DE102017115922B4

DE102017115922B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Einstellung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf und einem Werkstück sowie dazugehöriges Verfahren zur Regelung

Info

Publication number: DE102017115922B4
Application number: DE102017115922.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Kogel-Hollacher; Matthias Strebel; Axel Hatwig; Andreas Rudolf
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2037-07-15
Also published as: US11090760B2; CN110914013A; CN110914013B; DE102017115922A1; DE102017115922C5; EP3651931A1; US20190015931A1; WO2019011775A1

Abstract

Verfahren zur Messung und Einstellung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf (10) und einem Werkstück (14), bei dem- Licht von einer Messlichtquelle in einen Messlichtstrahl (28) und einen Referenzlichtstrahl aufgespalten wird, der in einen Referenzarm (22) eingekoppelt wird,- der Messlichtstrahl (28) in einen Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt und von einer Fokussierlinse (38) des Bearbeitungsstrahlengangs auf eine Werkstückoberfläche gebündelt oder fokussiert wird,- der an der Werkstückoberfläche reflektierte Messlichtstrahl (28) dem zurückreflektierten Referenzlichtstrahl aus dem Referenzarm überlagert wird, und- eine Mess- und Auswerteeinheit (16) die in den überlagerten Mess- und Referenzlichtstrahlen enthaltene Information über den Wegunterschied zwischen Mess- und Referenzarm auswertet, um Information über den Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück zu erhalten und ein entsprechendes Stell signal zu erzeugen, und- der Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück auf Basis des Stellsignals eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Messlichtstrahl (28) so in eine Wechselwirkungszone zwischen einem Bearbeitungsstrahl (32) und dem Werkstück (14) gebündelt wird, dass ein Messlichtfleck auf der Werkstückoberfläche einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Fokus des Bearbeitungsstrahls (38) auf der Werkstückoberfläche.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Einstellung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf und einem Werkstück sowie dazugehöriges Verfahren zur Regelung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abstands- bzw. Fokuslagenmessung und -regelung eines Bearbeitungskopfes bzw. Laserstrahls bei der Laserbearbeitung, insbesondere beim Schneiden, Schweißen, Bohren oder Abtragen mittels Laserstrahlen.
Die standardmäßige technische Lösung zur Abstandsmessung und/oder Regelung z.B. beim Laserschneiden ist die Verwendung einer kapazitiven Messung, also der Messung der Kapazität zwischen einer isolierten Kupferdüse und einer metallischen Werkstückoberfläche. Jegliche Kontamination der Kupferspitze, wie z.B. Spritzer, ändert die Oberfläche der Kupferdüse und damit die Kapazität des von Kupferdüse und Werkstück gebildeten Kondensators. Da diese Änderung abstandsunabhängig erfolgt, wird der Regelkreis zu Abstandsregelung gestört, was zu einer ungenauen Regelung des Abstands zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück führt.
Nicht metallische Oberflächen sind mit kapazitiven Verfahren praktisch nicht zuverlässig zu erfassen und damit ist mit dieser Technik keine präzise Abstandregelung möglich.
Beim Laserschweißen werden üblicher Weise kamerabasierte Triangulationssensoren zur Abstandregelung eingesetzt. Bei hohem Spritzeraufkommen während des Schweißprozesses sind auch die kamerabasierten Triangulationssensoren an der Grenze der Einsetzbarkeit. Jegliche Partikel, die im Bildfeld sind (ob noch glühend und damit leuchtend oder schon erkaltet, z.B. Spritzer, Schweißrauch oder Metalldampf) stören die Bildverarbeitung und damit die Genauigkeit und Einsatzfähigkeit eines derartigen kamerabasierten Messverfahrens.
Die DE 38 26 634 A1 betrifft einen taktilen Sensor, der konzentrisch zu einem Düsenkörper angeordnet ist und vorzugsweise mit diesem eine Kapazität bildet. Axiale Verlagerung des taktilen Sensors wird durch eine spezielle, scheibenartige Federanordnung ermöglicht. Eine Abstandsregelung ist somit auch bei nicht metallischen Werkstoffen möglich.
