DE102014011569B4

DE102014011569B4 - Verfahren zum Messen des Abstands zwischen einem Werkstück und einem Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102014011569B4
Application number: DE102014011569.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Schönleber; Markus Kogel-Hollacher; Thibault Bautze
Original assignee: Precitec Optronik GmbH
Current assignee: Precitec Optronik GmbH
Priority date: 2014-08-02
Filing date: 2014-08-02
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2034-08-03
Also published as: US9770783B2; DE102014011569A1; CA2898903A1; US20160059350A1; CA2898903C

Abstract

Verfahren zum Messen des Abstands zwischen einem Werkstück (24) und einem Bearbeitungskopf (14) einer Laserbearbeitungsvorrichtung (10), die für die Bearbeitung eines Werkstücks (24) mit Laserstrahlung (21) eingerichtet ist, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Bearbeitungskopfes (14) mit einem Gehäuse (30), das einen Innenraum (61) und eine Öffnung (55) für einen Austritt der Laserstrahlung (21) aus dem Bearbeitungskopf (14) hat, b) Richten der Laserstrahlung (21) auf das Werkstück (24), nachdem die Laserstrahlung (21) den Innenraum (61) und die Öffnung (55) durchtreten hat; c) Erzeugen eines Objektstrahls (65a) durch eine Lichtquelle (64) eines optischen Kohärenztomographen (26) und Richten des Objektstrahls (65a) auf das Werkstück (24) derart, dass der Objektstrahl (65a) vor dem Auftreffen auf das Werkstück (24) den Innenraum (61) und die Öffnung (55) durchtritt; d) Erfassen des von dem Werkstück (24) reflektierten Reflexes des Objektstrahls (65a); e) Überlagern des Reflexes des Objektstrahls (65a) mit einem von der Lichtquelle (64) des Kohärenztomographen (26) erzeugten Referenzstrahl (73); f) Ermitteln des Abstands zwischen dem Bearbeitungskopf (14) und dem Werkstück (24) aus einem durch das Überlagern in Schritt e) erhaltenen Interferenzsignal; dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Objektstrahl (65a) ein Messstrahl (65b) den Innenraum (61) durchtritt, der dazu verwendet wird, Verfälschungen des gemessenen Abstands zu kompensieren, die durch Druckschwankungen im Innenraum (61) verursacht wurden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Abstands zwischen einem Werkstück und einem Bearbeitungskopf einer 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 CO₂-Laser, einen Faser-Laser oder einen Scheiben-Laser handeln kann. Zu einer Laserbearbeitungsvorrichtung gehören ferner ein Bearbeitungskopf, der die von der Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung in einem Brennfleck fokussiert, und eine Strahlzuführungseinrichtung, 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 von einem den Bearbeitungskopf tragenden Verfahrgerät angeordnet.
Meist werden die zu bearbeitenden Werkstücke mit Handhabungsgeräten gegenüber dem Bearbeitungskopf positioniert. Der Bearbeitungskopf wird dann mithilfe des Roboters in einem Abstand von wenigen Millimetern über das ruhende Werkstück geführt. Gleichzeitig strömt Prozessgas aus dem Bearbeitungskopf, das je nach Bearbeitungsvorgang chemisch mit dem Werkstoff reagiert oder lediglich die Aufgabe hat, durch die Bearbeitung entstehende Rückstände von der Bearbeitungsstelle zu entfernen.
Beim Einsatz derartiger Laserbearbeitungsvorrichtungen ist es schwierig, 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. Ideal ist es, wenn der Brennfleck in einem Regelungsprozess der tatsächlich vorgefundenen räumlichen Anordnung der Werkstücke nachgeführt wird. Hierzu wird die tatsächliche räumliche Anordnung der zu bearbeitenden Werkstücke relativ zum Bearbeitungskopf oder einem anderen Referenzpunkt während der Laserbearbeitung in Echtzeit gemessen.
Für die Messung kann z. B. der Bearbeitungsort mit einer Kamera beobachtet werden, die 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 allerdings nur 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.
Weitere bekannte Messverfahren sind Lichtschnitt- und Triangulationsverfahren. Speziell für die Abstandsmessung werden, sofern die Werkstoffe eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit haben, auch kapazitive Sensoren eingesetzt.
Zur Abstandsmessung während der Laserbearbeitung wurde vor einiger Zeit außerdem 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. Mit Kohärenztomographen lassen sich außerdem im Gegensatz zu kapazitiven Sensoren die Abstände zu nichtmetallischen Werkstoffen wie faserverstärkten Kunststoffen vermessen.
Aus der WO 2014/138939 geht ein Bearbeitungskopf mit einer Messeinrichtung hervor, die Drucksensoren umfasst und die Verfälschungen der von dem Kohärenztomographen erfassten Messgröße kompensiert.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass die an sich sehr vielversprechende Abstandsmessung mit Kohärenztomographen nicht unter allen Bedingungen zuverlässige Messergebnisse liefert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Messen des Abstands zwischen einem Werkstück und einem Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung anzugeben, mit dem sich die Abstände besonders zuverlässig und genau messen lassen. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, einen Bearbeitungskopf anzugeben, der für die Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten gelöst:

a) Bereitstellen eines Bearbeitungskopfes mit einem Gehäuse, das einen Innenraum und eine Öffnung für einen Austritt der Laserstrahlung aus dem Bearbeitungskopf hat,
b) Richten der Laserstrahlung auf das Werkstück, nachdem die Laserstrahlung den Innenraum und die Öffnung durchtreten hat;
c) Erzeugen eines Objektstrahls durch eine Lichtquelle eines optischen Kohärenztomographen und Richten des Objektstrahls auf das Werkstück derart, dass der Objektstrahl vor dem Auftreffen auf das Werkstück den Innenraum und die Öffnung durchtritt;
d) Erfassen des von dem Werkstück reflektierten Reflexes des Objektstrahls;
e) Überlagern des Reflexes des Objektstrahls mit einem von der Lichtquelle des Kohärenztomographen erzeugten Referenzstrahl;
f) Ermitteln des Abstands zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück aus einem durch das Überlagern in Schritt e) erhaltenen Interferenzsignal;

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Ursache für ungenaue Messergebnisse Druckschwankungen in einem Innenraum sein können, der nicht nur von der Laserstrahlung, sondern auch von dem Objektstrahl des Kohärenztomographen durchtreten wird. Dieser Innenraum wird üblicherweise von einem Prozessgas durchströmt, das über die Öffnung, durch die auch die Laserstrahlung und der Objektstrahl aus dem Gehäuse des Bearbeitungskopfes austreten, auf die Bearbeitungsstelle gerichtet wird. Je nach Art der Bearbeitung und des bearbeiteten Materials kann das Prozessgas dabei chemisch mit dem Werkstück reagieren oder lediglich die Aufgabe haben, einen durch die Laserstrahlung erzeugten Schmelzfilm oder Dämpfe mechanisch auszutreiben.
