DE102013008269A1

DE102013008269A1 - Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102013008269A1
Application number: DE102013008269.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Kogel-Hollacher; Martin Schönleber
Original assignee: Precitec Optronik GmbH
Current assignee: Precitec Optronik GmbH
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2014-11-20
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: US20200001395A1; CA2912135A1; WO2014183849A1; DE102013008269C5; CA2912135C; US20160059347A1; US11219967B2; US10449631B2; DE102013008269B4

Abstract

Ein Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsvorrichtung (10), die für die Bearbeitung eines Werkstücks (24a, 24b; 24) mit Laserstrahlung (30) eingerichtet ist, weist eine verstellbare Fokussieroptik (34) auf, welche die Laserstrahlung in einem Brennfleck (22) fokussiert. Der Abstand des Brennflecks zu einem Bearbeitungskopf (14) ist durch Verändern der Brennweite der Fokussieroptik veränderbar. Eine Scaneinrichtung (44) lenkt die Laserstrahlung in unterschiedliche Richtungen ab. Ein optischer Kohärenztomographen (48) misst einen Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück. Dabei interferiert in dem Kohärenztomographen von einer Messlichtquelle (50) erzeugtes Messlicht (52), das von dem Werkstück reflektiert wurde, mit Messlicht, das in einem Referenzarm (60) eine optische Weglänge zurückgelegt hat. Erfindungsgemäß ist im Referenzarm ein Weglängenmodulator (74) angeordnet, der synchron zu und in Abhängigkeit von einer Veränderung der Brennweite der Fokussieroptik die optische Weglänge im Referenzarm nachführt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, mit der sich Werkstücke schweißen, schneiden oder in sonstiger Weise bearbeiten lassen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Laserbearbeitungsvorrichtungen umfassen üblicherweise eine Laserstrahlungsquelle, bei der es sich z. B. um einen Faser-Laser oder einen Scheiben-Laser handeln kann. Zur einer Laserbearbeitungsvorrichtung gehören ferner ein Bearbeitungskopf, der die von der Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung in einem Brennfleck fokussiert, und eine Strahlzuführeinrichtung, welche die von der Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung dem Bearbeitungskopf zuführt. Die Strahlzuführungseinrichtung kann dabei optische Fasern oder andere Lichtleiter und/oder einen oder mehrere Umlenkspiegel mit planen oder gekrümmten Flächen umfassen. Der Bearbeitungskopf kann an einem beweglichen Roboterarm oder einem anderen Verfahrgerät befestigt sein, das eine dreidimensionale Positionierung ermöglicht. Die Laserstrahlungsquelle ist dabei häufig weiter entfernt vom Bearbeitungskopf oder einem diesen tragenden Verfahrgerät angeordnet.
Bislang werden die zu bearbeitenden Werkstücke üblicherweise mit Handhabungsgeräten in eine definierte Lage gebracht. Der Bearbeitungskopf wird dann mithilfe des Roboters in einem Abstand von wenigen Zentimetern über das ruhende Werkstück geführt. Da der Bearbeitungskopf schwer ist, lassen sich keine sehr schnellen Verfahrbewegungen realisieren, wie sie beispielsweise bei Punktschweißvorgängen zweckmäßig wären. Im Prinzip könnte zusätzlich noch das Werkstück verfahren werden, jedoch erhöht sich dadurch der konstruktive Aufwand für die Handhabungsgeräte beträchtlich.
Um Werkstücke schnell an weit auseinander liegenden Orten bearbeiten zu können, wurden deswegen Laserbearbeitungsvorrichtungen entwickelt, bei denen der Brennfleck der Laserstrahlung mithilfe einer Scaneinrichtung, die üblicherweise eine Anordnung von Galvanospiegeln enthält, über das Werkstück geführt wird. Wenn der Bearbeitungskopf ausreichend weit (z. B. rund 50 cm) vom Werkstück entfernt ist, können weit auseinander liegende Orte auf dem Werkstück extrem schnell von der Laserstrahlung bearbeitet werden. Die Bewegung der relativ schweren Bearbeitungsköpfe wird somit durch Bewegungen der leichten Galvanospiegel in der Scaneinrichtung ersetzt. Bearbeitungsverfahren, bei denen sich der Bearbeitungskopf weit vom Werkstück entfernt befindet und eine Scaneinrichtung enthält, werden häufig als Fern-Laserschweißen (engl. Remote Welding oder Welding-on-the fly) oder Fern-Laserschneiden (Remote Laser Cutting) bezeichnet.
Neben der höheren Bearbeitungsgeschwindigkeit haben diese Verfahren den Vorteil, dass Spritzer und andere bei der Bearbeitung entstehende Verunreinigung kaum noch den Bearbeitungskopf erreichen und verschmutzen können. Schutzgläser am Bearbeitungskopf müssen dadurch seltener ersetzt werden, wodurch sich die Ausfallzeiten verringern. Außerdem muss der Bearbeitungskopf gar nicht mehr oder allenfalls vergleichsweise langsam bewegt werden, was einen Roboter überflüssig bzw. kostengünstiger macht.
Ein bislang noch nicht zufriedenstellend gelöstes Problem beim Einsatz derartiger Laserbearbeitungsvorrichtungen besteht darin, dass es schwierig ist, den Brennfleck, dessen Durchmesser bei Schweißbearbeitungen meist zwischen 100 μm und 500 μm liegt und bei Schneidbearbeitungen 20 μm und weniger betragen kann, genau auf der Oberfläche der zu bearbeitenden Werkstücke zu positionieren. Deswegen ist es beispielsweise bislang nicht möglich, Kehlschweißnähte an Überlappungsstößen verzinkter Stahlbleche zu erzeugen, weil der Brennfleck nicht genau genug in der Kehlnaht positioniert werden kann. Aus diesem Grunde werden bislang verzinkte Strahlbleche meist durch einen Lasertiefschweißprozess verbunden, bei dem zwischen den Flächen ein Luftspalt belassen werden muss. Dieser Luftspalt ist notwendig, damit die explosionsartig aufgeschmolzene Zinkschicht sich verteilen kann. Dadurch wird der Entstehung von Lunkern und Fehlstellen entlang der Schweißnaht vorgebeugt. Um die Stahlbleche auf Abstand zu halten, müssen diese abstandserhaltende Dellen aufweisen. Die Schwierigkeit, zuverlässig Kehlschweißnähte zu erzeugen, führt somit letztlich zu Einschränkungen bei der Konstruktion der Werkstücke und zusätzlichem Materialverbrauch.
Dass der Brennfleck nicht genau genug auf den zu bearbeitenden Werkstücken positioniert werden kann, hat folgende Gründe. Bislang wird bei der Fern-Laserbearbeitung der Brennfleck gemäß eines vorgegebenen Steuerprogramms über die zu bearbeitenden Werkstücke geführt. Formabweichungen der Werkstücke selbst sowie Positioniertoleranzen der Handhabungsgeräte und des ggf. verwendeten Roboters führen jedoch dazu, dass sich der zu bearbeitende Ort auf dem Werkstück häufig nicht an seiner Sollposition befindet. Da derartige Abweichungen bei der Steuerung nicht berücksichtigt werden, erfolgt die Bearbeitung tatsächlich außerhalb der Sollposition.
