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Gebiet der Erfindung:
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Bearbeitungsqualität einer lasergestützten Materialbearbeitung, insbesondere dem Laserschneiden.
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Beschreibung des Standes der Technik:
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Vorrichtungen zur Lasermaterialbearbeitung umfassen üblicherweise eine Laserstrahlungsquelle und einen Bearbeitungskopf, der die von der Laserstrahlungsquelle emittierte Strahlung fokussiert und somit die Leistungsdichte am Bearbeitungsort erzeugt, die für den Bearbeitungsprozess notwendig ist. Der Bearbeitungskopf und/oder der Fokuspunkt der Laserstrahlung sind standardmäßig gegenüber dem Werkstück verfahrbar angeordnet. Je nach Bearbeitungsprozess kann aus einer oder mehreren Düsen des Bearbeitungskopfes Prozessgas ausströmen, welches die Aufgabe hat, den Prozess vor der Umgebungsluft abzuschirmen und/oder mit dem Werkstoff in Reaktion zu treten und/oder die durch die Bearbeitung entstehende Rückstände vom Bearbeitungsort zu entfernen.
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Die Bearbeitungsqualität ist von einer Vielzahl von Prozessparametern abhängig. Es folgt eine Auflistung einer Auswahl wichtiger Prozessparameter:
- a) Die Lage des Fokuspunkts des Bearbeitungslaserstrahls auf dem Werkstück,
- b) die Strahlqualität der Laserquelle,
- c) die Leistung und/oder Pulsenergie des Bearbeitungslaserstrahls,
- d) die Abbildungsleistung der Optik des Bearbeitungskopfes,
- e) der Düsenabstand relativ zum Werkstück,
- f) die Verfahrgeschwindigkeit des Fokuspunkts des Bearbeitungslaserstrahls und/oder des Bearbeitungskopfes relativ zum Werkstück,
- g) der Druck sowie die Art des Prozessgases,
- h) die Materialqualität sowie die Materialart des Werkstücks.
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Die Prozessparameterwerte können während des Bearbeitungsvorgangs von jenen Sollwerten abweichen, welche ein optimales Bearbeitungsergebnis ergeben. Hierdurch werden die Prozessstabilität und die Bearbeitungsqualität negativ beeinflusst. Ursächlich für die Abweichung der Prozessparameterwerte können zum einen fertigungsbedingte Schwankungen der Materialqualität innerhalb eines Werkstücks sein. Zum anderen können thermische Effekte entstehen, die aus der teilweisen Absorption der Laserstrahlung innerhalb des optischen Systems oder der durch Wärmeleitung oder Abstrahlung weitergeleiteten Prozesswärme des thermischen Bearbeitungsvorgangs resultieren. Bei trennenden Bearbeitungsverfahren kann zudem die während des Bearbeitungsprozesses abnehmende mechanische Stabilität des Werkstücks negativ auf das Bearbeitungsergebnis einwirken. Beispielsweise kann ein Werkstück während eines Laserschneidprozesses durch die Kraft eines strömenden Prozessgases und einer abnehmenden mechanischen Fixierung aufgrund der trennenden Bearbeitung zu flattern beginnen oder verbiegen.
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Schwankungen der Bearbeitungsqualität sind unerwünscht, da diese zu Produktionsausschuss und im Extremfall zu Schäden an der Bearbeitungsanlage führen können. Es ist daher mindestens erforderlich, den Bearbeitungsvorgang kontinuierlich zu Überwachen und diesen bei abnehmender Bearbeitungsqualität oder Fehlern zu unterbrechen und die Ursache des schlechten Bearbeitungsergebnisses zu beseitigen. Im Idealfall bestehen Regelkreise, die in Echtzeit anhand von Messwerten die aktuelle Bearbeitungsqualität bestimmen und bei Abweichungen von der geforderten Qualität Prozessparameter gezielt verändern, um dadurch ein konstantes Bearbeitungsergebnis zu erhalten.
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Die Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs erfolgt häufig noch durch einen erfahrenen Maschinenbediener, der über visuelle, akustische und haptische Wahrnehmung von Prozess und Werkstück die Bearbeitungsqualität beurteilen kann. Im Zuge zunehmender Automatisierung in der Produktion besteht jedoch ein wachsender Bedarf nach maschinellen Lösungen zur Prozessüberwachung und Prozessregelung.
