DE102018219129B3 - Verfahren und Computerprogrammprodukt zur OCT-Messstrahljustierung - Google Patents

Verfahren und Computerprogrammprodukt zur OCT-Messstrahljustierung Download PDF

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Jan-Patrick Hermani
Martin Stambke
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Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen von Abweichungen zwischen dem Koordinatensystem (15) eines um zwei Achsen (C, D) verkippbaren Messscanners (13), der einen Messstrahl (12) zweidimensional ablenkt, und dem Koordinatensystem (10) eines um zwei Achsen (A, B) verkippbaren Bearbeitungsscanners (7), der sowohl den vom Messscanner abgelenkten Messstrahl (12) als auch einen Bearbeitungsstrahl (3) zweidimensional auf ein Werkstück (2) ablenkt, umfasst:
- Ermitteln der x-y-Fokuslagenabweichung des Bearbeitungsstrahls relativ zur Lochblendenmitte (20) eines auf der Werkstückauflageebene (8) angeordneten Lochblendendetektors (21) durch Abscannen der Lochblende mit dem vom Bearbeitungsscanner abgelenkten Bearbeitungsstrahl in einem x-y-Raster und durch Auswerten der in jedem der Rasterpunkte (23) detektierten Laserleistung, sowie Fixieren des Bearbeitungsscanners in der anhand der ermittelten x-y-Fokuslagenabweichung korrigierten Scanstellung, in der sich die Fokuslage des Bearbeitungsstrahls in einer vorbestimmten Position befindet;
- bei in der korrigierten Scanstellung fixiertem Bearbeitungsscanner Erfassen von ortsauflösenden Höheninformationen der Lochblende mittels eines Sensors (17) durch Abscannen der Lochblende mit dem vom Messscanner abgelenkten Messstrahl; und
- Bestimmen einer translatorischen Abweichung (Δx, Δy) zwischen den Koordinatensystemen anhand der im Sensorbild des Sensors vorhandenen Abweichung zwischen der der Fokuslage des Bearbeitungsstrahls entsprechenden vorbekannten Bildposition und der aus den Höheninformationen erfassten Lochblendenmitte (20').

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von translatorischen und/oder rotatorischen Abweichungen zwischen dem Messkoordinatensystem eines um zwei Achsen verkippbaren Messspiegelscanners, der einen z.B. von einem Kohärenztomographen erzeugten Messstrahl zweidimensional ablenkt, und dem Bearbeitungskoordinatensystem eines um zwei Achsen verkippbaren Bearbeitungsspiegelscanners, der sowohl den vom Messspiegelscanner abgelenkten Messstrahl als auch einen Bearbeitungsstrahl zweidimensional auf ein Werkstück ablenkt, wobei der am Werkstück reflektierte Messstrahl den Pfad des einfallenden Messstrahls zurückläuft und von einem ortauflösenden Messsensor erfasst wird, um ortauflösende Informationen des Werkstücks zu ermitteln, und wobei in einer Nullstellung des Messspiegelscanners der reflektierte Messstrahl im Sensorbild des Messsensors auf eine vorbekannte Bildposition abgebildet wird.
  • Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise durch die DE 10 2015 012 565 B3 bekannt geworden.
  • Beispielsweise zum Schweißen von Kehlnähten ist es erforderlich, die Relativposition zwischen Laserbrennfleck und Werkstück zu regeln. Diese Nahtlageregelung kann mittels der sogenannten optischen Kohärenztomographie (engl.: Optical Coherence Tomography, OCT) erfolgen. Dieses Verfahren basiert auf dem Grundprinzip der Interferenz von Lichtwellen und ermöglicht es, Höhenunterschiede entlang einer Messstrahlachse im Mikrometerbereich zu erfassen. Dazu wird von einem Kohärenztomographen ein Laserstrahl 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 einen Referenzarm weitergeleitet und am Ende des Referenzarms reflektiert. Der reflektierte Referenzstrahl wird ebenfalls an den Strahlteiler zurückgeführt. Die Überlagerung der beiden reflektierten Strahlen wird schließlich detektiert, um unter Berücksichtigung der Länge des Referenzarms Höheninformationen über die Oberfläche und/oder die aktuelle Eindringtiefe eines Bearbeitungsstrahls in ein Werkstück zu ermitteln.
