DE102010060958A1 - Laser processing apparatus comprises processing laser for generating processing laser beam to structural change, scan laser for generating scan laser beam, light detector, and reference structure for calibrating unit of control device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Positionsermittlungsvorrichtung, z. B. zur Verwendung zum Ermitteln der Positionierung eines in einer Laserbearbeitungsvorrichtung aufgenommenen Werkstücks, eine Strukturermittlungsvorrichtung, z. B. zur Verwendung zum Ermitteln der Oberflächenstruktur eines in einer Laserbearbeitungsvorrichtung aufgenommenen Werkstücks, und eine Laserbearbeitungsvorrichtung, zum Beispiel zur Verwendung zum strukturverändernden Laserbearbeiten von Werkstücken. Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden gemäß der Finanzhilfevereinbarung Nr. 219050 im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Gemeinschaft (RP7/2007-2013) gefördert.The invention relates to a position detecting device, for. B. for use in determining the positioning of a recorded in a laser processing device workpiece, a structure determination device, for. For use in determining the surface structure of a workpiece received in a laser processing apparatus, and a laser processing apparatus, for example, for use in structurally changing laser processing of workpieces. The work leading to this invention has been funded under the Grant Agreement No 219050 under the Seventh Framework Program of the European Community (FP7 / 2007-2013).
Bearbeitungsvorrichtungen zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Werkzeugs – z. B. eines Fräskopfs, eines Bohrers, eines Laserstrahls oder einer Schweißvorrichtung (etwa einer Schweißelektrode oder eines Schweiß-Brennerkopfs) – erfordern ein präzises Positionieren des Werkstücks.Machining devices for machining a workpiece by means of a tool -. As a milling head, a drill, a laser beam or a welding device (such as a welding electrode or a welding torch head) - require a precise positioning of the workpiece.
Zum Beispiel wird bei Laserbearbeitungsvorrichtungen, z. B. Laserscannern, zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl in der Regel zunächst das Werkstück unterhalb eines Laserscankopfs positioniert und dann mittels eines Laserstrahls bearbeitet, wobei bestimmte Positionen auf dem Werkstück mit einem Laserstrahl angefahren werden, um z. B. an diesen Positionen mittels des Laserlichts Material abzutragen oder auch Teile des Werkstücks durch Laserschweißen miteinander zu verbinden oder voneinander zu trennen.For example, in laser processing devices, e.g. As laser scanners, for processing a workpiece with a laser beam usually first the workpiece positioned below a Laserscankopfs and then processed by means of a laser beam, wherein certain positions are approached on the workpiece with a laser beam to z. B. remove material at these positions by means of the laser light or to connect parts of the workpiece by laser welding together or separate from each other.
Daher erfordert eine solche Laserbearbeitungsvorrichtung in der Regel präzise arbeitende mechanische Zuführungen, wie etwa Schlittentische oder Drehtische, mittels derer das Werkstück unterhalb des Scankopfs positioniert werden kann.Therefore, such a laser processing apparatus typically requires precise mechanical feeds, such as carriage tables or turntables, by means of which the workpiece can be positioned below the scan head.
Durch die Erfindung werden eine Positionsermittlungsvorrichtung, eine Strukturermittlungsvorrichtung und eine Laserbearbeitungsvorrichtung geschaffen, die ein präzises Bearbeiten, z. B. Laserbearbeiten, eines Werkstücks ermöglichen, zeitlich stabil arbeiten und gleichzeitig einfach und kostengünstig herstellbar sind.The invention provides a position-determining device, a structure-determining device and a laser processing device which provide precise machining, e.g. As laser machining, allow a workpiece to work stably and at the same time are simple and inexpensive to produce.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Positionsermittlungsvorrichtung zum Ermitteln der Positionierung eines in einer Laserbearbeitungsvorrichtung aufgenommenen Werkstücks, welche Laserbearbeitungsvorrichtung einen Scan-Laser zum Erzeugen eines Scan-Laserstrahls aufweist, wobei der Scan-Laserstrahl in einem Laser-Koordinatensystem mittels einer Scanstrahl-Führungseinrichtung geführt bewegbar ist, bereitgestellt, aufweisend eine Steuervorrichtung, die mit der Scanstrahl-Führungseinrichtung verbunden ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr der Scan-Laserstrahl mittels der Scanstrahl-Führungseinrichtung dem Laser-Koordinatensystem zugeordnet an mindestens einer Position quer über die Außenumfangskante des in der Laserscanvorrichtung aufgenommenen Werkstücks führbar ist; einen Lichtdetektor, der mit der Steuervorrichtung verbunden ist und derart angeordnet und eingerichtet ist, dass von ihm eine Helligkeitsänderung eines Sekundärlichts in Form von reflektiertem und/oder transmittiertem Scan-Laserstrahl-Licht, die durch das überstreichen der Außenumfangskante des Werkstücks durch den Scan-Laserstrahl hervorgerufen wird, sowie ein die Helligkeitsänderung umfassender Kantenscan-Helligkeitsverlauf erfassbar ist; wobei die Steuervorrichtung ferner derart eingerichtet ist, dass von ihr basierend auf dem Kantenscan-Helligkeitsverlauf, der von dem Lichtdetektor für das überstreichen der mindestens einen Position an der Außenumfangskante des Werkstücks erfasst wird, die Positionierung des Werkstücks bezüglich des Laser-Koordinatensystems ermittelbar ist.According to one aspect of the invention, a position detecting device is provided for determining the positioning of a workpiece received in a laser processing device, the laser processing device having a scanning laser for generating a scanning laser beam, wherein the scanning laser beam is guided in a laser coordinate system by means of a scanning beam guiding device is provided with a control device which is connected to the scanning beam guiding device and is arranged such that from it the scanning laser beam by means of the scanning beam guiding means associated with the laser coordinate system at at least one position across the outer peripheral edge of the in the Laserscanvorrichtung taken workpiece is feasible; a light detector, which is connected to the control device and is arranged and arranged such that a change in brightness of a secondary light in the form of reflected and / or transmitted scanning laser beam light by the sweeping of the outer peripheral edge of the workpiece by the scanning laser beam is caused, as well as a brightness change comprehensive Kantenscan brightness curve is detected; wherein the control device is further arranged such that it can determine the positioning of the workpiece with respect to the laser coordinate system based on the edge scan brightness course, which is detected by the light detector for sweeping the at least one position on the outer peripheral edge of the workpiece.
