DE102017001353B4 - Device and method for monitoring a machining process for material machining using an optical measuring beam using temperature compensation - Google Patents

Device and method for monitoring a machining process for material machining using an optical measuring beam using temperature compensation Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (10) zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses zur Materialbearbeitung mittels eines optischen Messstrahls (30),wobei ein Bearbeitungsstrahl (18) über eine Bearbeitungsstrahloptik (16) auf ein Werkstück (W) projizierbar und/oder fokussierbar ist,wobei die Vorrichtung (10) einen optischen Kohärenztomographen (14) umfasst mit:- einer Lichtquelle (34) zum Erzeugen des Messstrahls (30),- einer Analyseeinrichtung (64) zum Analysieren eines vom Werkstück (W) reflektierten Teils des Messstrahls (30),- einer Messstrahloptik (32),- einem optischen Messarm, in dem der Messstrahl (30) von der Lichtquelle (34) ausgehend über die Messstrahloptik (32) sowie die Bearbeitungsstrahloptik (16) auf das Werkstück (W) projiziert und/oder fokussiert, von diesem zumindest teilweise reflektiert und zur Auswertung zu der Analyseeinrichtung (64) geführt wird, und- einem optischen Referenzarm, der zu Überwachung des Bearbeitungsstrahls (18) mittels des optischen Messstrahls (30) den Messarm zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet und von einem Referenzstrahl durchlaufen wird,wobei der Referenzarm zumindest teilweise mit einer optischen Referenzarmfaser (42) und der Messarm zumindest teilweise mit einer optischen Messarmfaser (40) ausgebildet sind, in denen jeweils über eine Wegstrecke der Referenzstrahl bzw. der Messstrahl optisch geführt sind, undwobei dem Referenzarm oder/und dem Messarm eine einstellbare Längenausgleichsvorrichtung (52) zugeordnet ist, um die optisch wirksame Länge des Referenzarms oder/und des Messarms zu verändern,dadurch gekennzeichnet, dassa) der Messarmfaser (40) oder einem der Messarmfaser (40) nahen Umgebungsbereich und der Referenzarmfaser (42) oder einem der Referenzarmfaser (42) nahen Umgebungsbereich jeweils eine Temperaturmesseinrichtung (46, 76) zum Messen der aktuellen Temperatur der Messarmfaser (40) und der Referenzarmfaser (42) zugeordnet ist, oderb) der Messarmfaser (40) oder einem der Messarmfaser (40) nahen Umgebungsbereich eine Temperaturmesseinrichtung (76) zum Messen der aktuellen Temperatur der Messarmfaser (40) zugeordnet ist und die Temperatur der Referenzarmfaser (42) als konstant angenommen wird,wobei nach Maßgabe eines Temperaturunterschieds zwischen der Temperatur der Messarmfaser (40) und der Temperatur der Referenzarmfaser (42) die Längenausgleichsvorrichtung (52) des Referenzarms oder/und des Messarms ansteuerbar ist.Device (10) for monitoring a machining process for material processing by means of an optical measuring beam (30), wherein a machining beam (18) can be projected and/or focused onto a workpiece (W) via a machining beam optics (16), the device (10) having a Optical coherence tomograph (14) comprising: - a light source (34) for generating the measuring beam (30), - an analysis device (64) for analyzing a part of the measuring beam (30) reflected by the workpiece (W), - measuring beam optics (32) ,- an optical measuring arm in which the measuring beam (30) is projected and/or focused from the light source (34) via the measuring beam optics (32) and the processing beam optics (16) onto the workpiece (W), at least partially reflected by it and is guided to the analysis device (64) for evaluation, and- an optical reference arm which, for monitoring the processing beam (18) by means of the optical measuring beam (30), at least the measuring arm t is simulated in terms of its optical path length and is traversed by a reference beam, the reference arm being at least partially formed with an optical reference arm fiber (42) and the measuring arm being at least partially formed with an optical measuring arm fiber (40), in each of which the reference beam or the measuring beam is optically guided, and an adjustable length compensation device (52) is assigned to the reference arm and/or the measuring arm in order to change the optically effective length of the reference arm and/or the measuring arm, characterized in thata) the measuring arm fiber (40) or a a temperature measuring device (46, 76) for measuring the current temperature of the measuring arm fiber (40) and the reference arm fiber (42) is assigned to the surrounding area close to the measuring arm fiber (40) and the reference arm fiber (42) or to a surrounding area close to the reference arm fiber (42), orb ) the measuring arm fiber (40) or an area close to the measuring arm fiber (40) has a T temperature measuring device (76) for measuring the current temperature of the measuring arm fiber (40) and the temperature of the reference arm fiber (42) is assumed to be constant, wherein according to a temperature difference between the temperature of the measuring arm fiber (40) and the temperature of the reference arm fiber (42) the length compensation device (52) of the reference arm and/or the measuring arm can be controlled.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses zur Materialbearbeitung mittels eines optischen Messstrahls,
wobei ein Bearbeitungsstrahl über eine Bearbeitungsstrahloptik auf ein Werkstück projizierbar und/oder fokussierbar ist,
wobei die Vorrichtung einen optischen Kohärenztomographen umfasst mit:

  • - einer Lichtquelle zum Erzeugen des Messstrahls,
  • - einer Analyseeinrichtung zum Analysieren eines vom Werkstück reflektierten Teils des Messstrahls,
  • - einer Messstrahloptik,
  • - einem optischen Messarm, in dem der Messstrahl von der Lichtquelle ausgehend über die Messstrahloptik sowie die Bearbeitungsstrahloptik auf das Werkstück projiziert und/oder fokussiert, von diesem zumindest teilweise reflektiert und zur Auswertung zu der Analyseeinrichtung geführt wird, und
  • - einem optischen Referenzarm, der zu Überwachung des Bearbeitungsstrahls mittels des optischen Messstrahls den Messarm zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet und von einem Referenzstrahl durchlaufen wird,

wobei der Referenzarm zumindest teilweise mit einer optischen Referenzarmfaser und der Messarm zumindest teilweise mit einer optischen Messarmfaser ausgebildet sind, in denen jeweils über eine Wegstrecke der Referenzstrahl bzw. der Messstrahl optisch geführt sind, und
wobei dem Referenzarm oder/und dem Messarm eine einstellbare Längenausgleichsvorrichtung zugeordnet ist, um die optisch wirksame Länge des Referenzarms oder/und des Messarms zu verändern.The present invention relates to a device for monitoring a machining process for material machining using an optical measuring beam,
wherein a processing beam can be projected and/or focused onto a workpiece via processing beam optics,
wherein the device comprises an optical coherence tomograph with:
  • - a light source for generating the measuring beam,
  • - an analysis device for analyzing a part of the measuring beam reflected by the workpiece,
  • - a measuring beam optics,
  • - an optical measuring arm, in which the measuring beam, starting from the light source, is projected and/or focused onto the workpiece via the measuring beam optics and the processing beam optics, is at least partially reflected by the latter and is guided to the analysis device for evaluation, and
  • - an optical reference arm, which simulates the measuring arm at least in its optical path length for monitoring the processing beam by means of the optical measuring beam and is traversed by a reference beam,

wherein the reference arm is at least partially formed with an optical reference arm fiber and the measuring arm is at least partially formed with an optical measuring arm fiber, in each of which the reference beam and the measuring beam are guided optically over a path, and
an adjustable length compensation device being assigned to the reference arm and/or the measuring arm in order to change the optically effective length of the reference arm and/or the measuring arm.

Die optische Überwachung von Materialbearbeitungsprozessen, beispielsweise von Schweißvorgängen an einer Stoßstelle zweier durch einen Laserschweißprozess miteinander zu verbindender Werkstücke ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Hierzu wird zum technischen Hintergrund auf das Dokument WO 2014/138939 A1 verwiesen. Gemäß der Offenbarung dieses Dokuments wird ein über einen Scannerspiegel auslenkbarer Messstrahl in einen Bearbeitungsstrahl eingekoppelt und gemeinsam mit diesem auf Bearbeitungspositionen auf einem Werkstück gerichtet. Optional kann dabei auch der Sensorstrahl eines Kamerasensors in den Mess- und Laserstrahl eingekoppelt werden. Bei dieser bekannten Lösung wird der Messstrahl durch einen optischen Kohärenztomographen erzeugt. Die sogenannte optische Kohärenztomographie (engl.: Optical Coherence Tomography, OCT) bezeichnet ein Verfahren, das in Anbetracht der vorstehenden Nachteile herkömmlicher optischer Überwachungsverfahren zunehmend für die Überwachung von (Laser-) Bearbeitungsverfahren eingesetzt wird. Es basiert auf dem Grundprinzip der Interferenz von Lichtwellen und daraus resultierender Effekte. Die optische Kohärenztomographie ermöglicht es, Höhenunterschiede entlang einer Messstrahlachse im Mikrometerbereich zu erfassen. Dazu wird Messlicht erzeugt und mittels eines Strahlteilers in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgetrennt. Der Messstrahl wird an einen Messarm weitergeleitet und trifft auf eine Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks. An dieser Oberfläche wird der Messstrahl zumindest teilweise reflektiert und an den Strahlteiler zurückgeführt. Der Referenzstrahl wird an den Referenzarm weitergeleitet und am Ende des Referenzarms reflektiert. Der reflektierte Referenzstrahl wird ebenfalls an den Strahlteiler zurückgeführt. Die Überlagerung der reflektierten Strahlen wird schließlich detektiert, um unter Berücksichtigung der Länge des Referenzarms Höheninformationen über die Oberfläche und/oder die Eindringtiefe eines Bearbeitungsstrahls in ein Werkstück zu ermitteln. Eine vorrichtungstechnische Ausführung für die Praxis geht aus diesem Stand der Technik nicht hervor.The optical monitoring of material processing processes, for example welding processes at a joint between two workpieces to be connected to one another by a laser welding process, is already known from the prior art. For this, the technical background is on the document WO 2014/138939 A1 referred. According to the disclosure of this document, a measuring beam that can be deflected via a scanner mirror is coupled into a processing beam and, together with this, is directed to processing positions on a workpiece. Optionally, the sensor beam of a camera sensor can also be coupled into the measuring and laser beam. In this known solution, the measurement beam is generated by an optical coherence tomograph. The so-called optical coherence tomography (OCT) designates a method which, in view of the above disadvantages of conventional optical monitoring methods, is increasingly being used for monitoring (laser) processing methods. It is based on the basic principle of the interference of light waves and the resulting effects. Optical coherence tomography makes it possible to record height differences along a measuring beam axis in the micrometer range. For this purpose, measuring light is generated and separated into a measuring beam and a reference beam by means of a beam splitter. The measuring beam is forwarded to a measuring arm and hits the surface of a workpiece to be machined. The measuring beam is at least partially reflected on this surface and returned to the beam splitter. The reference beam is transmitted to the reference arm and reflected at the end of the reference arm. The reflected reference beam is also returned to the beam splitter. The superposition of the reflected beams is finally detected in order to determine height information about the surface and/or the penetration depth of a machining beam into a workpiece, taking into account the length of the reference arm. This prior art does not provide a technical design for practical use.

