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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Erfassen von Oberflächendaten und/oder Grenzflächen eines durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung zu bearbeitenden Werkstücks. Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst eine Laserquelle und einen Bearbeitungskopf, der zur Bereitstellung zumindest eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, ausgebildet ist. Die Laserquelle und der Bearbeitungskopf sind durch eine optische Faser miteinander verbunden. Die Messvorrichtung umfasst eine als optischer Kohärenztomograph (englisch: Optical Coherence Tomography, OCT) ausgebildete Abtasteinrichtung für eine Oberflächenabtastung und/oder Grenzflächenabtastung des Werkstücks.
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Laserbearbeitungsvorrichtungen für die Bearbeitung von Werkstücken mit zumindest teilweise lichtabsorbierender Oberfläche mit wenigstens einem Bearbeitungskopf, der zur Bereitstellung eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls ausgebildet ist, und dem eine als optischer Kohärenztomograph ausgebildete Abtasteinrichtung zugeordnet ist, sind aus der
DE 101 55 203 A1 sowie der
EP 1 977 850 B1 bekannt.
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Solche Laserbearbeitungseinrichtungen ermöglichen eine Relativbewegung zwischen einem oder mehreren zu bearbeitenden Werkstücken und dem Bearbeitungskopf, um eine abtragende und/oder verbindende Materialbearbeitung zu ermöglichen. Der Bearbeitungskopf ist mit einer integrierten oder separat ausgeführten Quelle für den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl, beispielsweise einen Laserstrahl, ausgerüstet. Typische Anwendungsgebiete für eine derartige Bearbeitungseinrichtung sind das Abtragen von Material eines Werkstücks oder das Verschweißen von Kunststoff- oder Metallteilen mittels eines Laserstrahls. Je nach Anwendungsgebiet werden an derartige Bearbeitungsprozesse Qualitätsanforderungen gestellt, die unter anderem auch eine exakte Führung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls gegenüber dem Werkstück sowie eine Kontrolle des Bearbeitungsergebnisses am Werkstück erfordern. Zu diesem Zweck werden derartige Bearbeitungsvorrichtungen mit einem oder mehreren Sensoreinrichtungen versehen, die unter Anwendung optischer und/oder elektrischer und/oder akustischer Messverfahren eine zur Qualitätskontrolle notwendige Überprüfung des Bearbeitungsergebnisses ermöglichen.
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Sensoren für die Anwendung der oben genannten Messverfahren können von dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl beeinflusst werden und/oder einen mechanischen Kontakt zur bearbeiteten Oberfläche benötigen. Oft ist auch ein lateraler Mindestabstand zwischen dem Bearbeitungsort des Bearbeitungsstrahls und der Messstelle, an der das jeweilige Messverfahren angewendet wird, einzuhalten. Eine Prozessregelung kann für den Bearbeitungsstrahl lediglich mit einem Zeitverzug stattfinden. Der Zeitverzug ergibt sich aus der Bearbeitungsgeschwindigkeit und dem lateralen Abstand zwischen Bearbeitungsort und Messort.
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Die aus der oben genannten
DE 101 55 203 A1 bekannte Laserbearbeitungsvorrichtung enthält ein Messsystem zum Erfassen von 3D-Oberflächendaten, das als Weißlichtinterferometer, Kurzkohärenzlidar oder als konfokale Messvorrichtung ausgebildet sein kann. Der optische Aufbau des Messsystems wird direkt an die Bearbeitungsoptik der Laserbearbeitungsvorrichtung montiert und mit Hilfe eines Strahlteilerspiegels koaxial zum Bearbeitungsstrahl eingekoppelt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung ermöglicht es, die Eindringtiefe des Bearbeitungslasers in ein Werkstück zu vermessen und ggf. aktiv zu regeln.
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Die ferner oben genannte
EP 1 977 850 B1 offenbart eine Bearbeitungseinrichtung, bei der dem Bearbeitungskopf eine als optischer Kohärenztomograph ausgebildete Abtasteinrichtung zugeordnet ist, die für eine Oberflächenabtastung vorgesehen ist. Die Abtasteinrichtung ist dabei derart in den Bearbeitungskopf integriert, das wenigstens eine optische Komponente zusammen von dem Bearbeitungsstrahl und dem Messstrahl nutzbar ist. Bei den gemeinsam genutzten optischen Komponenten handelt es sich um eine Linse oder um ein Schutzglas. Die Linse ist für die Fokussierung des Bearbeitungsstrahls und des Messlichtstrahls auf die Werkstückoberfläche vorgesehen. Die bekannte Laserbearbeitungsvorrichtung weist zudem einen beweglich aufgehängten, von einer Steuereinrichtung ansteuerbaren Spiegel auf, der für eine Ablenkung des Messstrahls und der Reflexionsstrahlen vorgesehen ist und in einer oder mehreren Raumrichtungen verschwenkt werden kann, um eine ein- bzw. zweidimensionale Relativbewegung des Messstrahls gegenüber der Oberfläche des Werkstücks zu bewirken, wodurch eine linienförmige oder flächige Abtastung der Oberfläche des Werkstücks ermöglicht wird.