  • Sowohl der Bearbeitungsstrahl als auch der Messstrahl durchlaufen vor einer Einkopplung in einen gemeinsamen Bearbeitungsscanner, über den eine Auslenkung von Messstrahl und Bearbeitungsstrahl auf verschiedene Bearbeitungspositionen erfolgen kann, diverse optische Elemente innerhalb der Bearbeitungsstrahloptik sowie der Messstrahloptik. Typischerweise werden zwar in einem anfänglichen Kalibriervorgang die Elemente der jeweiligen Optiken für Messstrahl und Bearbeitungsstrahl derart eingestellt, dass bei einer vorgegebenen Nullstellung dieser optischen Elemente und deren zugeordneten Ablenkvorrichtungen innerhalb dieser Optiken eine Deckungsgleichheit des Bearbeitungsstrahls und des Messstrahls auf dem Werkstück vorliegt. Wird dann aber nach dem Kalibriervorgang während des Bearbeitungsprozesses ein gewünschter Soll-Versatz von Messstrahlposition und Bearbeitungsposition eingestellt, so müssen die der Messstrahloptik und der Bearbeitungsstrahloptik zugeordneten Ablenkvorrichtungen, also der Bearbeitungsscanner zum gemeinsamen Ablenken von Bearbeitungsstrahl und Messstrahl sowie ein vorgeordneter Messscanner zum Ablenken des Messstrahls, entsprechend verstellt werden, wobei sie die ursprüngliche Nullstellung verlassen. Dies führt dazu, dass sich im Bearbeitungsprozess trotz vorangehender Kalibriervorgänge nach Verlassen der Nullstellung unerwünschte Abweichungen von einem Soll-Strahlenverlauf ergeben, sodass keine Deckungsgleichheit mehr zwischen dem Bearbeitungsstrahl und dem Messstrahl vorliegt. Ursache für diese Abweichungen in der Relativposition zwischen beiden Scannern können fertigungsbedingte Ungenauigkeiten, Montage und verschiedene Einflüsse, wie z.B. Temperaturschwankungen während der Bearbeitung, sein. Diese Abweichungen müssen erfasst und korrigiert werden.
  • Bei dem aus der eingangs genannten DE 10 2015 012 565 B3 bekannten Verfahren wird die Messstrahlposition auf dem Werkstück bei Einnahme der Nullstellungen der Bearbeitungs- und Messscanner in einem vorangehenden Kalibrierungsverfahren durch eine Langzeitbelichtung ermittelt, bei der die Messstrahlposition auf dem Werkstück durch einen vom Messsensor erfassbaren optischen Marker auf dem Werkstück hervorgehoben und die Bildposition dieser optischen Markierung im Sensorbild des Messsensors bestimmt und gespeichert wird. Die Messstrahlposition kann während des Kalibrierungsvorgangs beispielsweise exakt auf das Bildzentrum justiert werden. Alternativ kann ein bei der Nullstellung ermittelter Versatz der Messstrahlposition zum Bildzentrum hinterlegt und bei weiteren Berechnungs- oder Regelungsvorgängen als entsprechender Fehlerwert berücksichtigt werden. Wird in der Folge die Bearbeitungsstrahlposition auf dem Werkstück koordinatenmäßig erfasst, so stellt eine Abweichung vom Bildzentrum einen unerwünschten Relativversatz der Bearbeitungsstrahlposition zu der Messstrahlposition dar, wobei dieser Versatz über bekannte Bildauswertalgorithmen ermittelbar ist und durch eine Positionsregelung des Messscanners ausgeglichen wird. Alternativ zum Kalibrierungsverfahren kann der reflektierte Messstrahl zurück in Richtung des Messsensors umgelenkt werden, sodass die tatsächliche Messstrahlposition in dem erfassten Sensorbild erkennbar ist und auch hier ein Versatz durch eine Positionsregelung des Messscanners ausgeglichen wird.
  • Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, bei dem eingangs genannten Verfahren translatorische und/oder rotatorische Abweichungen zwischen dem Bearbeitungskoordinatensystem des Bearbeitungsscanners und dem Messkoordinatensystem des Messspiegelscanners auf andere Art und Weise zu bestimmen.
  • Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß bzgl. einer translatorischen Abweichung durch folgende Verfahrensschritte (a) gelöst:
    • - Ermitteln der x-y-Fokuslagenabweichung des Bearbeitungsstrahls relativ zur Lochblendenmitte eines auf der Werkstückauflageebene angeordneten Lochblendendetektors durch Abscannen der Lochblende mit dem vom Bearbeitungsspiegelscanner abgelenkten Bearbeitungsstrahl in einem x-y-Raster und durch Auswerten der in jedem der Rasterpunkte detektierten Laserleistung gemäß dem in der DE 10 2011 006 553 A1 geschildeten Verfahrens, dessen gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird, sowie Fixieren des Bearbeitungsspiegelscanners in der anhand der ermittelten x-y-Fokuslagenabweichung korrigierten Scanstellung, in der sich die Fokuslage des Bearbeitungsstrahls in einer vorbestimmten Position, insbesondere in der Lochblendenmitte, befindet;
    • - bei in der korrigierten Scanstellung fixiertem Bearbeitungsspiegelscanner Erfassen von ortsauflösenden Höheninformationen der Lochblende mittels des Messsensors durch Abscannen der Lochblende mit dem vom Messspiegelscanner abgelenkten Messstrahl; und
    • - Bestimmen einer translatorischen Abweichung zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem anhand der im Sensorbild des Messsensors vorhandenen Abweichung zwischen der der Fokuslage des Bearbeitungsstrahls entsprechenden vorbekannten Bildposition und der aus den Höheninformationen erfassten Lochblendenmitte.
  • Erfindungsgemäß wird der Bearbeitungsstrahl exakt auf die Lochblendenmitte ausgerichtet und anschließend die Lochblende mittels des vom Messspiegelscanner abgelenkten Messstrahls abgescannt. Der Relativversatz im Sensorbild zwischen der vorbekannten Bildposition und der höhenmäßig erfassten Lochblendenmitte ergibt die translatorische Abweichung der beiden Scannerkoordinatensysteme, die dann beispielsweise durch eine Positionsregelung des Messscanners ausgeglichen werden kann.
  • Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß bzgl. einer rotatorischen Abweichung durch folgende Verfahrensschritte (b) gelöst:
    • - Ablenken des Messstrahls jeweils um einen positiven und einen negativen Festbetrag in der Werkstückauflageebene durch Verkippen des Bearbeitungsspiegelscanners um seine eine, erste Kippachse und bei in diesen verkippten Scanstellungen jeweils fixiertem Bearbeitungsspiegelscanner Erfassen einer an der Werkstückauflageebene angeordneten linearen Höhenkante mittels des Messsensors jeweils durch einen Linienscan des Messstrahls durch Auslenken des Messspiegelscanners um seine eine, zweite Kippachse, sowie Ermitteln einer Achse des Bearbeitungskoordinatensystems anhand der erfassten Schnittpunkte der beiden Linienscans mit der Höhenkante;
    • - Ablenken des Messstrahls jeweils um einen positiven und einen negativen Festbetrag in der Werkstückauflageebene durch Verkippen des Messspiegelscanners um seine andere, erste Kippachse und bei in diesen verkippten Scanstellungen jeweils fixiertem Messspiegelscanner Erfassen der Höhenkante mittels des Messsensors jeweils durch einen Linienscan des Messstrahls durch Auslenken des Bearbeitungsspiegelscanners um seine zweite Kippachse, sowie Ermitteln einer Achse des Messkoordinatensystems anhand der erfassten Schnittpunkte der beiden Linienscans mit der Höhenkante; und
    • - Bestimmen einer rotatorischen Abweichung zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem anhand der ermittelten Achsen des Bearbeitungs- und des Messkoordinatensystems.