Ideal wäre es, wenn der Brennfleck in einem Regelungsprozess der tatsächlich vorgefundenen räumlichen Anordnung der Werkstücke nachgeführt werden könnte. Hierzu wäre es jedoch erforderlich, diese tatsächliche räumliche Anordnung der zu bearbeitenden Werkstücke relativ zum Bearbeitungskopf oder einem anderen Referenzpunkt während der Laserbearbeitung in Echtzeit zu messen. Eine solche Messung konnte bislang jedoch nicht erfolgreich durchgeführt werden.
Eine Beobachtung des Bearbeitungsortes mit Hilfe einer Kamera führt deswegen nicht zu den gewünschten Verbesserungen, weil die Kamera nur eine 2D-Projektion der Werkstücke erfasst. Wenn der Strahlengang der Kamera koaxial zur Laserstrahlung verläuft, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, lässt sich zwar ein lateraler Versatz entlang den Richtungen X und Y, nicht aber der Abstand des Werkstücks zum Bearbeitungskopf entlang der Z-Richtung genau messen. Denn für eine hohe Prozessgüte sind Messgenauigkeiten in Z-Richtung erforderlich, die für Schweißbearbeitungen in der Größenordnung von rund 400 μm und für Schneidbearbeitungen in der Größenordnung von rund 100 μm liegen.
Für Lichtschnitt- oder Triangulationsverfahren ist die Entfernung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück zu groß, um ausreichend präzise messen zu können.
Chromatisch-konfokale Messmethoden sind ebenfalls nicht geeignet, weil zum einen die numerische Apertur der Fokussieroptik im Bearbeitungskopf zu niedrig ist und andererseits deren chromatische Längsaberration zu gering ist, um einen ausreichenden Messbereich abdecken zu können.
Zur Abstandsmessung während der Laserbearbeitung wurde vor einiger Zeit der Einsatz von optischen Kohärenztomographen (engl. Optical Coherence Tomograph, OCT) vorgeschlagen, vgl. insbesondere EP 1 977 850 B1 , DE 10 2010 016 862 B3 und DE 10 2012 207 835 A1 . Die optische Kohärenztomographie ermöglicht eine hochgenaue Abstandsmessung und sogar die Erzeugung eines 3D-Profils der abgetasteten Oberflächen, wenn der Messstrahl scannerartig über die Oberflächen geführt wird.
Für eine Fern-Laserbearbeitung, bei welcher der Abstand des Brennflecks vom Bearbeitungskopf in Z-Richtung innerhalb von Sekundenbruchteilen um bis zu 50 cm variieren kann, sind die im Stand der Technik bekannten optischen Kohärenztomographen jedoch nicht geeignet. Kohärenztomographen, die im Zeitbereich (engl. Time Domain, TD-OCT) arbeiten, enthalten meist einen Spiegel im Referenzarm des Kohärenztomographen, der dessen optische Weglänge moduliert. Der Spiegel vibriert in axialer Richtung mit hoher Frequenz, wodurch sequentiell Tiefeninformationen gewonnen werden können. Der von dem beweglichen Spiegel überstrichene Verfahrweg liegt jedoch nur in der Größenordnung von wenigen Millimetern. Der Messbereich derartiger TD-OCTs beträgt somit ebenfalls nur weniger Millimeter und wäre somit für Fern-Laserbearbeitungen um gut zwei Größenordnungen zu gering.
Auch die Kohärenztomographie im Frequenzbereich (engl. Frequency Domain, FD-OCT), bei die optische Weglänge im Referenzarm nicht verändert wird, lässt sich ein Messbereich von nur wenigen Zentimetern erreichen. Für herkömmliche Laserbearbeitungsvorrichtungen, bei denen der Bearbeitungskopf in annähernd konstantem Abstand über die Werkstücke geführt wird, ist dieser Messbereich vollkommen ausreichend. Für die Fern-Laserbearbeitung hingegen ist auch dieser Messbereich unzureichend.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung anzugeben, mit dem sich auch große und vor allem stark variierende Abstände zu einem Werkstück präzise messen lassen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die für die Bearbeitung eines Werkstücks mit Laserstrahlung eingerichtet ist, wobei der Bearbeitungskopf eine verstellbare Fokussieroptik aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Laserstrahlung in einem Brennfleck zu fokussieren, wobei der Abstand des Brennflecks zu einem Bearbeitungskopf durch Verändern der Brennweite der Fokussieroptik veränderbar ist. Ferner umfasst der Bearbeitungskopf eine Scaneinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Laserstrahlung in unterschiedliche Richtungen abzulenken. Der Bearbeitungskopf weist außerdem einen optischen Kohärenztomographen auf, der dazu eingerichtet ist, einen Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück entlang einer einzigen Richtung und/oder entlang unterschiedlichen Richtungen zu messen. In dem Kohärenztomographen interferiert von einer Messlichtquelle erzeugtes Messlicht, das von dem Werkstück reflektiert wurde, mit Messlicht, das in einem Referenzarm eine optische Weglänge zurückgelegt hat. Erfindungsgemäß ist im Referenzarm ein Weglängenmodulator angeordnet, der synchron zu und in Abhängigkeit von einer Veränderung der Brennweite der Fokussieroptik die optische Weglänge im Referenzarm nachführt.
Durch die synchrone Nachführung der optischen Weglänge im Referenzarm lässt sich der axiale Messbereich des Kohärenztomographen faktisch fast beliebig vergrößern. Wird beispielsweise die Brennweite der Fokussieroptik so verändert, dass sich der Brennfleck um 30 cm weg vom Bearbeitungskopf verlagert, so vergrößert der Weglängenmodulator die optische Weglänge im Referenzarm synchron um den gleichen Betrag. Dann steht bei dem neuen Abstandswert wieder der normale Messbereich des Kohärenztomographen zur Verfügung, der im Falle von Kohärenztomographen im Frequenzbereich (FD-OCT) nicht über etwa 8 mm hinausgehen sollte, um eine ausreichende Messgenauigkeit zu erhalten. Da der Kohärenztomograph an sich nur Unterschiede zwischen den optischen Weglängen im Objektarm und im Referenzarm messen kann, ist die bei der Nachführung vom optischen Weglängenmodulator hinzugefügte optische Weglänge bei der Berechnung des tatsächlichen Anstandes zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungskopf zu berücksichtigen. Entsprechendes gilt natürlich umgekehrt auch für den Fall, dass der Abstand des Brennflecks zum Bearbeitungskopf verringert wird.
Im Allgemeinen erfolgt die Steuerung des Weglängenmodulators so, dass dann, wenn sich die Brennweite der Fokussieroptik um Δd verändert, der Weglängenmodulator die optische Weglänge im Referenzarm um 2Δd verändert. Der Faktor 2 hängt damit zusammen, dass auch das im Objektarm geführte Messlicht reflektiert wird und somit die Brennweite der Fokussieroptik zweimal durchläuft. Grundsätzlich sind von dieser Bedingung Abweichungen zulässig und können im Einzelfall auch sinnvoll sein. Wenn beispielsweise von einem Bearbeitungsort, der von erhöhten Strukturen umgeben ist, zu einem Bearbeitungsort gewechselt wird, der von abgesenkten Strukturen umgeben ist, so kann es zweckmäßig sein, wenn von dem vorgenannten Grundsatz abgewichen wird, um den Messbereich des Kohärenztomographen optimal nutzen zu können.
