DE102010062359A1 - Calibrating laser beam machining device with laser beam source for generating laser beam, comprises imaging laser focus of laser beam as light spot onto photosensitive auxiliary element, and determining position of auxiliary element - Google Patents

Calibrating laser beam machining device with laser beam source for generating laser beam, comprises imaging laser focus of laser beam as light spot onto photosensitive auxiliary element, and determining position of auxiliary element Download PDF

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Abstract

The method of calibrating a laser beam machining device (10) having a laser beam source (11) for generating a laser beam (1), comprises imaging a laser focus (7) of the laser beam as a light spot onto a photosensitive auxiliary element, where the laser focus is arranged in a focal plane (5), determining a position of the auxiliary element by an image processing unit such that the position of the light spot on the photosensitive element is detected by the photosensitive element, and obtaining the position of the light spot in the focal plane of a combination of the two position information. The method of calibrating a laser beam machining device (10) having a laser beam source (11) for generating a laser beam (1), comprises imaging a laser focus (7) of the laser beam as a light spot onto a photosensitive auxiliary element, where the laser focus is arranged in a focal plane (5), determining a position of the auxiliary element by an image processing unit such that the position of the light spot on the photosensitive element is detected by the photosensitive element, obtaining the position of the light spot in the focal plane of a combination of the two position information, introducing the photosensitive element into the focal plane and connecting the element with an evaluation device for detecting the light spot on the photosensitive element, detecting the position of the photosensitive element by the image processing unit, and determining the basis of the information of the position of the light spot on the photosensitive element together with the information of the position of the photosensitive element in the focal plane of the position of the laser focus in the focal plane. A photoshop element, a four-quadrant diode or a charge coupled device chip is used as the photosensitive auxiliary element. The laser beam source is operated with an output that is reduced against the normal operation of the laser beam source to mark the laser focus on the photosensitive element as light spot. The photosensitive element is arranged on a movably arranged support member and partially moved in an automated manner at regular time intervals for the calibration in the focal plane into the region of the laser focus or of the light spot. The position of the laser focus based on its determined actual position is changed in a desired position. Independent claims are included for: (1) a device for calibrating a laser beam machining device; and (2) a laser beam machining device.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung einer Laserstrahlbearbeitungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Kalibriervorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Laserstrahlbearbeitungseinrichtung.The invention relates to a method for calibrating a laser beam processing device according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a calibration device for carrying out the method according to the invention and a laser beam processing device.

Ein Verfahren zur Kalibrierung einer Laserstrahlbearbeitungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist bereits aus der US 2004/0121493 A1 bekannt. Die dort eingesetzte Kalibriervorrichtung dient insbesondere zur Bearbeitung von elektronischen Bauteilen (Laser). Hierbei wird ein lichtempfindliches Hilfselement von seiner Unterseite her mit einem Laserstrahl beleuchtet, so dass sich an der Oberseite des Hilfselements der Laserstrahl in Form eines Lichtpunktes abzeichnet. Dieser Lichtpunkt wird mittels einer bildverarbeitenden Einrichtung erfasst, die anhand des Bildes des Lichtpunktes die Ist-Position des Lichtpunktes und somit des Laserstrahls in der Ebene des Hilfselements erkennt. Anhand der Ist-Position lässt sich beispielsweise die Position des Laserstrahls derart beeinflussen, dass bei der Bearbeitung von Bauteilen der Laserstrahl an einer gewünschten Soll-Position in einer Fokusebene des Laserstrahls auf die Bauteile auftrifft. Problematisch hierbei ist, dass zur exakten Erkennung der Position des Lichtflecks des Laserstrahls eine sehr gute Auflösung der bildverarbeitenden Einrichtung erforderlich ist bzw. das Verfahren mehrmals aus unterschiedlichen Richtungen durchgeführt werden muss, um aus den verschiedenen Messungen auf die tatsächliche Ist-Position zu schließen.A method for calibrating a laser beam processing device according to the preamble of claim 1 is already known from US 2004/0121493 A1 known. The calibration device used there is used in particular for the processing of electronic components (laser). In this case, a photosensitive auxiliary element is illuminated from its underside with a laser beam, so that the laser beam in the form of a light spot appears on the upper side of the auxiliary element. This point of light is detected by means of an image processing device, which recognizes the actual position of the light spot and thus of the laser beam in the plane of the auxiliary element based on the image of the light spot. On the basis of the actual position, for example, the position of the laser beam can be influenced in such a way that, when machining components, the laser beam impinges on the components at a desired nominal position in a focal plane of the laser beam. The problem here is that the exact detection of the position of the light spot of the laser beam, a very good resolution of the image processing device is required or the process must be performed several times from different directions in order to conclude from the various measurements on the actual actual position.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung einer Laserstrahlbearbeitungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine einfache und schnelle Erfassung der Ist-Position eines Laserfokus ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Kalibrierung einer Laserstrahlbearbeitungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, die bildverarbeitende Einrichtung lediglich zur Erfassung der Kontur bzw. der Lage des lichtempfindlichen Hilfselements zu nutzen. Eine derartige Lageerkennung ist mit bildverarbeitenden Einrichtungen sehr genau möglich, wobei in Kenntnis der geometrischen Dimensionen des lichtempfindlichen Hilfselements eine sehr genaue Ortung der Position des Hilfselements in der Fokusebene ermöglicht wird. Diese Information wird verknüpft mit einer Information bezüglich eines Lichtpunktes auf dem lichtempfindlichen Hilfselement. Diese Information wird dabei direkt durch das lichtempfindliche Hilfselement gewonnen, wodurch eine hochpräzise Ortung des Lichtflecks auf dem lichtempfindlichen Hilfselement ermöglicht wird. Durch die Verknüpfung beider Ortsangaben lässt sich somit die Position des Lichtflecks und somit des Laserstrahls in der Fokusebene sehr einfach und genau bestimmen.Based on the illustrated prior art, the invention has the object, a method for calibrating a laser beam processing device according to the preamble of claim 1 such that a simple and rapid detection of the actual position of a laser focus is made possible. This object is achieved in a method for calibrating a laser beam processing device having the features of claim 1. The invention is based on the idea to use the image processing device only for detecting the contour or the position of the photosensitive auxiliary element. Such position detection is possible very precisely with image-processing devices, with knowledge of the geometric dimensions of the auxiliary photosensitive element a very accurate location of the position of the auxiliary element in the focal plane is made possible. This information is associated with information regarding a spot of light on the auxiliary photosensitive element. This information is obtained directly through the auxiliary photosensitive element, whereby a high-precision location of the light spot on the auxiliary photosensitive element is made possible. By combining the two locations, the position of the light spot and thus of the laser beam in the focal plane can thus be determined very simply and accurately.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kalibrierung einer Laserstrahlbearbeitungseinrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.Advantageous developments of the method according to the invention for calibrating a laser beam processing device are specified in the subclaims. All combinations of at least two of the features disclosed in the claims, the description and / or the figures fall within the scope of the invention.

