DE102019122047A1

DE102019122047A1 - Ausrichteinheit, Sensormodul umfassend dieselbe und Laserbearbeitungssystem umfassend das Sensormodul

Info

Publication number: DE102019122047A1
Application number: DE102019122047.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Strebel; Georg Spörl
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2019-08-16
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2039-08-17
Also published as: WO2021032387A1; US20220297228A1; DE102019122047B4; CN112703079B; CN112703079A

Abstract

Eine Ausrichteinheit zum Koppeln einer Sensoreinheit an eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses ist angegeben, wobei die Ausrichteinheit umfasst: eine erste Kopplungsvorrichtung mit einem optischen Eingang für eine aus der Laserbearbeitungsvorrichtung ausgekoppelte Prozessstrahlung und einem Koppelelement zum Koppeln an die Laserbearbeitungsvorrichtung; eine zweite Kopplungsvorrichtung mit einem optischen Ausgang und einem Koppelelement zum Koppeln an die Sensoreinheit; eine erste Einstelleinheit, die zwischen der ersten Kopplungsvorrichtung und der zweiten Kopplungsvorrichtung angeordnet ist, und die eingerichtet ist, die erste Kopplungsvorrichtung und die zweite Kopplungsvorrichtung gegeneinander zu verkippen und/oder zumindest in einer Richtung gegeneinander zu verschieben; und eine Fokussieroptik zwischen dem optischen Eingang und dem optischen Ausgang, die entlang der optischen Achse der Fokussieroptik verschiebbar angeordnet ist. Ferner ist ein Sensormodul für ein Laserbearbeitungssystem zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses angegeben, wobei das Sensormodul die Ausrichteinheit umfasst. Ferner ist ein Laserbearbeitungssystem angegeben, wobei das Laserbearbeitungssystem das Sensormodul umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausrichteinheit zum Koppeln einer Sensoreinheit an eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Überwachung eines durch die Laserbearbeitungsvorrichtung durchgeführten Laserbearbeitungsprozesses und ein Sensormodul für ein Laserbearbeitungssystem zur Überwachung eines durch das Laserbearbeitungssystem durchgeführten Laserbearbeitungsprozesses umfassend eine solche Ausrichteinheit. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Laserbearbeitungssystem umfassend ein solches Sensormodul.
Hintergrund
In einem Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert oder gebündelt. Die Bearbeitung kann beispielsweise ein Laserschneiden, -löten oder -schweißen umfassen. Das Laserbearbeitungssystem kann auch als Laserbearbeitungsanlage oder kurz Anlage bezeichnet werden. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserbearbeitungsvorrichtung, beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf, etwa einen Laserschneidkopf oder einen Laserschweißkopf, umfassen. Insbesondere beim Laserschweißen oder -löten eines Werkstücks ist es wichtig, den Schweiß- bzw. Lötprozess kontinuierlich zu überwachen und die Qualität der Bearbeitung zu sichern. Die Überwachung eines Bearbeitungsprozesses erfolgt typischerweise durch Erfassung und Beurteilung verschiedener Parameter einer Prozessstrahlung, auch Prozessstrahl, Prozesslicht oder Prozessemissionen genannt. Dazu zählen beispielsweise von einer Oberfläche des Werkstücks zurückgestreutes oder zurückreflektiertes Laserlicht, durch die Bearbeitung entstehende Plasmastrahlung, Prozessemissionen im infraroten Bereich des Lichts, wie Temperaturstrahlung, oder Prozessemissionen im sichtbaren Bereich des Lichts.
Die Erfassung der Signale erfolgt typischerweise mittels einer Sensoreinheit, die mit der Laserbearbeitungsvorrichtung verbunden ist. Die Prozessstrahlung wird aus der Laserbearbeitungsvorrichtung in die Sensoreinheit eingekoppelt. Die Sensoreinheit enthält typischerweise mehrere Detektoren oder Sensoren, die verschiedene Parameter der Prozessstrahlung detektieren und als Messsignal ausgeben.
Um eine optimale Überwachung durch die Sensoreinheit sicherzustellen, muss die Sensoreinheit vor Inbetriebnahme mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung justiert werden. Die Justage hat zum Zweck, die Sensoreinheit auf die jeweilige Laserbearbeitungsvorrichtung einzustellen. Die Sensoreinheit wird insbesondere an die Ausrichtung und Fokussierung der aus der Laserbearbeitungsvorrichtung ausgekoppelte Prozessstrahlung eingestellt oder ausgerichtet, um eine optimale Detektion der Prozessstrahlung und somit eine genaue Ermittlung der Parameter zu ermöglichen. Die Justage erfolgt typischerweise dadurch, dass jeder Detektor der Sensoreinheit einzeln auf die Prozessstrahlung eingestellt wird. Die Justage ist deshalb sehr zeitaufwendig und muss ferner direkt an der jeweiligen Laserbearbeitungsvorrichtung durchgeführt werden.
Ferner ist es wünschenswert, die ausgegebenen Messsignale mehrerer Sensoreinheiten, die an verschiedenen Laserbearbeitungsvorrichtungen angebracht sind, oder die ausgegebenen Messsignale verschiedener Sensoreinheiten, die nacheinander an derselben Laserbearbeitungsvorrichtung angebracht wurden, miteinander zu vergleichen. Die Vergleichbarkeit der Messsignale ist typischerweise nicht gegeben, da zwischen zwei Sensoreinheiten stets Unterschiede im optischen Strahlengang, d.h. im optischen Weg der Prozessstrahlung, und/oder Unterschiede in den verwendeten elektronischen Bauteilen bestehen. Unterschiede im optischen Strahlengang können dabei durch unterschiedliche Transmissions- oder Reflexionseigenschaften der in den jeweiligen Sensoreinheiten verwendeten optischen Komponenten wie Linsen und Spiegeln oder durch Abbildungsfehler der optischen Komponenten, beispielsweise Farbfehler oder Fokuslagenfehler, entstehen. Unterschiede in der Elektronik können z.B. durch unterschiedliche Sensitivitäten der eingesetzten Detektoren oder ganz allgemein durch Fertigungstoleranzen der verwendeten Bauteile bestehen. Die genannten Unterschiede können beispielsweise dazu führen, dass Messsignalstärken von zwei Sensoreinheiten unterschiedlich sind. Dadurch muss wiederum eine bereits für eine Laserbearbeitungsvorrichtung Prozessüberwachung bzw. -regelung für jede Sensoreinheit neu eingerichtet werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine reproduzierbare Überwachung von Laserbearbeitungsprozessen sicherzustellen. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Inbetriebnahme einer Sensoreinheit für ein Laserbearbeitungssystem zu vereinfachen. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, die Justage einer Sensoreinheit für ein Laserbearbeitungssystem zu vereinfachen.
