DE102021128707A1

DE102021128707A1 - Verfahren zum Kalibrieren eines oder mehrerer optischer Sensoren eines Laserbearbeitungskopfes, Laserbearbeitungskopf und Laserbearbeitungssystem

Info

Publication number: DE102021128707A1
Application number: DE102021128707.3A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Moser; Stefan Birmanns; Tom Walde; Livia Barazzetti
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2023-05-04
Also published as: US20230133662A1; CN116060759A

Abstract

Ein Verfahren zum Kalibrieren zumindest eines optischen Sensors (200, 300, 400) eines Laserbearbeitungskopfes (800) zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (L) ist angegeben. Der Laserbearbeitungskopf (800) umfasst einen ersten optischen Sensor (200, 300, 400), eine Ablenkvorrichtung (500) und eine Fokussiervorrichtung (600). Ein Strahlengang des ersten optischen Sensors (200, 300, 400) passiert die Ablenkvorrichtung (500) und die Fokussiervorrichtung (600). Das Verfahren umfasst die Schritte: Auslenken des Strahlengangs des ersten optischen Sensors (200, 300, 400) durch die Ablenkvorrichtung (500) an eine erste Position auf einer ersten Referenz (R, R1, R2, R3, R4); Erzeugen eines ersten optischen Messsignals basierend auf Messlicht (210, 410), das durch den ersten optischen Sensor (200, 300, 400) von der ersten Position auf der ersten Referenz (R, R1, R2, R3, R4) empfangen wird; und Bestimmen eines Korrekturwerts zum Kalibrieren des ersten optischen Sensors (200, 300, 400) basierend auf dem ersten optischen Messsignal und entsprechend einer Abweichung der ersten Position auf der ersten Referenz (R, R1, R2, R3, R4) von einer ersten Sollposition, die relativ zu einer Position des Bearbeitungslaserstrahls (L) vorgegeben ist.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren zumindest eines optischen Sensors eines Laserbearbeitungskopfes. Weiterhin betrifft die vorliegende Offenbarung einen Laserbearbeitungskopf sowie ein Laserbearbeitungssystem.
Hintergrund und Stand der Technik
Ein Laserbearbeitungskopf kann eine Ablenkvorrichtung und eine Fokussiervorrichtung umfassen. Durch die Ablenkvorrichtung kann ein in den Laserbearbeitungskopf eingekoppelter Laserstrahl auf verschiedene Positionen eines Werkstücks abgelenkt werden, um das Werkstück zu bearbeiten. Der Laserstrahl kann auch Bearbeitungslaserstrahl genannt werden. Durch die Fokussiervorrichtung kann der Laserstrahl auf das Werkstück fokussiert werden. Das Bearbeiten kann ein Laserschweißen, ein Laserschneiden, ein Lasergravieren oder ein Laserhärten sein.
Zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses kann der Laserbearbeitungskopf zumindest einen optischen Sensor umfassen. Ein Strahlengang des optischen Sensors kann teilweise koaxial zum Strahlengang des Laserstrahls verlaufen und ebenfalls die Fokussiervorrichtung passieren. Bei mehreren optischen Sensoren werden in der Regel unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten eingesetzt, d.h. jeder optische Sensor arbeitet bei einer anderen Wellenlänge bzw. in einem anderen Wellenlängenbereich. Dadurch können Strahlengänge mehrerer oder aller optischen Sensoren koaxial überlagert werden. Im Falle eines Laserbearbeitungskopfs mit Ablenkvorrichtung kann der Strahlengang des optischen Sensors über die Ablenkvorrichtung des Laserbearbeitungskopfes verlaufen, um die Werkstückoberfläche an einer vorgegebenen Position in Bezug auf den Auftreffpunkt des Laserstrahls zu vermessen. Um ein verlässliches Überwachungsergebnis zu erhalten, muss der optische Sensor im Allgemeinen kalibriert werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren und ein System bereitzustellen, womit kostengünstig eine verbesserte Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses ermöglicht wird. Eine weitere Aufgabe liegt darin, ein Verfahren und ein System bereitzustellen, womit kostengünstig eine hohe Qualität einer Laserbearbeitung ermöglicht wird. Eine weitere Aufgabe liegt darin, ein Verfahren und ein System bereitzustellen, womit kostengünstig eine Genauigkeit einer Messung eines optischen Sensors zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses erhöht wird. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren und ein System anzugeben, durch das eine gewünschte Messposition des optischen Sensors zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses genauer eingestellt werden kann.
Eine oder mehrere dieser Aufgaben wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, dass bei Scanner basierten Laserbearbeitungssystemen mit einer hinter dem Scanner angeordneten Fokussiervorrichtung bzw. -optik durch die chromatische Aberration ein Strahlengang eines optischen Sensors auf eine andere Stelle als eine Sollposition im Scanfeld gerichtet ist, insbesondere im Vergleich zu dem Laserstrahl. Im Allgemeinen ist das Laserbearbeitungssystem und seine Komponenten, insbesondere der Scanner und/oder die Fokussiervorrichtung bzw. -optik, auf die Wellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls ausgelegt. Mit anderen Worten kann der Bearbeitungslaserstrahl bzw. der Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls und der Strahlengang des optischen Sensors unterschiedlich durch den Scanner (auch Ablenkvorrichtung genannt) ausgelenkt werden, d.h. die Messposition des optischen Sensors und die Bearbeitungsposition des Bearbeitungslaserstrahls werden unterschiedlich durch die Ablenkvorrichtung auf einem Werkstück bewegt. Da die Ablenkvorrichtung basierend auf der Wellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls angesteuert wird, kann also ein Versatz zwischen einer gewünschten Messposition (Sollposition, z.B. vorgegeben relativ zu einer (theoretischen) Position des Bearbeitungslasers) und einer tatsächlichen Messposition auftreten. Dieser Versatz kann von der Wellenlänge und dem Scan- bzw. Ablenkwinkel abhängen. Insbesondere kann der Versatz bei senkrechtem Durchgang durch die Fokussiervorrichtung Null sein und mit zunehmenden Ablenkwinkeln bzw. einer zunehmenden Ablenkung zunehmen. Somit kann die Messung durch den optischen Sensor an einer anderen Stelle stattfinden, als beabsichtigt. Gemäß der vorliegenden Offenbarung soll daher zumindest ein optischer Sensor eines Laserbearbeitungskopfes so kalibriert werden, dass dessen Strahlengang bzw. dessen Messposition an die gewünschte Stelle gerichtet ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Kalibrieren zumindest eines optischen Sensors eines Laserbearbeitungskopfes zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungslaserstrahls angegeben. Der Laserbearbeitungskopf umfasst einen ersten optischen Sensor, eine Ablenkvorrichtung (auch Scanner genannt) und eine Fokussiervorrichtung. Ein Strahlengang des ersten optischen Sensors passiert, bzw. verläuft über, die Ablenkvorrichtung und die Fokussiervorrichtung. Das Verfahren umfasst die Schritte: Auslenken des Strahlengangs bzw. einer Messposition des ersten optischen Sensors durch die Ablenkvorrichtung an eine erste Position auf einer ersten Referenz; Erzeugen eines ersten optischen Messsignals basierend auf Messlicht, das durch den ersten optischen Sensor von der ersten Position auf der ersten Referenz empfangen wird; und Bestimmen eines Korrekturwerts zum Kalibrieren des ersten optischen Sensors basierend auf dem ersten optischen Messsignal und entsprechend einer Abweichung der ersten Position auf der ersten Referenz von einer ersten Sollposition, die optional relativ zu einer (theoretischen oder virtuellen) Position des Bearbeitungslaserstrahls vorgegeben sein kann. Dadurch kann eine laterale Kalibrierung des optischen Sensors erreicht werden.
Das Verfahren kann für eine Vielzahl von Positionen auf der Referenz durchgeführt und ein Korrekturwert für jede Position bestimmt werden. Die Korrekturwerte und die jeweiligen Positionen können in einer Tabelle hinterlegt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Korrekturfunktion basierend auf den Korrekturwerten und den jeweiligen Positionen erstellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Prozessüberwachung eines Laserbearbeitungsprozesses angegeben, das das Verfahren zum Kalibrieren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst, sowie folgende Schritte: Auslenken des Strahlengangs bzw. der Messposition des ersten optischen Sensors durch die Ablenkvorrichtung auf eine vorgegebene Überwachungsposition, und Empfangen von Messlicht von der Überwachungsposition durch den ersten optischen Sensor für die Prozessüberwachung, wobei ein Ansteuersignal der Ablenkvorrichtung zum Auslenken des Strahlengangs bzw. der Messposition des ersten optischen Sensors auf die vorgegebene Überwachungsposition basierend auf dem bestimmten Korrekturwert angepasst wird. Das Verfahren zur Prozessüberwachung eines Laserbearbeitungsprozesses kann insbesondere vor und/oder nach einem Laserbearbeitungsprozess (Pre- und/oder Post-Prozess) durchgeführt werden. Insbesondere kann das Verfahren zur Prozessüberwachung eines Laserbearbeitungsprozesses bei ausgeschaltetem Bearbeitungslaserstrahl durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Prozessüberwachung eines Laserbearbeitungsprozesses angegeben, das das Verfahren zum Kalibrieren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst, sowie folgende Schritte: Auslenken des Bearbeitungslaserstrahls und des Strahlengangs bzw. der Messposition des ersten optischen Sensors durch die Ablenkvorrichtung auf eine vorgegebene Bearbeitungsposition, Bearbeiten des Werkstücks durch den Bearbeitungslaserstrahl an der Bearbeitungsposition und Erzeugen eines Überwachungssignals basierend auf Messlicht, das durch den ersten optischen Sensor von der Bearbeitungsposition für die Prozessüberwachung (In-Prozess) empfangen wird, wobei das Überwachungssignal für die Prozessüberwachung basierend auf dem bestimmten Korrekturwert angepasst wird. Das Verfahren zur Prozessüberwachung eines Laserbearbeitungsprozesses kann insbesondere während eines Laserbearbeitungsprozesses durchgeführt werden.
Bei einem Laserbearbeitungsprozess kann der Bearbeitungslaserstrahl an eine Position auf einem zu bearbeitenden Werkstück eingestrahlt werden. Zur Überwachung des Laserbearbeitungsprozesses kann es vorgesehen sein, einen Strahlengang, d.h. eine Messposition, eines optischen Sensors an eine Position relativ zu der Position des Bearbeitungslaserstrahls auf dem Werkstück, auch Bearbeitungsposition genannt, zu richten, beispielsweise an die Position des Bearbeitungslaserstrahls auf dem Werkstück oder an eine Position auf dem Werkstück, die von der Position des Bearbeitungslaserstrahls (vordefiniert) beabstandet ist, um den Laserbearbeitungsprozess zu überwachen. Die Position des Bearbeitungslaserstrahls kann bei ausgeschaltetem Bearbeitungslaserstrahl auch als eine virtuelle bzw. theoretische Position des Bearbeitungslaserstrahls oder als Position des Strahlengangs des Bearbeitungslaserstrahls bezeichnet werden. Passiert beispielsweise der Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls und der Strahlengang des optischen Sensors eine Ablenkvorrichtung und eine Fokussiervorrichtung, kann auf dem Werkstück ein Versatz zwischen der Position des Strahlengangs des optischen Sensors und der Position des Bearbeitungslaserstrahls verursacht werden. Der Versatz kann abhängig sein von dem Grad der Auslenkung des Strahlengangs des optischen Sensors sowie von den Wellenlängen, für die der optische Sensor empfindlich ist. Die Wellenlängen (Wellenlängenbereiche), für die der optische Sensor empfindlich ist, können unterschiedlich zu der Wellenlänge des eingesetzten Bearbeitungslaserstrahls sein, wodurch sich die Lichtbrechung durch die Fokussiervorrichtung unterscheiden kann. Dies kann einen Versatz zwischen der Messposition des optischen Sensors auf dem Werkstück und einer (theoretischen oder virtuellen) Position des Bearbeitungslaserstrahls auf dem Werkstück führen, wodurch sich eine Ungenauigkeit der Messung durch den optischen Sensor ergeben kann. Der optische Sensor kann insbesondere ein Sensor zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses durch den Bearbeitungslaserstrahl, z.B. zur Pre-Prozess und/oder Post-Prozess und/oder In-Prozess Überwachung, sein. Für eine Pre-Prozess und/oder Post-Prozess Überwachung kann der Bearbeitungslaserstrahl ausgeschaltet sein. Beispielsweise kann der erste optische Sensor empfindlich für den infraroten Wellenlängenbereich und/oder den sichtbaren Wellenlängenbereich sein.
Die erste Position des Strahlengangs des ersten optischen Sensors kann eine erste Messposition des ersten optischen Sensors sein. Die erste Messposition kann auf der ersten Referenz liegen. Die erste Messposition kann eine Position, insbesondere auf der ersten Referenz, sein, von der der erste optische Sensor Messlicht empfängt.
Messlicht kann Licht sein, das von dem ersten optischen Sensor ausgehend von der ersten Position auf der ersten Referenz, an die der Strahlengang des ersten optischen Sensors ausgelenkt ist, empfangen wird. Auf Grundlage des Messlichts, insbesondere basierend auf einer Intensität des erfassten Messlichts, kann ein erstes optisches Messsignal erzeugt werden, z.B. durch den ersten optischen Sensor. Das erste optische Messsignal kann ein Intensitätssignal sein. Der erste optische Sensor kann ein erster Intensitätssensor sein.
Basierend auf dem ersten optischen Messsignal kann eine Abweichung zwischen der ersten Position des Strahlengangs bzw. der Messposition des ersten optischen Sensors und einer ersten Sollposition auf der ersten Referenz ermittelt werden oder vorliegen und entsprechend kann ein Korrekturwert für eine laterale Abweichung, d.h. eine x/y Abweichung, der Messposition des optischen Sensors bestimmt werden. Die erste Sollposition für den ersten optischen Sensor kann eine Position auf der Referenz sein, an die der Strahlengang des ersten optischen Sensors ausgelenkt sein oder werden soll bzw. an der die Messposition des ersten optischen Sensors liegen soll.
Die Sollposition für den ersten optischen Sensor bzw. für zumindest einen der optischen Sensoren des Laserbearbeitungskopfes kann auf der Position des Bearbeitungslaserstrahls (auch Bearbeitungsposition genannt) oder auf der Position des Strahlengangs des Bearbeitungslaserstrahls bzw. der theoretischen oder virtuellen Position des Bearbeitungslaserstrahls liegen. Es kann also vorgesehen sein, dass der Strahlengang des ersten optischen Sensors auf die theoretische oder virtuelle Position des Bearbeitungslaserstrahls ausgelenkt oder gerichtet ist.