Zum Beispiel kann die Positionsermittlungsvorrichtung Bestandteil einer Bearbeitungsvorrichtung sein, die zum Bearbeiten des Werkstücks mittels eines Werkzeugs vorgesehen ist, wobei z. B. die mittels der Ermittlungsvorrichtung ermittelte Positionierung des Werkstücks von der Bearbeitungsvorrichtung zum Positionieren bzw. Führen des Werkzeugs bezüglich des Werkstücks verwendet werden kann. Zum Beispiel kann die Positionsermittlungsvorrichtung zum Ermitteln der Positionierung eines Werkstücks in einer Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen sein.For example, the position detecting device may be part of a processing device that is provided for machining the workpiece by means of a tool, wherein z. B. the determined by means of the determination device positioning of the workpiece from the processing device for positioning or guiding the tool with respect to the workpiece can be used. For example, the position detecting device may be provided for detecting the positioning of a workpiece in a laser processing apparatus.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung bereitgestellt, aufweisend einen Bearbeitungs-Laser zum Erzeugen eines Bearbeitungs-Laserstrahls zum strukturverändernden Modifizieren eines in der Laserbearbeitungsvorrichtung aufgenommenen Werkstücks, wobei der Bearbeitungs-Laserstrahl in einem ihm zugeordneten Laser-Koordinatensystem mittels einer Bearbeitungsstrahl-Führungseinrichtung geführt bewegbar ist; einen Scan-Laser zum Erzeugen eines Scan-Laserstrahls, wobei der Scan-Laserstrahl mittels einer Scanstrahl-Führungseinrichtung gemäß dem Laser-Koordinatensystem geführt bewegbar ist; eine Steuervorrichtung, die mit der Bearbeitungsstrahl-Führungseinrichtung und der Scanstrahl-Führungseinrichtung verbunden ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr der Scan-Laserstrahl mittels der Scanstrahl-Führungseinrichtung dem Laser-Koordinatensystem zugeordnet an mindestens einer Position quer über die Außenumfangskante eines in der Laserbearbeitungsvorrichtung aufgenommenen Werkstücks führbar ist; einen Lichtdetektor, der mit der Steuervorrichtung verbunden ist und derart angeordnet und eingerichtet ist, dass von ihm eine Helligkeitsänderung eines Sekundärlichts in Form von reflektiertem und/oder transmittiertem Scan-Laserstrahl-Licht, die durch das Überstreichen der Außenumfangskante des Werkstücks durch den Scan-Laserstrahl hervorgerufen wird, sowie ein die Helligkeitsänderung umfassender Kantenscan-Helligkeitsverlauf erfassbar ist; wobei die Steuervorrichtung ferner derart eingerichtet ist, dass von ihr basierend auf dem Kantenscan-Helligkeitsverlauf, der von dem Lichtdetektor für das Überstreichen der mindestens einen Position an der Außenumfangskante des Werkstücks erfasst wird, die Positionierung des Werkstücks bezüglich des Laser-Koordinatensystems ermittelbar ist.According to one aspect of the invention, there is provided a laser processing apparatus comprising a processing laser for generating a processing laser beam for structurally modifying a workpiece received in the laser processing apparatus, the processing laser beam being movably guided in a laser coordinate system associated therewith by means of a processing beam guiding means is; a scanning laser for generating a scanning laser beam, wherein the scanning laser beam is guided guided by a scanning beam guiding device according to the laser coordinate system; a control device, which is connected to the processing beam guiding device and the scanning beam guiding device and is arranged such that from the scanning laser beam by means of the scanning beam guide means associated with the laser coordinate system at at least one position across the outer peripheral edge of a in the laser processing device taken workpiece is feasible; a light detector, which is connected to the control device and is arranged and arranged such that one of them Change in brightness of a secondary light in the form of reflected and / or transmitted scanning laser beam light, which is caused by the sweeping of the outer peripheral edge of the workpiece by the scanning laser beam, as well as an edge scan comprising the brightness change is detectable; wherein the control device is further configured such that it can determine the positioning of the workpiece with respect to the laser coordinate system based on the edge scan brightness course, which is detected by the light detector for sweeping the at least one position on the outer peripheral edge of the workpiece.