Die Aufgaben werden durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Ausrichteinheit zum Koppeln einer Sensoreinheit an eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses angegeben, wobei die Ausrichteinheit umfasst: eine erste Kopplungsvorrichtung mit einem ersten optischen Eingang für eine aus der Laserbearbeitungsvorrichtung ausgekoppelte Prozessstrahlung und einem Koppelelement zum Koppeln an die Laserbearbeitungsvorrichtung; eine zweite Kopplungsvorrichtung mit einem ersten optischen Ausgang und einem Koppelelement zum Koppeln an die Sensoreinheit; eine erste Einstelleinheit, die zwischen der ersten Kopplungsvorrichtung und der zweiten Kopplungsvorrichtung angeordnet ist, und die eingerichtet ist, die erste Kopplungsvorrichtung und die zweite Kopplungsvorrichtung gegeneinander zu verkippen und/oder zumindest in einer Richtung gegeneinander zu verschieben; und eine Fokussieroptik zwischen dem ersten optischen Eingang und dem ersten optischen Ausgang, die entlang der optischen Achse der Fokussieroptik verschiebbar angeordnet ist. Eine Ausrichteinheit zum Koppeln einer Sensoreinheit an eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Überwachung eines durch die Laserbearbeitungsvorrichtung durchgeführten Laserbearbeitungsprozesses gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine erste Kopplungsvorrichtung zum Koppeln mit der Laserbearbeitungsvorrichtung, wobei die erste Kopplungsvorrichtung einen ersten optischen Eingang für eine aus der Laserbearbeitungsvorrichtung ausgekoppelte Prozessstrahlung aufweist; eine zweite Kopplungsvorrichtung zum Koppeln mit der Sensoreinheit, wobei die zweite Kopplungsvorrichtung einen ersten optischen Ausgang für die Prozessstrahlung aufweist; und eine erste Einstelleinheit, die zwischen der ersten Kopplungsvorrichtung und der zweiten Kopplungsvorrichtung angeordnet und eingerichtet ist, die zweite Kopplungsvorrichtung gegenüber der ersten Kopplungsvorrichtung zu verkippen und/oder in zumindest einer Richtung senkrecht zu einer Mittelachse des ersten optischen Eingangs zu verschieben. Vorzugsweise ist ferner eine Fokussieroptik vorgesehen, die zwischen dem ersten optischen Eingang und dem ersten optischen Ausgang angeordnet und entlang einer optischen Achse der Fokussieroptik verschiebbar ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Sensormodul für ein Laserbearbeitungssystem zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses angegeben, wobei das Sensormodul umfasst: eine vorstehend beschriebene Ausrichteinheit; und eine Sensoreinheit umfassend ein Koppelelement, das an die zweite Kopplungsvorrichtung der Ausrichteinheit gekoppelt ist, einen optischen Eingang für die aus der Ausrichteinheit austretende Prozessstrahlung, und mindestens einen Detektor zum Detektieren der Prozessstrahlung. Die Ausrichteinheit ist eingerichtet, um die in den optischen Eingang der ersten Kopplungsvorrichtung eintretende Prozessstrahlung auf die Mittelachse des optischen Eingangs der Sensoreinheit auszurichten. Gemäß einem Aspekt kann ein Sensormodul zur Überwachung eines durch die Laserbearbeitungsvorrichtung durchgeführten Laserbearbeitungsprozesses eine Ausrichteinheit wie in dieser Offenbarung beschrieben und eine Sensoreinheit umfassen, wobei die Sensoreinheit mit einem zweiten optischen Eingang für die aus der Ausrichteinheit austretende Prozessstrahlung, einem Koppelelement, das mit der zweiten Kopplungsvorrichtung der Ausrichteinheit gekoppelt ist und den zweiten optischen Eingang an den ersten optischen Ausgang der Ausrichteinheit koppelt, und mindestens einem Detektor zum Detektieren der Prozessstrahlung versehen ist, wobei die Ausrichteinheit eingerichtet ist, eine Mittelachse des zweiten optischen Eingangs der Sensoreinheit auf eine in den ersten optischen Eingang der ersten Kopplungsvorrichtung eintretende Prozessstrahlung auszurichten. Vorzugsweise ist das Koppelelement der Sensoreinheit lösbar mit der zweiten Kopplungsvorrichtung der Ausrichteinheit gekoppelt. Alternativ kann das Koppelelement der Sensoreinheit fest mit der zweiten Kopplungsvorrichtung der Ausrichteinheit verbunden sein. Die Sensoreinheit kann einstückig mit der Ausrichteinheit ausgebildet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserbearbeitungssystem angegeben, welches umfasst: ein in dieser Offenbarung beschriebenes Sensormodul; und eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, insbesondere einen Laserschweißkopf oder einen Laserschneidkopf. Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst einen optischen Ausgang zum Auskoppeln von Prozessstrahlung, d.h. einen sogenannten Prozessstrahlungsausgang, und ein Koppelelement, das mit der ersten Kopplungsvorrichtung der Ausrichteinheit gekoppelt ist. Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann einen Strahlteiler zum Auskoppeln von Prozessstrahlung aus dem Strahlengang eines Laserstrahls aufweisen.
Der zu überwachende Laserbearbeitungsprozess kann insbesondere ein Laserschweißprozess sein. Alternativ kann es sich um einen Laserschneidprozess handeln.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, zwischen der Laserbearbeitungsvorrichtung des Laserbearbeitungssystems und der Sensoreinheit zur Überwachung des Laserbearbeitungsprozesses eine Ausrichteinheit vorzusehen, die es ermöglicht, die Prozessstrahlung auf eine Mittelachse des optischen Eingangs der Sensoreinheit auszurichten und eine definierte Fokuslage der Prozessstrahlung einzustellen. Die Mittelachse des optischen Eingangs der Sensoreinheit kann auch als optische Achse der Sensoreinheit betrachtet werden. Mit anderen Worten kann mithilfe der Ausrichteinheit die Fokuslage und/oder Ausrichtung der aus der Laserbearbeitungsvorrichtung ausgekoppelten Prozessstrahlung auf die Sensoreinheit als Ganzes eingestellt oder ausgerichtet werden. Dadurch müssen einzelne Detektoren der Sensoreinheit nicht mehr einzeln auf die Prozessstrahlung einer jeweiligen Laserbearbeitungsvorrichtung eingestellt werden, sondern können bereits vorab, z.B. bei der Herstellung der Sensoreinheit, auf Prozessstrahlung, die auf die Mittelachse des optischen Eingangs der Sensoreinheit ausgerichtet ist, eingestellt werden.
Bei der Inbetriebnahme der Sensoreinheit an einer jeweiligen Laserbearbeitungsvorrichtung wird die Sensoreinheit als Ganzes dann mit Hilfe der Ausrichteinheit auf die Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. auf die aus der jeweiligen Laserbearbeitungsvorrichtung ausgekoppelten Prozessstrahlung ausgerichtet oder eingestellt. Durch die Ausrichteinheit können Abweichungen des Strahlverlaufs der Prozessstrahlung, welche beispielsweise durch Abbildungsfehler oder falsche Einstellungen der optischen Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung entstehen, ausgeglichen werden.