Darüber hinaus wird in dem Dokument DE 10 2013 008 269 A1 beschrieben, dass der optische Kohärenztomograph unmittelbar im Bearbeitungskopf eines Schweißroboters angebracht sein kann. Dies führt dazu, dass das OCT-System sämtliche Bewegungen des Bearbeitungskopfs mit vollziehen muss, sodass die dem OCT-System zugeordneten beweglichen Komponenten permanent Beschleunigungen, Abbremsvorgängen und Erschütterungen ausgesetzt sind. Dies kann sich in der Praxis negativ auf die Lebensdauer des OCT-Systems und dessen Funktionsweise auswirken.In addition, in the document DE 10 2013 008 269 A1 described that the optical coherence tomograph can be mounted directly in the processing head of a welding robot. As a result, the OCT system has to complete all movements of the processing head, so that the moving components assigned to the OCT system are constantly exposed to acceleration, braking processes and vibrations. In practice, this can have a negative effect on the service life of the OCT system and its functionality.

In dem weiteren Dokument zum Stand der Technik DE 10 2014 216 829 A1 wird ein Problem erkannt, das sich insbesondere beim Laserbearbeiten von Werkstücken und dem Einsatz eines OCT-Systems bei diesem Bearbeitungsvorgang stellt. Aufgrund der in einer Schweißzelle auftretenden relativ hohen Temperaturen, insbesondere Temperaturschwankungen zwischen Betriebsphasen und Außerbetriebsphasen, und aufgrund der Tatsache, dass Referenzarm und Messarm in der Regel unterschiedliche räumliche Verläufe aufweisen, kommt es zu dem Problem, dass sich die optischen Komponenten des Referenzarms und des Messarms, insbesondere diesen zugeordnete optische Fasern, unterschiedlich stark erwärmen. Die sich daraus ergebenden Temperaturunterschiede führen dazu, dass sich beispielsweise der Messarm aufgrund der höheren Temperatur nahe dem Schweißroboter thermisch stärker dehnt, als der Referenzarm des OCT-Systems. Es kann beispielsweise zu einer Dehnung der optischen Fasern von bis zu 0,4 mm/K kommen. Bei allzu großen Temperaturunterschieden kann der Längenunterschied zwischen Referenzarm und Messarm mehrere Millimeter betragen und damit so groß werden, dass das erhaltene Messergebnis nicht mehr im Arbeitsbereich des verwendeten OCT-Sensors liegt oder der OCT-Sensor keine verwertbaren Ergebnisse liefert. Um dem Problem der auftretenden Temperaturunterschiede zwischen Messarm und Referenzarm zu begegnen, schlägt dieser Stand der Technik vor, die optische Faser des Messarms und die optische Faser des Referenzarms so weit wie möglich parallel nebeneinander verlaufen zu lassen und diese miteinander thermisch zu koppeln. Dadurch wird gewährleistet, dass Temperaturunterschiede an den optischen Fasern von Referenzarm und Messarm zumindest in den parallel verlaufenden thermisch gekoppelten Bereichen unterbunden werden können.In the further prior art document DE 10 2014 216 829 A1 a problem is recognized that arises in particular when laser processing workpieces and the use of an OCT system in this processing operation. Due to the relatively high temperatures occurring in a welding cell, in particular temperature fluctuations between operating phases and non-operating phases, and due to the fact that the reference arm and measuring arm usually have different spatial profiles, the problem arises that the optical components of the reference arm and the measuring arm , In particular, these associated optical fibers, heat to different degrees. The resulting temperature differences mean that, for example, the measuring arm due to the higher temperature near the welding robot thermally expands more than the reference arm of the OCT system. For example, the optical fibers can stretch by up to 0.4 mm/K. If the temperature differences are too great, the difference in length between the reference arm and the measuring arm can be several millimeters and thus become so great that the measurement result obtained is no longer within the working range of the OCT sensor used or the OCT sensor does not deliver usable results. In order to solve the problem of the temperature differences occurring between the measuring arm and the reference arm, this prior art proposes running the optical fiber of the measuring arm and the optical fiber of the reference arm parallel to one another as far as possible and thermally coupling them to one another. This ensures that temperature differences on the optical fibers of the reference arm and measuring arm can be prevented at least in the thermally coupled areas running parallel.

Diese Lösung funktioniert allerdings nur solange, wie gewährleistet werden kann, dass die optischen Fasern von Referenzarm und Messarm tatsächlich in unmittelbarer Nähe zueinander verlaufen. Dies impliziert also, dass Referenzarm und Messarm bevorzugt gemeinsam am Bearbeitungskopf anzubringen sind, woraus sich die vorstehend beschriebenen Nachteile von Beschleunigungen und Erschütterungen an dem OCT-System ergeben.However, this solution only works as long as it can be guaranteed that the optical fibers of the reference arm and measuring arm actually run in the immediate vicinity of each other. This therefore implies that the reference arm and measuring arm should preferably be attached together to the processing head, which results in the disadvantages of acceleration and vibrations in the OCT system described above.

Schließlich wird in dem Dokument DE 10 2010 016 862 B3 gleichfalls das Problem von Temperaturunterschieden zwischen Referenzarm und Messarm beschrieben. Gemäß diesem Dokument wird dem Problem allerdings durch die Maßnahme begegnet, mindestens zwei verschiedene Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen einzusetzen. Es wird sozusagen eine zur Verfügung stehende Wellenlänge als Referenzwellenlänge genutzt, um temperaturbedingte Längenunterschiede zwischen Messarm und Referenzarm zu erfassen. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es nur so lange funktioniert, wie der Längenunterschied innerhalb des Arbeitsbereichs des verwendeten OCT-Systems liegt. Bei großen Temperaturschwankungen und dem entsprechend großen thermisch bedingten Längenunterschieden stößt dieses Verfahren an seine Grenzen.Finally, in the document DE 10 2010 016 862 B3 also describes the problem of temperature differences between the reference arm and measuring arm. According to this document, however, the problem is counteracted by using at least two different light sources with different wavelengths. An available wavelength is used as a reference wavelength, so to speak, in order to record temperature-related differences in length between the measuring arm and the reference arm. The disadvantage of this method is that it only works as long as the difference in length is within the working range of the OCT system used. With large temperature fluctuations and the correspondingly large thermally induced length differences, this process reaches its limits.

Ferner ist aus dem Dokument EP 1 977 850 B1 eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art vorgesehen, der zusätzlich noch ein Temperaturfühler zugeordnet ist. Der Temperaturfühler ist an einem Abdeckglas eines Bearbeitungskopfes angebracht und dient zur Erfassung einer möglichen thermischen Überlastung des Abdeckglases.Furthermore, from the document EP 1 977 850 B1 a device of the type described is provided, which is additionally assigned a temperature sensor. The temperature sensor is attached to a cover glass of a processing head and is used to detect a possible thermal overload of the cover glass.

Als weiterer Stand der Technik zum technischen Hintergrund wird auf die Dokumente DE 10 2015 015 112 A1 , US 8,822,875 B2 und den Artikel Dupriez, N.D.; Truckenbrodt, C.: OCT for Efficient High Quality Laser Welding, Laser technik )ourmal, Vol. 13, Nr. 3 (2016), S. 37-41, doi 10.1002/latj. 201600020 verwiesen.As further prior art on the technical background, reference is made to the documents DE 10 2015 015 112 A1 , U.S. 8,822,875 B2 and the article Dupriez, ND; Truckenbrodt, C.: OCT for Efficient High Quality Laser Welding, Lasertechnik )ourmal, Vol. 13, No. 3 (2016), pp. 37-41, doi 10.1002/latj. 201600020 referenced.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die auch bei großen Temperaturschwankungen und entsprechend großen thermisch bedingten Längenunterschieden zwischen Messarm und Referenzarm eine zuverlässige Überwachung des Bearbeitungsprozesses ermöglichen.It is an object of the present invention to provide a device and a method of the type mentioned at the outset that enable reliable monitoring of the machining process even with large temperature fluctuations and correspondingly large thermally induced length differences between the measuring arm and reference arm.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art gelöst, bei der vorgesehen ist, dass der Messarmfaser oder einem der Messarmfaser nahen Umgebungsbereich oder/und der Referenzarmfaser oder einem der Referenzarmfaser nahen Umgebungsbereich jeweils eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der aktuellen Temperatur der Messarmfaser und der Referenzarmfaser zugeordnet ist/sind, wobei nach Maßgabe eines Temperaturunterschieds zwischen der Temperatur der Messarmfaser und der Temperatur der Referenzarmfaser die Längenausgleichsvorrichtung des Referenzarms oder/und des Messarms ansteuerbar ist.This object is achieved by a device of the type described at the outset, in which it is provided that the measuring arm fiber or a surrounding area close to the measuring arm fiber and/or the reference arm fiber or a surrounding area close to the reference arm fiber each have a temperature measuring device for measuring the current temperature of the measuring arm fiber and the reference arm fiber is/are assigned, the length compensation device of the reference arm and/or the measuring arm being controllable in accordance with a temperature difference between the temperature of the measuring arm fiber and the temperature of the reference arm fiber.