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Zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs ist dem Fachmann eine Vielzahl von Verfahren bekannt, die anhand des Prozessleuchtens Rückschlüsse auf den Zustand des Prozesses erlauben. Die messtechnische Erkennung des Prozessleuchtens kann dabei über nicht-ortsauflösende und/oder ortauflösenden Detektoren bei dedizierten Spektralbereichen und/oder über weite Spektralbereiche hinweg erfolgen. Das Prozessleuchten unterliegt jedoch häufig auch bei optimalen Prozessparameterwerten starken Schwankungen, welche hauptsächlich der Materialbeschaffenheit des Werkstücks, anhaftenden Verschmutzungen und/oder vorhandenen Schutzfolien sowie der oft unabsichtlich geschehenden, simultanen Laserbearbeitung der Werkstückauflage geschuldet sind. Allen derartigen Verfahren ist daher gemein, dass sie anfällig gegenüber der Erkennung von fälschlicherweise als Fehler klassifizierten Prozessereignissen sind und meist an charakteristische Emissionsmuster bestimmter Bearbeitungsvorgänge oder Materialtypen angelernt werden müssen. In der industriellen Massenproduktion von gleichen Werkstücken oder bei bestimmten Materialtypen können mit diesen Verfahren nutzbringende Resultate erzielt werden. Bei der Herstellung von kleinen bis mittleren Stückzahlen ist das Anlernen jedoch häufig zu aufwendig. Vorrichtungen mit ortsauflösenden Sensoren haben zudem bei tendenziell preissensitiven Bearbeitungsverfahren, wie dem Laserschneiden, meist ein Akzeptanzproblem aufgrund der erheblichen Mehrkosten für das Überwachungssystem.
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Aus der
US 9 061 369 B2 geht ein Verfahren zum Bestimmen der Bearbeitungsqualität einer lasergestützten Materialbearbeitung hervor, bei dem beim Laserbearbeitungsprozess vom Werkstoff emittiertes Prozessleuchten erfasst und zur Beurteilung der Bearbeitungsqualität herangezogen wird. Das Verfahren ermöglicht die Erkennung von Änderungen der Materialzusammensetzung während der Bearbeitung, erlaubt jedoch keine Beurteilung der Bearbeitungsqualität bei der Bearbeitung von homogenen Materialien unter inerten Bedingungen, welche bei vielen Laserbearbeitungsprozessen gegeben sind.
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Weitere Verfahren basieren auf der Auswertung der Rückreflexion der Strahlung des Bearbeitungslasers. Die
DE 10 2012 100 721 B3 offenbart beispielhaft ein Verfahren zur Konstanthaltung der Schnittspaltbreite beim Laserschneiden durch Messung der Rückreflexion des Bearbeitungslaserstrahls von der Werkstückoberfläche neben dem Schnittspalt mit dem Ziel, die Prozessparameterwerte stets in einem optimalen Bereich zu halten. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Rückreflexion neben der Schnittspaltbreite auch von der Materialbeschaffenheit der Oberfläche des Werkstücks abhängt und zudem die Schnittspaltbreite alleine kein eindeutiger Indikator für die Schnittqualität ist.
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In der
DE 10 2013 015 656 A1 und der
DE 10 2014 007 887 A1 sind Verfahren beschrieben, welche optische Kurzkohärenztomographen zur Beobachtung der Prozesszone bei der Lasermaterialbearbeitung einsetzen und die Topographie in und um der Prozesszone erfassen. Hierdurch kann die Lage des Werkstücks relativ zum Bearbeitungskopf und beim Laserschweißprozess die Einschweißtiefe sowie die Oberflächenbeschaffenheit des Bearbeitungsergebnisses ermittelt werden. Ein Lasermaterialbearbeitungsprozess ist typischerweise auch durch, während der Bearbeitung stattfindenden, Stofftransportvorgänge gekennzeichnet. Eine Charakterisierung der Stofftransportvorgänge direkt in der Bearbeitungszone erfolgt in beschriebenem Verfahren jedoch nicht.
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Eine berührungslose Charakterisierung eines Stofftransportvorgangs ist mit einer Messvorrichtung möglich, wie sie in der
US 7 580 132 B2 beschrieben ist. Diese misst eine Frequenzverschiebung aufgrund des Doppler-Effekts und bestimmt mit dieser Geschwindigkeiten des vermessenen Objektes. Die Frequenzverschiebung wird durch den Frequenzunterschied zwischen einem Lichtstrahl, welcher das Messobjekt beleuchtet sowie einem Lichtstrahl, welcher vom Messobjekt zurückgeworfen wird, bestimmt. Eine Anwendung im Bereich der Lasermaterialbearbeitung ist jedoch nicht beschrieben.