Die erste Sollposition für den ersten optischen Sensor bzw. für zumindest einen der optischen Sensoren des Laserbearbeitungskopfes kann von der Position des Bearbeitungslaserstrahls, d.h. der Bearbeitungsposition, oder von der Position des Strahlengangs des Bearbeitungslaserstrahls bzw. der theoretischen oder virtuellen Position des Bearbeitungslaserstrahls beabstandet sein. Es kann vorgesehen sein, dass der Strahlengang des ersten optischen Sensors einen (vordefinierten) Abstand oder eine (vordefinierte) Abweichung zu der Position des Strahlengangs des Bearbeitungslaserstrahls aufweist. Der Abstand kann ein Abstand in einer von der ersten Referenz definierten Ebene sein. Insbesondere kann die erste Sollposition eine Position im Vorlauf und/oder im Nachlauf in Bezug auf den Bearbeitungslaserstrahl und eine Bearbeitungsrichtung umfassen. Entsprechend kann der erste optische Sensor ein Sensor zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses in einem Pre-Prozess- und/oder Post-Prozess-Schritt sein.
Der Korrekturwert kann ein absoluter oder ein relativer Wert sein. Beispielsweise ist der Korrekturwert eine Distanz oder Strecke. Der Korrekturwert kann der Distanz oder der Strecke zwischen der ersten Position des Strahlengangs des ersten optischen Sensors und der ersten Sollposition entsprechen. Der Korrekturwert kann ein Faktor sein.
Der Korrekturwert kann mit einer Position oder Lage oder Stellung der Ablenkvorrichtung verknüpft werden.
Eine Abweichung zwischen der ersten Position auf der ersten Referenz, von der Messlicht durch den ersten optischen Sensor empfangen wird, und der ersten Sollposition kann durch eine chromatische Aberration verursacht sein oder werden. Insbesondere kann die chromatische Aberration durch die Fokussiervorrichtung des Laserbearbeitungskopfes verursacht sein oder werden.
Der erste optische Sensor kann eine spektrale Empfindlichkeit für andere Wellenlängen als die Wellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls aufweisen. Die Wellenlängen oder der Wellenlängenbereich, für die der erste optische Sensor empfindlich ist, kann unterschiedlich zu der Wellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls sein.
Die Referenz kann flächig ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Referenz plattenförmig. Die Referenz kann eine Kalibrierplatte sein. Durch die Referenz kann eine Ebene, beispielsweise eine x-y-Ebene, definiert oder festgelegt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Referenz und/oder der Laserbearbeitungskopf so ausgerichtet sein, dass eine Oberfläche der Referenz in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls liegt, d.h. bei Nullposition bzw. ohne Auslenkung des Bearbeitungslaserstrahls.
Die Abweichung der ersten Position auf der ersten Referenz (Messposition) von der Sollposition kann eine Abweichung in einer von der Referenz definierten Ebene oder in einer Ebene, die parallel zu der von der Referenz definierten Ebene ist, sein. Die Abweichung kann eine laterale Abweichung auf der Referenz sein. Die Abweichung kann eine Abweichung in x-Richtung und/oder in y-Richtung in der x-y-Ebene der Referenz sein.
Ein Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls kann ebenfalls die Ablenkvorrichtung und/oder die Fokussiervorrichtung durchlaufen oder passieren. Der Strahlengang des ersten Sensors kann zumindest teilweise parallel oder koaxial zu dem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls verlaufen. Bei einer Kalibrierung muss der Bearbeitungslaserstrahl nicht auf die Referenz eingestrahlt werden, d.h. der Bearbeitungslaserstrahl kann ausgeschaltet bleiben.
Allgemein kann der Laserbearbeitungskopf ein Laserstrahlschweißkopf, ein Laserstrahllötkopf, ein Laserstrahlschneidkopf, ein Laserstrahlgravierkopf oder ein Laserstrahlhärtkopf sein. Der Laserbearbeitungsprozess kann ein Laserstrahlschweißen, ein Laserstrahllöten, ein Laserstrahlschneiden, ein Laserstrahlgravieren oder ein Laserstrahlhärten sein.
Die Ablenkvorrichtung kann eingerichtet sein, den Strahlengang des ersten optischen Sensors innerhalb eines Scanfelds der Ablenkvorrichtung auf der Referenz und/oder auf einem Werkstück abzulenken. Mit anderen Worten kann die Ablenkvorrichtung eingerichtet sein, die Messposition des ersten optischen Sensors innerhalb eines Scanfelds der Ablenkvorrichtung auf der Referenz und/oder auf einem Werkstück einzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Ablenkvorrichtung eingerichtet sein, den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls bzw. eine Bearbeitungsposition innerhalb des Scanfelds der Ablenkvorrichtung auf der Referenz und/oder einem Werkstück abzulenken bzw. eine Bearbeitungsposition innerhalb des Scanfelds der Ablenkvorrichtung auf der Referenz und/oder einem Werkstück einzustellen.
Die Fokussiervorrichtung kann eine Fokussieroptik zum Fokussieren des Messlichts für den ersten optischen Sensor und/oder zum Fokussieren des Bearbeitungslaserstrahls umfassen. Die Fokussiervorrichtung kann eine, zwei oder mehr Linsen oder Linsengruppen umfassen. Die Fokussiervorrichtung kann eine, zwei oder mehr Linsen oder Linsengruppen, deren Abstände zumindest teilweise veränderlich sind, um die Fokuslage einzustellen oder zu ändern. Alternativ können Linsen mit variabler Brennweite („Flüssiglinsen“) eingesetzt werden.
Der Laserbearbeitungskopf kann mehrere unterschiedliche optische Sensoren umfassen. Die optischen Sensoren können dazu eingerichtet sein, vor, während und nach dem Prozess Daten zur Prozessüberwachung eines Laserbearbeitungsprozesses zu erfassen.
Der Laserbearbeitungskopf kann insbesondere einen zweiten optischen Sensor umfassen. Der Strahlengang des zweiten optischen Sensors kann die Ablenkvorrichtung und die Fokussiervorrichtung passieren. Das Verfahren kann ferner die Schritte umfassen: Auslenken des Strahlengangs des zweiten optischen Sensors durch die Ablenkvorrichtung an eine erste Position auf einer zweiten Referenz; Erzeugen eines zweiten optischen Messsignals basierend auf Messlicht, das durch den zweiten optischen Sensor von der ersten Position auf der zweiten Referenz empfangen wird; und Bestimmen eines Korrekturwerts zum Kalibrieren des zweiten optischen Sensors basierend auf dem zweiten optischen Messsignal und entsprechend einer Abweichung der ersten Position auf der zweiten Referenz von einer zweiten Sollposition, die optional relativ zu einer Position des Strahlengangs des Bearbeitungslaserstrahls vorgegeben ist.
Der Laserbearbeitungskopf kann ferner einen dritten optischen Sensor umfassen. Der Strahlengang des dritten optischen Sensors kann die Ablenkvorrichtung und die Fokussiervorrichtung passieren. Das Verfahren kann ferner die Schritte umfassen: Auslenken des Strahlengangs des dritten optischen Sensors durch die Ablenkvorrichtung an eine erste Position auf einer dritten Referenz, erzeugen eines dritten optischen Messsignals basierend auf Messlicht, das durch den dritten optischen Sensor von der ersten Position auf der dritten Referenz empfangen wird, und bestimmen eines Korrekturwerts zum Kalibrieren des dritten optischen Sensors basierend auf dem dritten optischen Messsignal und entsprechend einer Abweichung der ersten Position auf der dritten Referenz von einer dritten Sollposition, die relativ zu einer Position des Strahlengangs des Bearbeitungslaserstrahls vorgegeben ist.
Der Laserbearbeitungskopf kann zwei, drei, vier oder mehr optische Sensoren umfassen. Die optischen Sensoren können ausgewählt sein aus den folgenden: mindestens eine Kamera, einen optischen Kohärenztomographen (OCT), mindestens eine Photodiode, eine im infraroten Wellenlängenbereich empfindliche Photodiode, eine im sichtbaren Wellenlängenbereich empfindliche Photodiode, eine im ultravioletten Wellenlängenbereich empfindliche Photodiode, und eine für die Wellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls bzw. für einen Laserrückreflex empfindliche Photodiode.
Zumindest zwei Referenzen der ersten, zweiten und dritten Referenz können unterschiedliche Referenzen sein. Die Referenzen können sich durch ihre Form, Größe oder durch verschiedene Referenzmarkierungen unterscheiden. Bevorzugt sind die erste, zweite und dritte Referenz (alle) unterschiedliche Referenzen.
Zumindest zwei von dem ersten, zweiten und dritten optischen Sensor können unterschiedliche optische Sensoren sein. Die optischen Sensoren können sich durch ihre spektrale Empfindlichkeit, durch ihre Art der Signalerfassung oder durch Intensitätsempfindlichkeit unterscheiden. Bevorzugt sind der erste, zweite und dritte optischer Sensor (alle) unterschiedliche optische Sensoren.
Der erste Strahlengang des ersten optischen Sensors, der zweite Strahlengang des zweiten optischen Sensors und der dritte Strahlengang des dritten optischen Sensors können die Ablenkvorrichtung und die Fokussiervorrichtung passieren.
Das Erzeugen des ersten optischen Messsignals, des zweiten optischen Messsignals und des dritten optischen Messsignals zum Kalibrieren des ersten, zweiten und dritten optischen Sensors kann nacheinander oder nicht-gleichzeitig erfolgen. Das Erzeugen des ersten optischen Messsignals, des zweiten optischen Messsignals und des dritten optischen Messsignals kann zeitlich beabstandet erfolgen. Das Kalibrieren der mehreren optischen Sensoren, insbesondere von zumindest zwei des ersten, zweiten und dritten optischen Sensors, kann nacheinander durchgeführt werden oder zeitlich voneinander beabstandet sein. Für jede Kalibrierung kann eine unterschiedliche Referenz verwendet werden.
Das hierin mit Blick auf den ersten optischen Sensor Offenbarte kann für den zweiten optischen Sensor und/oder für den dritten optischen Sensor gültig sein.
Der Strahlengang des zumindest einen optischen Sensors, insbesondere des ersten, zweiten und/oder dritten optischen Sensors, kann durch die Ablenkvorrichtung an mehrere Positionen auf der jeweiligen Referenz, d.h. auf der ersten, zweiten und/oder dritten Referenz, ausgelenkt werden, um ein entsprechendes optisches Messsignal, d.h. ein erstes, zweites, und/oder drittes optisches Messsignal, zu erzeugen.
Der Strahlengang bzw. die Messposition des zumindest einen optischen Sensors, insbesondere des ersten, zweiten und/oder dritten optischen Sensors, kann durch die Ablenkvorrichtung eine Oberfläche der jeweiligen Referenz, d.h. auf der ersten, zweiten und/oder dritten Referenz, abtasten, um entsprechende optische Messsignale, d.h. erste, zweite, und/oder dritte optische Messsignale, zu erzeugen. Beispielsweise kann die Oberfläche der jeweiligen Referenz entlang eines vorgegebenen Abtastpfads, z.B. in Form eines Kreuzes mit Mittelpunkt in der Nullposition, erfolgen. Alternativ kann die gesamte Oberfläche der jeweiligen Referenz mit dem Strahlengang des jeweiligen optischen Sensors abgetastet bzw. abgefahren werden.
Der Strahlengang des jeweiligen optischen Sensors kann an eine Vielzahl von verschiedenen Positionen, bevorzugt an zumindest zwei, bevorzugter an zumindest fünf, bevorzugter an zumindest neun verschiedenen Positionen oder mehr Positionen, abgelenkt werden. Mit anderen Worten kann die Messposition des jeweiligen optischen Sensors auf eine Vielzahl von verschiedenen Positionen, bevorzugt auf zumindest zwei, bevorzugter auf zumindest fünf, bevorzugter auf zumindest neun verschiedenen Positionen oder mehr Positionen, gerichtet werden. Beispielsweise kann basierend auf Korrekturwerten für verschiedene Messpositionen eine Lookup Tabelle oder eine Korrekturfunktion f(x,y) erstellt werden, um bei künftigen Messungen, beispielsweise bei einer Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, die Messposition entsprechend zu korrigieren bzw. die Messsignale der entsprechenden tatsächlichen bzw. korrigierten Messposition zuzuordnen. Bei einer Änderung der Position des Strahlengangs bzw. der Messposition auf der Referenz kann ein Messsignal erzeugt werden. Insbesondere wenn die Kalibration automatisiert erfolgt und nicht Taktzeit relevant ist, können zum Erhöhen der Genauigkeit sehr viele Positionen angefahren werden. Vorzugsweise kann eine Korrekturtabelle erstellt und zwischen den Werten an den Positionen interpoliert werden. In einem Beispiel kann mit dem OCT eine ganze Linie abscannt werden. Bei einer Taktrate im kHz Bereich können so einige Tausend Messpunkte erhalten werden.
Die mehreren Positionen oder die Vielzahl von Positionen können in einer von der jeweiligen Referenz definierten Ebene in einer ersten Richtung und/oder in einer zweiten Richtung, die nicht-parallel, insbesondere senkrecht, zu der ersten Richtung ist, voneinander beabstandet sein.
Der Strahlengang des jeweiligen Sensors kann innerhalb eines Scanfelds von der Ablenkvorrichtung abgelenkt oder ausgelenkt werden. Das Scanfeld kann in der von der jeweiligen Referenz definierten Ebene liegen. Das jeweilige Scanfeld kann durch das Ablenken oder Auslenken des Strahlengangs des jeweiligen Sensors abgetastet werden. Bevorzugt weist das Scanfeld eine Breite in der von der Referenz definierten Ebene auf. Zumindest 50 %, bevorzugt zumindest 70 %, bevorzugter zumindest 90 %, der Breite des Scanfelds kann durch das Ablenken oder Auslenken des Strahlengangs des jeweiligen Sensors abgetastet werden. Insbesondere wird die gesamte Breite des Scanfelds durch das Ablenken oder Auslenken des Strahlengangs des jeweiligen Sensors abgetastet.
Vorzugsweise wird der Strahlengang jedes optischen Sensors durch die Ablenkvorrichtung an zumindest zwei, bevorzugt zumindest drei, bevorzugter zumindest fünf, oder mehr Positionen auf der jeweiligen Referenz ausgelenkt und ein entsprechendes optisches Messsignal erzeugt basierend auf Messlicht, das durch den optischen Sensor von der jeweiligen Position empfangen wird.