Die Erfindung wendet sich also von den im Stand der Technik für das Problem unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen im Referenzarm und Messarm vorgegebenen Lösungswegen ab und ermittelt die tatsächlichen Temperaturen im Bereich der optischen Faser des Messarms sowie der optischen Faser des Referenzarms. Gegebnenfalls kann auch die Temperatur des Referenzarms als konstant, bspw. 20°C angenommen werden, wenn sich dieser zum Beispiel in einem klimatisierten Schaltschrank befindet. Daraus wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein intergraler Temperaturunterschied ermittelt, nach dessen Maßgabe dann eine im OCT-System vorgesehene Längenausgleichsvorrichtung angesteuert werden kann, mit der die effektive optische Länge des Referenzarms oder des Messarms zur Kompensation des thermisch bedingten Längenunterschieds zwischen Referenzarm und Messarm veränderbar ist.The invention therefore turns away from the solutions given in the prior art to the problem of different thermal expansions in the reference arm and measuring arm and determines the actual temperatures in the area of the optical fiber of the measuring arm and the optical fiber of the reference arm. If necessary, the temperature of the reference arm can also be assumed to be constant, e.g. 20°C, if it is located in an air-conditioned control cabinet, for example. According to the present invention, an integral temperature difference is determined from this, according to which a length compensation device provided in the OCT system can then be controlled, with which the effective optical length of the reference arm or the measuring arm can be changed to compensate for the thermally induced difference in length between the reference arm and measuring arm.

Die vorliegende Erfindung hat damit den Vorteil, dass keine zusätzlichen optischen Elemente erforderlich sind, wie etwa eine zweite Lichtquelle zur Bereitstellung eines Referenzlichts. Ferner ist es bei der vorliegenden Erfindung auch nicht erforderlich, die optischen Fasern von Referenzarm und Messarm in unmittelbarer Nähe zueinander zu verlegen, was im Hinblick auf die praktische konstruktive Ausgestaltung einer Kombination von Bearbeitungskopf und OCT-System mehr Freiheiten bietet. Dieser Vorteil ermöglicht es insbesondere, den optischen Kohärenztomographen mit seinen Komponenten, abgesehen von dem Messarm, an einer anderen Stelle anzuordnen, als die Bearbeitungsoptik, die im Falle einer beispielhaften Anwendung beim Schweißen in einer starken Temperaturschwankungen unterliegenden Schweißzelle anzuordnen ist. Beispielsweise können die Komponenten des OCT-Systems - mit Ausnahme des Messarms - in einem separaten, konstant temperierten Schaltschrank angeordnet werden, in dem zusätzlich beispielsweise eine Maschinensteuerung oder dergleichen vorgesehen ist. Ein solcher Schaltschrank kann beispielsweise eine Klimatisierung aufweisen. Diese Komponenten des OCT-Systems können daher frei von äußeren thermischen oder mechanischen Belastungen (Beschleunigungen, Verzögerungen, Erschütterungen) angeordnet werden, was deren Lebensdauer und Zuverlässigkeit erhöht. In der Folge kann es zu relativ großen Temperaturunterschieden zwischen Referenzarm und Messarm kommen, beispielsweise im Bereich des Referenzarms aufgrund von Temperaturschwankungen der Klimatisierung, aufgrund von Wärmeabstrahlung benachbarter Komponenten usw. Andererseits ist der Messarm nahe der Bearbeitungsoptik andersartigen bearbeitungsprozessbedingten Temperaturschwankungen ausgesetzt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch die gezielte Ansteuerung der Längenausgleichsvorrichtung eine Kompensation auch großer Temperaturunterschiede und daraus resultierender thermisch bedingter Längenunterschiede zwischen Messarm und Referenzarm. Diese Kompensation thermisch bedingter Längenunterschiede ist unabhängig von der Größe des Arbeitsbereichs des OCT-Sensors. Zusammengefasst schafft die vorliegende Erfindung eine einfache Lösung für das oben angesprochene Problem, die eine einfache und zuverlässige Kompensation auch von betragsmäßig großen Temperaturunterschieden an Messarm und Referenzarm und daraus resultierenden Längenänderungen bereitstellt.The present invention thus has the advantage that no additional optical elements are required, such as a second light source for providing a reference light. Furthermore, with the present invention it is also not necessary to lay the optical fibers of the reference arm and measuring arm in close proximity to one another, which is a factor in terms of practical design Configuration of a combination of processing head and OCT system offers more freedom. In particular, this advantage makes it possible to arrange the optical coherence tomograph with its components, apart from the measuring arm, at a different location than the processing optics, which is to be arranged in the case of an exemplary application during welding in a welding cell subject to strong temperature fluctuations. For example, the components of the OCT system—with the exception of the measuring arm—can be arranged in a separate, constantly temperature-controlled control cabinet, in which, for example, a machine controller or the like is additionally provided. Such a switch cabinet can have air conditioning, for example. These components of the OCT system can therefore be arranged free from external thermal or mechanical stresses (accelerations, decelerations, vibrations), which increases their service life and reliability. As a result, there can be relatively large temperature differences between the reference arm and measuring arm, for example in the area of the reference arm due to temperature fluctuations in the air conditioning, due to heat radiation from neighboring components, etc. On the other hand, the measuring arm near the processing optics is exposed to different types of temperature fluctuations caused by the processing process. The present invention, through the targeted activation of the length compensation device, also enables compensation for large temperature differences and the resulting thermally induced differences in length between the measuring arm and the reference arm. This compensation of thermally induced differences in length is independent of the size of the working range of the OCT sensor. In summary, the present invention provides a simple solution to the problem addressed above, which also provides simple and reliable compensation for temperature differences that are large in terms of absolute value on the measuring arm and reference arm and length changes resulting therefrom.

Eine Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Temperaturmesseinrichtung der Messarmfaser oder/und der Referenzarmfaser von einem Temperatursensor, insbesondere einem NTC (Negative Temperature Coefficient )-Sensor gebildet ist. Derartige Sensoren sind zuverlässig und kostengünstig verfügbar. Beispielsweise lässt sich ein solcher Temperatursensor im Bereich eines Referenzarms an einer Anordnung vorsehen, auf die ein längerer Abschnitt der Referenzarmfaser raumsparend aufgewickelt ist.A development of the present invention provides that the temperature measuring device of the measuring arm fiber and/or the reference arm fiber is formed by a temperature sensor, in particular an NTC (Negative Temperature Coefficient) sensor. Such sensors are available reliably and inexpensively. For example, such a temperature sensor can be provided in the area of a reference arm on an arrangement onto which a longer section of the reference arm fiber is wound in a space-saving manner.

Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Temperaturmesseinrichtung der Messarmfaser oder/und der Referenzarmfaser ein elektrisch leitendes Kabel aufweist, das zumindest abschnittsweise entlang der Messarmfaser oder/und der Referenzarmfaser geführt ist, wobei dem Kabel eine Widerstandsmesseinrichtung zugeordnet ist, wobei nach Maßgabe des ermittelten Widerstands die Temperatur der Messarmfaser bzw. der Referenzarmfaser ermittelt wird. Bekanntermaßen ändert sich der Widerstand eines Kabels mit dessen Temperatur, wobei derartige Widerstandsänderungen exakt messbar sind. Die Erfindung macht sich dabei zu Nutze, dass es sowohl einen linearen Zusammenhang gibt zwischen der Temperaturänderung des optischen Fasermaterials und der optischen Längenänderung (optische Weglänge) einerseits, sowie der Temperaturänderung eines elektrische leitenden Materials und dessen elektrischen Widerstands andererseits. Dieser Effekt lässt sich kostengünstig im Rahmen der Erfindung nutzen. Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante dieses Aspekts der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass das elektrisch leitende Kabel entlang des Messarms in einem Abschnitt zwischen einem Gehäuse des optischen Kohärenztomographen und einem Gehäuse der Bearbeitungsstrahloptik angeordnet ist. So lässt sich auch eine Mittelung der Temperatureinflüsse über die Länge der optischen Faser des Messarms vornehmen, insbesondere auch hinsichtlich des Abschnitts, der in der Laserschweißzelle verläuft.Furthermore, according to the invention, it can be provided that the temperature measuring device of the measuring arm fiber and/or the reference arm fiber has an electrically conductive cable, which is routed at least in sections along the measuring arm fiber and/or the reference arm fiber, with a resistance measuring device being assigned to the cable, whereby according to the determined resistance the temperature of the measuring arm fiber or the reference arm fiber is determined. It is known that the resistance of a cable changes with its temperature, and such changes in resistance can be measured exactly. The invention makes use of the fact that there is a linear relationship between the temperature change of the optical fiber material and the optical length change (optical path length) on the one hand, and the temperature change of an electrically conductive material and its electrical resistance on the other. This effect can be used inexpensively within the scope of the invention. In a preferred embodiment variant of this aspect of the invention, it can also be provided that the electrically conductive cable is arranged along the measuring arm in a section between a housing of the optical coherence tomograph and a housing of the processing beam optics. In this way, the temperature influences can also be averaged over the length of the optical fiber of the measuring arm, in particular with regard to the section that runs in the laser welding cell.