Besonders genau und kostengünstig lässt sich das Verfahren durchführen, wenn als lichtempfindliches Hilfselement ein PSD-Element, eine Vier-Quadranten-Diode oder ein CCD-Chip verwendet wird. Derartige lichtempfindliche Hilfselemente sind relativ kostengünstig und erlauben eine hochpräzise Erkennung des Ortes des Lichtflecks auf dem Hilfselement.The method can be carried out particularly accurately and cost-effectively if a PSD element, a four-quadrant diode or a CCD chip is used as the auxiliary photosensitive element. Such photosensitive auxiliary elements are relatively inexpensive and allow a high-precision detection of the location of the light spot on the auxiliary element.

Besonders bevorzugt ist der Ablauf eines Verfahrens, bei dem das lichtempfindliche Hilfselement zunächst in die Fokusebene eingebracht und gegebenenfalls mit einer Auswerteeinrichtung zum Erfassen des Lichtpunkts auf dem lichtempfindlichen Hilfselement verbunden wird. Anschließend wird die Laserstrahlquelle mit einer insbesondere gegenüber dem normalen Betrieb der Laserstrahlquelle verminderten Leistung zur Markierung des Laserfokus auf dem lichtempfindlichen Hilfselement als Lichtpunkt betrieben. Daraufhin wird, insbesondere bei abgeschalteter Laserstrahlquelle, die Position des lichtempfindlichen Hilfselements in der Fokusebene mittels der bildverarbeitenden Einrichtung erfasst. Zuletzt wird anhand der Information der Position des Lichtpunkts auf dem lichtempfindlichen Hilfselement in Verbindung mit der Information bezüglich der Position des lichtempfindlichen Hilfselements in der Fokusebene die Position des Laserfokus in der Fokusebene berechnet.Particularly preferred is the sequence of a method in which the photosensitive auxiliary element is first introduced into the focal plane and optionally connected to an evaluation device for detecting the light spot on the photosensitive auxiliary element. Subsequently, the laser beam source is operated with a particular compared to the normal operation of the laser beam source reduced power to mark the laser focus on the auxiliary photosensitive element as a light spot. Then, in particular when the laser beam source is switched off, the position of the auxiliary photosensitive element in the focal plane is detected by the image processing device. Finally, based on the information of the position of the light spot on the auxiliary photosensitive member in conjunction with the information on the position of the auxiliary photosensitive member in the focal plane, the position of the laser focus in the focal plane is calculated.