Im Prinzip ist die Erfindung auch bei Kohärenztomographen anwendbar, die im Zeitbereich arbeiten (TD-OCT). In diesem Fall muss der optische Weglängenmodulator zusätzlich noch eine hochfrequente Weglängenmodulation mit geringem Weglängenhub in der Größenordnung von wenigen Millimetern erzeugen. Für die Anwendung bei der Fern-Laserbearbeitung sind aber, wie bereits oben erwähnt, Kohärenztomographen im Frequenzbereich (FD-OCT) im Allgemeinen günstiger, da sie einen größeren axialen Messbereich erfassen können.
Bei der Fern-Laserbearbeitung kann sich die Brennweite der Fokussieroptik innerhalb von Sekundenbruchteilen um größere Beträge ändern. Gleichzeitig muss auch der Messbereich des optischen Kohärenztomographen mit Hilfe des Weglängenmodulators um die gleiche Wegstrecke verlagert werden können. Mit den nachfolgend beschriebenen Weglängenmodulatoren ist es möglich, kleinere Veränderungen der optischen Weglänge (OPD = 20 mm) weniger als 10 ms zu erzeugen. Ebenso ist es möglich, etwas größere Veränderungen. der optischen Weglänge (OPD = 100 mm) in weniger als 20 oder größere Veränderungen der optischen Weglänge (OPD = 200 mm) in weniger als 50 ms zu erzeugen.
Um so große Veränderungen der optischen Weglänge in so kurzer Zeit zu erzeugen, darf der Weglängenmodulator keine größeren Massen enthalten, die rasch bewegt werden müssen. Deswegen sind herkömmliche Weglängenmodulatoren, die einen linear beweglichen Spiegel in einem zweifach gefalteten Strahlengang umfassen, zu langsam.
Bei einer Gruppe von Ausführungsbeispielen weist der Weglängenmodulator deswegen einen verschiebbaren Spiegel auf, der so in einem gefalteten Strahlengang angeordnet ist, dass sich bei einer Verlagerung des Spiegels um die Strecke s die optische Weglänge im Referenzarm um mindestens 8 s, und vorzugsweise um mindestens 12 s und weiter vorzugsweise um mindestens 16 s, verändert. Durch eine solche Faltung des Strahlengangs lassen sich mit relativ kurzen axialen Verlagerungen des Spiegels große Veränderungen der optischen Weglänge im Referenzarm erzeugen. Gegenüber herkömmlichen Weglängenmodulatoren im Referenzarm, bei denen sich bei einer Verlagerung des Spiegels um die Strecke s die optische Weglänge nur um 2 s ändert, wird folglich eine Komprimierung des Strahlengangs um einen Faktor von mindestens 4 erreicht. Als optische Weglänge im Referenzarm wird hier die Summe der optischen Weglängen auf dem Hin- und Rückweg angesehen.
Eine 6fache Komprimierung des Strahlengangs lässt sich beispielsweise erzeugen, wenn der Weglängenmodulator eine optische Achse und zwei Paare von reflektierenden Planflächen aufweist, die jeweils in einem Winkel von 90° zueinander und um 45° bezüglich der optischen Achse angeordnet sind. Die Paare sind dann azimutal bezüglich der optischen Achse um einen Winkel von 60° zueinander verdreht anzuordnen. Bei einer azimutalen Verdrehung um einen Winkel von 45° ergibt sich eine 8fache Komprimierung, und bei einer Verdrehung um einen Winkel von 30° sogar eine 12fache Komprimierung.
Bei einer anderen Gruppe von Ausführungsbeispielen weist der Weglängenmodulator eine Vielzahl von endseitig verspiegelten optischen Kanälen unterschiedlicher Länge und einen optischen Schalter auf, mit dem das Messlicht sequentiell in jeweils einem der optischen Kanäle einkoppelbar ist. Durch einen solchen Weglängenmodulator wird die optische Weglänge somit nicht kontinuierlich, sondern stufenweise verändert. Die optischen Kanäle können dabei jeweils einen Freiraum, durch den hindurch sich das Messlicht ausbreiten kann, und eine reflektierende Fläche umfassen.
Besonders raumsparend lassen sich unterschiedlich lange optische Kanäle erzeugen, wenn diese als optische Faser ausgebildet sind. Die optischen Fasern lassen sich platzsparend aufwickeln oder in sonstiger Weise krümmen, so dass die unterschiedlich langen Kanäle auch in den beengten Raumverhältnissen eines Bearbeitungskopfes problemlos untergebracht werden können.
Bei dem optischen Schalter kann es sich beispielsweise um einen beweglich gelagerten Spiegel handeln, der ggf. gekrümmt ist, um beispielsweise Messlicht in optische Fasern einkoppeln zu können. Als optische Schalter in Betracht kommen jedoch auch faseroptische oder integrierte Raummultiplexer, wie sie aus der optischen Kommunikationstechnik bekannt sind.
Mit dem erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf ist es möglich, dem Bearbeitungskopf eine Regeleinrichtung zuzuordnen, die dazu eingerichtet ist, die Brennweite der Fokussieroptik und/oder eine von der Scaneinrichtung eingestellte Richtung der Laserstrahlung so zu regeln, dass sich der Brennfleck an einem gewünschten Ort auf dem Werkstück befindet, wobei der Regeleinrichtung der von dem Kohärenztomographen gemessene Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück zuführbar ist.
Im Allgemeinen wird es bevorzugt sein, wenn das Messlicht zumindest einen Teil der Fokussieroptik durchtritt, mit dem sich dessen Brennweite verändern lässt.
Beim Verändern der Brennweite der Fokussieroptik wird der Brennfleck des Messlichts somit stets automatisch mitgeführt. Gleichzeitig können zumindest Teile der Fokussieroptik dazu genutzt werden, das Messlicht zu fokussieren. Denn nur ausreichende Fokussierung des Messlichts, die vorzugsweise unterhalb der vierfachen Rayleighlänge liegt, gewährleistet eine gute Qualität der Abstandsmessung mit dem Kohärenztomographen.
Durch die teilweise Mitnutzung der Fokussieroptik kann außerdem auf besonders einfache Weise erreicht werden, dass das Messlicht stets in der gleichen Brennebene fokussiert wird, in der sich auch der Brennfleck der Laserstrahlung befindet. Im Allgemeinen ist es nämlich besonders wichtig zu wissen, wie weit das Werkstück am Bearbeitungspunkt, an dem der Brennfleck der Laserstrahlung entsteht, vom Bearbeitungskopf entfernt ist. Das vom Kohärenztomographen erzeugte Messlicht muss nicht unbedingt auf den Brennfleck gerichtet werden. So ist es beispielsweise möglich, für das Messlicht eine zusätzliche Scaneinrichtung vorzusehen, die einen den Bearbeitungspunkt umgebenden Bereich auf dem Werkstück scannerartig überfährt und auf diese Weise ein dreidimensionales Relief der Oberfläche liefert. Ebenso ist es möglich, dass der Messlichtstrahl auf einer kreisförmigen Bahn um den Bearbeitungspunkt wandert. Ein solcher im optischen Weg des Messlichts angeordneter Kreisscanner ist sehr einfach mit Hilfe eines Taumelspiegels, eines um zwei Kippachsen verkippbaren Mikrospiegels oder einer rotierenden Keilplatte realisierbar. Für eine Nahtverfolgung sind die durch einen Kreisscanner gewonnenen Informationen häufig ausreichend.