Ferner kann im Rahmen dieses Erfindungsaspekts gemäß einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass das elektrisch leitende Kabel von einem zwei-adrigen Kabel, vorzugsweise aus Kupfer, gebildet ist, dessen beide Adern an einem Ende, vorzugsweise an einer Steuerung des optischen Kohärenztomographen, mit einem Widerstandssensor und/oder einem EEPROM gekoppelt sind, und an ihrem entgegengesetzten Ende, vorzugsweise nahe der Bearbeitungsstrahloptik, kurzgeschlossen sind. Bei dieser Ausführungsvariante ergeben sich besonders exakte Temperaturmessungen bei gutem Ansprechverhalten. Das EEPROM dient beispielsweise dazu, spezifische Daten bezüglich des elektrischen Kabels sowie der Messarmfaser zu speichern, etwa die Seriennummer der Messarmfaser, der Längen-zu-Temperaturkoeffizient der Faser (mm/K), der Widerstandswert des Temperaturmeßkabels bei 20 °C, die Grundlänge der Messarmfaser etc., die bei einer Grundkalibrierung gespeichert werden. Das EEPROM ist über die elektrische Leitung fest mit der Messarmfaser verbunden, sodass ein einfacher Austausch der gesamten Einheit möglich ist. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Austausch keine nochmalige Grundkalibrierung mehr vorgenommen werden muss, da bereits alle Daten im EEPROM gespeichert sind.Furthermore, within the scope of this aspect of the invention, according to a further development it can be provided that the electrically conductive cable is formed by a two-wire cable, preferably made of copper, the two wires of which are connected at one end, preferably to a controller of the optical coherence tomograph, with a resistance sensor and /or coupled to an EEPROM, and shorted at its opposite end, preferably near the machining beam optics. In this embodiment variant, particularly precise temperature measurements are obtained with good response behavior. The EEPROM is used, for example, to store specific data relating to the electrical cable and the measuring arm fiber, such as the serial number of the measuring arm fiber, the length-to-temperature coefficient of the fiber (mm/K), the resistance value of the temperature measuring cable at 20 °C, the basic length of the measuring arm fiber etc., which are saved during a basic calibration. The EEPROM is firmly connected to the measuring arm fiber via the electrical line, so that the entire unit can be easily replaced. This has the advantage that a basic calibration does not have to be carried out again in the event of an exchange, since all the data is already stored in the EEPROM.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass das elektrisch leitende Kabel und die diesem zugeordnete Messarmfaser oder/und die Referenzarmfaser jeweils gemeinsam in einem Schutzschlauch zusammengefasst sind. Dadurch lässt sich eine unmittelbare räumliche Zuordnung von zu überwachender optischer Faser von Messarm oder/und Referenzarm und dem zur Temperaturmessung verwendeten elektrisch leitenden Kabel über den Schutzschlauch erreichen. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Schutzschlauch von einem Metallwickelschlauch oder/und einem Schrumpfschlauch oder/und einer sonstigen Schutzschlauchanordnung gebildet ist.An advantageous development of the invention is that the electrically conductive cable and this associated measuring arm fiber and / or Reference arm fiber are each combined together in a protective tube. As a result, a direct spatial assignment of the optical fiber to be monitored from the measuring arm and/or reference arm and the electrically conductive cable used for temperature measurement can be achieved via the protective tube. Provision can be made for the protective hose to be formed by a metal wound hose and/or a shrinkable hose and/or some other protective hose arrangement.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Längenausgleichsvorrichtung die optisch wirksame Länge des Referenzarms nach Maßgabe einer temperaturbedingten Veränderung der Länge der Messarmfaser einstellt. Mit anderen Worten orientiert sich die Einstellung der optisch wirksamen Länge des Referenzarms - ggfs. neben anderen Einflussgrößen wie eine Veränderung des Bearbeitungspunktes am Werkstück - an der thermisch bedingten Längenänderung des Messarms. Selbstverständlich kann auch eine Temperaturveränderung des Referenzarms oder Teilen davon gemessen und bei der Einstellung der optischen Referenzarmlänge berücksichtigt werden.A preferred embodiment of the invention provides that the length compensation device adjusts the optically effective length of the reference arm in accordance with a temperature-related change in the length of the measuring arm fiber. In other words, the setting of the optically effective length of the reference arm is oriented—possibly in addition to other influencing factors such as a change in the processing point on the workpiece—to the thermally induced change in length of the measuring arm. Of course, a change in temperature of the reference arm or parts thereof can also be measured and taken into account when setting the optical reference arm length.

Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Längenausgleichsvorrichtung motorisch oder piezo-elektrisch antreibbar ist. Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, dass die Längenausgleichsvorrichtung wenigstens einen bewegbaren Spiegel oder/und ein bewegbares Prisma zum Verlängern oder Verkürzen des Strahlengangs des Referenzstrahls aufweist.Furthermore, it can be provided according to the invention that the length compensation device can be driven by a motor or piezoelectrically. It is possible according to the invention for the length compensation device to have at least one movable mirror and/or a movable prism for lengthening or shortening the beam path of the reference beam.

Wie vorstehend bereits angedeutet ermöglicht die vorliegende Erfindung eine größere Flexibilität bei der Gestaltung von ein OCT-System nutzenden Bearbeitungsvorrichtungen. So ist es möglich, dass die Komponenten des optischen Kohärenztomographen mit Ausnahme eines zur Bearbeitungsstrahloptik führenden Abschnitts der Messarmfaser, vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse, in einem im wesentlichen temperaturstabilen Bereich, insbesondere außerhalb einer die Bearbeitungsstrahloptik aufweisenden Schweißzelle, angeordnet sind.As already indicated above, the present invention enables greater flexibility in the design of processing devices using an OCT system. It is thus possible for the components of the optical coherence tomograph, with the exception of a section of the measuring arm fiber leading to the processing beam optics, to be arranged, preferably in a common housing, in an essentially temperature-stable area, in particular outside a welding cell having the processing beam optics.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses zur Materialbearbeitung mittels eines optischen Messstrahls,
wobei ein Bearbeitungsstrahl über eine Bearbeitungsstrahloptik auf ein Werkstück projiziert und/oder fokussiert wird,
wobei die Vorrichtung einen optischen Kohärenztomographen umfasst mit:

  • - einer Lichtquelle zum Erzeugen des Messstrahls,
  • - einer Analyseeinrichtung zum Analysieren eines vom Werkstück reflektierten Teils des Messstrahls,
  • - einer Messstrahloptik,
  • - einem optischen Messarm, in dem der Messstrahl von der Lichtquelle ausgehend über die Messstrahloptik sowie die Bearbeitungsstrahloptik auf das Werkstück projiziert und/oder fokussiert, von diesem zumindest teilweise reflektiert und zur Auswertung zu der Analyseeinrichtung geführt wird, und
  • - einem optischen Referenzarm, der zur Überwachung des Bearbeitungsstrahls mittels des optischen Messstrahls den Messarm zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet und von einem Referenzstrahl durchlaufen wird,

wobei der Referenzarm zumindest teilweise mit einer optischen Referenzarmfaser und der Messarm zumindest teilweise mit einer optischen Messarmfaser ausgebildet sind, in denen jeweils über eine Wegstrecke der Referenzstrahl bzw. der Messstrahl optisch geführt sind, und
wobei dem Referenzarm oder/und dem Messarm eine einstellbare Längenausgleichsvorrichtung zugeordnet ist, um die optisch wirksame Länge des Referenzarms oder/und des Messarms zu verändern.The invention also relates to a method for monitoring a machining process for material machining using an optical measuring beam,
wherein a processing beam is projected and/or focused onto a workpiece via processing beam optics,
wherein the device comprises an optical coherence tomograph with:
  • - a light source for generating the measuring beam,
  • - an analysis device for analyzing a part of the measuring beam reflected by the workpiece,
  • - a measuring beam optics,
  • - an optical measuring arm, in which the measuring beam, starting from the light source, is projected and/or focused onto the workpiece via the measuring beam optics and the processing beam optics, is at least partially reflected by the latter and is guided to the analysis device for evaluation, and
  • - an optical reference arm, which simulates the measuring arm at least in its optical path length for monitoring the processing beam by means of the optical measuring beam and is traversed by a reference beam,

wherein the reference arm is at least partially formed with an optical reference arm fiber and the measuring arm is at least partially formed with an optical measuring arm fiber, in each of which the reference beam and the measuring beam are guided optically over a path, and
an adjustable length compensation device being assigned to the reference arm and/or the measuring arm in order to change the optically effective length of the reference arm and/or the measuring arm.

Bei dem erfindungsgemäße Verfahren kann vorgesehen sein, dass der Messarmfaser oder einem der Messarmfaser nahen Umgebungsbereich oder/und der Referenzarmfaser oder einem der Referenzarmfaser nahen Umgebungsbereich jeweils eine Temperaturmesseinrichtung zugeordnet sind, mit der die aktuelle Temperatur der Messarmfaser oder/und der Referenzarmfaser gemessen wird, wobei die Temperatur der Messarmfaser mit der Temperatur der Referenzarmfaser verglichen wird, und wobei nach Maßgabe eines ermittelten Temperaturunterschieds zwischen der Temperatur der Messarmfaser und der Temperatur der Referenzarmfaser die Längenausgleichsvorrichtung des Referenzarms oder des Messarms angesteuert wird, um die optisch wirksame Länge des Referenzarms der optisch wirksamen Länge des Messarms anzugleichen.In the method according to the invention, it can be provided that the measuring arm fiber or an area close to the measuring arm fiber and/or the reference arm fiber or an area close to the surrounding area of the reference arm fiber is assigned a temperature measuring device, with which the current temperature of the measuring arm fiber and/or the reference arm fiber is measured, wherein the temperature of the measuring arm fiber is compared with the temperature of the reference arm fiber, and in accordance with a determined temperature difference between the temperature of the measuring arm fiber and the temperature of the reference arm fiber, the length compensation device of the reference arm or of the measuring arm is controlled in order to reduce the optically effective length of the reference arm to the optically effective length of the measuring arm.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beiliegenden Figur erläutert. Diese stellt eine schematische Übersicht einer Bearbeitungsvorrichtung zum Schweißen eines Werkstücks dar, bei der mittels eines von dieser separat angeordneten optischen Kohärenztomographen, der mit der Bearbeitungsvorrichtung nur über den Messarm gekoppelt ist, der Schweißvorgang in der Vorrichtung überwacht werden kann.The invention is explained below by way of example with reference to the attached figure. This represents a schematic overview of a processing device for welding a workpiece, in which the welding process in the device can be monitored by means of an optical coherence tomograph arranged separately from the latter and coupled to the processing device only via the measuring arm.