Die Strömungsverhältnisse in der Nähe der Öffnung und der Bearbeitungsstelle sind in der Regel kompliziert und können dazu führen, dass im vom Objektstrahl durchsetzten Innenraum Druckschwankungen in der Größenordnung von mehreren bar auftreten. Da die Brechzahl proportional zum Gasdruck ist, führen die Druckschwankungen zu entsprechenden Veränderungen der Brechzahlverteilung im Innenraum. Diese Veränderungen wirken sich wiederum auf die optische Weglänge aus, die vom Objektstrahl im Innenraum zurückgelegt wird. Da der Objektstrahl nicht unterscheiden kann, ob eine optische Weglängenänderung auf einen veränderten Abstand oder auf eine veränderte Brechzahl im Innenraum zurückgeht, führen Druckschwankungen im Innenraum zu scheinbaren Abstandsveränderungen und somit zu Fehlmessungen.
Da erfindungsgemäß zusätzlich zu dem Objektstrahl ein Messstrahl den Innenraum durchtritt, lassen sich Verfälschungen des gemessenen Abstands kompensieren, die durch die beschriebenen Druckschwankungen im Innenraum verursacht wurden. Idealerweise durchtritt der Messstrahl den Innenraum in der Nähe des Objektstrahls oder sogar auf dem gleichen Lichtweg. Dadurch ist sichergestellt, dass die Druckverteilung, welcher der Objektstrahl ausgesetzt ist, möglichst weitgehend mit der Druckverteilung übereinstimmt, die vom Messstrahl erfasst wird.
Die hochgenauen Abstandswerte können z. B. dazu verwendet werden, den Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück im Wege einer Regelung auf einem Sollwert zu halten. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Regelung der Lage des Brennflecks der Laserstrahlung mit Hilfe einer im Bearbeitungskopf angeordneten Fokussieroptik unter Verwendung der gemessenen Abstände durchgeführt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Messstrahl an einer reflektierenden Fläche reflektiert, die an einer den Innenraum begrenzenden Innenfläche eines Gehäuses des Bearbeitungskopfes ausgebildet ist. Der Messstrahl durchtritt dadurch den Innenraum zweifach, wodurch eine höhere Messgenauigkeit erreicht wird. Außerdem können empfindliche optische Komponenten, die für die Auswertung des Messstrahls erforderlich sind, auf diese Weise weiter entfernt von dem zum Werkstück weisenden Ende des Bearbeitungskopfes angeordnet werden, das thermisch und mechanisch hohen Belastungen ausgesetzt ist.
Insbesondere kommt in Betracht, dass der auf die reflektierende Fläche auftreffende Messstrahl in sich zurückreflektiert wird. Auf diese Weise kann der Messstrahl über die gleiche Optik in den Innenraum eintreten und nach der Reflexion an der reflektierenden Fläche wieder aus dem Innenraum austreten.
Besonders günstig ist es, wenn sich die reflektierende Fläche in unmittelbarer Nähe der Öffnung befindet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch Druckschwankungen in unmittelbarer Nähe der Öffnung vom Messstrahl berücksichtigt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die reflektierende Fläche an der Innenfläche einer Austrittsdüse ausgebildet, welche die Öffnung enthält. Während der Messung des Abstands tritt zusätzlich zur Laserstrahlung und zum Objektstrahl das bereits erwähnte und unter Druck stehende Gas aus der Öffnung aus.
Im Prinzip kann der Messstrahl von jedem optischen Messgerät erzeugt werden, mit dem sich Druckschwankungen in einem gasgefüllten Innenraum messen lassen. Solche Messgeräte sind an sich im Stand der Technik bekannt und nutzen im Allgemeinen das Prinzip der Interferometrie, um optische Weglängendifferenzen zu erfassen. Geeignet sind insbesondere Heterodyn- oder Mehrwellenlängen-Interferometer.
Da mit dem Kohärenztomographen ohnehin ein interferometrisches Messgerät im Bearbeitungskopf vorhanden ist, wird der Messstrahl vorzugsweise ebenfalls von der Lichtquelle des Kohärenztomographen erzeugt und ein Reflex des Messstrahls mit einem anderen von der Lichtquelle erzeugten Strahl überlagert. Auf diese Weise wird der ohnehin bereits vorhandene Kohärenztomograph dazu genutzt, auch die Druckschwankungen im Innenraum zu erfassen. Bei dem anderen von der Lichtquelle erzeugten Strahl kann es sich um den Referenzstrahl oder den Objektstrahl handeln.
Aus der Überlagerung des Messstrahls mit dem anderen Strahl können dann durch Druckschwankungen verursachte Schwankungen der optischen Weglänge des Messstrahls ermittelt werden. Diese Schwankungen der optischen Weglänge lassen sich schließlich beim Ermitteln des Abstands in Schritt f) berücksichtigen.
Aus der Überlagerung des Messstrahls mit dem Referenzstrahl kann auch ein räumlich gemittelter Druck im Innenraum ermittelt werden. Die ermittelten Druckwerte können beispielsweise zur Ansteuerung einer Druckquelle verwendet werden, die in dem Innenraum einen Gasdruck aufbaut.
Am einfachsten ist es, wenn der Messstrahl von dem Objektstrahl abgezweigt wird. Der Messstrahl bildet dann gewissermaßen einen zweiten Objektstrahl, der aber nicht auf das Werkstück, sondern auf eine ortsfeste reflektierende Fläche des Bearbeitungskopfes gerichtet wird. Die Abzweigung kann mit Hilfe eines Strahlteilers jedweder Art erfolgen. Im einfachsten Fall erfolgt die Abzweigung derart, dass ein optisches Element wie z. B. ein Spiegel oder ein brechendes Element so im Strahlengang des Objektlichts angeordnet ist, dass zwei unterschiedliche Lichtwege entstehen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Messstrahl der Referenzstrahl des Kohärenztomographen. Eine Druckschwankung im Innenraum bewirkt dann stets gleichzeitig eine Veränderung der optischen Weglänge im Referenzstrahl und im Objektstrahl. Wenn die beiden Strahlen einen hinreichend ähnlichen Strahlweg durch den Innenraum zurücklegen, werden Druckschwankungen im Innenraum automatisch kompensiert, weil gleiche Weglängenänderungen im Referenzarm und im Objektarm des Kohärenztomographen keine Auswirkungen auf die Interferenzerscheinungen hat, die vom Kohärenztomographen erfasst werden. Bei dieser automatischen Kompensation werden somit streng genommen die durch Druckschwankungen verursachten Änderungen der optischen Weglänge gar nicht messtechnisch erfasst, sondern ”nur” automatisch kompensiert. Daher lassen sich mit einer solchen Anordnung auch keine quantitativen Aussagen über die Druckschwankungen im Innenraum machen.