  • Erfindungsgemäß wird durch einen Linienscan einer auf der Werkstückauflageebene vorgesehenen linearen Höhenkante, also eines dreidimensionalen Oberflächenmerkmals, und der gleichzeitigen Auslenkung des Mess- und des Bearbeitungsspiegelscanners jeweils um eine Kippachse die rotatorische Abweichung der beiden Scannerkoordinatensysteme bestimmt, die dann beispielsweise durch eine Positionsregelung des Messscanners ausgeglichen werden kann
  • Der Bearbeitungs- und der Messspiegelscanner können jeweils einen um zwei Kippachsen verkippbaren, zweiachsigen Spiegel oder zwei jeweils um eine Kippachse verkippbare, einachsige Spiegel aufweisen.
  • Besonders bevorzugt wird im Verfahrensschritt (a) der Lochblendendetektor auf der Werkstückauflageebene in derjenigen Position angeordnet, in der der Bearbeitungsstrahl möglichst rechtwinklig auf die Werkstückauflageebene auftrifft.
  • Weiterhin bevorzugt liegt im Verfahrensschritt (a) die vorbekannte Bildposition im Bildzentrum des Sensorbilds des Messsensors. Dazu kann die vorbekannte Bildposition - z.B. während eines vorangegangenen Kalibrierungsvorgangs - exakt auf das Bildzentrum justiert worden sein.
  • Vorteilhaft sind im Verfahrensschritt (b) der positive und der negative Festbetrag jeweils gleich groß.
  • Ganz besonders bevorzugt ist im Verfahrensschritt (b) die Höhenkante eine Kante, die entweder ein auf der Werkstückauflageebene angeordnetes Bauteil aufweist oder zuvor an einem auf der Werkstückauflageebene angeordneten Werkstück durch Materialabtragen mittels des Bearbeitungsstrahls erzeugt worden ist.
  • Vorzugsweise wird der am Werkstück reflektierte Messstrahl zwischen dem Messspiegelscanner und einem den Messstrahl aussendenden Laserstrahlerzeuger, insbesondere Kohärenztomograph, in Richtung auf den Messsensor abgelenkt.
  • Eine erfindungsgemäß bestimmte translatorische und/oder rotatorische Abweichung zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem kann durch eine Positionsregelung des Messscanners, z.B. von einer Maschinensteuerung, entsprechend korrigiert werden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des oben beschriebenen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung einer Laserbearbeitungsmaschine abläuft.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:
    • 1 schematisch eine Laserbearbeitungsmaschine, die zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von translatorischen und/oder rotatorischen Abweichungen zwischen den Koordinatensystemen eines Bearbeitungsspiegelscanners und eines Messspiegelscanners geeignet ist;
    • 2a, 2b einen auf einer Werkstückauflageebene angeordneten Lochblendendetektor zum Ermitteln einer x-y-Fokuslagenabweichung eines Bearbeitungsstrahls in einer perspektivischen Ansicht (2a) und in einer Draufsicht (2b);
    • 3 das Sensorbild eines ortsauflösenden Messsensors zur Bestimmung einer translatorischen Abweichung zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem;
    • 4a, 4b eine auf einer Werkstückauflageebene angeordnete Höhenkante zum Ermitteln der y-Achse eines Bearbeitungskoordinatensystems (4a) und zum Ermitteln der y-Achse eines Messkoordinatensystems (4b); und
    • 5 das Sensorbild eines ortsauflösenden Messsensors zur Bestimmung einer rotatorischen Abweichung zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem.
  • Die in 1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 dient zur Bearbeitung von Werkstücken 2 mittels eines (Laser)Bearbeitungsstrahls 3.
  • Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst einen Laserstrahlerzeuger 4 zum Erzeugen des Bearbeitungsstrahls 3, einen ersten Umlenkspiegel 5, der den Bearbeitungsstrahl 3 um z.B. 90° umlenkt, einen optionalen zweiten Umlenkspiegel 6, der den Bearbeitungsstrahl 3 erneut um z.B. 90° umlenkt, sowie einen Bearbeitungsspiegelscanner 7 zum zweidimensionalen Ablenken des Bearbeitungsstrahls 3 in Richtung auf ein auf einer Werkstückauflageebene 8 angeordnetes Werkstück 2. Der Bearbeitungsspiegelscanner 7 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als ein um zwei Kippachsen A, B verkippbarer, also zweiachsiger Spiegel 9 ausgeführt, aber kann alternativ auch durch zwei jeweils um nur eine Kippachse A, B verkippbare, also einachsige Spiegel gebildet sein. Das von den beiden Kippachsen A, B definierte Bearbeitungskoordinatensystem ist mit 10 bezeichnet.
  • Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst weiterhin einen Kohärenztomographen als Messstrahlerzeuger 11 zum Erzeugen eines gestrichelt dargestellten OCT-(Laser)Messstrahls 12 sowie einen Messspiegelscanner 13 zum zweidimensionalen Ablenken des Messstrahls 12 auf den für den Messstrahl 12 beidseitig durchlässigen ersten Umlenkspiegel 5. Der Messspiegelscanner 13 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als ein um zwei Kippachsen C, D verkippbarer, also zweiachsiger Spiegel 14 ausgeführt, aber kann alternativ auch durch zwei jeweils um nur eine Kippachse C, D verkippbare, also einachsige Spiegel gebildet sein. Das von den beiden Kippachsen C, D definierte Messkoordinatensystem ist mit 15 bezeichnet. Die Kippachsen A und C verlaufen parallel zueinander, im gezeigten Ausführungsbeispiel in der X-Richtung, und die Kippachsen B und D verlaufen parallel zueinander, im gezeigten Ausführungsbeispiel in der Y-Richtung.
  • In 1 sind sowohl der Bearbeitungsscanner 7 als auch der Messscanner 13 in ihrer sogenannten Nullstellung gezeigt. Das heißt, die beiden Achsen A, B und C, D der jeweiligen Scanner 7, 13 nehmen jeweils eine in 1 gezeigte neutrale Referenzstellung (Nulllage) ein, in der sie keine gezielten Strahlauslenkungen bewirken. In der Nulllage des Messscanners 13 wird der Messstrahl 12 am ersten Umlenkspiegel 5 kollinear in den Bearbeitungsstrahl 3 eingekoppelt. Am Bearbeitungsspiegelscanner 7 werden dann sowohl der Bearbeitungsstrahl 3 als auch der Messstrahl 12 zweidimensional in Richtung auf das Werkstück 2 abgelenkt.
  • Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst ferner einen zwischen Messstrahlerzeuger 11 und Messspiegelscanner 13 angeordneten Umlenkspiegel 16, der für den vom Messstrahlerzeuger 11 kommenden Messstrahl 12 durchlässig ist. Der am Werkstück 2 reflektierte Messstrahl 12' läuft den Pfad des einfallenden Messstrahls 12 zurück und wird von dem in dieser Richtung undurchlässigen oder teildurchlässigen Umlenkspiegel 16 auf einen ortauflösenden Messsensor 17 umgelenkt. In der Nullstellung des Messspiegelscanners 13 wird der reflektierte Messstrahl 12' im Sensorbild 18 (3) des Messsensors 17 auf eine vorbekannte Bildposition 19, in 3 lediglich beispielhaft die Bildmitte, abgebildet.
  • Zur Bestimmung einer translatorischen Abweichung zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem 10, 15 wird wie folgt vorgegangen:
    Wie in 2a, 2b gezeigt, wird zunächst nach dem aus DE 10 2011 006 553 A1 bekannten Verfahren eine x-y-Fokuslagenabweichung des Bearbeitungsstrahls 3 relativ zur Lochblendenmitte 20 eines auf der Werkstückauflageebene 8 angeordneten Lochblendendetektors 21 ermittelt. Dies erfolgt durch Abscannen der Lochblende 22 mit dem vom Bearbeitungsspiegelscanner 7 abgelenkten Bearbeitungsstrahl 3 in einem x-y-Raster und durch Auswerten der in jedem der Rasterpunkte 23 von einer der Lochblende 20 nachgeordneten Detektorfläche 24 detektierten Laserleistung. Der Bearbeitungsspiegelscanner 7 wird dann in der anhand der ermittelten x-y-Fokuslagenabweichung korrigierten Scanstellung fixiert, in der sich die Fokuslage des Bearbeitungsstrahls 3 exakt in der Lochblendenmitte 18 befindet.