In der Figur ist eine Gesamtanordnung gezeigt, bei der die Erfindung Anwendung findet, und die allgemein mit 10 bezeichnet. Diese umfasst einen Bearbeitungskopf 12, der in einer Laserschweißzelle L angeordnet ist und einen optischen Kohärenztomographen 14, der in einem Schaltschrank S angeordnet ist.The figure shows an overall arrangement in which the invention is applied, and generally designated 10. This comprises a processing head 12 which is arranged in a laser welding cell L and an optical coherence tomograph 14 which is arranged in a control cabinet S.

Der Bearbeitungskopf 12 enthält eine Bearbeitungsstrahloptik 16. Diese weist eine Schnittstelle auf, in die über eine optische Faser ein Laserstrahl 18, im Folgenden Bearbeitungsstrahl 18 genannt, zur Bearbeitung eines Werkstücks W von einer nicht gezeigten Laserstrahlquelle eingekoppelt wird. Der Bearbeitungsstrahl 18 trifft auf einen teildurchlässigen Spiegel 20. Der teildurchlässige Spiegel 20 reflektiert den Bearbeitungsstrahl 18 mit seiner Wellenlänge (1060nm), lässt hingegen einen später im Detail erläuterten Messstrahl 30 mit seiner hiervon abweichenden Wellenlänge (etwa 830nm) hindurch. Dem teildurchlässigen Spiegel 20 ist eine weitere Linse 22 nachgeordnet. Ausgehend von der Linse 22 verlässt der Bearbeitungsstrahl 18 den Bearbeitungskopf 12 und durchläuft eine Wegstrecke bis zum Auftreffen auf das Werkstück W, auf dessen Oberfläche er zur Bearbeitung am Punkt P fokussiert ist.The processing head 12 contains processing beam optics 16. This has an interface into which a laser beam 18, referred to below as processing beam 18, is coupled via an optical fiber for processing a workpiece W from a laser beam source, not shown. The processing beam 18 strikes a partially transparent mirror 20. The partially transparent mirror 20 reflects the processing beam 18 with its wavelength (1060 nm), but lets through a measuring beam 30, explained in detail later, with its different wavelength (about 830 nm). Another lens 22 is arranged downstream of the partially transparent mirror 20 . Starting from the lens 22, the processing beam 18 leaves the processing head 12 and travels a distance until it strikes the workpiece W, on the surface of which it is focused at the point P for processing.

Der Bearbeitungskopf 12 weist eine weitere Schnittstelle auf, über die der vorstehend bereits erwähnte Messstrahl 30 über eine Kollimationslinse 32 einkoppelbar ist. Der Messstrahl 30 geht von dem optischen Kohärenztomographen 14 aus, wie im Folgenden noch detaillierter beschrieben werden wird. Der Messstrahl 30 wird über den teildurchlässigen Spiegel 20 in den Bearbeitungsstrahl 18 eingekoppelt und durchläuft zusammen mit diesem die weitere Bearbeitungsstrahloptik des Bearbeitungskopfes 12, trifft auf den Punkt P und wird dort zumindest teilweise reflektiert.The processing head 12 has a further interface via which the measuring beam 30 already mentioned above can be coupled in via a collimation lens 32 . The measuring beam 30 emanates from the optical coherence tomograph 14, as will be described in more detail below. The measuring beam 30 is coupled into the processing beam 18 via the partially transparent mirror 20 and, together with this, passes through the further processing beam optics of the processing head 12, hits the point P and is at least partially reflected there.

Im Folgenden wird der optische Kohärenztomograph (OCT) 14 näher beschrieben. Der optische Kohärenztomograph 14 umfasst eine Lichtquelle 34, beispielsweise in Form einer Superluminezenzdiode (SLD), die Licht im Bereich einer Wellenlänge von 830 nm aussendet. Über einen Lichtleiter 36 wird dieses Licht in ein Interferometer (Strahlteiler) 38 geleitet, über das das Licht im Beispielsfall zu etwa 50 % in einen optischen Leiter 40 (Messarm) geführt wird und zu etwa 50 % in einen optischen Leiter 42 (Referenzarm) geführt wird. Es sind auch andere Leistungsteilungen möglich, beispielsweise 80 % zu 20 %. Der optische Leiter 42 des Referenzarms ist verhältnismäßig lang ausgebildet und zur Einsparung von Bauraum auf einen Wickelkörper 44 aufgewickelt. Im Bereich des Wickelkörpers 44 ist ein Temperaturfühler 46 angeordnet, der über eine Steuerleitung 48 mit einer elektronischen Steuereinheit 50 verbunden ist und mit dem die aktuelle Temperatur des optischen Leiters 42 des Referenzarms ermittelt werden kann.The optical coherence tomograph (OCT) 14 is described in more detail below. The optical coherence tomograph 14 includes a light source 34, for example in the form of a superluminescent diode (SLD) which emits light in the wavelength range of 830 nm. This light is conducted via a light guide 36 into an interferometer (beam splitter) 38, via which the light in the example is guided approximately 50% into an optical conductor 40 (measuring arm) and approximately 50% into an optical conductor 42 (reference arm). becomes. Other power divisions are also possible, for example 80% to 20%. The optical conductor 42 of the reference arm is designed to be relatively long and wound onto a winding body 44 to save installation space. A temperature sensor 46 is arranged in the area of the winding body 44, which is connected via a control line 48 to an electronic control unit 50 and with which the current temperature of the optical conductor 42 of the reference arm can be determined.

Über den optischen Leiter 42, der auch als Referenzarmfaser bezeichnet werden kann, wird das Licht einer Längenausgleichsvorrichtung 52 zugeführt. Diese umfasst zwei Kollimationslinsen 54, 56 sowie einen Spiegel 58, der über einen Motor 60 gemäß dem Pfeil 62 verlagerbar ist. Der Motor 60 wird über die elektronische Steuereinheit 50 angesteuert.The light is fed to a length compensation device 52 via the optical conductor 42, which can also be referred to as a reference arm fiber. This comprises two collimating lenses 54, 56 and a mirror 58 which can be displaced according to arrow 62 via a motor 60. Motor 60 is controlled via electronic control unit 50 .

Ferner umfasst der optische Kohärenztomograph 14 ein Spektrometer 64, das mit einer Recheneinheit 66 signaltechnisch über eine Leitung 67 verbunden ist. Das Spektrometer 64 ist über einen optischen Leiter 68 mit dem Interferometer 38 verbunden.Furthermore, the optical coherence tomograph 14 includes a spectrometer 64 which is connected to a processing unit 66 via a line 67 in terms of signals. The spectrometer 64 is connected to the interferometer 38 via an optical conductor 68 .

Der optische Leiter 40 bildet einen Teil des Messarms und wird als Messarmfaser bezeichnet. Dieser erstreckt sich ausgehend von dem Interferometer 38 zunächst im Schaltschrank S, verlässt diesen an der Schnittstelle 72 und verläuft über einen verhältnismäßig langen Abschnitt hin zu der Laserschweißzelle L. Die verhältnismäßig große Länge ist schematisch durch die Unterbrechung 74 angedeutet. Der optische Leiter 40 führt das Licht des Messstrahls 30. Erfindungsgemäß ist es möglich, dass eine mit der Schnittstelle 72 vergleichbare Schnittstelle 75 der Messarmfaser 40 nahe ihrem anderen Ende in der Nähe des Bearbeitungskopfs 12 an der Laserschweißzelle L vorgesehen ist.The optical guide 40 forms part of the probe arm and is referred to as probe arm fiber. Starting from the interferometer 38, this initially extends in the switch cabinet S, leaves it at the interface 72 and runs over a relatively long section to the laser welding cell L. The relatively large length is indicated schematically by the interruption 74. The optical conductor 40 guides the light of the measuring beam 30. According to the invention, it is possible for an interface 75 of the measuring arm fiber 40 that is comparable to the interface 72 to be provided near its other end near the processing head 12 on the laser welding cell L.

Ferner erkennt man, dass mit der Steuereinheit 50 eine elektrische Leitung 76 verbunden ist, beispielsweise eine zwei-adrige Kupferleitung. Diese erstreckt sich in dem Bereich, in dem die Messarmfaser 40 den Schaltschrank S verlässt, in unmittelbarer räumlicher Nähe parallel zu der Messarmfaser 40 bis hin zur Schweißzelle L, in diese hinein bis an die Stelle E, an der der Messstrahl in den Bearbeitungskopf 12 eingekoppelt wird. Wie schematisch angedeutet, sind die Messarmfaser 40 und die elektrische Leitung 76 über eine gemeinsame Ummantelung 78 miteinander verbunden. Die Ummantelung 78 ist beispielsweise von einem Schutzschlauch oder dergleichen gebildet. Dies hat zur Folge, dass die Messarmfaser 40 und die elektrische Leitung 76 zu einer Einheit zusammengefasst und thermisch miteinander gekoppelt sind.It can also be seen that an electrical line 76 is connected to the control unit 50, for example a two-wire copper line. This extends in the area in which the measuring arm fiber 40 leaves the control cabinet S, in the immediate spatial vicinity parallel to the measuring arm fiber 40 up to the welding cell L, into this up to the point E at which the measuring beam is coupled into the processing head 12 becomes. As indicated schematically, the measuring arm fiber 40 and the electrical line 76 are connected to one another via a common sheath 78 . The casing 78 is formed, for example, by a protective hose or the like. The consequence of this is that the measuring arm fiber 40 and the electrical line 76 are combined into one unit and thermally coupled to one another.

