DE112021002340T5 - Statische und dynamische kalibrierung für kohärente bildgebungs-messsysteme und -verfahren - Google Patents

Abstract

Systeme und Verfahren zur statischen und dynamischen Kalibrierung können dazu verwendet werden, eine Ausrichtung eines Messstrahls von einem Kohärenzbildgebungs-(CI) Messsystem relativ zu einem Bearbeitungsstrahl von einem Materialbearbeitungssystem bereitzustellen. Bei diesen Systemen und Verfahren kann eine Kalibrierungsmessausgabe von dem CI-Messsystem und/oder von einem Hilfssensor erhalten werden. Zukünftige Messungen, die von dem CI-Messsystem durchgeführt werden, können zumindest teilweise basierend auf der Kalibrierungsmessausgabe modifiziert werden.

Description

• VERWANDTE ANMELDUNGEN
• Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung, mit der laufenden Nummer 63/011,235 , eingereicht am 16. April 2020, die durch Bezugnahme vollständig hierin aufgenommen wird.
• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Offenbarung betrifft Kohärenzbildgebungsmesssysteme und -verfahren zum Überwachen von Hochenergiestrahlverarbeitungsanwendungen, und insbesondere statische und dynamische Kalibrierungstechniken zum Ausrichten eines Messstrahls in Kohärenzbildgebungsmesssystemen und -verfahren.
• HINTERGRUNDINFORMATIONEN
• Der Einsatz von Kohärenzbildgebungs- (CI) Messsystemen (z. B. das IPG Photonics LDD700 System) zur Überwachung von Laserbearbeitungsanwendungen (z. B. Laserschweißen, additive Laserfertigung, Lasermarkierung, Lasermaterialabtrag, Laserreinigung usw.) bietet einen immensen Nutzen für Prozessergebnisse. Die Vorteile von CI-Systemen zeigen sich vor allem in ihren räumlichen und zeitlichen Beziehungen zum Laserprozess selbst. Spezifischere Beziehungen weisen beispielsweise die zeitlich-räumliche Beziehung des CI-Messstrahls zum Bearbeitungslaserstrahlspot auf dem bearbeiteten Werkstück auf. Einer typischen Einzelmessung eines CI-Systems, hierin als A-Linie bezeichnet, wird eine Bedeutung basierend auf dem Kontext verliehen, in dem sie detektiert wird.
• Diese Bedeutung wird teilweise basierend darauf zugewiesen, wo die Messung vorgenommen wird: im Raum relativ zu dem Werkstück (z. B. eine Unterkomponente A und eine Unterkomponente B in einer Verbindungsanwendung, die die Komponente AB bildet); im Raum relativ zu der Prozesszelle (z. B. relativ zu einer Werkstückbefestigung, relativ zu einem Zellkoordinatensystem, relativ zu einem Werkzeugkoordinatensystem usw.), im Raum relativ zu dem Prozess (z. B. vor dem Prozesspfadvektor); zeitlich relativ zu dem Prozess (z. B. 100 ms nachdem der Prozess abgeschlossen wurde); im Raum relativ zu dem Fokusspot des Bearbeitungslasers (z. B. 0,1 mm hinter dem Bearbeitungsstrahl); zeitlich relativ zu der Leistungsmodulation des Bearbeitungslasers (z. B. 0,5 ms nach jedem Laserimpuls in einer Reihe von Laserimpulsen); und zeitlich relativ zu einem Modulationsmuster des Bearbeitungslaserstrahls (z. B. 0,05 ms nach der Startphase eines kreisförmigen Laser-Wackel-Musters).
• Am Beispiel des Laserschweißens können CI-Messungen während der Laserbearbeitung in einem bestimmten Abstand ausreichend weit vor dem Bearbeitungslaser-Fokusspot durchgeführt werden, so dass die Messungen unbeeinflusst von dem Prozess selbst, aber nahe genug am Fokusspot liegen, so dass genaue Messungen der Teil-Passungs-Geometrie (z. B. der Nahtlinie zwischen den zwei Komponenten, die durch das Schweißverfahren verbunden werden) verwendet werden können, um zu bestimmen, ob der Fokusspot ausreichend auf die Nahtlinie ausgerichtet ist. In einigen Fällen können diese Messungen ferner dazu verwendet werden, eine Fehlausrichtung dynamisch zu korrigieren. In ähnlicher Weise können CI-Messungen, die während des Laserschweißens im Phasenänderungsbereich durchgeführt werden, verwendet werden, um die Dampfkapillartiefe des Schweißprozesses zu messen - eine kritische Metrik für viele Laserschweißprozesse.
• Für viele Laserbearbeitungsanwendungen sollte die Registrierung von CI-Messungen mit dem Laserfokusspot und dem zeitlichen Leistungsmodulationsprofil von ausreichender Genauigkeit und Präzision sein, damit die resultierende Messung im Kontext der Prozessüberwachung und Prozesssteuerung nützlich ist. Spezifische Anforderungen können je nach Anwendung und Art der CI-Messungen, die für die Anwendung durchgeführt werden, variieren. Beispielsweise ist es bei Multimoden-Laserschweißanwendungen oft ausreichend, CI-Messungen mit dem Prozessstrahl auf der Oberfläche des Werkstücks innerhalb von Distanzen in der Größenordnung von zehn bis hundert Mikrometern räumlich zu registrieren. Wohingegen bei Einzelmoden-Laserschweißanwendungen Registrierungsdistanzen in der Größenordnung von einigen zehn Mikrometern bis zu einzelnen Mikrometern wünschenswert sein können.
• In ähnlicher Weise ist manchmal eine zeitliche Registrierung des zeitlichen Leistungsprofils des Bearbeitungslasers in der Größenordnung von zehn bis hundert Mikrosekunden für Dampfkapillare-Tiefenmessungen von Impulsschweißanwendungen erwünscht. Eine solche Registrierung kann wünschenswert sein, um sicherzustellen, dass CI-Messungen durchgeführt werden, während der Dampfkapillare-Dampfkanal geöffnet ist.
• Die obigen Beispiele helfen dabei, die Bedeutung der zeitlich-räumlichen Registrierung des CI-Systems für den Bearbeitungslaser in einigen wenigen Laserbearbeitungsanwendungen zu veranschaulichen. Die allgemeine Bedeutung geht jedoch weit über die oben angegebenen begrenzten Beispiele hinaus. Eine solche Registrierung ist vorteilhaft bei einer Änderung des Verhaltens des Messsystems, um nützlichere Messungen zu erhalten, sowie um die Nützlichkeit einer Messung zu bestimmen (z. B. durch Quantifizieren ihrer fehlenden Registrierung) und die Messdatenverarbeitung entsprechend zu ändern.
• Bei einigen Anwendungen erfordern strenge Registrierungsanforderungen einen geschulten Fachmann, um das CI-System vor Ort an der Laserbearbeitungsstation in Betrieb zu nehmen. Bei einigen Anwendungen müssen die Inbetriebnahmeverfahren möglicherweise iterativ durchgeführt werden, bis die spezifische Anforderung erfüllt ist. In diesen Fällen sind die von der Anwendung gestellten Registrierungsanforderungen sehr zeitintensiv. Das minimale Wissen und die minimale Zeit zur Durchführung solcher Verfahren können ein großes Hindernis für zukünftige Änderungen an der Laserbearbeitungsstation darstellen, da dies ein erneutes Hinzuziehen eines geschulten Fachmanns, große Mengen an Fernunterstützung durch einen geschulten Fachmann oder einen erheblichen Umfang an vorbereitender Schulung der Bediener der Laserbearbeitungsstation erfordern kann.
• Bei vielen Anwendungen sind die Registrierungsprozedur und CI-Systemkalibrierungen spezifisch für die Hardwarekonfiguration (z. B. spezifisch für eine Laserbearbeitungsstation) und müssen für jedes eingesetzte CI-System durchgeführt werden. Konstruktions- und Herstellungstoleranzen können Kalibrierungen beinhalten, die für jede Laserbearbeitungsstation durchgeführt werden müssen, selbst wenn die Stationen nominal gleich sind. In ähnlicher Weise sind bei einigen Anwendungen weitere Kalibrierungsprozeduren erwünscht, um Registrierungsprozeduren durchzuführen, die nicht nur für die Laserbearbeitungsstation spezifisch sind, sondern für den Prozess selbst spezifisch sind. Infolgedessen können CI-Systeme, die zur Überwachung einer Vielzahl von Laserbearbeitungsanwendungen oder sogar unterschiedlicher Arten derselben Laserbearbeitungsanwendung verwendet werden, viele Kalibrierungen erfordern.
• In Fällen, in denen das CI-System eine gewisse Resonanzkomponente, Jitter-Eigenschaften oder andere Eigenschaften aufweist, in denen die Phase des A-Linien-Erfassungszeitzyklus schwierig zu steuern und/oder vorherzusagen ist, muss die zeitlich-räumliche Beziehung zwischen der A-Linie und dem Rest des Prozesses manchmal nachträglich bestimmt werden. Aber auch in diesen Fällen bieten die hierin beschriebenen Techniken und Vorrichtungen Vorteile von gleichwertigem Wert im Vergleich zu Implementierungen, bei denen die A-Linien bei „Bedarf” ausgelöst werden können.
• Herstellungstoleranzen in Kombination mit sehr strengen Registrierungsanforderungen können eine Neukalibrierung des CI-Systems im Anschluss an übliche, wenn auch relativ seltene Laserbearbeitungsstationsverfahren beinhalten. Diese Verfahren können aufweisen: Wechseln der Schutzabdeckung des Laserkopfs; Ändern der Brennweite der Laserkopf-Fokussieroptik; Ersetzen der Laserzuführungsfaser; Ersetzen des Laserkopfs durch einen Ersatzkopf; und Anpassen der Zuführungsoptik des CI-Systems. Bei solchen Anwendungen müssen Endbenutzer des CI-Systems möglicherweise die Registrierung des Systems während seiner gesamten Verwendung überwachen oder während seines gesamten Betriebslebenszyklus mehrere Kalibrierungen durchführen.