Die US 3,970,911 A zeigt eine Vorrichtung zur Regelung des Abstands zwischen einem Brenner und einem Werkstück einer automatischen Brenn-Schneidmaschine. Hier variiert der Abstand zwischen dem Schneidbrenner und dem Werkstück die Schwingfrequenz eines elektrischen Regelkreises. Diese Frequenz wird durch einen Diskriminator in Gleichstromsignale umgewandelt, die zur Korrektur der Abweichungen und zum Halten des Brenners in einem im Wesentlichen konstanten Abstand vom Werkstück verwendet werden. Wenn sich der Brenner von dem Werkstück wegbewegt, wird die Bandbreite des Diskriminators erweitert, beispielsweise durch Dämpfen oder Entladen einer Diskriminator-Abstimmschaltung. Ein Feldeffekttransistor eignet sich zur Verwendung als Dämpfungswiderstand, und eine Kondensator-Dioden-Einheit kann verwendet werden, um die Abstimmschaltung abzuschalten. Die Steuerspannung wird dabei am Ausgang eines Verstärkers abgegriffen, der mit dem Diskriminator verbunden ist, und einem variablen Widerstand oder Kondensator zugeführt. Eine Steuerspannung zum Ändern des Frequenzbereichs wird hier von der analogen Signalkomponente des Reglerausgangs erhalten.
Gemäß der DE 20 2014 101 212 U1 umfasst ein kapazitives Messsystem zum Messen der Höhe eines Laserkopfes über einem Kunststoffwerkstück eine Laserkopf-Düse, die eine erste Platte eines Kondensators bildet, dessen dielektrischer Abschnitt vom Kunststoffwerkstück gebildet wird, einen auf Kapazitätsänderungen ansprechenden Hochfrequenzoszillator, der mit dem Kondensator betriebsfähig gekoppelt ist und ein Ausgangssignal liefert, und ein Bypass-Filter hoher Ordnung zum Verarbeiten des Ausgangssignals des Oszillators, um Änderungen der Kapazität des Kondensators zu messen.
Die DE 100 56 329 B4 beschreibt ein optisches Abstandsmessverfahren und einen Abstandssensor zur Regelung des Abstandes eines Bearbeitungskopfes einer Werkstückbearbeitungsanlage von der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks. Dabei wird ein Messobjekt auf eine Oberfläche abgebildet und das Bild des Messobjektes auf der Oberfläche wird auf eine Empfangsanordnung abgebildet, in der das einfallende Bild einer dem Messobjekt entsprechenden Ortsfilterung unterzogen wird. Der ortsgefilterte Lichtstrom wird für zumindest zwei Wellenlängenbereiche erfasst, um Lichtstrom-Messsignale zu liefern, die mit den Wellenlängenbereichen zugeordneten Soll-Werten verglichen werden, die einer vorgegebenen Soll-Lage der Oberfläche entsprechen, um ein dem Abstand von der Soll-Lage entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen.
Die DE 10 2014 203 645 A1 betrifft ein Verfahren zum optischen Bestimmen eines Abstandes zwischen einer an einer Vorrichtung gebildeten Öffnung und einer Referenzfläche, mit folgenden Schritten: Beleuchten der Referenzfläche durch die Öffnung hindurch mittels eines Beleuchtungsstrahls, der unter einem Winkel durch die Öffnung hindurchtritt, Aufnehmen mindestens eines Bildes der Referenzfläche durch die Öffnung hindurch, sowie Bestimmen des Abstandes anhand eines Versatzes zwischen einem von dem Beleuchtungsstrahl beleuchteten Bereich der Referenzfläche und einer Randkontur der Öffnung in dem mindestens einen aufgenommenen Bild.
Aus der WO 2016/062636 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung der Tiefe einer Schweißnaht in Echtzeit beim Schweißen oder Fügen eines Werkstücks mittels Laserstrahlung bekannt. Hier wird Licht von einer Messlichtquelle von einem Strahlteiler in einen Referenzarm und in einen Messarm eingekoppelt. Ein Messlichtstrahl des Messarms wird in den Strahlengang eines Bearbeitungsstrahls eingekoppelt und von einer Fokussierlinse gemeinsamen mit dem Bearbeitungsstrahls auf ein Werkstück fokussiert. Das vom Werkstück zurückreflektierte Messlicht läuft durch den Arbeitsstrahlengang zu einer Auswerteeinheit, in der das vom Werkstück zurückreflektierte Messlicht mit dem zurückreflektierten Licht aus dem Referenzarm überlagert wird, um mit Hilfe der Wegunterschiede von Mess- und Referenzarm die Tiefe einer Schweißnaht zu ermitteln.
EP 1 977 850 A1 offenbart eine Bearbeitungseinrichtung sowie ein Verfahren zur Materialbearbeitung.
DE 10 2013 015 656 A1 offenbart ein Verfahren zum Messen der Eindringtiefe eines Laserstrahls in ein Werkstück.
DE 10 2014 011 569 A1 offenbart ein Verfahren zum Messen eines Abstands zwischen einem Werkstück und einem Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung.