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Zusammenfassung der Erfindung:
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Bearbeitungsqualität einer lasergestützten Materialbearbeitung, insbesondere dem Laserschneiden, vorzuschlagen, welches während der Bearbeitung von schmelzbaren Werkstoffen, insbesondere von Metallen und deren Legierungen, angewendet werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 9 gelöst. Danach wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Bewegungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten, Rauch und/oder festen Bearbeitungsrückständen in der Prozesszone, wie etwa der Schmelze, ausgetriebenen Tropfen aus Schmelze und/oder verdampftem Material, erfasst wird, wobei das Messsystem nach Art eines Interferometers, optischen Heterodynempfängers oder selbstdurchmischenden Interferometers („self-mixing interferometry“) ausgebildet ist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Stofftransportvorgänge in der Bearbeitungszone die Bearbeitungsqualität wesentlich bestimmen. Dies soll im Folgenden am Beispiel des Laserschmelzschneidens hervorgehoben werden. Dem Fachmann ist jedoch ersichtlich, dass der beschriebenen Sachverhalt - die Abhängigkeit der Dynamik in der Prozesszone von Prozessparameterwerten und damit von der Bearbeitungsqualität - auch auf andere Lasermaterialbearbeitungsprozesse übertragen werden kann.
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Kennzeichnend für das Laserschmelzschneiden sind das quasi kontinuierliche Aufschmelzen des Materials des Werkstücks entlang der Schneidbahn durch einen fokussierten Laserstrahl und das Ausblasen des verflüssigten Materials aus dem Schnittspalt mit einem inerten Prozessgas. Eine Abwandlung des Schmelzschneidens stellt das Laserbrennschneiden dar, bei dem der Werkstoff durch die fokussierte Laserstrahlung auf seine Entzündungstemperatur erwärmt, durch zugeführten Sauerstoff verbrannt und der flüssige Verbrennungsrückstand durch überschüssigen Sauerstoff aus der Schnittfuge ausgeblasen wird. Bei beiden Schneidarten ist eine hohe Schnittqualität durch eine möglichst glatte, gerade Schnittflanke mit feiner Riefenstruktur sowie durch gratfreie Schnittkanten charakterisiert. Diese ideale Charakteristik der Schnittkante ist nur gegeben, wenn durch geeignete Einstellung der Prozessparameterwerte unter anderem folgenden Bedingungen erfüllt werden:
- a) Das Material entlang der Schneidbahn hat pro Volumeneinheit des Werkstoffs eine bestimmte Menge der Energie des Laserstrahls absorbiert, sodass die entstehende Schmelze eine spezifische Temperatur und damit eine spezifische, niedrige Viskosität aufweist.
- b) Die Fokuslage und Strahlform im Schnittspalt schmelzen den Werkstoff entlang der Schneidbahn über eine bestimmte Breite auf, wodurch sich eine charakteristische Schnittspaltbreite ergibt.
- c) Die antreibenden Kräfte des Prozessgasdurchflusses im Schnittspalt erzeugen einen Schmelzfluss in Richtung Unterseite des Schnittes und sind ausreichend, um das aufgeschmolzene Material mit genannter spezifischer Viskosität möglichst vollständig aus dem Schnittspalt zu treiben, wobei die Kapillarkräfte und die Oberflächenspannungen der Schmelze überwunden werden, welche sich durch die Lage der Schmelze innerhalb eines Schnittspalts genannter spezifischer Breite ergeben.
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Die genannten Bedingungen bestimmen ideale Schmelzabflussgeschwindigkeiten entlang der Schnittfront und der Schnittflanke in Abhängigkeit von Material und Materialdicke. Weichen die Prozessparameterwerte von den optimalen Werten ab, so ist die Abflussgeschwindigkeit der Schmelze zu gering oder zu hoch. Diese kann dann nicht mehr vollständig aus dem Schnittspalt ausgetrieben werden und/oder verfestigt sich wellenförmig an den Schnittflanken sowie an der Schnittunterkante. Die Folge ist eine ausgeprägte Riefenstruktur an der Schnittflanke und/oder eine Grat- oder Bartbildung an der Schnittunterkante. Im Sonderfall des Brennschneidens bilden sich statt einem Grat oder Bart häufig Schlacketropfen an der Schnittunterkante, die den Schnittspalt teilweise oder vollständig überspannen. Zudem kann es zu Ausbränden an der Schnittflanke kommen.