Jede der Referenzen kann mindestens eine Referenzmarkierung umfassen oder aufweisen. Die Abweichung der Position des ersten optischen Messsignals zu der (theoretischen bzw. virtuellen) Lage oder Position des Bearbeitungslaserstrahls kann auf Grundlage der Referenzmarkierung bestimmt werden.
Jede der Referenzen kann zumindest zwei, bevorzugt zumindest fünf, bevorzugter zumindest neun, oder mehr Referenzmarkierungen umfassen oder aufweisen. Eine jeweilige Abweichung der Position des optischen Messsignals zu der (theoretischen bzw. virtuellen) Lage oder Position des Bearbeitungslaserstrahls kann auf Grundlage einer jeweiligen Referenzmarkierung bestimmt werden.
Insbesondere kann der Strahlengang des zumindest einen optischen Sensors durch die Ablenkvorrichtung parallel oder koaxial zu einer optischen Achse der Fokussiervorrichtung auf die jeweilige Referenz gerichtet werden, um ein entsprechendes optisches Messsignal an einer Nullposition zu erzeugen.
An einer Nullposition kann der Strahlengang des optischen Sensors bzw. des Bearbeitungslaserstrahls nicht ausgelenkt sein. An der Nullposition kann der Strahlengang senkrecht zu einer von der Referenz definierten Ebene orientiert sein. Bevorzugt ist eine Distanz zwischen einer von der Referenz definierten Ebene und der Fokussiervorrichtung an der Nullposition am geringsten. Wird der Strahlengang von der Nullposition ausgelenkt, kann sich eine Distanz zwischen der von der Referenz definierten Ebene und der Fokussiervorrichtung verglichen mit der Distanz an der Nullposition vergrößern.
An der Nullposition kann keine laterale (in der von der Referenz definierten Ebene bzw. in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls in der Nullposition) chromatische Aberration für Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge vorliegen.
Die Nullposition kann zur Überprüfung der Messposition des jeweiligen Sensors, d.h. der Position des Strahlengangs des jeweiligen optischen Sensors, auf der Referenz relativ zur Bearbeitungsposition oder relativ zur Position des Strahlengangs des Bearbeitungslaserstrahls verwendet werden.
Der Laserbearbeitungskopf kann mehrere verschiedene optische Sensoren umfassen. Jeder der optischen Sensoren kann für einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich sensitiv oder empfindlich sein. Die spektrale Empfindlichkeit der optischen Sensoren kann unterschiedlich sein.
Der jeweilige Strahlengang von zumindest zwei der optischen Sensoren, bevorzugt von allen der optischen Sensoren, kann die Ablenkvorrichtung und die Fokussiervorrichtung passieren.
Das erste, zweite und/oder dritte optische Messsignal kann auf Messlicht von einer unterschiedlichen Wellenlänge oder von unterschiedlichen Wellenlängenbereichen basieren.
Der Laserbearbeitungskopf kann mehrere verschiedene optische Sensoren umfassen, die mit jeweils verschiedenen Referenzen kalibriert werden. Für jeden der optischen Sensoren kann eine Referenz verwendet werden, wobei sich die Referenzen unterscheiden.
Der zumindest eine optische Sensor kann eine Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung, eine Konoskopie-Vorrichtung, eine Laufzeitmessvorrichtung, eine optische Interferenz-Vorrichtung, einen optischen Kohärenztomographen, einen Bildsensor, eine Kamera, einen Spektrographen, ein Spektrometer und/oder einen Photodioden-Sensor mit einer oder mehreren Photodioden umfasst.
Die optischen Sensoren des Laserbearbeitungskopfes können unterschiedliche optische Sensoren sein. Jeder der optischen Sensoren kann umfassen: eine Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung, eine Konoskopie-Vorrichtung, eine Laufzeitmessvorrichtung, eine optische Interferenz-Vorrichtung, einen optischen Kohärenztomographen, einen Bildsensor, eine Kamera, einen Spektrographen, ein Spektrometer und/oder einen Photodioden-Sensor mit einer oder mehreren Photodioden.
Bevorzugt umfasst der erste optische Sensor einen Bildsensor, insbesondere eine Kamera. Der zweite optische Sensor kann einen Spektrographen, ein Spektrometer, einen Photodioden-Sensor mit einer oder mehreren Photodioden umfassen. Der dritte optische Sensor kann eine Interferenz-Vorrichtung umfassen, insbesondere kann der dritte optische Sensor einen optischen Kohärenztomographen umfassen.
Durch den Bildsensor kann ein Bild der Referenz erfasst werden. Das Bild kann eine Fläche, insbesondere eine Fläche auf der Referenz, von zumindest 25 mm², bevorzugt zumindest 100 mm², bevorzugter zumindest 400 mm², bevorzugt 1000 mm², oder mehr umfassen.
Durch den Photodioden-Sensor können Prozessemissionen erfasst werden. Dazu kann der Photodioden-Sensor zum Erfassen von Prozessemissionen eingerichtet sein. Die Prozessemissionen können Plasmastrahlung, Temperaturstrahlung und/oder reflektierte Laserstrahlung, insbesondere aus dem Bearbeitungsbereich, umfassen.
Der Photodioden-Sensor kann mehrere Photodioden umfassen. Die Photodioden können eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen. Eine Photodiode kann für den sichtbaren Wellenlängenbereich, insbesondere in einem Wellenlängenbereich von 350 nm bis 780 nm, empfindlich sein. Eine Photodiode kann für den infraroten Wellenlängenbereich, insbesondere in einem Wellenlängenbereich von 780 nm bis 2200 nm, empfindlich sein. Eine Photodiode kann für die Wellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere in einem Wellenlängenbereich von 900 nm bis 1080 nm, bzw. 500 nm bis 550 nm empfindlich sein.
Der zumindest eine optische Sensor kann eine optische Interferenz-Vorrichtung oder einen optischen Kohärenztomographen umfassen. Die Referenz kann eine Kalibrierplatte mit mehreren Vertiefungen an vorgegebenen Positionen sein. Eine Vertiefung kann eine Referenzmarkierung sein. Durch den Sensor mit der optischen Interferenz-Vorrichtung, insbesondere durch den optischen Kohärenztomographen, kann eine Vertiefung in der Referenz erfasst werden.
Auf die Referenz kann ein optischer Messstrahl eingestrahlt werden. Ein Teil des optischen Messstrahl kann von der Referenz als Messlicht zu dem optischen Sensor reflektiert werden. Der Verlauf des optischen Messstrahls kann dem Strahlengang des optischen Sensors entsprechen, d.h. der optischen Interferenz-Vorrichtung bzw. des optischen Kohärenztomographen.
Das Messlicht zur Erzeugung des optischen Messsignals kann dem reflektierten und von dem optischen Sensor, insbesondere von der optischen Interferenz-Vorrichtung bzw. dem optischen Kohärenztomographen, erfassten Teil des eingestrahlten optischen Messstrahls entsprechen.
Das Verfahren zum Kalibrieren des optischen Sensors, insbesondere eine optische Interferenz-Vorrichtung oder ein optischer Kohärenztomograph, kann umfassen: Ausrichten einer Nullposition des Strahlengangs des Bearbeitungslaserstrahls bzw. eines optischen Messstrahls des optischen Sensors an eine vorgegebene Nullposition auf der Referenz, insbesondere der Kalibrierplatte, Einstrahlen und Auslenken des optischen Messstrahls durch die Ablenkvorrichtung an mindestens eine Position auf der Referenz, insbesondere der Kalibrierplatte, die von der Nullposition verschieden ist, Erzeugen von Messsignalen für die mindestens eine Position oder für jede der Positionen und Bestimmen eines Korrekturwerts entsprechend einer Abweichung der Position von einer entsprechenden vorgegebenen Sollposition oder Bestimmen von Korrekturwerten entsprechend einer jeweiligen Abweichung der Positionen von entsprechenden vorgegebenen Sollpositionen.
Das Verfahren zum Kalibrieren des optischen Sensors, insbesondere eine optische Interferenz-Vorrichtung oder ein optischer Kohärenztomograph, kann umfassen: Ausrichten der Kalibrierplatte, sodass eine vorgegebene Nullposition auf der Kalibrierplatte einer Nullposition eines optischen Messstrahls des optischen Sensors entspricht; Abtasten einer Oberfläche der Kalibrierplatte mit dem optischen Messstrahl durch die Ablenkvorrichtung und Erzeugen von entsprechenden Messsignalen; Ermitteln der Positionen der Vertiefungen auf der Kalibrierplatte basierend auf den Messsignalen; und Bestimmen von Korrekturwerten entsprechend von Abweichungen der ermittelten Positionen der Vertiefungen von vorgegebenen Referenzpositionen.
Die Referenzposition kann eine Position einer Referenzmarkierung, beispielsweise einer Vertiefung oder eines optischen Merkmals, sein. Die Referenzposition kann sich auf die Nullposition und/oder auf eine weitere Referenzmarkierung beziehen. Beispielsweise kann die Nullposition und ein Abstand zu der Referenzmarkierung an der Referenzposition bekannt sein. Auch kann ein Abstand zwischen zwei Referenzmarkierungen bekannt sein.
Die Nullposition des Strahlengangs des optischen Sensors (bzw. des optischen Messstrahls des optischen Sensors) kann gleich sein zu der Nullposition des Strahlengangs des Bearbeitungslaserstrahls, oder um einen vorgegebenen Abstand davon beabstandet. An den Nullpositionen können die Strahlen unausgelenkt sein, insbesondere parallel oder koaxial zur optischen Achse der Fokussiervorrichtung sein.
Das Verfahren zum Kalibrieren des optischen Sensors, insbesondere eine optische Interferenz-Vorrichtung oder ein optischer Kohärenztomograph, kann umfassen: Ausrichten der Kalibrierplatte, sodass eine vorgegebene Nullposition auf der Kalibrierplatte einer Nullposition eines optischen Messstrahls des optischen Sensors entspricht; Ermitteln eines Arbeitsabstands zwischen dem Laserbearbeitungskopf und der Kalibrierplatte; Abtasten einer Oberfläche der Kalibrierplatte mit dem optischen Messstrahl durch die Ablenkvorrichtung und erzeugen von entsprechenden Messsignalen; Ermitteln von Abständen zwischen dem Laserbearbeitungskopf und der Kalibrierplatte basierend auf den Messsignalen; und Bestimmen von Korrekturwerten entsprechend von Abweichungen zwischen dem Arbeitsabstand und den ermittelten Abständen. Auf diese Weise kann eine axiale Kalibrierung, d.h. in Strahlausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls bzw. des optischen Messstrahls erfolgen. Der Arbeitsabstand kann der kürzeste Abstand zwischen dem Laserbearbeitungskopf und der Kalibrierplatte sein, insbesondere an der Nullposition. Allgemein kann ein Abstand eine Weglänge des optischen Messstrahls sein.
Der zumindest eine optische Sensor kann einen Spektrographen, ein Spektrometer und/oder einen Photodioden-Sensor mit einer oder mehreren Photodioden zum Erfassen von Prozessemissionen umfassen. Die Referenz kann ein Testwerkstück sein. Auf dem Testwerkstück kann durch Auslenkung des Bearbeitungslaserstrahls mittels der Ablenkvorrichtung an mindestens einer vorgegebenen Referenzposition ein Testbearbeitungsprozess mittels des Bearbeitungslaserstrahls durchgeführt wird.
Durch den Testbearbeitungsprozess kann eine Referenzmarkierung auf der Referenz, insbesondere dem Testwerkstück, hergestellt werden. Die Position der Referenzmarkierung bzw. des Testbearbeitungsprozesses kann die Referenzposition sein.
Der Testbearbeitungsprozess kann ein Schweißen, Schneiden, Bohren oder Einstechen mittels des Bearbeitungslaserstrahls mit vorgegebenen Parametern sein. Der Testbearbeitungsprozess kann an unterschiedlichen Positionen der Referenz (Testwerkstück) durchgeführt werden. Die vorgegebenen Parameter der Testbearbeitungsprozesse an den unterschiedlichen Positionen der Referenz können gleich oder identisch sein. Die Testbearbeitungsprozesse können an den unterschiedlichen Positionen der Referenz gleich oder identisch durchgeführt werden.
Das Messlicht zur Erzeugung des optischen Messsignals kann Prozessemissionen entsprechen, die an der Position des Testbearbeitungsprozesses oder den Positionen der Testbearbeitungsprozesse emittiert werden. Die Prozessemissionen können einen von der Referenz reflektierten Bearbeitungslaserstrahl, Plasmaemissionen und/oder Temperaturstrahlung umfassen.
Bevorzugt umfasst der optische Sensor zumindest drei Photodioden. Die erste Photodiode kann für einen infraroten Wellenlängenbereich empfindlich sein. Die zweite Photodiode kann für einen (durch einen Menschen) sichtbaren Wellenlängenbereich empfindlich sein. Die dritte Photodiode kann für die Wellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls empfindlich sein.
Das Verfahren zum Kalibrieren des optischen Sensors, insbesondere des Spektrographen, des Spektrometers und/oder des Photodioden-Sensors, kann umfassen: Richten des Bearbeitungslaserstrahls auf eine Nullposition auf dem Testwerkstück, Durchführen eines Testbearbeitungsprozesses und Erfassen der dabei emittierten Prozessemissionen durch den optischen Sensor; Auslenken des Bearbeitungslaserstrahls auf eine Referenzposition, Durchführen eines Testbearbeitungsprozesses an der Referenzposition und Erfassen der dabei emittierten Prozessemissionen durch den optischen Sensor; und Bestimmen eines Korrekturwerts entsprechend einer Abweichung der Intensität der an der Referenzposition erfassten Prozessemissionen von der Intensität der an der Nullposition erfassten Prozessemissionen. Beim Richten des Bearbeitungslaserstrahls auf eine Nullposition auf dem Testwerkstück wird der Bearbeitungslaser vorzugsweise nicht ausgelenkt und kann koaxial zur optischen Achse der Fokussiervorrichtung auf das Testwerkstück treffen. Die Intensität der an der Referenzposition erfassten Prozessemissionen kann ein Signalpegel oder eine Signalstärke sein. Der Korrekturwert kann einer Differenz zwischen der Intensität der an der Referenzposition erfassten Prozessemissionen und der Intensität der an der Nullposition erfassten Prozessemissionen entsprechen oder die Differenz sein. Der Korrekturwert kann auch einem Faktor zwischen der Intensität der an der Referenzposition erfassten Prozessemissionen und der Intensität der an der Nullposition erfassten Prozessemissionen entsprechen.