Generell ist es bevorzugt, wenn der Objektstrahl einen Bereich auf dem Werkstück überdeckt, der beabstandet ist von einem Bearbeitungsort, an dem die Laserstrahlung auf das Werkstück auftrifft. Dadurch ist sichergestellt, dass der Objektstrahl stets auf eine noch intakte oder bereits erkaltete Oberfläche des Werkstücks und nicht etwa auf eine Dampfkapillare oder bewegliche Schmelze trifft.
Der vom Objektstrahl überdeckte Bereich kann insbesondere den Bearbeitungsort zumindest annähernd ringförmig umgeben. Auf diese Weise können für alle Verfahrrichtungen des Bearbeitungskopfes relativ zum Werkstück aussagekräftige Abstandswerte gewonnen werden.
Es kann ferner vorteilhaft sein, wenn mehrere Objektstrahlen unabhängig voneinander auf unterschiedliche Bereiche auf das Werkstück gerichtet werden. Dadurch lässt sich z. B. beim Laserschneiden gewährleisten, dass mindestens ein Messpunkt sich außerhalb der Schnittfuge befindet. Mit drei oder mehr Messpunkten lässt sich außerdem eine Neigung des Werkstücks erfassen.
Wenn mindestens einer der mehreren Objektstrahlen koaxial zur Laserstrahlung auf das Werkstück auftrifft, lässt sich der Abstand der Bearbeitungsstelle vom Bearbeitungskopf messen. Bei Schneidbearbeitungen kann auf diese Weise zu Beginn des Schneidvorgangs die aktuelle Einstichtiefe messen. Sobald der Trennvorgang vollständig durchgeführt wurde, kann der Bearbeitungskopf relativ zum Werkstück bewegt werden, um eine Schneidkante zu erzeugen.
Am Bearbeitungskopf kann eine reflektierende Fläche auf der Innenfläche des Gehäuses vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, den Messstrahl zu reflektieren.
Insbesondere kann die reflektierende Fläche so ausgerichtet sein, dass der auf die reflektierende Fläche auftretende Messstrahl in sich zurückreflektiert wird.
Vorzugsweise befindet sich die reflektierende Fläche in unmittelbarer Nähe der Öffnung.
Bezüglich des Bearbeitungskopfes wird die eingangs gestellte Aufgabe gelöst durch einen Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die für die Bearbeitung eines Werkstücks mit Laserstrahlung eingerichtet ist. Der Bearbeitungskopf weist ein Gehäuse auf, das eine einen Innenraum des Bearbeitungskopfes begrenzende Innenfläche und eine Öffnung für einen Austritt der Laserstrahlung aus dem Bearbeitungskopf hat. Der Innenraum und die Öffnung sind so ausgebildet, dass während des Betriebs der Laserbearbeitungsvorrichtung die Laserstrahlung den Innenraum durchtritt, aus der Öffnung austritt und auf das Werkstück trifft. Der Bearbeitungskopf weist außerdem einen optischen Kohärenztomographen auf, der dazu eingerichtet ist, den Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück während der Laserbearbeitung zu messen, wobei während einer Messung ein Objektstrahl des Kohärenztomographen ebenfalls den Innenraum durchtritt, aus der Öffnung austritt und auf das Werkstück trifft. Erfindungsgemäß ist eine Messeinrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, einen Messstrahl zu erzeugen, der zusätzlich zu dem Objektstrahl den Innenraum durchtritt und dazu verwendet wird, Verfälschungen des gemessenen Abstands zu kompensieren, die durch Druckschwankungen im Innenraum verursacht wurden.
Bei einem Ausgangsbeispiel ist die reflektierende Fläche an der Innenfläche einer Austrittsdüse ausgebildet, welche die Öffnung enthält. Der Innenraum hat eine Eintrittsöffnung für ein unter Druck stehendes Gas, das während der Messung des Abstands zusätzlich zur Laserstrahlung und zum Objektstrahl aus der Öffnung austritt.
Bei der Messeinrichtung kann es sich um den Kohärenztomographen handeln. In diesem Fall ist der Messstrahl von einer Lichtquelle des Kohärenztomographen erzeugbar. Der Kohärenztomograph weist einen Detektor auf, der dazu eingerichtet ist, eine Überlagerung eines Reflexes des Messstrahles mit einem anderen von der Lichtquelle erzeugten Strahl, zum Beispiel einem weiteren Objektstrahl oder dem Referenzstrahl, zu erfassen.
Die Messeinrichtung kann eine Recheneinheit aufweisen, die dazu eingerichtet ist, aus der Überlagerung des Messstrahls mit dem anderen Strahl durch Druckschwankungen verursachte Schwankungen der optischen Weglänge des Messstrahls zu ermitteln. Diese Schwankungen der optischen Weglänge können dann von der Recheneinheit beim Ermitteln des Abstands berücksichtigt werden.
Die Recheneinheit kann außerdem dazu eingerichtet sein, aus der Überlagerung des Messstrahls mit dem anderen Strahl einen räumlich gemittelten Druck in dem Innenraum zu ermitteln.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Messstrahl von dem Objektstrahl abgezweigt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Messstrahl der Referenzstrahl des Kohärenztomographen.
Der Objektstrahl kann einen Bereich auf dem Werkstück überdecken, der beabstandet ist von einem Bearbeitungsort, an dem die Laserstrahlung auf dem Werkstück auftrifft. Dieser Bereich kann den Bearbeitungsort zumindest annähernd ringförmig umgeben.
Die Messeinrichtung kann auch dazu eingerichtet sein, mehrere Objektstrahlen auf unterschiedliche Bereiche auf dem Werkstück zu richten. Dabei kann mindestens einer der mehreren Objektstrahlen koaxial zur Laserstrahlung auf das Werkstück auftreffen.