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Die erfindungsgemäße Messung der Bewegungsgeschwindigkeiten von Stoffflüssen in der Prozesszone eines Lasermaterialbearbeitungsvorgangs ermöglicht daher die Bestimmung der Bearbeitungsqualität in Echtzeit. Beim Laserschneidprozess sind diese Bewegungen der Abfluss der Schmelze an der Schnittfront und an den Schnittkanten, der Strom von etwaigen Metalldampf durch den Schnittspalt sowie die Fluggeschwindigkeit der ausgeblasenen Schmelztropfen unterhalb des Werkstücks.
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Die Messung der Bewegungsgeschwindigkeiten der Stoffflüsse in der Prozesszone erfolgt erfindungsgemäß durch interferometrische Messung. Hierbei ist die Prozesszone mittels eines zeitlich kohärenten Messlichtbündels beleuchtet, wobei das Messlicht an Objekten in der Prozesszone teilweise reflektiert und/oder gestreut wird. Bei der Reflexion und/oder Streuung an bewegten Objekt erfährt das Messlicht eine Frequenzverschiebung aufgrund des Doppler-Effekts. Das reflektierte und/oder gestreute Messlicht wird anschließend mit einem Teilstrahl des ursprünglich emittierten Messlichtbündels zusammengeführt. Das reflektierte und/oder gestreute Messlicht interferiert mit dem Teilstrahl des emittierten Lichtbündels, wobei anhand des zeitlichen Verlaufs des entstehenden Interferenzmusters auf die Geschwindigkeitsverteilung der bewegten Objekte innerhalb des Messgebiets geschlossen werden kann. Beispielsweise kann das derart gewonnene Signal vom Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert werden, wobei sich die Geschwindigkeitsverteilung der beobachteten, bewegten Objekte als Frequenzverteilung im Frequenzspektrum darstellt. Im zeitlichen Mittel sind das derart ermittelte Frequenzspektrum und die Intensität der darin enthaltenen Frequenzanteile charakteristisch für die Bearbeitung eines bestimmten Materials mit bestimmten Prozessparameterwerten. Abweichungen von diesen Parameterwerten zeigen sich durch eine Veränderung des Frequenzspektrums und/oder der Intensitäten der enthaltenen Frequenzanteile.
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Die erfindungsgemäße Messung der Bewegungsgeschwindigkeit der Stoffflüsse in der Prozesszone ist ebenso mit einem optischen Heterodynempfänger möglich. Der Messablauf ist identisch zur Messung mit beschriebener interferometrischer Methode, jedoch werden die beiden Teilstrahlen nicht direkt zum Interferieren überlagert, sondern in einem optisch-nichtlinearen Bauteil gemischt, beispielsweise in einem Photodetektor, dessen Ansprechverhalten in Bezug auf die Amplitude eines elektromagnetischen Feldes quadratische Charakteristik aufweist. Am Ausgang des nichtlinearen Bauteils können Überlagerungsfrequenzen abgegriffen werden, die den Geschwindigkeiten der beobachteten bewegten Objekte im Messgebiet entsprechen.