Das Verfahren kann mehrere Testbearbeitungsprozesse an jeweiligen Referenzpositionen umfassen. Basierend auf dem Korrekturwert zur jeweiligen bzw. zur nächstgelegenen Referenzposition kann das optische Messsignal angepasst werden, oder es können Qualitätskriterien, beispielsweise Referenzkurven oder Hüllkurven, angepasst werden.
Der zumindest eine optische Sensor kann einen Bildsensor oder eine Kamera umfassen oder ein Bildsensor oder eine Kamera sein. Die Referenz kann eine Kalibrierplatte mit mehreren optischen Merkmalen an vorgegebenen Referenzpositionen sein. In diesem Fall kann die Position des Strahlengangs bzw. die Messposition des Sensors auf einen Mittelpunkt des Sichtfelds des Sensors bezogen sein.
Die optischen Merkmale können Referenzmarkierungen sein. Die optischen Merkmale können, Kreise, Linien, sich kreuzende Linien und/oder ein Gitter umfassen.
Ferner kann eine Beleuchtung vorgesehen sein. Die Beleuchtung kann auf die Referenz (Kalibrierplatte) gerichtet sein. Die Beleuchtung kann weißes Licht oder Licht einer bestimmten Wellenlänge (Farbe) erzeugen. Das optische Messsignal kann einem (zweidimensionalen) Kamerabild bzw. einem Foto entsprechen.
Das Verfahren zum Kalibrieren des optischen Sensors, insbesondere einer Kamera oder eines Bildsensors, kann umfassen: Ausrichten der Kalibrierplatte, sodass eine vorgegebene Nullposition auf der Kalibrierplatte einer Nullposition des Strahlengangs des optischen Sensors entspricht; Auslenken des Strahlengangs des optischen Sensors um eine diskrete Strecke, um die der Bearbeitungslaserstrahl ausgelenkt werden muss, um auf ein optisches Merkmal der Kalibrierplatte gerichtet zu werden; und Bestimmen eines Korrekturwerts entsprechend einem Abstand von der Position des ausgelenkten Strahlengangs zu dem optischen Merkmal.
Der Abstand bzw. der Korrekturwert kann in Abhängigkeit einer Position des optischen Merkmals in einer von der Kalibrierplatte (Referenz) definierten Ebene ermittelt werden. Die von der Kalibrierplatte definierte Ebene kann eine x-y-Ebene, d.h. eine Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des auf die Nullposition gerichteten bzw. unausgelenkten Bearbeitungslaserstrahls, sein. Die Position kann eine x-y-Position sein. Der Abstand bzw. der Korrekturwert kann in Abhängigkeit einer Ausrichtung des optischen Sensors bezogen auf die von der Kalibrierplatte (Referenz) definierten Ebene ermittelt werden. Auch kann der Abstand bzw. der Korrekturwert in Abhängigkeit einer Stellung oder Lage oder Position der Ablenkvorrichtung ermittelt werden. Der Abstand kann auch als lateraler Versatz aufgrund chromatischer Aberration bezeichnet werden.
Ein Koordinatensystem der Kamera kann entsprechend einem Koordinatensystem der Ablenkvorrichtung kalibriert werden, um so eine im Kamerabild identifizierte Position für den Bearbeitungslaserstrahl durch die Ablenkvorrichtung einstellen zu können. Eine Orientierung des optischen Sensors kann also an eine Orientierung der Ablenkvorrichtung angepasst werden, d.h. die Rotationslage des optischen Sensors kann ausgerichtet werden, insbesondere zu der Orientierung der Ablenkvorrichtung. Eine Verdrehung des Bildsensors bzw. der Kamera kann detektiert werden, insbesondere auf Grundlage der Kalibrierung.
Ferner kann das Bild des Bildsensors bzw. der Kamera kalibriert werden. Auf Grundlage der optischen Merkmale kann Kalibrierung zwischen der Pixelgröße und der realen Größe durchgeführt werden. Mit anderen Worten, auf Grundlage der optischen Merkmale kann eine Pixelgröße des Bilds des Bildsensors bzw. der Kamera bestimmt werden.
Die Fokussiervorrichtung kann ein F-Theta Objektiv umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Fokussiervorrichtung in Bezug auf die Strahlausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls im Laserbearbeitungskopf nach der Ablenkvorrichtung angeordnet sein.
Die Fokussiervorrichtung kann zumindest eine Linse, eine Linsengruppe oder eine Optik umfassen. Die Fokussiervorrichtung kann eingerichtet sein, den Bearbeitungslaserstrahl in einer vorgegebenen Fokuslage zu fokussieren.
Die Ablenkvorrichtung kann mindestens einen beweglichen Spiegel umfassen, insbesondere zwei bewegliche Spiegel. Beispielsweise kann die Ablenkvorrichtung ein Galvo-Scanner sein. Der Bearbeitungslaserstrahl, ein optischer Messstrahl und/oder ein Strahlengang eines optischen Sensors kann durch die Ablenkvorrichtung in einem Scanfeld ablenkbar sein, d.h. das Scanfeld kann den maximalen Bereich definieren, der mit dem Strahl oder mit den Strahlen durch die Ablenkvorrichtung erreichbar ist. Das Scanfeld der Ablenkvorrichtung kann eine Länge und/oder Breite von zumindest 50 mm aufweisen. Der Bearbeitungslaserstrahl, ein optischer Messstrahl und/oder ein Strahlengang eines optischen Sensors kann durch die Ablenkvorrichtung um einen Winkel von zumindest 5 °, bevorzugt zumindest 10 °, bevorzugter zwischen 5 ° und 20 °, bevorzugter zwischen 10 ° und 20 °, abgelenkt werden.
Die Ablenkvorrichtung kann eingerichtet sein, den Bearbeitungslaserstrahl, einen optischen Messstrahl und/oder einen Strahlengang eines optischen Sensors um zumindest einen ersten Ablenkwinkel entlang einer ersten Achse abzulenken. Vorzugsweise ist die Ablenkvorrichtung zusätzlich eingerichtet, um den Bearbeitungslaserstrahl um einen zweiten Ablenkwinkel entlang einer zweiten Achse abzulenken, wobei die erste und die zweite Achse zueinander in einem Winkel angeordnet sind, beispielsweise senkrecht zueinander orientiert sind. Der maximale erste Ablenkwinkel und/oder der maximale zweite Ablenkwinkel der Ablenkvorrichtung können jeweils zumindest 5 ° oder zumindest 10 ° sein, insbesondere 10 ° bis 20 °. Die Ablenkwinkel entsprechen Spiegelwinkel von mindestens +/-5 °, insbesondere von +/-10 °, da der Strahl um das Doppelte des Spiegelwinkels abgelenkt wird.
Das Scanfeld der Ablenkvorrichtung kann als Bereich auf der Referenz, insbesondere der Oberfläche der Referenz definiert sein, und/oder durch einen maximalen ersten und einen maximalen zweiten Ablenkwinkel der ersten Ablenkvorrichtung vorgegeben sein. Eine Länge und/oder eine Breite des Scanfelds kann gleich oder größer als 50 mm sein. Das Scanfeld kann beispielsweise eine Größe von mehr als 50 x 50 mm, insbesondere zumindest ca. 100 x 200 mm oder 250 x 150 mm, auf der Referenz aufweisen.
Die Ablenkvorrichtung kann ein sogenannter Großfeldscanner sein. Die Ablenkvorrichtung kann eingerichtet sein, den Bearbeitungslaserstrahl, einen optischen Messstrahl und/oder einen Strahlengang eines optischen Sensors zweidimensional abzulenken, d.h. in eine Richtung in einer von der Referenz definierten Ebene und in einer zweiten Richtung in der von der Referenz definierten Ebene, wobei die erste Richtung nicht-parallel zu der zweiten Richtung, insbesondere senkrecht zu der zweiten Richtung, ist. Die Ablenkung der Ablenkvorrichtung kann senkrecht zur optischen Achse der Fokussiervorrichtung durchführbar sein. Die Achsen der Ablenkvorrichtung können einen Winkel gleich 90 ° oder zwischen 25 ° und 80 ° aufweisen.
Offenbart ist ein Laserbearbeitungskopf zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungslaserstrahls. Der Laserbearbeitungskopf kann einen ersten optischen Sensor, eine Ablenkvorrichtung, eine Fokussiervorrichtung und eine Rechenvorrichtung umfassen. Die Ablenkvorrichtung und die Fokussiervorrichtung können in einem Strahlengang des ersten optischen Sensors liegen. Die Ablenkvorrichtung kann eingerichtet sein, den Strahlengang des ersten optischen Sensors an eine erste Position auf einer ersten Referenz auszulenken. Der erste optische Sensor kann eingerichtet sein, Messlicht von der ersten Position auf der ersten Referenz zu empfangen und basierend auf dem Messlicht ein erstes optisches Messsignal zu erzeugen. Die Rechenvorrichtung kann eingerichtet sein, einen Korrekturwert zum Kalibrieren des ersten optischen Sensors basierend auf dem ersten optischen Messsignal und entsprechend einer Abweichung der ersten Position auf der ersten Referenz von einer ersten Sollposition, die optional relativ zu einer (theoretischen bzw. virtuellen) Position des Bearbeitungslaserstrahls vorgegeben ist, zu bestimmen.
Der Laserbearbeitungskopf bzw. die Rechenvorrichtung (auch Steuerung genannt) kann eingerichtet sein, jedes hierin offenbarte Verfahren auszuführen.
Ferner ist ein Laserbearbeitungssystem offenbart. Das Laserbearbeitungssystem umfasst einen Laserbearbeitungskopf zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungslaserstrahls und eine Rechenvorrichtung. Der Laserbearbeitungskopf kann einen ersten optischen Sensor, eine Ablenkvorrichtung und eine Fokussiervorrichtung umfassen. Die Ablenkvorrichtung und die Fokussiervorrichtung können in einem Strahlengang des ersten optischen Sensors liegen. Die Ablenkvorrichtung kann eingerichtet sein, den Strahlengang des ersten optischen Sensors an eine erste Position auf einer ersten Referenz auszulenken. Der erste optische Sensor kann eingerichtet sein, Messlicht von der ersten Position auf der ersten Referenz zu empfangen und basierend auf dem Messlicht ein erstes optisches Messsignal zu erzeugen. Die Rechenvorrichtung kann eingerichtet sein, einen Korrekturwert zum Kalibrieren des ersten optischen Sensors basierend auf dem ersten optischen Messsignal und entsprechend einer Abweichung der ersten Position auf der ersten Referenz von einer ersten Sollposition, die optional relativ zu einer (theoretischen bzw. virtuellen) Position des Bearbeitungslaserstrahls vorgegeben ist, zu bestimmen. Die Rechenvorrichtung kann auch als Steuerung bezeichnet werden und am bzw. im Laserbearbeitungskopf oder getrennt vom Laserbearbeitungskopf angeordnet sein.
Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserquelle zum Erzeugen des Bearbeitungslaserstrahls umfassen. Alternativ kann das Laserbearbeitungssystem eingerichtet sein, den Bearbeitungslaserstrahl von einer Laserquelle in den Laserbearbeitungskopf einzukoppeln, insbesondere durch einen Faserkoppler.
Das Laserbearbeitungssystem bzw. die Rechenvorrichtung (auch Steuerung genannt) kann eingerichtet sein, jedes hierin offenbarte Verfahren auszuführen.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein oder mehrere optische Sensoren eines Laserbearbeitungskopfs so kalibriert werden, dass sie unabhängig von der eingestellten x-y-Position im Scanfeld bzw. von der eingestellten Ablenkposition auf die gewünschte Sollposition relativ zur Bearbeitungsposition gerichtet sind. Damit kann sichergestellt werden, dass Messung und Bearbeitung an der jeweiligen gewünschten Stelle erfolgen und nicht unerwünscht lateral zueinander versetzt sind.
Figurenliste
Die Offenbarung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben.

1 zeigt ein Laserbearbeitungssystem 1000 mit einem Laserbearbeitungskopf 800;
2 zeigt verschiedene Strahlverläufe des Laserbearbeitungssystems 1000;
3 zeigt eine Referenz R1;
4 zeigt eine Referenz R2;
5a bis 5c zeigen schematisch eine axiale Kalibrierung eines Laserbearbeitungskopfes 800;
6a und 6b zeigen schematisch ein Erkennen einer Schiefstellung des Laserbearbeitungskopfes 800;
7 zeigt eine Referenz R3;
8 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Referenz R3;
9 zeigt eine Messung eines optischen Sensors; und
10 zeigt eine Referenz R4.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch ein Laserbearbeitungssystem 1000 mit einem Laserbearbeitungskopf 800. Das Laserbearbeitungssystem 1000 kann eine Laserquelle und/oder eine Rechenvorrichtung 700 umfassen. Der Laserbearbeitungskopf 800 kann einen ersten optischen Sensor 200, einen zweiten optischen Sensor 300 und einen dritten optischen Sensor 400 umfassen. In 1 ist nur aus Gründen der Darstellung ein Laserbearbeitungssystem 1000 gezeigt. Ein Laserbearbeitungskopf 800 mit zumindest einem optischen Sensor, beispielsweise mit dem ersten optische Sensor 200, dem zweiten optische Sensor 300 und/oder dem dritten optische Sensor 400, ist auch unabhängig offenbart.
Der Laserbearbeitungskopf 800 umfasst weiterhin eine Ablenkvorrichtung 500 und eine Fokussiervorrichtung 600.
Von der Laserquelle kann ein Bearbeitungslaserstrahl L erzeugt werden. Die Laserquelle kann als Single-Mode-Laser, als Festkörperlaser oder als Faserlaser ausgebildet sein.
Der von der Laserquelle erzeugte Bearbeitungslaserstrahl L kann über eine Lichtleitfaser von der Laserquelle zu dem Laserbearbeitungskopf 800 übertragen werden. Über einen Faserkoppler 100 kann der Bearbeitungslaserstrahl L in den Laserbearbeitungskopf 800 eingekoppelt werden. Beispielsweise kann der Bearbeitungslaserstrahl L durch einen Strahlteiler 105 eingekoppelt werden.
Der Laserbearbeitungskopf 800 kann eine Kollimationsoptik oder Kollimieroptik (nicht gezeigt) umfassen. Die Kollimationsoptik kann in dem Laserbearbeitungskopf 800 so angeordnet und ausgebildet sein, dass der divergent in den Laserbearbeitungskopf 800 eintretende Bearbeitungslaserstrahl L kollimiert wird. Die Kollimationsoptik kann zumindest eine Linse oder zwei oder mehr Linsen umfassen. Ein Abstand zwischen den zwei oder mehr Linsen kann einstellbar sein, insbesondere durch einen Motor, beispielsweise einen Elektromotor.
