DE102011006553B4

DE102011006553B4 - Verfahren zum Ermitteln der Fokuslage eines Laserstrahls in seinem Arbeitsfeld oder Arbeitsraum

Info

Publication number: DE102011006553B4
Application number: DE102011006553A
Authority: DE
Inventors: Thomas Notheis
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: WO2012130666A1; CN103501954B; DE102011006553A1; CN103501954A; US20140027421A1

Abstract

Verfahren zum Ermitteln der Fokuslage oder des Strahlprofils eines mittels einer Scanneroptik (5) oder x-y-Bewegungseinheit (5') in x-y-Richtung ablenkbaren und mittels einer Fokussieroptik (4) oder z-Bewegungseinheit (6) in z-Richtung verfahrbaren Laserstrahls (2) an mehreren Messpunkten im 2-dimensionalen Arbeitsfeld (7) oder im 3-dimensionalen Arbeitsraum des Laserstrahls (2), wobei an jedem der Messpunkte eine Lochblende (11) mit nachgeordnetem Detektor (13; 31) angeordnet wird, wobei an jedem der Messpunkte für eine x-y-Fokuslagen- oder Strahlprofilvermessung der Laserstrahl (2) mittels der Scanneroptik (5) oder x-y-Bewegungseinheit (5') in einem x-y-Raster über das Messloch (12) der Lochblende (11) bewegt wird und in jedem der Rasterpunkte bei ortsfester Scannerachse der Scanneroptik (5) oder x-y-Bewegungseinheit (5') die Laserleistung mit dem Detektor (13; 31) gemessen wird und/oder für eine z-Fokuslagenvermessung der Laserstrahl (2) mittels der Fokussieroptik (4) oder z-Bewegungseinheit (6) in z-Richtung innerhalb des Messloches (12) der Lochblende (11) verfahren wird und in jedem der Rasterpunkte die Laserleistung...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Fokuslage oder des Strahlprofils eines mittels einer Scanneroptik oder einer x-y-Bewegungseinheit in x-y-Richtung ablenkbaren und mittels einer Fokussieroptik oder einer z-Bewegungseinheit in z-Richtung verfahrbaren Laserstrahls an mehreren Messpunkten im 2-dimensionalen Arbeitsfeld oder im 3-dimensionalen Arbeitsraum des Laserstrahls.
Der Tool Center Point (TCP) des Werkzeugs ”Laser”, also die Fokuslage des Laserstrahls, kann nicht einfach ausgemessen werden. Dieses Problem ist zwar generell vorhanden, tritt aber in den Vordergrund, seit Optiken mit Brennweiten im Bereich von ≥ 400 mm und insbesondere auch im ”on the fly”-Betrieb, bei dem sich zwei Bewegungen überlagern, eingesetzt werden.
Aus der DE 10 2004 030 607 A1 ist ein Verfahren zum Vermessen des Strahlprofils eines Laserstrahls innerhalb einer Laserbearbeitungsmaschine bekannt. Der Laserstrahl wird auf einen Detektor gerichtet und die auftreffende Strahlungsleistung gemessen. Ein Abschattungselement, welches eine Vorderkante aufweist, wird mittels einer Positioniereinrichtung in den Strahlengang des Laserstrahls bewegt, so dass im Verlauf der Bewegung die Vorderkante den Laserstrahl in seiner gesamten transversalen Ausdehnung durchdringt und somit die von dem Detektor gemessene Strahlungsleistung von der Position des Abschattungselements abhängt. Mittels einer Auswerteeinheit wird die von dem Detektor gemessene Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Position des Abschattungselements erfasst. Durch ein Ableiten der erfassten Messkurve erhält man eine Auswertekurve, welche das Strahlprofil widerspiegelt. Durch eine Verfahrbewegung des Abschattungselements entlang verschiedener Bewegungsrichtungen in Verbindung mit einer zu der jeweiligen Bewegungsrichtung senkrechten Orientierung einer Kante des Abschattungselements kann das Strahlprofil des Laserstrahls zweidimensional ermittelt werden.