Alle bekannten Verfahren zur Abstands- oder Fokuslagenmessung und/oder -regelung haben die Eigenschaft, dass eine Messung über eine mehr oder weniger große Sensor- und Werkstückoberfläche erfolgt. Ist die Werkstückoberfläche gekrümmt, geneigt oder die Sensorfläche verschmutzt, wenn auch nur partiell, dann liefert die Sensorik keine zuverlässigen Ergebnisse mehr. Bei der kapazitiven Abstandsmessung hat die Sensorik große Probleme, wenn der Sensor nicht vollständig der Werkstückoberfläche gegenüber liegt, wie z.B. an Bauteilkanten. Hier funktioniert das kapazitive Abstandsmess- und Regelverfahren nur bedingt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abstandsmessung bei einem Bearbeitungskopf, insbesondere einem Laserbearbeitungskopf zu schaffen, das unabhängig vom Material des Werkstücks und von den Prozessbedingungen eine hochdynamische und genaue Einstellung des Abstands zwischen Werkstück und Bearbeitungskopf ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein dazugehöriges Verfahren zur Regelung bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird also zur Messung und Einstellung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf, insbesondere Laserbearbeitungskopf und einem Werkstück, Licht von einer Messlichtquelle in einen Messlichtstrahl und einen Referenzlichtstrahl aufgespalten, der in einen Referenzarm eingekoppelt wird. Der Messlichtstrahl wird in einen Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt und von einer Fokussierlinse des Bearbeitungsstrahlengangs auf eine Werkstückoberfläche fokussiert, und der an der Werkstückoberfläche reflektierte Messlichtstrahl wird dem zurückreflektierten Referenzlichtstrahl aus dem Referenzarm überlagert. Eine Mess- und Auswerteeinheit wertet dann die in den überlagerten Mess- und Referenzlichtstrahlen enthaltene Information über den Wegunterschied zwischen Mess- und Referenzarm aus, um Information über den Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück zu erhalten und ein entsprechendes Abstands- oder Stellsignal zu erzeugen.
Das hier zum Einsatz gebrachte Messprinzip ist die optische Kurzkohärenz Interferometrie zur Abstandsmessung. Dabei wird der optischen Messstrahl durch den Bearbeitungskopf, z.B. einen Laserschneidkopf geführt, so dass der Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück unmittelbar im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Bearbeitungsstrahl, z.B. Arbeitslaserstrahl, also im Bereich des sogenannten TCP (Tool Center Point) erfasst wird. Auf der Basis eines so ermittelten Messsignals ist es möglich, den Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück hochdynamisch zu regeln, in dem eine Achse der Bearbeitungsmaschine entsprechend angesteuert wird. Die Abstandsmessung lässt sich auch zur Fokuslageneinstellung nutzen, wobei eine entsprechende Optik des Bearbeitungsstrahlengangs mit Hilfe der im Bearbeitungskopf verbauten Aktorik, also der die Optik in Richtung ihrer optischen Achse bewegenden Stellglieder so verschoben wird, dass der Arbeitsfokus die für die Bearbeitung erforderliche Lage relativ zur Werkstückoberfläche einnimmt. Zudem beeinflussen thermische Linseneffekte das Messverfahren nicht.
Der Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens erstreckt sich über Bearbeitungsprozesse, bei denen eine kapazitive Abstandregelung aufgrund der Prozessemissionen nicht funktioniert bis hin zu Prozessen zum Bearbeiten von Materialien, die mit einer kapazitiven Sensorik nicht oder nicht zuverlässig erfassbar sind, wie z.B. Kunststoffe, faserverstärkte Kunststoffe und dergleichen.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Messlichtstrahl koaxial zu dem Bearbeitungsstrahl so in eine Wechselwirkungszone zwischen Bearbeitungsstrahl und Werkstück gebündelt wird, dass ein Messlichtfleck auf der Werkstückoberfläche einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Fokus des Bearbeitungsstrahls auf der Werkstückoberfläche.
Gemäß weiterer hierin offenbarter Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Messlichtstrahl gegenüber der optischen Achse des Bearbeitungsstrahlengangs geneigt oder parallel versetzt in den Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt wird, so dass der Messlichtstrahl neben dem Bearbeitungsstrahl auf die Werkstückoberfläche fokussiert wird.
Ferner ist es gemäß noch weiterer hierin offenbarter Ausführungsformen möglich den Messlichtstrahl in zumindest zwei Teilstrahlen, vorzugsweise in zumindest drei Teilstrahlen aufzuteilen, die gegenüber der optischen Achse des Bearbeitungsstrahlengangs geneigt oder parallel versetzt in den Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt werden, so dass die Teilstrahlen versetzt zueinander und auch versetzt zum Bearbeitungsstrahl auf die Werkstückoberfläche fokussiert werden.