Bei der Ausrichtung kann sowohl die Fokussieroptik in der Ausrichteinheit entlang der optischen Achse der Fokussieroptik verschoben werden, als auch die gesamte Sensoreinheit im Winkel verstellt und/oder in einer oder zwei Richtungen senkrecht zur optischen Achse der Fokussieroptik verschoben werden. Durch die beschriebene Erfindung ist die Inbetriebnahme stark vereinfacht, da wegen der herstellungsseitigen Kalibrierung die Sensoreinheit als Ganzes nur durch Einstellen des Winkels bzw. der Verschiebung und der Einstellung der Fokussieroptik im Ausrichtmodul ausgerichtet werden kann. Die Sensoreinheit als Ganzes kann also über die Ausrichteinheit bezüglich einer Strahlachse der aus der Laserbearbeitungsvorrichtung ausgekoppelten Prozessstrahlung in einem Winkel verstellt und/oder in zwei Richtungen senkrecht zur optischen Achse verschoben werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist ein schnelleres und reproduzierbares Ersetzen der Sensoreinheit bei Defekt oder bei einem Umbau der Laserbearbeitungsvorrichtung. In diesen Fällen kann eine montierte Sensoreinheit von der Ausrichteinheit getrennt werden. Die Ausrichteinheit kann mit der Laserbearbeitungsvorrichtung verbunden bzw. daran montiert bleiben. Dabei bleibt die Ausrichteinheit auf die Laserbearbeitungsvorrichtung eingestellt. D.h. die Position der ersten Kopplungsvorrichtung und der zweiten Kopplungsvorrichtung der Ausrichteinheit zueinander bleiben unverändert. Ebenso bleibt die Einstellung der Fokussieroptik unverändert. D.h. die Fokuslage und Ausrichtung der Prozessstrahlung mit Bezug auf die Mittelachse des optischen Ausgangs des Ausrichtmoduls ändert sich nicht. Eine andere Sensoreinheit kann anschließend mit der Ausrichteinheit verbunden werden. Da das Ausrichtmodul bereits auf die Laserbearbeitungsvorrichtung eingestellt ist und in dieser Einstellung verbleibt, und die neue Sensoreinheit herstellungsseitig ebenfalls justiert und/oder kalibriert ist, sind beim Tausch der Sensoreinheit keine weiteren Justage- oder Kalibrierungsschritte nötig. Beim Anschluss der neuen Sensoreinheit an die Ausrichteinheit ist also die Prozessstrahlung bereits auf die Mittelachse des optischen Eingangs der Sensoreinheit ausgerichtet. Zudem sind die von der neuen Sensoreinheit ausgegebenen Messsignale mit der zuvor montierten Sensoreinheit vergleichbar. Denn durch eine herstellerseitige Kalibrierung jeder Sensoreinheit können Unterschiede zwischen zwei Sensoreinheiten ausgeglichen werden und durch zwei Sensoreinheiten ausgegebene Messsignale können miteinander verglichen werden. Somit können zwei Sensoreinheiten nach der Kalibrierung bei gleicher eingehender Lichtintensität die gleichen Messsignalstärken aufweisen.
Die Ausrichteinheit kann eingerichtet sein, um zumindest einen Winkel und/oder einen Versatz zwischen der Mittelachse des ersten optischen Eingangs und der Mittelachse des ersten optischen Ausgangs einzustellen. Die Ausrichteinheit kann eingerichtet sein, um die Mittelachse des ersten optischen Ausgangs in zumindest einer Richtung senkrecht zur Mittelachse des ersten optischen Eingangs, vorzugsweise in zwei aufeinander senkrecht stehende Richtungen senkrecht zur Mittelachse des ersten optischen Eingangs, zu verschieben. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Einstelleinheit der Ausrichteinheit eingerichtet sein, um zumindest einen Winkel zwischen einer optischen Achse bzw. Mittelachse des ersten optischen Ausgangs und der optischen Achse bzw. Mittelachse des ersten optischen Eingangs einzustellen und/oder um einen Versatz zwischen der optischen Achse bzw. Mittelachse des ersten optischen Ausgangs und der optischen Achse bzw. Mittelachse des ersten optischen Eingangs einzustellen und/oder um die Mittelachse des optischen Ausgangs in zumindest einer Richtung in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse des ersten optischen Eingangs zu verschieben. Der Versatz kann einen Abstand oder eine Verschiebung der beiden Mittelachsen zueinander in einer Ebene senkrecht zu einer oder beiden Mittelachsen selbst bezeichnen. Bei dem zumindest einen Winkel kann es sich um zwei Winkel, insbesondere zwei Raumwinkel zwischen der Mittelachse des ersten optischen Eingangs und der Mittelachse des ersten optischen Ausgangs handeln. Somit kann durch Einstellen des Winkels und/oder des Versatzes der Mittelachse des Ausgangs bezüglich der Mittelachse des Eingangs gleichzeitig eine Ausrichtung der Prozessstrahlung bezüglich der Sensoreinheit, die mit dem Ausgang der Ausrichteinheit verbunden ist, eingestellt werden. Dadurch kann die Prozessstrahlung mit einer definierten Ausrichtung in die Sensoreinheit eintreten. Eine Ausrichtung der Prozessstrahlung umfasst sowohl einen Winkel als auch einen Versatz der Prozessstrahlung zu einer Mittelachse des zweiten optischen Eingangs bzw. zu einer optischen Achse der Sensoreinheit.
Die erste Einstelleinheit kann eingerichtet sein, automatisch und/oder manuell betätigt zu werden. Die manuelle Betätigung umfasst die händische Betätigung durch einen Benutzer der Ausrichteinheit. Alternativ kann die erste Einstelleinheit automatisch, z.B. durch eine Steuerung betätigt werden. Die erste Einstelleinheit kann für eine Linearbewegung der zweiten Kopplungsvorrichtung bezüglich der ersten Kopplungsvorrichtung in der zumindest einen Richtung eingerichtet sein. Die erste Einstelleinheit kann mindestens eines von einem Linearmotor, einer Linearführung, einem piezoelektrischen Element und/oder einer Mikrometerschraube umfassen. Die erste Einstelleinheit kann für eine Kipp- oder Schwenkbewegung der zweiten Kopplungsvorrichtung bezüglich der ersten Kopplungsvorrichtung um mindestens eine zur Mittelachse des ersten optischen Eingangs bzw. zur optischen Achse der Fokussieroptik senkrecht stehende Kipp- bzw. Schwenkachse eingerichtet sein. Die erste Einstelleinheit kann ein Kugelgelenk umfassen. Die erste Kopplungsvorrichtung kann mit dem Gelenkkopf des Kugelgelenks verbunden oder damit einteilig ausgebildet sein und/oder die zweite Kopplungsvorrichtung kann mit der Gelenkpfanne des Kugelgelenks verbunden oder damit einteilig ausgebildet sein. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die zweite Kopplungsvorrichtung mit dem Gelenkkopf des Kugelgelenks verbunden oder damit einteilig ausgebildet sein und/oder die zweite Kopplungsvorrichtung kann mit der Gelenkpfanne des Kugelgelenks verbunden oder damit einteilig ausgebildet sein.
Die Fokussieroptik kann parallel zu oder entlang einer Mittelachse des ersten optischen Eingangs der Ausrichteinheit und/oder parallel zu oder entlang einer Mittelachse des ersten optischen Ausgangs der Ausrichteinheit verschiebbar sein. Dadurch kann eine Fokuslage der Prozessstrahlung eingestellt werden. Die Prozessstrahlung kann somit mit einer definierten Fokuslage in die Sensoreinheit eintreten und/oder eine vorgegebene Fokussierung aufweisen.
Die Ausrichteinheit kann ferner eine zweite Einstelleinheit zum Einstellen der Verschiebung der Fokussieroptik aufweisen. Die zweite Einstelleinheit kann einen Halter zum Halten der Fokussieroptik und/oder ein Führungselement, etwa eine Schiene zum Führen des Halters, aufweisen. Die Schiene kann eingerichtet sein, den Halter und damit auch die Fokussieroptik entlang der Mittelachse des optischen Eingangs und/oder entlang der Mittelachse des optischen Ausgangs zu führen. Die Schiene kann mit der ersten Kopplungsvorrichtung bzw. dem Koppelelement der ersten Kopplungsvorrichtung und/oder der zweiten Kopplungsvorrichtung bzw. dem Koppelelement der zweiten Kopplungsvorrichtung fest verbunden und/oder einteilig ausgebildet sein. Der Halter kann ringförmig oder zylinderförmig ausgebildet sein. Die Fokussieroptik kann eine Linse, eine Linsengruppe oder ein oder mehrere sonstige optische Elemente zur Fokussierung der Prozessstrahlung aufweisen.