Indem, z. B. direkt vor einem Bearbeitungsschritt, die Positionierung des Werkstücks unter Verwendung des Scan-Lasers bezüglich des Laser-Koordinatensystems ermittelt werden kann, braucht das Werkstück nicht vorab bezüglich des Laser-Koordinatensystems präzise positioniert werden.By, for. For example, just before a machining step, the positioning of the workpiece using the scanning laser with respect to the laser coordinate system can be determined, the workpiece does not need to be precisely positioned in advance with respect to the laser coordinate system.
Der Begriff „strukturveränderndes Modifizieren” umfasst hier z. B. jegliche Art von strukturveränderndem Bearbeiten eines Werkstücks durch Energieeintrag mittels eines Laserstrahls, wie etwa Trennen oder Schneiden (d. h. das Trennen zweier Teile eines Werkstücks mittels Lasereinwirkung), Verbinden (d. h. das Verbinden, z. B. durch Löten oder Schweißen, zweier Teile mittels Lasereinwirkung), Materialauftragen (z. B. durch Sintern oder Beschichten, z. B. durch Schichtabscheidung mittels Laserstrahlverdampfens), Materialabtragen (z. B. Entschichten, Oberflächen- und Tiefen-Gravur, Bohren, oder Materialabtrag mittels Laserablation), oder auch Materialumwandeln (z. B. Innengravur von transparenten Materialien, Texturieren, Anlassen, Dotieren, Härten, Aufschäumen, Karbonisieren, z. B. durch Strukturumwandlung des laserbestrahlten Materials) und kalte Ablation durch Ultrakurzpulslaser. Die strukturverändernde Wirkung kann dabei z. B. auf Wärmeeintrag durch den Laserstrahl oder auch auf durch das Laserlicht hervorgerufenen, z. B. photochemischen, Reaktionen beruhen. Unter dem Begriff „Laserbearbeiten” werden im Folgenden zusammenfassend alle, z. B. die oben genannten, strukturverändernden Bearbeitungsarten mittels eines Laserstrahls verstanden. Die Werkstücke können z. B. aus Metall und/oder Kunststoff oder aus irgendeinem anderen von einem Laser strukturveränderbaren Material sein.The term "structure-modifying modification" here includes, for. For example, any kind of structurally altering machining of a workpiece by energy input by means of a laser beam, such as cutting or cutting (ie, separating two parts of a workpiece by laser action), (ie, joining, eg by soldering or welding, two parts Laser action), material application (eg by sintering or coating, eg by layer deposition by laser beam evaporation), material removal (eg decoating, surface and deep engraving, drilling, or material removal by means of laser ablation), or material conversion (eg, interior engraving of transparent materials, texturing, tempering, doping, curing, foaming, carbonizing, eg, by structural conversion of the laser-irradiated material) and cold ablation by ultrashort pulse lasers. The structure-changing effect can be z. B. on heat input caused by the laser beam or on caused by the laser light, z. As photochemical, reactions based. The term "laser processing" are summarized below all, z. B. understood the above-mentioned, structurally altering types of processing by means of a laser beam. The workpieces can z. B. of metal and / or plastic or any other structurally changeable by a laser material.
Der Scan-Laser und der Bearbeitungs-Laser können z. B. jeweils als Dauerstrichlaser (CW-Laser) oder als Pulslaser ausgeführt sein. Der Scan-Laser kann z. B. derart ausgebildet sein, dass der Scan-Laserstrahl zum nicht-strukturverändernden (d. h. strukturerhaltenden) Abtasten (z. B. des Werkstücks) geeignet ist, wobei z. B. die Wellenlänge und/oder die Intensität des Scan-Laserstrahls, z. B. mittels der Steuervorrichtung, derart eingestellt werden können, dass der Scan-Laserstrahl beim Auftreffen auf dem Werkstück keine Strukturveränderung des Werkstücks bewirkt.The scanning laser and the processing laser can z. B. in each case as a continuous wave laser (CW laser) or as a pulse laser. The scan laser can z. B. be designed such that the scanning laser beam for non-structure-changing (i.e., structure-preserving) scanning (eg., The workpiece) is suitable, wherein z. As the wavelength and / or intensity of the scanning laser beam, z. Example, by means of the control device, can be set such that the scanning laser beam causes no structural change of the workpiece when hitting the workpiece.
Beim Überstreichen der Außenumfangskante des Werkstücks, welches z. B. in einer Werkstückaufnahmevorrichtung der Laserbearbeitungsvorrichtung aufgenommen sein kann, kann sich das Reflexionsverhalten und/oder das Transmissionsverhalten des (als Primärlicht) einfallenden Scan-Laserstrahls ändern, wobei sich ein (als Sekundärlicht) reflektierter und/oder transmittierter Anteil des Lichts des Scan-Laserstrahls (bzw. Scan-Laserlichts) ändern kann. Zum Beispiel können ein reflektierter und/oder ein transmittierter Anteil des Scan-Laserlichts verschiedene Werte annehmen, je nachdem, ob der Scan-Laserstrahl auf dem Werkstück auftrifft oder an diesem vorbei läuft (z. B., wenn sich die optischen Eigenschaften des Werkstücks von denen der Umgebung des Werkstücks unterscheiden).When sweeping the outer peripheral edge of the workpiece, which z. B. may be included in a workpiece receiving device of the laser processing device, the reflection behavior and / or the transmission behavior of the (primary) incident scan laser beam may change, with a (secondary) reflected and / or transmitted portion of the light of the scanning laser beam (or scan laser light) can change. For example, a reflected and / or transmitted portion of the scanning laser light may take on different values depending on whether the scanning laser beam impinges on or passes the workpiece (eg, when the optical properties of the workpiece exceed those of the environment of the workpiece differ).