• Äußere Umgebungseinflüsse (z. B. Temperaturänderungen, Schwingungen, Feuchtigkeit) und Wartung (Austausch von Prozessfasern, Reinigung von Systemen) können die Registrierung zwischen dem Prozess und der Bildgebungsoptik verändern. Da diese Einflüsse nicht immer auf eine Teilmenge der Komponenten des Systems isoliert werden können, ist ein Mittel zur direkten Co-Registrierung der verschiedenen Bildgebungs- und Energiestrahlsysteme unter Berücksichtigung der Nettowirkung all dieser Einflüsse auf die Co-Registrierung wünschenswert. In vielen Fällen besteht die beste Möglichkeit dazu darin, das/die Bildgebungssystem(e) zu verwenden, um die Wechselwirkung des Prozessstrahls mit einem Material zu beobachten.
• Dementsprechend besteht ein Bedarf an neuen Vorrichtungen und Verfahren, welche: die Genauigkeit von Registrierungsverfahren verbessern; die Präzision der Registrierungsverfahren verbessern; den Zeitaufwand für Registrierungsverfahren reduzieren; Registrierungsverfahren (teilweise oder vollständig) automatisieren; die Mindestanforderungen an Wissen und Erfahrung zur Durchführung von Registrierungsverfahren zu reduzieren; oder eine Kombination davon.
• KURZDARSTELLUNG
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein System ein Materialbearbeitungssystem, ein Kohärenzbildgebungs- (CI) Messsystem und eine oder mehrere Steuerungen auf. Das Materialbearbeitungssystem weist eine Bearbeitungsstrahlquelle zum Erzeugen eines Bearbeitungsstrahls und einen Bearbeitungsstrahlkopf zum Zuführen des Bearbeitungsstrahls zu einem Ziel auf. Das Kohärenzbildgebungs- (CI) Messsystem weist eine Kohärenzbildgebungs- (CI) Kerneinheit zum Erzeugen eines Messstrahls und ein CI-Scanmodul zum Zuführen des Messstrahls zu dem Ziel auf, wobei das CI-Messsystem eine CI-Messausgabe produziert. Die eine oder die mehreren Steuerungen sind dazu eingerichtet, die CI-Messausgabe von der CI-Kerneinheit zum Überwachen und/oder Steuern des Materialverarbeitungssystems zu empfangen. Die eine oder die mehreren Steuerungen sind auch dazu eingerichtet, die CI-Messausgabe von der CI-Kerneinheit zum Überwachen und/oder Steuern des Materialverarbeitungssystems zu empfangen. Die Steuerung(en) ist (sind) auch dazu eingerichtet, eine Kalibrierungsmessausgabe zu empfangen und das CI-Messsystem zumindest teilweise basierend auf der Kalibrierungsmessausgabe zu steuern, so dass die Steuerung(en) dazu eingerichtet ist (sind), das CI-Messsystems zu steuern, um zukünftige Messungen des CI-Messsystems zur Ausrichtung des CI-Messsystems und des Bearbeitungsstrahls zu modifizieren.
• In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Kalibrieren eines Kohärenzbildgebungs- (CI) Messsystems bereitgestellt. Das Verfahren weist auf: Bereitstellen eines Materialbearbeitungssystems, das dazu eingerichtet ist, einen Bearbeitungsstrahl zu erzeugen und einem Ziel zuzuführen; Bereitstellen eines Kohärenzbildgebungs-(CI) Messsystems, das dazu eingerichtet ist, einen Messstrahl zu erzeugen und dem Ziel zuzuführen, und dazu eingerichtet ist, eine CI-Messsystemausgabe zum Steuern und/oder Überwachen des Materialverarbeitungssystems bereitzustellen; Erhalten einer Kalibrierungsmessausgabe von dem CI-Messsystem und/oder von einem Hilfssensor; und automatisches Steuern des CI-Messsystems basierend zumindest teilweise auf der Kalibrierungsmessausgabe, wobei das CI-Messsystem gesteuert wird, um zukünftige Messungen zu modifizieren, die durch das CI-Messsystem durchgeführt werden, um das CI-Messsystem und den Bearbeitungsstrahl auszurichten. Das Modifizieren zukünftiger Messungen, die durch das CI-Messsystem durchgeführt werden, kann ein Durchführen von Kalibrierungen auf Systemebene, Durchführen von Korrekturen auf Prozessebene und/oder Durchführen von Korrekturen auf Intraprozessebene aufweisen.
• In einigen Ausführungsformen dieses Verfahrens wird das CI-Messsystem automatisch gesteuert, um zukünftige Messungen, die durch das CI-Messsystem durchgeführt werden, zu modifizieren, so dass statische Kalibrierungen für die Ausrichtung des CI-Messsystems und des Bearbeitungsstrahls durchgeführt werden. In anderen Ausführungsformen dieses Verfahrens wird das CI-Messsystem automatisch gesteuert, um zukünftige Messungen, die durch das CI-Messsystem durchgeführt werden, so zu modifizieren, dass dynamische Kalibrierungen durchgeführt werden, um das CI-Messsystem und den Bearbeitungsstrahl auszurichten.
• In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein System ein Materialbearbeitungssystem, zumindest eine Materialbearbeitungssystemsteuerung, ein Kohärenzbildgebungs- (CI) Messsystem und zumindest eine CI-Systemsteuerung auf. Das Materialbearbeitungssystem weist einen Laser zum Erzeugen eines Laserbearbeitungsstrahls und einen Bearbeitungsstrahlkopf zum Zuführen des Laserbearbeitungsstrahls zu einem Ziel auf. Der Laser ist dazu eingerichtet, eine Ausgabe im Wesentlichen einer einzelnen räumlichen Mode mit einem Beugungsmaßzahl von weniger als 2,0 zu erzeugen. Die Materialbearbeitungssystemsteuerung(en) ist (sind) dazu eingerichtet, zu bewirken, dass das Materialbearbeitungssystem den Laserbearbeitungsstrahl erzeugt und für eine Kalibrierungsmessung auf das Ziel richtet.
• In einigen Ausführungsformen dieses Systems kann die Materialbearbeitungssystemsteuerung dazu eingerichtet sein, das Materialbearbeitungssystem zu veranlassen, den Laserbearbeitungsstrahl zu erzeugen und auf das Ziel zu richten, um eine physikalische Modifizierung auf dem Ziel zu produzieren. In diesen Ausführungsformen kann die Kalibrierungsmessausgabe auf der physikalischen Modifizierung basieren, und die CI-Systemsteuerung kann dazu eingerichtet sein, das CI-Messsystem zu steuern, das CI-Messsystem relativ zu der physikalischen Modifizierung auszurichten. In anderen Ausführungsformen kann die Materialbearbeitungssystemsteuerung dazu eingerichtet sein, das Materialbearbeitungssystem zu veranlassen, den Laserbearbeitungsstrahl zu erzeugen und auf das Ziel zu richten, um lokalisierte Prozessstrahlung auf dem Ziel zu erzeugen. In diesen Ausführungsformen kann die Kalibrierungsmessausgabe auf der lokalisierten Prozessstrahlung basieren, und die CI-Systemsteuerung kann dazu eingerichtet sein, das CI-Messsystem zu steuern, das CI-Messsystem relativ zu der lokalisierten Prozessstrahlung auszurichten.
• Das CI-Messsystem weist eine Kohärenzbildgebungs- (CI) Kerneinheit zum Erzeugen eines Messstrahls und ein CI-Scanmodul zum Zuführen des Messstrahls auf dem Ziel auf, wobei das CI-Messsystem eine CI-Messausgabe produziert. Die CI-Systemsteuerung(en) ist (sind) dazu eingerichtet, die CI-Messausgabe von der CI-Kerneinheit zum Überwachen und/oder Steuern des Materialverarbeitungssystems zu empfangen. Die CI-Systemsteuerung(en) ist (sind) auch dazu eingerichtet, eine Kalibrierungsmessausgabe zu empfangen und das CI-Messsystem zumindest teilweise basierend auf der Kalibrierungsmessausgabe zu steuern. Die CI-Systemsteuerung(en) ist (sind) dazu eingerichtet, das CI-Messsystem zu steuern, um zukünftige Messungen zu modifizieren, die durch das CI-Messsystem durchgeführt werden, um das CI-Messsystem und den Bearbeitungsstrahl auszurichten. In einigen Ausführungsformen dieses Systems kann das CI-Messsystem ein Inline-Messsystem für kohärente Bildgebung (ICI) aufweisen, und das CI-Messsystem kann dazu eingerichtet sein, die Kalibrierungsmessausgabe zu produzieren. In anderen Ausführungsformen kann ein Hilfssensor dazu eingerichtet sein, die Kalibrierungsmessausgabe zu produzieren.
• In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Kalibrieren eines Kohärenzbildgebungs- (CI) Messsystems bereitgestellt. Das Verfahren weist auf: Bereitstellen eines Materialbearbeitungssystems mit einem Laser, der dazu eingerichtet ist, einen Laserbearbeitungsstrahl zu erzeugen und einem Ziel zuzuführen; Bereitstellen eines Kohärenzbildgebungs- (CI) Messsystems, das dazu eingerichtet ist, einen Messstrahl zu erzeugen und dem Ziel zuzuführen, und dazu eingerichtet ist, eine CI-Messsystemausgabe zum Steuern und/oder Überwachen des Materialverarbeitungssystems bereitzustellen; Erzeugen und Richten des Laserbearbeitungsstrahls auf das Ziel für eine Kalibrierungsmessung; Erhalten einer Kalibrierungsmessausgabe von dem CI-Messsystem und/oder von einem Hilfssensor; und automatisches Steuern des CI-Messsystems basierend zumindest teilweise auf der Kalibrierungsmessausgabe, wobei das CI-Messsystem gesteuert wird, um zukünftige Messungen zu modifizieren, die durch das CI-Messsystem durchgeführt werden, um das CI-Messsystem und den Bearbeitungsstrahl auszurichten. In einigen Ausführungsformen dieses Verfahrens kann der Laser dazu eingerichtet sein, eine Ausgabe im Wesentlichen einer einzelnen räumlichen Mode mit einem Beugungsmaßzahl von weniger als 2,0 zu erzeugen.