Die elektrische Leitung 76 ist über einen Sensor 79 und über ein EEPROM 80 an die Steuereinheit 50 angeschlossen. Der Sensor 79 erfasst den aktuellen elektrischen Widerstand der elektrischen Leitung 76. Das EPROM 80 dient dazu, spezifische Daten bezüglich des elektrischen Kabels 76 sowie der Messarmfaser 40 zu speichern, beispielsweise die Seriennummer der Messarmfaser 40, den Längen-zu-Temperaturkoeffizient der Faser (mm/K), den Widerstandswert des Temperaturmeßkabels 76 bei 20 °C, die Grundlänge der Messarmfaser 40 etc., die bei einer Grundkalibrierung gespeichert werden. Der Sensor 79 und EEPROM 80 sind also über die elektrische Leitung 76 und die Ummantelung 78 fest mit der Messarmfaser 40 verbunden, sodass ein einfacher Austausch der gesamten Einheit möglich ist. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Austausch keine Grundkalibrierung mehr vorgenommen werden muss, da bereits alle Daten einer Einheit aus Messarmfaser 40 und elektrischer Leitung 76 im EEPROM gespeichert sind. Der Sensor 79 und das EEPROM 80 können auch an der Schnittstelle 72 vorgesehen sein, sodass eine Einheit gebildet wird, die einen Austausch des von dem Schaltschrank S ausgehenden und zur Laserschweißzelle L verlaufenden Teils des Messarms durch Lösen der Schnittstelle 72 ermöglicht. Ferner muss die elektrische Leitung 76 nicht zwingend bis zur Stelle E verlaufen, sondern kann auch bereits vorher enden. Beispielsweise an der Schnittstelle 75.The electrical line 76 is connected to the control unit 50 via a sensor 79 and via an EEPROM 80 . The sensor 79 detects the current electrical resistance of the electrical line 76. The EPROM 80 serves to store specific data relating to the electrical cable 76 as well as the measuring arm fiber 40, for example the serial number of the measuring arm fiber 40, the length-to-temperature coefficient of the fiber (mm /K), the resistance value of the temperature measuring cable 76 at 20 °C, the basic length of the measuring arm fiber 40 etc., which are saved during a basic calibration. The sensor 79 and EEPROM 80 are therefore firmly connected to the measuring arm fiber 40 via the electrical line 76 and the sheathing 78, so that the entire unit can be easily replaced. This has the advantage that a basic calibration no longer needs to be carried out in the event of an exchange, since all the data for a unit made up of measuring arm fiber 40 and electrical line 76 are already stored in the EEPROM. The sensor 79 and the EEPROM 80 can also be provided at the interface 72 so that a unit is formed which enables the part of the measuring arm extending from the switch cabinet S and running to the laser welding cell L to be replaced by releasing the interface 72 . Furthermore, the electrical line 76 does not necessarily have to run as far as point E, but can also end earlier. For example at interface 75.

Als Kabelmaterial kann ein beliebiges elektrisch leitendes Material, zum Beispiel auch ein Nickel-200-Draht verwendet werden, der ein genormtes Widerstands-zu-Temperaturverhalten hat.Any electrically conductive material can be used as the cable material, for example also a nickel 200 wire, which has a standardized resistance-to-temperature behavior.

Die Überwachung des Bearbeitungsstrahls 18 mittels des Messstrahls 30, insbesondere die Erfassung von exakten Positionsinformationen des aktuellen Auftreffpunktes P auf dem Werkstück W in allen drei Raumachsen X, Y, Z, erfolgt in bekannter Weise dadurch, dass der Messstrahl 30 zumindest anteilig an dem aktuellen Auftreffpunkt P reflektiert wird und durch die Bearbeitungsstrahloptik des Bearbeitungskopfes 12 sowie durch die OCT-Optik hindurch zurückgeworfen wird. Zur Erfassung eines dreidimensionalen Abbilds der Oberfläche im Bereich der Bearbeitungsstelle P kann auch ein Scanner im Messstrahl vorgesehen sein, der in der Darstellung nicht gezeigt ist. Der reflektierte Teil des Messstrahls 30 wird dann über den Lichtleiter 40, das Interferometer 38, den Lichtleiter 68 dem Spektrometer 64 zugeführt. Dabei wird der optische Weg des Messstrahls ausgehend von dem Interferometer 38 bis hin zum aktuellen Auftreffpunkt P auf dem Werkstück W als der Messarm bezeichnet. Dieser Messarm setzt sich also zusammen aus dem Lichtleiter 40, dem optischen Weg, den der Strahlengang des Messstrahls in der Bearbeitungsstrahloptik des Bearbeitungskopf des 12 zurücklegt, sowie dem weiteren optischen Weg, bis der Messstrahl 30 auf das Werkstück W trifft. Das Licht durchläuft den Messarm in beiden Richtungen, also zweifach.The monitoring of the processing beam 18 by means of the measuring beam 30, in particular the acquisition of exact position information of the current point of impact P on the workpiece W in all three spatial axes X, Y, Z, takes place in a known manner in that the measuring beam 30 is at least partially at the current point of impact P is reflected and thrown back through the processing beam optics of the processing head 12 and through the OCT optics. To capture a three-dimensional image of the surface in the area of the processing point P, a scanner can also be provided in the measuring beam, which is not shown in the illustration. The reflected part of the measuring beam 30 is then fed to the spectrometer 64 via the light guide 40, the interferometer 38, the light guide 68. In this case, the optical path of the measuring beam, starting from the interferometer 38 up to the current impact point P on the workpiece W, is referred to as the measuring arm. This measuring arm is composed of the light guide 40, the optical path covered by the beam path of the measuring beam in the processing beam optics of the processing head 12, and the further optical path until the measuring beam 30 hits the workpiece W. The light passes through the measuring arm in both directions, i.e. twice.

Zur Überwachung des Bearbeitungsstrahls 18 mittels des Messstrahls 30 ist es ferner erforderlich, im Beispielsfall den Anteil von etwa 50 % des von der Lichtquelle 34 ausgesandten Lichtes, der von dem Interferometer 38 in den Lichtleiter 40 geleitet wird, durch den Referenzarm zu leiten. Der Referenzarm muss zum Zwecke einer exakten Messung die optischen Weglänge des Messarms möglichst exakt nachbilden.In order to monitor the processing beam 18 using the measuring beam 30, it is also necessary, in the example, to direct approximately 50% of the light emitted by the light source 34, which is guided by the interferometer 38 into the light guide 40, through the reference arm. For the purpose of an exact measurement, the reference arm must reproduce the optical path length of the measuring arm as exactly as possible.

Der Referenzarm umfasst den Lichtleiter 42, der ausgehend vom Interferometer 38 zu dem Wickelkörper 44 verläuft, dort aufgewickelt ist, und sich dann weiter zu der Längenausgleichsvorrichtung 52 erstreckt. Ferner umfasst der Referenzarm den nach Maßgabe der Stellung des Spiegels 58 variablen optischen Weg innerhalb der Längenausgleichsvorrichtung 52. Auch diese Komponenten werden vom eingekoppelten Licht ebenso wie im Falle des Messarms zweifach durchlaufen, d. h in beide Richtungen.The reference arm includes the light guide 42, which runs from the interferometer 38 to the winding body 44, is wound up there, and then extends further to the length compensation device 52. Furthermore, the reference arm comprises the optical path within the length compensation device 52, which is variable according to the position of the mirror 58. h in both directions.