Ferner umfasst der Laserbearbeitungskopf 800 eine Ablenkvorrichtung 500 zum Ablenken des Bearbeitungslaserstrahls L, von Messlicht 210, 410 (vgl. 2) und/oder eines Messstrahls. Die Ablenkvorrichtung 500 kann einen ersten beweglichen Spiegel 510 aufweisen. Der erste bewegliche Spiegel 510 kann um eine erste Rotationsachse drehbar sein. Ferner kann die Ablenkvorrichtung 500 einen zweiten beweglichen Spiegel 520 aufweisen. Der zweite bewegliche Spiegel 520 kann um eine zweite Rotationsachse drehbar sein. Die erste Rotationsachse und die zweite Rotationsachse können in einem Winkel zueinander angeordnet sein. Der Winkel kann zwischen 45 ° und 135 °, insbesondere ca. 75 ° oder ca. 90 °, betragen. Der erste und/oder zweite bewegliche Spiegel 510, 520 können als Galvanometer-Spiegel, kurz Galvo-Spiegel, ausgebildet sein. Die Ablenkvorrichtung kann als Galvanometer- oder Galvo-Scanner ausgebildet sein.
Der Laserbearbeitungskopf 800 umfasst eine Fokussiervorrichtung 600 zum Fokussieren des Bearbeitungslaserstrahls L, von Messlicht 210, 410 und/oder eines Messstrahls. Die Fokussiervorrichtung 600 kann zumindest eine Linse oder zwei oder mehr Linsen umfassen. Ein Abstand zwischen den zwei oder mehr Linsen kann einstellbar sein, insbesondere durch einen Motor, beispielsweise einen Elektromotor. Die Fokussieroptik kann insbesondere eingerichtet sein, um den Bearbeitungslaserstrahl L, das Messlicht 210, 410 und/oder den Messstrahl auf ein Werkstück oder eine Referenz R, insbesondere auf eine Oberfläche des Werkstücks oder der Referenz R, zu fokussieren. Die Fokussieroptik kann ein F-Theta-Objektiv 610 umfassen oder als solches ausgebildet sein. Das F-Theta-Objektiv kann telezentrisch ausgebildet sein. Die Fokussiervorrichtung 600 weist eine optische Achse auf. Um die Fokuslage einzustellen bzw. zu ändern, kann eine Position von mindestens einem Element bzw. einer Linse oder ein Abstand zwischen zwei Elementen bzw. Linsen der Fokussiervorrichtung oder der Kollimationsoptik verändert werden.
Aus dem Laserbearbeitungskopf 800 kann der Bearbeitungslaserstrahl L austreten und auf ein Werkstück eingestrahlt werden, um es zu bearbeiten. Die Bearbeitung kann ein Laserschweißen, ein Laserschneiden, ein Lasergravieren oder ein Laserhärten sein.
Durch die Ablenkvorrichtung 500 kann der Bearbeitungslaserstrahl L in einem Scanfeld abgelenkt oder ausgelenkt werden. Auch kann Messlicht 210, 410 und/oder ein Messstrahl in dem Scanfeld abgelenkt werden. Das Ablenken kann in eine erste Richtung senkrecht zur optischen Achse der Fokussiervorrichtung 600 erfolgen. Ferner kann das Ablenken in eine zweite Richtung senkrecht zur optischen Achse der Fokussiervorrichtung 600 erfolgen. Die erste Richtung und die zweite Richtung können nicht-parallel sein, insbesondere senkrecht zueinander sein. Die erste Richtung kann eine x-Achse sein. Die zweite Richtung kann eine y-Achse sein. Die Ablenkvorrichtung 500 kann als Großfeldscanner ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein maximaler Ablenkwinkel in die erste Richtung und/oder in die zweite Richtung zumindest 10 ° betragen.
Die Ablenkvorrichtung 500 kann eingerichtet sein, um den Bearbeitungslaserstrahl L, Messlicht 210, 410 und/oder einen Messstrahl entlang der x-Achse (erste Richtung) um einen ersten Ablenkwinkel abzulenken und um den Bearbeitungslaserstrahl L, Messlicht 210, 410 und/oder ein Messstrahl entlang der y-Achse um einen zweiten Ablenkwinkel abzulenken. Die Ablenkvorrichtung 500 kann bezüglich der x-Achse und bezüglich der y-Achse eine Nullstellung aufweisen, für die der Bearbeitungslaserstrahl L, Messlicht 210, 410 und/oder ein Messstrahl eine Nullposition einnimmt.
Die Nullposition kann einer nicht abgelenkten Stellung des Bearbeitungslaserstrahl L, des Messlichts 210, 410 und/oder des Messstrahls, d.h. einer (allgemeinen) Nullstellung, entsprechen. In der nicht abgelenkten Stellung kann der Bearbeitungslaserstrahl L, Messlicht 210, 410 und/oder ein Messstrahl zwischen dem Laserbearbeitungskopf 800 und einem Werkstück oder einer Referenz R koaxial zu einer optischen Achse des Laserbearbeitungskopf 800 und/oder der optischen Achse der Fokussiervorrichtung 600 verlaufen. In der Nullposition kann der Bearbeitungslaserstrahl L, Messlicht 210, 410 und/oder ein Messstrahl die kürzeste Wegstrecke oder Distanz zwischen der Fokussiervorrichtung 600 und einem Werkstück oder einer Referenz R aufweisen.
Der Laserbearbeitungskopf 800 umfasst zumindest einen optischen Sensor zum Überwachen eines Laserbearbeitungsprozesses. Zum Überwachen des Laserbearbeitungsprozesses kann der zumindest eine optische Sensor auf eine Position auf einem zu bearbeitenden Werkstück relativ zu dem Bearbeitungslaserstrahl L gerichtet sein, um von dieser Position Messlicht 210, 410 zu empfangen. Es kann vorgesehen sein, dass der optische Sensor auf die Position des Bearbeitungslaserstrahls L auf dem zu bearbeitenden Werkstück gerichtet ist oder von der Position des Bearbeitungslaserstrahls L um eine (vordefinierte) Distanz beabstandet ist.
Insbesondere umfasst der Laserbearbeitungskopf 800 einen ersten optischen Sensor 200. Der erste optische Sensor 200 kann einen Bildsensor, insbesondere eine Kamera, umfassen. Der Laserbearbeitungskopf 800 kann einen zweiten optischen Sensor 300 umfassen. Der zweite optische Sensor 300 kann einen Spektrographen, ein Spektrometer und/oder einen Photodioden-Sensor mit einer oder mehreren Photodioden umfassen. Der Laserbearbeitungskopf 800 kann einen dritten optischen Sensor 400 umfassen. Der dritte optische Sensor 400 kann eine Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung, insbesondere eine optische Interferenz-Vorrichtung, insbesondere einen optischen Kohärenztomographen, umfassen.
Jeder der optischen Sensoren 200, 300, 400 kann Messlicht 210, 410 von dem zu bearbeitenden Werkstück empfangen, um den Laserbearbeitungsprozess zu überwachen. Dabei kann das Messlicht 210, 410 für den jeweiligen Sensor 200, 300, 400 die Fokussiervorrichtung 600 und die Ablenkvorrichtung 500 passieren. In der Nullposition, d.h. wenn der Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls L und der Strahlengang des jeweiligen optischen Sensors 200, 300, 400 unausgelenkt sind, ist der jeweilige optische Sensor 200, 300, 400 auf eine vorgegebene Position relativ zum Bearbeitungslaserstrahl L gerichtet. Beispielsweise können der Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls L und der Strahlengang des jeweiligen optischen Sensors 200, 300, 400 auf dieselbe Position gerichtet sein, d.h. identisch sein bzw. zusammenfallen.
Zumindest zwei Sensoren der ersten, zweiten und dritten optischen Sensoren 200, 300, 400 können für eine unterschiedliche Wellenlängen oder für unterschiedliche Wellenlängenbereiche empfindlich sein.
In 2 ist das Laserbearbeitungssystem 1000 aus 1 gezeigt, wobei der Bearbeitungslaserstrahl L ausgelenkt ist. Ist der Bearbeitungslaserstrahl L ausgelenkt, kann dieser einen Winkel (größer 0) zu der optischen Achse der Fokussiervorrichtung 600 aufweisen.
Beispielhaft ist in 2 der Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls L, der Strahlengang von Messlicht 210 für den ersten optischen Sensor 200 und der Strahlengang von Messlicht 410 für den dritten optischen Sensor 400 schematisch dargestellt. Durch das Auslenken des Bearbeitungslaserstrahls L (durch die Ablenkvorrichtung 500) ist der Bearbeitungslaserstrahl L sowie die Strahlengänge der optischen Sensoren 200, 300, 400 an eine Position gerichtet, die ungleich der Nullposition ist.
Das Messlicht 210, 410 und der Bearbeitungslaserstrahl L verlaufen zunächst koaxial. Durch die unterschiedliche Brechung in der Fokussiervorrichtung 600 aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen ergeben sich jedoch unterschiedliche Winkel zur Oberfläche und somit unterschiedliche Auftrefforte, d.h. Messpositionen. Die unterschiedlichen Wellenlängen des Messlichts 210, 410 und des Bearbeitungslaserstrahls L verursachen bei einem Passieren der Fokussiervorrichtung 600 in einem ausgelenkten Zustand einen Versatz auf einem zu bearbeitenden Werkstück oder einer Referenz R. Der Versatz kann durch chromatische Aberration hervorgerufen werden. Durch den Versatz kann eine Überwachung des Laserbearbeitungsprozesses ungenau werden, da die optischen Sensoren 200, 300, 400 Messlicht 210, 410 von einer Position empfangen, die von einer gewünschten Position abweicht.
Messlicht 210 für den ersten optischen Sensor 200 kann die Fokussiervorrichtung 600 und die Ablenkvorrichtung 500 passieren. Über einen Strahlteiler 205 kann das Messlicht 210 in den ersten optischen Sensor 200 eingekoppelt werden. Messlicht (nicht in 2 dargestellt) für den zweiten optischen Sensor 300 kann die Fokussiervorrichtung 600 und die Ablenkvorrichtung 500 passieren. Über einen Strahlteiler 305 kann das Messlicht in den zweiten optischen Sensor 300 eingekoppelt werden. Messlicht 410 für den dritten optischen Sensor 400 kann die Fokussiervorrichtung 600 und die Ablenkvorrichtung 500 passieren. Über einen Strahlteiler 405 kann das Messlicht 410 in den dritten optischen Sensor 400 eingekoppelt werden.
Zur Erhöhung der Genauigkeit der Prozessüberwachung bzw. zum Einhalten der gewünschten Messposition wird erfindungsgemäß eine Kalibrierung zumindest eines optischen Sensors des Laserbearbeitungskopfes mit einer Referenz R durchgeführt.
3 zeigt eine Referenz R1, die zur Kalibrierung eines optischen Sensors, beispielsweise des dritten optischen Sensors 400, z.B. einer Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung, eingesetzt werden kann. Die flächige Erstreckung einer Referenz kann eine x-y-Ebene definieren. Eine z-Richtung kann senkrecht zu der x-y-Ebene orientiert sein.
Die Referenz R1 kann eine Kalibrierplatte sein. Die Referenz R1 kann zumindest eine Referenzmarkierung R11 aufweisen. Die Referenzmarkierung R11 kann eine Vertiefung sein, insbesondere eine Vertiefung in einer Oberfläche der Referenz R1. Die Referenzmarkierung R1 1 kann (vollständig) kreisförmig ausgebildet sein. Bevorzugt weist die Referenz R1 mehrere Referenzmarkierungen R11 auf.
In einer Ausführungsform kann die Referenz R1 zumindest zwei, insbesondere zumindest drei oder fünf, Referenzmarkierungen R11 aufweisen. Die Referenzmarkierungen R11 können jeweils kreisförmig ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Referenzmarkierungen R11 konzentrisch zueinander angeordnet. Die Referenzmarkierungen R11 können Vertiefungen in einer Oberfläche der Referenz R1 sein. Die Vertiefungen können scharfkantig sein, d.h. ein Übergang von der Oberfläche der Referenz R1 zu einer Vertiefung kann scharfkantig oder abrupt sein. Die Referenzmarkierungen R11 können regelmäßig zueinander, insbesondere regelmäßig zueinander beabstandet, angeordnet sein. Die Referenzmarkierungen R11 können die gleiche Ausdehnung aufweisen.
Die Ausdehnung der Referenzmarkierung R11 oder der Referenzmarkierungen R11 kann bekannt sein. Abstände zwischen den Referenzmarkierungen R11 können bekannt sein.
Eine alternative Ausführungsform einer Referenz R2 ist in 4 dargestellt. Die Referenz R2 kann eine Kalibrierplatte sein. Die Referenz R2 kann zumindest eine Referenzmarkierung R21 aufweisen. Die Referenzmarkierung R21 kann eine Vertiefung sein, insbesondere eine Vertiefung in einer Oberfläche der Referenz R2. Die Referenzmarkierung R21 kann linienförmig ausgebildet sein, insbesondere geradlinig. Bevorzugt weist die Referenz R2 mehrere Referenzmarkierungen R21 auf.
Die Referenz R2 kann mehrere Referenzmarkierungen R21 aufweisen, die ausgehend von einem Zentrum radial bzw. nach Außen fluchtend angeordnet sind. Die Referenz R2 kann mehrere Reihen von Referenzmarkierungen R21 aufweisen, wobei jede Reihe von Referenzmarkierungen R21 mehrere Referenzmarkierungen R21 aufweist, die ausgehend von einem Zentrum radial nach Außen angeordnet sind. Zwischen den Reihen von Referenzmarkierungen R21 können keine Referenzmarkierungen vorhanden sein.
Allgemein können die Positionen und/oder Ausdehnungen von Referenzmarkierungen R11, R21 vorgegeben sein.
Beispielsweise kann für eine laterale Kalibrierung des dritten optischen Sensors 400, z.B. eines optischen Kohärenztomographen (OCT), durch die Referenz R1 oder R2 erfolgen, die als Kalibrierplatte mit Vertiefungen ausgestaltet ist. Für die Kalibrierung kann die Referenz R1, R2 relativ zu dem Laserbearbeitungskopf 800 positioniert werden (vgl. 1 und 2). Ferner kann für die Kalibrierung ein optischer Messstrahl auf die Referenz R1, R2 eingestrahlt werden. Der optische Messstrahl kann ausgehend von dem dritten optischen Sensor 400 die Ablenkvorrichtung 500 und die Fokussiervorrichtung 600 passieren, um auf die Referenz R1, R2 zu treffen.