  • Bei so fixiertem Bearbeitungsspiegelscanner 7 wird durch Abscannen der Lochblende 22 mit dem vom Messspiegelscanner 13 abgelenkten Messstrahl 12 die Höhe der Lochblende 22 mittels des Messsensors 17 ortsauflösend erfasst. Wie in 3 gezeigt, kann anhand der im Sensorbild 18 des Messsensors 17 vorhandenen Abweichung zwischen der der Fokuslage des Bearbeitungsstrahls 3 entsprechenden vorbekannten Bildposition 19 und der Lochblendenmitte 20' der höhenmäßig erfassten Lochblende 22' eine translatorische Abweichung Δx, Δy zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem 10, 15 bestimmt werden.
  • Vorzugsweise wird der Lochblendendetektor 21 auf der Werkstückauflageebene 8 dort angeordnet, wo der Bearbeitungsstrahl 3 möglichst rechtwinklig auf die Werkstückauflageebene 8 auftrifft.
  • Zur Bestimmung einer rotatorischen Abweichung um die Z-Achse zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem 10, 15 wird wie folgt vorgegangen:
    Wie in 4a gezeigt, wird zunächst ein Bauteil 25 mit einer linearen Höhenkante 26 auf der Werkstückauflageebene 8 aufgelegt, und zwar bei 27, wo in den Nulllagen des Bearbeitungs- und des Messspiegelscanners 7, 13 der Messstrahl 12 auf die Werkstückauflageebene 8 auftrifft. Statt an einem separaten Bauteil 25 kann die Höhenkante 26 auch an dem Lochblendendetektor 21 ausgebildet sein. In einem ersten Schritt wird, wie in 4a weiter gezeigt ist, der Messstrahl 12 jeweils um einen positiven und einen negativen Festbetrag +dy, -dy in der Werkstückauflageebene 8 durch Verkippen des Bearbeitungsspiegelscanners 7 um die Kippachse A abgelenkt und bei in diesen verkippten Scanstellungen jeweils fixiertem Bearbeitungsspiegelscanner 7 die Höhenkante 26 mittels des Messsensors 17 jeweils durch einen Linienscan 28a, 28b des Messstrahls 12 durch Auslenken des Messspiegelscanners 13 um die Kippachse D erfasst. Wie in 5 gezeigt, kann dann im Sensorbild 18 des Messsensors 17 anhand der dort abgebildeten Schnittpunkte 29a, 29b der beiden Linienscans 28a, 28b mit der Höhenkante 26 die yBKS-Achse des Bearbeitungskoordinatensystems 10 ermittelt werden. In einem zweiten Schritt wird, wie in 4b gezeigt ist, der Messstrahl 12 jeweils um einen positiven und einen negativen Festbetrag +dy, -dy in der Werkstückauflageebene 8 durch Verkippen des Messspiegelscanners 13 um die Kippachse C abgelenkt und bei in diesen verkippten Scanstellungen jeweils fixiertem Messspiegelscanner 13 Erfassen die Höhenkante 26 mittels des Messsensors 17 jeweils durch einen Linienscan 30a, 30b des Messstrahls 12 durch Auslenken des Bearbeitungsspiegelscanners 7 um die Kippachse B erfasst. Wie ebenfalls in 5 gezeigt, kann dann im Sensorbild 18 des Messsensors 17 anhand der dort abgebildeten Schnittpunkte 31a, 31b der beiden Linienscans 30a, 30b mit der Höhenkante 26 die yMSK-Achse des Messkoordinatensystems 15 ermittelt werden. In einem dritten Schritt wird, wie in 5 gezeigt, eine rotatorische Abweichung Δα zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem 10, 15 anhand des Schnittwinkels der ermittelten Achsen yBKS , yMKS des Bearbeitungs- und des Messkoordinatensystems 10, 15 bestimmt.