Um insbesondere reproduzierbare und einfach wiederholbare Ergebnisse bezüglich der Kalibrierung zu erreichen, wird es bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, dass das lichtempfindliche Hilfselement auf einem beweglich angeordneten Trägerelement angeordnet wird, das zumindest teilweise automatisiert zu verschiedenen Zeitpunkten, insbesondere in regelmäßigen Zeitabständen, zur Kalibrierung in die Fokusebene in den Bereich des Laserfokus bewegt wird.In order to achieve particularly reproducible and easily repeatable results with respect to the calibration, it is proposed in a further embodiment of the method according to the invention that the photosensitive auxiliary element is arranged on a movably arranged carrier element, which is at least partially automated at different times, in particular at regular time intervals Calibration is moved in the focal plane in the range of the laser focus.

Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn die Position des Laserfokus anhand dessen ermittelter Ist-Position in eine Soll-Position verändert wird. Damit lassen sich gleichbleibend hohe Qualitäten an den zu bearbeitenden Gegenständen erzielen. It is particularly preferred in this case if the position of the laser focus is changed based on the determined actual position in a desired position. This consistently high quality can be achieved on the objects to be processed.

Die Erfindung umfasst auch eine Kalibriervorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese umfasst insbesondere eine bildverarbeitende Einrichtung zum Erkennen der Position des lichtempfindlichen Hilfselements im Bereich der Fokusebene und eine Auswerteeinrichtung zum Verarbeiten der Informationen bezüglich der Position eines Lichtpunkts auf dem lichtempfindlichen Hilfselement und der Position des lichtempfindlichen Hilfselements in der Fokusebene.The invention also includes a calibration device for carrying out the method according to the invention. This comprises in particular an image processing device for detecting the position of the auxiliary photosensitive element in the region of the focal plane and an evaluation device for processing the information relating to the position of a light spot on the auxiliary photosensitive element and the position of the auxiliary photosensitive element in the focal plane.

Um insbesondere eine möglichst einfache Erfassung der Position des lichtempfindlichen Hilfselements für die bildverarbeitende Einrichtung zu ermöglichen, bei der die bildverarbeitende Einrichtung beispielsweise auch während des Produktionsprozesses an ihrem Ort verbleiben kann, wird darüber hinaus in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vorgeschlagen, dass der Laserstrahlquelle eine Optikeinrichtung zum Fokussieren des Laserstrahls in der Fokusebene nachgeschaltet ist, und dass die Optikeinrichtung ein optisches Element zum Auskoppeln des reflektierten Lichts von der Fokusebene auf die bildverarbeitende Einrichtung aufweist. Es ist somit, im Gegensatz zum Stand der Technik, nicht erforderlich, die bildverarbeitende Einrichtung und die Laserstrahleinrichtung auf gegenüberliegenden Seiten des Hilfselements anzuordnen, wodurch eine größere Freiheit bezüglich der Gestaltung der Bearbeitungseinrichtung im Bereich des Laserfokus erzielt wird.In order to allow in particular the simplest possible detection of the position of the photosensitive auxiliary element for the image processing device, in which the image processing device may remain in place during the production process, for example, it is also proposed in a further advantageous embodiment that the laser beam source is an optical device for Focusing the laser beam is located in the focal plane downstream, and that the optical device comprises an optical element for coupling the reflected light from the focal plane to the image processing device. Thus, in contrast to the prior art, it is not necessary to arrange the image processing device and the laser beam device on opposite sides of the auxiliary element, whereby a greater freedom with respect to the design of the processing device in the laser focus is achieved.

Zur Optimierung insbesondere der Qualität der Laserstrahlbearbeitung, bei der manuelle Eingriffe gegebenenfalls nicht erforderlich sind, wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass eine insbesondere automatisiert arbeitende Positioniereinrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit der Ist-Position des Fokuspunktes in der Fokusebene die Laserstrahlquelle, eine Optikeinrichtung oder eine Hilfseinrichtung für Bauteile ansteuert und die Ist-Position des Laserfokus einer Soll-Position anpasst.In order to optimize in particular the quality of the laser beam processing, where manual intervention may not be necessary, it is also proposed that a positioning device which operates in an automated manner is provided which, depending on the actual position of the focal point in the focal plane, the laser beam source, an optical device or a Auxiliary device for components controls and adapts the actual position of the laser focus of a desired position.

Weiterhin umfasst die Erfindung eine Laserstrahlbearbeitungseinrichtung, insbesondere eine Einrichtung zum Abtragen von Material an Bauteilen, mit einer erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung. Eine derartige Laserstrahlbearbeitungseinrichtung zeichnet sich durch eine sehr hohe Genauigkeit und eine hohe Produktivität aus.Furthermore, the invention comprises a laser beam processing device, in particular a device for removing material from components, with a calibration device according to the invention. Such a laser beam processing device is characterized by a very high accuracy and high productivity.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing.

Diese zeigt in:This shows in:

1 eine vereinfachte Darstellung einer Laserstrahlbearbeitungseinrichtung während des Kalibrierbetriebes und 1 a simplified representation of a laser beam processing device during the calibration and

2 eine Darstellung eines von einer bildverarbeitenden Einrichtung erfassten Bildes. 2 a representation of an image captured by an image processing device.

Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.The same components or components with the same function are provided in the figures with the same reference numerals.

In der 1 ist eine Laserstrahlbearbeitungseinrichtung 10 dargestellt, wie sie insbesondere zum Abtragen von Material an nicht dargestellten Bauteilen dient. Die Laserstrahlbearbeitungseinrichtung 10, die in der 1 während eines Kalibriermodus dargestellt ist, weist eine Laserstrahlquelle 11 auf. Der von der Laserstrahlquelle 11 erzeugte Laserstrahl 1 gelangt anschließend in eine Optikeinrichtung 12 mit im Einzelnen nicht näher dargestellten optischen Elementen, die dazu dienen, den Laserstrahl 1 auszurichten und zu fokussieren, so dass der Laserstrahl 1 im Bereich einer Fokusebene 5, die der Bearbeitungsebene der Bauteile entspricht, als fokussierter Laserstrahl 1 ausgebildet ist.In the 1 is a laser beam processing device 10 illustrated, as used in particular for the removal of material to components not shown. The laser beam processing device 10 in the 1 during a calibration mode, has a laser beam source 11 on. The one from the laser beam source 11 generated laser beam 1 then passes into an optical device 12 with not specifically shown in detail optical elements that serve the laser beam 1 align and focus so that the laser beam 1 in the area of a focal plane 5 , which corresponds to the working plane of the components, as a focused laser beam 1 is trained.

In der Optikeinrichtung 12 ist ein Auskoppelelement 13 in Form eines einseitig lichtdurchlässigen Spiegelelements 14 angeordnet, über das das von der Fokusebene 5 reflektierte Licht einer optischen Einrichtung 15 zugeführt wird. Die optische Einrichtung 15 ist insbesondere als bildverarbeitende Einrichtung 15 in Form einer Kamera ausgebildet. Die optische Einrichtung 15 ist über eine Leitung. 16 mit der Steuereinrichtung 18 der Laserstrahlbearbeitungseinrichtung 10 verbunden. Über eine weitere Leitung 17 wird insbesondere die Laserstrahlquelle 11 von der Steuereinrichtung 18 angesteuert, um beispielsweise deren Laserleistung zu regeln bzw. zu steuern.In the optical device 12 is a decoupling element 13 in the form of a one-sided translucent mirror element 14 arranged over that of the focal plane 5 reflected light of an optical device 15 is supplied. The optical device 15 is especially as an image processing device 15 formed in the form of a camera. The optical device 15 is over a line. 16 with the control device 18 the laser beam processing device 10 connected. About another line 17 in particular, the laser beam source 11 from the controller 18 controlled, for example, to regulate or control the laser power.

Zusätzlich ist die Laserstrahlquelle 11 mit einer ersten Positioniereinrichtung 21 gekoppelt, über die die Position der Laserstrahlquelle 11 beeinflussbar ist. Die erste Positioniereinrichtung 21 wird dabei vorzugsweise von der Steuereinrichtung 18 angesteuert. Eine weitere, ebenfalls von der Steuereinrichtung 18 angesteuerte, zweite Positionierungseinrichtung 22 ist mit der Optikeinrichtung 12 gekoppelt, um wenigstens ein optisches Element der Optikeinrichtung 12 hinsichtlich seiner Position verstellen zu können. Mittels der beiden Positioniereinrichtungen 21, 22 lässt sich somit der Laserstrahl 1 im Bereich der Fokusebene 5 beeinflussen bzw. die Position des Laserstrahls 1 innerhalb der Fokusebene 5 verändern.In addition, the laser beam source 11 with a first positioning device 21 coupled, over which the position of the laser beam source 11 can be influenced. The first positioning device 21 is preferably from the control device 18 driven. Another, also from the controller 18 driven, second positioning device 22 is with the optics device 12 coupled to at least one optical element of the optical device 12 to be able to adjust in terms of his position. By means of the two positioning devices 21 . 22 thus can the laser beam 1 in the area of the focal plane 5 influence or the position of the laser beam 1 within the focal plane 5 change.

Um die Position des Laserstrahls 1 im Bereich der Fokusebene 5 zu erfassen, ist eine Kalibriervorrichtung 25 als Bestandteil insbesondere der Laserstrahlbearbeitungseinrichtung 10 vorgesehen, die neben der optischen Einrichtung 15 insbesondere ein lichtempfindliches Hilfselement 26 umfasst.To the position of the laser beam 1 in the area of the focal plane 5 to capture is a calibration device 25 as a component in particular of the laser beam processing device 10 provided, in addition to the optical device 15 in particular a photosensitive auxiliary element 26 includes.