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, die für das Schneiden von Platten aus faserverstärktem Kunststoff vorgesehen ist;
2 einen Meridionalschnitt durch einen Bearbeitungskopf der in der 1 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
3 eine Draufsicht auf das von der Laserbearbeitungsvorrichtung bearbeitete Werkstück, wobei der Brennfleck und ein von einem Messstrahl ausgeleuchteter Bereich hervorgehoben sind;
4 einen Graphen, in dem von einem Kohärenztomographen erzeugte Abstandssignale aufgetragen sind;
5 einen Meridionalschnitt durch einen Bearbeitungskopf gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem anstelle eines Axikons ein Hohlzylinder aus Glas vorgesehen ist;
6 einen Meridionalschnitt durch einen Bearbeitungskopf gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem sowohl das Referenzlicht als auch das vom Kohärenztomographen erzeugter Messstrahl einen Innenraum durchtreten, in dem Druckschwankungen auftreten;
7 einen vergrößerten Ausschnitt durch den Endbereich des in der 6 gezeigten Bearbeitungskopfes;
8 eine an die 7 angelehnte Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels, bei dem zwei Kohärenztomographen unabhängige Abstandsmesswerte liefern;
9 eine an die 2 angelehnte Draufsicht auf ein Werkstück, wobei acht Kohärenztomographen unabhängig voneinander Abstandsmessungen um den Brennfleck herum vornehmen.
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 Scheibenlaser ausgebildet ist. Derartige Laser erzeugen Laserstrahlung mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von 1 μm. Über eine optische Faser 20 wird von der Laserstrahlungsquelle 18 erzeugte Laserstrahlung 21 dem Bearbeitungskopf 14 zugeführt und von diesem in einem Brennfleck 22 zur Bearbeitung eines Werkstücks 24 fokussiert.
Bei dem Werkstück 24, das im dargestellten Ausführungsbeispiel von der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 geschnitten werden soll, handelt es sich um eine gekrümmte Platte aus einem faserverstärkten Kunststoff. Diese bestehen aus einer organischen Matrix, die entweder mit Kohlenstofffasern (CFK) oder mit Glasfasern (GFK) verstärkt ist. Aus solchen Platten können z. B. besonders leichte Automobilkarosserien gefertigt werden. Grundsätzlich lassen sich solche Platten auch miteinander oder mit Metallen verschweißen. Im Folgenden wird angenommen, dass das Werkstück 24 mit Hilfe der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 geschnitten werden soll.
Beim Schneiden beträgt der Abstand zwischen dem Brennfleck 22 und dem Bearbeitungskopf 14 üblicherweise nur wenige Millimeter. 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 Z-Richtung gegenüber dem Bearbeitungskopf verfahren und dadurch schnell bei Veränderungen des Abstandes zwischen dem Bearbeitungskopf 14 und dem Werkstück 24 nachführen zu können. Nur wenn der Brennfleck 22 optimal gegenüber dem Werkstück 24 positioniert ist, wird das Werkstück 24 vollständig ohne Kantenschädigung durchtrennt.
Um stets eine optimale Positionierung des Brennflecks 22 gegenüber dem Werkstück 24 zu gewährleisten, ist in dem Bearbeitungskopf 14 ein optischer Kohärenztomograph 26 integriert, der kontinuierlich in der Nähe des Brennflecks 22 den Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf 14 und dem Werkstück 24 misst.
2. Aufbau des Bearbeitungskopfes
Die 2 zeigt den Aufbau des Bearbeitungskopfes 14 in einem schematischen Schnitt längs der optischen Achse OA einer Fokussieroptik 28, die hier mit nur einer Linse dargestellt ist, aber auch mehrere Linsen oder Spiegel enthalten kann.
Der Bearbeitungskopf 14 hat ein Gehäuse 30, das durch Zwischenwände 32, 34 in einen Messabschnitt 36, einen Mittenabschnitt 38 und einen Endabschnitt 40 unterteilt ist. Aus dem Ende der optischen Faser 20, das sich im Mittenabschnitt 38 befindet, tritt während des Betriebs der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 die Laserstrahlung 21 aus. Diese wird von einer Kollimatorlinse 42 kollimiert und über einen planen Umlenkspiegel 44 in Richtung des Endabschnitts 40 umgelenkt. Die kollimierte Laserstrahlung 21 trifft dann auf die Fokussieroptik 28, durchtritt ein Schutzglas 46, das als planparallele Platte ausgebildet und in der Zwischenwand 34 eingelassen ist, und wird schließlich im Brennfleck 22 fokussiert. Die axiale Lage des Brennflecks 22 entlang der Z-Achse kann durch Verfahren der Fokussieroptik 28 verändert werden, wie dies in der 2 durch einen Doppelpfeil 48 angedeutet ist. Zum Verfahren der Fokussieroptik 28 ist ein Stellantrieb 50 vorgesehen, der von einer Steuereinheit 52 des Bearbeitungskopfes 14 angesteuert wird.
Der durch die Zwischenwand 34 und das Schutzglas 46 vom Mittenabschnitt 38 abgetrennte Endabschnitt 40 des Gehäuses 30 besitzt eine Eintrittsöffnung 54 für ein unter Druck stehendes Prozessgas, bei dem es sich z. B. um Luft handeln kann. Die Art des verwendeten Prozessgases hängt von der Art der Laserbearbeitung und dem zu bearbeitenden Werkstoff ab. Beim Schneiden von Werkstücken aus glasfaserverstärktem Kunststoff hat das Prozessgas lediglich die Aufgabe, aufgeschmolzenes Material aus der Schnittfuge zu entfernen. Bei anderen Arten von Laserbearbeitungen, etwa dem Schweißen von Metallen, kann das Prozessgas auch mit dem Werkstück chemisch reagieren.
Das Prozessgas tritt aus dem Endabschnitt 40 durch eine Öffnung 55 einer Düse 56 aus, die auswechselbar am unteren Ende des Bearbeitungskopfes 14 befestigt ist und durch die auch die Laserstrahlung 21 austritt. Die Düse 56, die z. B. aus Kupfer gefertigt sein kann, hat eine konische Mantelfläche 57 und eine ebenfalls konische und zur Mantelfläche 57 konzentrische Bohrung 58 mit einer Innenfläche 60, wie dies auch in der vergrößerten Ausschnittsdarstellung links in der 2 erkennbar ist. Der Öffnungswinkel der konischen Bohrung 58 ist an die numerische Apertur der Laserstrahlung 21 angepasst, so dass die Laserstrahlung 21 nicht auf die Innenfläche 60 der Düse 56 auftreffen kann.
Die Düse 56 ist Teil des Endabschnitts 40 des Gehäuses 30. Ihre Bohrung 58 bildet mit dem vom Endabschnitt 40 umschlossenen Volumen einen Innenraum 61, der von der Laserstrahlung 21 durchtreten wird.