• In einigen Ausführungsformen dieses Verfahrens produziert der Laserbearbeitungsstrahl eine physikalische Modifizierung auf dem Ziel, die einer Position des Bearbeitungsstrahls entspricht. In diesen Ausführungsformen kann die Kalibrierungsmessausgabe auf der physikalischen Modifizierung basieren, und das CI-Messsystem kann dazu gesteuert werden, das CI-Messsystem relativ zu der physikalischen Modifizierung auszurichten. Das Erhalten der Kalibrierungsmessausgabe kann beispielsweise Messen der physikalischen Modifizierung mit dem CI-Messsystem aufweisen. In anderen Ausführungsformen erzeugt der Laserbearbeitungsstrahl lokalisierte Prozessstrahlung auf dem Ziel, das eine Position des Bearbeitungsstrahls darstellt. In diesen Ausführungsformen kann die Kalibrierungsmessausgabe auf der lokalisierten Prozessstrahlung basieren, und das CI-Messsystem kann gesteuert werden, das CI-Messsystem relativ zu der lokalisierten Prozessstrahlung auszurichten. Das Erhalten der Kalibrierungsmessausgabe kann beispielsweise Detektieren der lokalisierten Prozessstrahlung mit dem CI-Messsystem aufweisen.
• Figurenliste
• Diese und andere Merkmale und Vorteile werden beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen besser verständlich:
• 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Laserbearbeitungssystems und eines Kohärenzbildgebungs- (CI) Systems, das zu CI-Systemkalibrierungsmessungen in der Lage ist, in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
• 2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Laserbearbeitungssystems und eines Kohärenzbildgebungs- (CI) Systems mit einer 2D-Inline-Kamera für Kalibrierungsmessungen des CI-Systems, in Übereinstimmung mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
• 3 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Laserbearbeitungssystems und eines Kohärenzbildgebungs- (CI) Systems mit einer doppelt ummantelten Faser und einem Fotodetektor für CI-Systemkalibrierungsmessungen, in Übereinstimmung mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
• 4 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Laserbearbeitungssystems und eines Kohärenzbildgebungs- (CI) Systems mit einer 2D-Kamera unterhalb des Laserkopfs für Kalibrierungsmessungen des CI-Systems, in Übereinstimmung mit noch anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
• 5 ist eine Reihe von Bildern, die eine beispielhafte Prozessstrahlregistrierungskalibrierung veranschaulichen, die unter Verwendung von Interferometrie-Ausgabemessungen durchgeführt wird, die während einer Rasterabtastung eines markierten Kalibrierungsziels erfasst und unter Verwendung einer Reihe von Bildverarbeitungsalgorithmen verarbeitet werden.
• 6 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel von Interferometrie-Messdatenverarbeitungsalgorithmen veranschaulicht, die für eine Prozessstrahlregistrierungskalibrierung verwendet werden.
• 7 ist eine schematische Darstellung von beispielhaften CI-System-Scanmodul-Messerfassungs-Abtastmustern, die zur Merkmalsdetektion bei CI-Systemkalibrierungsmessungen verwendet werden.
• 8 ist ein Graph, der ein Beispiel zeitlicher Ausblend-Strategien veranschaulicht, die verwendet werden, um zwischen rückreflektiertem Prozessstrahllicht und Prozessstrahlung, die von der Laserinteraktionszone ausgeht, zu unterscheiden.
• 9 sind Diagramme, die eine beispielhafte Prozessstrahlungszeilenabtastung veranschaulichen, die mit dem in 1 gezeigten System an zwei Positionen innerhalb eines Scanfeldes eines Laserscankopfes durchgeführt wird.
• 10 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Prozessstrahlregistrierung unter Verwendung einer Vorrichtung mit einer 2D-Inline-Kamera.
• 11 ist eine schematische Darstellung eines gemeinsamen Strahlpfads zwischen dem Scanmodul des CI-Systems und der Inline-Kamera.
• 12 ist ein Graph, der ein beispielhaftes zeitliches Ausblend-Schema darstellt, das verwendet wird, um Prozessstrahl-Proxy- und Bildgebungsstrahl-Proxy-Messungen unter Verwendung der 2D-Kamera in dem System von 2 zu unterscheiden.
• 13 ist eine schematische Darstellung von Kalibrierungen zum Ausrichten des Bezugsrahmens des CI-Systems auf den Bezugsrahmen des Prozessstrahls/Werkstücks.
• 14 sind Diagramme, die ein Beispiel von Prozessstrahlungsmessungen, die durch das in FIG, 1 gezeigte System aufgezeichnet wurden (links), und Datenverarbeitungsoperationen, wie Rauschunterdrückung und Kurven-Fit, die verwendet werden können, um den Schwerpunkt der Daten zu finden (rechts), veranschaulichen.
• 15 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel des Unterschieds in der Soll-Bildgebungsstrahlposition und der tatsächlichen Messstrahlposition mit korrekten und inkorrekten Verfolgungsfehlern beim Abtasten in entgegengesetzten Richtungen hervorhebt.
• 16 sind Diagramme, die beispielhafte Signalmessungen veranschaulichen, die beim Abtasten über ein statisches Merkmal in zwei entgegengesetzten Richtungen unter Verwendung eines korrekten Verfolgungsfehlers (oben) und eines inkorrekten Verfolgungsfehlers (unten) erhalten wurden.
• 17 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels der Arten von Korrekturen, die auf die Scanmodul-Positionierungsbefehle des Bildgebungssystems als Funktion der Scanfeldposition angewendet werden müssen, um optische Verzerrungen in einem Laserscankopf zu korrigieren.
• 18 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels von pfadspezifischen Bildgebungsstrahl- und Prozessstrahlregistrierungsmessungen für eine Vorrichtung, die einen Laserscankopf beinhaltet.
• 19 ist ein Bild, das Kalibrierungsmessungen veranschaulicht, die durch das System von 3 durchgeführt wird, das eine doppelt ummantelte Faser in Kombination mit einer Hilfsfotodiode nutzt, die dazu verwendet wird, die Position (1) des Zentrums des Prozessstrahls und die Pfadrichtung (2) während eines Laserprozesses zu bestimmen.
• 20 ist ein Bild, das Kalibrierungsmessungen veranschaulicht, die durch das System von 2 durchgeführt werden, das eine 2D-Inline-Kamera nutzt, die dazu verwendet wird, die Position des Zentrums des Prozessstrahls und die Pfadrichtung während eines Laserprozesses zu bestimmen.
• 21 sind Bilder und Graphen, die beispielhafte Kalibriermesstechniken veranschaulichen, die von einem System unter Verwendung punktbasierter Messerfassungen (z. B. eine Interferometrieausgabe oder Einzelpunkt-Prozessstrahlungsmessung in Kombination mit dem Scanmodul des CI-Systems) durchgeführt werden, um die Prozessrichtung zu identifizieren.
• 22 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels dafür, wie Änderungen des Dampfkapillare-Laserschweißprozesses, wie etwa Änderungen der Prozessgeschwindigkeit, bewirken können, dass sich der Ort des Dampfkanals in Bezug auf die Fokusposition des Prozessstrahls ändert.
• 23 sind schematische Darstellungen davon, wie die Verwendung von Messlinien quer zur nominalen Richtung des Laserbearbeitungspfads verwendet werden kann, einen Unterschied zwischen dem nominalen und dem tatsächlichen Bearbeitungspfad zu identifizieren.
• 24 ist eine schematische Darstellung eines lokalen Oberflächenneigungs-Kalibrierungs-Messprozesses.
• 25 ist ein Bild, das einen Bereich eines Werkstücks veranschaulicht, der durch einen CI-Systemscan detektiert wurde, und einen Laserspotdurchmesser aufweist, der unter Verwendung von Bildgebungsdaten identifiziert wird, die durch das CI-System detektiert wurden.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Systeme und Verfahren zur statischen und dynamischen Kalibrierung gemäß der vorliegenden Offenbarung können verwendet werden, um eine Ausrichtung eines Messstrahls eines Kohärenzbildgebungs- (CI) Messsystems (auch als CI-System bezeichnet) relativ zu einem Bearbeitungsstrahl einer Materialbearbeitungsanlage bereitzustellen. Es können an dem System Kalibrierungen vorgenommen werden, bevor ein Prozess durchgeführt wird (d. h. Kalibrierungen auf Systemebene), während eines Prozesses (d. h. Kalibrierungen auf Prozessebene) und/oder zwischen Prozessen (d. h. Kalibrierungen auf Intraprozessebene). Obwohl die dargestellten Ausführungsformen Laserbearbeitungssysteme zeigen, können die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren auch mit beliebigen Hochenergiestrahlbearbeitungsanwendungen (z. B. Elektronenstrahl) und nicht bei einer Laserbearbeitung verwendet werden. Ausführungsformen von CI-Messsystemen weisen beispielsweise ein kohärentes Inline-Bildgebungssystem (ICI) auf, wie die, welche in den US-Patenten Nr. 8,822,875 , 9,757,817 und 10,124,410 , der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2020/0023461 und der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 16/721,306 (jetzt US-Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2020/0198050 ), die durch Bezugnahme alle vollständig hierin aufgenommen sind, offenbart werden.