Durch den Versatz des oder der Messlichtflecke gegenüber dem TCP auf der Werkstückoberfläche bzw. durch Vergrößerung des Messlichtflecks infolge einer Defokussierung des Messlichtstrahls kann sicher gestellt werden, dass zumindest ein Anteil des Messlichts unabhängig von der Vorschub- oder Schneidrichtung des Bearbeitungskopfes immer auf die Werkstückoberfläche trifft und somit der Abstand des Bearbeitungskopfes vom Werkstück stets präzise gemessen werden kann.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht es auch für die Düsenspitze des Bearbeitungskopfes andere Materialien als Kupfer einzusetzen. Außer dem kann der zur Isolation der leitenden Düsenspitze bei kapazitiven Abstandsmessverfahren erforderliche Keramikeinsatz entfallen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Messlichtstrahl im Wesentlichen koaxial zu einem Bearbeitungsstrahl in eine Wechselwirkungszone zwischen Bearbeitungsstrahl und Werkstück fokussiert wird, wobei ein Messlichtfokus auf der Werkstückoberfläche einen Durchmesser von etwa 10 µm bis 70 µm, von vorzugsweise etwa 40 µm bis 60 µm insbesondere etwa 50 µm aufweist. Hierdurch wird eine im Vergleich zu konkurrierenden Messverfahren punktuelle Messung ermöglicht, die von der Oberflächenbeschaffenheit, dem Material und der Form der Oberfläche des Werkstücks und vor allem von den Emissionen aus dem Bearbeitungsprozess, wie Spritzer, thermischen und optischen Emissionen unabhängig ist.
Dies erlaubt eine konstante und robuste Erfassung des Abstandes und damit auch eine störungsfreie Regelung des Abstandes zwischen dem Bearbeitungskopf, insbesondere Laserbearbeitungskopf und dem Werkstück, bei der ein dem Ist-Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück entsprechendes Abstandssignal mit einem Soll-Abstandssignal verglichen wird, um ein Regelsignal zu erhalten, das einer Steuerschaltung zugeführt wird, die veranlasst, dass der Bearbeitungskopf in Richtung eines Bearbeitungsstrahls so verschoben wird, dass die Differenz zwischen Soll- und Ist-Abstand verkleinert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich vorteilhafter Weise mit einer Vorrichtung zur Messung und Einstellung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf, insbesondere Laserbearbeitungskopf und einem Werkstück ausführen, die eine Messlichtquelle, einen Strahlteiler, der Licht von der Messlichtquelle in einen Messlichtstrahl und einen Referenzlichtstrahl aufspaltet, einen Referenzarm, durch den der Referenzlichtstrahl läuft, ein optisches System zum Einkoppeln des Messlichtstrahls in einen Bearbeitungsstrahlengang, der eine Fokussierlinse zum Fokussieren von Licht auf eine Werkstückoberfläche umfasst, und eine optischen Vorrichtung zur Überlagerung des an einer Werkstückoberfläche reflektierten Messlichtstrahls mit dem zurückreflektierten Referenzlichtstrahl aus dem Referenzarm aufweist. Ferner ist eine Mess- und Auswerteeinheit vorgesehen, die dazu ausgelegt ist, in den überlagerten Mess- und Referenzlichtstrahlen enthaltene Information über den Wegunterschied zwischen Mess- und Referenzarm auszuwerten, um Information über den Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück zu erhalten und ein entsprechendes Abstands- oder Stellsignal zu erzeugen.
Zum Regeln des Abstands insbesondere während eines Bearbeitungsprozesses ist die Mess- und Auswerteeinheit ferner dazu ausgelegt, ein dem Ist-Abstand entsprechendes, ermitteltes Abstandssignal mit einem Soll-Abstandssignal zu vergleichen, um ein Regelsignal zu erhalten, und das Regelsignal einer Steuerschaltung zuzuführen, die ausgelegt ist, zu veranlassen, dass der Bearbeitungskopf in Richtung eines Bearbeitungsstrahls so verschoben wird, dass die Differenz zwischen Soll- und Ist-Abstand verkleinert wird.
Zweckmäßiger Weise weist der Strahlteiler einen Faserkoppler auf, der die optischen Vorrichtung zur Überlagerung des Messlichtstrahls mit dem Referenzlichtstrahl bildet.