Der Kohärenztomograph kann in diesem Fall somit nicht nur dazu verwendet werden, den Brennfleck optimal auf dem Werkstück zu positionieren, sondern auch zu Zwecken der nachträglichen Nahtverfolgung. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Lunker und andere Fehlstellen im Rahmen der Qualitätssicherung identifizieren.
Im Prinzip ist es auch möglich, für das Messlicht eine eigene Fokussieroptik und eine eigen Scaneinrichtung vorzusehen, die beide nicht von der Laserstrahlung durchtreten werden. Bei Werkstücken mit einem sehr ausgeprägtem Höhenprofil lässt sich auf diese Weise eine hochgenaue Oberflächenvermessung in der weiteren Umgebung des Bearbeitungspunktes durchführen, da das Messlicht und die Laserstrahlung nicht mehr in der gleichen Brennebene fokussiert werden müssen.
Grundsätzlich kann die Erfindung jedoch auch in Laserbearbeitungsvorrichtungen Verwendung finden, die keine Scaneinrichtung enthalten. In diesem Fall wird nur die Verlagerung des Brennflecks in axialer Richtung mit Hilfe der Fokussieroptik durchgeführt, während die laterale Verlagerung des Brennflecks durch Verfahren des Bearbeitungskopfes erzeugt wird. Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mit Laserbearbeitung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) Fokussieren der Laserstrahlung in einem Brennfleck, wobei der Abstand des Brennflecks zu einem Bearbeitungskopf durch Verändern der Brennweite einer in dem Bearbeitungskopf enthaltenen Fokussieroptik verändert wird;
b) Verwenden eines Kohärenztomographen, der einen Referenzarm enthält, zum Messen des Abstands des zu dem Werkstück;
c) Nachführen der optischen Weglänge in dem Referenzarm synchron zu und in Abhängigkeit von der Veränderung der Brennweite in Schritt a).

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung beim Schweißen zweier Stahlbleche entlang einer Kehlnaht;
2 und 3 den Strahlengang in einem Bearbeitungskopf der in der 1 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung für zwei unterschiedliche Brennfleckpositionen;
4 einen meridionalen Schnitt durch einen Weglängenmodulator mit einem 2fach gefalteten Strahlengang;
5 eine Variante des in der 4 gezeigten Weglängenmodulators;
6 ein erfindungsgemäßer Weglängenmodulator mit einem 4fach gefalteten Strahlengang in einer perspektivischen Darstellung;
7 Vorderansichten von Prismen des in der 6 gezeigten Weglängenmodulators, auf denen die Auftreffpunkte der Lichtstrahlen eingezeichnet sind;
8 bis 10 Auftreffpunkte auf Prismen oder reflektierenden Flächen bei einem 6fach, 8fach bzw. 12fach gefalteten Strahlengang;
11a und 11b einen erfindungsgemäßen Weglängenmodulator, bei dem ein optischer Schalter Messlicht in unterschiedlich lange optische Fasern einkoppelt, in zwei unterschiedlichen Schaltstellungen;
12a und 12b eine Variante des in den 11a und 11b gezeigten Ausführungsbeispiels, bei dem das Messlicht sich nicht in optischen Fasern, sondern im Freiraum ausbreitet;
13a und 13b einen Teil des in der 2 gezeigten Strahlengangs, wobei zusätzlich ein Taumelspiegel zur Erzeugung eines auf einer Kreisbahn umlaufenden Messlichtstrahls vorgesehen ist;
14a und 14b einen Ausschnitt aus einem Strahlengang in einem Bearbeitungskopf gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Linsen im Strahlengang der Laserstrahlung und des Messlichts gemeinsam zur axialen Verlagerung des Brennflecks verfahren werden;
15 einen Graphen, in dem schematisch Messsignale des Kohärenztomographen aufgetragen sind.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1. Aufbau der Laserbearbeitungsvorrichtung
Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Laserbearbeitungsvorrichtung 10 mit einem Roboter 12 und einem erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf 14, der an einem beweglichen Arm 16 des Roboters 12 befestigt ist.
Zur Laserbearbeitungsvorrichtung 10 gehört außerdem eine Laserstrahlungsquelle 18, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Scheiben- oder Faserlaser ausgebildet ist. Von der Laserstrahlungsquelle 18 erzeugte Laserstrahlung 30 wird über eine optische Faser 20 dem Bearbeitungskopf 14 zugeführt und von diesem in einem Brennfleck 22 fokussiert.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 ist für eine Fern-Laserbearbeitung von Werkstücken vorgesehen. Der Abstand zwischen dem Brennfleck 22 und dem Bearbeitungskopf 14 beträgt deswegen etwa 30 cm bis 100 cm. Wie weiter unten mit Bezug auf die 2 erläutert wird, ist die Brennweite einer in dem Bearbeitungskopf 14 enthaltenen Fokussieroptik veränderbar, um den Brennfleck 22 in unterschiedlichen Abständen vom Bearbeitungskopf 14 auf dem Werkstück positionieren zu können. Außerdem enthält der Bearbeitungskopf 14 eine Scaneinrichtung, mit der sich die Laserstrahlung in unterschiedliche Richtungen ablenken lässt. Auf diese Weise ist es möglich, den Brennfleck 22 innerhalb eines größeren Volumens an jedem beliebigen Punkt zu positionieren.
Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Werkstücken um zwei verzinkte Stahlbleche 24a, 24b, die mit Hilfe von Handhabungsgeräten 26a bzw. 26b in einer bestimmten Relativposition zueinander gehalten werden. Es sei weiter angenommen, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 an einem Überlappungsstoß 28 zwischen den beiden Stahlblechen 24a, 24b eine Kehlnaht schweißen soll. Die Steuerung der Laserbearbeitungsvorrichtung sorgt dafür, dass sich der Roboter 12 und damit auch der daran befestigte Bearbeitungskopf 14 nicht oder nur langsam bewegen, während der Brennfleck 22 am Überlappungsstoß 28 entlang geführt wird. Die Scaneinrichtung und die Fokussieroptik werden so angesteuert, dass sich der Brennfleck 22 relativ zum Bearbeitungskopf 14 bewegt und dabei auf der Oberfläche der Stahlbleche 24a, 24b den Überlappungsstoß 28 entlang wandert. Ein in den Bearbeitungskopf 14 integrierter optischer Kohärenztomograph 48 misst dabei kontinuierlich den Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf 14 und den Stahlblechen 24a, 24b entlang der momentanen Richtung der Laserstrahlung 30.