• Unter Bezugnahme auf die 1-4 weisen die Systeme 100, 100', 100'', 100''', welche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung entsprechen, im Allgemeinen ein Materialverarbeitungssystem, ein Kohärenzbildgebungs- (CI) Messsystem und Steuerungen/Prozessoren zum Steuern beider Systeme auf. Das Materialbearbeitungssystem weist zumindest eine Materialbearbeitungsstrahlquelle (z. B. den Laser 110) auf, die einen Bearbeitungsstrahl 111 durch ein Energiestrahlzuführsystem (z. B. den Laserkopf 112) einem Werkstück 102 zuführt, um einen Materialmodifizierungsprozess durchzuführen. Das CI-Messsystem weist eine CI-Kerneinheit 120 auf, die dem Werkstück 102 einen Messstrahl 121 zuführt und eine Interferometrieausgabe von zumindest einer Komponente des Messstrahls 121 produziert, die auf das Werkstück 102 gerichtet wird und von diesem reflektiert wird. Eine oder mehrere der Steuerungen/Prozessoren (z. B. die Lasersteuerung 154 und die CI-Steuerung 156) können als Feedback-Steuerung verwendet werden, die zumindest einen Verarbeitungsparameter des Materialmodifizierungsprozesses überwacht, und als Feedback-Steuerung, die das Verhalten des Kohärenzbildgebungssystems basierend auf zumindest einer Kalibrierungsmessung anpasst.
• Das Kohärenzbildgebungssystem (d. h. die CI-Kerneinheit 120) umfasst eine optische Bildgebungsquelle (nicht gezeigt), die Bildgebungslicht (d. h. den Messstrahl 121) produziert, und ein optisches Interferometer (nicht gezeigt), das eine Interferometrieausgabe unter Verwendung zumindest einer Komponente des Bildgebungslichts produziert, das dem Werkstück 102 zugeführt wird. Das kohärente Bildgebungssystem weist auch ein Scanmodul 122 auf, das zumindest eine Komponente des Bildgebungslichts relativ zu der Materialbearbeitungsstrahlquelle (z. B. dem Laser 110) ausrichtet. Die CI-Steuerung 156 kann eine Verarbeitungseinheit aufweisen, die eine Datenverarbeitung und -analyse an der Interferometrieausgabe durchführt, und eine Steuerung, die die Messerfassung koordiniert, die Position des Scanmoduls steuert, und mit externen Elementen kommuniziert. Der CI-Steuerung 156 kann als Feedback-Steuerung fungieren, die zumindest eine der Interferometrie-Ausgabemessungen verwendet, um das Verhalten des Bildgebungssystems über seine Messungserfassung und Scanmodulpositionierung zu kalibrieren. In einigen Ausführungsformen werden die zum Kalibrieren des Verhaltens des Bildgebungssystems verwendeten Messungen zusätzlich oder alternativ durch einen oder mehrere Hilfssensoren oder -detektoren erhalten.
• Das Werkstück 102, das einer Materialbearbeitung unterzogen wird, kann eine Komponente oder Unterkomponente mit spezifischer Funktionalität sein, oder es kann ein Kalibrierungsziel sein, dessen Zweck es ist, eine Kalibrierungsmessung eines Kohärenzbildgebungssystems zu ermöglichen.
• Die Materialbearbeitungsstrahlquelle kann ein Laser 110 oder eine Elektronenstrahlquelle sein. Der Laserstrahl 111 kann ein Einzelmodenstrahl oder ein Mehrmodenstrahl sein. Ein Einzelmodenstrahl weist einen Strahl mit einem Beugungsmaßzahl von 2 oder weniger, und insbesondere 1,5 oder weniger, auf. Die Laserstrahlquelle 110 kann ohne Einschränkung einen Faserlaser, einen Scheibenlaser, einen Festkörperlaser, einen Diodenlaser oder einen CO2-Laser aufweisen. Der Laserstrahl 111 kann spektrale Komponenten im Ultraviolettbereich, im sichtbaren Bereich oder im Infrarotbereich aufweisen.
• Im Fall eines Laserstrahls kann das Energiestrahlzuführsystem (z. B. der Laserkopf 112) einen oder mehrere von einem feststehenden Optikkopf, einem Wobbelkopf (Wackelkopf), einem Vorobjektiv-Scankopf oder einem Nachobjektiv-Scankopf aufweisen. Der Laserkopf 112 kann eine Instrumentenöffnung aufweisen, um eine Schnittstelle mit dem Kohärenzbildgebungssystem herzustellen und den Messstrahl 121 im Wesentlichen koaxial mit dem Laserstrahl 111 einzuführen. Wenn Hilfssensoren in dem System enthalten sind, kann der Laserkopf 110 zusätzliche Instrumentenöffnungen aufweisen, wie etwa einen Inline-Kamera-Anschluss (siehe z. B. 2). Zusätzliche Hilfssensoren können Inline-Kameras (z. B. die 2D-Inline-Kamera 230 in 2), Fotodioden (z. B. der Fotodetektor 330 in 3) und Spektrometer aufweisen. Die Hilfssensoren können auch ihre eigenen Sensorsteuermodule haben, um Messungen zu analysieren und zu verarbeiten. Die Ausgaben von den Hilfssensoren werden an die CI-Steuerung 156 zurückgeführt und für die Kohärenzbildgebungssystemkalibrierung verwendet.
• Der Materialmodifizierungsprozess, der unter Verwendung der hierin beschriebenen Systeme durchgeführt wird, kann ohne Einschränkung eines oder mehreres von dem Folgenden aufweisen: Schweißen; Bohren; Schneiden; Trassieren; Perforieren; Löten; Sintern; Oberflächenbehandeln; additives Fertigen; und subtraktives Fertigen. Ein Beispiel für das Überwachen und Steuern der Wobble-Verarbeitung unter Verwendung einer ICI ist ausführlicher in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2020/0023461 offenbart, die durch Bezugnahme vollständig hierin aufgenommen ist.
• Die Vorrichtung kann auch andere Verarbeitungsausrüstung aufweisen, wie beispielsweise Bewegungssteuerungstische (z. B. der Verfahrtisch 104), Roboterarme, Verarbeitungsatmosphärensysteme, Luftmesser, Schutzgas, und Prozesssteuerungen.
• Das CI-Messsystem kann eines der üblicheren CI-Messsystemvarianten oder eine Variante davon sein, einschließlich: optische Kohärenztomographie im Zeitbereich (TD-OCT); optische Kohärenztomographie im Fourier-Bereich (FD-OCT), optische Kohärenztomographie im Spektralbereich (SD-OCT); optische Kohärenztomographie mit Swept-Source (SS-OCT); Niedrigkohärenz-Interferometrie (LCI); und Inline-Kohärenzbildgebung (ICI).
• Bei der SD-OCT und ihren Varianten produziert eine Lichtquelle mit niedriger Kohärenz Licht in einem endlichen Spektralband, beispielsweise 830 bis 850 nm. Dieses Licht wird in ein Interferometer eingespeist und schließlich mit einem Spektrometer gemessen, das ein Gitter und eine Zeilenkamera aufweisen kann. Beispiele für Lichtquellen, die in Systemen vom SD-OCT-Typ verwendet werden, weisen Superlumineszenzdioden (SLDs) und Frequenzkämme auf.
• Bei der SS-OCT und ihren Varianten produziert eine einstellbare schmalbandige Lichtquelle schmalbandiges Licht, das in ein Interferometer eingespeist wird. Die Mittenwellenlänge des injizierten Lichts wird über ein Spektralband eingestellt, um eine einzelne Interferometrieausgabe zu produzieren. Das Licht wird im Allgemeinen durch eine Fotodiode oder einen abgeglichenen Fotodetektor gemessen, der mit dem Spektraldurchlauf der Lichtquelle synchronisiert ist. Beispiele für Lichtquellen, die in der SS-OCT verwendet werden, weisen modengekoppelte Fourier-Bereichs- (FDML) Quellen und oberflächenemittierende Laser mit vertikaler Kavität (VCSELs) auf.
• Im Allgemeinen haben Varianten von CI-Messsystemen die folgenden Merkmale gemeinsam: einen Strahlteiler (z. B. einen 50:50-Faser-Koppler für evaneszente Moden), der das Licht von der Lichtquelle aufteilt in einen Probenarm, der das Licht des Bildgebungsstrahls dem Werkstück, das gemessen wird, zuführt, und einen Referenzarm, der den optischen Referenzpfad des Interferometers aufweist und der statisch oder einstellbar sein kann. Das zurückreflektierte Licht von dem Proben- und dem Referenzarmen wird am Strahlteiler rekombiniert und zu dem Detektor des Bildgebungssystems übertragen. CI-Messsysteme weisen auch einen Signalprozessor auf, um die von dem Detektor kommenden Messungen zu interpretieren.
• In den hierin beschriebenen Systemen wird ein Strahlscanmodul 122 (z. B. ein Galvanometer-Scanner) verwendet, um die Position des Messstrahls 121 (Teil des Probenarmpfads) relativ zu dem Bearbeitungsstrahl 111 dynamisch zu steuern. Die Steuerung 156 kann Systemkalibrierungen anwenden, um zu beeinflussen, wie der Bildgebungs- oder Messstrahl 121 relativ zu dem Bearbeitungsstrahl 111 positioniert wird, wann Messungen durchgeführt werden, und/oder wie Messungen verarbeitet und analysiert werden. Das CI-Scanmodul kann jede Vorrichtung und/oder Optik aufweisen, die in der Lage ist, einen oder mehrere Messstrahlen zu bewegen oder abzulenken, einschließlich, ohne Einschränkung, eines Galvo-Scanners, einer oder mehrerer beweglicher Linsen, eines Piezo-Scanners, eines MEMS-Scanners, eines KTN-Scanners, elektro-optischen Deflektoren (EODs) und akusto-optischen Deflektoren (AODs).