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In besonders vorteilhafter Weise erfolgt die erfindungsgemäße Messung der Bewegungsgeschwindigkeit durch ein selbstdurchmischendes Interferometer („self-mixing interferometry“). Bei dieser Messtechnik ist die Quelle des Messlichtbündels, welches die Prozesszone beleuchtet, zwingend ein Laser, vorzugsweise ein Diodenlaser. Das frequenzverschobene, aus der Prozesszone reflektierte und/oder gestreute Licht wird zurück in die Kavität des Lasers geführt, wo es mit dem Licht innerhalb des Laserresonators interferiert. Das entstehende Interferenzmuster zeigt sich als Modulation der optischen Ausgangsleistung des Lasers. Aus dem zeitlichen Verlauf der optischen Ausgangsleistung kann auf die Geschwindigkeitsverteilung der bewegten Objekte im Messgebiet geschlossen werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Messung ist es von Vorteil, einen großen Bereich der Prozesszone durch das Messlichtbündel zu erfassen. Hierdurch wird eine Geschwindigkeitsverteilung über möglichst alle bewegten Objekte in der Prozesszone ermittelt und die Ausrichtung des Messlichtbündels relativ zum Bearbeitungsort beeinflusst die Messung nicht wesentlich. Im Gegensatz dazu würde bei fokussierter Beleuchtung nur eines Ausschnitts der Prozesszone durch das Messlichtbündel das Messergebnis stark von der Ausrichtung des Messlichtbündels abhängen, da innerhalb der Prozesszone Gradienten der Stoffflussgeschwindigkeit bestehen.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es des Weiteren vorteilhaft, durch eine Ablenkeinrichtung eine Veränderung der Position des Messstrahls auf dem Werkstück zu ermöglichen. Hierdurch kann die Messstelle zentrisch zur Bearbeitungsstelle ausgerichtet werden und etwaige Bewegungen von optischen Elementen, die von Bearbeitungsstrahl und Messstrahl gemeinsam verwendet werden, können ausgeglichen werden. Die Ablenkeinrichtung kann motorisch verfahrbar ausgeführt sein, wodurch eine automatische Ausrichtung des Messlichtbündels an den Bearbeitungsort ermöglicht wird.
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Vorteilhaft ist die Ausführung des genannten Messverfahrens als weitestgehend faseroptisches System, insbesondere Aufbauten aus Einmodenfasern oder polarisationserhaltenden Fasern. Dieses faseroptische System kann kompakt aufgebaut werden und ermöglicht die Integration direkt im Bearbeitungskopf. Weiterhin ist ein faseroptisches System verglichen mit einem funktionell identischen optischen Aufbau mit freier Strahlführung unempfindlicher gegenüber mechanischen sowie thermischen Störungen.
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Für eine Analyse der Messdaten der erfindungsgemäßen Messung und/oder für eine Regelung des Bearbeitungsprozesses während eines Fertigungsvorgangs ist es von Vorteil, dass das Messsystem mit einer Auswerteeinrichtung in Verbindung steht, die mit der Steuerung der Bearbeitungsanlage Daten austauschen kann. Durch eine Analyse der Messdaten kann online die aktuelle Bearbeitungsqualität ermittelt werden. Die Verbindung zur Steuerung der Bearbeitungsanlage ermöglicht den Aufbau eines geschlossenen Regelkreises zur Prozessregelung.
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Die Wandlung der Interferenzmuster in elektrische Signale zur weiteren Auswertung in einer Auswertelektronik geschieht bei Realisierungen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft über symmetrische Detektionsverfahren („balanced photodetector“), wobei das Licht an beiden Ausgängen jenes Strahlteilers eines interferometrischen Aufbaus, welcher beide Teilstrahlen vereint, getrennt detektiert und nur die Differenz beider Detektorsignale verstärkt und weiterverarbeitet wird. Hierdurch kann ein Interferenzmuster mit einem hohen Signal-zu-Rauschabstand aufgenommen und in elektrische Signale gewandelt werden. Es werden Photodetektoren eingesetzt, die eine Messgeschwindigkeit entsprechend den Ansprüchen des durchzuführenden Laserbearbeitungsprozesses ermöglichen.
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Kurze Beschreibungen der Zeichnungen:
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Laserschneidprozesses mit einem auf die Werkstückoberfläche gerichteten Bearbeitungsstrahl und Messstrahl,
- 2 eine schematische Abbildung von Messdaten des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 eine Laserschneidoptik mit einem auf ein Werkstück gerichteten Bearbeitungsstrahl und Messstrahl sowie ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Art eines faseroptischen Mach-Zehnder Interferometers in einer schematischen Darstellung,
- 4 eine Laserschneidoptik mit einem auf ein Werkstück gerichteten Bearbeitungsstrahl und Messstrahl sowie ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Art eines faseroptischen Fabry-Perot Interferometers in einer schematischen Darstellung,
- 5 eine Laserschneidoptik mit einem auf ein Werkstück gerichteten Bearbeitungsstrahl und Messstrahl sowie ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Art eines selbstdurchmischenden Interferometers in einer schematischen Darstellung.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele:
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1 zeigt ein, mittels einer beispielsweise in den 3 bis 5 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung in Form einer Laserschneidanlage, bearbeitetes Werkstück (20) im Querschnitt in einer schematischen Darstellung. Das Werkstück (20) bewegt sich relativ zu einem Bearbeitungsstrahl (11) in Verfahrrichtung (10) und wird vom Bearbeitungsstrahl (11) kontinuierlich aufgeschmolzen, wobei entlang der Schnittfront ein Schmelzfluss (21) entsteht, der durch antreibende Kräfte eines Prozessgasflusses (12) in Richtung Werkstückunterseite an dieser ausgetrieben wird, wobei sich aufgrund von turbulenten und/oder oszillierenden Strömungen sowie Oberflächenspannungen Schmelztropfen (22) aus aufgeschmolzenen Material bilden. Die Bearbeitungszone ist von einem Messstrahl (30) gemäß der Erfindung beleuchtet, wobei dieser teilweise an den Oberflächen des Schmelzflusses (21) sowie der Schmelztropfen (22) gestreut und/oder reflektiert wird und dabei Frequenzverschiebungen aufgrund des Doppler-Effekts entsprechend der Geschwindigkeiten von Schmelze (21) und Tropfen (22) erfährt.