Insbesondere kann die Referenz R1, R2 so zu dem Laserbearbeitungskopf 800 positioniert bzw. ausgerichtet werden, dass eine vorgegebene Nullposition auf der Referenz R1, R2 einer Nullposition des optischen Messstrahls entspricht. Die Nullposition auf der Referenz R1, R2 kann ein Zentrum der Referenz R1, R2 sein. An der Nullposition auf der Referenz R1, R2 kann eine Referenzmarkierung R11, R21 vorgesehen sein. Die Nullposition des optischen Messstrahls kann vorliegen, wenn der optische Messstrahl nicht ausgelenkt ist, also beispielsweise koaxial mit oder parallel zu der optischen Achse der Fokussiervorrichtung 600 ist.
Die Oberfläche der Referenz R1, R2 kann von dem optischen Messstrahl abgetastet oder abgescannt oder abgefahren werden. Bei dem Abtasten kann der optische Messstrahl zumindest eine, bevorzugt mehrere Referenzmarkierungen R11, R21 passieren. Das Abtasten kann durch ein Auslenken des optischen Messstrahls durch die Auslenkvorrichtung 500 erfolgen.
Der Messstrahl kann die Oberfläche der Referenz R1, R2 in zumindest eine Richtung, bevorzugt in zwei zueinander orthogonalen Richtungen, z.B. in x- und y-Richtung, abtasten bzw. scannen. Zur Verifizierung bzw. Erhöhung der Genauigkeit können auch zusätzliche Scans in der Diagonalen erfolgen. Während der Scans kann die Tiefe gemessen und gleichzeitig die aktuelle x, y-Position erfasst werden. Durch den optischen Messstrahl kann ein Messlicht als reflektierter Anteil des optischen Messstrahls von dem dritten optischen Sensor 400 empfangen werden. Basierend auf dem empfangenen Messlicht kann ein optisches Messsignal erzeugt werden. Auf Grundlage des optischen Messsignals kann eine Abweichung einer Position auf der Referenz R1, R2 und einer Sollposition bestimmt werden. Basierend auf der Abweichung kann ein Korrekturwert bestimmt werden. Da bei x=0 und y=0 der laterale Versatz durch die chromatische Aberration null ist, aber mit zunehmender Auslenkung zunimmt, kann durch das Verfahren der Versatz für mehrere Messpositionen ermittelt und korrigiert werden. Es können mehrere Korrekturwerte für unterschiedliche Ablenkpositionen bzw. Messpositionen bestimmt und hinterlegt werden. Dabei kann der jeweilige Korrekturwert einer jeweiligen Ablenkposition zugeordnet werden. Die Ablenkposition kann eine Stellung oder Lage der Ablenkvorrichtung sein. Auch kann die Ablenkposition eine Position in einem Koordinatensystem sein, beispielsweise in einem von der Referenz R1, R2 definierten Koordinatensystem. Auf Grundlage des Korrekturwerts oder der Korrekturwerte kann eine Korrekturfunktion oder eine Lookup-Tabelle ermittelt werden.
Beispielsweise kann die Referenz R1, R2 zwei Referenzmarkierungen R11, R21 aufweisen. Ein Abstand der Referenzmarkierungen R11, R21 auf der Oberfläche der Referenz R1, R2 kann bekannt sein. Bei einem Abtasten der Oberfläche der Referenz R1, R2 kann ein Abstand zwischen den Referenzmarkierungen R11, R21 als Messabstandswert bestimmt werden. Der Wert des bekannten (realen) Abstands und der Messabstandswert können verglichen werden. Basierend auf der Differenz (Abweichung) zwischen den Werten kann ein Korrekturwert für diese Messposition ermittelt werden. Der Korrekturwert kann hinterlegt werden. Beispielsweise kann basierend auf Korrekturwerten für verschiedene Messpositionen eine Lookup Tabelle oder eine Korrekturfunktion f(x,y) erstellt werden, um bei künftigen Messungen, beispielsweise bei einer Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, die Messposition entsprechend zu korrigieren bzw. die Messsignale der entsprechenden tatsächlichen Messposition zuzuordnen. Dadurch kann die Genauigkeit der Überwachung des Laserbearbeitungsprozesses erhöht werden. Insbesondere kann durch den Korrekturwert eine chromatische Aberration, hervorgerufen durch die Fokussiervorrichtung, ausgeglichen werden.
Nach dem Kalibrieren kann ein Verfahren zur Prozessüberwachung eines Laserbearbeitungsprozesses durch den optischen Sensor durchgeführt werden. Das Verfahren zur Prozessüberwachung kann vor dem Laserbearbeitungsprozess (Pre-Prozess) durchgeführt werden, um beispielsweise eine Werkstückgeometrie zu erfassen oder eine Bearbeitungsposition für den Laserbearbeitungsprozess festzulegen. Das Verfahren zur Prozessüberwachung kann auch nach dem Laserbearbeitungsprozess (Post-Prozess) durchgeführt werden, um beispielsweise ein Bearbeitungsergebnis, wie eine Schweißnaht, zu vermessen. In dem Verfahren zur Prozessüberwachung kann der Strahlengang des optischen Sensors, bzw. der Messstrahl eines Kohärenztomographen, durch die Ablenkvorrichtung auf eine vorgegebene Überwachungsposition gerichtet werden, um für diese Position ein Messsignal zu erzeugen. Hierbei kann ein Ansteuersignal der Ablenkvorrichtung zum Auslenken des Strahlengangs bzw. der Messposition des optischen Sensors auf die vorgegebene Überwachungsposition basierend auf dem bestimmten Korrekturwert angepasst werden. Wird der dritte Sensor 400, z.B. der optische Kohärenztomograph, beispielsweise dazu genutzt, vor dem eigentlichen Laserbearbeitungsprozess, insbesondere bei ausgeschaltetem Bearbeitungslaserstrahl, einen Abstand zur Werkstückoberfläche zu vermessen, kann ein lateraler Versatz zwischen der Messposition und der Sollposition, z.B. der Position des nachfolgenden Laserbearbeitungsprozesses, verringert oder sogar vermieden werden. Somit kann eine Position eines bestimmten Merkmals, z.B. eine Erhöhung, Vertiefung, Stufe, etc., trotzdem genau für den nachfolgenden Laserbearbeitungsprozess bestimmt werden.
5a bis 5c zeigen schematisch eine axiale Kalibrierung eines optischen Sensors, beispielsweise des dritten optischen Sensors 400. Dabei zeigt 5a einen Laserbearbeitungskopf 800 wie hierin offenbart.
Die Referenz R kann eine Kalibrierplatte mit einer ebenen oder flachen Oberfläche sein. Die Referenz R kann parallel zum Bearbeitungssystem ausgerichtet sein und sich im Arbeitsabstand bzw. in der Fokuslage befinden. Diese Referenz R kann keine Referenzmarkierungen aufweisen.
Der Messstrahl des optischen Sensors 400 wird in einer Nullposition, d.h. unausgelenkt bzw. x=0 und y=0, auf die Referenz R eingestrahlt. Bei der Nullposition ist der Messstrahl nicht von der Ablenkvorrichtung 500 abgelenkt, d.h. der Strahlengang des Messstrahl tritt koaxial bzw. parallel zur optischen Achse der Fokussiervorrichtung 600 aus der Fokussiervorrichtung 600 in Richtung der Referenz R aus dem Laserbearbeitungskopf 800 aus.
In der Nullposition kann der kürzeste Abstand zur Referenz R durch den optischen Sensor 400 bestimmt werden. Dieser Abstand soll dem Arbeitsabstand entsprechen und wird als z=0 definiert. In 5b ist dieser Abstand als z_real an der Nullposition x₀ bezeichnet.
Wird der Messstrahl des optischen Sensors 400 durch die Ablenkvorrichtung 500 ausgelenkt, d.h. x und/oder y ungleich Null, nimmt der gemessene Abstand zwischen der Referenz Rund dem Laserbearbeitungskopf 800 mit zunehmender Auslenkung zu. Das Auslenken kann in eine Richtung, beispielsweise in x-Richtung erfolgen. Der gemessene Abstand kann als z_mess bezeichnet werden (siehe 5b).
Basierend auf dem gemessenen Abstand an der Nullposition und den gemessenen Abständen an verschiedenen Ablenkpositionen bzw. Messpositionen können Korrekturwerte bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Differenz zwischen dem Abstand an der Nullposition und einem jeweils gemessenen Abstand bei einer Ablenkposition bzw. Messposition ermittelt werden. Auf Grundlage der Differenz kann ein jeweiliger Korrekturwert gebildet werden. Der jeweilige Korrekturwert kann der zugehörigen Ablenkposition bzw. Messposition zugeordnet werden.
Bei einer künftigen Messung kann ein jeweiliger Korrekturwert auf ein jeweiliges Messergebnis angewendet werden, um das Messergebnis zu korrigieren. Dadurch lässt sich eine genaue Abstandsmessung auch bei einer Zunahme der optischen Weglänge aufgrund der Auslenkung des Strahlengangs durch die Ablenkvorrichtung 500 erreichen. Beispielsweise kann basierend auf Korrekturwerten für verschiedene Messpositionen eine Lookup Tabelle oder eine Korrekturfunktion f(x,y) erstellt werden, um bei künftigen Messungen, beispielsweise bei einer Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, den Messwert entsprechend zu korrigieren.
In 5c ist eine Abstandsmessung nach einer axialen Korrektur dargestellt. Der korrigierte gemessene Abstand z_mess ist für verschiedene Ablenkpositionen bzw. Messpositionen in x-Richtung konstant. Selbstverständlich kann die gleiche Kalibrierung für die y-Richtung durchgeführt werden. Die Werte der axialen Kalibration können bei einem optischen Kohärenztomographen auch verwendet werden, um mit einem dynamischen Referenzarm den Messbereich entsprechend anzupassen.
Im Rahmen der axialen Kalibration des optischen Kohärenztomographen kann auch eine Verkippung des Laserbearbeitungskopfes erkannt werden. Diese Werte können zur manuellen oder automatischen Ausrichtung (z.B. bei einem Roboterarm) des Laserbearbeitungskopfes senkrecht zur Arbeitsebene bzw. Werkstückoberfläche benutzt werden. 6a und 6b zeigen schematisch ein Erkennen einer Schiefstellung des Laserbearbeitungskopfes 800 relativ zu der Referenz R, die auf ähnliche Weise erfolgen kann wie die axiale Kalibrierung des dritten optischen Sensors 400.
Zur Erkennung der Schiefstellung kann der optische Messtrahl des dritten Sensors 400 in einer Nullposition oder Nullstellung auf die Referenz R eingestrahlt werden. Ferner kann der Messstrahl in eine Richtung, beispielsweise in x-Richtung, an verschiedene Positionen ausgelenkt werden. An den verschiedenen Positionen kann jeweils ein Abstand zwischen dem Laserbearbeitungskopf 800 und der Referenz R durchgeführt werden. Die verschiedenen Positionen können ausgehend von der Nullposition oder der Nullstellung in positiver Richtung und in negativer Richtung vorliegen. Basierend auf den Werten der Abstandsmessungen kann bestimmt werden, ob eine Schiefstellung des Laserbearbeitungskopfes 800 relativ zu der Referenz R gegeben ist.
Insbesondere kann erkannt werden, ob der geringste Wert der Abstandsmessung an der Nullposition oder Nullstellung gemessen wurde. Ist dies nicht der Fall, also wurde ein geringerer Wert der Abstandsmessung in einer ausgelenkten Position ermittelt als an der Nullposition, kann erkannt werden, dass ein Schiefstellung vorliegt.
Es kann überprüft werden, ob ein Wert der Abstandsmessung bei einer Auslenkung in positiver Richtung im Wesentlichen (±5 % oder ±1 %) gleich ist zu einem Wert der Abstandsmessung bei einer Auslenkung in negativer Richtung. Die Auslenkungen in positiver Richtung und negativer Richtung können betragsmäßig gleich sein. Unterscheiden sich die Werte der Abstandsmessung kann eine Schiefstellung erkannt werden.
Ein Signal oder eine Meldung kann erzeugt werden, durch die ein Nutzer aufgefordert wird, die Schiefstellung des Laserbearbeitungskopfes 800 zu beheben. Alternativ kann der Laserbearbeitungskopf 800 (automatisch) so positioniert werden, dass eine Schiefstellung nicht vorliegt, also die Schiefstellung korrigiert wird.
7 zeigt eine Referenz R3, die insbesondere zum Kalibrieren des zweiten Sensors 200, z.B. eines Bildsensors oder einer Kamera verwendet werden kann, und 8 zeigt eine Vergrößerung eines Ausschnitts der Referenz R3.
Im Fall eines Bildsensors oder einer Kamera, die ebenfalls koaxial in den Strahlengang des Bearbeitungslasers eingekoppelt wird, wirkt sich ein lateraler Versatz zunächst nicht so gravierend aus, da ein Sensorchip i.d.R. eine größere Fläche (Bildfeld) erfasst. Größere Auswirkungen hat der laterale Versatz jedoch, wenn das Bild verwendet wird, um eine Bearbeitungsposition in Bezug auf ein zu erkennendes Merkmal festzulegen, z.B. über automatisierte Bilderkennung bzw. Feature Erkennung. Wird der laterale Versatz nicht kalibriert, dann kann das Merkmal zwar erkannt werden, die Bearbeitung findet aber an einer anderen Stelle statt. Insbesondere bei kleinen Bauteilen oder kleinen zu schweißenden Merkmalen kann es zu Problemen kommen. Als Beispiel sei hier das Kontaktieren einer Batterie genannt, bei der Plus- und Minuspol sehr dicht aneinander liegen und eine falsch positionierte Schweißnaht einen Kurzschluss und damit eine mögliche Explosion der Batteriezelle zur Folge hätte. Aus diesem Grund ist es erforderlich, auch einen Bildsensor bzw. eine Kamera so präzise wie möglich lateral und/oder in der Rotation zu kalibrieren.
Die in 7 und 8 gezeigte Referenz R3 kann eine Kalibrierplatte sein. Die Referenz R3 kann zumindest eine erste Referenzmarkierung R31 aufweisen. Die Referenz R3 kann zumindest eine zweite Referenzmarkierung R32 aufweisen. Die erste Referenzmarkierung R31 und die zweite Referenzmarkierung R32 können unterschiedliche oder verschiedenartige Referenzmarkierungen sein. Bevorzugt weist die Referenz R3 zumindest zwei erste Referenzenmarkierungen R31 und zumindest zwei zweite Referenzmarkierungen R32 auf. Die Referenzmarkierungen der Referenz R3 können optische Merkmale, z.B. farbige, insbesondere schwarze, Markierungen auf hellem Grund, umfassen.