Aus der WO 96/08027 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln der x-y-Fokuslage eines mittels einer Scanneroptik in x-y-Richtung ablenkbaren Laserstrahls bekannt. An einem bestimmten ortsfesten Messpunkt des Arbeitsfeldes befindet sich eine Lochblende mit einem dahinter angeordneten Leistungsdetektor, wobei der Lochdurchmesser am Fokusdurchmesser orientiert ist bzw. diesem entspricht. Für eine x-y-Fokuslagenvermessung wird der Laserstrahl über das Messloch hinweg bewegt, so dass sich für die gemessene Leistung eine Gauss-Verteilung ergibt, Durch den Schleppverzug des sich über das Messloch hinweg bewegenden Laserstrahls ergeben sich Ungenauigkeiten, die durch eine Mittelung der Daten korrigiert werden müssen. Eine Vermessung des gesamten Arbeitsfeldes bzw. -raumes ist auf diese Weise nicht möglich.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die x-y- oder z-Fokuslage des Laserstrahls an mehreren, über das gesamte 2-dimensionale Arbeitsfeld bzw. den gesamten 3-dimensionalen Arbeitsraum verteilt angeordneten Messpunkten ausreichend genau, insbesondere mit einer Genauigkeit von ca. ±50 μm in x-y-Richtung und ±1 mm in z-Richtung, gemessen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt die x-y-Fokuslagenvermessung in jedem x-y-Rasterpunkt ortsfest, d. h., die Scannerachse der Scanneroptik oder der x-y-Bewegungseinheit steht bei der Messung, wodurch Ungenauigkeiten aufgrund von Schleppverzug vermieden werden. Dieses Messverfahren ist sowohl schnell und genau als auch einfach, robust und günstig. Die Fokuslagenvermessung erfolgt wellenlängenunabhängig und ist auch bei langen Brennweiten einsetzbar.
Erfindungsgemäß ist es möglich, das gesamte Arbeitsfeld bzw. -raum zu vermessen, indem entweder die gleiche Lachblende an den unterschiedlichen Messpunkten angeordnet wird oder in jedem der Messpunkte jeweils eine Lochblende angeordnet ist. Aus den Messwerten kann die x-y-Fokuslage bzw. der Schwerpunkt (TCP) und/oder das Strahlprofil des Laserstrahls an den jeweiligen Messpunkten ermittelt und z. B. als Offsetkorrekturwert an die Steuerung der Scanneroptik oder der x-y-Bewegungseinheit übermittelt werden.
Für eine z-Fokuslagenvermessung wird der Laserstrahl in z-Richtung innerhalb des Messloches, z. B. in einem Rasterabstand von ca. 0,1 bis 1 mm (je nach Brennweite des Laserstrahls) verfahren. Aus den Messwerten wird der Scheitelwert (z-Fokuslage) berechnet und z. B. als Offsetkorrekturwert an die Steuerung der Fokussieroptik oder der z-Bewegungseinheit übermittelt.
Für eine besonders schnelle Fokuslagenvermessung wird eine Lochblende verwendet, die neben bzw. um das eigentliche Messloch herum ein oder mehrere zusätzliche Löcher mit unterschiedlichen Durchmessern enthält. Die Messungen erfolgen beginnend bei dem Messloch mit dem größten Durchmesser. Je nach Abweichung der tatsächlichen von der von der Steuerung angenommenen Fokuslage, tritt der Laserstrahl teilweise oder vollständig durch die jeweiligen Löcher der Lochblende und es werden dementsprechende Messwerte detektiert. Auf diese Weise kann die Fokuslage in x, y und z leicht kontrolliert werden und das Raster entsprechend der Abweichung der tatsächlichen von der von der Steuerung angenommenen Fokuslage angepasst werden.