Hierbei umfasst der Begriff „reflektiertes” Licht z. B. auch (z. B. an dem Werkstück oder an einer Werkstückaufnahmevorrichtung) diffus reflektiertes und in Rückwärtsrichtung (entgegen der Einfallsrichtung auf das Werkstück, in eine Richtung zu dem einfallenden Scanstrahl-Licht hin) gestreutes Scan-Laserlicht, während der Begriff „transmittiertes” Licht z. B. auch (z. B. an dem Werkstück) in Vorwärtsrichtung gestreutes und an dem Werkstück vorbei gelaufenes Scan-Laserlicht umfasst, wobei die Wellenlängen des reflektierten und des transmittierten Lichts auch von der Wellenlänge des einfallenden Scan-Laserlichts verschieden sein können.Here, the term "reflected" light z. Also, for example, (eg, on the workpiece or on a workpiece receiving device) diffusely reflected and in the reverse direction (opposite to the direction of incidence on the workpiece, in a direction to the incident scanning beam light back) scattered scanning laser light, while the term "transmitted "Light z. B. also includes (eg on the workpiece) scattered in the forward direction and past the workpiece passed scanning laser light, wherein the wavelengths of the reflected and transmitted light may also be different from the wavelength of the incident scanning laser light.
Gemäß einer Ausführungsform der Positionsermittlungsvorrichtung bzw. der Laserbearbeitungsvorrichtung ist die Steuervorrichtung ferner derart eingerichtet, dass von ihr aus dem Kantenscan-Helligkeitsverlauf, der von dem Lichtdetektor für das Überstreichen der mindestens einen Position an der Außenumfangskante des Werkstücks erfasst wird, die zugehörige Position der Außenumfangskante bezüglich des Laser-Koordinatensystems anhand des Übergangs zwischen zwei im Wesentlichen konstanten Helligkeitsniveaus ermittelt wird.According to an embodiment of the position detecting device or the laser processing device, the control device is further configured such that from the edge scanning brightness course, which is detected by the light detector for sweeping the at least one position on the outer peripheral edge of the workpiece, the corresponding position of the outer peripheral edge of the laser coordinate system is determined by the transition between two substantially constant brightness levels.
Zum Beispiel kann sich beim Überstreichen der Außenumfangskante eines Werkstücks aus einem (bei der Wellenlänge des verwendeten Laserlichts) stark reflektierenden und lichtundurchlässigen Material, wenn der Scan-Laserstrahl das Werkstück verlässt, die Helligkeit des reflektierten Anteils des Scan-Laserlichts von einem Niveau mit einer höheren Helligkeit (d. h. Lichtintensität) zu einem Niveau mit einer niedrigeren Helligkeit ändern, wohingegen sich die Helligkeit des transmittierten Anteils des Scan-Laserlichts von einem Niveau mit einer niedrigeren Helligkeit zu einem Niveau mit einer höheren Helligkeit ändern kann, wobei die Position der Außenumfangskante jeweils durch den Übergang zwischen den beiden im Wesentlichen konstanten Helligkeitsniveaus gegeben sein kann.For example, when sweeping the outer peripheral edge of a workpiece from a highly reflective and opaque material (at the wavelength of the laser light used), as the scanning laser beam exits the workpiece, the brightness of the reflected portion of the scanning laser light may change from a higher level Brightness (ie, light intensity) change to a lower brightness level, whereas the brightness of the transmitted portion of the scanning laser light changes from a lower brightness level to a higher brightness level can change, wherein the position of the outer peripheral edge can be given by the transition between the two substantially constant brightness levels.
Gemäß einer Ausführungsform der Positionsermittlungsvorrichtung bzw. der Laserbearbeitungsvorrichtung ist die Steuervorrichtung derart eingerichtet, dass von ihr der Scan-Laserstrahl an der mindestens einen Position in beide Querrichtungen verlaufend quer über die Außenumfangskante des Werkstücks geführt wird.According to one embodiment of the position-determining device or the laser processing device, the control device is set up in such a way that it guides the scanning laser beam at the at least one position in both transverse directions transversely across the outer peripheral edge of the workpiece.