Gemäß hierin offenbarter Ausführungsformen ist vor dem optischen System zum Einkoppeln des Messlichtstrahls in dem Bearbeitungsstrahlengang eine optische Ablenkeinheit angeordnet, so dass der Messlichtstrahl gegenüber der optischen Achse des Bearbeitungsstrahlengangs geneigt in den Bearbeitungsstrahlengang einkoppelbar ist, um der Messlichtstrahl neben dem Bearbeitungsstrahl auf die Werkstückoberfläche zu fokussieren. Mit Hilfe der Ablenkeinheit, die vorzugsweise als Scanner ausgebildet sein kann, kann der Messlichtfleck auf der Werkstückoberfläche immer vor oder neben dem Arbeitslaserstrahl positioniert werden, so dass das Messlicht immer auf die Werkstückoberfläche auftrifft. Die optische Ablenkeinheit kann dabei dazu ausgebildet ist, den Messlichtstrahl in zumindest zwei Teil-Messlichtstrahlen aufzuteilen.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abstandsmessung und -regelung;
2 eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit einem optischen System zum Einkoppeln eines Messlichtstrahls;
3 eine perspektivische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit angeschlossener Mess- und Auswerteeinheit und Steuerschaltung;
4a eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes gemäß 2 mit einem anderen optischen System zum Einkoppeln eines Messlichtstrahls gemäß weiterer hierin offenbarter Ausführungsformen; und
4b eine vergrößerte schematische Darstellung des Austrittsbereichs von Bearbeitungsstrahl und Teil-Messlichtstrahlen in 4a.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile und Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 10 mit angeschlossenem optischen Sensorsystem 12 zur Bestimmung des Abstandes zwischen dem Laserbearbeitungskopf 10 und einem Werkstück 14. Die Bestimmung oder Messung des Abstandes basiert auf dem Prinzip der optischen Kohärenztomographie (Kurzkohärenz-Interferometrie), die sich unter Zuhilfenahme eines Interferometers die Kohärenzeigenschaften von Licht zunutze macht. Eine Mess- und Auswerteeinheit 16 enthält hierzu eine breitbandige Lichtquelle (Superlumineszenzdiode, SLD; SweptSource Lichtquellen (spektral durchstimmbare Lichtquellen) oder dergleichen), die das Messlicht in einen Lichtwellenleiter 18 koppelt. In einem Strahlteiler, der vorzugsweise einen Faserkoppler 20 aufweist, wird das Messlicht in einen Referenzarm 22 und einen Messarm 24 aufgespalten, der einen Lichtwellenleiter 26 und einen Strahlengang 27 des Messlichts im Laserbearbeitungskopf 10 umfasst.
Wie in 2 schematisch dargestellt, wird das aus dem Lichtwellenleiter 26 austretende Messlicht (Messlichtstrahl 28) von einer Kollimatoroptik 30 kollimiert, damit es im Laserbearbeitungskopf 10 einem Bearbeitungsstrahl 32 koaxial oder nahezu koaxial überlagert werden kann. Die Überlagerung erfolgt dabei mittels eines optischen System zum Einkoppeln des Messlichts, das in 1 nur schematisch als teildurchlässiger, insbesondere dichroitischer Umlenkspiegel 34 angedeutet ist, dem das Messlicht von der Kollimatoroptik 30 entweder direkt (1) oder über einen weiteren Umlenkspiegel 36 (2) zugeführt wird. Anschließend werden Bearbeitungsstrahl 32 und Messlichtstrahl 28 durch eine gemeinsame Linse 38, im Folgenden Fokussierlinse genannt, auf die Werkstückoberfläche fokussiert. Der Messlichtstrahl 28 trifft dabei im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Bearbeitungsstrahl 32 und Werkstück 14 auf dessen Oberfläche auf. An die Fokussierlinse 38 und die anderen optischen Komponenten im Bearbeitungsstrahlengang werden, außer möglichst optimalen Transmissionseigenschaften für das Messlicht, keine besonderen Anforderungen gestellt.
Fokuslage und Fokusdurchmesser des Messlichtstrahls 28 sind dabei so eingestellt, dass das Messlicht im Bereich der Bearbeitungsstelle 40 (TCP; Tool Center Point) auf die Werkstückoberfläche gelenkt wird. Um die Fokuslage, also den Auftreffpunkt des Messlichtes auf der Werkstückoberfläche so zu verändern, dass immer eine richtungsunabhängige Messung möglich ist, kann gemäß hierin offenbarter Ausführungsformen im Messlichtstrahlengang 27, z.B. hinter der Kollimatoroptik 30 eine optische Ablenkeinheit, z.B. ein Scanner 31 angeordnet sein, der die örtliche Modulation des Messpunktes, also insbesondere seiner Lage auf der Werkstückoberfläche ermöglicht. Der Scanner 31, der in 2 als Keilplatte oder Prisma angedeutet ist, die bzw. das in nicht näher dargestellter Weise um die optische Achse des Messlichtstrahlengangs 27 oder der Kollimatoroptik 30 gedreht oder um eine dazu senkrechte Achse geschwenkt werden kann, bewirkt, dass die optische Achse des Messlichtstrahlengangs 27 gegenüber der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls 32 geneigt werden kann und dass somit der Messlichtstrahl 28 neben dem Bearbeitungsstrahl 32, also neben dem TCP 40 auf die Werkstückoberfläche auftrifft.
