-
Die Kalibrierung eines Mess-Scanners an einer Laserbearbeitungsoptik erfordert eine aufwändige Sensorik zur Vermessung des Messstrahls in unterschiedlichen Positionen des Mess-Scanners. Dieser Kalibrierungsvorgang wird vor der Inbetriebnahme einer Laserbearbeitungsvorrichtung einmalig durchgeführt. Ein Austausch von Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung und/oder Kollisionen bei der Werkstückbearbeitung können jedoch dazu führen, dass die werkseitige Kalibrierung des Mess-Scanners fehlerhaft wird. Durch solche fehlerbehafteten Messdaten kann der Laserstrahl an der falschen Position auf ein zu bearbeitendes Werkstück treffen, was zu Qualitätsverlusten bei der Laserbearbeitung des Werkstücks führt.
-
Eine spätere Überprüfung der Kalibrierung und notfalls eine Nachjustierung des Mess-Scanners durch den Anwender der Laserbearbeitungsvorrichtung ist bisher nicht möglich.
-
Aus der
DE 10 2016 106 648 B4 ist es bekannt, zur Kalibrierung eines Messgeräts an einer Laserbearbeitungsoptik mit dem Bearbeitungslaserstrahl ein bekanntes Muster in ein Blechteil zu schießen und dieses anschließend mit dem Messgerät zu scannen. Die gescannten Ist-Daten des Musters werden mit den bekannten Soll-Daten des Musters verglichen und ggf. eine Nachjustierung der Kalibrierung des Messgeräts durchgeführt.
-
Dieses bekannte Verfahren ist jedoch relativ ungenau. Außerdem hängt das Ergebnis von den Abbildungsverhältnissen des Laserstrahls und dem Material des Blechteils ab.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kalibrierung eines Mess-Scanners an einer Laserbearbeitungsoptik zu ermöglichen, die vollautomatisch und mit hoher Genauigkeit durchführbar ist.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Kalibrierung eines Mess-Scanners an einer Laserbearbeitungsoptik, wobei mit einem Mess-Strahl ein Mess-Scan eines Prüfkörpers erstellt wird und der Mess-Scan anschließend mit Referenzdaten des Prüfkörpers verglichen wird, wobei bei Abweichung der Mess-Scandaten von den Referenzdaten ein Mess-Scanner korrigiert wird, sodass die Mess-Scandaten und die Referenzdaten des Prüfkörpers übereinstimmen. Der Prüfkörper ist hierbei im Fokuspunkt oder der Fokusebene oder benachbart zum Fokuspunkt oder der Fokusebene angeordnet.
-
Der verwendete Prüfkörper kann beliebig oft wiederverwendet werden. Das Ergebnis der Kalibrierung ist nicht von der Qualität der Laseroptik oder Bearbeitungsoptik oder vom Material des Prüfkörpers abhängig, wie dies bei dem bekannten Verfahren mit Einbringen eines Referenz-Musters in ein Blechteil der Fall ist. Die Kalibrierung kann daher mit sehr hoher Genauigkeit erfolgen.
-
Zur Durchführung des Verfahrens kann ein Prüfkörper mit bekannten Abmessungen eingesetzt werden, wobei die bekannten Abmessungen als Referenzdaten für den Vergleich der Mess-Scandaten von einem Mess-Scanner der Laserbearbeitungsvorrichtung verwendet werden. Die Referenzdaten können dazu als Soll-Daten in einer Auswerteeinrichtung hinterlegt sein, mit der die gemessenen Ist-Daten des Mess-Scans verglichen werden.
-
Alternativ kann jedoch auch ein Prüfkörper mit unbekannten Abmessungen verwendet werden. Bei dieser Alternative wird der Mess-Strahl von der Laserbearbeitungsoptik bereitgestellt, wobei der Mess-Strahl von der Laserbearbeitungsoptik zur Erstellung eines Mess-Scans des Prüfkörpers abgelenkt und die Scandaten des Mess-Scans des Mess-Strahls von der Laserbearbeitungsoptik als Referenzdaten verwendet, welche mit Scandaten eines nachfolgend mit dem Mess-Strahl des Mess-Scanners durchgeführten Mess-Scans des Prüfkörpers verglichen werden. Demnach wird der Prüfkörper zuerst mit dem Mess-Strahl von der Laserbearbeitungsoptik gescannt oder überstrichen und danach mit dem Mess-Strahl des Mess-Scanners gescannt oder überstrichen. Zur Erstellung der Referenzdaten wird bei der Alternative der Mess-Strahl nicht vom Mess-Scanner bereitgestellt, sondern von der Laserbearbeitungsoptik bereitgestellt und abgelenkt. Anschließend wird bei der Alternative ein Mess-Scan mittels der Optik des Mess-Scanners erstellt und mit den Referenzdaten verglichen. Bei dieser Verfahrensvariante oder Alternative können unterschiedliche Prüfkörper eingesetzt werden, was auch die Überprüfung der Kalibrierung des Mess-Scanners durch einen Anwender der Laserbearbeitungsvorrichtung erleichtert.