Durch dieses bidirektionale Scannen kann z. B. ein Schleppfehler oder Verzögerungsfehler, der einen Unterschied zwischen einer zu einem bestimmten Zeitpunkt mit dem Scan-Laserstrahl angesteuerten Soll-Position auf dem Werkstück und der zu diesem Zeitpunkt tatsächlich vorliegenden Ist-Position des Scan-Laserstrahls kennzeichnet, bei der Auswertung der Kantenscan-Helligkeitsverläufe eliminiert werden, so dass eine präzise Ermittlung der Positionierung des Werkstücks ohne Kenntnis dieses Verzögerungsfehlers erfolgen kann.By this bidirectional scanning can z. For example, a following error or delay error that characterizes a difference between a target position on the workpiece which is controlled by the scan laser beam at a particular time and the actual position of the scan laser beam actually present at this point in the evaluation of the edge scan. Brightness gradients are eliminated, so that a precise determination of the positioning of the workpiece can be done without knowledge of this delay error.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Steuervorrichtung alternativ und/oder zusätzlich derart eingerichtet, dass von ihr der Scan-Laserstrahl mittels der Scanstrahl-Führungseinrichtung dem Laser-Koordinatensystem zugeordnet über eine Oberfläche eines in der Laserbearbeitungsvorrichtung aufgenommenen Werkstücks führbar ist; wobei der Lichtdetektor alternativ und/oder zusätzlich derart angeordnet und eingerichtet ist, dass von ihm eine Helligkeitsänderung eines Sekundärlichts in Form von an dem Werkstück reflektiertem und/oder durch das Werkstück transmittiertem Scan-Laserstrahl-Licht, die beim Überstreichen der Oberfläche des Werkstücks mit dem Scan-Laserstrahl erzeugt wird, sowie ein die Helligkeitsänderung umfassender Oberflächenscan-Helligkeitsverlauf erfassbar ist; und wobei die Steuervorrichtung alternativ und/oder zusätzlich derart eingerichtet ist, dass von ihr aus dem Oberflächenscan-Helligkeitsverlauf die Struktur der Oberfläche des Werkstücks ermittelbar ist. Gemäß diesem Aspekt kann somit z. B. eine Strukturermittlungsvorrichtung zum Ermitteln der Oberflächenstruktur eines in einer Laserbearbeitungsvorrichtung aufgenommenen Werkstücks bereitgestellt werden.According to a further aspect of the invention, the control device is alternatively and / or additionally configured such that the scan laser beam can be guided by the scanning beam guiding device assigned to the laser coordinate system via a surface of a workpiece received in the laser processing device; wherein the light detector is alternatively and / or additionally arranged and arranged such that from it a change in brightness of a secondary light in the form of reflected on the workpiece and / or transmitted through the workpiece scan laser beam light when sweeping the surface of the workpiece with the Scanning laser beam is generated, as well as the brightness change comprehensive surface scan brightness curve is detected; and wherein the control device is alternatively and / or additionally set up such that the structure of the surface of the workpiece can be determined from the surface scan brightness curve. According to this aspect can thus z. For example, a texture detection apparatus for detecting the surface structure of a workpiece received in a laser processing apparatus can be provided.
Der Begriff „Struktur der Oberfläche” umfasst hier z. B. eine Struktur, die durch eine drei-dimensionale Strukturierung der Oberfläche (z. B. durch in der Oberfläche ausgebildete Vertiefungen) gebildet ist, aber auch eine durch eine Rauigkeit der Oberfläche und/oder unterschiedliche Materialien gebildete Struktur. Zum Beispiel kann beim Überstreichen der Oberfläche eines Werkstücks in Form eines Lochgitters aus einem (bei dem verwendeten Laserlicht) lichtundurchlässigen Material mit dem Scan-Laserstrahl die Lochgitter-Struktur der Oberfläche des Werkstücks anhand eines entsprechenden Hell-Dunkel-Musters des transmittierten Scanstrahl-Lichts ermittelt werden. Des Weiteren kann z. B. beim Überstreichen einer Oberfläche eines Werkstücks, die aus unterschiedlichen Materialien mit jeweils bekannten unterschiedlichen Reflexions- und Absorptionskoeffizienten besteht, die Material-Struktur der Oberfläche anhand eines entsprechenden Graustufen-Musters des reflektierten und/oder des transmittierten Scanstrahl-Lichts ermittelt werden, wobei unterschiedliche Graustufen unterschiedlichen Reflexions- bzw. Transmissionskoeffizienten und somit unterschiedlichen Materialien zugeordnet werden können. Ferner kann bei gleichbleibendem Material eine beim Überstreichen einer Kante (z. B. am Rand einer Vertiefung) auftretende Variation des reflektierten und/oder des transmittierten Scanstrahl-Lichts die Ermittlung der Kantenposition ermöglichen. Die Rauigkeit der Oberfläche kann z. B. anhand eines durch eine erhöhte Streuung reduzierten Anteils des gerichtet reflektierten und/oder transmittierten Scanstrahl-Lichts erfasst werden.The term "structure of the surface" here includes z. For example, a structure formed by a three-dimensional patterning of the surface (eg, by depressions formed in the surface), but also a structure formed by a roughness of the surface and / or different materials. For example, when sweeping the surface of a workpiece in the form of a perforated grid from a (in the laser light used) opaque material with the scanning laser beam, the perforated grid structure of the surface of the workpiece using a corresponding light-dark pattern of the transmitted scanning beam light determined become. Furthermore, z. Example, when sweeping a surface of a workpiece, which consists of different materials, each with known different reflection and absorption coefficients, the material structure of the surface using a corresponding gray scale pattern of the reflected and / or the transmitted scanning beam light are determined, wherein different Grayscale different reflection or transmission coefficients and thus different materials can be assigned. Furthermore, with the material remaining the same, a variation of the reflected and / or the transmitted scanning beam light occurring when passing over an edge (for example at the edge of a depression) can enable the edge position to be determined. The roughness of the surface can z. B. be detected by a reduced by an increased scattering proportion of the directionally reflected and / or transmitted scanning beam light.
Gemäß einer Ausführungsform der Strukturermittlungsvorrichtung bzw. der Laserbearbeitungsvorrichtung ist die Steuervorrichtung ferner derart eingerichtet, dass von ihr der Übergang zwischen zwei im Wesentlichen konstanten Helligkeitsniveaus in dem Oberflächenscan-Helligkeitsverlauf als eine Strukturabgrenzung erkannt wird.According to an embodiment of the structure determination device or the laser processing device, the control device is further configured such that it detects the transition between two substantially constant brightness levels in the surface scan brightness curve as a structure boundary.
