale Charakteristik durch die spektralen Transmissionseigenschaften des Filters 34 und die spektrale Empfindlichkeit des strahlungsempfindlichen Empfängers 16' festgelegt werden.
Das Anschlussgehäuse 31 dient zum einen zur Aufnahme und Halterung des ersten strahlungsempfindlichen Empfängers 16' am Gehäuse 30 des Laserbearbeitungskopfes 10 und zum anderen aber auch zur Halterung des zweiten Anschlussgehäuses 32, in dem wiederum ein teildurchlässiger Spiegel 15'' angeordnet ist, der einen Teil der vom teildurchlässigen Spiegel 15' durchgelassene Strahlung zur Kamera 17 durchläßt und einen anderen auf den zweiten strahlungsempfindlichen Empfänger 16'' lenkt.
In Richtung der ausgekoppelten Strahlung hinter dem teildurchlässigen Spiegel 15'' liegt wiederum eine Fokussieroptik 18'', um die aus dem zu beobachtenden Bereich kommende Strahlung auf den strahlungsempfindlichen Empfänger 16'' zu fokussieren.
Obwohl es grundsätzlich möglich ist, die aus dem Arbeitsstrahlengang ausgekoppelte Strahlung aus dem zu beobachtenden Bereich mit einer einzigen Fokussieroptik auf alle angeschlossenen strahlungsempfindichen Empfänger und Kameras zu fokussieren, ist es erfindungsgemäß von Vorteil, jedem strahlungsempfindlichen Empfänger und jeder Kamera eine eigene Fokussieroptik zuzuordnen, da so jedem strahlungsempfindlichen Empfänger auch ein eigener Beobachtungsbereich zugewiesen werden kann.
Die spektrale Charakteristik der einzelnen Empfänger lässt sich auch noch weiter durch entsprechende dichroitische Teilerspiegel 15', 15'' einstellen, die jeweils nur die für den nachgeschalteten strahlungsempfindichen Empfänger interessante Strahlung auskoppeln und den Rest zu der oder den (nicht dargestellt) Kameras 17 durchlässt.
Erfindungsgemäß wird also aus einem oder mehreren Bereichen im Bereich der Wechselwirkungszone kommende Strahlung zur Prozessüberwachung während eines Laserbearbeitungsvorgangs mit einem, zwei oder mehreren (nicht dargestellt) strahlungsempfindichen Empfängern sowie mit wenigstens einer Kamera zeitgleich in verschieden spektrale Bereiche erfasst, um die Vorteile der verschiedenen Überwachungen je nach durchzuführendem Bearbeitungsprozess voll nutzen zu können. Die von den verschiedenen Empfängern und der Kamera gelieferten Signale werden dann zur Steuerung und/oder Regelung des jeweiligen Laserbearbeitungsvorgangs herangezogen. Insbesondere ist es möglich, hierbei je nach Art des Bearbeitungsvorgangs oder nach Art des zu bearbeitenden Materials die Ausgangssignale einer der Empfänger bevorzugt oder allein zur Bewertung der Güte oder Effektivität des Bearbeitungsvorgangs heranzuziehen.
Mit der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung wird es somit möglich, für einen speziellen Bearbeitungsvorgang jeweils die Empfängeranordnung oder Kamera auszuwählen, die für diesen Prozess die signifikanteste Korrelation zwischen Bearbeitungsqualität und Signal aufweist.