Wie in der vergrößerten Darstellung links in der 2 erkennbar ist, trifft während der Laserbearbeitung die fokussierte Laserstrahlung 21 auf die Oberfläche des Werkstücks 24 und bewirkt, dass das Material des Werkstücks 24 aufschmilzt und teilweise verdampft. Wenn der Brennfleck 22 optimal gegenüber dem Werkstück 24 positioniert ist und die Laserstrahlung 21 hinsichtlich Intensität und Wellenlänge an das Material des Werkstücks 24 angepasst ist, entsteht auf der Höhe des Brennflecks 22 eine glatte Schnittkante, entlang der das Werkstück 24 durchtrennt wird.
Während der Laserbearbeitung tritt zusätzlich zur Laserstrahlung 21 auch das unter Druck stehende und durch die Eintrittsöffnung 54 zugeführte Prozessgas durch die Bohrung 58 und deren endseitige Öffnung 55 aus dem Innenraum 61 aus und trifft auf die Oberfläche des Werkstücks 24.
Da Werkstücke wie etwa Karosserieteile im Automobilbau in der Regel nicht plan sind, sondern eine unregelmäßige dreidimensionale Gestalt aufweisen, verändert sich während der Bearbeitung des Werkstücks der Abstand zwischen dem Werkstück 24 und dem Bearbeitungskopf 14 kontinuierlich. Um einen konstanten Bearbeitungsabstand zu gewährleisten, muss deswegen der Bearbeitungskopf 14 kontinuierlich vom Roboter 12 nicht nur entlang der gewünschten Schnittfuge, sondern auch in der dazu senkrechten Z-Richtung nachgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ zu dieser vom Roboter 12 bewirkten Nachführung in Z-Richtung kann die Fokussieroptik 28 verfahren werden, um den Brennfleck 22 stets in der optimalen Höhe relativ zum Werkstück 24 zu positionieren.
Um den Brennfleck 22 stets mit Hilfe des Roboters 12 und/oder der Fokussieroptik 28 optimal gegenüber dem Werkstück 24 zu positionieren, enthält der Bearbeitungskopf 14 einen optischen Kohärenztomographen 26, der zu einem größeren Teil im Messabschnitt 36 des Gehäuses 30 untergebracht ist. Der Kohärenztomograph 26 hat die Aufgabe, kontinuierlich den Abstand des Werkstücks 24 zum Bearbeitungskopf 14 während der Laserbearbeitung zu messen. Hierzu umfasst der Kohärenztomograph 26 eine breitbandige Lichtquelle 64, einen ersten Strahlteiler 66 und einen zweiten Strahlteiler 68, hinter dem sich der Strahlengang in einen Objektarm 70 und einen Referenzarm 72 aufteilt.
Im Objektarm 70 wird von der Lichtquelle 64 erzeugtes Messlicht 65 nach dem Austritt aus einer optischen Faser auf ein Axikon 73 gerichtet, das eine konische Eintrittsfläche 74 und eine plane Austrittsfläche 76 hat. Aus der Faser des Objektarms 70 divergent austretendes Messlicht 65 wird von dem Axikon 73 nach außen abgelenkt, so dass sich das Messlicht 65 hinter dem Axikon 73 ringförmig aufweitet. Das Messlicht 65 durchtritt eine Sammellinse 78, passiert die Außenkontur des Umlenkspiegels 44 und trifft schließlich auf die Fokussieroptik 28, von der auch das Messlicht 65 fokussiert wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennebene des Messlichts 65 weiter vom Bearbeitungskopf 14 entfernt als die Brennebene der Laserstrahlung 21. Da das Messlicht 65 infolge des Durchtritts durch das Axikon 73 die dahinter angeordneten optischen Elemente ringförmig durchtritt, ist auch der von dem Messlicht 65 auf dem Werkstück ausgeleuchtete Bereich 75 ringförmig, wie dies die 3 illustriert.
Am Ende des Referenzarms 72 wird das dort zunächst in einer optischen Faser geführte Referenzlicht 73 von einem Planspiegel 78 reflektiert und wieder in die optische Faser des Referenzarms 72 eingekoppelt.
Zum Kohärenztomographen 26 gehört außerdem ein spektral auflösender Lichtsensor 79, der die Interferenz von Messlicht 65, das vom Werkstück 24 reflektiert wurde, mit dem Referenzlicht 73, das im Referenzarm 72 eine ähnliche optische Wegstrecke zurückgelegt hat, erfasst.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel arbeitet der Kohärenztomograph 26 im Frequenzbereich (FD-OCTM, Fourier Domain Optical Coherence Tomograph). Derartige Kohärenztomographen nutzen den Effekt, dass unterschiedliche Weglängendifferenzen zwischen Objektarm 70 und Referenzarm 72 unterschiedliche Oszillationsfrequenzen im Interferenzsignal ergeben. Jeder Schicht einer Probe lässt sich daher eine bestimmte Frequenz im Interferenzsignal zuordnen. Da der Lichtsensor 79 die Intensität des Interferenzsignals spektral auflöst, lässt sich im Wege der Fouriertransformation aus dem spektral aufgelösten Interferenzsignal die Tiefeninformation ableiten. Mit einer einzelnen FD-OCT-Messung erhält man somit das gesamte Tiefenprofil an einem Punkt, ohne dass die geometrische Länge des Referenzarms oder die Wellenlänge der Lichtquelle durchgestimmt werden muss. Da derartige Kohärenztomographen 26 im Stand der Technik bekannt sind, wird die Funktion hier nicht weiter im Detail erläutert. Grundsätzlich geeignet sind auch Kohärenztomographen mit optischen Zirkulatoren, wie sie in der DE 10 2010 016 862 B2 beschrieben sind.
Der Lichtsensor 79 erzeugt somit ein Ausgangssignal, aus dem die Steuereinheit 52 den Ist-Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf 14 und dem Werkstück 24, von dem das Messlicht 65 reflektiert wurde, ableiten kann. Die Steuereinheit vergleicht den Ist-Abstand mit einem Soll-Abstand d und steuert den Stellantrieb 50 der Fokussieroptik 28 im Wege einer Regelungsschleife so an, dass der Ist-Abstand während der gesamten Laserbearbeitung sich dem Soll-Abstand d möglichst weitgehend annähert. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 52 auch auf die Steuerung des Roboters 12 einwirken.
Wie bereits erwähnt, tritt während der Laserbearbeitung das Prozessgas durch den Innenraum 61, der auch von der Laserstrahlung 21 und dem Messlicht 65 durchsetzt wird. Da die Laserbearbeitung ein dynamischer Prozess ist, bei dem sich die Verhältnisse in der Nähe der Oberfläche des Werkstücks 24 fortwährend ändern, verändern sich auch die Strömungsverhältnisse des Prozessgases, während dieses den Innenraum 61 durchströmt und schließlich aus der Öffnung 55 austritt. Selbst wenn es nicht zu Turbulenzen kommt, sind Druckschwankungen des Prozessgases in Bereichen annähernd laminarer Strömungen in der Regel unvermeidlich.