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Durch die Montage einer Abtasteinrichtung am Laserbearbeitungskopf, wie in den beiden bekannten Schriften beschrieben, ergeben sich verschiedene Nachteile. Zum einen wird die äußere Störkontur des Bearbeitungskopfes vergrößert. Dies kann, wenn der Bearbeitungskopf beispielsweise an einer Führungsmaschine, wie z. B. einem Knickarmroboter, einer Portalanlage oder dergleichen angeordnet ist, zu Kollisionen mit Spannwerkzeugen oder anderen Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung führen. Vor allem in bestehenden Laserbearbeitungsvorrichtungen wird dadurch eine Nachrüstung mit einer Messvorrichtung der oben beschriebenen Art erschwert.
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Zudem werden die Bearbeitungsköpfe durch die Führungsmaschine, wie z. B. Knickarmrobotern oder Portalanlagen, schnell und häufig bewegt. Die Montage des Messsystems direkt an dem Bearbeitungskopf setzt somit optische Komponenten mit einer hohen mechanischen Festigkeit und Stabilität voraus. Datenleitungen oder optische Fasern für das Messsystem müssen ebenfalls diesen Bewegungen dauerhaft standhalten.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das Messsystem geschützt gegenüber Umwelteinflüssen, wie z. B. Schmutz während eines Schweißprozesses, aufgebaut werden muss, da die Komponenten des Messsystems nahe an der Bearbeitungsstelle des Werkstücks angeordnet sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Messvorrichtung zum Erfassen von Oberflächendaten und/oder Grenzflächendaten eines durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung zu bearbeitenden Werkstücks bereitzustellen, welche einfach, gegebenenfalls auch nachträglich, in die Laserbearbeitungsvorrichtung integriert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird eine Messvorrichtung zum Erfassen von Grenzflächen und/oder Oberflächendaten eines durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung zu bearbeitenden Werkstücks vorgeschlagen, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Laserquelle und einen Bearbeitungskopf, der zur Bereitstellung zumindest eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, ausgebildet ist, umfasst, und wobei die Laserquelle und der Bearbeitungskopf durch eine optische Faser miteinander verbunden sind. Die Messvorrichtung umfasst eine als optischer Kohärenztomograph ausgebildete Abtasteinrichtung für eine Oberflächenabtastung und/oder Grenzflächenabtastung des Werkstücks.
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Erfindungsgemäß bildet die optische Faser, die die Laserquelle und den Bearbeitungskopf miteinander verbindet, einen Bestandteil der Abtasteinrichtung aus. Die optische Faser stellt die sog. Bearbeitungsfaser der Laserbearbeitungsvorrichtung dar.
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Ein optischer Kohärenztomograph stellt eine Messeinrichtung dar, die sich unter Zuhilfenahme eines Interferometers Kohärenzeigenschaften, also die Fähigkeit des Lichts zu Interferenz, zunutze macht. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, von einer breitbandigen Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahlen mit Hilfe einer Strahlteilereinrichtung, insbesondere mit einem halbdurchlässigen Spiegel, in zwei Strahlbündel aufzutrennen.
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Das erste Strahlenbündel wird in einem sog. Referenzarm geführt, der eine bekannte, einstellbare Länge aufweist. Das Strahlenbündel wird endseitig im Referenzarm reflektiert, erneut in dem Referenzarm geführt und anschließend auf einen Detektor abgebildet.
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Das zweite Strahlbündel wird auf die zu vermessende Oberfläche eines Werkstücks geleitet und dort zumindest teilweise wieder in Richtung des Kohärenztomographen reflektiert. Das reflektierte Licht wird ebenfalls auf den Detektor im Kohärenztomographen abgebildet und führt dort zur Interferenz mit dem ersten Strahlenbündel. Aus dem vom Detektor erzeugten Messsignal kann eine Information über den Längenunterschied zwischen Messarm und Referenzarm gewonnen werden. Daraus können Informationen über die Oberfläche und/oder die Grenzfläche des Werkstücks, und daraus wiederum die Oberfläche, Kanten, Keyhole-Tiefe, Bearbeitungsfehler, usw. ermittelt werden.