Das lichtempfindliche Hilfselement 26 ist vorzugsweise als PSD-Element, Vier-Quadranten-Diode oder CCD-Chip ausgebildet. Mittels des lichtempfindlichen Hilfselements 26 lässt sich die Position eines auf die Oberfläche des lichtempfindlichen Hilfselements 26 gerichteten Lichtstrahls 1 bzw. eines Lichtpunktes 6 exakt erfassen. Hierzu ist das lichtempfindliche Hilfselement 26 über eine Verbindungsleitung 27 ebenfalls mit der Steuereinrichtung 18 gekoppelt.The photosensitive auxiliary element 26 is preferably formed as a PSD element, four-quadrant diode or CCD chip. By means of the photosensitive auxiliary element 26 can be the position of a on the surface of the auxiliary photosensitive element 26 directed light beam 1 or a light spot 6 capture exactly. For this purpose, the photosensitive auxiliary element 26 over a connecting line 27 also with the control device 18 coupled.

Das lichtempfindliche Hilfselement 26, das in Höhe der Fokusebene 5 des Laserstrahls 1 angeordnet ist, ist auf einem Trägerelement 30 angeordnet, das über eine dritte Positioniereinrichtung 31 in seiner Position verstellbar ist.The photosensitive auxiliary element 26 at the level of the focal plane 5 of the laser beam 1 is arranged on a support element 30 arranged, which has a third positioning 31 is adjustable in position.

In der 2 ist ein von der optischen Einrichtung 15 erfasstes Bild 32 dargestellt. Man erkennt etwa in der Mitte des Bildes 32 das lichtempfindliche Hilfselement 26, dessen Länge l und Breite b in der Steuereinrichtung 18 hinterlegt sind. Ferner erkennt man den Lichtpunkt 6, dessen exakte Position mittels des lichtempfindlichen Hilfselements 26 erfasst wird.In the 2 is one of the optical device 15 captured image 32 shown. One recognizes approximately in the middle of the picture 32 the photosensitive auxiliary element 26 , its length l and width b in the control device 18 are deposited. Furthermore, one recognizes the point of light 6 , its exact position by means of the photosensitive auxiliary element 26 is detected.

Zur Prozessoptimierung während des Normalbetriebs der Laserstrahlbearbeitungseinrichtung 10 ist es erforderlich, den Laserfokus 7 in der Fokusebene 5 auf eine Soll-Position einzuregeln. Um Abweichungen zwischen der Soll-Position und der Ist-Position des Laserfokus 7 zu erfassen und gegebenenfalls zu korrigieren, wird die Kalibriervorrichtung 25 wie folgt betrieben: Zunächst wird das lichtempfindliche Hilfselement 26 zusammen mit dem Trägerelement 30 in den Bereich der Fokusebene 5 angeordnet. Anschließend wird die Laserstrahlquelle 11 mit einer gegenüber dem Normalbetrieb, bei der der Laserstrahl 11 zum Materialabtrag an Bauteilen dient, verringerten Leistung betrieben, so dass der Laserstrahl 1 auf der Oberseite des lichtempfindlichen Hilfselements 26 den Lichtpunkt 6 erzeugt. Dieser Lichtpunkt 6 wird bezüglich seiner Position auf dem lichtempfindlichen Hilfselement 26 von dem lichtempfindlichen Hilfselement 26 exakt erfasst und eine entsprechende Information über die Verbindungsleitung 27 in die Steuereinrichtung 18 der Laserstrahlbearbeitungseinrichtung 10 als Eingangsgröße zugeführt. Anschließend (oder bereits zuvor) wird die Laserstrahlquelle 1 mit einer derartigen Leistung Weiterbetrieben, die es ermöglicht, dass das Bild 32 des lichtempfindlichen Hilfselements 26 in der Fokusebene 5 mittels der optischen Einrichtung 15 erkennbar ist. Vorzugsweise ist es dabei vorgesehen, dass die Laserstrahlquelle 11 abgeschaltet wird. Das Bild 32 des lichtempfindlichen Hilfselements 26 wird über die optische Einrichtung 15 und die weitere Leitung 17 der Steuereinrichtung 18 ebenfalls als Eingangsgröße zugeführt.For process optimization during normal operation of the laser beam processing device 10 it is necessary to focus the laser 7 in the focal plane 5 to adjust to a desired position. To deviations between the nominal position and the actual position of the laser focus 7 to detect and correct if necessary, is the calibration 25 operated as follows: First, the photosensitive auxiliary element 26 together with the carrier element 30 in the area of the focal plane 5 arranged. Subsequently, the laser beam source 11 with respect to the normal operation, in which the laser beam 11 used for material removal on components, reduced power operated so that the laser beam 1 on top of the auxiliary photosensitive element 26 the point of light 6 generated. This point of light 6 is relative to its position on the auxiliary photosensitive element 26 from the auxiliary photosensitive element 26 recorded exactly and a corresponding information on the connection line 27 in the control device 18 the laser beam processing device 10 supplied as input. Subsequently (or before) becomes the laser beam source 1 Resumed with such a power that allows the image 32 of the photosensitive auxiliary element 26 in the focal plane 5 by means of the optical device 15 is recognizable. Preferably, it is provided that the laser beam source 11 is switched off. The picture 32 of the photosensitive auxiliary element 26 is about the optical device 15 and the further line 17 the control device 18 also supplied as input.