  • Die so bestimmten translatorischen und rotatorischen Abweichungen Δx, Δy, Δα können beispielsweise von einer Maschinensteuerung der Laserbearbeitungsmaschine 1 durch eine Verschiebung und Verdrehung des Messspiegelscanners 13 korrigiert werden.
  • Statt die Höhenkante 26 am Bauteil 25 oder am Lochblendendetektor 21 vorzusehen, kann die lineare Höhenkante 26 auch direkt durch einen Laserabtragprozess an einem auf der Werkstückauflageebene 8 befindlichen Werkstück 2 generiert werden, beispielsweise parallel zu den B, D-Achsen.
  • Der Bearbeitungs- und der Messspiegelscanner 7, 13 können, statt wie oben beschrieben als 2D-Scanner, auch als 3D-Scanner ausgeführt sein, so dass der jeweilige Laserfokus auch entlang des Bearbeitungs- bzw. Messstrahls 3, 12, also in Z-Richtung, verstellt werden kann. Dazu ist im Strahlengang des Bearbeitungsstrahls 3 zwischen dem Laserstrahlerzeuger 4 und dem Bearbeitungsspiegelscanner 7, hier lediglich beispielhaft zwischen dem Laserstrahlerzeuger 4 und dem ersten Umlenkspiegel 5, eine Kollimationslinse 32 angeordnet, die mittels einer gesteuerten Achse 33 entlang des Bearbeitungsstrahls 3 verschiebbar ist. Im Strahlengang des Messstrahls 12 ist zwischen dem Messstrahlerzeuger 11 und dem Messspiegelscanner 13, hier lediglich beispielhaft zwischen dem Umlenkspiegel 16 und dem Messspiegelscanner 13, eine Kollimationslinse 34 angeordnet, die mittels einer gesteuerten Achse 35 entlang des Messstrahls 12 verschiebbar ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bestimmen von translatorischen und/oder rotatorischen Abweichungen zwischen dem Messkoordinatensystem (15) eines um zwei Achsen (C, D) verkippbaren Messspiegelscanners (13), der einen Messstrahl (12) zweidimensional ablenkt, und dem Bearbeitungskoordinatensystem (10) eines um zwei Achsen (A, B) verkippbaren Bearbeitungsspiegelscanners (7), der sowohl den vom Messspiegelscanner (13) abgelenkten Messstrahl (12) als auch einen Bearbeitungsstrahl (3) zweidimensional auf ein Werkstück (2) ablenkt, wobei der am Werkstück (2) reflektierte Messstrahl (12') den Pfad des einfallenden Messstrahls (12) zurückläuft und von einem ortsauflösenden Messsensor (17) erfasst wird, um ortsauflösende Informationen des Werkstücks (2) zu ermitteln, und wobei in einer Nullstellung des Messspiegelscanners (13) der reflektierte Messstrahl (12') im Sensorbild (18) des Messsensors (17) auf eine vorbekannte Bildposition (19) abgebildet wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: (a) - Ermitteln der x-y-Fokuslagenabweichung des Bearbeitungsstrahls (3) relativ zur Lochblendenmitte (20) eines auf der Werkstückauflageebene (8) angeordneten Lochblendendetektors (21) durch Abscannen der Lochblende (22) mit dem vom Bearbeitungsspiegelscanner (7) abgelenkten Bearbeitungsstrahl (3) in einem x-y-Raster und durch Auswerten der in jedem der Rasterpunkte (23) detektierten Laserleistung, sowie Fixieren des Bearbeitungsspiegelscanners (7) in der anhand der ermittelten x-y-Fokuslagenabweichung korrigierten Scanstellung, in der sich die Fokuslage des Bearbeitungsstrahls (3) in einer vorbestimmten Position, insbesondere in der Lochblendenmitte (20), befindet; - bei in der korrigierten Scanstellung fixiertem Bearbeitungsspiegelscanner (7) Erfassen von ortsauflösenden Höheninformationen der Lochblende (22) mittels des Messsensors (17) durch Abscannen der Lochblende (22) mit dem vom Messspiegelscanner (13) abgelenkten Messstrahl (12); und - Bestimmen einer translatorischen Abweichung (Δx, Δy) zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem (10, 15) anhand der im Sensorbild (18) des Messsensors (17) vorhandenen Abweichung zwischen