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Durch einen optischen Kohärenztomographen können Höhenunterschiede entlang einer Messstrahlachse im Bereich von Mikrometern erfasst werden. Durch eine scannende Bewegung, d. h. eine Ablenkung des Messstrahls und der Reflexionsstrahlen in eine oder mehrere Raumrichtungen, können dreidimensionale Profile von Oberflächen erstellt werden. Dabei ist sichergestellt, dass der Messstrahl koaxial zum Bearbeitungsstrahl verläuft, was eine Vermessung erleichtert.
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Beispielsweise kann ein zu bearbeitendes Werkstück vor der Bearbeitung vermessen werden. Gegebenenfalls kann dann eine Anpassung einer Bearbeitungsposition der Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. des Bearbeitungskopfes an Bauteiltoleranzen erfolgen. Weiterhin ist es möglich, während der Bearbeitung die Eindringtiefe des Bearbeitungsstrahls in das Bauteil zu vermessen. Besonders bei sog. Überlappschweißungen ist dieses Maß von Interesse, um Fehlstellen zwischen den beiden überlappenden Werkstücken erkennen zu können. Nach Durchführung der Bearbeitung kann durch eine scannende Bewegung des Messstrahls über eine erkaltete Schweißnaht die dreidimensionale Geometrie der Schweißnaht erfasst und überprüft werden. Gegebenenfalls ist dies sogar vor, während und nach dem Bearbeitungsprozess möglich.
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Die Erfassung der Oberfläche und/oder der Grenzfläche kann zur Prozessüberwachung, Qualitätssicherung und/oder Regelung der Laserbearbeitungsvorrichtung genutzt werden.
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Der Messarm der als optischer Kohärenztomograph (OCT) ausgebildeten Abtasteinrichtung kann damit erfindungsgemäß zumindest abschnittsweise zusammen mit den Bearbeitungsstrahlen in der optischen Faser (der sog. Bearbeitungsfaser) verlaufen. Dies bedeutet, dass im Betrieb der Messvorrichtung zumindest ein Teil der optischen Faser von dem Messarm der Abtasteinrichtung nutzbar ist.
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In einer Ausgestaltung ist die Abtasteinrichtung derart in die Laserbearbeitungsvorrichtung integriert, dass ein für die Abtasteinrichtung vorgesehener optischer Messarm zumindest abschnittsweise in der optischen Faser geführt ist, die die Laserquelle und den Bearbeitungskopf miteinander verbindet.
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Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Messvorrichtung, nicht wie im Stand der Technik, an den Bearbeitungskopf, sondern zumindest teilweise an oder in der Laserquelle angeordnet werden kann. Dadurch braucht ein Teil der Messvorrichtung nicht mitbewegt zu werden und außerdem wird die äußere Störkontur des Bearbeitungskopfes nicht verändert, insbesondere nicht vergrößert. Eine Kollision mit Spannwerkzeugen oder anderen Komponenten der Anlage ist durch das Vorsehen der Messvorrichtung damit ausgeschlossen.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Messvorrichtung auf einfache Weise in eine bestehende Laserbearbeitungsvorrichtung durch eine Nachrüstung eingebracht werden kann. Hierzu ist es lediglich erforderlich, das Strahlenbündel des Messarms der Abtasteinrichtung in die optische Bearbeitungsfaser einzukoppeln.
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Die Abtasteinrichtung kann eine Lichtquelle umfassen, wobei die Lichtquelle in einem Gehäuse der Laserquelle oder in einem Faserkoppler der optischen Faser (d. h. der Bearbeitungsfaser), der zwei Teilstücke der optischen Faser zur Übertragung des Bearbeitungsstrahls miteinander verbindet, angeordnet sein kann, und wobei das von der Lichtquelle abgegebene Licht über eine erste Einkoppeleinrichtung in dem Gehäuse der Laserquelle oder in dem Faserkoppler in die optische Faser einkoppelbar ist. Die erste Einkoppeleinrichtung kann beispielsweise durch einen Strahlteiler, wie z. B. einen dichroitischen Spiegel, gebildet sein. Die Einkopplung kann wahlweise reflektiv oder transmissiv erfolgen. Alternativ kann der Messstrahl auch in einen sog. „Combiner” eingekoppelt werden. Dies ist insbesondere bei solchen Laserquellen möglich und vorteilhaft, bei denen die Bearbeitungsstrahlung in mehreren Modulen mit jeweiligen Faserausgängen erzeugt wird. Die einzelnen Fasern bzw. Faserausgänge werden in dem Faser-basierten Kombinierer („Combiner”) gemeinsam an die Bearbeitungsfaser bzw. die optische Faser angeschlossen. Ein solcher Faser-basierter Kombinierer kann genutzt werden, um den von der Abtasteinrichtung bereitgestellten Messstrahl auf einfache Weise, insbesondere nachträglich, in eine entsprechende Faser mit an die optische Faser anzuschließen.