Der Begriff „Strukturabgrenzung” umfasst z. B. die Konturen der oben aufgeführten Strukturen bzw. Strukturübergänge. Zum Beispiel kann beim Überstreichen einer solchen Strukturabgrenzung zwischen Gebieten mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften, z. B. zwischen Gebieten unterschiedlicher Materialien und/oder unterschiedlicher Rauigkeiten, mit dem Scan-Laserstrahl die Position der Strukturabgrenzung anhand der aus diesen unterschiedlichen optischen Eigenschaften resultierenden unterschiedlichen (aber jeweils konstanten) Helligkeitsniveaus ermittelt werden, ohne dass die optischen Eigenschaften oder die Beschaffenheit der jeweiligen Gebiete im Einzelnen bekannt sein müssen.The term "structure delimitation" includes z. B. the contours of the structures listed above or structure transitions. For example, when sweeping such a structure boundary between regions having different optical properties, e.g. B. between areas of different materials and / or different roughness, with the scan laser beam, the position of the structure boundary on the basis of these different optical properties resulting different (but each constant) brightness levels are determined without the optical properties or the nature of the respective areas must be known in detail.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Strukturermittlungsvorrichtung bzw. der Laserbearbeitungsvorrichtung ist die Steuervorrichtung ferner derart eingerichtet, dass von ihr zum Ermitteln des Oberflächenscan-Helligkeitsverlaufs der Scan-Laserstrahl bidirektional über die Oberfläche des Werkstücks geführt wird.According to a further embodiment of the structure determination device or the laser processing device, the control device is further configured such that the scanning laser beam is guided bidirectionally over the surface of the workpiece for determining the surface scan brightness course.
Durch dieses bidirektionale Scannen kann z. B. ein Schleppfehler oder Verzögerungsfehler bei der Positionierung des Scan-Laserstrahls bei der Auswertung des Oberflächenscan-Helligkeitsverlaufs eliminiert werden.By this bidirectional scanning can z. As a lag error or delay error in the positioning of the scanning laser beam in the evaluation of the surface scan brightness curve can be eliminated.
Gemäß einer Ausführungsform der Laserbearbeitungsvorrichtung sind der Bearbeitungs-Laser und der Scan-Laser identisch. Zum Beispiel kann der Bearbeitungs-Laser gleichzeitig als Scan-Laser verwendet werden, wobei z. B. während des Scannens zum Ermitteln der Positionierung und/oder der Oberflächenstruktur des Werkstücks der Bearbeitungs-Laser mit einer geringeren Intensität, die z. B. unterhalb einer zum (strukturverändernden) Laserbearbeiten des Werkstücks erforderlichen Intensität (z. B. unterhalb des Materialabtrags-Schwellenwerts des zu bearbeitenden Werkstücks) liegt, betrieben werden kann als während des Laserbearbeitens des Werkstücks. Gemäß dieser Ausführung kann die Laserbearbeitungsvorrichtung also lediglich einen einzigen Laser, der sowohl Bearbeitungs-Laser als auch Scan-Laser ist, aufweisen. Bei dieser Ausführung können dann die Bearbeitungsstrahl-Führungseinheit und die Scanstrahl-Führungseinheit der Laserbearbeitungsvorrichtung ebenfalls identisch sein, d. h. es kann lediglich eine einzige Führungseinheit zum Führen eines Laserstrahls, der sowohl als Bearbeitungs-Laserstrahl als auch als Scan-Laserstrahl dient, vorgesehen sein. According to an embodiment of the laser processing apparatus, the processing laser and the scanning laser are identical. For example, the processing laser can be used simultaneously as a scanning laser, wherein z. B. during scanning to determine the positioning and / or the surface structure of the workpiece of the machining laser with a lower intensity, the z. B. below a (structurally changing) laser processing of the workpiece required intensity (eg, below the material removal threshold of the workpiece to be machined), can be operated as during the laser machining of the workpiece. Thus, according to this embodiment, the laser processing apparatus can have only a single laser, which is both a processing laser and a scanning laser. In this embodiment, the processing beam guiding unit and the scanning beam guiding unit of the laser processing apparatus may be identical, ie, only a single guiding unit may be provided for guiding a laser beam serving as both a machining laser beam and a scanning laser beam.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der jeweiligen Ermittlungsvorrichtung bzw. der Laserbearbeitungsvorrichtung ist der Lichtdetektor derart angeordnet, dass er sich auf einer Seite eines in der Laserbearbeitungsvorrichtung aufgenommenen Werkstücks befindet, die einer Scan-Laserstrahl-Einfallsseite des Werkstücks abgewandt ist, wobei der Lichtdetektor derart eingerichtet ist, dass von ihm die Helligkeitsänderung des Sekundärlichts in Form von transmittiertem Scan-Laserstrahl-Licht erfasst wird.According to another embodiment of the respective detection device or the laser processing device, the light detector is arranged such that it is located on one side of a workpiece received in the laser processing device, which faces away from a scanning laser beam incidence side of the workpiece, wherein the light detector is arranged such that it detects the change in brightness of the secondary light in the form of transmitted scanning laser beam light.