Für eine Arbeitsfeldvermessung wird bevorzugt eine Lochplatte mit mehreren Löchern verwendet. An jedem Messloch wird eine Fokuslagenvermessung durchgeführt, womit das Arbeitsfeld in dieser Ebene vermessen ist und korrigiert werden kann. Die Feldvermessung ist unabhängig von der Wellenlänge. Wird die Lochplatte in Verbindung mit einem Justierkorb verwendet oder auf einer Referenzebene angebracht, kann das Feld vor Ort in der Laserbearbeitungsanlage mit dem jeweiligen Laser kalibriert werden. Vorzugsweise wird in mehreren Ebenen eine solche Feldvermessung durchgeführt, womit der Arbeitsraum vermessen ist und kalibriert werden kann.
Für eine Strahlprofilvermessung wird ein Messloch mit einem im Vergleich zum Fokusdurchmesser um ein Vielfaches kleineren Lochdurchmesser verwendet. Mit den so gewonnenen Messwerten kann das Strahlprofil erstellt und zur weiteren Analyse verwendet werden.
Die Lochblende ist so ausgeführt, dass sie die bei der Messung absorbierte Energie ohne zu starke Erwärmung aufnimmt. Dazu kann beispielsweise die Lochkante der Lochblende angesenkt und die Lochblende vergoldet ausgeführt sein.
Der Detektor kann sich direkt hinter dem Messloch der Lochblende befinden und eine einfache Photodiode sein. Alternativ kann in das Messloch der Lochblende auch ein Lichtleitkabel eingesetzt sein, das das Licht zu dem an anderer Stelle angeordneten Detektor weiterleitet. Im Falle einer Lochplatte mit mehreren Lochern kann statt mehreren, jeweils den Löchern nachgeordneten Detektoren auch ein einziger Detektor vorgesehen sein, wobei zwischen der Lochplatte und dem gemeinsamen Detektor ein Diffusor angeordnet ist, um das über die Löcher einfallende Licht auf den einen Detektor zu lenken.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsanlage;
2 das x-y-Messraster eines in 1 gezeigten Messaufnehmers;
3 schematisch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsanlage; und
4 eine Lochblende mit mehreren im Durchmesser unterschiedlichen Messlöchern.
Die in 1 gezeigte Laserbearbeitungsanlage 1 dient zum Bearbeiten von Werkstücken (nicht gezeigt) mittels eines Laserstrahls 2, der von einem Laser 3 erzeugt wird. Der Laserstrahl 2 kann mithilfe einer Fokussieroptik 4 in seiner Brennweite geändert und mithilfe einer Scannoptik 5 in x-y-Richtung zur Bearbeitung eines Werkstücks abgelenkt werden. Die Scannoptik 5 ist über eine z-Bewegungseinheit 6 in z-Richtung verfahrbar. Das vom Laserstrahl 2 abscannbare x-y-Arbeitsfeld, vorliegend also die Werkstückauflage, ist mit 7 bezeichnet.
Auf diesem Arbeitsfeld 7 ist ein Messaufnehmer 10 angeordnet, der eine Lochblende 11 mit einem hinter dem Messloch 12 vorgesehenen Leistungsdetektor 13 aufweist. Wie gestrichelt angedeutet, kann dieser Messaufnehmer 10 an beliebigen Messpunkten im Arbeitsfeld 7 angeordnet werden.
Für eine x-y-Fokuslagenvermessung des Laserstrahls 2 entspricht der Lochdurchmesser der Lochblende 11 etwa dem Fokusdurchmesser des Laserstrahls 2. An mehreren Messpunkten wird der Laserstrahl 2, wie in 2 gezeigt, jeweils mittels der Scanneroptik 5 oder einer x-y-Bewegungseinheit 5' in einem x-y-Raster über das Messloch 12 der Lochblende 11 bewegt. In jedem der hier beispielhaft 9 Rasterpunkte 20 wird bei während der Messung ortsfester Scannerachse der Scanneroptik 5 oder der x-y-Bewegungseinheit 5' die Laserleistung mit dem Detektor 13 gemessen. Vorzugsweise betragen die Kantenlänge des x-y-Rasters ca. das 5- bis 100-fache des Fokusdurchmessers des Laserstrahls 2 und der Rasterabstand des x-y-Rasters ca. 0,01 bis 1 mm. Aus den Messwerten kann dann die x-y-Fokuslage des Laserstrahls 2 an dem jeweiligen Messpunkt ermittelt und als Offsetkorrekturwert an die Steuerung der Scanneroptik 5 oder x-y-Bewegungseinheit 5' übermittelt werden. Indem eine solche Feldvermessung in mehreren zum x-y-Arbeitsfeld 7 parallelen Ebenen durchgeführt wird, kann die x-y-z-Fokuslage im gesamten Arbeitsraum vermessen und kalibriert werden.