Die erste Kopplungsvorrichtung und/oder die zweite Kopplungsvorrichtung kann ein Koppelelement, z.B. einen Flansch, umfassen.
Der zumindest eine Detektor kann eingerichtet sein, um zumindest einen Strahlparameter der Prozessstrahlung, insbesondere eine Intensität in einem bestimmten Wellenlängenbereich, zu detektieren. Der zumindest eine Detektor kann ferner eingerichtet sein, um ein Detektionssignal auszugeben.
Die Sensoreinheit kann mehrere Detektoren umfassen, die jeweils eingerichtet sind, um die Prozessstrahlung bei verschiedenen Wellenlängen zu detektieren. Ferner kann die Sensoreinheit mehrere Strahlteiler umfassen, die jeweils eingerichtet sind, um einen Teilstrahl aus der Prozessstrahlung auszukoppeln und auf einen Detektor zu lenken. Die Strahlteiler können teildurchlässige Spiegel umfassen.
Zur Aufspaltung der Prozessstrahlung auf mehrere Detektoren können ein oder mehrere Strahlteiler vorgesehen sein. Die Strahlteiler können eingerichtet sein, um die Teilstrahlen wellenlängenselektiv auszukoppeln. Die Strahlteiler können eine wellenlängenselektive Beschichtung, z.B. eine dichroitische Beschichtung, aufweisen. Insbesondere können die Strahlteiler jeweils verschiedene wellenlängenselektive Beschichtungen aufweisen. Dadurch wird von jedem Strahlteiler jeweils ein Teilstrahl mit einer bestimmten Wellenlänge bzw. mit einem bestimmten Wellenlängenbereich ausgekoppelt. Dadurch kann für die jeweiligen Detektoren eine optimale oder verbesserte Lichtausbeute in dem jeweiligen Wellenlängenbereich erreicht werden.
Die Detektoren können eine Photodiode und/oder ein Photodiodenarray und/oder eine Kamera, beispielsweise eine CMOS- oder CCD-basierte Kamera, umfassen.
Die jeweiligen Detektoren können nur bei einer bestimmten Wellenlänge oder in einem bestimmten Wellenlängenbereich sensitiv sein. Beispielsweise kann ein erster Detektor im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums sensitiv sein, ein zweiter Detektor kann in einem Laseremissions-Wellenlängenbereich der Laserbearbeitungsvorrichtung sensitiv sein, und/oder ein dritter Detektor kann in einem infraroten Bereich des Lichts sensitiv sein. Die Detektoren können also so ausgebildet sein, dass sie in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen sensitiv sind. Gemäß einer Ausführung umfasst die Sensoreinheit eine Diode, die im sichtbaren Spektrum des Lichts sensitiv ist, um Plasma-Prozessemissionen zu detektieren, eine Diode, die im Bereich der Laseremissionswellenlänge sensitiv ist, um Rückreflexe des Lasers der Laserbearbeitungsvorrichtung zu detektieren, und eine Diode, die im infraroten Wellenlängenbereich sensitiv ist, um Prozessemissionen im Infrarot- oder Temperatur-Spektralbereich zu detektieren.
Die Sensoreinheit kann ferner eine Steuereinheit umfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, um analoge Messsignale von dem zumindest einen Detektor zu empfangen. Ferner kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die analogen Messsignale in digitale Messsignale umzuwandeln, um diese an eine äußere Steuereinheit weiterzuleiten.
Das Messsignal eines Detektors kann ein einzelner Messwert, eine Liste von Messwerten oder ein kontinuierlich ausgegebenes Signal sein. Das Messsignal kann insbesondere ein analoges Signal sein. Beispielsweise können die Detektoren eingerichtet sein, ein Spannungssignal auszugeben.
Die Sensoreinheit bzw. die Steuereinheit kann ferner eine Schnittstelle aufweisen, um die digitalen Messsignale auszugeben oder weiterzuleiten. Die Schnittstelle kann eingerichtet sein, um die digitalen Messignale nach außen, beispielsweise an eine übergeordnete Steuereinheit, zu übertragen. Beispielsweise kann die Schnittstelle eingerichtet sein, um die digitalen Messsignale an eine Steuereinheit der Laserbearbeitungsvorrichtung und/oder eine Steuereinheit des Laserbearbeitungssystems, insbesondere eine Anlagensteuerung, weiterzuleiten. Die Schnittstelle kann als „digitales Frontend“ bezeichnet werden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist ein verbessertes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis der Messignale im Vergleich zu Signalen nach einer analogen Signalübertragung sowie eine geringere Anfälligkeit gegenüber äußere Störeinflüsse durch elektromagnetische Strahlung.
Jeder des zumindest einen Detektors kann auf Strahlen entlang der Mittelachse des optischen Eingangs der Sensoreinheit kalibriert sein. Jeder des zumindest einen Detektors kann ferner eingerichtet sein, um in einer Ebene senkrecht zu seiner optischen Achse verschiebbar zu sein. Mit anderen Worten kann die Position des Detektors in einer Ebene senkrecht zu seiner optischen Achse einstellbar sein, d.h. in zwei Raumrichtungen. Die zwei Raumrichtungen können beispielsweise senkrecht zu einer Strahlachse des auf den Detektor auftreffenden Teilstrahls sein. Für die Einstellung kann die Sensoreinheit eine entsprechende Anzahl von Einstellvorrichtungen aufweisen. Die Einstellvorrichtungen können jeweils ein piezoelektrisches Element und/oder eine Mikrometerschraube umfassen. Die Einstellbarkeit der Detektoren ermöglicht es, die Detektoren jeweils auf eine Strahlachse der Teilstrahlen einzustellen oder zu justieren. Die Justage ermöglicht es, dass die Teilstrahlen auf optimale Weise auf die Detektoren auftreffen, insbesondere zentriert auf eine Detektorfläche der Detektoren. Die Justage kann beispielsweise bei der Herstellung der Sensoreinheit erfolgen.
Bei Inbetriebnahme der Sensoreinheit kann die Sensoreinheit dann mittels der Ausrichteinheit so eingestellt werden, dass die von einer Laserbearbeitungsvorrichtung ausgekoppelte Prozessstrahlung mit derselben definierten oder vorgegebenen Fokuslage und/oder Ausrichtung in die Sensoreinheit eintritt oder eingekoppelt wird, wie bei der Justage der Detektoren. Da die Detektoren bereits vorab darauf justiert wurden, ist eine Justage der Detektoren bei der Inbetriebnahme deshalb nicht mehr erforderlich. Mit anderen Worten kann eine Justage der Detektoren werkseitig vorgenommen werden.