Ferner ist es gemäß hierin offenbarter Ausführungsformen möglich, durch entsprechende Justierung des Lichtwellenleiters 26 und der Kollimatoroptik 30 den Messlichtstrahl 28 parallel versetzt zur optischen Achse des Bearbeitungsstrahls 32 in den Bearbeitungsstrahlengang einzukoppeln, um den gleichen Effekt zu erzielen, also um zu erreichen, dass der Messlichtstrahl 28 neben dem Bearbeitungsstrahl 32, also neben dem TCP 40 auf die Werkstückoberfläche auftrifft. Die optische Ablenkeinheit kann dann entfallen.
Um bewegte optische Elemente im Messlichtstrahlengang zur Anpassung der Fokus- oder Messlichtflecklage an die Vorschub- oder Schweißrichtung zu vermeiden, wird gemäß weiterer hierin offenbarter Ausführungsformen der Messlichtstrahl 28 in zumindest zwei Teilstrahlen, vorzugsweise in zumindest drei Teilstrahlen aufgeteilt, die jeweils gegenüber der optischen Achse des Bearbeitungsstrahlengangs geneigt oder parallel versetzt in den Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt werden. Die Teilstrahlen sind dabei so angeordnet, dass sie versetzt zueinander und auch versetzt zum auf die Werkstückoberfläche fokussiert werden. Dabei können sie umfangsmäßig beliebig oder gleichmäßig um den Bearbeitungsstrahl 32 herum verteilt sein. Der Versatz der Teilstrahlen untereinander und gegenüber dem Bearbeitungsstrahl 32 kann dabei ebenso wie ihre umfangsmäßige Verteilung entsprechend den Anforderungen des Bearbeitungsprozesses frei gewählt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, auch wenn die Teil-Messlichtstrahlen fix sind und nicht bewegt werden, dass in jeder Schneidrichtung immer mindestens einer der Teil-Messstrahlen, vorzugsweise jedoch zwei der Teil-Messstrahlen auf die Werkstückoberfläche neben dem TCP 40 auftreffen und somit die Abstandsmessung ermöglichen.
Bei dem in 4a gezeigten Ausführungsbeispiel ist hinter dem Kollimator 30 des Messlichtstrahlengangs als Ablenkeinheit zur Bildung mehrerer Teil-Messstrahlen eine dachförmige Doppelkeilplatte 33 angeordnet, die den Messlichtstrahl 28 in zwei Teil-Messlichtstrahlen 28' und 28" aufteilt, die geneigt in den Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt und - wie in 4b gezeigt - von der Fokussierlinse 38 in jeweilige neben dem TCP 40 liegende Messlichtflecke 29' und 29" fokussiert werden.
Zur Bildung zweier oder mehrerer Teil-Messstrahlen können auch V-förmige Doppelkeilplatten sowie pyramiden- oder trichterförmige drei-, vier-, oder mehrfach Keilplatten eingesetzt werden.
Der Messlichtfleck oder -fokus auf der Werkstückoberfläche weist dabei einen Durchmesser von etwa 10 µm bis 70 µm, vorzugsweise von etwa 40 µm bis 60 µm, insbesondere etwa 50 µm auf. Bei einem Schneidkopf mit einer Brennweite von beispielsweise 100 mm erhält man einen Durchmesser des Messlichtfokus von etwa 18 µm. Selbst wenn sich im Bearbeitungsstrahlengang motorisch bewegte Optiken befinden, z.B. eine Zoom-Modul, so ändert sich bei einer Verschiebung der Optiken nur den Durchmesser des Messpunktes, also des Messlichtfokus aber nicht den optischen Weg des Messarms, womit weiterhin eine eindeutige Abstandsmessung erfolgen kann. Auch thermische Linseneffekte beeinflussen das Messverfahren nicht.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann der Messlichtfleckdurchmesser auf der Werkstückoberfläche verändert werden, indem der Messlichtstrahl 28 leicht defokussiert auf den TCP 40 auf dem Werkstück 14 auftrifft. Eine Defokussierung des Messlichtstrahl 28 wird z.B. dadurch erreicht, dass die Anordnung der optischen Komponenten der Kollimatoroptik 30 verändert werden. Z.B. bewirkt eine Verschiebung der Kollimatoroptik 30 oder einer Linse der Kollimatoroptik 30 entlang der optischen Achse des Messlichtstrahlengangs, dass der Messlichtstrahl 28 nicht mehr vollständig kollimiert ist und nach Durchtreten der gemeinsamen Fokussierlinse 38 leicht defokussiert ist und somit einen größeren Messlichtfleckdurchmesser auf der Werkstückoberfläche aufweist als der Fokus des Bearbeitungsstrahls 38 im TCP 40. Durch den größeren Messlichtfleckdurchmesser trifft immer ein Anteil des Messlichtstrahls auf die Oberfläche des Werkstücks 14, wodurch eine richtungsunabhängige Messung ermöglicht wird. Insbesondere trifft immer ein Teil des Messlichts vor und neben dem TCP 40 auf das Werkstück 14 auf, wenn der Messlichtstrahl 28 koaxial in den Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt wird. Bei dieser Ausführungsform kann die Ablenkeinheit hinter der Kollimatoroptik 30 entfallen.
