DE10244548A1 - Position determination method for laser beam relative to workpiece surface, comprises measuring process parameters during processing, and determining focus position by comparing measured values with function values - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Lage des Fokus eines zur Lasermaterialbearbeitung eingesetzten Laserstrahls relativ zur Werkstückoberfläche. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zur Umsetzung des Verfahrens.The invention relates to a method to determine the position of the focus of a laser material processing used laser beam relative to the workpiece surface. Furthermore, the Invention a computer program for implementing the method.
Viele Prozesse der Lasermaterialbearbeitung, z.B. Schneiden, Bohren oder Schweißen, beruhen auf der Einwirkung fokussierter Laserstrahlung auf das zu bearbeitende Werkstück. So werden beispielsweise bestimmte Filter mit einem Laser in Einzelschusstechnik realisiert (bis zu 500 Bohrungen pro Sekunde), wobei entweder die gesamte zum Durchbohren notwendige, Energie in einem Laserpuls enthalten ist oder eine Bohrung mit mehreren einzelnen Laserpulsen erzeugt wird (Perkussion). Weiterhin werden verschiedene Laser zum Schneiden oder Schweißen unterschiedlicher Werkstücke eingesetzt. Für einen effizienten Verfahrensablauf ist es erforderlich, den Fokus des Laserstrahls kontrolliert auf die Werkstücksoberfläche zu positionieren. Hierbei müssen Genauigkeiten von typischerweise 50 μm und weniger eingehalten werden.Many processes of laser material processing, e.g. Cutting, drilling or welding are based on the action focused laser radiation on the workpiece to be machined. So be for example certain filters with a laser in single shot technique realized (up to 500 holes per second), either the all the energy necessary for piercing contained in a laser pulse or creates a hole with several individual laser pulses will (percussion). Furthermore, different lasers are used for cutting or welding different workpieces. For one efficient process flow, it is necessary to focus on Position the laser beam in a controlled manner on the workpiece surface. in this connection have to Accuracies of typically 50 μm and less are maintained.
Dass die genannte Genauigkeit der Fokuslage auch über längere Zeiträume unter den Umweltbedingungen der industriellen Fertigung eingehalten werden kann, ist erfahrungsgemäß nicht allein durch die passive Stabilität der Bearbeitungsmaschinen zu gewährleisten. Vielmehr ist eine gelegentliche Korrektur der relativen Lage von Werkstück und Fokus des Laserstrahls notwendig.That said accuracy of Focus also over longer periods be adhered to under the environmental conditions of industrial production experience has shown that it cannot solely through the passive stability of the processing machines to ensure. Rather, an occasional correction to the relative location of workpiece and focus of the laser beam necessary.
Eine Messung der Fokuslage mit bekannten Verfahren der Laserstrahlanalyse erreicht die gewünschte Genauigkeit im allgemeinen nicht. Nachteilig ist hierbei, dass die Vermessung der Fokuslage relativ zum entsprechenden Strahlanalysegerät erfolgt und nicht, wie gewünscht, relativ zur Lage der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes.A measurement of the focus position using known methods laser beam analysis generally achieves the desired accuracy Not. The disadvantage here is that the focus position is measured relative to the corresponding beam analyzer and not, as desired, relative on the location of the surface of the workpiece to be machined.
Im allgemeinen erfolgt die Kontrolle der Fokuslage in Abhängigkeit vom Bearbeitungsergebnis. Bei nicht zufriedenstellendem Ergebnis (z.B. Schnittfugenbreite, Bohrlochgeometrie, Festigkeit der Schweißnaht etc.) erfolgt die Korrektur der Fokuslage manuell durch systematische Variation der Fokuslage und anschließende Bewertung des Bearbeitungsergebnisses. Diese Praxis ist unbefriedigend, da sie erheblichen Personaleinsatz und eine erhebliche Produktionsstillstandszeit erfordert. Da eine bereits erfolgte, für den Prozess als kritisch zu bewertende Abweichung der relativen Fokuslage von ihrer Soll-Lage nicht automatisch erkannt und nachgeregelt wird besteht zudem die Gefahr der Produktion von Ausschussteilen. Weiterhin ist es mit dem genannten Verfahren zur Kontrolle der Fokuslage nicht möglich, Fokuslagenschwankungen sicher von Schwankungen anderer, für den Prozess relevanter Parameter zu unterscheiden.The control is generally carried out the focus position depending from the machining result. If the result is not satisfactory (e.g. kerf width, borehole geometry, strength of the weld seam etc.) the focus position is corrected manually by systematic Variation of the focus position and subsequent evaluation of the processing result. This practice is unsatisfactory because it requires significant human resources and requires a significant production downtime. There one already done for the process as a critical deviation of the relative Focus position from its target position is not automatically recognized and readjusted there is also the risk of producing reject parts. Furthermore, it is with the aforementioned method for checking the focus position not possible, Focus position fluctuations safely from fluctuations of others, for the process to distinguish relevant parameters.