Gemäß dieser Ausführung kann z. B. von dem Werkstück transmittiertes Scan-Laserstrahl-Licht direkt von dem Lichtdetektor erfasst werden, ohne z. B. über zusätzliche Umlenkvorrichtungen, wie etwa Umlenkspiegel, geleitet zu werden.According to this embodiment, for. B. transmitted from the workpiece scan laser beam light can be detected directly from the light detector, without z. B. on additional deflection devices, such as deflecting mirror to be passed.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der jeweiligen Ermittlungsvorrichtung bzw. der Laserbearbeitungsvorrichtung ist der Lichtdetektor derart angeordnet, dass er sich auf einer Scan-Laserstrahl-Einfallsseite eines in der Laserbearbeitungsvorrichtung aufgenommenen Werkstücks befindet, und ist derart eingerichtet, dass von ihm die Helligkeitsänderung des Sekundärlichts in Form von reflektiertem Scan-Laserstrahl-Licht erfasst wird.According to another embodiment of the respective detection device or the laser processing device, the light detector is arranged such that it is located on a scan laser beam incidence side of a recorded in the laser processing device workpiece, and is arranged such that the brightness change of the secondary light in the form of reflected scan laser beam light is detected.
Gemäß dieser Ausführung kann z. B. von dem Werkstück reflektiertes Scan-Laserstrahl-Licht direkt von dem Lichtdetektor erfasst werden, ohne z. B. über zusätzliche Umlenkvorrichtungen, wie etwa Umlenkspiegel, geleitet zu werden.According to this embodiment, for. B. reflected from the workpiece scan laser beam light can be detected directly from the light detector, without z. B. on additional deflection devices, such as deflecting mirror to be passed.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der jeweiligen Ermittlungsvorrichtung bzw. der Laserbearbeitungsvorrichtung weist der Lichtdetektor auf: eine Lichtstreuplatte, die derart angeordnet ist, dass sie das Sekundärlicht empfangen kann, und derart ausgebildet ist, dass sie das Sekundärlicht diffus streuen kann; und einen oder mehrere Lichtsensoren, die derart angeordnet sind, dass sie die Intensität des von der Lichtstreuplatte empfangene Sekundärlichts erfassen können.According to another embodiment of the respective detection apparatus and the laser processing apparatus, the light detector comprises: a light diffusion plate arranged to receive the secondary light and configured to diffuse the secondary light diffusively; and one or more light sensors arranged to detect the intensity of the secondary light received by the light-scattering plate.
Diese Ausführung kann eine großflächige, ortsunabhängige Erfassung des von dem Scan-Laserlicht hervorgerufenen Sekundärlichts ermöglichen. Der Begriff „Lichtstreuplatte” umfasst hier z. B. eine Platte aus einem (bei der Wellenlänge des verwendeten Laserlichts) lichtdurchlässigen Material, wie etwa aus Glas oder aus einem Kunststoff (z. B. Plexiglas), mit einer ebenen und glatten Vorderseite zum Empfangen des Sekundärlichts, wobei die Rückseite der Platte mit einer Lichtstreuschicht ausgebildet ist. Somit kann das zu detektierende Sekundärlicht auf die Vorderseite der Platte auftreffen, an der Lichtstreuschicht diffus gestreut werden, und z. B. mittels wiederholter aufeinanderfolgender Totalreflexion (oder Reflexion) an der Vorderseite und (diffuser) Streuung an der Rückseite unabhängig vom Ort des Auftreffens auf die Platte gleichmäßig über die gesamte Fläche der Platte verteilt werden und z. B. durch am Außenumfang der Platte angeordnete Lichtsensoren, z. B. Photodioden, erfasst werden. Somit kann z. B. die Helligkeit des auf die Lichtstreuplatte auftreffenden Sekundärlichts im Wesentlichen unabhängig von der Anordnung des Lichtsensors oder der Lichtsensoren bezüglich der Platte erfasst werden.This embodiment can enable a large-area, location-independent detection of the secondary light caused by the scanning laser light. The term "light scattering plate" here includes z. B. a plate of a (at the wavelength of the laser light used) translucent material, such as glass or plastic (eg Plexiglas), with a flat and smooth front for receiving the secondary light, wherein the back of the plate with a light-scattering layer is formed. Thus, the secondary light to be detected can impinge on the front of the plate, are diffused at the light-scattering layer, and z. B. by repeated successive total reflection (or reflection) at the front and (diffuse) scattering at the back regardless of the place of impact on the plate evenly over the entire surface of the plate are distributed and z. B. by arranged on the outer circumference of the plate light sensors, z. B. photodiodes, are detected. Thus, z. B. the brightness of the incident on the light scattering plate secondary light are detected substantially independently of the arrangement of the light sensor or the light sensors with respect to the plate.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die jeweilige Ermittlungsvorrichtung bzw. die Laserbearbeitungsvorrichtung ferner auf: eine Referenzstruktur zum Kalibrieren der mittels der Steuervorrichtung und der Scanstrahl-Führungseinrichtung erzielten Positionierung des Scan-Laserstrahls; wobei die Steuervorrichtung ferner derart eingerichtet ist, dass von ihr mittels der Scanstrahl-Führungseinrichtung der Scan-Laserstrahl über die Referenzstruktur führbar ist; wobei der Lichtdetektor derart eingerichtet ist, dass von ihm eine Helligkeitsänderung eines Sekundärlichts in Form von an der Referenzstruktur reflektiertem und/oder durch die Referenzstruktur transmittiertem Scan-Laserstrahl-Licht, die beim Überstreichen der Referenzstruktur mit dem Scan-Laserstrahl erzeugt wird, sowie ein die Helligkeitsänderung umfassender Kalibrier-Helligkeitsverlauf erfassbar ist; und wobei die Steuervorrichtung ferner derart eingerichtet ist, dass von ihr mittels des Kalibrier-Helligkeitsverlaufs die mittels der Steuervorrichtung und der Scanstrahl-Führungseinrichtung erzielte Positionierung des Scan-Laserstrahls kalibrierbar ist.According to a further embodiment, the respective determining device or the laser processing device further comprises: a reference structure for calibrating the positioning of the scanning laser beam achieved by means of the control device and the scanning beam guiding device; wherein the control device is further arranged such that by means of the scanning beam guide means of the scanning laser beam can be guided via the reference structure; wherein the light detector is arranged such that from it a change in brightness of a secondary light in the form of reflected at the reference structure and / or transmitted through the reference structure scan laser beam light, which is generated when sweeping the reference structure with the scanning laser beam, as well as the Brightness change comprehensive calibration brightness curve is detected; and wherein the control device is further configured such that the position of the scanning laser beam achieved by means of the control device and the scanning beam guiding device can be calibrated by means of the calibration brightness curve.