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2 zeigt bei der erfindungsgemäßen Messung der Bewegungsgeschwindigkeiten während eines Laserschmelzschneidprozesses von Metall ermittelte Messwerte in einer schematischen Abbildung. Die Darstellung entspricht einem Histogramm der gemessenen Geschwindigkeiten in der Bearbeitungszone und ergibt sich bei der Übertragung des Ausgangssignals einer erfindungsgemäßen, interferometrischen Messung vom Zeitbereich in den Frequenzbereich. Der betrachtete Zeitbereich kann dabei so klein gewählt werden, dass Echtzeitbedingungen für eine Online-Überwachung und/oder Prozessregelung eingehalten werden. Die Geschwindigkeitsverteilung (61) stellt eine typische Verteilung für einen Schnitt mit gutem Bearbeitungsergebnis dar, wohingegen Geschwindigkeitsverteilung (60) eine typische Verteilung bei einem Schnitt mit schlechter Bearbeitungsqualität und geringeren, gemessenen Geschwindigkeiten darstellt.
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3 zeigt in schematischer Ansicht den vereinfachten optischen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem auf das Werkstück (20) gerichteten Bearbeitungsstrahl (11) und Messstrahl (30), wobei der Bearbeitungsstrahl von einer Laserquelle in der Bearbeitungsanlage (13) über ein Lichtleitkabel (14) zum Bearbeitungskopf geführt ist, der aus einer Kollimationseinrichtung (51), einem dichroitisch beschichteten Strahlumlenker (52) und einer Fokussiereinrichtung (50) besteht. Das erfindungsgemäße Messverfahren ist durch eine Vorrichtung bestehend aus einer fasergekoppelten, kohärenten Messlichtquelle (41), polarisationserhaltenen Einmodenfasern (49), zwei faseroptischen Strahlteilern (47a, 47b) („combiner“), einer Verzögerungsleitung (48), zwei Photodetektoren (42a, 42b), einem Zirkulator (46), einem Kollimator (45), einem an einer Verstelleinrichtung (43) befestigten Umlenkspiegel (44) sowie einer Auswerteeinrichtung (40) realisiert. Das von der Messlichtquelle (41) emittierte Licht wird durch den ersten Strahlteiler (47a) in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, wobei ein Teilstrahl den zweiten Strahlteiler (47b) nach Durchlaufen der Verzögerungsleitung (48) erreicht und ein weiterer Teilstrahl nach Durchlaufen des Zirkulators (46) im Kollimator (45) in ein paralleles oder weitestgehend paralleles Strahlenbündel umgeformt, vom verstellbaren Umlenkspiegel (44) umgelenkt wird und die Prozesszone nach Passieren des für die Wellenlängen des Messlichts durchlässigen Strahlumlenkers (52) sowie der Fokussiereinheit (50) beleuchtet. Entsprechend der Beschreibung zu 1 wird ein Teil des Messlichtes in der Prozesszone gestreut und/oder reflektiert und durchläuft den optischen Pfad in umgekehrter Richtung, wird jedoch am Zirkulator (46) zum zweiten Strahlteiler (47b) geführt. Beide Teilstrahlen interferieren im Strahlteiler, wobei die beiden resultierenden Teilstrahlen zu den Photodetektoren (42a) und (42b) geführt sind. Die Ausgangssignale der Photodetektoren (42a, 42b) sind in der Auswerteeinrichtung (40) als symmetrische Detektoren („balanced photodetector“) verschaltet, wobei nur die Differenz beider Ausgangssignale verstärkt und ausgewertet wird. Die Auswerteinheit (40) ist mit der Verstelleinheit (43) verbunden und positioniert durch diese den Messstrahl (30) auf dem Werkstück (20) im Hinblick auf ein maximales Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Die Auswerteeinrichtung (40) ist zudem mit der Bearbeitungsanlage (13) verbunden und tauscht mit dieser Messwerte und/oder interpretierte Messwerte sowie Maschineneinstellungen aus, wodurch eine Prozessregelung und Prozessüberwachung ermöglicht ist.