Die 2 zeigt den Strahlengang im Bearbeitungskopf 14 in einer schematischen Darstellung. Es wird unterstellt, dass die Laserstrahlung 30 bereit kollimiert in den Bearbeitungskopf 14 eintritt. Die Laserstrahlung 30 durchtritt zunächst einen dichroischen ersten Strahlteiler 32 und dann die mit 34 bezeichnete Fokussieroptik des Bearbeitungskopfes 14. Die Fokussieroptik 34 umfasst eine zerstreuende erste Linse 36, die mit Hilfe eines Verfahreinrichtung 40 entlang einer optischen Achse 38 verfahren werden kann, wie dies durch einen Doppelpfeil oberhalb der ersten Linse 36 angedeutet ist. Die Fokussieroptik 34 umfasst außerdem eine sammelnde zweite Linse 42, die feststehend angeordnet ist. Durch Verfahren der ersten Linse 36 lässt sich die Brennweite der Fokussieroptik 34 und damit der Abstand zu einem Lichtaustrittsfenster des Bearbeitungskopfes 14 verändern.
Im Strahlengang hinter der Fokussieroptik 34 ist die bereits erwähnte und mit 44 bezeichnete Scaneinrichtung angeordnet. Diese enthält einen oder mehrere galvanisch aufgehängte Spiegel, mit denen sich die Laserstrahlung 30 in unterschiedliche Richtungen ablenken lässt, wie dies durch einen gestrichelten Strahlengang 46 angedeutet ist. Da derartige Scaneinrichtungen im Stand der Technik als solche bekannt sind, wird auf eine nähere Erläuterung des Aufbaus verzichtet.
Durch das Zusammenwirken der Scaneinrichtung 44 mit der Verfahreinrichtung 40 der Fokussieroptik 34 lässt sich der Brennfleck 22 innerhalb eines größeren Volumens an beliebigen Orten auf den Stahlblechen 24a, 24b positionieren.
Um den Abstand des Werkstücks 22 zum Bearbeitungskopf 14 messen zu können, enthält dieser den bereits erwähnten optischen Kohärenztomographen, der in der 2 insgesamt mit 48 bezeichnet ist. Der Kohärenztomograph 48 umfasst eine Lichtquelle 50 zur Erzeugung von Messlicht 52, einen zweiten Strahlteiler 54 und einen dritten Strahlteiler 56, hinter dem sich der Strahlengang in einen Objektarm 58 und einen Referenzarm 60 aufteilt.
Im Objektarm 58 wird das Messlicht zunächst von einer Teleskopoptik 62 aufgeweitet und dann von dem ersten Strahlteiler 32 in den Strahlengang der Laserstrahlung 30 eingekoppelt. Die Teleskopoptik 62 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Zerstreuungslinse 64 und eine Sammellinse 66.
Zwischen den Linsen 64, 66 ist ein verstellbarer Glaswegadapter 68 angeordnet, der aus zwei zueinander verschiebbaren Keilprismen 70, 72 besteht, zwischen denen sich ein indexangepasstes Gel befindet. Durch Verschieben der Keilprismen 70, 72 kann die axiale Länge des Glaswegadapters 68 stufenlos eingestellt werden. Auf diese Weise ist es möglich, den optischen Kohärenztomographen 48 auch in bestehende Bearbeitungsköpfe 14 zu integrieren und mit Hilfe des Glaswegadapters 68 stets gleiche Weglängen in dispergierenden Gläsern einzustellen.
Am Ende des Referenzarms befindet sich ein Weglängenmodulator 74, der im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Planspiegel 76 besteht, der in axialer Richtung mit Hilfe eines Linearantriebs 78 verfahrbar ist. Auf diese Weise kann die optische Weglänge im Referenzarm 60 stufenlos verstellt werden.
Der Kohärenztomograph 48 umfasst außerdem einen spektral auflösenden Lichtsensor 80, der die Interferenz von Messlicht, das von den Stahlblechen 24a, 24b reflektiert wurde, mit Messlicht, das in dem Referenzarm 60 eine ähnliche optische Wegstrecke zurückgelegt hat, erfasst.
Der Kohärenztomograph 48 arbeitet im Frequenzbereich (FD-OCT). Dadurch ist bei einer gegebenen optischen Weglänge im Referenzarm 60 ein Messbereich in axialer Richtung von etwa 8 mm möglich. Da, abgesehen von dem noch näher zu erläuternden Weglängenmodulator 74, derartige Kohärenztomographen 48 im Stand der Technik bekannt sind, wird die Funktion hier nicht nochmals im Detail erläutert. Grundsätzlich geeignet sind auch Kohärenztomographen mit optischen Zirkulatoren, wie sie in der DE 10 2010 016 862 B3 der Anmelderin beschrieben sind.
Die 3 entspricht der 2, nur dass dort der Brennfleck 22 in axialer Richtung verlagert wurde. Von der Verfahreinrichtung 40 wurde zu diesem Zweck die erste Linse 36 der Fokussieroptik 34 so verschoben, dass sich die Brennweite der Fokussieroptik 34 verlängert.
Wenn diese Verlängerung über etwa 8 mm hinausgeht, würde dadurch der Messbereich des Kohärenztomographen 48 verlassen. Deswegen wird synchron mit der Verschiebung der ersten Linse 36 der Planspiegel 76 im Weglängenmodulator 74 um den gleichen Betrag verlagert, um den die Brennweite verlängert wurde. Auf diese Weise stimmen die optischen Weglängen im Referenzarm 60 und im Objektarm 58 wieder überein, so dass der volle Messbereich des Kohärenztomographen 48 von etwa 8 mm nutzbar ist.
Um die Verschiebungen der Linse 36 der Fokussieroptik mit dem Planspiegel 76 des Wegelängenmodulators 74 zu synchronisieren, sind die Verfahreinrichtung 40 und der Weglängenmodulator 74 mit einer gemeinsamen Regel- und Steuereinrichtung 82 über Signalleitungen verbunden. Die Regel- und Steuereinrichtung 82 steuert außerdem die Scaneinrichtung 44 an. Zugeführt werden ihr Messsignale des Lichtsensors 80, die nach Auswertung die optische Weglängendifferenz im Objekt- und Referenzarm 58 bzw. 60 liefern. Da die optische Weglänge im Referenzarm bekannt ist (die axiale Lage des Planspiegels 76 sollte deswegen von einem Encoder genau erfasst werden), kann die Regel- und Steuereinrichtung 82 die Verfahreinrichtung 40 der Fokussieroptik 34 und auch die Scaneinrichtung 44 so ansteuern, dass der Brennfleck genau am gewünschten Ort auf den Stahlblechen 24a, 24b positioniert wird. Diese Positionierung erfolgt vorzugsweise im Wege einer Regelschleife, bei der die vom Kohärenztomographen 48 bereitgestellten Messwerte zur stetigen Korrektur der Positionierung des Brennflecks 22 verwendet werden.
2. Weglängenmodulatoren
Bei Werkstücken mit großem Tiefprofil muss der Brennfleck 22 sehr rasch um größere Wegstrecken in axialer Richtung verlagert werden. Hierzu genügen kurze Verfahrwege der ersten Linse 36 der Fokussieroptik 34, die trotz der relativ großen Masse der ersten Linse 36 leicht zu bewerkstelligen sind. Die axiale Verlagerung des Brennflecks 22 kann dabei beispielsweise um eine Größenordnung größer sein als der Verfahrweg der ersten Linse 36.