• Die Systeme weisen ferner eine/einen Feedback-Steuerung oder -Prozessor (z. B. die CI-Steuerung 156) auf, um die kohärenten Messungen dazu zu verwenden, Bestimmungen über die Qualität des Prozesses zu treffen. Bestimmungen können eine boolesche OK/NOK-Bestimmung sein oder komplexere Prozessanalysen aufweisen. Die/der Feedback-Steuerung(en) oder -Prozessor(en) kann auch Messdaten verwenden, um Prozessparameter anzupassen, um zukünftige Aspekte des Prozesses oder zukünftiger Prozesse zu verbessern.
• Das System kann auch Steuerungen für jedes der Hauptsubsysteme aufweisen (z. B. eine Lasersteuerung 154, eine Laserkopfsteuerung 152 und eine Verfahrtischsteuerung 158). Die Laserquelle 110 kann ihre eigene Steuerung 154 haben, um die Profilierung der Ausgangsleistung zu steuern, die Timings, den Zustand des Lasers zu überwachen, und mit anderen Submodulen oder einem Prozessmaster zu kommunizieren. Die Bewegungssteuerungsausrüstung und die Prozessunterstützungs-Subsysteme können ihre eigene Steuerung 158 haben, um Operationen zu steuern und mit anderen Ausrüstungen zu kommunizieren. Der Laserkopf 112 kann auch seine eigene Steuerung 152 haben, um den Zustand des Laserkopfs zu überwachen, opto-mechanische Komponenten anzusteuern, und mit anderen Geräten zu kommunizieren. Eine Prozessmaster-Steuerung 150 (z. B. eine programmierbare Logiksteuerung) kann verwendet werden, um alle der verschiedenen Subsysteme und ihre Steuerungen zu steuern und zu koordinieren. In einigen Fällen kann eine der Subsystemsteuerungen (z. B. die Laserkopfsteuerung 152) die Rolle des Prozessmasters übernehmen.
• Ausführungsformen von Systemen und Kontrastmechanismen
• Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können unterschiedliche Systeme und Kontrastmechanismen als eine Eingabe verwendet werden, um Kalibrierungsmessungen an eine Rückkopplungssteuerung bereitzustellen. Wie hierin verwendet, bezieht sich „Kontrastmechanismus“ auf eine physikalische Eigenschaft, und/oder ein Messprinzip davon, die es ermöglichen, dass einer oder mehrere Aspekte des Werkstücks und/oder des Phasenänderungsbereichs voneinander unterschieden werden. Ausführungsformen dieser Systeme und Kontrastmechanismen werden unten beschrieben.
• System 100, das einen Kohärenzbildgebungs-Kontrastmechanismus verwendet
• Gemäß einigen Ausführungsformen kann das in 1 gezeigte System 100 Interferometrie-Ausgabemessungen verwenden, um Kalibrierungsmessungen an die Feedback-Steuerung (z. B. die CI-Steuerung 156) bereitzustellen. In dieser Ausführungsform kann das System 100 immer noch Hilfssensoren aufweisen, aber ihre Messungen werden nicht als Kalibrierungseingaben des CI-Messsystems verwendet.
• In diesem System 100 ist die Messsystemhardware, die zum Produzieren der Interferometrie-Ausgabemessungen des Laserprozesses verantwortlich ist, dieselbe wie die, die verwendet wird, um die Kalibrierungsmessungen des Kohärenzbildgebungssystems zu erzeugen. In den meisten Fällen behält diese Hardware bei der Durchführung von Kalibrierungsmessungen eine ähnliche Konfiguration bei wie bei der Durchführung von Prozessmessungen. Bei einigen Kalibrierungen kann es jedoch wünschenswert sein, die Hardwarekonfiguration, das Verhalten, und/oder die Parameter zu modifizieren, um die Qualität des Kalibrierungsmesssignals zu verbessern.
• Beispielsweise kann in einem SD-OCT-Typ-Schema die Detektorintegrationszeit erhöht werden, um das SNR zu verbessern, wenn spezifische Kalibrierungsmerkmale gemessen werden. Bei dem allgemeinen Interferometrie-Aufbau kann der optische Referenzpfad modifiziert werden, um besser zu der optischen Pfadlänge zu passen, die dem Kalibrierungswerkstück zugeordnet ist. In ähnlicher Weise kann das Leistungsniveau der optischen Bildgebungsquelle modifiziert werden, um rückreflektierte Bildgebungsstrahlpegel zu produzieren, die für die Kalibrierungszielmessung günstiger sind.
• Eine beispielhafte Kalibrierungsmessroutine - eine Prozessstrahlregistrierung - die durch eine Ausführungsform des Systems 100 unter Verwendung eines Kohärenzbildgebungs-Kontrastmechanismus ermöglicht wird, wird unten beschrieben. Die Registrierung des CI-Systems relativ zu dem Prozessstrahl 111 wird durch Analysieren der Messungen des CI-Systems erreicht, die durchgeführt werden, wenn das Scanmodul 122 des CI-Systems auf bestimmte Positionen innerhalb des Bezugsrahmens des Scanmoduls gerichtet wird. Solche Bezugsrahmen können aufweisen: mechanische Spiegelablenkwinkel im Fall eines Galvo-basierten Scanmoduls; analoge Treiberspannungssignalpegel im Fall von analogen Galvanometern; digitale Treiberspannungssignalpegel im Fall von digitalen Galvanometern; Piezo-Treiberspannungen; und ein Standard-Bezugsrahmen des Scanmoduls, der kopfunabhängig sein kann oder nicht.
• Die genaue Position des Prozessstrahls 111 innerhalb des Bezugsrahmens ist unbekannt und ist das Ziel der Kalibrierungsroutine, aber die mechanische Ausrichtung der opto-mechanischen Komponenten stellt im Allgemeinen sicher, dass der Prozessstrahl 111 in das Scanfeld des Scanmoduls fällt. In einem solchen System wird die Prozessstrahlregistrierung erreicht, indem kohärente Messungen eines Werkstücks 102 analysiert werden, das als Ergebnis des Prozessstrahls 111 einer lokalisierten physikalischen Modifizierung unterzogen wurde. Die physikalische Modifizierung auf dem Werkstück 102 wird als Proxy für den Prozessstrahlspot verwendet. Da alle Strahlzuführelemente in dem System verwendet werden, um diese Markierung zu machen und den Bildgebungsstrahl 121 zuzuführen/zu sammeln, können praktisch alle abweichenden Effekte, die die Fähigkeit des CI-Messsystems beeinflussen würden, um genau und präzise mit dem Prozessstrahl 111 co-registriert zu bleiben, sofort gemessen und kompensiert werden.
• Ein typisches Beispiel dieses Kontrastmechanismus beinhaltet das Markieren eines kleinen Spots bzw. Flecks auf dem Werkstück 102 mit dem Bearbeitungsstrahl 111, so dass sich der Spot im Vergleich zu dem unbearbeiteten Material in der Höhe und/oder dem Reflexionsvermögen unterscheidet. Der Aspekt der optischen Pfadlängenänderung (d. h. die Höhe) der kohärenten Messung kann verwendet werden, um einen auf der Pfadlänge basierenden Kontrast bereitzustellen, um den Spot auf dem Material zu identifizieren. Der rückreflektierte Intensitätsaspekt der kohärenten Messung kann verwendet werden, um einen auf dem Reflexionsvermögen basierenden (und zu einem gewissen Grad auf der Geometrie basierenden) Kontrast bereitzustellen, um den Spot auf dem Material zu identifizieren. Eine Kombination der höhen- und intensitätsbasierten Kontrastmechanismen kann auch verwendet werden, um die Position des Prozessstrahls zu identifizieren.
• Durch Durchführen von kohärenten Messungen des prozessinduzierten Spots an verschiedenen Punkten innerhalb des Bezugsrahmens des Scanmoduls können Signalverarbeitungs- und statistische Algorithmen verwendet werden, um einen Bereich innerhalb des Bezugsrahmens des Scanmoduls als Zentrum des Prozessstrahls (Proxy) zu identifizieren. Beispielsweise kann der bearbeitete Spot einen kleinen Hohlraum in dem Werkstück 102 bilden. Höhenbasierte Messungen des Hohlraums können ein Verhalten zeigen, bei dem die Oberflächenhöhe von der nicht modifizierten Materialoberfläche in Richtung dem Zentrum des Hohlraums abnimmt (ein Proxy für die Position des Zentrums des Prozessstrahls). In einer einfachen Implementierung kann dieser Ort identifiziert werden, indem die Position (innerhalb des Scanmodulrahmens) der kohärenten Messung, die die niedrigste gemessene Höhe aufweist, genommen wird. In komplexeren Implementierungen können Bildverarbeitungsalgorithmen oder Fit- bzw. Anpassungsoperationen eingesetzt werden, um einen Schwerpunktbereich zu identifizieren.
• Zusätzlich zum Identifizieren eines Schwerpunkts könnten die hierin beschriebenen Systeme verwendet werden, um Grenzregionen, Massenschwerpunkte, Kraftzentren oder andere solche Definitionen zum Lokalisieren eines Prozessstrahls zu bestimmen.
• Ein ähnliches Verfahren kann stattdessen unter Verwendung von rückgestreuten Intensitätsniveaus anstelle von gemessenen Höhen durchgeführt werden. Bei anderen Verfahren kann eine Kombination (z. B. intensitätsgewichtete Höhenmessungen, höhengewichtete Intensitätsmessungen usw.) der beiden Messungen als das Signal zur Verarbeitung verwendet werden.
• Wie in der Übersicht eines Spotbearbeitungsalgorithmus gezeigt wird, der in 5 veranschaulicht wird, kann eine Prozessstrahlregistrierungskalibrierung unter Verwendung von Ausgabemessungen durchgeführt werden, die während einer Rasterabtastung eines markierten Kalibrierungsziels detektiert werden und unter Verwendung einer Reihe von Bildverarbeitungsalgorithmen verarbeitet werden. 6 veranschaulicht ein detaillierteres Beispiel von Interferometrie-Messdaten-Verarbeitungsalgorithmen, die für die Prozessstrahlregistrierungskalibrierung verwendet werden können.