Die erste Referenzmarkierung R31 kann ein Kreis, ein Dreieck, ein Viereck, insbesondere ein Rechteck oder ein Quadrat, oder ein n-Eck sein. Die erste Referenzmarkierung R31 kann eine geometrische Figur sein. Die Referenz R3 kann zumindest fünf, bevorzugt zumindest zehn, bevorzugter zumindest zwanzig, erste Referenzmarkierungen R31 aufweisen. Die ersten Referenzmarkierungen R31 können regelmäßig auf der Referenz R3 vorgesehen sein. Bevorzugt sind die ersten Referenzmarkierungen R31 in einem (regelmäßigen) Raster auf der Referenz R3 angeordnet.
Die zweite Referenzmarkierung R32 kann eine Linie sein, insbesondere eine gerade Linie. Zumindest zwei zweite Referenzmarkierungen R32 können jeweils eine Linie sein. Die Linien können sich kreuzen. Die in 7 und 8 gezeigte Referenz R3 umfasst in einem Gitter angeordnete Linien und an den Kreuzungs- bzw. Schnittpunkten des Gitters angeordnete Kreise. Mit Linien als zweite Referenzmarkierungen R32 kann eine laterale Position genauer erkannt werden. Zusätzlich kann eine Verdrehung des ersten optischen Sensors 200 erkannt werden, d.h. eine Verdrehung dessen Koordinatensystems in Bezug auf das Koordinatensystem bzw. die Achsen der Ablenkvorrichtung 500. Neben einer Kalibrierung in x- und y- Richtung kann die Referenz 3 folglich auch zur Ausrichtung einer Rotation des optischen Sensors eingesetzt werden. Dies ist insbesondere für eine Ablenkvorrichtung 500 mit Galvospiegeln relevant, die nicht im rechten Winkel angeordnet sind.
Die erste Referenzmarkierung R31 bzw. die ersten Referenzmarkierungen R31 und die zweite Referenzmarkierung R32 bzw. die zweiten Referenzmarkierungen R32 können sich zumindest abschnittsweise überlagern. Beispielsweise kann zumindest eine zweite Referenzmarkierung R32 eine oder mehrere erste Referenzmarkierungen R31 überlagern. Eine erste Referenzmarkierung R31 kann von zumindest zwei zweiten Referenzmarkierungen R32 überlagert sein. Insbesondere kann sich eine erste Referenzmarkierung R31 an einem Schnittpunkt von zumindest zwei zweiten Referenzmarkierungen R32 befinden. Positionen bzw. Abstände der ersten Referenzmarkierungen R31 und/oder der zweiten Referenzmarkierungen R32 auf der Referenz R3 können vorgegeben sein.
Für die Kalibrierung kann die Referenz R3 relativ zu dem Laserbearbeitungskopf 800 positioniert werden (vgl. 1 und 2). Anschließend kann durch den ersten optischen Sensor 200 ein Bild von der Referenz R3 aufgenommen werden. Mittels Bildverarbeitung, z.B. durch den ersten optischen Sensor selbst oder durch die Rechenvorrichtung, können die Referenzmarkierungen R31, R32 erkannt werden.
Die Referenz R3 kann so zu dem Laserbearbeitungskopf 800 positioniert bzw. ausgerichtet werden, dass eine vorgegebene Nullposition auf der Referenz R3 einer Nullposition des Strahlengangs des ersten optischen Sensors 200 entspricht. Die Nullposition auf der Referenz R3 kann ein Zentrum der Referenz R3 sein. An der Nullposition auf der Referenz R3 kann zumindest eine Referenzmarkierung R31, R32 vorgesehen sein. An der Nullposition können sich zwei Referenzmarkierungen R31, R32, insbesondere zwei zweite Referenzmarkierungen R32, kreuzen. Die Nullposition des Strahlengangs kann vorliegen, wenn der Strahlengang nicht ausgelenkt ist, also beispielsweise koaxial mit der optischen Achse der Fokussiervorrichtung 600 ist oder parallel zu der optischen Achse ist.
Der Strahlengang des ersten optischen Sensors 200 kann in einem nächsten Schritt um eine diskrete Strecke, um die der Bearbeitungslaserstrahl ausgelenkt werden muss, um auf ein optisches Merkmal, d.h. auf eine Referenzmarkierung R31, R32, gerichtet zu werden, ausgelenkt werden. Die diskrete Strecke kann zumindest 1 mm, bevorzugt zumindest 5 mm, betragen. Aufgrund der chromatischen Aberration entspricht die ausgelenkte Strecke für die Wellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls nicht der Strecke für die Beobachtungswellenlänge des ersten optischen Sensors. Der Unterschied ist jedoch klein, sodass die Referenzmarkierungen R31, R32 auf der Referenz 3 dennoch im Bildfeld des ersten optischen Sensors 200 enthalten und automatisiert (z.B. durch Bildverarbeitung) erkannt werden kann.
Anschließend wird wiederum ein Bild durch den ersten optischen Sensor 200 aufgenommen und die Referenzmarkierungen R31, R32 erfasst. Ein Abstand bzw. lateraler Versatz zwischen der Position des ausgelenkten Strahlengangs und der Referenzmarkierung R31, R32 kann in Abhängigkeit von der Messposition bzw. Ablenkposition bestimmt werden. Basierend auf dem Abstand kann ein Korrekturwert bestimmt werden. Der Korrekturwert kann für die jeweilige Ablenkposition bzw. Messposition hinterlegt werden, z.B. in einer Lookup Tabelle. Alternativ kann eine Korrekturfunktion f(x,y) ermittelt werden. Bei künftigen Messungen, beispielsweise bei einer Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, kann der Korrekturwert auf den Messwert angewendet werden, um die Messposition entsprechend zu korrigieren bzw. Bildpunkte (d.h. Positionen im Bild) einer entsprechenden tatsächlichen Position zuzuordnen.
Die Referenzmarkierung R31, R32, insbesondere die ersten Referenzmarkierungen R31, können jeweils einen Indikator aufweisen. Auf Grundlage des Indikators kann eine Position der jeweiligen Referenzmarkierung R31, R32 relativ zu der Nullposition ableitbar oder ermittelbar sein.
Die Größe und/oder der Abstand der Referenzmarkierungen R31, R32 kann bekannt sein. Der optische Sensor kann eine Kamera sein. Eine Pixelgröße eines Bilds der Kamera kann durch die Größe bzw. den Abstand der Referenzmarkierungen R31, R32 bestimmt werden. Beispielsweise kann in dem Beispiel von 7 aus dem bekannten Kreisdurchmesser der ersten Referenzmarkierung R31 bzw. aus dem bekannten Abstand der Linien der zweiten Referenzmarkierung R32 eine Kalibrierung zwischen Pixelgröße und realer Größe erfolgen, damit später aus dem Bild Abstände bestimmt werden können. Ferner kann eine Nachfokussierung des ersten optischen Sensors 200 nach Auslenkung des Strahlengangs um die diskrete Strecke bzw. vor Aufnahme des Bildes zum Kalibrieren des ersten Sensors 200 durchgeführt werden.
Weiterhin kann eine Orientierung des optischen Sensors an eine Orientierung der Ablenkvorrichtung 500 angepasst werden, d.h. die Rotationslage des ersten optischen Sensors kann ausgerichtet werden, insbesondere zu der Orientierung der Ablenkvorrichtung 500. Somit kann eine x- bzw. y-Achse im Bild einer x- bzw. y-Achse des Ablenkvorrichtung 500 entsprechen.
Nach dem Kalibrieren kann ein Verfahren zur Prozessüberwachung eines Laserbearbeitungsprozesses durch den ersten optischen Sensor 200 durchgeführt werden. Das Verfahren zur Prozessüberwachung kann vor dem Laserbearbeitungsprozess (Pre-Prozess), während des Laserbearbeitungsprozesses (In-Prozess) oder nach dem Laserbearbeitungsprozess (Post-Prozess) durchgeführt werden, um beispielsweise eine Werkstückgeometrie zu erfassen, eine Bearbeitungsposition für den Laserbearbeitungsprozess festzulegen, oder ein Bearbeitungsergebnis, wie eine Schweißnaht, zu vermessen. In dem Verfahren zur Prozessüberwachung kann der Strahlengang des ersten optischen Sensors 200 durch die Ablenkvorrichtung auf eine vorgegebene Überwachungsposition gerichtet werden, um für diese Position ein Messsignal zu erzeugen. Hierbei kann ein Ansteuersignal der Ablenkvorrichtung 500 zum Auslenken des Strahlengangs bzw. der Messposition des ersten optischen Sensors auf die vorgegebene Überwachungsposition basierend auf dem bestimmten Korrekturwert angepasst werden. Alternativ kann ein Überwachungssignal, d.h. im Falle eines Bildsensors eine aus dem Bild bestimmte Position eines Merkmals, basierend auf dem bestimmten Korrekturwert angepasst werden. Wird der erste Sensor 200, z.B. die Kamera, beispielsweise dazu genutzt, vor dem eigentlichen Laserbearbeitungsprozess, insbesondere bei ausgeschaltetem Bearbeitungslaserstrahl, eine Bearbeitungsposition auf der Werkstückoberfläche zu bestimmen, kann ein lateraler Versatz zwischen der im Bild bestimmten Position und der tatsächlichen Position, z.B. der Sollposition des nachfolgenden Laserbearbeitungsprozesses, verringert oder sogar vermieden werden. Somit kann eine tatsächliche Position eines bestimmten Merkmals, z.B. eine Erhöhung, Vertiefung, Stufe, etc., trotzdem genau für den nachfolgenden Laserbearbeitungsprozess bestimmt werden.
9 zeigt eine Messung eines optischen Sensors, insbesondere eines zweiten optischen Sensors 300, z.B. einem Photodioden-Sensor mit einer oder mehreren Photodioden. 10 zeigt eine Referenz R4, die für das Kalibrieren des zweiten optischen Sensors 300 eingesetzt werden kann.
Der zweite optische Sensor 300, kann drei Photodioden umfassen. Jede der Photodioden kann für einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich λ1, λ2, λ3 empfindlich sein. Beispielsweise kann die erste Photodiode für einen sichtbaren Wellenlängenbereich λ1 empfindlich sein. Die zweite Photodiode kann für einen infraroten Wellenlängenbereich λ2 empfindlich sein. Die dritte Photodiode kann für einen Wellenlängenbereich λ3 des Bearbeitungslaserstrahls L empfindlich sein.
Durch die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit der Photodioden ergeben sich für die Photodioden unterschiedliche Messpositionen verursacht durch chromatische Aberration.
Im Fall einer Photodioden basierten Prozessüberwachung während der Laserbearbeitung kann ein lateraler Versatz durch chromatische Aberration kompensiert werden, wenn für jede Photodiode eine zusätzliche „in Reihe geschaltete“ Ablenkvorrichtung vorgesehen wird. Eine zusätzliche Ablenkvorrichtung nimmt jedoch Bauraum in Anspruch, verursacht zusätzliche Kosten und ist steuerungstechnisch (Synchronisation beider Ablenkvorrichtungen) anspruchsvoll. Wird die laterale chromatische Aberration aber nicht korrigiert, werden möglicherweise unterschiedliche Intensitäten des Messlichts erfasst, sodass sich in Abhängigkeit der Ablenkposition bzw. Messposition unterschiedliche Signalpegel bei nominell identischen Schweißungen ergeben (siehe 9). Eine vergleichende Messung bzw. Prozessüberwachung mit zuvor aufgenommenen Referenzwerten ist damit nicht mehr möglich, bzw. nur noch mit deutlich reduzierter Genauigkeit oder Fehlererkennungsrate.
Um dies zu vermeiden, wird gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Kalibrierung mittels der Referenz R4 vorgeschlagen. Die Referenz R4 kann ein Testwerkstück sein. Die Referenz R4 kann flächig ausgebildet sein und kann eine ebene oder flache oder glatte Oberfläche aufweisen.
Für die Kalibrierung kann die Referenz R4 relativ zu dem Laserbearbeitungskopf 800 positioniert werden (vgl. 1 und 2). Der Bearbeitungslaserstrahl L kann in der Nullposition, d.h. unausgelenkt, auf die Referenz R4, insbesondere dem Testwerkstück, gerichtet werden. An der Nullposition kann ein Testbearbeitungsprozess durchgeführt werden und die emittierten Prozessemissionen können durch den zweiten optischen Sensor 300 erfasst werden. Bevorzugt werden Prozessemissionen unterschiedlicher Wellenlängenbereiche von unterschiedlichen Photodioden des optischen Sensors erfasst.
Durch den Testbearbeitungsprozess kann eine erste Referenzmarkierung R41 auf der Referenz R4 gebildet werden.
Der Bearbeitungslaserstrahl L wird nun auf eine Referenzposition ausgelenkt und dort ein weiterer Testbearbeitungsprozess durchgeführt. Die emittierten Prozessemissionen werden durch den zweiten optischen Sensor 300 erfasst. Durch den weiteren Testbearbeitungsprozess kann eine weitere Referenzmarkierung R42 auf der Referenz R4 gebildet werden.
Eine Abweichung der Intensität der an der Referenzposition erfassten Prozessemissionen zu der Intensität der an der Nullposition erfassten Prozessemissionen kann bestimmt werden. Basierend auf der Abweichung kann ein Korrekturwert bestimmt werden. Bevorzugt wird ein solcher Korrekturwert für jede der Photodioden des zweiten optischen Sensors bestimmt. Der Korrekturwert kann ein Korrekturfaktor sein.
Es ist bevorzugt, dass zumindest drei, bevorzugt zumindest fünf, bevorzugter zumindest neun, Testbearbeitungsprozesse durchgeführt werden. Basierend auf jedem der Testbearbeitungsprozesse kann ein Korrekturwert für die jeweilige Position bestimmt werden. Da alle Testbearbeitungsprozesse nominell identisch durchgeführt werden, nur an verschiedenen Referenzpositionen, sollten an jeder Position gleiche Intensitäten für die unterschiedlichen Photodioden gemessen werden. Aufgrund der chromatischen Aberration unterscheiden sich die Intensitäten bzw. Signalpegel.
Die verschiedenen Intensitäten für die unterschiedlichen Photodioden sind in 9 angedeutet. Der obere Verlauf entspricht einer gemessenen Intensität einer ersten Photodiode, der mittlere Verlauf entspricht einer gemessenen Intensität einer zweiten Photodiode und der untere Verlauf entspricht einer gemessenen Intensität einer dritten Photodiode, jeweils an den Referenzpositionen 1 bis 9 bzw. für die Testbearbeitungsprozesse 1 bis 9.