Die Sensoreinheit kann bereits vor Inbetriebnahme, beispielsweise bei der Herstellung, kalibriert werden. Die Kalibrierung kann mithilfe einer Referenzstrahlung oder eines Referenzstrahl erfolgen, wobei Referenzstrahlung beispielsweise von einer Referenz-Lichtquelle stammt, die eine definierte Lichtintensität aufweist. Insbesondere kann der mindestens eine Detektor der Sensoreinheit mittels einer absolut messbaren Lichtquelle kalibriert sein. Die Referenzstrahlung kann mit einer definierten oder vorgegebenen Ausrichtung in die Sensoreinheit eintreten oder eingekoppelt werden, wobei die Ausrichtung vorzugsweise derart ist, dass die Referenzstrahlung auf die Mittelachse des optischen Eingangs der Sensoreinheit ausgerichtet ist. Ferner kann die Referenzstrahlung mit einer definierten oder vorgegebenen Fokuslage in die Sensoreinheit eingekoppelt werden. Die Sensoreinheit kann derart ausgebildet sein, dass bei der definierten oder vorgegebenen Fokuslage der Referenzstrahlung der Fokus der Referenzstrahlung jeweils mit einer Oberfläche von jedem des zumindest einen Detektors zusammenfällt. Die bei dieser werkseitigen Kalibrierung durch die Detektoren ausgegebenen Messsignale können als Referenzwerte von der Steuereinheit abgespeichert werden. Ferner kann die Steuereinheit eingerichtet sein, um basierend auf den ausgegebenen Messsignalen Kalibrierwerte zu erzeugen und abzuspeichern. Die Detektoren können zudem, wie vorstehend beschrieben, bezüglich der Referenzstrahlung justiert werden.
Die nach Inbetriebnahme der Sensoreinheit an einer Laserbearbeitungsvorrichtung beim Kunden ausgegebenen Messsignale können somit mit Bezug oder im Verhältnis zu diesen Referenzwerten ausgegeben werden.
Durch die beschriebene Ausrichtung der jeweiligen Sensoreinheit mittels der Ausrichteinheit an einer jeweiligen Laserbearbeitungsvorrichtung in Verbindung mit der werkssteigen Justage und Kalibrierung anhand einer Referenzlichtquelle kann also sichergestellt werden, dass die ausgegebenen Messsignalstärken von Sensoreinheiten verschiedener Laserbearbeitungssysteme mit Bezug auf diese Referenzlichtquelle vergleichbar oder im Idealfall identisch sind.
Durch die beschriebene herstellungsseitige Justage und Kalibrierung der Sensoreinheit muss die Sensoreinheit nicht mehr vor Ort und vor Inbetriebnahme mit einer bestimmten Laserbearbeitungsvorrichtung justiert und kalibriert werden. Die Sensoreinheit kann demnach als geschlossenes System betrachtet werden.
Mit der Sensoreinheit können Messsignale der Strahlparameter der Prozessstrahlung erfasst und optional auch analysiert werden. Dadurch können Rückschlüsse auf verschiedene Prozessparameter des Laserbearbeitungsprozesses getroffen werden. Beispielsweise kann eine Software die Messsignale auswerten und ein Ergebnis dieser Auswertung zu jedem durch die Laserbearbeitungsvorrichtung bearbeiteten Werkstück oder Bauteil ausgeben, beispielweise „OK‟ oder „Nicht OK‟. Typischerweise muss die Software dafür sehr genau parametriert werden. Beispielsweise müssen bestimmte Ober- oder Untergrenzen für die Messsignalstärke oder Grenzen für die Schwankungen in den Messsignalen definiert werden, mit denen die Unterteilung in „OK‟ und „Nicht OK‟ erfolgt. Da die Signale durch die Kalibration der Sensoreinheit an unterschiedlichen Laserbearbeitungsanlagen vergleichbar sind, ist es möglich, eine gut eingestellte Software bzw. deren Parametrisierung von einem Laserbearbeitungsanlage auf beliebig viele andere Laserbearbeitungsanlagen zu übertragen und an jeder Anlage eine zuverlässige Überwachung zu garantieren.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben. In den Figuren zeigt

1 eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
2 eine schematische Darstellung eines Sensormoduls für ein Laserbearbeitungssystem zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine schematische Darstellung einer Ausrichteinheit zum Koppeln einer Sensoreinheit an eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eine Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensormoduls für ein Laserbearbeitungssystem zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Das Laserbearbeitungssystem 1 umfasst eine Laserbearbeitungsvorrichtung 10 und ein Sensormodul 20.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10, die beispielsweise als Laserbearbeitungskopf ausgebildet sein kann, ist eingerichtet, um einen von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretenden Laserstrahl (nicht gezeigt) mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik (nicht gezeigt) auf ein zu bearbeitende Werkstück 14 zu fokussieren oder zu bündeln, um dadurch eine Bearbeitung oder einen Bearbeitungsprozess auszuführen. Die Bearbeitung kann beispielsweise ein Laserschneiden, -löten oder -schweißen umfassen.
Bei der Bearbeitung entsteht Prozessstrahlung 11, die in die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 eintritt und dort von einem Strahlteiler 12 aus einem Strahlengang des Laserstrahls (nicht gezeigt) ausgekoppelt wird. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 weist ein Koppelelement 13 und einen optischen Ausgang (nicht gezeigt) auf. Der optische Ausgang oder Prozessstrahlungsausgang kann mit dem Koppelelement 13 kombiniert sein. Die Prozessstrahlung 11 wird aus dem Prozessstrahlungsausgang der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 ausgekoppelt.
Das Sensormodul 20 umfasst eine Ausrichteinheit 100 und eine Sensoreinheit 200.
Die Ausrichteinheit 100 weist eine erste Kopplungsvorrichtung 110 und eine zweite Kopplungsvorrichtung 120 auf. Die erste Kopplungsvorrichtung 110 weist ein Koppelelement (nicht gezeigt) und einen ersten optischen Eingang 111 auf. Die zweite Kopplungsvorrichtung 120 weist ein weiteres Koppelelement (nicht gezeigt) und einen ersten optischen Ausgang 121 auf. Ferner umfasst die Ausrichteinheit 100 eine Fokussieroptik 130, die entlang ihrer optischen Achse verschiebbar ist, um eine Fokuslage einzustellen.
Die Sensoreinheit 200 umfasst typischerweise mehrere Detektoren oder Sensoren 220, die eingerichtet sind, um verschiedene Parameter, wie beispielsweise eine Intensität, der Prozessstrahlung 11 zu detektieren und basierend auf der Detektion ein Messignal auszugeben. Die Sensoreinheit 200 umfasst ferner ein Koppelelement 210 und einen zweiten optischen Eingang 211. Der zweite optische Eingang 211 kann mit dem Koppelelement 210 kombiniert ausgebildet sein.
Das Koppelelement der ersten Kopplungsvorrichtung 110 ist mit dem Koppelelement der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 verbunden. Dadurch ist die Ausrichteinheit 100 an die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 gekoppelt. Mit anderen Worten ist der Prozessstrahlungsausgang der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 mit dem ersten optischen Eingang 111 der Ausrichteinheit 100 gekoppelt.
Das Koppelelement der zweiten Kopplungsvorrichtung 120 ist mit dem Koppelelement 210 der Sensoreinheit 200 verbunden. Dadurch ist die Ausrichteinheit 100 an die Sensoreinheit 200 gekoppelt. Mit anderen Worten ist der erste optische Ausgang 121 der Ausrichteinheit 100 mit dem zweiten optischen Eingang der Sensoreinheit 200 gekoppelt.