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4 zeigt eine Abwandlung des Aufbaus aus 3 nach Art eines Fabry-Perot Interferometers in einer schematischen Darstellung. Das erfindungsgemäße Messverfahren ist hier durch eine Vorrichtung bestehend aus einer fasergekoppelten, kohärenten Messlichtquelle (41), Einmodenfasern (49), einem Photodetektor (42), einem Zirkulator (46), einem Kollimator (45), einem an einer Verstelleinrichtung (43) befestigten Umlenkspiegel (44) sowie einer Auswerteeinrichtung (40) aufgebaut. Das von der Messlichtquelle emittierte Licht durchläuft den Zirkulator (46) und wird am Faserende beim Kollimator (45) aufgrund eines vorhanden Reflexionskoeffizienten in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, wobei ein Teilstrahl durch den Kollimator (45) in einen gebündelten Messlichtstrahl (30) umgeformt und vom verstellbaren Umlenkspiegel (44) umgelenkt wird und die Prozesszone nach Durchlaufen des Strahlumlenkers (52) sowie der Fokussiereinheit (50) beleuchtet. Der am Faserende reflektierte Teilstrahl wird durch den Zirkulator (46) in Richtung Photodetektor (42) geleitet. Das aus der Prozesszone gestreute und/oder reflektierte Messlicht durchläuft den optischen Pfad in umgekehrter Richtung und wird vom Zirkulator (46) ebenfalls in Richtung Photodetektor (42) geleitet, wobei das reflektierte Messlicht nun einen gemeinsamen optischen Pfad mit dem ersten, am Faserende reflektierten, Teilstrahl aufweist und daher mit diesem interferiert. Gegenüber des Aufbaus aus 3 zeichnet sich der Aufbau in 4 durch eine geringere Anzahl optischer Elemente aus. Zudem kann auf die Verwendung polarisationserhaltender Fasern verzichtet werden, da der optische Pfad beider Teilstrahlen innerhalb von Fasern identisch ist. Doppelbrechung oder Vorzugspolarisationen innerhalb der Faser wirken sich daher nicht negativ auf die Interferenzfähigkeit der Teilstrahlen aus.
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5 zeigt eine Abwandlung des Aufbaus aus 3 nach Art eines selbstdurchmischenden Interferometers („self-mixing interferometry“) in einer schematischen Abbildung. Die Erfindung ist in dieser Abbildung durch eine Vorrichtung bestehend aus einer Laserquelle (31), vorzugsweise einer Laserdiode, einem Kollimator (45), einem an einer Verstelleinrichtung (43) befestigten Umlenkspiegel (44) sowie einer Auswerteeinrichtung (40) dargestellt. Das von der Laserquelle (31) emittierte Messlicht (30) wird vom Kollimator in ein paralleles Strahlenbündel umgeformt und von dem verkippbaren Umlenkspiegel (44) durch den Strahlteiler (52) und die Fokussiereinheit (50) auf die Prozesszone gelenkt. Das vom Prozess reflektierte und/oder gestreute Messlicht gelangt durch den identischen optischen Pfad zurück in die Kavität der Laserquelle (31), in der es mit dem Licht innerhalb des Laserresonators interferiert. Die Interferenzmuster stellen sich als Modulation der optischen Ausgangsleistung der Laserquelle (31) dar, welche durch einen integrierten Photodetektor, welcher bei Laserquellen typischerweise zur Istwertgenerierung der optischen Ausgangsleistungsregelung vorhanden ist, in elektrische Signale gewandelt wird. Die Laserquelle (31) ist elektrisch mit der Auswerteeinrichtung (40) verbunden, welche die Messwerte interpretiert und mit der Bearbeitungsanlage (13) austauscht.