Das von der Werkstückoberfläche zurückreflektierte Messlicht wird durch die Fokussierlinse 38 und die Kollimatoroptik 30 auf die Austritts-/Eintrittsfläche des Lichtwellenleiter 26 abgebildet, im Faserkoppler 20 mit dem zurückreflektierten Licht aus dem Referenzarm 22 überlagert und anschließend zurück in die Mess- und Auswerteeinheit 16 gelenkt. Das überlagerte Licht enthält Informationen über den Weglängenunterschied zwischen dem Referenzarm 22 und dem Messarm 24. Diese Informationen werden in der Mess- und Auswerteeinheit 16 ausgewertet, wodurch Informationen über den Abstand zwischen Werkstück 14 und Laserbearbeitungskopf 10 erhalten werden.
Vor dem Start des Prozesses wird die Messung des Abstandes zwischen Bearbeitungskopf 10 und Werkstückoberfläche kalibriert. Anschließend kann der Abstand des Bearbeitungskopfes von der Werkstückoberfläche gemessen werden, um dann vor dem Start der Bearbeitung entweder die Lage des Laserfokus nachzuführen oder den Abstand auf einen Soll-Abstand einzustellen. Je nach Art des Bearbeitungsprozesses kann dieser mit oder ohne on-line Regelung durchgeführt werden.
Die Mess- und Auswerteeinheit 16 generiert aus der Abstandsinformation ein Stell- oder Regelsignal proportional zu einer Stellgröße, welche über eine Stellachse einer Bearbeitungsmaschine, z. B. eines Roboters den Abstand zwischen Werkstück 14 und Laserbearbeitungskopf 10 einstellt und vorzugsweise konstant regelt. Dabei wird der beispielsweise an einer Hand 42 eines Roboters gehaltene Laserbearbeitungskopf 10 wie durch den Doppelpfeil 44 angedeutet in Bearbeitungslaserstrahlrichtung (z-Richtung) bewegt. Es ist aber auch möglich aufgrund der Abstandsinformation ein Stell- oder Regelsignal für die Nachführung des Arbeitslaserfokus zu generieren.
Wie in 3 veranschaulicht wird das Stell- oder Regelsignal von der Mess- und Auswerteeinheit 16 über eine Verbindungsleitung 46 einer Steuerschaltung 48 zugeführt, die in nicht näher dargestellter Weise zur Abstandseinstellung die Stellachse der Bearbeitungsmaschine ansteuert. Das Prinzip funktioniert auch mit anderen Stellachsen, z.B. mit im Laserbearbeitungskopf 10 verbauten Achsen sowie mit den Zustellachsen einer Bearbeitungsmaschine.
Durch die nahezu beliebige Ausgestaltung der Kurzkohärenz Interferometrie, also durch die Wahl der Wellenlänge der Lichtquelle und der Breite des Emissionsspektrums kann ein Messbereich in Richtung des Bearbeitungslaserstrahl (z-Richtung) zwischen etwa 15 mm und 5 mm eingestellt werden, wobei ein breites Emissionsspektrum einen kürzeren Messbereich zur Folge als ein schmales Emissionsspektrum. Damit lassen sich auch unterschiedliche Auflösungen in vertikaler Richtung (z-Richtung) realisieren. Die Wellenlänge der Lichtquelle beeinflusst dabei die Fokussierbarkeit des Messlichts, wobei kürzere Wellenlängen eine bessere Fokussierbarkeit zur Folge haben.