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Die Einkopplung des Messstrahls kann in der Laserquelle erfolgen. Ebenso ist es möglich, den Messstrahl außerhalb der Laserquelle in einen Faserkoppler, welcher auch als Strahlweiche ausgebildet sein kann, in die optische Faser einzukoppeln. Der Faserkoppler dient dazu, die separat von der Laserquelle und/oder dem Bearbeitungskopf bereitgestellte optische Faser mit der Laserquelle und/oder dem Bearbeitungskopf zu verbinden. Dabei stellt der Faserkoppler sicher, dass der von der Laserquelle erzeugte Bearbeitungsstrahl verlustfrei bzw. unverändert in die optische Faser eingekoppelt wird. Soll oder kann der Messstrahl nicht in der Laserquelle, d. h. innerhalb des Lasergehäuses, in den Strahlweg des Bearbeitungslasers eingekoppelt werden, so besteht gemäß dieser Ausgestaltungsvariante die Möglichkeit, den Messstrahl auch außerhalb der Laserquelle über einen Faserkoppler in die optische Faser einzukoppeln. Hierzu wird eine wie oben beschriebene erste Einkoppelvorrichtung (z. B. ein halbdurchlässiger Spiegel) in dem Faserkoppler vorgesehen.
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Die Abtasteinrichtung weist eine zweite Einkoppeleinrichtung auf, die einen Strahlteiler, insbesondere einen dichroitischen Spiegel oder einen faserbasierten Kombinierer, umfasst, der in ihn geleitetes Licht in den Messarm und den Referenzarm leitet. Die zweite Einkoppeleinrichtung stellt den sog. OCT-Strahlteiler dar. Die zweite Einkoppeleinrichtung kann der Laserquelle oder dem Faserkoppler zugeordnet sein. Dies bedeutet, der Strahlteiler ist in oder als gesonderte Komponente an der Laserquelle bzw. dem Faserkoppler angeordnet. In dieser Ausgestaltung durchläuft das Licht zunächst den OCT-Strahlteiler und anschließend den Strahlteiler der Laserquelle bzw. des Faserkopplers. Alternativ kann die zweite Einkoppeleinrichtung dem Bearbeitungskopf zugeordnet sein. Dies bedeutet, der Strahlteiler ist in oder als gesonderte Komponente an dem Bearbeitungskopf angeordnet. In dieser Ausgestaltung durchläuft das Licht zunächst den Strahlteiler der Laserquelle und anschließend den OCT-Strahlteiler in oder an dem Bearbeitungskopf.
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Es kann auch vorgesehen sein, die Abtasteinrichtung mit sämtlichen Komponenten in oder an der Laserquelle anzuordnen. In dieser Ausgestaltung durchläuft das Licht zunächst den OCT-Strahlteiler und anschließend den Strahlteiler der Laserquelle bzw. des Faserkopplers. Alternativ kann vorgesehen sein, die Abtasteinrichtung mit Ausnahme der Lichtquelle in oder an dem Bearbeitungskopf anzuordnen. In dieser Ausgestaltung durchläuft das Licht zunächst den Strahlteiler der Laserquelle und anschließend den OCT-Strahlteiler in oder an dem Bearbeitungskopf.
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Wie eingangs beschreiben, weist eine als optischer Kohärenztomograph ausgebildete Abtasteinrichtung einen als Referenzarm bezeichneten optischen Referenzpfad auf. Der für die Abtasteinrichtung vorgesehene Referenzarm ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung in einer weiteren optischen Faser geführt. Die weitere optische Faser stellt eine von der optischen Faser, d. h. der Bearbeitungsfaser, die die Laserquelle und den Bearbeitungskopf miteinander verbindet, unabhängiger Faser dar.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung kann die Abtasteinrichtung, insbesondere vollständig mit all ihren Komponenten, in der Laserquelle angeordnet sein. Hierzu kann die Abtasteinrichtung in dem Gehäuse der Laserquelle selbst oder in einem separaten Gehäuse und an dem Gehäuse der Laserquelle befestigt, angeordnet sein.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Länge des Referenzarms automatisch an die Länge des Messarms anpassbar ist, z. B. durch eine in Strahlrichtung verschiebbare Reflexionsfläche des Referenzarms. Hierdurch kann nicht nur unterschiedlichen Anschlussmöglichkeiten der Abtasteinrichtung in die Laserbearbeitungsvorrichtung Rechnung getragen werden, sondern es wird auch die Möglichkeit eröffnet, dass der Messstrahl in einer scannenden Bewegung durch den Bearbeitungskopf in einer oder mehreren Raumrichtungen verschwenkt werden kann. Durch das Verschwenken ergeben sich unterschiedliche Abstände zwischen dem Austreten des Messstrahls und dem Auftreffen auf das zu bearbeitende Werkstück. Dieser Längenänderung wird durch die Längenänderung des Referenzarms Rechnung getragen, wodurch eine zuverlässige Messung ermöglicht wird.