Für eine z-Fokuslagenvermessung des Laserstrahls 2 entspricht der Lochdurchmesser der Lochblende 11 ebenfalls etwa dem Fokusdurchmesser des Laserstrahls 2. Der Laserstrahl 2 wird mittels der Fokussieroptik 4 oder der z-Bewegungseinheit 6 in z-Richtung innerhalb des Messloches 12 der Lochblende 11 in einem z-Raster verfahren und in jedem der Rasterpunkte die Laserleistung mit dem Detektor 13 gemessen. Vorzugsweise beträgt der Rasterabstand des z-Rasters ca. 0,1 bis 1 mm. Aus den Messwerten kann dann der Scheitelwert, also die z-Fokuslage des Laserstrahls 2, an dem jeweiligen Messpunkt ermittelt und als Offsetkorrekturwert an die Steuerung der Fokussieroptik 4 bzw. der z-Bewegungseinheit 6 übermittelt werden.
Zur Kontrolle der Fokuslage in x, y und z ist eine einzige Messung in der Mitte des Rasters ausreichend. Als Referenz dient in diesem Fall der maximale Messwert, der bei den vorhergehenden Messungen entlang des Rasters gemessen wurde.
Für eine Strahlprofilvermessung ist der Lochdurchmesser der Lochblende 11 um ein Vielfaches kleiner als der Fokusdurchmesser. Vorzugsweise entspricht die Kantenlänge des x-y-Rasters etwa dem Fokusdurchmessers des Laserstrahls 2 und ist der Rasterabstand entsprechend klein gewählt. Mit den so gewonnenen Messwerten des x-y-Rasters kann das Strahlprofil des Laserstrahls 2 erstellt und analysiert werden.
Anders als bei der in 1 gezeigten Ausführungsform, bei der die gleiche Lochblende 11 nacheinander an den mehreren Messpunkten angeordnet wird, wird in 3 eine Lochplatte 30 mit mehreren, jeweils die Messpunkte definierenden Löchern 12 im Arbeitsfeld 7 angeordnet. Die Fokuslagen- und Strahlprofilvermessungen erfolgen wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben.
Den mehreren Löchern 12 der Lochplatte 30 kann jeweils ein eigener Detektor oder, wie in 3 gezeigt, zentral ein gemeinsamer Detektor 31 nachgeordnet sein. Dabei kann zwischen der Lochplatte 30 und dem gemeinsamen Detektor 31 ein Diffusor 32 angeordnet sein, um das über die Löcher 12 einfallende Licht auf den Detektor 31 zu lenken. Durch Verwendung von Lochplatten 30 mit unterschiedlichen Höhen zum Arbeitsfeld 7 kann die Feldvermessung in mehreren zum x-y-Arbeitsfeld 7 parallelen Ebenen durchgeführt und die x-y-z-Fokuslage im gesamten Arbeitsraum vermessen und kalibriert werden.