• Zusätzlich zu den Variationen der Signaltypen, die verwendet werden können, um den Prozessstrahl-Proxy zu identifizieren, können verschiedene Scanmodul-Suchstrategien eingesetzt werden, um den Erfassungsprozess zu beschleunigen, die Detektionsgenauigkeit zu verbessern, die Datenverarbeitung zu vereinfachen, oder eine Kombination davon. Scanstrategien (innerhalb des Bezugsrahmens des Scanmoduls) können ein 2D-Rastermuster über dem Proxy, orthogonale Scanvektoren mit iterativ aktualisierter Position des Zentrums des Prozessstrahls (z. B. ein ähnlicher Prozess wie „Wandern des Strahls“, um eine Schwerpunktbestimmung für ein Gaußsches Profil durch Anpassen zweier orthogonaler Achsen zu erreichen), spiralförmige Abtastmuster, diskrete Punktmessungen, rückkopplungsbasiertes Random-Walk-Abtasten usw. beinhalten. Wie durch die Beispiele von Abtastmustern in 7 gezeigt, können verschiedene Scanmodul-Messerfassungs-Abtastmuster zur Merkmalsdetektion in Kalibrierungsmessungen des CI-Systems verwendet werden, einschließlich einer quadratischen Gitterformation, eines Kreuzmusters und eines Spiralmusters.
• Eine Mittelwertbildung von Detektormessungen an derselben Position des CI-Scanmoduls kann durchgeführt werden, um das SNR zu verbessern und Schwankungen aufgrund von nicht idealen Prozessen auszuschließen. Differentialmessungen können in ähnlicher Weise verwendet werden, um das SNR zu verbessern und den Einfluss des charakteristischen Speckle-Musters, das in CI-Bildern üblich ist, zu reduzieren. In diesem Zusammenhang könnte eine Differenzmessung das Messen einer Materialoberfläche, bevor sie modifiziert wird, und dann erneutes Messen mit im Wesentlichen ähnlichen Erfassungsparametern, nachdem sie durch den Prozessstrahl modifiziert wurde, aufweisen. Die beiden Bilder werden dann mit einer oder mehreren Differenzialberechnungen, die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, verglichen.
• System 100, das einen nativen Prozessemissions-Kontrastmechanismus verwendet
• Gemäß anderen Ausführungsformen kann das in 1 gezeigte System 100 die nativen Prozessemissionen als Kontrastmechanismus verwenden. In diesen Ausführungsformen kann die Hardware des CI-Messsystems auf eine solche Weise konfiguriert, betrieben oder erweitert werden, dass die optischen Komponenten und der Detektor des CI-Systems Prozessstrahlung detektieren können, die aus der Laserbearbeitungsanwendung resultiert. In dieser Ausführungsform kann das System 100 immer noch Hilfssensoren beinhalten, aber ihre Messungen werden nicht als Kalibrierungseingaben des CI-Messsystems verwendet.
• In einigen Implementierungen weist die Verwendung nativer Prozessemissionen eine bildgebende Lichtquelle auf, die ausgeschaltet oder auf eine ausreichend niedrige Leistung reduziert werden kann, so dass sie die Prozessstrahlungsdetektion nicht stört, und einen bildgebenden Systemdetektor, der so betrieben werden kann, dass er Prozessstrahlung bei Pegeln über dem Hintergrundrauschen detektieren kann. Spektralbereichs-CI-Systeme sind für diese Aufgabe besonders gut geeignet, da sie ihre Erfassung der Prozessstrahlung bequem auf die Wellenlängenbänder beschränken können, die für die nachfolgende kohärente Bildgebungsaufgabe verwendet werden. Dies reduziert und/oder eliminiert Registrierungsfehler, die von chromatischer Aberration herrühren.
• In spezifischeren Implementierungen des Systems 100 kann das CI-Messsystem erweitert werden, um eine Übertragung von Licht außerhalb des Spektralbands der CI-Quelle aufzunehmen, um die Detektion von Prozessstrahlung durch die CI-Systemkomponenten zu erleichtern. In anderen spezielleren Implementierungen kann das CI-Messsystem auch erweitert werden, um eine Komponente zum Steuern der Menge und/oder Farbe des in das Detektionssystem eintretenden Lichts einzuschließen. Eine solche Komponente kann eines oder mehreres des Folgenden aufweisen: spezifische Wellenlängenfilter; Neutraldichtefilterung mit einstellbaren Filterstufen; Ändern des Faserbiegeradius; Faserdämpfungsglieder; und Blendeneinstellung (durch eine Iris). Jedes dieser Elemente kann flexibel entfernt und/oder durch dem Fachmann bekannten Aktuatoren in den optischen Pfade eingeführt werden.
• In einigen Implementierungen kann Prozesslicht, das durch den optischen Pfad des Bildgebungssystems zurückkehrt, zu einem sekundären Detektor (z. B. einem Fotodetektor) umgeleitet werden, der für solche Messungen besser geeignet ist, oder der CI-Detektor kann speziell modifiziert werden, um eine bessere Detektion des Kalibrierungssignals zu ermöglichen.
• Eine beispielhafte Kalibrierungsmessroutine - eine Prozessstrahlregistrierung - die durch eine Ausführungsform des Systems 100 unter Verwendung eines nativen Prozessemissions-Kontrastmechanismus ermöglicht wird, wird nachstehend ausführlicher beschrieben. Die Position des Prozessstrahls im Sichtfeld wird erreicht, indem die Lichtquelle des CI-Systems ausgeschaltet oder auf ein vernachlässigbares Niveau reduziert wird. Der optische Übertragungspfad des CI-Messsystems wird verwendet, um von der Laserinteraktionszone ausgehende Prozessstrahlung durch den Laserkopf und auf den Detektor des CI-Messsystems zu übertragen. Der optische CI-Übertragungspfad kann vorübergehend modifiziert werden (z. B. eine Änderung des optischen Filters oder der Blende), und/oder die Einstellungen des CI-Detektors können vorübergehend geändert werden (z. B. eine Erhöhung der Integrationszeit bei einer Zeilenkamera in einem System vom SD-OCT-Typ) zum Zwecke der Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) der Messung der Prozessstrahlung (z. B. Schwarzkörperstrahlung). In SS-OCT-Systemen, die ein symmetrisches Fotodioden-Detektionsschema verwenden, kann beispielsweise einer der Eingänge zu den Kanalpaaren deaktiviert (z. B. blockiert) werden, um eine Gleichtaktunterdrückung des Kalibrierungssignals zu vermeiden.
• Ein spezifischer Laserprozess kann durchgeführt werden, um eine lokalisierte Prozessstrahlungsquelle (z. B. einen Schwarzkörperemitter) zu erzeugen, die als Proxy für das Prozessstrahlzentrum verwendet werden soll. Spezifische Werkstück-/Teststück-Materialtypen können verwendet werden, um das Proxy-Signal auf dem Detektor zu verstärken. Wolfram kann verwendet werden, um eine erhöhte Energiedichte des Bearbeitungsstrahls zu ermöglichen und einem Oberflächenschmelzen zu widerstehen. Andere Materialien (Typen und Geometrien) können verwendet werden, um speziell eine Optimierung für ein spezifisches Strahlungsspektrum eines schwarzen Körpers zu erreichen. Spezifische Laserbearbeitungsparameter (z. B. Impulse mit niedriger oder hoher Leistung) können auch verwendet werden, um das Proxy-Signal zu verstärken oder eine Beschädigung des Werkstücks zu verhindern. Ein zerstörungsfreier Laserprozess ermöglicht die Erzeugung der Prozessstrahlung zur Proxy-Detektion unter Schonung des darunter liegenden Teils - wodurch Registrierungsverfahren direkt an Produktionsteilen und direkt in der Produktionsumgebung durchgeführt werden können.
• Zusätzliche Hilfslaserprozessbetrachtungen können verwendet werden, um die Widerstandsfähigkeit des Werkstücks gegen Beschädigung weiter zu verbessern und/oder gemessene Prozessstrahlungssignale zu verbessern. Schutzgas, das während der Laserbearbeitung über der Werkstückoberfläche verteilt wird, kann dazu beitragen, die Oberflächentemperatur zu stabilisieren, die Werkstückoxidation abzuschwächen, und die detektierten Signalpegel konstant zu halten. Eine Luftklinge kann verwendet werden, um zu verhindern, dass Prozessdämpfe den optischen Pfad zum Detektor verdecken und das SNR nachteilig beeinflussen.
• In einigen Fällen, wie etwa bei der Scanner-basierten Laserbearbeitung, wo eine chromatische Aberration Probleme für eine genaue Prozessstrahlregistrierung verursachen kann, kann der optische CI-Lieferweg absichtlich oder unabsichtlich, dauerhaft oder temporär, bei der Produktion oder während eines Kalibrierungsverfahrens modifiziert werden, um die Unterdrückung von Spektralbändern außerhalb des CI-Quellbands zu verbessern. Die Übertragung nur der spektralen Komponenten der Prozessstrahlung, die sich mit der CI-Lichtquelle zum Zweck der Proxy-Identifikation überlappen, kann etwaige Registrierungsfehler abmildern, die mit chromatischen Aberrationen des Laserkopfs verbunden sind.
• In anderen Fällen, in denen systematische Fehler im Zusammenhang mit chromatischer Aberration vernachlässigbar oder nicht vorhanden sein können, kann der optische CI-Übertragungspfad modifiziert werden, um ein breiteres Spektralband zu übertragen, um das gesammelte Prozessstrahlungssignal zu verbessern. In einigen Fällen kann der optische CI-Übertragungspfad modifiziert werden, um auf ein bestimmtes Spektralband oder Bänder der Prozessstrahlung abzuzielen. Das Abzielen auf bestimmte Spektralbänder hilft, die Registrierungsgenauigkeit zu verbessern, da bestimmte Spektralbänder möglicherweise stärker mit dem Proxy assoziiert sind, während andere Spektralbänder Nebenprodukte der Umgebung oder des Prozesses sein können, der zum Erstellen des Proxys verwendet wird.