-
Vorzugsweise wird nach der Korrektur des Mess-Scanners erneut ein Mess-Scan des Prüfkörpers erstellt und mit den Referenzdaten verglichen, um sicherzustellen, dass die vorgenommenen Korrekturmaßnahmen am Mess-Scanner erfolgreich waren.
-
Mit dem Mess-Scan kann ein dreidimensionales Modell des Prüfkörpers erstellt werden. Auf diese Weise ist nicht nur eine Kalibrierung des Mess-Scanners in lateraler Richtung, sondern auch in Richtung der Achse des Bearbeitungslaserstrahls möglich. Eine präzise Einstellung des Fokus des Bearbeitungslaserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück ist für ein gutes Bearbeitungsergebnis, etwa beim Laserschweißen oder Laserschneiden, unerlässlich. Mit dem Mess-Scanner kann auch dieses Kriterium überprüft und bei Bedarf der Abstand zwischen der Laseroptik und einem Werkstück korrigiert werden.
-
Bevorzugt werden zur Kalibrierung ein kreisrunder Prüfkörper oder ein Prüfkörper mit einem kreisrunden Merkmal oder Markierung eingesetzt. Im Mess-Scan werden die Halbachsen der kreisrunden Markierung oder des Prüfkörpers in x- und y-Richtung vermessen. Bei Abweichungen des Mess-Scans in x- und/oder y-Richtung erscheint das Volumenmodell des Prüfkörpers bzw. die kreisrunde Markierung im Volumenmodell des Prüfkörpers als elliptisch oder oval und nicht mehr als kreisrund. Die Rundheit eines Körpers lässt sich optisch relativ einfach überprüfen. Ist die gemessene Halbachse in x-Richtung beispielsweise x = r + a, wobei r der Radius des Prüfkörpers bzw. seiner kreisrunden Markierung ist, so wird anschließend die Ablenkung des Mess-Scanners in x-Richtung um den Faktor x/(x+a) korrigiert. Analog kann eine Abweichung der Halbachse in y-Richtung y = r + b durch eine Korrektur des Mess-Scanners in y-Richtung um den Faktor y = y/(y+b) kompensiert werden.
-
Als Mess-Scanner kann bevorzugt ein OCT (Optical Coherence Tomography)-Scanner eines optischen Kohärenztomographen verwendet werden. Bei solchen OCT-Scannern wird ein Objekt mit Licht geringer Kohärenzlänge bestrahlt und reflektiertes und/oder gestreutes Licht mit Hilfe eines Interferometers mit einem Referenzstrahl verglichen. Der Prüfkörper wird punktuell mit dem OCT-Scanner, auch OCT-Mess-Scanner, abgetastet und dadurch dessen Kontur mit einer sehr hohen Auflösung erfasst. OCT-Scanner zeichnen sich durch eine hohe Genauigkeit oder Empfindlichkeit sowie eine hohe Messgeschwindigkeit aus.
-
Nachfolgend werden bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben.
-
Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Laserbearbeitungsoptik und einem Mess-Scanner;
- 2 eine Draufsicht auf einen Prüfkörper mit einer kreisrunden Markierung;
- 3 x-y-Koordinatensysteme eines Soll-Zustands und eines Ist-Zustands eines Mess-Scans.