Somit ist die Sensoreinheit 200 über die Ausrichteinheit 100 an die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 gekoppelt. Die Ausrichteinheit 100 hat hierbei die Funktion eines Adapters. In dem in 1 gezeigten Zustand trifft das aus dem Prozessstrahlungsausgang der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 austretende Prozesslicht 11 in den ersten optischen Eingang 111 der Ausrichteinheit 100. Anschließend tritt es aus dem ersten optischen Ausgang 121 der Ausrichteinheit 100 aus und in den zweiten optischen Eingang 211 der Sensoreinheit 200 ein. In der Sensoreinheit 200 trifft es auf den zumindest einen Detektor 220.
Die Ausrichteinheit 100 umfasst eine Fokussieroptik 130, die im Strahlengang der Prozessstrahlung 11 zwischen dem ersten optischen Eingang 111 und dem zweiten optischen Ausgang 121 der Ausrichteinheit 100 angeordnet ist. Ferner umfasst die Ausrichteinheit 100 eine erste Einstelleinheit 140, die zwischen der ersten Kopplungsvorrichtung 110 und der zweiten Kopplungsvorrichtung 120 angeordnet ist. Die erste Einstelleinheit 140 ist eingerichtet, um die erste Kopplungsvorrichtung 110 und die zweite Kopplungsvorrichtung 120 gegeneinander zu verkippen oder in zumindest einer Richtung gegeneinander zu verschieben. Dadurch werden auch der erste optische Eingang 111 und der erste optische Ausgang 121 der Ausrichteinheit 100 gegeneinander verkippt bzw. verschoben. Dies wiederum führt dazu, dass die Ausrichtung der Prozessstrahlung 11 in Bezug zum ersten optischen Ausgang 121 der Ausrichteinheit 100 und zum zweiten optischen Eingang 211 der Sensoreinheit 200 verändert wird.
Dadurch kann die Prozessstrahlung 11 beispielweise bezüglich einer Mittelachse des zweiten optischen Eingangs 211 der Sensoreinheit 200 eingestellt werden. Insbesondere kann die Prozessstrahlung 11 auf die Mittelachse des zweiten optischen Eingangs 211 ausgerichtet werden. Mit anderen Worten kann sie parallel zu einer Mittelachse des optischen Eingangs 211 verlaufen.
Mittels der Fokussieroptik 130 der Ausrichteinheit 100 kann die Prozessstrahlung 11 ferner fokussiert werden, bzw. es kann eine definierte oder vorgegebene Fokuslage eingestellt werden.
Wie in 2 gezeigt, kann die erste Einstelleinheit 140 ein Kugelgelenk umfassen. Der Gelenkkopf des Kugelgelenks ist mit der ersten Kopplungsvorrichtung 110 verbunden. Gemäß Ausführungsformen sind der Gelenkkopf des Kugelgelenks und die erste Kopplungsvorrichtung 110 einstückig ausgebildet. Die Gelenkpfanne des Kugelgelenks ist mit der zweiten Kopplungsvorrichtung 120 verbunden. Gemäß Ausführungsformen sind die Gelenkpfanne des Kugelgelenks und die zweite Kopplungsvorrichtung 120 einstückig ausgebildet.
Das Kugelgelenk erlaubt es, eine Orientierung oder Ausrichtung der zweiten Kopplungsvorrichtung 120 in Bezug zur ersten Kopplungsvorrichtung 110 einzustellen. Die Ausrichtung kann in zwei Raumrichtungen oder Raumwinkeln θ, ∂ erfolgen.
Wie in 2 gezeigt kann die Fokussieroptik 130 eine Fokussierlinse umfassen. Die Fokussierlinse ist entlang oder parallel zu einer Richtung Z verschiebbar oder einstellbar. Die Richtung Z entspricht gemäß Ausführungsfonnen einer optischen Achse der Fokussieroptik 130. Die optischen Achse der Fokussieroptik 130 kann einer Mittelachse der ersten Kopplungsvorrichtung 110 bzw. des ersten optischen Eingangs 111 oder einer Mittelachse der zweiten Kopplungsvorrichtung 120 bzw. des ersten optischen Ausgangs 121 entsprechen.
Wie in 2 gezeigt umfasst die Sensoreinheit 120 mehrere Detektoren 220a, 220b, 220c. Jeder der Detektoren 220a, 220b, 220c kann eine Photodiode oder ein Photodioden- oder Pixelarray umfassen.
Ferner umfasst die Sensoreinheit 200 mehrere Strahlteiler 230a, 230b, um die Prozessstrahlung 11 aufzuspalten bzw. aufzuteilen. Die Strahlteiler 230a, 230b können, wie in 2 gezeigt, als teildurchlässige Spiegel ausgebildet sein. Die Strahlteiler 230a, 230b sind jeweils dazu eingerichtet zumindest einen Teilstrahl 11a, 11b, 11c aus der Prozessstrahlung 11 auszukoppeln. Wie in 2 gezeigt, koppelt der Strahlteiler 230a den Teilstrahl 11a aus der Prozessstrahlung 11 aus, der auf den Detektor 220a trifft. Der Strahlteiler 230b koppelt die Teilstrahlen 11b und 11c aus der Prozessstrahlung 11 aus, wobei der Teilstrahl 11b auf den Detektor 220b trifft und der Teilstrahl 11c auf den Detektor 220c trifft.
Die Strahlteiler 230a, 230b können gemäß Ausführungsformen wellenlängenselektiv sein. Mit anderen Worten können die Strahlteiler 230a, 230b die Teilstrahlen 11a, 11b, 11c wellenlängenselektiv aus der Prozessstrahlung 11 auskoppeln. Beispielsweise kann der Strahlteiler 230a eingerichtet sein, Licht des sichtbaren Spektrums als Teilstrahl 11a auszukoppeln und der Strahlteiler 230b kann eingerichtet sein, Licht im infraroten Spektrum als Teilstrahl 11b auszukoppeln. Der Teilstrahl 11c kann in diesem Fall Licht enthalten, welches einen Wellenlängenbereich des Laserstrahls der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 aufweist. Dadurch kann eine verbesserte oder optimale Lichtausbeute durch den jeweiligen Detektor 220a, 220b, 220c erreicht werden, da jeweils nur Licht mit einer bestimmten Wellenlänge oder Wellenlängenbereich auf den jeweiligen Detektor 220a, 220b, 220c trifft.
Die Detektoren 220a, 220b, 220c sind dazu eingerichtet, den jeweiligen auftreffenden Teilstrahl 11a, 11b, 11c zu detektieren. Die Detektoren 220a, 220b, 220c sind insbesondere dazu eingerichtet, einen Parameter des jeweiligen Teilstrahls 11a, 11b, 11c zu detektieren. Insbesondere können die Detektoren 220a, 220b, 220c eingerichtet sein, eine Intensität des jeweiligen Teilstrahls 11a, 11b, 11c zu detektieren. Die Detektoren 220a, 220b, 220c sind eingerichtet, um basierend auf der Detektion ein Messsignal zu erzeugen und auszugeben. Das Messsignal kann beispielsweise ein analoges Spannungssignal sein.
Die Sensoreinheit 200 umfasst ferner eine Steuereinheit 240. Die Steuereinheit 240 ist mit den Detektoren 220a, 220b, 220c verbunden und empfängt die Messignale der Detektoren 220a, 220b, 220c. Die Steuereinheit 240 ist eingerichtet, um die die analogen Messignale in digitale Messignale umzuwandeln und die digitalen Messsignale an einer Schnittstelle (nicht gezeigt) bereitzustellen.