Die Fokuslage kann besonders schnell gefunden werden, indem die Lochblende 11, die ein Messloch 12 von z. B. 0,5 mm aufweist, wie in 4 gezeigt, mit mindestens einem, vorzugsweise mehreren, zusätzlichen Löchern 33, deren Durchmesser sich vom Durchmesser des Messlochs unterscheiden (bspw. 6 mm, 4 mm, 2 mm, 1 mm), versehen wird. Beginnend beim Loch mit dem größten Durchmesser erfolgt jeweils eine Messung durch das jeweilige Loch. Der Messwert, der in dem Messloch mit dem größten Durchmesser gemessen wurde, wird als Referenz verwendet. Stimmen die Messwerte der Messungen auf ca. +/–5% überein, dann stimmt die Position in x, y und z. Ist das nicht der Fall, so dienen die in den verschiedenen Löchern gemessenen Messwerte als Maß für die Abweichung der tatsächlichen von der von der Steuerung angenommenen Fokuslage. Auf diese Weise kann das Raster, an dessen Rasterpunkten jeweils eine Fokuslagenmessung erfolgt, eingeschränkt werden und die Fokuslage kann besonders schnell vermessen werden.

Claims

Verfahren zum Ermitteln der Fokuslage oder des Strahlprofils eines mittels einer Scanneroptik (5) oder x-y-Bewegungseinheit (5') in x-y-Richtung ablenkbaren und mittels einer Fokussieroptik (4) oder z-Bewegungseinheit (6) in z-Richtung verfahrbaren Laserstrahls (2) an mehreren Messpunkten im 2-dimensionalen Arbeitsfeld (7) oder im 3-dimensionalen Arbeitsraum des Laserstrahls (2), wobei an jedem der Messpunkte eine Lochblende (11) mit nachgeordnetem Detektor (13; 31) angeordnet wird, wobei an jedem der Messpunkte für eine x-y-Fokuslagen- oder Strahlprofilvermessung der Laserstrahl (2) mittels der Scanneroptik (5) oder x-y-Bewegungseinheit (5') in einem x-y-Raster über das Messloch (12) der Lochblende (11) bewegt wird und in jedem der Rasterpunkte bei ortsfester Scannerachse der Scanneroptik (5) oder x-y-Bewegungseinheit (5') die Laserleistung mit dem Detektor (13; 31) gemessen wird und/oder für eine z-Fokuslagenvermessung der Laserstrahl (2) mittels der Fokussieroptik (4) oder z-Bewegungseinheit (6) in z-Richtung innerhalb des Messloches (12) der Lochblende (11) verfahren wird und in jedem der Rasterpunkte die Laserleistung mit dem Detektor (13; 31) gemessen wird, und wobei aus den Messwerten die Fokuslage und/oder das Strahlprofil des Laserstrahls (2) an dem jeweiligen Messpunkt ermittelt wird oder werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine x-y-Fokuslagenvermessung der Lochdurchmesser der Lochblende (11) etwa dem Fokusdurchmesser des Laserstrahls (2) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für eine x-y-Fokuslagenvermessung die Kantenlänge des x-y-Rasters ca. das 5- bis 100-fache des Fokusdurchmessers des Laserstrahls (2) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rasterabstand des x-y-Rasters ca. 0,01 bis 1 mm beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine z-Fokuslagenvermessung der Rasterabstand des z-Rasters ca. 0,1 bis 1 mm beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene x-y-Fokuslage als Offsetkorrekturwert an die Scanneroptik (5) oder x-y-Bewegungseinheit (5') übermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene z-Fokuslage als Offsetkorrekturwert an die Fokussieroptik (5) und/oder an die z-Bewegungseinheit (6) übermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblende (11) zusätzlich zum Messloch (12) mit mindestens einem weiteren Loch (33) versehen ist, welches sich in seinem Durchmesser von dem Messloch (12) unterscheidet.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Strahlprofilvermessung der Lochdurchmesser der Lochblende (11) um ein Vielflaches kleiner als der Fokusdurchmesser ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gleiche Lochblende (11) nacheinander an den mehreren Messpunkten angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lochplatte (30) mit mehreren die Messpunkte definierenden löchern (12) im Arbeitsfeld (7) oder in mindestens einer Ebene des Arbeitsraums angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass den mehreren Löchern (12) der Lochplatte (30) ein gemeinsamer Detektor (31) oder jeweils ein eigener Detektor (13) nachgeordnet ist.