Die Steuereinrichtung 18 oder eine gegebenenfalls separate, von der Laserstrahlbearbeitungseinrichtung 10 unabhängige Auswerteeinrichtung verknüpft nunmehr die Informationen hinsichtlich der genauen Position des lichtempfindlichen Hilfselements 26 aus dem Bild 32 mit der Information der Position des Lichtpunktes 6 von dem lichtempfindlichen Hilfselemt 26, um daraus die exakte Position des Lichtpunktes 6 in der Fokusebene 5 zu ermitteln. Da die Länge l und die Breite b des lichtempfindlichen Hilfselements 26 in der Steuereinrichtung 18 hinterlegt sind, ist eine relativ einfache und genaue Erfassung der Position des lichtempfindlichen Hilfselements 26 mittels der optischen Einrichtung 15 möglich.The control device 18 or optionally separate, from the laser beam processing device 10 independent evaluation now links the information regarding the exact position of the auxiliary photosensitive element 26 from the picture 32 with the information of the position of the light spot 6 from the photosensitive auxiliary 26 to derive the exact position of the light spot 6 in the focal plane 5 to investigate. Since the length l and the width b of the auxiliary photosensitive member 26 in the control device 18 is a relatively simple and accurate detection of the position of the auxiliary photosensitive element 26 by means of the optical device 15 possible.

Die gewonnenen Daten dienen daher dazu, die tatsächliche Ist-Position des Laserfokus 7 bzw. des Lichtpunktes 6 in der Fokusebene 5 zu ermitteln. Daraufhin kann die Steuereinrichtung 18 über die beiden Positioniereinrichtungen 21 und 22 den Laserstrahl 1 derart beeinflussen, dass der Laserfokus 7 sich in der gewünschten Soll-Position befindet.The obtained data serve therefore, the actual actual position of the laser focus 7 or the light spot 6 in the focal plane 5 to investigate. Thereupon, the control device 18 over the two positioning devices 21 and 22 the laser beam 1 so influence that the laser focus 7 is in the desired nominal position.

Während des Normalbetriebs der Laserstrahlbearbeitungseinrichtung 10 kann es vorgesehen sein, dass der laufende Betrieb, insbesondere in gleichmäßigen Abständen unterbrochen wird, um die Ist-Position des Laserfokus 7 zu ermitteln und in eine Soll-Position zu überführen. Hierzu kann eine im Einzelnen nicht dargestellte, insbesondere zumindest teilweise automatisierte Kalibriervorrichtung 25 vorgesehen sein, die beispielsweise das lichtempfindliche Hilfselement 26 zusammen mit dem Trägerelement 30 in den Bereich der Fokusebene 15 verbringt, wozu die dritte Positioniereinrichtung 31 verwendet wird. Die oben genannten Abläufe bzw. Ansteuerungen der Laserstrahlquelle 11 bzw. der Einrichtung 15 können vorzugsweise ebenfalls zumindest teilautomatisiert durchgeführt werden.During normal operation of the laser beam processing device 10 It can be provided that the current operation, in particular at regular intervals, is interrupted by the actual position of the laser focus 7 to determine and transfer to a desired position. For this purpose, a calibration device, not shown in detail, in particular at least partially automated 25 be provided, for example, the photosensitive auxiliary element 26 together with the carrier element 30 in the area of the focal plane 15 spends what the third positioning device 31 is used. The above-mentioned processes or activations of the laser beam source 11 or the institution 15 can preferably also be carried out at least partially automated.