Die Detektoren 220a, 220b, 220c sind derart im Strahlengang der jeweiligen Teilstrahlen 11a, 11b, 11c angeordnet, dass eine Fokuslage oder ein Fokuspunkt der Teilstrahlen 11a, 11b, 11c mit einer Oberfläche der Detektoren 220a, 220b, 220c zusammenfällt. Mit anderen Worten sind die Detektoren 220a, 220b, 220c derart angeordnet, dass für eine in die Sensoreinheit 200 eingekoppelte Prozessstrahlung 11 mit einer vorgegebenen Ausrichtung und einer vorgegebenen Fokuslage die Position der Detektoren 220a, 220b, 220c mit dem Fokuspunkt der jeweiligen Teilstrahlen 11a, 11b, 11c zusammenfällt. Insbesondere können die Teilstrahlen 11a, 11b, 11c dieselbe optische Weglänge zwischen dem optischen Eingang 211 der Sensoreinheit 200 und dem jeweiligen Detektor 220a, 220b, 220c haben.
Die vorgegebene Ausrichtung der Prozessstrahlung 11 kann, wie vorstehend beschrieben, derart sein, dass die Prozessstrahlung 11 auf eine Mittelachse des optischen Eingangs 211 der Sensoreinheit 200 ausgerichtet ist, oder zu dieser parallel oder koaxial verläuft.
Wie in 2 gezeigt, können die Detektoren 220a, 220b, 220c jeweils in zwei Richtungen verstellt werden. D.h. die Position der Detektoren 220a, 220b, 220c ist in zwei Richtungen einstellbar. Beispielsweise können die zwei Richtungen jeweils senkrecht zu einer Strahlachse der Teilstrahlen 11a, 11b, 11c sein. Insbesondere kann der Detektor 220a in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse des Teilstrahls 11a verschoben werden, der Detektor 220b kann in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse des Teilstrahls 11b verschoben werden, und der Detektor 220c kann in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse des Teilstrahls 11c verschoben werden. Wie in 2 gezeigt, kann der Detektor 220a in den Richtungen X, Z verschoben werden, wobei der Teilstrahl 11a parallel zur Y-Richtung verläuft, der Detektor 220b kann in den Richtungen X, Z verschoben werden, wobei der Teilstrahl 11b parallel zur Y-Richtung verläuft, und der Detektor 200c kann in den Richtungen X, Y verschoben werden, wobei der Teilstrahl 11c parallel zur Z-Richtung verläuft. Die X-, Y- und Z-Richtungen können Koordinatenachsen eines kartesischen Koordinatensystems entsprechen, wobei in diesem Beispiel die Z-Richtung entlang der optischen Achse der Fokussieroptik 130 gewählt ist. Die beschriebene Einstellbarkeit der Detektoren 220a, 220b, 220c ermöglicht es, die Detektoren jeweils auf eine Strahlachse der Teilstrahlen 11a, 11b, 11c einzustellen oder zu justieren. Die Justage kann beispielsweise bei der Herstellung der Sensoreinheit 200 erfolgen. Die Justage ermöglicht es, dass die Teilstrahlen 11a, 11b, 11c jeweils auf optimale Weise auf die Detektoren 220a, 220b, 220c auftreffen, insbesondere zentriert auf eine Detektorfläche der Detektoren 220a, 220b, 220c.
3 eine schematische Darstellung einer Ausrichteinheit zum Koppeln einer Sensoreinheit an eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Die in 3 gezeigte Ausführungsform der Ausrichteinheit 100 weist eine erste Kopplungsvorrichtung 110, eine zweite Kopplungsvorrichtung 120, eine erste Einstelleinheit 140 und eine Fokussieroptik 130 auf.
Die erste Kopplungsvorrichtung 110 umfasst einen optischen Eingang 111 mit einer Mittelachse 112. Die zweite Kopplungsvorrichtung 120 umfasst einen optischen Ausgang 121 mit einer Mittelachse 122.
Die erste Einstelleinheit 140 entspricht der in 2 gezeigten Ausführungsform und eine Beschreibung davon ist weggelassen.
Die Fokussieroptik 130 ist als Fokussierlinse ausgebildet. Ferner umfasst die Ausrichteinheit 100 eine zweite Einstelleinheit 150. Die Einstelleinheit 150 weist einen Halter 151 auf, der die Fokussieroptik 130 hält. Die Fokussieroptik 130 weist eine optische Achse 133 auf. Wie in 3 gezeigt, verläuft die optische Achse 133 koaxial oder parallel zur Mittelachse 112 des ersten optischen Eingangs 111. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die optische Achse 133 koaxial oder parallel zu der Mittelachse 122 des ersten optischen Ausgangs 121 sein.
Die Fokussieroptik 130 ist entlang der optischen Achse 133 der Fokussieroptik 130 mithilfe des Halters 151 verschiebbar. Die Fokussieroptik 130 kann ferner ein Führungselement (nicht gezeigt), beispielsweise eine Schiene, aufweisen, um den Halter 132 entlang der optischen Achse 133 zu führen. Die Linse 130 kann gemäß Ausführungsformen auch entlang oder parallel zu der Mittelachse 112 des optischen Eingangs 111 verschiebbar sein.
Wie in 3 gezeigt, ist der Halter 151 verschiebbar mit der ersten Kopplungsvorrichtung 110 verbunden. Das Führungselement kann einteilig mit der ersten Kopplungsvorrichtung 110 ausgebildet sein.
Die zweite Kopplungsvorrichtung 120 ist mithilfe der ersten Einstelleinheit 140, die als Kugelgelenk ausgebildet sein kann, entlang der Richtung 123 mit Bezug auf die erste Kopplungsvorrichtung 110 verschwenkbar oder verkippbar. Die zweite Kopplungsvorrichtung 120 kann ferner entlang einer zweiten Richtung (nicht gezeigt) in Bezug auf die erste Kopplungsvorrichtung 110 verschwenkbar oder verkippbar sein. Durch die Verkippung der zweiten Kopplungsvorrichtung 120 kann die Prozessstrahlung (in 3 nicht gezeigt), die mit einem Winkel gegenüber der Mittelachse 112 des optischen Eingangs 111 in die Ausrichteinheit 100 eintritt, auf die Mittelachse 122 des optischen Ausgangs 122 der zweiten Kopplungsvorrichtung 120 ausgerichtet werden. Somit kann die Prozessstrahlung koaxial oder parallel zur Mittelachse 122 des optischen Ausgangs 121 aus der Ausrichteinheit 100 austreten. Dadurch wiederum hat die Prozessstrahlung eine definierte Ausrichtung beim Eintritt in den zweiten optischen Eingang der an die Ausrichteinheit 100 angeschlossenen Sensoreinheit (in 3 nicht gezeigt). Insbesondere kann die Prozessstrahlung auf die Mittelachse des zweiten optischen Eingangs der Sensoreinheit ausgerichtet sein.