Claims

Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweiss- oder Laserschneidvorgangs, mit – einer strahlungsempfindlichen Empfängeranordnung (16, 17) zur Erfassung von Strahlung aus einem Bereich einer Wechselwirkungszone (20) zwischen einem Laserstrahl (13) und einem Werkstück (21), die zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfänger (16) und zumindest eine Kamera (17) umfasst, – zumindest einer Abbildungsvorrichtung (11, 14, 15, 18), die zumindest einen zu beobachtenden Bereich aus dem Bereich der Wechselwirkungszone (20) auf die Empfängeranordnung (16, 17) abbildet, und – einer Auswerteschaltung (22), der Ausgangssignale des zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfängers (16) und der zumindest einen Kamera (17) zeitgleich zugeführt werden und die die empfangenen Ausgangssignale der Empfängeranordnung verarbeitet, um ihrerseits Ausgangssignale zu liefern, die den Verlauf des Laserbearbeitungsvorgangs charakterisieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängeranordnung einen ersten und zweiten strahlungsempfindlichen Empfänger (16', 16'') umfasst, die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die strahlungsempfindlichen Empfänger (16, 16', 16'') jeweils eine Photodiode umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die strahlungsempfindlichen Empfänger (16, 16', 16'') ein Photodiodenarray, einen PSD oder einen CMOS-Empfänger umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kamera (17) einen ein- oder vorzugsweise einen zweidimensionalen CCD-Bildsensor aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem der strahlungsempfindlichen Empfän ger (16) und/oder der Kamera (17) eine den zu beobachtenden Bereich festlegende Blende (19) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Blende (19) eine positiv oder negativ Blende vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Abbildungsvorrichtung – eine den Arbeitsstrahlengang (12) definierende Fokussieroptik (11) für den Laserstrahl (13), – ein Element (14) zum Auskoppeln von Strahlung aus dem Bereich der Wechselwirkungszone (20) zwischen Laserstrahl (13) und Werkstück (21) aus dem Arbeitsstrahlengang (12) und – wenigstens eine Fokussieroptik (18) zum Fokussieren der ausgekoppelten Strahlung auf den zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfänger (16) und die zumindest eine Kamera (17) der Empfängeranordnung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfänger (16) und der zumindest einen Kamera (17) der Empfängeranordnung jeweils eine eigene Fokussieroptik (18) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der strahlungsempfindlichen Empfänger (16', 16'') eine eigene Fokussieroptik (18', 18'') zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zum Auskoppeln von Strahlung aus dem Arbeitsstrahlengang (12) ein teildurchlässiger Spiegel, insbesondere ein dichroitischer Spiegel (14) ist, der den Laserstrahl (13) durchlässt und Strahlung aus einem anderen Spektralbereich als dem des Laserstrahls (13) in Richtung der Empfängeranordnung umlenkt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkung der Strahlung aus dem zu beobachtenden Bereich mittels des Spiegel (14) 90° beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Arbeitsstrahlengang (12) auskoppelte Strahlung mittels wenigstens eines Strahlteilerspiegels (15) in verschiedene Strahlen aufgeteilt wird, die jeweils auf die einzelnen Empfänger (16) und die Kamera (17) gelenkt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (17) mit der ihr zugeordneten Abbildungsvorrichtung den Bereich der Wechselwirkungszone (20) direkt beobachtet.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Ausgangssignale der Empfängeranordnung (16, 17) verarbeitende Auswerteschaltung (22) Ausgangssignale für eine Steuer- oder Regelschaltung (23) liefert, die den Laserstrahl (13) und/oder den Laserbearbeitungsvorgang steuert bzw. regelt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Ausgangssignale der Empfängeranordnung (16, 17) verarbeitende Auswerteschaltung (22) Ausgangssignale für eine Überwachung und/oder Dokumentation der Qualität des Laserbearbeitungsvorgangs liefert.
Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks (21) mittels eines Laserstrahls (13) mit: – einem Gehäuse (30), durch das hindurch ein Arbeitsstrahlengang (12) für den Laserstrahl (13) geführt ist; – einer Fokussieroptik (11) zur Fokussierung des Laserstrahls (13) in einen außerhalb des Gehäuses (30) vorgesehenen Arbeitsfokus (Wechselwirkungszone 20); und mit – einer Vorrichtung zur Überwachung des Laserbearbeitungsvorgangs nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der zumindest eine strahlungsempfindliche Empfänger (16) der Empfängeranordnung im Gehäuse (30) integriert ist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindlichen Empfänger (16', 16'') der Empfängeranord nung jeweils in einem Gehäuse (31, 32) aufgenommen sind, die am Gehäuse (30) des Laserbearbeitungskopfes (10) montiert sind.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kamera (17) zum Empfang der aus dem Arbeitsstrahl (12) ausgekoppelten Strahlung aus dem Bereich der Wechselwirkungszone (20) am Gehäuse (30) des Laserbearbeitungskopfes (10) montiert ist.