-
Eine in 1 gezeigte beispielhafte schematische Seitenansicht einer Laserbearbeitungsvorrichtung 10 weist eine Laserbearbeitungsoptik 11 auf, die einen Bearbeitungslaserstrahl 12 von einer Laserquelle (nicht dargestellt) über ein Lichtleitkabel 13 oder einen Lichtwellenleiter zugeleitet bekommt, und wenigstens eine Optik 14 umfasst, welche der Bearbeitungslaserstrahl 12 passiert. Die Optik 14 ist hierbei als Kollimatorlinse zum Kollimieren des auftreffenden Bearbeitungslaserstrahls 12 ausgebildet. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 kann für unterschiedliche Bearbeitungen von Werkstücken mittels Laserstrahlung ausgebildet sein, etwa zum Schweißen oder Schneiden von Werkstücken. Innerhalb der Laserbearbeitungsoptik 11 ist ein erster Spiegel 15 und ein zweiter Spiegel 16 angeordnet, welche den Bearbeitungslaserstrahl 12 jeweils um 90° umlenken, wobei eine hier nicht weiter dargestellte Linsenoptik den Bearbeitungslaserstrahl 12 auf einen Prüfkörper 17 fokussiert. Weitere optische Elemente können von der Laserbearbeitungsoptik 11 umfasst sein. Das hier beschriebene Verfahren bezieht sich auf einen Kalibiervorgang, der Bearbeitungslaserstrahl 12 zum Bearbeiten eines Werkstücks wird bei dem Verfahren nicht angewendet.
-
Mit der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 ist außerdem ein Mess-Scanner 20 gekoppelt, der vorzugsweise austauschbar angeordnet und als ein OCT-Scanner ausgebildet sein kann. Der Mess-Scanner 20 ist in 1 links neben der Laserbearbeitungsoptik 11 angeordnet. Der Mess-Scanner 20 erhält einen Mess-Laserstrahl oder Mess-Strahl 21 über einen Lichtwellenleiter 22 zugeleitet. Der Mess-Strahl 21 wird über einen ersten Spiegel 23 und einen zweiten Spiegel 24 des Mess-Scanners 20, welche den Mess-Strahl 21 gewöhnlich zweidimensional ablenken, einem dritten Spiegel 25 zugeleitet, der den Mess-Strahl 21 koaxial über den für den Mess-Strahl 21 durchlässigen ersten Spiegel 15 der Laserbearbeitungsoptik 11 in den Bearbeitungslaserstrahl 12 einkoppelt. Der Mess-Strahl 21 wird anschließend gemeinsam mit dem Bearbeitungslaserstrahl 12 über den zweiten Spiegel 16 der Laserbearbeitungsoptik 11 auf den Prüfkörper 17 fokussiert.
-
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 ist außerdem mit einer Kamera 30 sowie einer Beleuchtungsvorrichtung 31 versehen. Die Kamera 30 nimmt vom Prüfkörper 17 zurückreflektiertes Licht 33 auf, das vom Spiegel 16 in der Laserbearbeitungsoptik 11 und einen Spiegel 32 auf die Kamera 30 geleitet wird.
-
2 zeigt in einer schematischen Detaildarstellung den Prüfkörper 17, der eine kreisrunde Markierung 18 aufweist.
-
In einer ersten Verfahrensvariante wird der Prüfkörper 17 mit bekannten Abmessungen, insbesondere mit einem bekannten Radius r der Markierung 18 in den Fokuspunkt des Bearbeitungslaserstrahls 12 eingesetzt. Anschließend wird der Prüfkörper 17 bei ausgeschaltetem Bearbeitungslaserstrahl 12 vom Mess-Strahl 21 des Mess-Scanners 20 mit Hilfe des ersten Spiegels 15 und des zweiten Spiegels 16 der Laserbearbeitungsoptik 11 punktweise in x- und y-Richtung abgetastet und ein dreidimensionaler Mess-Scan des Prüfkörpers 17 erstellt. Das x-y-Koordinatensystem in 3 bezeichnet das Soll-Koordinatensystem, während das x'-y'-Koordinatensystem das vom Mess-Scanner 20 tatsächlich gemessene Koordinatensystem ist. Die Daten der Abmessungen des Prüfkörpers 17 vom Mess-Scan werden mit hinterlegten Soll-Daten des bekannten Prüfkörpers 17 in einer hier nicht gezeigten Auswerteeinrichtung verglichen. Insbesondere wird überprüft, ob die Markierung 18 auch im Mess-Scan kreisrund ist und den bekannten Radius von r aufweist. Zeigt sich, dass der Radius des Mess-Scans in x-Richtung um eine Distanz a vom bekannten Radius r abweicht, wobei a einen positiven oder negativen Wert aufweisen kann, so wird die Kalibrierung des Mess-Scanners 20 in x-Richtung um den Faktor x/(x+a) korrigiert. In gleicher Weise kann die Kalibrierung des Mess-Scanners 20 in y-Richtung korrigiert werden, falls der Radius der Markierung 18 im Mess-Scan um einen Betrag b abweicht. Der Korrekturfaktor beträgt dann y/(y+b).