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Als Lichtquelle kann zum Beispiel eine Superlumineszenzdiode mit einer Wellenlänge zwischen 600 nm und 900 nm, vorgesehen sein. Insbesondere ist eine Lichtquelle mit einer Wellenlänge zwischen 600 nm und 700 nm vorgesehen. Hierdurch kann ein sog. Pilotlaser, der in der Laserquelle in die Bearbeitungsfaser (optische Faser) zu Justierzwecken der Laserbearbeitungsvorrichtung eingekoppelt wird, durch die Lichtquelle der Abtasteinrichtung ersetzt werden. Die Wellenlängen typischer Pilotlaser sind im Bereich zwischen 600 nm und 700 nm. Wenn, wie vorgeschlagen, die Wellenlänge der Abtasteinrichtung ähnlich der des Pilotlasers gewählt ist, kann die Pilotlaserfunktion weiterhin erhalten bleiben. Alternativ kann die Lichtquelle mit einer Wellenlänge zwischen 800 nm und 900 nm vorgesehen sein. Hierdurch kann eine Messung unabhängig von dem Wellenlängenbereich des Pilotlasers durchgeführt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die optische Faser eine Monomode-Faser ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgeschlagen, die eine Laserquelle und einen Bearbeitungskopf umfasst, der zur Bereitstellung zumindest eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, ausgebildet ist, wobei die Laserquelle und der Bearbeitungskopf durch eine optische Faser miteinander verbunden sind. Ferner ist eine Messvorrichtung vorgesehen, die eine als optischer Kohärenztomograph ausgebildete Abtasteinrichtung für eine Oberflächenabtastung und/oder Grenzflächenabtastung eines Werkstücks umfasst. Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst eine Messvorrichtung der oben beschriebenen Art.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, und
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
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In der 1 ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung 1 dargestellt, die sich im Wesentlichen aus einer Laserquelle 10 sowie einem von einer Führungsmaschine 40 getragenen Bearbeitungskopf 20 zusammensetzt. Die Führungsmaschine 40 ist beispielsweise ein Knickarmroboter oder eine Portalanlage, welche den Bearbeitungskopf 20 in verschiedenen räumlichen Lagen relativ zu einem z. B. unterhalb des Bearbeitungskopfes 20 angeordneten Werkstücks 45 bringen kann, um eine Bearbeitung des Werkstücks 45 an einer vorgegebenen Bearbeitungsstelle 46 zu gewährleisten. Für den vorgesehenen Bearbeitungsvorgang des Werkstücks 45 kann z. B. das Werkstück 45 verschoben werden, während der Bearbeitungskopf 20 mit Hilfe der Führungsmaschine 40 in einem im Wesentlichen konstanten und in einer im Wesentlichen lotrechten Stellung gegenüber dem Werkstück gehalten wird. Alternativ kann auch eine Bewegung des Bearbeitungskopfs 20 mit Hilfe der Führungsmaschine 40 bei gleichzeitig statischem Werkstück 45 vorgenommen werden.
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Die Laserquelle 10, die auch als Bearbeitungslaser bezeichnet wird, ist mittels einer flexiblen optischen Faser 30, beispielsweise einer Glasfaserleitung, mit dem Bearbeitungskopf 20 verbunden. Dabei wird das von einer Kavität 11 der Laserquelle 10 erzeugte Laserlicht über ein in der Laserquelle 10 vorgesehenes optisches System in die optische Faser 30 eingekoppelt. Die optische Faser 30 ist in dieser Beschreibung auch als Bearbeitungsfaser bezeichnet. Ausgehend von der Laserquelle wird das Laserlicht als hochenergetischer Bearbeitungsstrahl 31 durch die Bearbeitungsfaser 30 und ein optisches System des Bearbeitungskopfes 20 auf das Werkstück 45 gerichtet.