Mit den Druckschwankungen gehen jedoch auch Schwankungen der Brechzahl des Prozessgases einher, was sich vor allem auf die Genauigkeit der Abstandsmessung auswirkt. Denn wenn das Prozessgas beispielsweise zu einem ersten Zeitpunkt einen Druck von 5 bar und zu einem zweiten Zeitpunkt von 1 bar hat, so unterscheiden sich die von dem Kohärenztomographen 26 gemessenen Abstandswerte um mehr als 0.7 mm, wenn der Abstand zwischen dem Schutzglas 46 und der Öffnung 55 rund 25 cm beträgt. Für eine hochgenaue Abstandsmessung sind diese Verfälschungen der gemessenen Abstände infolge der Druckschwankungen im Innenraum 61 zu groß, um toleriert werden zu können.
Um diese Verfälschungen zu kompensieren, ist deswegen erfindungsgemäß vorgesehen, einen Teil des Messlichts 65 nicht auf das Werkstück 24, sondern auf eine reflektierende Ringfläche 80 zu richten, die sich am unteren Ende der Düse 56 in der Bohrung 58 befindet. Wie man in der vergrößerten Darstellung links in der 2 erkennen kann, ist die Bohrung 58 zu diesem Zweck als Stufenbohrung ausgebildet, wobei sich die Stufe mit der dadurch gebildeten reflektierenden Ringfläche 80 in unmittelbarer Nähe der Öffnung 55 befindet. Die reflektierende Ringfläche 80 ist so geneigt, dass das darauf auftreffende und in der 2 dunkel hervorgehobene Messlicht 65 in sich reflektiert wird, wie dies durch die Doppelpfeile angedeutet ist. Da sich die Lage der reflektierenden Ringfläche 80 nicht verändert, misst der davon reflektierte Teil des Messlichts 65 somit direkt die optischen Weglängendifferenzen, die durch Druckschwankungen im Innenraum 61 verursacht werden. Um die Anteile des Messlichts 65, die von dem Werkstück 24 und der Ringfläche 80 reflektiert werden, auch begrifflich voneinander zu unterscheiden, wird der vom Werkstück 24 reflektierte Anteil im Folgenden auch als Objektstrahl 65a und der von der Ringfläche reflektierte Anteil auch als Messstrahl 65b bezeichnet.
Die 4 zeigt schematisch einen Graphen, in dem die von der Steuereinheit 52 durch Fouriertransformation aus dem Interferenzsignal berechneten Abstandswerte vereinfacht dargestellt sind. Es sei angenommen, dass von dem Objektstrahl 65a zu einem ersten Zeitpunkt t₁ ein Abstand d_w(t₁) und zu einem späteren Zeitpunkt t₂ > t₁ ein Abstand d_w(t₂) > d_w(t₁) gemessen wird, obwohl der Abstand zwischen dem Werkstück 24 und dem Bearbeitungskopf 14 während dieser Zeitspanne unverändert geblieben ist. Die scheinbare Vergrößerung des Abstands um d_w(t₂) – d_w(t₁) geht auf eine Erhöhung des Drucks im Innenraum 61 zurück.
Diese Erhöhung des Drucks wird aber von dem Messstrahl 65b gemessen, der an der feststehenden Ringfläche 80 in der Düse 56 reflektiert wird. Der Messstrahl 65b misst somit einen Abstand, der ohne Druckschwankungen stets konstant bleiben müsste, weil die reflektierende Ringfläche 80 ortsfest ist. Infolge der Druckerhöhung zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ erfährt aber auch der Messstrahl 65b eine Zunahme der optischen Weglänge, wodurch sich der davon gemessene Abstand scheinbar von d_r(t₁) auf d_r(t₂) > d_r(t₁) erhöht.
Um Verfälschungen des gemessenen Werkstückabstandes d_w zu kompensieren, die durch Druckschwankungen im Innenraum 61 verursacht wurden, müssen deswegen lediglich die gemessenen Werte d_w um diejenigen Schwankungen korrigiert werden, die von dem Messstrahl 65b erfasst werden. Der um die Druckschwankungen kompensierte Wert d_w' für den Werkstückabstand ergibt sich somit als d_w'(t₂) = d_w(t₂) – [(d_r(t₂) – d_r(t₁)]
Die so gemessenen Werte für den Werkstückabstand können zum einen dazu verwendet werden, die Fokussieroptik 28 mit Hilfe des Stellantriebs 50 so nachzuführen, dass der Brennfleck 22 am gewünschten Ort auf oder in dem Werkstück 24 liegt. Alternativ oder zusätzlich lässt sich mit den so gemessenen Werten auch der gemessene Abstand selbst regeln. Dies stellt sicher, dass das Prozessgas möglichst gleichmäßig aus der Düse 56 austreten kann und das abgetragene Material zuverlässig vom Prozessgas aus der Schneidfuge entfernt wird.
3. Weitere Ausführungsbeispiele
a) Düse ohne Stufenbohrung
Die 5 zeigt in einer an die 2 angelehnten Schnittdarstellung einen Bearbeitungskopf 14 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Gleiche oder einander entsprechende Bauteile sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Der Bearbeitungskopf 14 aus der 4 unterscheidet sich von dem in der 2 gezeigten Bearbeitungskopf im Wesentlichen dadurch, dass das Axikon 73 durch einen Hohlzylinder 82 aus Glas ersetzt ist (auch ein Vollzylinder kommt hierzu in Betracht). Derjenige Anteil des Messlichts 65, der aus der optischen Faser des Objektarms 70 austritt und den Hohlzylinder 82 durchtritt, ohne an dessen Wandung reflektiert worden zu sein, wird von der Sammellinse 78 kollimiert und von der Fokussieroptik 28 in den Brennfleck 22 der Laserstrahlung 21 fokussiert. Dieser Anteil bildet einen Objektstrahl 65a mit kreisförmigem Querschnitt, der hier den Abstand zwischen dem Werkstück 24 und dem Bearbeitungskopf 14 nicht außerhalb, sondern entlang der optischen Achse OA erfasst.
Da sich auf der optischen Achse OA der Brennfleck 22 befindet und dort das Werkstück 24 durchtrennt wird, sind die von dem Objektstrahl 65a gelieferten Abstandswerte weniger dafür geeignet, um auf deren Basis eine Abstandsregelung durchzuführen. Ein axialer Messpunkt ermöglicht es jedoch zu erkennen, ob die Durchtrennung des Werkstücks 24 mit Hilfe der Laserstrahlung 21 erfolgreich war oder nicht. Eine erfolgreiche Durchtrennung macht sich nämlich durch einen sprunghaften Anstieg des gemessenen axialen Abstands oder auch durch ein Ausbleiben eines Abstandssignals bemerkbar.