-
Nach Vornahme der Korrektur der Kalibrierung des Mess-Scanner 20 wird erneut ein Mess-Scan erstellt und überprüft, ob die zuvor festgestellten Abweichungen des Mess-Scans von den Soll-Werten korrigiert sind. 3 verdeutlicht die Vornahme der Messungen: Der Prüfkörper 17 wird vom Mess-Strahl 21 in Schritten von δx in x-Richtung und von δy in y-Richtung abgetastet. Ist die Auflösung in x- und y-Richtung korrekt, so ergibt sich im Mess-Scan eine kreisrunde Markierung mit dem Radius r. Bei Abweichungen der Auflösung in x- und/oder y-Richtung entstehen dagegen Abweichungen der gemessenen Werte von den Sollwerten des Prüfkörpers 17, und der Mess-Scanner 20 wird in einem folgenden Arbeitsschritt nachjustiert. Neben Abweichungen in x- und y-Richtung werden außerdem Winkelabweichungen φ_x und φ_y gemessen und gegebenenfalls korrigiert.
-
In einer zweiten Verfahrensvariante wird ein Prüfkörper 17 mit unbekannten Abmessungen der kreisrunden Markierung 18 oder Merkmal verwendet. Der Prüfkörper 17 wird zunächst durch die Laserbearbeitungsoptik 11 gescannt, wobei ein Mess-Strahl 42 der Laserbearbeitungsoptik 11 bei der zweiten Verfahrensvariante vom Lichtleitkabel 13 oder Lichtwellenleiter über die Laserbearbeitungsoptik 11 zugeführt wird. Der Mess-Strahl 42 der Laserbearbeitungsoptik 11 von niedriger Leistung durchläuft hierbei anstelle des Bearbeitungslaserstrahls 12 von hoher Leistung die Laserbearbeitungsoptik 11, dieser Mess-Strahl 42 ist definiert als Mess-Strahl 42 der Laserbearbeitungsoptik 11. Die Laserquelle erzeugt folglich entweder den Bearbeitungslaserstrahl 12 von hoher Leistung zum Bearbeiten eines Werkstücks oder den Mess-Strahl 42 der Laserbearbeitungsoptik 11 zum Scannen des Prüfkörpers 17. Der Mess-Strahl 42 wird hierbei vom ersten Spiegel 15 und vom zweiten Spiegel 16 der Laserbearbeitungsoptik 11 abgelenkt. Das auf diese Weise erstellte Volumenmodell des Prüfkörpers 17 wird anschließend als Referenzmodell für einen nachfolgend mit dem Mess-Strahl 21 durch den Mess-Scanner 20 erstellten Mess-Scan verwendet, wie vorstehend beschrieben. Der Mess-Strahl 21, welcher dem Mess-Scanner 20 vom Lichtwellenleiter 22 zugeführt wird und den Mess-Scanner 20 durchläuft, ist definiert als Mess-Strahl 21 des Mess-Scanners 20, welcher den Prüfkörper 17 scannt oder überstreicht ähnlich dem Mess-Strahl 42 der Laserbearbeitungsoptik 11. Auch hierbei werden wieder wie in der ersten Verfahrensvariante Abweichungen der erfassten Daten des Mess-Scans von den Referenzwerten in x- und y-Richtung sowie Winkelabweichungen festgestellt und gegebenenfalls durch Änderung der Kalibrierung des Mess-Scanners 20 korrigiert.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Laserbearbeitungsvorrichtung
- 11
- Laserbearbeitungsoptik
- 12
- Bearbeitungslaserstrahl
- 13
- Lichtleitkabel
- 14
- Optik
- 15
- erster Spiegel der Laserbearbeitungsoptik
- 16
- zweiter Spiegel der Laserbearbeitungsoptik
- 17
- Prüfkörper
- 18
- Markierung
- 20
- Mess-Scanner
- 21
- Mess-Strahl des Mess-Scanners
- 22
- Lichtwellenleiter
- 23
- erster Spiegel des Mess-Scanners
- 24
- zweiter Spiegel des Mess-Scanners
- 25
- dritter Spiegel
- 30
- Kamera
- 31
- Beleuchtungsvorrichtung
- 32
- Spiegel
- 33
- zurückreflektiertes Licht
- 42
- Mess-Strahl der Laserbearbeitungsoptik
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102016106648 B4 [0003]