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Der Laserquelle ist eine Messvorrichtung zugeordnet, welche eine als optischer Kohärenztomograph ausgebildete Abtasteinrichtung 50 für eine Oberflächenabtastung des Werkstücks umfasst. Die Abtasteinrichtung 50 kann teilweise oder vollständig in ein Gehäuse 15 der Laserquelle 10 integriert sein. Die Abtasteinrichtung 50 kann, wenn diese nicht vollständig in das Gehäuse integriert ist, an der Laserquelle 10 außerhalb deren Gehäuses 15 vorgesehen sein. Die Abtasteinrichtung 50 ist für eine Ermittlung einer durch einen Bearbeitungsvorgang, z. B. einen Schweißvorgang, erzeugten Oberflächenstruktur im Bereich der Bearbeitungsstelle 46 (z. B. eines Fügespalts und/oder einer Schweißnaht) vorgesehen.
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Die Abtasteinrichtung 50 umfasst im Wesentlichen eine Lichtquelle 52, einen OCT-Strahlteiler 51, einen Reflektor 53 sowie einen Detektor (54), der vorteilhaft als Spektrometer ausgebildet ist. Die Lichtquelle 52 ist eine Superlumineszenzdiode, die elektrisch mit einer nicht näher dargestellten Steuerschaltung verbunden ist und Licht mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen 600 nm bis 900 nm, insbesondere zwischen 600 nm bis 700 nm oder zwischen 800 nm bis 900 nm, in Richtung des Strahlteilers 51 abstrahlt. Der OCT-Strahlteiler 51, der beispielsweise als halbdurchlässiger (dichroitischer) Spiegel ausgebildet ist, transmittiert das von der Superlumineszenzdiode 52 ausgesendete Licht teilweise als Referenzstrahl in den Referenzarm 59. Ein weiterer Teil des von der Superlumineszenzdiode 52 abgegebenen Lichts wird an dem Strahlteiler 51 in Richtung eines Strahlteilers 12 der Laserquelle 10 gespiegelt und von diesem über das optische System der Laserquelle 10 in die Bearbeitungsfaser 30 eingekoppelt. Dieser Teil des von der Superlumineszenzdiode 52 abgegebenen Lichts bildet den Messstrahl in einem sog. Messarm 58 und wird in Richtung des Werkstücks 45 geleitet.
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Der Referenzarm 59 wird durch eine in der Abtasteinrichtung 50 vorgesehene optische Faser gebildet, welche zumindest abschnittsweise als Wicklung ausgebildet ist. Beispielsweise kann der gewickelte Teil der optischen Faser auf einen nicht näher dargestellten Wickelkern aufgebracht sein, der zum Beispiel durch Anlegen einer elektrischen Spannung in seinem Durchmesser vergrößert werden kann, um damit eine Dehnung der Wicklung der optischen Faser des Referenzarms 49 zu bewirken. Hierdurch kann eine Längenänderung des Referenzarms, welche durch den mit 55 gezeichneten Pfeil in 1 symbolisiert ist, herbeigeführt werden. Die Längenänderung ändert die Laufzeit des in den Referenzarm 59 eingekoppelten Lichts der Superlumineszenzdiode 52.
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Der in den Messarm 58 eingeleitete Teil des von der Superlumineszenzdiode 52 abgegebenen Lichts wird durch eine lediglich beispielhaft innerhalb des Gehäuses 15 der Laserquelle 10 angeordnete Kollimationslinse 57 auf den halbdurchlässigen Spiegel 12 gelenkt. Der halbdurchlässige Spiegel 12 ist für das von der Laserquelle 11 abgegebene Licht des Bearbeitungsstrahls 31 durchlässig. Der über die Kollimationslinse 57 auf den halbdurchlässigen Spiegel 12 geleitete Teil des von der Superlumniszenzdiode 52 abgegebenen Lichts wird vollständig umgelenkt und über das optische System der Laserquelle in Gestalt einer Einkoppellinse 13 zusammen mit dem Bearbeitungsstrahl 31 in die Bearbeitungsfaser 30 eingekoppelt.
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Nach dem Durchlaufen der optischen Faser treten der Bearbeitungsstrahl 31 und der Messstrahl gemeinsam in eine längs der mit 25 gekennzeichneten Bewegungsrichtung verschiebbaren Kollimationslinse 21 des Bearbeitungskopfes 20 ein und werden durch einen Umlenkspiegel 23 durch eine Fokuslinse 22 auf einen in Raumrichtung verschwenkbaren Scannerspiegel 24 geleitet, so dass der Bearbeitungsstrahl 31 und der Messstrahl im Messarm 58 gemeinsam auf die Bearbeitungsstelle 46 des Werkstücks 45 treffen. Der Scannerspiegel 24 ist in Pfeilrichtung 26 in einer oder zwei Achsen verschwenkbar.