Der an der Wandung des Hohlzylinders 82 durch Totalreflektion reflektierte Anteil des Messlichts 65 umgibt den von der Laserstrahlung 21 durchtretenen Bereich der Fokussieroptik 28 und des Schutzglases 46 ringförmig, wie dies ähnlich auch bei dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Dieser Anteil bildet einen Messstrahl 65b, der, wie in der vergrößerten Darstellung links in der 5 erkennbar ist, jedoch hier nicht an einer umlaufenden Stufe der Bohrung 58 in sich reflektiert wird. Stattdessen wird der Messstrahl 65b an der konischen Innenfläche 80' der Bohrung 58 mehrfach so umgelenkt, dass das einlaufende und das auslaufende Messlicht 65b in jeder Meridionalebene einen spiegelsymmetrischen Strahlengang haben. Dadurch wird der Messstrahl 65b, der von der Innenfläche 80' der Bohrung 58 reflektiert wurde, wieder gemeinsam mit dem reflektierten Objektstrahl vollständig in die optische Faser des Objektarms 70 eingekoppelt.
Dieser Strahlengang des Messstrahls 65b hat den Vorteil, dass die Bohrung 58 in der Düse 56 nicht mit einer Stufe versehen werden muss, sondern die übliche konische Form behalten kann. Ansonsten aber unterscheidet sich das Messprinzip nicht gegenüber dem in den 2 bis 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
b) Referenzstrahl durchsetzt Innenraum
Die 6 zeigt eine Variante eines Bearbeitungskopfes 14, bei welcher das Referenzlicht 73 selbst den Innenraum 61 durchsetzt, in dem die Druckschwankungen zu Verfälschungen der Abstandsmessung führen, und damit den Messstrahl 65b bildet. Außerdem durchtritt bei diesem Ausführungsbeispiel das Messlicht 65 keine Teile der Optik, die sich im Lichtweg der Laserstrahlung 21 befinden. Stattdessen ist für das Messlicht 65 eine eigene Messlichtoptik 84 vorgesehen, die das Messlicht 65 auf das Werkstück 24 und eine reflektierende Fläche 80'' in der Düse 56 richtet.
Dies wird im Folgenden mit Bezug auf die 7 erläutert, bei der es sich um eine vergrößerte Darstellung des Endabschnitts 40 des Gehäuses 30 mit den darin enthaltenen Bauteilen handelt. Die Messlichtoptik 84 umfasst zwei Sammellinsen, die das aus einer optischen Faser austretende Licht fokussiert. Der größere Anteil 65a des Lichts wird auf die Oberfläche des Werkstücks 24 fokussiert und bildet wieder den Objektstrahl 65a, der den Abstand zum Werkstück 24 misst. Ein dunkel hervorgehobener kleinerer Anteil des Lichts bildet den Messstrahl 65b und stellt gleichzeitig das Referenzlicht 73 dar. Der Messstrahl 65b trifft auf eine reflektierende Fläche 80'', die in der Form einer kleinen Nut unmittelbar an der Öffnung 55 der Düse 56 ausgebildet ist. Der Messstrahl 65b gelangt, zusammen mit dem Objektstrahl 65a, zurück über die Messlichtoptik 84 zum Lichtsensor 79 des Kohärenztomographen 26.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist im Gegensatz zu den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen somit kein zusätzlicher Referenzarm vorgesehen. Der Referenzarm wird vielmehr durch den Lichtweg zwischen dem Strahlteiler 66 und der reflektierenden Fläche 80'' gebildet. Im Lichtsensor 79 wird der Messstrahl 65b direkt mit dem Objektstrahl 65a überlagert, wodurch auf den optischen Weglängenunterschied zurückgeschlossen werden kann, den das Licht zwischen der reflektierenden Fläche 80'' und der Oberfläche des Werkstücks 24 zurücklegt.
Da der dunkel in der 7 hervorgehobene Messstrahl 65b, der gleichzeitig das Referenzlicht 73 darstellt, praktisch die gleichen Druckschwankungen erfährt wie der auf das Werkstück 24 gerichtete Objektstrahl 65a, werden optische Weglängendifferenzen, die durch Druckschwankungen im Innenraum 61 verursacht werden, automatisch kompensiert, da sich die Druckschwankungen in gleicher Weise auf den Messstrahl 65b wie auf den Objektstrahl 65a auswirken.
Diese Variante des Kohärenztomographen 26 ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn ein relativ großer Anteil des von der Messlichtoptik 84 fokussierten Lichts an der reflektierenden Fläche 80'' reflektiert wird und dadurch das Referenzlicht des Kohärenztomographen bildet. Je ähnlicher die Intensitäten des an der reflektierenden Fläche 80'' und des am Werkstück 24 reflektierten Lichts sind, desto ausgeprägter sind die Interferenzerscheinungen, die vom Lichtsensor 79 erfasst werden können.
c) Mehrere Messstrahlen
Selbstverständlich kann auch von unterschiedlichen Richtungen Messlicht 65 unabhängig voneinander auf die Oberfläche des Werkstücks 24 gerichtet werden, wie dies die 8 illustriert. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei voneinander unabhängige Kohärenztomographen mit Messlichtoptiken 84, 84' vorgesehen, die mit Objektstrahlen 65a, 65a' an mehreren Messpunkten auf dem Werkstück 24 unabhängig voneinander deren Abstand vom Bearbeitungskopf 14 messen. Eine beispielhafte Anordnung für den Fall von insgesamt acht Messstrahlen ist in der 9 schematisch dargestellt. Die Messpunkte MP1 bis MP8 umgeben den Brennfleck 22 konzentrisch, so dass auch kompliziertere Oberflächengeometrien des Werkstücks 24 nahezu vollständig erfasst werden können.
Bei dem in der 8 darstellten Ausführungsbeispiel sind die Kohärenztomographen ähnlich ausgebildet wie bei dem in den 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Referenzarme werden somit jeweils durch die optischen Wegstrecken zwischen einem Strahlteiler und einer reflektierenden Fläche auf der Düse gebildet. Selbstverständlich können auch Kohärenztomographen kombiniert werden, die ähnlich wie in den 2 bis 4 gezeigt ausgebildet sind und somit jeweils einen Referenzarm haben, der außerhalb des Innenraums 61 liegt, in dem die Druckschwankungen auftreten.