Es ist daher erstrebenswert, die Fokuslage eines der Bearbeitung dienenden Laserstrahls relativ zu einem Werkstück reproduzierbar mit hoher Genauigkeit zu messen und bei Bedarf nachzuregeln. Die laufende Fertigung soll für diesen Eingriff nicht oder nur für maximal einige Sekunden unterbrochen werden, so dass Bestimmung und Nachregelung der Fokuslage ohne nennenswerte Minderung der Fertigungsausbringung in regelmäßigen Zeitabständen oder kontinuierlich ausgeführt werden können.It is therefore desirable that Focus position of a processing laser beam relative to a workpiece reproducible to measure with high accuracy and readjust if necessary. The ongoing production should for not or only for this intervention be interrupted for a maximum of a few seconds so that determination and readjustment of the focus position without any significant reduction in production output at regular intervals or run continuously can be.
Erfindungsgemäß werden während des Bearbeitungsprozesses ein oder mehrere Prozessmerkmale gemessen und mittels Vergleich der gemessenen Werte mit Funktionswerten dieser in Abhängigkeit von der Fokuslage vorab gemessenen Prozessmerkmale die aktuelle Fokuslage bestimmt. Hierzu wird vor Beginn des Bearbeitungsprozesses unter typischen Prozessbedingungen eine Vorabmessung ausgeführt, bei der die gewählten Prozessmerkmale in Abhängigkeit von der Fokuslage gemessen und bestimmt werden. Die auf diese Weise erhaltene Messkurve dient beim nachfolgenden Bearbeitungsprozess als Referenz, so dass während des Bearbeitungsprozesses gemessene Prozessmerkmale entsprechenden Funktionswerten dieser Messkurve zugeordnet werden können, aus denen sich dann die Fokuslage ergibt.According to the invention during the machining process one or more process characteristics measured and compared the measured values with function values depending on them the current process features measured from the focus position in advance Focus position determined. This is done before the start of the processing process carry out a preliminary measurement under typical process conditions, who the elected Process characteristics depending be measured and determined from the focus position. That way The measurement curve obtained is used in the subsequent machining process for reference, so while Process characteristics measured corresponding to the machining process Function values can be assigned to this measurement curve which then gives the focus position.
Es hat sich herausgestellt, dass eine Vielzahl von, insbesondere unmittelbar zugänglichen Prozessmerkmalen existiert, deren Messwerte mit der Fokuslage des für den Bearbeitungsprozess eingesetzten Laserstrahls in Zusammenhang gebracht werden können. Insbesondere hat sich gezeigt, dass die aufgenommenen Messkurven in der Umgebung der Lage des Fokus auf der Werkstücksoberfläche charakteristische Kurvenverläufe (Extremwerte, Wendepunkte etc.) aufweisen.It has been found that a multitude of, in particular directly accessible process features exist, whose measured values with the focus position of the used for the machining process Laser beam can be related. Especially has shown that the recorded measurement curves in the vicinity of the location characteristic of the focus on the workpiece surface curves (Extreme values, turning points etc.).
Für das erfindungsgemäße Verfahren hat sich insbesondere die Verwendung von Größen als Prozessmerkmale als günstig erwiesen, die der Messung unmittelbar zugänglich sind und dem Bearbeitungsprozess direkt betreffen, wie die Gesamtleistung der optischen oder akustischen Emission, die spektral aufgelöste Leistung der optischen oder akustischen Emission oder das Verhältnis der spektral aufgelösten Leistung bei zwei verschiedenen Frequenzen der optischen oder akustischen Emission während des Bearbeitungsprozesses. Die genannten Größen können durch bekannte Strahlungs- oder Schallsensoren gemessen werden. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass die Schallintensität in der Gegend der Fokuslage auf der Werkstücksoberfläche ein lokales Minimum besitzt. Es eignen sich hierbei insbesondere Schallintensitätsmessungen bei dem ein oder mehrfachen der Repetitionsrate des Lasers.For the method according to the invention, the use of variables as process features that are directly accessible to the measurement and directly affect the machining process, such as the total power of the optical or acoustic emission, the spectrally resolved power of the optical or acoustic emission or the ratio, has proven to be particularly advantageous the spectrally resolved power at two different frequencies of optical or acoustic emission during the machining process. The quantities mentioned can be measured by known radiation or sound sensors. For example, it has been shown that the sound intensity has a local minimum in the area of the focus position on the workpiece surface. Sound intensity measurements at one or more times the repetition rate of the are particularly suitable Laser.