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An der Bearbeitungsstelle 46 des Werkstücks 45 wird der Messstrahl reflektiert und über das optische System (umfassend die Kollimationslinse 21, die Fokuslinse 22, den Umlenkspiegel 23 und den Scannerspiegel 24) des optischen Systems 20 durch die optische Faser 30 zurück in Richtung der Laserquelle 10 gelenkt. Dabei wird der Messstrahl durch das optische System (umfassend den Spiegel 12, die Einkoppellinse 13 und die Fokuslinse 57) der Laserquelle 10 in Richtung der Abtasteinrichtung 15 gelenkt, um dann von dem Strahlteiler 51 in Richtung des Detektors 54 gelenkt zu werden. In entsprechender Weise wird von dem Reflektorspiegel 53 in dem Referenzarm 59 reflektiertes Licht von dem Strahlteiler 51 in den Detektor 54 gelenkt.
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Durch Wechselwirkung des in den Referenzarm 59 eingekoppelten Lichts mit dem vom Werkstück 45 zurück reflektierten Reflexionsstrahl findet eine Interferenz der beiden Lichtstrahlen, d. h. eine Überlagerung der Lichtwellen, hinter dem Strahlleiter 51 statt. Die auftretende Lichtintensität kann durch den Detektor 54 in Abhängigkeit von der Wellenlänge ermittelt werden, welcher an eine nicht näher dargestellte Auswerteschaltung angeschlossen ist. In Kenntnis der jeweils momentan vorliegenden Länge des Referenzarms 59 und der an dem Detektor vorliegenden wellenlängenabhängigen Lichtintensität kann auf den Abstand zwischen dem optischen Kohärenztomographen (d. h. der Abtasteinrichtung 50) und der Oberfläche des Werkstücks 45 rückgeschlossen werden, so dass bei geeigneter Führung des Messstrahls 58 ein Profil der Oberfläche des Werkstücks 45 oder die Eindringtiefe des Bearbeitungslasers in das Werkstück ermittelt werden kann.
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Die in 1 gezeigte Einkopplung des Messstrahls innerhalb der Laserquelle 10 wird bei vielen Laserbearbeitungsvorrichtungen genutzt, um zu Justierzwecken sog. rote Pilotlaser einzukoppeln. Statt der Nutzung eines Pilotlasers bei bekannten, existierenden Laserbearbeitungsvorrichtungen 1 kann der Messstrahl der Messvorrichtung in die Bearbeitungsfaser (optische Faser) eingekoppelt werden. Die Nachrüstung der Messvorrichtung ist damit sehr einfach möglich. Wird in einer Ausgestaltung die Beleuchtungswellenlänge des von der Superlumineszenzdiode 52 abgegebenen Lichts ähnlich der Wellenlänge eines roten Pilotlasers gewählt (dessen Wellenlänge typischerweise im Bereich zwischen 600 nm und 700 nm liegt), so kann die Funktion des Pilotlasers zu Justierzwecken erhalten bleiben. Alternativ ist es möglich, den Pilotlaser über einen halbdurchlässigen Spiegel und den Messstrahl über einen im Strahlengang der Laserquelle zusätzlich angeordneten halbdurchlässigen Spiegel in die optische Faser 30 einzukoppeln. In diesem Fall nutzt die vorgeschlagene Messvorrichtung vorzugsweise einen Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 900 nm.
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Wie aus der vorangegangenen Beschreibung ersichtlich wurde, durchläuft der Messstrahl in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der 1 die optische Faser 30, welche die Laserquelle 10 und den Bearbeitungskopf 20 miteinander verbindet, vollständig. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass die Messvorrichtung auf einfache Weise in bestehende Laserbearbeitungsvorrichtungen 1 integriert werden kann. Um die Messvorrichtung 50 in eine bestehende Laserbearbeitungsvorrichtung 1 zu integrieren, ist es lediglich erforderlich, den Messarm im Bereich der Laserquelle in den Bearbeitungsstrahl 31 einzukoppeln, was im vorliegenden Fall mit Hilfe der Kollimationslinse 57 und dem halbdurchlässigen Spiegel 12 erzielt wird.