Die soweit beschriebene Laserstrahlbearbeitungseinrichtung 10 sowie deren Kalibriervorrichtung 25 können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht in einer Erfassung des Laserfokus 7 in der Fokusebene 5 durch die Verknüpfung zweier Ortsinformationen: Die erste Ortsinformation betrifft den Ort eines lichtempfindlichen Hilfselements 26, der mittels einer optischen Einrichtung 15 erfasst wird. Die zweite Ortsinformation betrifft den Ort eines Lichtflecks 6 auf dem lichtempfindlichen Hilfselement 26. So ist es beispielsweise möglich, die Laserstrahlbearbeitungseinrichtung 10 nicht zum Abtragen von Material an Werkstücken bzw. Bauteilen, sondern als Schweißeinrichtung auszubilden. Auch ist es denkbar, die optische Einrichtung 15 ohne die Verwendung eines Auskoppelelements 13 bzw. eines Spiegelelements 14 vorzusehen, indem das Bild 32 beispielsweise aus einer seitlichen Position der optischen Einrichtung 15 in Bezug auf den Laserstrahl 1 ermittelt bzw. erfasst wird. Weiterhin ist es denkbar, das Hilfselement 26 mit einer separaten Auswerteeinrichtung zu versehen, die die entsprechende Information über den Ort des Lichtpunkts 6 an die Steuereinrichtung 18 zuführt.The laser beam processing device described so far 10 and their calibration device 25 can be modified or modified in many ways without departing from the spirit of the invention. This consists in a detection of the laser focus 7 in the focal plane 5 by the combination of two location information: The first location information relates to the location of a light-sensitive auxiliary element 26 by means of an optical device 15 is detected. The second location information relates to the location of a light spot 6 on the light-sensitive auxiliary element 26 , For example, it is possible to use the laser beam processing device 10 not for the removal of material on workpieces or components, but form a welding device. It is also conceivable, the optical device 15 without the use of a decoupling element 13 or a mirror element 14 to be provided by the picture 32 for example, from a lateral position of the optical device 15 in relation to the laser beam 1 is determined or recorded. Furthermore, it is conceivable, the auxiliary element 26 to be provided with a separate evaluation, the corresponding information about the location of the light spot 6 to the controller 18 supplies.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2004/0121493 A1 [0002] US 2004/0121493 A1 [0002]

Claims (10)