• Beispielsweise kann ein Laserimpuls verwendet werden, um eine Laserwechselwirkungszone auf einer Stahlplatte einzurichten, die als eine Schwarzkörper-Emissionsquelle (der Proxy) wirkt, wobei die Spitze des räumlichen Schwarzkörper-Emissionsprofils mit dem Zentrum des Bearbeitungsstrahls zusammenfällt. Die dem Proxy zugeordneten primären Spektralkomponenten fallen hauptsächlich in den infraroten Teil des Spektrums. Plasma kann als unbeabsichtigtes Nebenprodukt des Laserprozesses produziert werden, was wiederum die Prozessstrahlungspegel in den sichtbaren und ultravioletten Spektralbereichen erhöhen kann. Aufgrund der Prozessumgebung und der Prozessausrüstung (z. B. Abschirm-/Schutzgasströmung) kann sich die mit dem Peak-Plasmastrahlungssignal verbundene räumliche Position von der mit dem Zentrum der Schwarzkörper-Emissionsquelle verbundenen räumlichen Position unterscheiden und Fehler beim Bestimmen der Position des Zentrums des Proxys verursachen. Indem spektrale Komponenten außerhalb des Infrarotbereichs zurückgewiesen werden, können Plasmasignale zurückgewiesen werden, und das Zentrum der Emissionsquelle des schwarzen Körpers kann mit verbesserter Genauigkeit detektiert werden. In ähnlicher Weise kann ein Sperrfilter im optischen Pfad des CI-Systems verwendet werden, um zurückreflektiertes Prozessstrahllicht auszublenden, um die Schwarzkörperstrahlung besser zu erzielen.
• In einigen Ausführungsformen ist es möglicherweise nicht möglich, die Prozessstrahlstrahlung mit einer optischen Komponente herauszufiltern. In diesem Fall kann ein temporäres Ausblenden verwendet werden, um die Prozessstrahlung in der Laserinteraktionszone von dem rückreflektierten Prozessstrahllicht zu trennen. Ein Beispiel für ein solches zeitliches Ausblenden weist eine gepulste Laserbearbeitungswellenform auf, bei der Prozessstrahlungsmessungen nur während des Aus-Teils des Tastverhältnisses des Pulses durchgeführt (oder gespeichert) werden. Wie in dem Beispiel des zeitlichen Signal-Ausblenden in 8 gezeigt wird, können zeitliche Ausblend-Strategien verwendet werden, um zwischen rückreflektiertem Prozessstrahllicht und Prozessstrahlung, die von der Laserinteraktionszone ausgeht, zu unterscheiden. Die Kenntnis des Laserleistungsprofils (durchgezogene Linie) erlaubt es, dass Detektorsignalmessungen (gestrichelte Linie) nur dann durchgeführt werden, wenn der Laser ausgeschaltet ist, um isoliert zu werden. Wenn das Laserleistungsprofil nicht bekannt ist, können spezifische Merkmale des Detektorsignals, wie z. B. der Schwanzbereich (Zielsignal), verwendet werden, um das dem gewünschten Prozessereignis zugeordnete Detektorsignal zu isolieren. Diese Art des Ausblendens stellt sicher, dass nur an der Oberfläche des Werkstücks erzeugte Strahlung von dem Messsystem detektiert wird. Ähnliche zeitliche Ausblend-Techniken können verwendet werden, um unerwünschte Spektralkomponenten, die kürzere oder längere Abklingzeiten haben können, effektiv herauszufiltern.
• In einigen Implementierungen kann ein präzises zeitliches Ausblenden durch Zugriff auf (oder Befehl von) dem Laser-Ausblend-Treibersignal erreicht werden. In einigen Fällen ist es jedoch möglicherweise nicht machbar, oder genau genug, ein zeitliches Ausblenden über dieses Verfahren durchzuführen. Als Ergebnis können Eigenschaften des detektierten Signals selbst verwendet werden, um das zeitliche Ausblenden durchzuführen. Beispielsweise kann die Identifizierung einer großen Spitze gefolgt von einem Schwanzbereich verwendet werden, um die gewünschten spektralen Komponenten in Form eines Signalschwanzes zu isolieren (siehe 8). Bei anderen Implementierungen kann eine zusätzliche Fotodiode verwendet werden, um die Laser-Ein-Perioden durch Messung des rückreflektierten Prozessstrahllichts optisch zu identifizieren.
• In einem anderen Beispiel, bei dem die Wellenlängen des Bearbeitungs- und Bildgebungsstrahls nahe genug beieinander liegen, so dass chromatische Aberration einen vernachlässigbaren Fehler produziert, oder bei dem das optische Zuführsystem so konstruiert ist, dass chromatische Aberration kein Problem darstellt, kann das zurückreflektierte Prozessstrahllicht selbst als Proxy für die Detektion verwendet werden. In einem solchen Beispiel kann der Laserprozess so ausgewählt werden, dass die Laserintensität zu gering ist, um eine signifikante Erwärmung des Werkstücks oder eine Absorption des Bearbeitungsstrahls zu produzieren. Stattdessen wird das Licht des Bearbeitungsstrahls von dem Werkstück zurückreflektiert, und ein Teil davon wird durch den optischen CI-Übertragungspfad und auf den Detektor übertragen. In diesem Beispiel wird die räumliche Spitzenintensität des rückreflektierten Lichts als Proxy für das Prozessstrahlzentrum verwendet.
• Ähnliche Scanstrategien und Signalverarbeitungsstrategien des Scanmoduls, wie die oben beschriebenen (siehe z. B. 7), können angewendet werden, um das detektierte Prozessstrahlungssignal zu detektieren und zu analysieren. Die gemessene Prozessstrahlung für Punkte entlang einer linearen Abtastung durch die Laserinteraktionszone ist in 9 gezeigt. 9 zeigt Prozessstrahlungsmessungen, die an zwei Positionen innerhalb eines Laserscankopf-Scanfelds unter Verwendung eines Scans entlang der X-Achse durchgeführt werden. Das Intensitätsprofil (z. B. seine Spitze oder sein Schwerpunkt) wird als Proxy für die Position des Prozessstrahls innerhalb des Scanmodulrahmens des CI-Systems verwendet. Ähnliche Messungen können durchgeführt werden, um die Ausrichtung entlang der Y-Achse zu bestimmen. Wie in 9 gezeigt wird, ist im Zentrum des Scanfelds des Laserkopfs die Ausrichtung des CI-Bezugsrahmens zum Prozessstrahl gut. Dadurch wird das Intensitätsprofil des Durchlaufens bei einem Abstand von 0 µm entlang des in dem CI-Bezugsrahmen durchgeführten Durchlaufs maximiert. Aufgrund der chromatischen Aberration zeigt derselbe Mess-Durchlauf, der im CI-Bezugsrahmen durchgeführt wurde, an einem Punkt außerhalb des Zentrums des Scanfelds des Laserkopfs (oben rechts) ein Spitzenintensitätsprofilsignal bei -200 µm entlang des Durchlaufs. Zukünftige CI-Messstrahl-Positionierungsoperationen können dann diesen Fehler berücksichtigen, um die Positionierungsgenauigkeit zu verbessern.
• Ähnliche Registrierungsmessungen können an anderen Stellen innerhalb des Prozessstrahl-Scanfelds und entlang anderer CI-Bezugsrahmenachsen durchgeführt werden, um die Gesamtkalibrierung zu verbessern. Iterative Scantechniken ähnlich dem „Wandern des Strahls“ können angewendet werden, um die Messgenauigkeit zu verbessern. Eine Mittelung der Detektormessungen an derselben Position des CI-Scanmoduls kann durchgeführt werden, um das SNR zu verbessern und Schwankungen aufgrund von nicht idealen Prozessen auszuschließen.
• System 100' mit 2D-Inline-Kamera
• Das in 2 gezeigte System 100' weist ferner eine 2D-Inline-Kamera 230 auf, die beispielsweise mit einem 2D-Kameraanschluss gekoppelt ist, der in dem Energiestrahlzuführsystem enthalten ist. In einigen Ausführungsformen kann der CI-Steuerung 156 zumindest eine Verarbeitungseinheit zum Extrahieren und Analysieren von 2D-Kameramessungen aufweisen, und die durch die 2D-Kameramessungen detektierten Daten können an die Feedback-Steuerung übertragen werden, die für die Implementierung der CI-Systemkalibrierung verantwortlich ist.
• In den meisten Implementierungen ermöglicht die Hardware des CI-Systems, dass die Bildgebungslichtquelle ausgeschaltet oder auf eine ausreichend niedrige Leistung reduziert wird, so dass sie die Prozessstrahlungsdetektion nicht stört. Alternativ oder zusätzlich kann die Bildgebungslichtquelle temporär so modifiziert werden, dass sie für zumindest einen Zeitpunkt die Prozessstrahlungsdetektion nicht stört.
• In vielen Implementierungen werden 2D-Kameramessungen von einer Kamerasteuerung extrahiert und an eine andere Steuerung weitergegeben, die für die Durchführung von Datenverarbeitungsoperationen verantwortlich ist. In einigen Fällen kann jedoch die Kamerasteuerung diese Verantwortung übernehmen. Die Datenverarbeitung kann von einem anderen dedizierten Hardwareteil durchgeführt werden, oder kann auf vorhandener Hardware, wie etwa der Rückkopplungssteuerung, durchgeführt werden.