Anders sehen die Verhältnisse jedoch im Weglängenmodulator 74 aus. Bei dem in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Strahlengang des Messlichts 52 im Referenzarm 60 zweifach gefaltet. Dies bedeutet, dass bei einem Verfahrweg Δd des Planspiegels 76 sich die optische Weglänge um den Betrag 2Δd verändert. Wenn sich z. B. die axiale Position des Brennflecks 22 in 30 ms um 200 mm verlagert, muss der Planspiegel 76 in dieser kurzen Zeitspanne um 100 mm mithilfe des Linearantriebs 78 verfahren werden. Dies erfordert extrem hohe Beschleunigungen des Planspiegels 76.
a) Strahlfaltung
Bei dem in der 4 gezeigten Ausführungsbeispiels für den Wellenlängenmodulator 74 ist deswegen durch Mehrfachfaltung der optische Weg des Messlichts 52 nicht nur zweifach, sondern vierfach komprimiert. Der Planspiegel 76 ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch ein 90°-Prisma 84 ersetzt, dessen Hypothenusenfläche senkrecht zur Einfallsrichtung des Messlichts 52 angeordnet ist. Das 90°-Prisma 84 lenkt das Messlicht 52 daher parallel versetzt um und richtet es auf einen feststehenden Planspiegel 86. Das Messlicht 52 durchläuft dann den Strahlengang in entgegengesetzter Richtung, so dass die Strecke zwischen dem feststehenden Planspiegel 86 und dem 90°-Prisma 84 insgesamt vier Mal vom Messlicht 52 durchlaufen wird.
Eine Verlagerung des 90°-Prismas 84 in axialer Richtung, wie sie in der 4 durch den Doppelpfeil 88 angedeutet ist, bewirkt bei einer solchen 2fachen Komprimierung des Strahlengangs, dass die optische Weglänge des Messlichts 52 um das 4fache des Verfahrweges des 90°-Prismas 84 verändert wird. Gegenüber dem in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel werden dadurch annähernd halb so lange Verstellzeiten bei gleichzeitig geringerem Bauraum ermöglicht.
Insbesondere dann, wenn das Messlicht 52 im Kohärenztomographen 48 nicht im Freiraum, sondern in optischen Fasern geführt wird, kann die in der 5 gezeigte Variante eines Weglängenmodulators 74 zweckmäßig sein. Das an einem Faserende 90 leicht divergent austretende Messlicht 52 wird von dem 90°-Prisma 84 parallel versetzt und auf ein Planspiegel 86 gerichtet. Zwischen dem 90°-Prisma 84 und dem Planspiegel 86 befindet sich bei dieser Variante jedoch eine Sammellinse 92, die das Faserende 90 auf den Planspiegel 86 abbildet. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass das divergierend aus dem Faserende 90 austretende Messlicht 52 nach Durchlaufen des Weglängenmodulators 74 wieder vollständig in das Faserende 90 eingekoppelt wird.
Die 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für einen Weglängenmodulator 74, bei dem zwei 90°-Prismen 84, 94 azimutal, d. h. bezüglich der Z-Achse, um 90° zueinander verdreht angeordnet sind. Jede der reflektierenden Flächen der 90°-Prismen 84, 94 schließt dadurch einen Winkel von 45° zur optischen Achse (Z-Achse) ein. Dies ermöglicht eine 4fache Komprimierung des Strahlengangs. Ein bei ”In” eintretender Messlichtstrahl 1 wird wie bei dem in der 4 gezeigten Ausführungsbeispiel in der YZ-Ebene vom ersten 90°-Prisma 84 parallel versetzt zurückgeworfen (vgl. Messlichtstrahl 2). Das zweite 90°-Prisma 94 bewirkt einen parallelen Versatz in vertikaler Richtung, d. h. in der XZ-Ebene (vgl. Messlichtstrahl 3). Nach nochmaligem horizontalem Versatz im ersten 90°-Prisma 84 wird das Messlicht 52 als Messlichtstrahl 4 bei ”Out” durch einen Planspiegel 85 oder eine Prismenfläche auf eine Sammellinse 87 und einen weiteren Planspiegel 89 gerichtet. Anschließend durchläuft das Messlicht 54 den vorstehend erläuterten Strahlengang wieder in Rückrichtung. Durch Verschieben des ersten 90°-Prismas 84 in der durch einen Doppelpfeil angedeuteten axialen Z-Richtung wird hier die optische Weglänge um den 8fachen Betrag des Verschiebewegs verändert. Dies entspricht gegenüber einer einfachen Reflexion im Strahlengang des Referenzarms, wie sie aus herkömmlichen Kohärenztomographen bekannt ist, einer Komprimierung des Strahlengangs um den Faktor 4.
Auch dieser Aufbau lässt sich mit dem in der 5 gezeigten Prinzip kombinieren, wonach ein Faserende 90 auf eine reflektierende Fläche abgebildet wird.
Die 7 zeigt in einer schematischen Darstellung die Durchstoßungspunkte der in der 6 gezeigten Messlichtstrahl 1 bis 4 auf den Hypothenusenflächen der beiden 90°-Prismen 84, 94. Ein Kreis mit einem Punkt in der Mitte bezeichnet dabei einen beim ersten Durchlauf (d. h. vor der Reflexion an dem Planspiegel 89) eintretenden Messlichtstrahl, während ein Kreis mit einem Kreuz in der Mitte einen austretenden Messlichtstrahl andeutet. Die gestrichelten Linien deuten Symmetrieebenen der 90°-Prismen 84, 94 an.
Werden die beiden 90°-Prismen 84, 94 zueinander in einem azimutalen Winkel von 60° angeordnet, wie dies die 8 in einer an die 7 angelehnten Darstellung illustriert, so lässt sich eine 6fache Komprimierung des Strahlengangs realisieren. Bei einer Anordnung in einem azimutalen Winkel von 45°, wie er in der 9 gezeigt ist, kann sogar eine 8fache Komprimierung des Strahlengangs erreicht werden.
Selbstverständlich müssen die reflektierenden Flächen nicht Flächen eines Prismas sein. Um beispielsweise eine Achse des Linearantriebs anzuordnen zu können, kann es zweckmäßig sein, zumindest einige der um 45° bezüglich der optischen Achse geneigten Flächen als normale Planspiegel auszubilden. Die 10 zeigt eine Anordnung für eine 12fache Faltung des Strahlengangs, bei dem das zweite 90°-Prisma 94 in eine Anordnung zweier Planspiegelpaare 94a, 94a' und 94b, 94b' überführt wurde.
b) Optische Schalter
Bei der zweiten Gruppe von Weglängenmodulatoren wird die optische Weglänge im Referenzarm 60 nicht kontinuierlich, sondern in diskreten Schritten verändert. Hierzu weist der Weglängenmodulator 74 eine Vielzahl von einseitig verspiegelten optischen Kanälen unterschiedlicher Länge und einen optischen Schalter auf, mit dem das Messlicht 52 sequentiell in jeweils einen der optischen Kanäle einkoppelbar ist.
Bei dem in den 11a und 11b gezeigten Ausführungsbeispiel sind die optischen Kanäle als optische Fasern 96-1 bis 96-8 ausgebildet. Mit 98 ist eine reflektierende Fläche am Ende einer jeden Faser 96-a bis 96-8 angedeutet. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der reflektierenden Fläche um eine verspiegelte Endfläche der optischen Faser. Um Polarisationsabhängigkeiten zu vermeiden, kann sich an eine entspiegelte Endfläche der Faser ein sog. Faraday-Spiegel anschließen. Ein Faraday-Spiegel besteht aus einer Kollimatorlinse, einer doppelbrechenden Platte, welche die Polarisationsrichtung um 45° dreht, und einem planen Endspiegel. Eine zweifache Drehung der Polarisationsrichtung um 45° muss dann auch im Objektarm 58 vorgenommen werden.