Verfahren zur Kalibrierung einer Laserstrahlbearbeitungseinrichtung (10), mit einer Laserstrahlquelle (11) zur Erzeugung eines Laserstrahls (1), dessen Laserfokus (7) in einer Fokusebene (5) angeordnet ist, wobei der Laserfokus (7) als Lichtpunkt (6) auf ein lichtempfindliches Hilfselement (26) abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Hilfselements (26) mittels einer bildverarbeitenden Einrichtung (15) ermittelt wird, dass die Position des Lichtpunkts (6) auf dem lichtempfindlichen Hilfselement (26) mittels des lichtempfindlichen Hilfselements (26) erfasst wird, und dass die Position des Lichtpunkts (6) in der Fokusebene (5) aus einer Verknüpfung der beiden Positionsinformationen gewonnen wird.Method for calibrating a laser beam processing device ( 10 ), with a laser beam source ( 11 ) for generating a laser beam ( 1 ) whose laser focus ( 7 ) in a focal plane ( 5 ), wherein the laser focus ( 7 ) as a point of light ( 6 ) to a photosensitive auxiliary element ( 26 ), characterized in that the position of the auxiliary element ( 26 ) by means of an image processing device ( 15 ) determines that the position of the light spot ( 6 ) on the auxiliary photosensitive element ( 26 ) by means of the photosensitive auxiliary element ( 26 ) and that the position of the light spot ( 6 ) in the focal plane ( 5 ) is obtained from a combination of the two position information. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als lichtempfindliches Hilfselement (26) ein PSD-Element, eine Vier-Quadranten-Diode oder ein CCD-Chip verwendet wird.A method according to claim 1, characterized in that as a photosensitive auxiliary element ( 26 ) a PSD element, a four-quadrant diode or a CCD chip is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfindliche Hilfselement (26) in die Fokusebene (5) eingebracht und ggf. mit einer Auswerteeinrichtung zum Erfassen des Lichtpunkts (6) auf dem lichtempfindlichen Hilfselement (26) verbunden wird, dass danach die Laserstrahlquelle (11) mit einer insbesondere gegenüber dem normalen Betrieb der Laserstrahlquelle (11) verminderten Leistung zur Markierung des Laserfokus (7) auf dem lichtempfindlichen Hilfselement (26) als Lichtpunkt (6) betrieben wird, dass anschließend, bei insbesondere abgeschalteter Laserstrahlquelle (11), die Position des lichtempfindlichen Hilfselements (26) mittels der bildverarbeitenden Einrichtung (15) erfasst wird, und dass zuletzt anhand der Information der Position des Lichtpunktes (6) auf dem lichtempfindlichen Hilfselement (26) zusammen mit der Information der Position des lichtempfindlichen Hilfselements (26) in der Fokusebene (5) die Position des Laserfokus (7) in der Fokusebene (5) ermittelt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the auxiliary photosensitive element ( 26 ) in the focal plane ( 5 ) and possibly with an evaluation device for detecting the light spot ( 6 ) on the auxiliary photosensitive element ( 26 ), then that the laser beam source ( 11 ) with a particular compared to the normal operation of the laser beam source ( 11 ) reduced power to mark the laser focus ( 7 ) on the auxiliary photosensitive element ( 26 ) as a point of light ( 6 ) is operated, that then, in particular switched off laser beam source ( 11 ), the position of the auxiliary photosensitive element ( 26 ) by means of the image processing device ( 15 ) is detected, and finally by the information of the position of the light spot ( 6 ) on the auxiliary photosensitive element ( 26 ) together with the information of the position of the auxiliary photosensitive member ( 26 ) in the focal plane ( 5 ) the position of the laser focus ( 7 ) in the focal plane ( 5 ) is determined. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfindliche Hilfselement (26) auf einem beweglich angeordneten Trägerelement (30) angeordnet wird, das zumindest teilweise automatisiert zu verschiedenen Zeitpunkten, insbesondere in regelmäßigen Zeitabständen, zur Kalibrierung in die Fokusebene (5) in den Bereich des Laserfokus (7) bzw. des Lichtpunkts (6) bewegt wird.Method according to Claim 3, characterized in that the auxiliary photosensitive element ( 26 ) on a movably arranged carrier element ( 30 ), which is at least partially automated at different times, in particular at regular time intervals, for calibration in the focal plane (FIG. 5 ) in the area of the laser focus ( 7 ) or the light spot ( 6 ) is moved. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Laserfokus (7) anhand dessen ermittelter Ist-Position in eine Soll-Position verändert wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the position of the laser focus ( 7 ) is changed based on the determined actual position in a desired position. Kalibriervorrichtung (25) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Laserstrahlquelle (11) zum Erzeugen eines Laserstrahls (1), einem lichtempfindlichen Hilfselement (26), das in einer Fokusebene (5) des Laserstrahls (1) im Bereich des Laserfokus (7) angeordnet ist, einer bildverarbeitenden Einrichtung (15) zum Erkennen der Position des lichtempfindlichen Hilfselements (26) im Bereich der Fokusebene (5) und einer Auswerteeinrichtung (18) zum Verarbeiten der Informationen bzgl. der Position eines Lichtpunktes (6) auf dem lichtempfindlichen Hilfselement (26) und der Position des lichtempfindlichen Hilfselements (26) in der Fokusebene (5).Calibration device ( 25 ) for carrying out a method according to one of claims 1 to 5, with a laser beam source ( 11 ) for generating a laser beam ( 1 ), a photosensitive auxiliary element ( 26 ) located in a focal plane ( 5 ) of the laser beam ( 1 ) in the region of the laser focus ( 7 ), an image processing device ( 15 ) for detecting the position of the auxiliary photosensitive element ( 26 ) in the region of the focal plane ( 5 ) and an evaluation device ( 18 ) for processing the information regarding the position of a light spot ( 6 ) on the auxiliary photosensitive element ( 26 ) and the position of the auxiliary photosensitive element ( 26 ) in the focal plane ( 5 ). Kalibriervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfindliche Hilfselement (26) als PSD-Element, Vier-Quadranten-Diode oder CCD-Chip ausgebildet ist.Calibration device according to claim 6, characterized in that the auxiliary photosensitive element ( 26 ) is designed as a PSD element, four-quadrant diode or CCD chip. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahlquelle (11) eine Optikeinrichtung (12) zum Fokussieren des Laserstrahls (1) in der Fokusebene (5) nachgeschaltet ist und dass die Optikeinrichtung (12) ein optisches Element (13) zum Auskoppeln des reflektierten Lichts von der Fokusebene (5) auf die bildverarbeitende Einrichtung (15) aufweist.Calibration device according to claim 6 or 7, characterized in that the laser beam source ( 11 ) an optical device ( 12 ) for focusing the laser beam ( 1 ) in the focal plane ( 5 ) and that the optical device ( 12 ) an optical element ( 13 ) for coupling out the reflected light from the focal plane ( 5 ) to the image processing facility ( 15 ) having. Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine insbesondere automatisiert arbeitende Positioniereinrichtung (21, 22) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit der Ist-Position des Laserfokus (7) in der Fokusebene (5) die Laserstrahlquelle (11), die Optikeinrichtung (12) oder eine Hilfseinrichtung für Bauteile ansteuert und die Ist-Position des Laserfokus (7) einer Soll-Position anpasst.Calibration device according to one of claims 6 to 8, characterized in that a particularly automated working positioning ( 21 . 22 ) is provided, which depends on the actual position of the laser focus ( 7 ) in the focal plane ( 5 ) the laser beam source ( 11 ), the optical device ( 12 ) or an auxiliary device for components and controls the actual position of the laser focus ( 7 ) adapts to a desired position. Laserstrahlbearbeitungseinrichtung (10), insbesondere Einrichtung zum Abtragen von Material an Bauteilen, mit einer Kalibriervorrichtung (25) nach einem der Ansprüche 6 bis 9.Laser beam processing device ( 10 ), in particular device for removing material from components, with a calibration device ( 25 ) according to one of claims 6 to 9.
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AT526197A1 (en) * 2022-06-09 2023-12-15 Trotec Laser Gmbh Method for determining, in particular static, geometric errors of a laser machine for cutting, engraving, marking and/or labeling a workpiece and a method for determining the location or position of the center of a detector on the detector element as well as a calibration segment and laser machine for this

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