Mehrere Messstrahlen lassen sich auch mit nur einem Kohärenztomographen erzeugen. Hierzu ist lediglich sicherzustellen, dass die Messstrahlen deutlich unterschiedliche optische Wege zum Werkstück zurücklegen. Die den Abstand repräsentierenden Signale sind dann so weit voneinander beabstandet, dass sie stets einem bestimmten Messstrahl zugeordnet werden können.

Claims

Verfahren zum Messen des Abstands zwischen einem Werkstück (24) und einem Bearbeitungskopf (14) einer Laserbearbeitungsvorrichtung (10), die für die Bearbeitung eines Werkstücks (24) mit Laserstrahlung (21) eingerichtet ist, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Bearbeitungskopfes (14) mit einem Gehäuse (30), das einen Innenraum (61) und eine Öffnung (55) für einen Austritt der Laserstrahlung (21) aus dem Bearbeitungskopf (14) hat, b) Richten der Laserstrahlung (21) auf das Werkstück (24), nachdem die Laserstrahlung (21) den Innenraum (61) und die Öffnung (55) durchtreten hat; c) Erzeugen eines Objektstrahls (65a) durch eine Lichtquelle (64) eines optischen Kohärenztomographen (26) und Richten des Objektstrahls (65a) auf das Werkstück (24) derart, dass der Objektstrahl (65a) vor dem Auftreffen auf das Werkstück (24) den Innenraum (61) und die Öffnung (55) durchtritt; d) Erfassen des von dem Werkstück (24) reflektierten Reflexes des Objektstrahls (65a); e) Überlagern des Reflexes des Objektstrahls (65a) mit einem von der Lichtquelle (64) des Kohärenztomographen (26) erzeugten Referenzstrahl (73); f) Ermitteln des Abstands zwischen dem Bearbeitungskopf (14) und dem Werkstück (24) aus einem durch das Überlagern in Schritt e) erhaltenen Interferenzsignal; dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Objektstrahl (65a) ein Messstrahl (65b) den Innenraum (61) durchtritt, der dazu verwendet wird, Verfälschungen des gemessenen Abstands zu kompensieren, die durch Druckschwankungen im Innenraum (61) verursacht wurden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (65b) an einer reflektierenden Fläche (80; 80', 80'') reflektiert wird, die an einer den Innenraum (61) begrenzenden Innenfläche (60) des Gehäuses (30) des Bearbeitungskopfes (14) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Fläche (80; 80', 80'') an der Innenfläche (60) einer Austrittsdüse (56) ausbildet ist, welche die Öffnung (55) enthält, und dass während der Messung des Abstands zusätzlich zur Laserstrahlung (21) und zum Objektstrahl (65a) ein unter Druck stehendes Gas aus der Öffnung (55) austritt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (65b) ebenfalls von der Lichtquelle (64) des Kohärenztomographen (26) erzeugt und ein Reflex des Messstrahls (65b) mit einem anderen von der Lichtquelle (64) erzeugten Strahl (73; 65a) überlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Überlagerung des Messstrahls (65b) mit dem anderen Strahl (73; 65a) durch Druckschwankungen verursachte Schwankungen der optischen Weglänge des Messstrahls ermittelt werden, und dass diese Schwankungen der optischen Weglänge beim Ermitteln des Abstands im Schritt f) berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (65b) von dem Objektstrahl (65a) abgezweigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (65b) der Referenzstrahl (73) des Kohärenztomographen (26) ist.
Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsvorrichtung (10), die für die Bearbeitung eines Werkstücks (24) mit Laserstrahlung (21) eingerichtet ist, mit: a) einem Gehäuse (30), das eine einen Innenraum (61) des Bearbeitungskopfes (14) begrenzende Innenfläche (60) und eine Öffnung (55) für einen Austritt der Laserstrahlung (21) aus dem Bearbeitungskopf (14) hat, wobei der Innenraum (61) und die Öffnung (55) so ausgebildet sind, dass während des Betriebs der Laserbearbeitungsvorrichtung (10) die Laserstrahlung (21) den Innenraum (61) durchtritt, aus der Öffnung (55) austritt und auf das Werkstück (24) trifft, b) einem optischen Kohärenztomographen (26), der dazu eingerichtet ist, den Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf (14) und dem Werkstück (24) während der Laserbearbeitung zu messen, wobei während einer Messung ein Objektstrahl (65a) des Kohärenztomographen (26) ebenfalls den Innenraum (61) durchtritt, aus der Öffnung (55) austritt und auf das Werkstück (24) trifft, gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung (26), die dazu eingerichtet ist, einen Messstrahl (65b) zu erzeugen, der zusätzlich zu dem Objektstrahl (65a) den Innenraum (61) durchtritt und dazu verwendet wird, Verfälschungen des gemessenen Abstands zu kompensieren, die durch Druckschwankungen im Innenraum (61) verursacht wurden.
Bearbeitungskopf nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine reflektierende Fläche (80; 80', 80'') auf der Innenfläche des Gehäuses, die dazu eingerichtet ist, den Messstrahl (65b) zu reflektieren.
Bearbeitungskopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Fläche (80; 80', 80'') an der Innenfläche (60) einer Austrittsdüse (56) ausgebildet ist, welche die Öffnung (55) enthält, und dass der Innenraum (61) eine Eintrittsöffnung (54) für ein unter Druck stehendes Gas hat, das während der Messung des Abstands zusätzlich zur Laserstrahlung (21) und zum Objektstrahl (65a) aus der Öffnung (55) austritt.
Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung der Kohärenztomograph (26) ist, dass der Messstrahl (65b) von einer Lichtquelle (64) des Kohärenztomographen (26) erzeugbar ist, und dass der Kohärenztomograph (26) einen Detektor (79) aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine Überlagerung eines Reflexes des Messstrahls (65b) mit einem anderen von der Lichtquelle (64) erzeugten Strahl (73; 65a) zu erfassen.
Bearbeitungskopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung eine Recheneinheit (52) aufweist, die dazu eingerichtet ist, aus der Überlagerung des Messstrahls (65b) mit dem anderen Strahl (73; 65a) durch Druckschwankungen verursachte Schwankungen der optischen Weglänge des Messstrahls zu ermitteln, und dass diese Schwankungen der optischen Weglänge von der Recheneinheit (52) beim Ermitteln des Abstands berücksichtigt werden.
Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (65b) von dem Objektstrahl (65a) abgezweigt wird.
Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (65b) der (73) Referenzstrahl des Kohärenztomographen (26) ist.
Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (26) dazu eingerichtet ist, mehrere Objektstrahlen (65a') auf unterschiedliche Bereiche (MP1 bis MP8) auf dem Werkstück (24) zu richten.