Jede der insgesamt 8 optischen Fasern 96-1 bis 96-8 hat eine andere Länge. Der optische Schalter ist als drehbeweglich gelagerter Kippspiegel 100 ausgebildet. In den Referenzarm 60 eintretendes Messlicht 52 wird vom Kippspiegel 100 in eine entspiegelte Endfläche einer der optischen Fasern eingekoppelt; in der 11a ist dies die Faser 96-2. Nach Durchlaufen der optischen Faser 96-2 und Reflexion an deren verspiegelten Endfläche 98 tritt das Messlicht 52 aus der gegenüber liegenden entspiegelten Endfläche aus und wird vom Kippspiegel 100 wieder zurück in Richtung des dritten Strahlteilers 56 gerichtet.
Durch Verschwenken des Kippspiegels 100 kann das Messlicht 52 in jede beliebige der acht optischen Fasern 96-1 bis 96-8 eingekoppelt werden. In jeder optischen Faser 96-1 bis 96-8 legt das Messlicht 52 dabei eine unterschiedliche optische Wegstrecke zurück.
Die 11b illustriert den Fall, dass der Kippspiegel 100 so durch Ansteuerung durch Regel- und Steuereinrichtung 82 verkippt wurde, dass das Messlicht 52 in die optische Faser 96-7 eingekoppelt wird. Dadurch erhöht sich schlagartig die optische Weglänge.
Die optischen Fasern 96 haben den Vorteil, dass sie aufgerollt oder in sonstiger Weise platzsparend im Bearbeitungskopf 14 angeordnet werden können. Dadurch lassen sich praktisch beliebig große optische Weglängendifferenzen erzeugen.
Bei dem in den 12a und 12b gezeigten Ausführungsbeispiel für einen Weglängenmodulator 74 übertragen das gleiche Prinzip auf eine Freiraumausbreitung. Die optischen Fasern 96 sind hier entfallen; stattdessen wird kollimiertes Messlicht 52 vom Kippspiegel 100 auf einen von mehreren Planspiegeln 102-1 bis 102-8 gerichtet.
Die Planspiegel 102 haben unterschiedliche Abstände zum Kippspiegel 100 und sind so orientiert, dass auftreffendes Messlicht 52 stets in sich zurück reflektiert wird. Wie die 12b zeigt, kann auch hier durch Verschwenken des Kippspiegels 100 die optische Wegstrecke schlagartig um einen größeren Betrag verändert werden.
Um die Anordnung umempfindlicher gegenüber Justagetoleranzen zu machen, ist Strahlengang zwischen dem Kippspiegel 100 und den Planspiegeln 102-1 bis 102-8 jeweils eine Sammellinse 103 angeordnet. Diese fokussiert das aufteffende kollimierte Messlicht 52 auf einen Punkt auf dem jeweiligen Planspiegel 102-1 bis 102-8.
Falls das Messlicht 52 aus einer optischen Faser austritt, kann es vor dem Auftreffen auf den Kippspiegel 100 mit Hilfe einer Sammellinse kollimiert werden, wie dies in der 5 gezeigt ist.
3. Weitere Ausführungsbeispiele
Die 13a und 13b zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf in an die 2 angelehnten Darstellungen. Das Messlicht 52 wird hier nicht im Brennfleck 22 der Laserstrahlung 30 fokussiert, sondern wandert auf einer kreisförmigen Bahn um den Brennfleck 22 herum. Zu diesem Zweck wird das aus dem Objektarm 58 des Kohärenztomographen 48 austretende Messlicht 52, und zwar noch vor der Einkopplung in den Strahlengang der Laserstrahlung 30, von einem Umlenkspiegel 104 auf einen planen Taumelspiegel 106 gerichtet, der taumelnd gelagert ist. Dadurch beschreibt eine die Taumelachse 105 durchsetzende Flächennormale des Taumelspiegels 106 die Bahn eines geraden Kreiskegels. Folglich wandert auch der Brennfleck 108 des Messlichts 52 zumindest näherungsweise auf einer Kreisbahn um den Brennfleck 22 der Laserstrahlung 30 herum. Zwei gegenüberliegende Positionen des Messlicht-Brennflecks 108 sind in den 13a und 13b gezeigt. Der Drehwinkel des Taumelspiegels 106 bezüglich der Taumelachse 105 unterscheidet sich dabei um 180°.
Eine annähernd kreisförmige Abtastung der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks 24 ist nicht zur Regelung des Brennfleckabstandes zweckmäßig, sondern erlaubt auch eine Nahterfassung im Nachlauf der Laserbearbeitung. Bearbeitungsfehler können dadurch frühzeitig erkannt werden. Die Kreisform gewährleistet dabei eine Unabhängigkeit von der Bearbeitungsrichtung. Der Kreisradius kann dabei in der Größenordnung von rund 5 mm liegen. Dann besteht noch ausreichend Zeit, in Abhängigkeit von den Messergebnissen eine in den Bearbeitungsablauf einzugreifen.
Die 14a und 14b zeigen ein anderes alternatives Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf in meridionalen Schnitten für zwei unterschiedliche Brennweiten der Fokussieroptik 34. Anders als bei dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Messlicht 52 in den Strahlengang der Laserstrahlung 30 nicht vor, sondern erst innerhalb der Fokussieroptik 34 eingekoppelt. In der Fokussieroptik 34 ist gegenüber dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die zerstreuende erste Linse 36 durch eine sammelnde erste Linse 36' ersetzt. Die Sammelwirkung ist erforderlich, da bei diesem Ausführungsbeispiel die Laserstrahlung 30 divergent aus einem Faserstecker 110 austritt.
Das im Messarm 58 des Kohärenztomographen 48 geführte Messlicht tritt ebenfalls aus einer optischen Faser 112 aus und durchtritt deswegen ebenfalls eine Sammellinse 114, bevor es über einen Umlenkspiegel 116 in die Fokussieroptik 34 eingekoppelt wird.
Damit der Brennfleck 108 des Messlichts 52 sich stets dem Brennfleck 22 der Laserstrahlung überlagert, muss auch die Sammellinse 114 im Strahlengang des Messlichts 52 verlagert werden, da die linearbeweglich angeordnete sammelnde erste Linse 36' nur von der Laserstrahlung 30 durchtreten wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Sammellinse 114 deswegen von der gleichen Verfahreinrichtung 40 wie die sammelnde erste Linse 36' verfahren. Es ist sogar möglich, die beiden Linsen 36', 114 auf dem gleichen Verfahrschlitten anzuordnen, so dass sie sich synchron und mit gleicher Geschwindigkeit bewegen.