Beispielsweise bei Position 1 auf der Referenz R4, die als Nullposition verstanden werden kann, ist die gemessene Intensität für die erste und zweite Photodiode relativ hoch. Die gemessene Intensität für die dritte Photodiode ist an dieser Position relativ niedrig. An Position 7 ist die gemessene Intensität der ersten Photodiode relativ hoch, die gemessene Intensität der zweiten Photodiode ist relativ niedrig und die gemessene Intensität der dritten Photodiode liegt zwischen der gemessenen Intensität der ersten und zweiten Photodiode.
An der Referenzposition 1, d.h. der Nullposition (x=0, y=0), wird die gemessene Intensität bzw. das Messsignal für alle Photodioden als ideal betrachtet. An den anderen Referenzpositionen (x und/oder y ungleich Null) unterscheidet sich die gemessene Intensität von der idealen Intensität. Aus der Differenz kann für jede Position ein Korrekturwert bzw. ein Korrekturfaktor für die jeweilige Referenzposition bestimmt werden. Die Korrekturwerte für die verschiedenen Referenzpositionen können in einer Lookup Tabelle hinterlegt werden oder zur Bestimmung einer Korrekturfunktion verwendet werden. Für eine von der Nullposition verschiedene Messposition kann der Korrekturwert verwendet werden, der der zur Messposition nächstgelegenen Referenzposition entspricht. Alternativ kann eine Interpolation der Korrekturwerte der zur Messposition benachbarten Referenzpositionen verwendet werden, um einen interpolierten Korrekturwert für eine von den Referenzpositionen verschiedene Messposition zu bestimmen.
Für eine künftige Messung an einer von der Nullposition verschiedenen Messposition kann die gemessene Intensiät bzw. das Messsignal einer jeweiligen Photodiode basierend auf der Intensität bzw. dem Messsignal bei der Nullposition angepasst werden, insbesondere durch den bestimmten Korrekturwert. Die Anpassung kann durch eine Hard- oder Softwareverstärkung durchgeführt werden. Alternativ können Qualitätskriterien, beispielsweise Referenzkurven oder Hüllkurven, auf Grundlage des Korrekturwerts angepasst werden.
Nach dem Kalibrieren kann ein Verfahren zur Prozessüberwachung eines Laserbearbeitungsprozesses durch den zweiten optischen Sensor 300 durchgeführt werden. Das Verfahren zur Prozessüberwachung durch den zweiten optischen Sensor kann während des Laserbearbeitungsprozesses (In-Prozess) durchgeführt werden, um beispielsweise basierend auf Intensitäten der erfassten Prozessemissionen Aussagen über den Laserbearbeitungsprozess zu treffen. In dem Verfahren zur Prozessüberwachung kann der Strahlengang des zweiten optischen Sensors 300 durch die Ablenkvorrichtung 500 auf eine vorgegebene Überwachungsposition gerichtet werden, um für diese Position ein Überwachungssignal zu erzeugen. Vor der Auswertung des Überwachungssignals für die Prozessüberwachung kann das Überwachungssignal basierend auf dem bestimmten Korrekturwert angepasst werden.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung können sämtliche optische Sensoren des Laserbearbeitungskopfes so kalibriert werden, dass sie unabhängig von einer Ablenkposition bzw. einer Position im Scanfeld miteinander vergleichbare Signale erfassen bzw. an exakt dem Ort in x,y,z Richtung messen, an dem später auch der Laserbearbeitungsprozess stattfindet bzw. an dem vorher der Laserbearbeitungsprozess stattgefunden hat. Dadurch wird die Komplexität des Systems vereinfacht, da nicht mehr mehrere Koordinatensysteme berücksichtigt werden müssen.

Claims

Verfahren zum Kalibrieren zumindest eines optischen Sensors (200, 300, 400) eines Laserbearbeitungskopfes (800) zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (L), wobei der Laserbearbeitungskopf (800) einen ersten optischen Sensor (200, 300, 400), eine Ablenkvorrichtung (500) und eine Fokussiervorrichtung (600) umfasst und ein Strahlengang des ersten optischen Sensors (200, 300, 400) die Ablenkvorrichtung (500) und die Fokussiervorrichtung (600) passiert, das Verfahren umfassend die Schritte: - Auslenken des Strahlengangs des ersten optischen Sensors (200, 300, 400) durch die Ablenkvorrichtung (500) an eine erste Position auf einer ersten Referenz (R, R1, R2, R3, R4); - Erzeugen eines ersten optischen Messsignals basierend auf Messlicht (210, 410), das durch den ersten optischen Sensor (200, 300, 400) von der ersten Position auf der ersten Referenz (R, R1, R2, R3, R4) empfangen wird; und - Bestimmen eines Korrekturwerts zum Kalibrieren des ersten optischen Sensors (200, 300, 400) basierend auf dem ersten optischen Messsignal und entsprechend einer Abweichung der ersten Position auf der ersten Referenz (R, R1, R2, R3, R4) von einer ersten Sollposition.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserbearbeitungskopf (800) einen zweiten optischen Sensor (200, 300, 400) umfasst, dessen Strahlengang die Ablenkvorrichtung (500) und die Fokussiervorrichtung (600) passiert, und das Verfahren ferner die Schritte umfasst: - Auslenken des Strahlengangs des zweiten optischen Sensors (200, 300, 400) durch die Ablenkvorrichtung (500) an eine erste Position auf einer zweiten Referenz (R, R1, R2, R3, R4); - Erzeugen eines zweiten optischen Messsignals basierend auf Messlicht (210, 410), das durch den zweiten optischen Sensor (200, 300, 400) von der ersten Position auf der zweiten Referenz (R, R1, R2, R3, R4) empfangen wird; und - Bestimmen eines Korrekturwerts zum Kalibrieren des zweiten optischen Sensors (200, 300, 400) basierend auf dem zweiten optischen Messsignal und entsprechend einer Abweichung der ersten Position auf der zweiten Referenz (R, R1, R2, R3, R4) von einer zweiten Sollposition.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserbearbeitungskopf (800) einen dritten optischen Sensor (200, 300, 400) umfasst, dessen Strahlengang die Ablenkvorrichtung (500) und die Fokussiervorrichtung (600) passiert, und das Verfahren ferner die Schritte umfasst: - Auslenken des Strahlengangs des dritten optischen Sensors (200, 300, 400) durch die Ablenkvorrichtung (500) an eine erste Position auf einer dritten Referenz (R, R1, R2, R3, R4); - Erzeugen eines dritten optischen Messsignals basierend auf Messlicht (210, 410), das durch den dritten optischen Sensor (200, 300, 400) von der ersten Position auf der dritten Referenz (R, R1, R2, R3, R4) empfangen wird; und - Bestimmen eines Korrekturwerts zum Kalibrieren des dritten optischen Sensors (200, 300, 400) basierend auf dem dritten optischen Messsignal und entsprechend einer Abweichung der ersten Position auf der dritten Referenz (R, R1, R2, R3, R4) von einer zweiten Sollposition.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strahlengang des zumindest einen optischen Sensors (200, 300, 400) durch die Ablenkvorrichtung (500) an mehrere Positionen auf der jeweiligen Referenz (R, R1, R2, R3, R4) ausgelenkt wird, um ein entsprechendes optisches Messsignal zu erzeugen, und/oder wobei der Strahlengang des zumindest einen optischen Sensors (200, 300, 400) durch die Ablenkvorrichtung (500) eine Oberfläche der jeweiligen Referenz (R, R1, R2, R3, R4) abtastet, um entsprechende optische Messsignale zu erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strahlengang des zumindest einen optischen Sensors (200, 300, 400) durch die Ablenkvorrichtung (500) parallel oder koaxial zu einer optischen Achse der Fokussiervorrichtung (600) auf die jeweilige Referenz (R, R1, R2, R3, R4) gerichtet wird, um ein entsprechendes optisches Messsignal an einer Nullposition zu erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserbearbeitungskopf (800) mehrere verschiedene optische Sensoren (200, 300, 400) umfasst, die für unterschiedliche Wellenlängenbereiche sensitiv sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserbearbeitungskopf (800) mehrere verschiedene optische Sensoren (200, 300, 400) umfasst, die mit jeweils verschiedenen Referenzen (R, R1, R2, R3, R4) kalibriert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine optische Sensor (200, 300, 400) eine Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung, eine Konoskopie-Vorrichtung, eine Laufzeitmessvorrichtung, eine optische Interferenz-Vorrichtung, einen optischen Kohärenztomographen, einen Bildsensor, eine Kamera, einen Spektrographen, ein Spektrometer und/oder einen Photodioden-Sensor mit einer oder mehreren Photodioden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der zumindest eine optische Sensor (200, 300, 400) eine optische Interferenz-Vorrichtung oder einen optischen Kohärenztomographen umfasst, und die Referenz (R1, R2) eine Kalibrierplatte mit mehreren Vertiefungen an vorgegebenen Positionen ist.
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend: - Ausrichten der Kalibrierplatte, sodass eine vorgegebene Nullposition auf der Kalibrierplatte einer Nullposition eines optischen Messstrahls des optischen Sensors (200, 300, 400) entspricht; - Abtasten einer Oberfläche der Kalibrierplatte mit dem optischen Messstrahl durch die Ablenkvorrichtung (500) und Erzeugen von entsprechenden Messsignalen; - Ermitteln der Positionen der Vertiefungen auf der Kalibrierplatte basierend auf den Messsignalen; und - Bestimmen von Korrekturwerten entsprechend von Abweichungen der ermittelten Positionen der Vertiefungen von vorgegebenen Referenzpositionen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, wobei der zumindest eine optische Sensor (200, 300, 400) einen Spektrographen, ein Spektrometer und/oder einen Photodioden-Sensor mit einer oder mehreren Photodioden zum Erfassen von Prozessemissionen umfasst, und die Referenz (R4) ein Testwerkstück ist, auf dem durch Auslenkung des Bearbeitungslaserstrahls (L) mittels der Ablenkvorrichtung (500) an mindestens einer vorgegebenen Referenzposition ein Testbearbeitungsprozess mittels des Bearbeitungslaserstrahls durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend: - Richten des Bearbeitungslaserstrahls (L) auf eine Nullposition auf dem Testwerkstück, Durchführen eines Testbearbeitungsprozesses und Erfassen der dabei emittierten Prozessemissionen durch den optischen Sensor (200, 300, 400); - Auslenken des Bearbeitungslaserstrahls (L) auf eine Referenzposition, Durchführen eines Testbearbeitungsprozesses an der Referenzposition und Erfassen der dabei emittierten Prozessemissionen durch den optischen Sensor (200, 300, 400); und - Bestimmen eines Korrekturwerts entsprechend einer Abweichung der Intensität der an der Referenzposition erfassten Prozessemissionen von der Intensität der an der Nullposition erfassten Prozessemissionen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, wobei der zumindest eine optische Sensor einen Bildsensor oder eine Kamera umfasst, und die Referenz eine Kalibrierplatte mit mehreren optischen Merkmalen an vorgegebenen Referenzpositionen ist.
Verfahren nach Anspruch 13, umfassend: - Ausrichten der Kalibrierplatte, sodass eine vorgegebene Nullposition auf der Kalibrierplatte einer Nullposition des Strahlengangs des optischen Sensors (200, 300, 400) entspricht; - Auslenken des Strahlengangs des optischen Sensors (200, 300, 400) um eine diskrete Strecke, um die der Bearbeitungslaserstrahl (L) ausgelenkt werden muss, um auf ein optisches Merkmal der Kalibrierplatte gerichtet zu werden; und - Bestimmen eines Korrekturwerts entsprechend einem Abstand von der Position des ausgelenkten Strahlengangs zu dem optischen Merkmal.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fokussiervorrichtung (600) ein F-Theta Objektiv (610) umfasst und/oder in Bezug auf die Strahlausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls im Laserbearbeitungskopf (800) nach der Ablenkvorrichtung (500) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Scanfeld der Ablenkvorrichtung (500) eine Länge und/oder Breite von zumindest 50 mm aufweist, und/oder wobei der Bearbeitungslaserstrahl (L) durch die Ablenkvorrichtung (500) um einen Winkel von zumindest 5 °, bevorzugt zumindest 10 °, bevorzugter zwischen 5 ° und 20 °, bevorzugter zwischen 10 ° und 20 °, ablenkbar ist.
Verfahren zur Prozessüberwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, das das Verfahren zum Kalibrieren nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, sowie folgende Schritte: - Auslenken des Strahlengangs des ersten optischen Sensors (200, 300, 400) durch die Ablenkvorrichtung (500) auf eine vorgegebene Überwachungsposition, und - Empfangen von Messlicht von der Überwachungsposition durch den ersten optischen Sensor (200, 300, 400) und Erzeugen eines Überwachungssignal basierend auf dem von der Überwachungsposition empfangenen Messlicht für die Prozessüberwachung, wobei ein Ansteuersignal der Ablenkvorrichtung (500) zum Auslenken des Strahlengangs des ersten optischen Sensors (200, 300, 400) auf die Überwachungsposition basierend auf dem bestimmten Korrekturwert angepasst wird, oder wobei das Überwachungssignal für die Prozessüberwachung basierend auf dem bestimmten Korrekturwert angepasst wird.
Laserbearbeitungssystem (1000) mit einem Laserbearbeitungskopf (800) zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (L) und einer Rechenvorrichtung (700), wobei - der Laserbearbeitungskopf (800) einen ersten optischen Sensor (200, 300, 400), eine Ablenkvorrichtung (500) und eine Fokussiervorrichtung (600) umfasst; - die Ablenkvorrichtung (500) und die Fokussiervorrichtung (600) in einem Strahlengang des ersten optischen Sensors (200, 300, 400) liegen; - die Ablenkvorrichtung (500) eingerichtet ist, den Strahlengang des ersten optischen Sensors (200, 300, 400) an eine erste Position auf einer ersten Referenz (R, R1, R2, R3, R4) auszulenken; - der erste optische Sensor (200, 300, 400) eingerichtet ist, Messlicht (210, 410) von der ersten Position auf der ersten Referenz (R, R1, R2, R3, R4) zu empfangen und basierend auf dem Messlicht ein erstes optisches Messsignal zu erzeugen; und - die Rechenvorrichtung (700) eingerichtet ist, einen Korrekturwert zum Kalibrieren des ersten optischen Sensors (200, 300, 400) basierend auf dem ersten optischen Messsignal und entsprechend einer Abweichung der ersten Position auf der ersten Referenz (R, R1, R2, R3, R4) von einer ersten Sollposition.