Neben den genannten Größen kommen ebenfalls deren erste Ableitungen nach der Fokuslage als bevorzugte Prozessmerkmale in Betracht. Letztere lassen sich durch Modulation der Fokuslage und phasenrichtige Demodulation der gemessenen Größe ohne wesentlichen technischen Aufwand bereitstellen. Ein vorhandenes (lokales) Extremum in der Messkurve eines bestimmten Prozessmerkmales würde sich in der entsprechenden ersten Ableitung nach der Fokuslage in Form eines Nulldurchganges äußern. Abweichungen von der Nullstelle würden folglich auf eine Defokussierung des Laserstrahls während der Materialbearbeitung hinweisen.In addition to the sizes mentioned also come their first derivations after the focus position as preferred process features into consideration. The latter can be adjusted by modulating the focus position and in-phase demodulation of the measured quantity without essential technical Provide effort. An existing (local) extremum in the Measurement curve of a certain process characteristic would appear in the corresponding Express the first derivative after the focus position in the form of a zero crossing. deviations would therefore be from the zero defocusing the laser beam during material processing Clues.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Kontrolle und zur Regelung der Fokuslage bei der Lasermaterialbearbeitung. Nach Bestimmung der Ist-Fokuslage kann diese mit einer vorgegebenen Soll-Fokuslage verglichen und eine etwaige Abweichung kompensiert werden. Für diese Kompensation ist es vorteilhaft, dass zu bearbeitende Werkstück und/oder das Fokussierobjektiv entlang der Laserstrahlrichtung zu verschieben, bis die Abweichung von Ist- und Soll-Fokuslage beispielsweise unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes reduziert worden ist.The method according to the invention is suitable for Control and regulation of the focus position during laser material processing. After determining the actual focus position, this can be done with a predetermined target focus position are compared and any deviation is compensated for. For this Compensation, it is advantageous that the workpiece to be machined and / or to move the focusing lens along the laser beam direction, until the deviation of the actual and target focus position, for example below one predetermined threshold has been reduced.
Einige oder sämtliche der genannten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens (Messung der Prozessmerkmale vorab oder während des Bearbeitungsprozesses, Vergleich der gemessenen Werte mit aufgenommenen Funktionswerten, Zuordnung der jeweiligen Fokuslagen aus diesem Vergleich, Nachregelung der Fokuslage auf eine einzuhaltende Soll-Fokuslage) lassen sich zweckmäßigerweise mittels eines Computerprogramms bewerkstelligen, das auf einer geeigneten Rechnereinheit ausgeführt wird. Diese Rechnereinheit ist zweckmäßigerweise in eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung integriert oder an diese angeschlossen, so dass fortlaufend oder zu bestimmten Zeitpunkten Messung und Regelung der Fokuslage durchgeführt werden können. Das Computerprogramm kann auf geeigneten Datenträgern, wie EEPROMs, Flash-Memories, aber auch CD-ROMs, Disketten oder Festplattenlaufwerken gespeichert sein.Some or all of the steps mentioned inventive method (Measurement of the process characteristics in advance or during the machining process, Comparison of the measured values with recorded function values, Allocation of the respective focus positions from this comparison, readjustment the focus position on a target focus position to be maintained) can be expediently by means of a computer program which is based on a suitable Computer unit executed becomes. This computer unit is advantageously in a device integrated or connected to laser material processing, so that measurement and control can be carried out continuously or at certain times the focus position can be. The Computer program can be stored on suitable data carriers, such as EEPROMs, flash memories, but also CD-ROMs, Floppy disks or hard drives are stored.
Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.The invention is in one embodiment based on the attached Figures closer explained.
Bevorzugte AusführungsformPreferred embodiment
Dargestellt ist der Laserbearbeitungskopf
Um den Bohrvorgang möglichst
effizient zu gestalten, ist es notwendig, die Fokuslage des Laserstrahls
Erfindungsgemäß wird mittels einer Sensorik,
hier einem Schallsensor
Selbstverständlich können auch andere, von der Fokuslage abhängige Prozessmerkmale, wie insbesondere die optische Intensität in einem bestimmten Spektralbereich, detektiert werden.Of course, others can, from the focus position dependent Process features, such as the optical intensity in one certain spectral range can be detected.
Die in
Hierzu lassen sich Schwellenwerte definieren, die unterschritten werden müssen, um die Nachregelung der Fokuslage abzubrechen.For this purpose, threshold values can be defined that must be undershot in order to abort the readjustment of the focus position.
Die Erfindung führt zu einer Erhöhung der Prozesssicherheit und der Verfügbarkeit der Fertigungsanlage. Darüber hinaus können Schwankungen des Bearbeitungsergebnisses und die Ausschussproduktion reduziert werden.The invention leads to an increase in process reliability and availability the manufacturing plant. About that can out Fluctuations in the machining result and scrap production be reduced.
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