4. Planung des Bearbeitungsablaufs
Bei der Planung des Bearbeitungsablaufs ist zu berücksichtigen, dass der Messbereich des Kohärenztomographen 48 aus zwei Hälften besteht, die durch eine Totzone in der Mitte unterbrochen ist. Die Ursache hierfür liegt darin, dass der Messbereich von FD-OCTs nicht bei einem Gangunterschied von 0 beginnt, sondern dort, wo bereits eine signifikante Modulation erkennbar ist. Der obere Rand des Messbereichs hingegen ist erreicht, wenn man in die Unterabtastung gelangt.
Ohne besondere Vorkehrungen ist es nicht unterscheidbar, ob der Referenzarm 60 oder der Objektarm 58 länger ist, d. h. ob die gemessene optische Weglängendifferenz negativ oder positiv ist. Dies illustriert die 15, die einen Graphen zeigt, in dem beispielhaft und schematisch die Messsignale des Kohärenztomographen 48 für den Fall aufgetragen sind, dass ein für das Messlicht 52 transparentes Messobjekt vermessen wird, das zwei unterschiedlich dicke Schichten 120, 122 umfasst. Die virtuelle Position der Referenzebene, die durch die optische Weglänge im Referenzarm 60 festgelegt wird, ist mit 124 bezeichnet. An jeder Grenzfläche des Messobjekts wird Messlicht reflektiert. Durch Interferenz mit dem Messlicht aus dem Referenzarm entsteht im ausgewerteten Tiefenschnitt, der auch als A-Scan bezeichnet wird, je ein Abstandspeak für jede Grenzfläche. Die beiden Abstandspeaks im ”–” OCT-Teilmessbereich haben ein invertiertes Vorzeichen und erscheinen somit im A-Scan des FD-OCT an gespiegelten Positionen. Bei der Auswertung muss deswegen aus dem Kontext klar sein, welche der gemessenen Abstände ein negatives Vorzeichen bezüglich der Referenzebene 124 haben.
Wenn die Werkstücke mit der Genauigkeit des Messumfangs des Kohärenztomographen (etwa 8 mm) positionierbar sind, dann kann der Bearbeitungsablaufs z. B. so festgelegt werden, dass die optische Weglänge im Referenzarm 60 vom Weglängenmodulator 74 zunächst so eingestellt wird, dass der Abstand während des Abfahrens der Bearbeitungslinie sicher in einem der beiden in der 15 gezeigten OCT-Teilmessbereiche ”+” oder ”–” bleibt.
Bei stark gestuften Objekten kann man den Messbereich so anfahren, dass eine der beiden Stufen im ”–” OCT-Teilmessbereich und die andere Stufe im „+„ OCT-Teilmessbereich verbleibt. Der Übergang zwischen oberer und unterer Stufe muss dann aus dem Kontext erkannt werden, z. B. aus der Phasenlage des von einem Kreisscanner gelieferten Messignals und einem Sprung im OCT-Messwert. An diesem Übergang muss das Vorzeichen des OCT-Messwerts umgeklappt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1977850 B1 [0012]
DE 102010016862 B3 [0012, 0059]
DE 102012207835 A1 [0012]

Claims

Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsvorrichtung (10), die für die Bearbeitung eines Werkstücks (24a, 24b; 24) mit Laserstrahlung (30) eingerichtet ist, mit a) einer verstellbaren Fokussieroptik (34), die dazu eingerichtet ist, die Laserstrahlung in einem Brennfleck (22) zu fokussieren, wobei der Abstand des Brennflecks zu einem Bearbeitungskopf (14) durch Verändern der Brennweite der Fokussieroptik veränderbar ist, b) eine Scaneinrichtung (44), die dazu eingerichtet ist, die Laserstrahlung in unterschiedliche Richtungen abzulenken, c) einen optischen Kohärenztomographen (48), der dazu eingerichtet ist, einen Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück zu messen, wobei in dem Kohärenztomographen von einer Messlichtquelle (50) erzeugtes Messlicht (52), das von dem Werkstück reflektiert wurde, mit Messlicht interferiert, das in einem Referenzarm (60) eine optische Weglänge zurückgelegt hat, dadurch gekennzeichnet, dass im Referenzarm ein Weglängenmodulator (74) angeordnet ist, der synchron zu und in Abhängigkeit von einer Veränderung der Brennweite der Fokussieroptik die optische Weglänge im Referenzarm nachführt.
Bearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn sich die Brennweite der Fokussieroptik (34) um Δd verändert, der Weglängenmodulator (74) die optische Weglänge im Referenzarm (60) um 2Δd verändert.
Bearbeitungskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Kohärenztomograph (48) ein FD-OCT ist.
Bearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Weglängenmodulator (74) einen verschiebbaren Spiegel (84) aufweist, der so in einem gefalteten Strahlengang angeordnet ist, dass bei einer Verlagerung des Spiegels um die Strecke s sich die optische Weglänge um mindestens 8s verändert.
Bearbeitungskopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Weglängenmodulator (74) eine optische Achse und zwei Paare von reflektierenden Planflächen aufweist, die jeweils in einem Winkel von 90° zueinander und um 45° bezüglich der optischen Achse angeordnet sind, wobei die Paare azimutal bezüglich der optischen Achse um einen Winkel von 60° zueinander verdreht angeordnet sind.
Bearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Weglängenmodulator (74) eine Vielzahl von endseitig verspiegelten optischen Kanälen (96-1 bis 96-8; 102-1 bis 102-8) unterschiedlicher Länge und einen optischen Schalter (100) aufweist, mit dem das Messlicht (52) sequentiell in jeweils einen der optischen Kanäle einkoppelbar ist.
Bearbeitungskopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Kanäle als optische Fasern (96-1 bis 96-8) (98) ausgebildet sind.
Bearbeitungskopf nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Schalter (100) ein beweglich gelagerter Kippspiegel ist.
Bearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messlicht (52) zumindest einen beweglichen Teil (36) der Fokussieroptik (34) durchtritt, mit dem sich dessen Brennweite verändern lässt.
Bearbeitungskopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messlicht von der Fokussieroptik (34) stets in der gleichen Brennebene fokussiert wird, in der sich auch der Brennfleck (22) der Laserstrahlung (30) befindet.
Bearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bearbeitungskopf (14) eine Regeleinrichtung (82) zugeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, die Brennweite der Fokussieroptik (34) und/oder eine von der Scaneinrichtung (40) eingestellte Richtung der Laserstrahlung (30) so zu regeln, dass sich der Brennfleck (22) an einem gewünschten Ort auf dem Werkstück (24a, 24b; 24) befindet, wobei der Regeleinrichtung der von dem Kohärenztomographen (48) gemessene Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück zuführbar ist.
Bearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im optischen Weg des Messlichts (52) ein Kreisscanner (106) angeordnet ist.
Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (24a, 24b; 24) mit Laserstrahlung (30), umfassend die folgenden Schritte: a) Fokussieren der Laserstrahlung in einem Brennfleck (22), wobei der Abstand des Brennflecks zu einem Bearbeitungskopf (14) durch Verändern der Brennweite einer in dem Bearbeitungskopf enthaltenen Fokussieroptik (34) verändert wird; b) Verwenden eines Kohärenztomographen (48), der einen Referenzarm (60) enthält, zum Messen des Abstands zu dem Werkstück; c) Nachführen der optischen Weglänge in dem Referenzarm synchron zu und in Abhängigkeit von der Veränderung der Brennweite in Schritt a).
Verfahren nach Anspruch 14 mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 12.