Es hat sich nun gezeigt, dass in der Praxis oftmals unterschiedliche Temperaturverhältnisse am Messarm und am Referenzarm vorliegen, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass die Messarmfaser über einen relativ langen Abschnitt zum Bearbeitungskopf hin geführt wird und im Bereich am Bearbeitungskopf in der Laserschweißzelle in Betriebsphasen relativ hohe Temperaturen herrschen. Der Referenzarm befindet sich hingegen im Schaltschrank S, der über eine Klimatisierung 82 zusätzlich klimatisiert sein kann. Diese unterschiedlichen Temperaturverhältnisse, insbesondere betragsmäßig großen Temperaturschwankungen im Bereich des Messarms, führen zu unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen in der Messarmfaser 40 und in der Referenzarmfaser 42. Dadurch ändern sich aber die Längen der durchlaufenen optischen Wege, sodass das Messergebnis des optischen Kohärenztomographen 14 im Hinblick auf die Bearbeitungstiefe am Auftreffpunkt P ungenau oder sogar unbrauchbar werden kann. Um diesem Problem zu begegnen, wird in der Steuereinheit 50 einerseits die thermische Ausdehnung der Referenzarmfaser 42 anhand der über den Temperaturfühler 46 ermittelten Temperatur und andererseits die thermische Ausdehnung der Messarmfaser 40 anhand der über das elektrische Kabel 76 ermittelten Widerstandswerte dieses Kabels, und daraus rückschließend anhand der Temperatur an der Messarmfaser 40 bestimmt. Mit anderen Worten werden also Temperaturunterschiede zwischen der Temperatur der Referenzarmfaser 42 und der Messarmfaser 40 ermittelt. Daraus lässt sich auf unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen der Messarmfaser 40 und der Referenzarmfaser 42 schließen. Diese unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen werden dann durch gezieltes Ansteuern des Motors 60 und einer daraus resultierenden Verstellung der Lage des des Spiegels 58 derart ausgeglichen, dass die Längenausgleichsvorrichtung 52 die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der Referenzarmfaser 42 und der Messarmfaser 40 kompensiert, sodass die optische Länge des Referenzarms unter Berücksichtigung der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen exakt der optischen Länge des Messarms nachgebildet werden kann.It has now been shown that in practice there are often different temperature conditions on the measuring arm and on the reference arm, in particular due to the fact that the measuring arm fiber is guided over a relatively long section to the processing head and is relatively high in the area on the processing head in the laser welding cell during operating phases temperatures prevail. The reference arm, on the other hand, is located in the control cabinet S, which can also be air-conditioned via an air-conditioning system 82 . These different temperature conditions, in particular large temperature fluctuations in terms of amount in the area of the measuring arm, lead to different thermal expansions in the measuring arm fiber 40 and in the reference arm fiber 42. However, this changes the lengths of the optical paths passed through, so that the measurement result of the optical coherence tomograph 14 with regard to the Processing depth at the point of impact P can be imprecise or even unusable. In order to counteract this problem, the thermal expansion of the reference arm fiber 42 is measured in the control unit 50 using the temperature determined via the temperature sensor 46, and the thermal expansion of the measuring arm fiber 40 is measured using the resistance values of this cable determined via the electrical cable 76, and inferred from this using the temperature at the measuring arm fiber 40 is determined. In other words, temperature differences between the temperature of the reference arm fiber 42 and the measuring arm fiber 40 are determined. From this, different thermal expansions between the measuring arm fiber 40 and the reference arm fiber 42 can be inferred. These different thermal expansions are then compensated for by targeted control of motor 60 and a resulting adjustment of the position of mirror 58 in such a way that length compensation device 52 compensates for the different thermal expansions of reference arm fiber 42 and measuring arm fiber 40, so that the optical length of the reference arm is below Consideration of the different thermal expansions can be reproduced exactly to the optical length of the measuring arm.

Die Erfindung sieht also eine technisch einfache Möglichkeit zum Ausgleichen thermisch bedingter Längenunterschiede zwischen Messarm und Referenzarm vor.The invention thus provides a technically simple way of compensating for thermally induced differences in length between the measuring arm and the reference arm.

Claims (12)

Vorrichtung (10) zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses zur Materialbearbeitung mittels eines optischen Messstrahls (30), wobei ein Bearbeitungsstrahl (18) über eine Bearbeitungsstrahloptik (16) auf ein Werkstück (W) projizierbar und/oder fokussierbar ist, wobei die Vorrichtung (10) einen optischen Kohärenztomographen (14) umfasst mit: - einer Lichtquelle (34) zum Erzeugen des Messstrahls (30), - einer Analyseeinrichtung (64) zum Analysieren eines vom Werkstück (W) reflektierten Teils des Messstrahls (30), - einer Messstrahloptik (32), - einem optischen Messarm, in dem der Messstrahl (30) von der Lichtquelle (34) ausgehend über die Messstrahloptik (32) sowie die Bearbeitungsstrahloptik (16) auf das Werkstück (W) projiziert und/oder fokussiert, von diesem zumindest teilweise reflektiert und zur Auswertung zu der Analyseeinrichtung (64) geführt wird, und - einem optischen Referenzarm, der zu Überwachung des Bearbeitungsstrahls (18) mittels des optischen Messstrahls (30) den Messarm zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet und von einem Referenzstrahl durchlaufen wird, wobei der Referenzarm zumindest teilweise mit einer optischen Referenzarmfaser (42) und der Messarm zumindest teilweise mit einer optischen Messarmfaser (40) ausgebildet sind, in denen jeweils über eine Wegstrecke der Referenzstrahl bzw. der Messstrahl optisch geführt sind, und wobei dem Referenzarm oder/und dem Messarm eine einstellbare Längenausgleichsvorrichtung (52) zugeordnet ist, um die optisch wirksame Länge des Referenzarms oder/und des Messarms zu verändern, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Messarmfaser (40) oder einem der Messarmfaser (40) nahen Umgebungsbereich und der Referenzarmfaser (42) oder einem der Referenzarmfaser (42) nahen Umgebungsbereich jeweils eine Temperaturmesseinrichtung (46, 76) zum Messen der aktuellen Temperatur der Messarmfaser (40) und der Referenzarmfaser (42) zugeordnet ist, oder b) der Messarmfaser (40) oder einem der Messarmfaser (40) nahen Umgebungsbereich eine Temperaturmesseinrichtung (76) zum Messen der aktuellen Temperatur der Messarmfaser (40) zugeordnet ist und die Temperatur der Referenzarmfaser (42) als konstant angenommen wird, wobei nach Maßgabe eines Temperaturunterschieds zwischen der Temperatur der Messarmfaser (40) und der Temperatur der Referenzarmfaser (42) die Längenausgleichsvorrichtung (52) des Referenzarms oder/und des Messarms ansteuerbar ist.Device (10) for monitoring a machining process for material processing by means of an optical measuring beam (30), wherein a machining beam (18) can be projected and/or focused onto a workpiece (W) via a machining beam optics (16), the device (10) having a Optical coherence tomograph (14) comprising: - a light source (34) for generating the measuring beam (30), - an analysis device (64) for analyzing a part of the measuring beam (30) reflected by the workpiece (W), - measuring beam optics (32) , - an optical measuring arm in which the measuring beam (30) is projected and/or focused from the light source (34) via the measuring beam optics (32) and the processing beam optics (16) onto the workpiece (W), at least partially reflected by it and is guided to the analysis device (64) for evaluation, and - an optical reference arm which, for monitoring the processing beam (18) by means of the optical measuring beam (30), moves the measuring arm z simulated at least in terms of its optical path length and is traversed by a reference beam, the reference arm being at least partially formed with an optical reference arm fiber (42) and the measuring arm being at least partially formed with an optical measuring arm fiber (40), in each of which the reference beam or the measuring beam is optically guided, and an adjustable length compensation device (52) is assigned to the reference arm and/or the measuring arm in order to change the optically effective length of the reference arm and/or the measuring arm, characterized in that a) the measuring arm fiber (40) or a temperature measuring device (46, 76) for measuring the current temperature of the measuring arm fiber (40) and the reference arm fiber (42) is assigned to a surrounding area close to the measuring arm fiber (40) and to the reference arm fiber (42) or to a surrounding area close to the reference arm fiber (42). , or b) the measuring arm fiber (40) or an area close to the measuring arm fiber (40). area is assigned a temperature measuring device (76) for measuring the current temperature of the measuring arm fiber (40) and the temperature of the reference arm fiber (42) is assumed to be constant, with a temperature difference between the temperature of the measuring arm fiber (40) and the temperature of the reference arm fiber ( 42) the length compensation device (52) of the reference arm and/or the measuring arm can be controlled. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtung (46, 76) der Messarmfaser (40) oder/und der Referenzarmfaser (42) von einem Temperatursensor, insbesondere einem NTC-Sensor gebildet ist.Device (10) after claim 1 , characterized in that the temperature measuring device (46, 76) of the measuring arm fiber (40) and/or the reference arm fiber (42) is formed by a temperature sensor, in particular an NTC sensor. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtung (46, 76) der Messarmfaser (40) oder/und der Referenzarmfaser (42) ein elektrisch leitendes Kabel (76) aufweist, das zumindest abschnittsweise entlang der Messarmfaser (40) oder/und der Referenzarmfaser (42) geführt ist, wobei dem Kabel eine Widerstandsmesseinrichtung zugeordnet ist, wobei nach Maßgabe des ermittelten Widerstands die Temperatur der Messarmfaser (40) bzw. der Referenzarmfaser (42) ermittelt wird.Device (10) after claim 1 or 2 , characterized in that the temperature measuring device (46, 76) of the measuring arm fiber (40) and/or the reference arm fiber (42) has an electrically conductive cable (76) which runs at least in sections along the measuring arm fiber (40) and/or the reference arm fiber (42 ) is guided, with the cable being assigned a resistance measuring device, the temperature of the measuring arm fiber (40) or the reference arm fiber (42) being determined in accordance with the resistance determined. Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Kabel (76) entlang des Messarms in einem Abschnitt zwischen einem Gehäuse (S) des optischen Kohärenztomographen (14) und einem Gehäuse der Bearbeitungsstrahloptik (12) angeordnet ist.Device (10) after claim 3 , characterized in that the electrically conductive cable (76) is arranged along the measuring arm in a section between a housing (S) of the optical coherence tomograph (14) and a housing of the processing beam optics (12). Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Kabel (76) von einem zwei-adrigen Kabel, vorzugsweise aus Kupfer oder Nickel 200, gebildet ist, dessen beiden Adern an einem Ende, vorzugsweise an einer Steuerung (50) des optischen Kohärenztomographen (14), mit einem Widerstandssensor (79), oder/und einem EEPROM (80) gekoppelt sind, und an ihrem entgegengesetzten Ende, vorzugsweise nahe der Bearbeitungsstrahloptik (12), kurzgeschlossen sind.Device (10) after claim 4 , characterized in that the electrically conductive cable (76) is formed by a two-wire cable, preferably made of copper or nickel 200, the two wires of which are connected at one end, preferably to a controller (50) of the optical coherence tomograph (14), coupled to a resistance sensor (79), or/and an EEPROM (80), and short-circuited at its opposite end, preferably near the machining beam optics (12). Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Kabel (76) und die diesem zugeordnete Messarmfaser (40) oder/und die Referenzarmfaser (42) jeweils gemeinsam in einem Schutzschlauch (78) zusammengefasst sind.Device (10) according to one of claims 3 until 5 , characterized in that the electrically conductive cable (76) and the measurement arm fiber (40) assigned thereto and/or the reference arm fiber (42) are each combined together in a protective hose (78). Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzschlauch (78) von einem Metallwickelschlauch oder/und einem Schrumpfschlauch oder/und einer sonstigen Schutzschlauchanordnung gebildet ist.Device (10) after claim 6 , characterized in that the protective tube (78) is formed by a metal coil tube and/or a shrink tube and/or some other protective tube arrangement. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenausgleichsvorrichtung (52) die optisch wirksame Länge des Referenzarms nach Maßgabe einer temperaturbedingten Veränderung der Länge der Messarmfaser (40) einstellt.Device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the length compensation device (52) adjusts the optically effective length of the reference arm in accordance with a temperature-related change in the length of the measuring arm fiber (40). Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenausgleichsvorrichtung (52) motorisch oder piezo-elektrisch antreibbar ist.Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the length compensation device (52) can be driven by a motor or piezoelectrically. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenausgleichsvorrichtung (52) wenigstens einen bewegbaren Spiegel (58), oder/und ein bewegbares Prisma zum Verlängern oder Verkürzen des Strahlengangs des Referenzstrahls aufweist.Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the length compensation device (52) has at least one movable mirror (58) and/or a movable prism for lengthening or shortening the optical path of the reference beam. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des optischen Kohärenztomographen (14) mit Ausnahme eines zur Bearbeitungsstrahloptik führenden Abschnitts der Messarmfaser (40), vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse (S), in einem im wesentlichen temperaturstabilen Bereich, insbesondere außerhalb einer die Bearbeitungsstrahloptik aufweisenden Schweißzelle (L), angeordnet sind.Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the components of the optical coherence tomograph (14), with the exception of a section of the measuring arm fiber (40) leading to the processing beam optics, preferably in a common housing (S), in an essentially temperature-stable area , in particular outside of a welding cell (L) having the processing beam optics. Verfahren zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses zur Materialbearbeitung mittels eines optischen Messstrahls (30), wobei ein Bearbeitungsstrahl (18) über eine Bearbeitungsstrahloptik (22) auf ein Werkstück (W) projiziert und/oder fokussiert wird, wobei eine hierfür vorgesehene Vorrichtung (10) insbesondere einen optischen Kohärenztomographen (14) umfasst mit: - einer Lichtquelle (34) zum Erzeugen des Messstrahls (30), - einer Analyseeinrichtung (34) zum Analysieren eines vom Werkstück (W) reflektierten Teils des Messstrahls (30), - einer Messstrahloptik (32), - einem optischen Messarm, in dem der Messstrahl (30) von der Lichtquelle (34) ausgehend über die Messstrahloptik (32) sowie die Bearbeitungsstrahloptik (12) auf das Werkstück (W) projiziert und/oder fokussiert, von diesem zumindest teilweise reflektiert und zur Auswertung zu der Analyseeinrichtung (64) geführt wird, und - einem optischen Referenzarm, der zur Überwachung des Bearbeitungsstrahls (18) mittels des optischen Messstrahls (30) den Messarm zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet und von einem Referenzstrahl durchlaufen wird, wobei der Referenzarm zumindest teilweise mit einer optischen Referenzarmfaser (42) und der Messarm zumindest teilweise mit einer optischen Messarmfaser (40) ausgebildet sind, in denen jeweils über eine Wegstrecke der Referenzstrahl bzw. der Messstrahl optisch geführt sind, und wobei dem Referenzarm oder/und dem Messarm eine einstellbare Längenausgleichsvorrichtung (52) zugeordnet ist, um die optisch wirksame Länge des Referenzarms oder/und des Messarms zu verändern, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Messarmfaser (40) oder einem der Messarmfaser (40) nahen Umgebungsbereich und der Referenzarmfaser (42) oder einem der Referenzarmfaser (42) nahen Umgebungsbereich jeweils eine Temperaturmesseinrichtung (46, 76) zugeordnet ist, mit der die aktuelle Temperatur der Messarmfaser (40) und der Referenzarmfaser (42) gemessen wird, oder b) der Messarmfaser (40) oder einem der Messarmfaser (40) nahen Umgebungsbereich eine Temperaturmesseinrichtung (76) zum Messen der aktuellen Temperatur der Messarmfaser (40) zugeordnet ist und die Temperatur der Referenzarmfaser (42) als konstant angenommen wird, wobei die Temperatur der Messarmfaser (40) mit der Temperatur der Referenzarmfaser (42) verglichen wird, wobei nach Maßgabe eines ermittelten Temperaturunterschieds zwischen der Temperatur der Messarmfaser (40) und der Temperatur der Referenzarmfaser (42) die Längenausgleichsvorrichtung (52) des Referenzarms oder/und des Messarms angesteuert wird, um die optisch wirksame Länge des Referenzarms der optisch wirksamen Länge des Messarms anzugleichen.Method for monitoring a machining process for material machining by means of an optical measuring beam (30), a machining beam (18) being projected and/or focused onto a workpiece (W) via a machining beam optics (22), a device (10) provided for this purpose having in particular a Optical coherence tomograph (14) comprising: - a light source (34) for generating the measuring beam (30), - an analysis device (34) for analyzing a part of the measuring beam (30) reflected by the workpiece (W), - measuring beam optics (32) , - an optical measuring arm, in which the measuring beam (30) is projected and/or focused from the light source (34) via the measuring beam optics (32) and the processing beam optics (12) onto the workpiece (W), at least partially reflected by it and is guided to the analysis device (64) for evaluation, and - an optical reference arm, which is used to monitor the processing beam (18) by means of the optical measurement beam (30) simulates the measuring arm at least in terms of its optical path length and is traversed by a reference beam, the reference arm being at least partially formed with an optical reference arm fiber (42) and the measuring arm being at least partially formed with an optical measuring arm fiber (40), in each of which via a distance of the reference beam or the measuring beam is guided optically, and wherein the reference arm and/or the measuring arm is assigned an adjustable length compensation device (52) in order to change the optically effective length of the reference arm and/or the measuring arm, characterized in that a ) a temperature measuring device (46, 76) is assigned to the measuring arm fiber (40) or to an area close to the measuring arm fiber (40) and to the reference arm fiber (42) or to an area close to the surrounding area of the reference arm fiber (42), with which the current temperature of the measuring arm fiber (40 ) and the reference arm fiber (42) is measured, or b) the measuring arm fiber (40) or a de A temperature measuring device (76) for measuring the current temperature of the measuring arm fiber (40) is assigned to the near surrounding area of the measuring arm fiber (40) and the temperature of the reference arm fiber (42) is assumed to be constant, with the temperature of the measuring arm fiber (40) corresponding to the temperature of the reference arm fiber (42) is compared, with the length compensation device (52) of the reference arm and/or the measuring arm being controlled in accordance with a determined temperature difference between the temperature of the measuring arm fiber (40) and the temperature of the reference arm fiber (42) in order to adjust the optically effective length of the reference arm to match the optically effective length of the measuring arm.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019001858B3 (en) 2019-03-14 2020-07-30 Lessmüller Lasertechnik GmbH Measuring device for a machining system, machining system and method for monitoring machining of a workpiece
DE102019002942B4 (en) * 2019-04-24 2023-08-03 Lessmüller Lasertechnik GmbH Measuring device and method for performing optical coherence tomography with a coherence tomograph
WO2022117207A1 (en) 2020-12-04 2022-06-09 Lessmueller Lasertechnik Gmbh Method, device and machining system for monitoring a process for machining a workpiece by means of a high-energy machining beam