Claims

Verfahren zur Messung und Einstellung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf (10) und einem Werkstück (14), bei dem - Licht von einer Messlichtquelle in einen Messlichtstrahl (28) und einen Referenzlichtstrahl aufgespalten wird, der in einen Referenzarm (22) eingekoppelt wird, - der Messlichtstrahl (28) in einen Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt und von einer Fokussierlinse (38) des Bearbeitungsstrahlengangs auf eine Werkstückoberfläche gebündelt oder fokussiert wird, - der an der Werkstückoberfläche reflektierte Messlichtstrahl (28) dem zurückreflektierten Referenzlichtstrahl aus dem Referenzarm überlagert wird, und - eine Mess- und Auswerteeinheit (16) die in den überlagerten Mess- und Referenzlichtstrahlen enthaltene Information über den Wegunterschied zwischen Mess- und Referenzarm auswertet, um Information über den Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück zu erhalten und ein entsprechendes Stell signal zu erzeugen, und - der Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück auf Basis des Stellsignals eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Messlichtstrahl (28) so in eine Wechselwirkungszone zwischen einem Bearbeitungsstrahl (32) und dem Werkstück (14) gebündelt wird, dass ein Messlichtfleck auf der Werkstückoberfläche einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Fokus des Bearbeitungsstrahls (38) auf der Werkstückoberfläche.
Verfahren zur Regelung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf (10) und einem Werkstück, bei dem - Licht von einer Messlichtquelle in einen Messlichtstrahl (28) und einen Referenzlichtstrahl aufgespalten wird, der in einen Referenzarm (22) eingekoppelt wird, - der Messlichtstrahl (28) in einen Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt und von einer Fokussierlinse (38) des Bearbeitungsstrahlengangs auf eine Werkstückoberfläche gebündelt oder fokussiert wird, - der an der Werkstückoberfläche reflektierte Messlichtstrahl (28) dem zurückreflektierten Referenzlichtstrahl aus dem Referenzarm überlagert wird, - eine Mess- und Auswerteeinheit (16) die in den überlagerten Mess- und Referenzlichtstrahlen enthaltene Information über den Wegunterschied zwischen Mess- und Referenzarm auswertet, um Information über den Ist-Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück (14) zu erhalten und ein entsprechendes Abstandssignal zu erzeugen, - das dem Ist-Abstand entsprechende ermittelte Abstandssignal mit einem Soll-Abstandssignal verglichen wird, um ein Regelsignal zu erhalten, und - das Regelsignal einer Steuerschaltung zugeführt wird, die veranlasst, dass der Bearbeitungskopf (10) in Richtung eines Bearbeitungsstrahls (32) so verschoben wird, dass die Differenz zwischen Soll- und Ist-Abstand verkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messlichtstrahl (28) im Wesentlichen koaxial zu einem Bearbeitungsstrahl (32) in eine Wechselwirkungszone zwischen Bearbeitungsstrahl (32) und Werkstück (14) gebündelt oder fokussiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messlichtfokus auf der Werkstückoberfläche einen Durchmesser von etwa 10 µm bis 70 µm.
Vorrichtung zur Messung und Einstellung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf (10) und einem Werkstück (14), mit - einer Messlichtquelle, - einem Strahlteiler (20), der Licht von der Messlichtquelle in einen Messlichtstrahl (28) und einen Referenzlichtstrahl aufspaltet, - einem Referenzarm (22), durch den der Referenzlichtstrahl läuft, - einem optischen System zum Einkoppeln des Messlichtstrahls (28) in einen Bearbeitungsstrahlengang, der eine Fokussierlinse (38) zum Fokussieren von Licht auf eine Werkstückoberfläche umfasst, - einer optischen Vorrichtung zur Überlagerung des an einer Werkstückoberfläche reflektierten Messlichtstrahls (28) mit dem zurückreflektierten Referenzlichtstrahl aus dem Referenzarm (22), und - einer Mess- und Auswerteeinheit (16), die dazu ausgelegt ist, in den überlagerten Mess- und Referenzlichtstrahlen enthaltene Information über den Wegunterschied zwischen Mess- und Referenzarm auszuwerten, um Information über den Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück zu erhalten und ein entsprechendes Stellsignal zu erzeugen, und eine Steuerschaltung (48) zur Einstellung des Abstands zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück auf Basis des Stellsignals, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System den Messlichtstrahl (28) so in eine Wechselwirkungszone zwischen einem Bearbeitungsstrahl (32) und dem Werkstück (14) bündelt, dass ein Messlichtfleck auf der Werkstückoberfläche einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Fokus des Bearbeitungsstrahls (38) auf der Werkstückoberfläche.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Auswerteeinheit (16) ferner dazu ausgelegt ist - einen dem Ist-Abstand entsprechendes, ermitteltes Abstandssignal mit einem Soll-Abstandssignal zu vergleichen, um ein Regelsignal zu erhalten, und - das Regelsignal der Steuerschaltung (48) zuzuführen, die ausgelegt ist, zu veranlassen, dass der Bearbeitungskopf (10) in Richtung eines Bearbeitungsstrahls so verschoben wird, dass die Differenz zwischen Soll- und Ist-Abstand verkleinert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler einen Faserkoppler (20) aufweist, der die optische Vorrichtung zur Überlagerung des Messlichtstrahls (28) mit dem Referenzlichtstrahl bildet.