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In einer alternativen, nicht dargestellten Ausgestaltungsvariante könnte die Einkopplung des Messarms auch im Bereich eines sog. Faserkopplers erfolgen. Ein Faserkoppler verbindet zwei Teilstücke der optischen Faser 30 miteinander. Der Faserkoppler wird beispielsweise dazu eingesetzt, die optische Faser 30 an einer bestimmten Stelle an einen optischen Faserabschnitt der Laserquelle 10 anzukoppeln. Damit durchläuft der Messarm dann lediglich einen Teilabschnitt der optischen Faser 30.
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Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es somit, dass der hochenergetische Bearbeitungsstrahl 31 und der Messstrahl des Messarms 58 koaxial zueinander angeordnet sind und zumindest teilweise zusammen in der optischen Faser 30, die Laserquelle 10 und Bearbeitungskopf 20 miteinander verbindet, verlaufen.
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Der Messstrahl in dem Messarm 58 und der hochenergetische Bearbeitungsstrahl 31 können mit Hilfe des verschwenkbaren Scannerspiegels 24 in einer oder mehreren Richtungen umgelenkt werden, um eine flächige Abtastung bzw. Bearbeitung der Oberfläche des Werkstücks 45 zu ermöglichen. Um hierdurch eine in dem Messarm 58 entstehende Längenänderung zu berücksichtigen, erfolgt eine automatische Anpassung der Länge in dem Referenzarm 59 in der oben beschriebenen Weise. Dieser Aufbau kann genutzt werden, um vor der Durchführung einer Schweißverbindung die Bearbeitungsposition an der Bearbeitungsstelle 46 des Werkstücks 45 zu bestimmen. Während der Bearbeitung kann die Eindringtiefe des Bearbeitungslasers vermessen, überwacht und geregelt werden. Im Anschluss an eine erfolgte Schweißung kann dann die erzeugte Schweißnaht durch eine Verschwenkung des Scannerspiegels 24 gescannt und so auf Oberflächenfehler überprüft werden.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsvorrichtung 1. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden vorhandene Komponenten einer Laserbearbeitungsvorrichtung durch die Abtasteinrichtung 50 genutzt. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, lediglich die Superlumineszenzdiode 52 in der Laserquelle 10 vorzusehen. Das von der Superlumineszenzdiode 52 abgegebene Licht wird über den bereits beschriebenen halbdurchlässigen Spiegel 12 und die Einkoppellinse 13 in die optische Faser 30 eingekoppelt. Der Bearbeitungskopf 20 verfügt über integrierte dichroitische Strahlteilerspiegel zur Auskopplung von Mess- und Kamerastrahlen. Der bereits vorhandene Strahlteilerspiegel 51, der nun als Bestandteil der Abtasteinrichtung 50 betrachtet werden kann, wird für die Abtastvorrichtung und das Messverfahren genutzt. Dabei werden, entsprechend 2, an von dem Bearbeitungsstrahl 31 abgewandten Flächen des Strahlteilers 51 der Detektor 54 und der Referenzarm 59 angeordnet. Die Ausgestaltung des Referenzarms kann in der oben beschriebenen Weise erfolgen. Der Vorteil gegenüber der vollständigen Integration der Abtasteinrichtung in die Laserquelle 10 ist der kürzere Referenzarm 59. Zudem entstehen durch Bewegung der Bearbeitungsfaser 30 keine Längenänderungen im Messarm 58 der Abtasteinrichtung 50.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laserbearbeitungsvorrichtung
- 10
- Laserquelle
- 11
- Kavität
- 12
- Strahlteiler
- 13
- Einkoppellinse
- 15
- Gehäuse der Laserquelle
- 20
- Bearbeitungskopf
- 21
- Kollimationslinse
- 22
- Fokuslinse
- 23
- Umlenkspiegel
- 24
- Scannerspiegel
- 25
- Bewegungsrichtung der Kollimationslinse 21
- 26
- Schwenkrichtung des Scannerspiegels
- 30
- optische Faser (Bearbeitungsfaser)
- 31
- Bearbeitungsstrahl/-pfad
- 40
- Führungsmaschine
- 45
- Werkstück
- 46
- Bearbeitungsstelle
- 50
- Abtasteinrichtung
- 51
- OCT-Strahlteiler (z. B. dichroitischer Spiegel)
- 52
- Lichtquelle
- 53
- Reflektor
- 54
- Sensor (Spektrometer)
- 55
- Veränderung der Länge in einem Referenzarm
- 56
- Fokuslinse
- 57
- Kollimationslinse 58 Messarm
- 59
- Referenzarm
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10155203 A1 [0002, 0005]
- EP 1977850 B1 [0002, 0006]