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010016862B3 (en) 2010-05-10 2011-09-22 Precitec Optronik Gmbh Material processing device with in-situ measurement of the machining distance
EP1977850B1 (en) 2007-04-05 2013-04-10 Precitec Optronik GmbH Processing device for material processing
US8822875B2 (en) 2010-09-25 2014-09-02 Queen's University At Kingston Methods and systems for coherent imaging and feedback control for modification of materials
WO2014138939A1 (en) 2013-03-13 2014-09-18 Queen's University At Kingston Methods and systems for characterizing laser machining properties by measuring keyhole dynamics using interferometry
DE102013008269A1 (en) 2013-05-15 2014-11-20 Precitec Optronik Gmbh Processing head for a laser processing device
DE102014216829A1 (en) 2014-08-25 2016-02-25 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Apparatus and method for temperature-compensated interferometric distance measurement in the laser machining of workpieces
DE102015015112A1 (en) 2015-11-23 2017-05-24 Lessmüller Lasertechnik GmbH Apparatus and method for monitoring a machining process for material processing by means of an optical reference beam to compensate for dispersion effects

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1977850B1 (en) 2007-04-05 2013-04-10 Precitec Optronik GmbH Processing device for material processing
DE102010016862B3 (en) 2010-05-10 2011-09-22 Precitec Optronik Gmbh Material processing device with in-situ measurement of the machining distance
US8822875B2 (en) 2010-09-25 2014-09-02 Queen's University At Kingston Methods and systems for coherent imaging and feedback control for modification of materials
WO2014138939A1 (en) 2013-03-13 2014-09-18 Queen's University At Kingston Methods and systems for characterizing laser machining properties by measuring keyhole dynamics using interferometry
DE102013008269A1 (en) 2013-05-15 2014-11-20 Precitec Optronik Gmbh Processing head for a laser processing device
DE102014216829A1 (en) 2014-08-25 2016-02-25 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Apparatus and method for temperature-compensated interferometric distance measurement in the laser machining of workpieces
DE102015015112A1 (en) 2015-11-23 2017-05-24 Lessmüller Lasertechnik GmbH Apparatus and method for monitoring a machining process for material processing by means of an optical reference beam to compensate for dispersion effects

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Dupriez, N. D.; Truckenbrodt, C. : OCT for Efficient High Quality Laser Welding. Laser Technik Journal, Vol. 13, Nr. 3 (2016). S. 37–41. doi:10.1002/latj.201600020

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