Durch die Ausrichteinheit, die zwischen einem optischen Ausgang der Laserbearbeitungsvorrichtung und einem optischen Eingang der Sensoreinheit vorgesehen ist, ist es möglich, die Prozessstrahlung auf eine Mittelachse des optischen Eingangs der Sensoreinheit auszurichten und eine definierte Fokuslage der Prozessstrahlung einzustellen. Mit anderen Worten kann die Sensoreinheit als Ganzes auf die Fokuslage und/oder Ausrichtung der von der Laserbearbeitungsvorrichtung ausgekoppelten Prozessstrahlung eingestellt oder ausgerichtet werden. Dadurch müssen einzelne Detektoren der Sensoreinheit nicht mehr einzeln auf die Prozessstrahlung einer jeweiligen Laserbearbeitungsvorrichtung eingestellt werden, sondern können bereits vorab, z.B. bei der Herstellung der Sensoreinheit, auf Prozessstrahlung, die auf die Mittelachse des optischen Eingangs der Sensoreinheit ausgerichtet ist, eingestellt werden. Dies ermöglicht ebenfalls eine werksseitige Kalibrierung der Detektoren auf eine Referenzlichtquelle.

Claims

Ausrichteinheit (100) zum Koppeln einer Sensoreinheit (200) an eine Laserbearbeitungsvorrichtung (10) zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, wobei die Ausrichteinheit (100) umfasst: - eine erste Kopplungsvorrichtung (110) zum Koppeln mit der Laserbearbeitungsvorrichtung (10), wobei die erste Kopplungsvorrichtung (110) einen ersten optischen Eingang (111) für eine aus der Laserbearbeitungsvorrichtung (10) ausgekoppelte Prozessstrahlung (11) aufweist; - eine zweite Kopplungsvorrichtung (120) zum Koppeln mit der Sensoreinheit (200), wobei die zweite Kopplungsvorrichtung (110) einen ersten optischen Ausgang (212) für die Prozessstrahlung (11) aufweist; - eine erste Einstelleinheit (140), die zwischen der ersten Kopplungsvorrichtung (110) und der zweiten Kopplungsvorrichtung (120) angeordnet und eingerichtet ist, die zweite Kopplungsvorrichtung (120) gegenüber der ersten Kopplungsvorrichtung (110) zu verkippen und/oder in zumindest einer Richtung senkrecht zu einer Mittelachse (112) des ersten optischen Eingangs (111) zu verschieben; und - eine Fokussieroptik (130), die zwischen dem ersten optischen Eingang (111) und dem ersten optischen Ausgang (110) angeordnet und entlang einer optischen Achse (133) der Fokussieroptik (130) verschiebbar ist.
Ausrichteinheit (100) gemäß Anspruch 1, wobei die erste Einstelleinheit (140) eingerichtet ist, einen Winkel und/oder einen Versatz zwischen der Mittelachse (112) des ersten optischen Eingangs (111) und einer Mittelachse (122) des ersten optischen Ausgangs (121) einzustellen.
Ausrichteinheit (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Einstelleinheit (140) ein Kugelgelenk, eine Linearführung, ein piezoelektrisches Element und/oder eine Mikrometerschraube umfasst.
Ausrichteinheit (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Fokussieroptik (130) entlang der Mittelachse (112) des ersten optischen Eingangs (111) oder entlang der Mittelachse (122) des ersten optischen Ausgangs (121) verschiebbar ist.
Ausrichteinheit (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine zweite Einstelleinheit (150) zum Einstellen einer Position der Fokussieroptik (130), wobei die zweite Einstelleinheit einen Halter (151) der Fokussieroptik (130) und ein Führungselement aufweist, mit dem der Halter (151) entlang der optischen Achse (133) der Fokussieroptik (130) verschiebbar gekoppelt ist.
Ausrichteinheit (100) gemäß Anspruch 5, wobei das Führungselement fest mit der ersten Kopplungsvorrichtung (110) oder fest mit der zweiten Kopplungsvorrichtung (120) verbunden ist.
Sensormodul (20) für ein Laserbearbeitungssystem (1) zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, wobei das Sensormodul (20) umfasst: - eine Ausrichteinheit (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche; und - eine Sensoreinheit (200) mit einem zweiten optischen Eingang (211) für die aus der Ausrichteinheit (100) austretende Prozessstrahlung (11), einem Koppelelement (210), das mit der zweiten Kopplungsvorrichtung (120) der Ausrichteinheit (100) gekoppelt ist und den zweiten optischen Eingang (211) an den ersten optischen Ausgang (121) der Ausrichteinheit (100) koppelt, und mindestens einem Detektor (220a, 220b, 220c) zum Detektieren der Prozessstrahlung (11), wobei die Ausrichteinheit (100) eingerichtet ist, eine Mittelachse des zweiten optischen Eingangs (211) der Sensoreinheit (200) auf eine in den ersten optischen Eingang (111) der ersten Kopplungsvorrichtung (110) eintretende Prozessstrahlung (11) auszurichten.
Sensormodul (20) gemäß Anspruch 7, wobei die Sensoreinheit (200) einen auf der Mittelachse des zweiten optischen Eingangs (211) angeordneten Detektor (220c) umfasst.
Sensormodul (20) gemäß Anspruch 8, wobei die Sensoreinheit (200) umfasst: - mindestens einen weiteren Detektor (220a, 220b), der beabstandet zur Mittelachse des zweiten optischen Eingangs (211) angeordnet ist; und - mindestens einen auf der Mittelachse des zweiten optischen Eingangs (211) angeordneten Strahlteiler (230a, 230b), der eingerichtet ist, um einen Teilstrahl (11a, 11b, 11c) aus der Prozessstrahlung (11) auszukoppeln und auf den weiteren Detektor (220a, 220b) zu richten.
Sensormodul (20) gemäß Anspruch 9, wobei die Detektoren (220a, 220b, 220c) jeweils eingerichtet sind, um verschiedene Wellenlängen der Prozessstrahlung (11) zu detektieren, und/oder wobei der Strahlteiler (230a, 230b) eingerichtet ist, um Teilstrahlen (11a, 11b, 11c) mit einer bestimmten Wellenlänge zu reflektieren oder zu transmittieren.
Sensormodul (20) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der mindestens eine Detektor (220a, 220b, 220c) der Sensoreinheit (200) auf Strahlen entlang der Mittelachse des zweiten optischen Eingangs (211) der Sensoreinheit (200) kalibriert ist.
Sensormodul (20) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Sensoreinheit (200) ferner umfasst: - eine Steuereinheit (240), die eingerichtet ist, um analoge Messsignale von dem zumindest einen Detektor (220a, 220b, 220c) zu empfangen und in digitale Messsignale umzuwandeln.
Sensormodul (20) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die Sensoreinheit (200) lösbar an der Ausrichteinheit (100) befestigt ist oder einstückig mit der Ausrichteinheit (100) ausgebildet ist.
Laserbearbeitungssystem (1), umfassend: - ein Sensormodul (20) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13; und - eine Laserbearbeitungsvorrichtung (1) zur Bearbeitung eines Werkstücks (14) mittels eines Laserstrahls, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung (1) einen Prozessstrahlungsausgang und ein Koppelelement (13) aufweist, das mit der ersten Kopplungsvorrichtung (110) der Ausrichteinheit (100) gekoppelt ist und den Prozessstrahlungsausgang der Laserbearbeitungsvorrichtung (1) an den ersten optischen Eingang (111) der Ausrichteinheit (100) koppelt.
Laserbearbeitungssystem gemäß Anspruch 14, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung (1) ferner einen Strahlteiler (12) zum Auskoppeln von Prozessstrahlung (11) aus dem Strahlengang des Laserstrahls der Laserbearbeitungsvorrichtung (10) aufweist.