der der Fokuslage des Bearbeitungsstrahls (3) entsprechenden vorbekannten Bildposition (19) und der aus den Höheninformationen erfassten Lochblendenmitte (20'); und/oder (b) - Ablenken des Messstrahls (12) jeweils um einen positiven und einen negativen Festbetrag (+dy, -dy) in der Werkstückauflageebene (8) durch Verkippen des Bearbeitungsspiegelscanners (7) um seine eine, erste Kippachse (A) und bei in diesen verkippten Scanstellungen jeweils fixiertem Bearbeitungsspiegelscanner (7) Erfassen einer an der Werkstückauflageebene (8) angeordneten linearen Höhenkante (26) mittels des Messsensors (17) jeweils durch einen Linienscan (28a, 28b) des Messstrahls (12) durch Auslenken des Messspiegelscanners (13) um seine eine, zweite Kippachse (D), sowie Ermitteln einer Achse (yBKS) des Bearbeitungskoordinatensystems (10) anhand der erfassten Schnittpunkte (29a, 29b) der beiden Linienscans (28a, 28b) mit der Höhenkante (26); - Ablenken des Messstrahls (12) jeweils um einen positiven und einen negativen Festbetrag (+dy, -dy) in der Werkstückauflageebene (8) durch Verkippen des Messspiegelscanners (13) um seine andere, erste Kippachse (C) und bei in diesen verkippten Scanstellungen jeweils fixiertem Messspiegelscanner (13) Erfassen der Höhenkante (26) mittels des Messsensors (17) jeweils durch einen Linienscan (30a, 30b) des Messstrahls (12) durch Auslenken des Bearbeitungsspiegelscanners (7) um seine zweite Kippachse (B), sowie Ermitteln einer Achse (yMKS) des Messkoordinatensystems (15) anhand der erfassten Schnittpunkte (31a, 31b) der beiden Linienscans (30a, 30b) mit der Höhenkante (26); und - Bestimmen einer rotatorischen Abweichung (Δα) zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem (10, 15) anhand der ermittelten Achsen (yBKS, yMKS) des Bearbeitungs- und des Messkoordinatensystems (10, 15).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsspiegelscanner (7) und der Messspiegelscanner (13) jeweils einen um zwei Kippachsen (A, B; C, D) verkippbaren Spiegel (9; 14) oder zwei jeweils um eine Kippachse verkippbare Spiegel aufweisen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt (a) der Lochblendendetektor (21) auf der Werkstückauflageebene (8) dort angeordnet wird, wo der Bearbeitungsstrahl (3) rechtwinklig auf die Werkstückauflageebene (8) auftrifft.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt (a) die vorbekannte Bildposition (19) im Bildzentrum des Sensorbildes (18) liegt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt (b) der positive und der negative Festbetrag jeweils gleich groß sind.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verfahrensschritt (b) ein Bauteil (25), das die Höhenkante (26) aufweist, auf der Werkstückauflageebene (8) angeordnet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verfahrensschritt (b) die Höhenkante (26) an einem auf der Werkstückauflageebene (8) angeordnetem Werkstück (2) durch Materialabtragen mittels des Bearbeitungsstrahls (3) erzeugt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt (b) der am Werkstück (2) reflektierte Messstrahl (12') zwischen dem Messspiegelscanner (13) und einem den Messstrahl (12) aussendenden Laserstrahlerzeuger (11), insbesondere Kohärenztomograph, in Richtung auf den Messsensor (17) abgelenkt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte translatorische und/oder rotatorische Abweichung (Δx, Δy, Δα) durch eine Positionsregelung des Bearbeitungsspiegelscanners (7) und/oder des Messspiegelscanners (13) ausgeglichen wird.
  10. Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung einer Laserbearbeitungsmaschine (1) abläuft.
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