Diese Ausführung kann ein Kalibrieren der Laserstrahl-Positionierung der Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. des Laser-Koordinatensystems ermöglichen. Die Referenzstruktur kann z. B. als ein Lochgitter, das als Normal dient, ausgebildet sein. Zum Beispiel können von der Steuervorrichtung beim Abscannen der Referenzstruktur, die als Messnormal oder Positionierungs-Normal dienen kann, Abweichungen der Ist-Positionierung des Scan-Laserstrahls von einer angesteuerten Soll-Positionierung ermittelt werden, wobei die Steuervorrichtung derart eingerichtet sein kann, dass von ihr die ermittelten Abweichungen zur Korrektur der Positionierung des Scan-Laserstrahls und des Bearbeitungs-Laserstrahls verwendet werden, was z. B. durch eine entsprechende Transformation des Laser-Koordinatensystems realisiert werden kann. Auch gemäß dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein den Scan-Laserstrahl, z. B. zum Eliminieren eines Schleppfehlers, bidirektional über die Referenzstruktur zu führen. This embodiment may enable calibration of the laser beam positioning of the laser processing apparatus and the laser coordinate system, respectively. The reference structure may, for. B. as a perforated grid, which serves as a normal, be formed. For example, deviations of the actual positioning of the scanning laser beam from a controlled desired positioning can be determined by the control device during scanning of the reference structure, which can serve as a measurement standard or positioning normal, wherein the control device can be set up such that it can be used the determined deviations are used for correcting the positioning of the scanning laser beam and the machining laser beam, which is e.g. B. can be realized by a corresponding transformation of the laser coordinate system. Also according to this embodiment may be provided the scan laser beam, z. B. to eliminate a following error, bidirectionally over the reference structure.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen, z. B. anhand der Umsetzung der erfindungsgemäßen Prinzipien bei einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung, mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:The invention will be described below with reference to exemplary embodiments, for. B. based on the implementation of the principles of the invention in a laser processing apparatus according to the invention, explained with reference to the accompanying drawings. In the drawings show:
Gemäß den
Der Scankopf
Das seitliche Ablenken des jeweiligen Laserstrahls
Die Laserbearbeitungsvorrichtung
Die Laserbearbeitungsvorrichtung
Die Steuervorrichtung
Die Laserbearbeitungsvorrichtung
Beim Überstreichen der Außenumfangskante
Die Intensität des auf der Lichtstreuplatte
Die Steuervorrichtung
Wenn der Scanstrahl
Die Steuervorrichtung
Die Strahlführung der Laserbearbeitungsvorrichtung
Bei Vorliegen eines Schleppfehlers macht sich dieser z. B. dadurch bemerkbar, dass die für die beiden Bewegungsrichtungen erfassten Kantenscan-Helligkeitsverläufe gegeneinander verschoben sind. Die gestrichelte Linie
Indem der Scanstrahl
In der oben beschriebenen Konfiguration ist die Steuervorrichtung
Die während des Scanvorgangs mittels des Scanstrahls
Zum Beispiel kann die Laserbearbeitungsvorrichtung
Indem, z. B. direkt vor einem Bearbeitungsvorgang, die Positionierung des Werkstücks
Da sowohl der Scanstrahl
In der Ausführung gemäß
Der Lichtdetektor
Es kann jedoch vorgesehen sein, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung
Als ein Beispiel zeigt
Beim Überstreichen der Außenumfangskante
Die Lichtdetektoren
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuervorrichtung
Beim Überstreichen der Werkstückoberfläche
Beim Überstreichen der Werkstückoberfläche
Die Steuervorrichtung
Gemäß einer weiteren Ausführung kann die Laserbearbeitungsvorrichtung
Die Steuervorrichtung
Bei Vorliegen einer positionsgenauen Strahlführung weist beim Überstreichen des Lochgitters
Das Vorliegen einer Bildfeldverzerrung bzw. eines Fehlers der Scanstrahl-Positionierung kann sich z. B. darin bemerkbar machen, dass der beim Überstreichen des Lochgitters
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