• Der 2D-Kameraanschluss, der in dem Energiestrahlzuführsystem (z. B. in dem Laserkopf 122) enthalten ist, kann in einer Inline-Kamerakonfiguration verwendet werden (z. B. beim Blick durch das Strahlzuführsystem). In anderen Implementierungen kann die 2D-Kamera außeraxial angeordnet sein, um zu vermeiden, dass die optischen Pfade des Bearbeitungsstrahls und des Bildgebungsstrahls geteilt werden. In einer außeraxialen Konfiguration können mehrere 2D-Kameras verwendet werden, um während der Kalibrierungsmessung mehrere Betrachtungswinkel zu erreichen. In jeder Konfiguration kann der Strahlpfad der 2D-Kamera auch zusätzliche Optiken (z. B. Fokussierlinsen, Filter, Blenden, Spiegel) aufweisen, um die Qualität der Kalibrierungsmessung zu verbessern. Der optische Pfad kann auch so ausgelegt sein, dass er bestimmte Spektralbänder (z. B. NIR) besser überträgt und andere (z. B. VIS) spezifisch zurückweist.
• Der spezifische Strahlpfad der 2D-Kamera 230 in Bezug auf die Bearbeitungs- und Messstrahlen 111, 121 kann variabel sein. In einigen Ausführungsformen kann der Kameraanschluss zumindest eine Komponente des optischen Pfads mit dem Messstrahl 121 teilen. In anderen gibt es keine Überlappung im optischen Pfad. Die Hardware der 2D-Kamera kann auch einstellbare Eigenschaften (z. B. die Belichtungszeit, die Bildrate, das Sichtfeld) aufweisen, die gemäß der Art der durchgeführten Kalibrierungsmessung konfiguriert sein können.
• Eine beispielhafte Kalibrierungsmessroutine - eine Prozessstrahlregistrierung - die durch eine Ausführungsform des Systems 100' mit einer 2D-Inline-Kamera 230 ermöglicht wird, wird nachstehend ausführlicher beschrieben. Die Prozessstrahlregistrierung wird erreicht, indem eine Registrierung des Bildgebungsstrahls mit dem Inline-Kamera-Bezugsrahmen (z. B. Kamerabildpixel) und eine Registrierung des Bearbeitungsstrahls mit demselben Inline-Kamera-Bezugsrahmen durchgeführt wird. Wenn beide Strahlen, oder, genauer gesagt, ihre einzelnen Strahl-Proxys, im Kamerabezugsrahmen registriert sind, kann die Trennungsdistanz innerhalb des Kamerarahmens verwendet werden, um den Grad der Bildgebungsstrahl- und Bearbeitungsstrahlregistrierung (oder umgekehrt, den Grad ihrer Fehlausrichtung) zu quantifizieren.
• 10 zeigt ein Beispiel für die Proxy-Registrierung eines Bearbeitungsstrahls und Bildgebungsstrahls unter Verwendung der 2D-Kamera. Die 2D-Inline-Kamera detektiert rückreflektiertes Bildgebungsstrahllicht (den Bildgebungsstrahl-Proxy) und Prozessstrahlung (den Prozessstrahl-Proxy). Eine Bildverarbeitung wird verwendet, um den Grad der Fehlausrichtung zu identifizieren und die Position des Bildgebungsstrahls entsprechend zu korrigieren. Das Bild in 10 zeigt eine Fehlausrichtung des Bildgebungsstrahl-Proxys und des Bearbeitungsstrahl-Proxys. Um den Bildgebungsstrahl-Proxy auf den Bearbeitungsstrahl-Proxy zu registrieren, kann die Bearbeitungsstrahl-Proxy-Position auf der 2D-Kamera detektiert werden. Das Scanmodul des CI-Systems wird verwendet, um die Position des Bildgebungsstrahls aktiv einzustellen, bis seine Proxy-Position (innerhalb eines akzeptablen Maßes) den Proxy des Bearbeitungsstrahls überlappt. Für den Fall, dass a priori eine spezifische Kalibrierung der Bildgebungsstrahlposition mit dem 2D-Kamerarahmen durchgeführt wurde, so dass Bildgebungsstrahl-Proxy-Positionen auf der Kamera auf CI-Scanmodulpositionen abgebildet werden, kann eine Registrierung des Bildgebungsstrahls mit dem Bearbeitungsstrahl erfolgen, indem die Korrektur aus der Verschiebung zwischen den Bildgebungs- und Bearbeitungsstrahl-Proxys auf der Kamera zurückgerechnet wird.
• Bei dieser Art von Aufbau ermöglichen die optischen Pfade und 2D-Kameraeinstellungen die Detektion sowohl der Bildgebungs- als auch der Bearbeitungsstrahl-Proxys. Ein Bearbeitungsstrahl-Proxy kann, ähnlich wie oben für das System 100 beschrieben wurde, unter Verwendung des nativen Prozessemissions-Kontrastmechanismus eingerichtet werden. Ein Bildgebungsstrahl-Proxy kann eingerichtet werden, indem zumindest eine gewisse Komponente des Bildgebungsstrahllichts verwendet wird, das von der Oberfläche des Werkstücks zurückreflektiert wird. Ähnlich zu dem, was für die Werkstückmaterial- und Geometrieoptimierung für das System 100 unter Verwendung des nativen Prozessemissionen-Kontrastmechanismus beschrieben wurde, können das Werkstückmaterial und die Geometrie ausgewählt werden, um eine bestimmte Menge des zu der 2D-Kamera rückreflektierten Bildgebungsstrahls abzulenken.
• In dem Fall, in dem der optische Weg der Kamera und der optische Weg des CI-Systems gemeinsam genutzt werden, wie in 11 gezeigt wird, kann die Ablenkung eines Teils des rückreflektierten Strahls von dem CI-System zu der Kamera durch einen Strahlteiler erreicht werden. Je nach Spezifikation und Anforderungen des CI-System-Detektors und der Kamera kann das Verhältnis des Teilers (z. B. 50:50 vs. 90:10 vs. 99:1) gerätespezifisch sein. Das Aufteilen des Lichts kann auch unter Verwendung einer polarisierten CI-Lichtquelle und eines Polarisationsstrahlteilers erreicht werden. Andere mögliche Mittel zum Lenken des rückreflektierten Bildgebungsstrahllichts auf die Kamera weisen einen mechanisch einstellbaren Reflektor (z. B. einen Spiegel) auf, um das Licht auf das CI-Messsystem zu richten, wenn es für kohärente Messungen erwünscht ist, und um das Licht auf die Kamera zu richten, wenn es für die Verarbeitung der Strahlregistrierung erwünscht ist.
• In dem Fall, in dem der optische Pfad der Kamera von dem optischen Pfad des CI-Systems getrennt ist (z. B. eine außeraxiale Kamera), können die Werkstückgeometrie und/oder der Materialtyp und/oder die Befestigungsposition absichtlich ausgewählt werden, um eine diffuse Streuung oder abgewinkelte spiegelnde Reflexionen zu induzieren, die darauf abzielen, die Lichtmenge zu erhöhen, die entlang des optischen Pfads der Kamera geleitet wird.
• Die Tatsache, dass sowohl der Bildgebungsstrahl-Proxy als auch der Bearbeitungsstrahl-Proxy auf der 2D-Kamera registriert sind, stellt einige zusätzliche Herausforderungen an die einzelne Detektion. Wenn sich die Registrierung des Bildgebungsstrahls auf den Bearbeitungsstrahl verbessert, beginnen sich die beiden Proxys auf der Kamera zu überlappen und sind möglicherweise nicht einzeln unterscheidbar. Wenn die chromatische Aberration nicht signifikant ist und der Proxy des Bearbeitungsstrahls aus anderen Spektralkomponenten als der Proxy des Bildgebungsstrahls zusammengesetzt ist, dann kann eine einstellbare Spektralfilterung angewendet werden, um jeden Proxy des Strahls auf dem Detektor aufzulösen. Wenn jedoch die chromatische Aberration nicht vernachlässigbar ist oder wenn eine einfachere Implementierung bevorzugt wird, können die beiden Punkte zeitlich aufgelöst werden. 12 zeigt ein Beispiel eines zeitlichen Ausblend-Schemas einer 2D-Kamera, das verwendet wird, um Prozessstrahl-Proxy- und Bildgebungsstrahl-Proxy-Messungen unter Verwendung der 2D-Kamera zu unterscheiden. Wie gezeigt wird, ermöglicht die zeitliche Modulation der Laserleistung (durchgezogene Linie im oberen Diagramm) und der Leistung des Bildgebungsstrahls (gestrichelte Linie im oberen Diagramm) und die Synchronisierung mit 2D-Kamerarahmen, dass Rahmen als Prozessstrahl-Proxy-Rahmen (unteres linkes Diagramm) oder Bildgebungsstrahl-Proxy-Rahmen (unteres rechtes Diagramm) klassifiziert werden.
• Beispielsweise kann der Bearbeitungsstrahl-Proxy zuerst auf der Kamera detektiert werden, indem die CI-Lichtquelle ausgeschaltet oder blockiert wird. Laserprozesse, ähnlich denen, die für das System 100 beschrieben sind, die einen nativen Prozessemissions-Kontrastmechanismus verwenden, können verwendet werden, um den Bearbeitungsstrahl-Proxy auf dem Detektor zu erzeugen. Sobald der Bearbeitungsstrahl-Proxy im Kamerarahmen identifiziert worden ist, wird seine zentrale Pixelposition gespeichert, und der Laserprozess wird gestoppt. Die CI-Lichtquelle wird dann eingeschaltet. Das von dem Werkstück zurückreflektierte Bildgebungsstrahllicht liefert den Bildgebungsstrahl-Proxy auf der Kamera. Das zentrale Pixel des Bildgebungsstrahl-Proxy kann dann aufgezeichnet und mit dem Prozessstrahl-Proxy-Zentrum verglichen werden, um den Registrierungsgrad zu bestimmen. Diese Informationen können dann (wie oben beschrieben) an das CI-System zurückgemeldet werden, um die Kalibrierung weiter zu verbessern.
• In Abhängigkeit von der Bildrate der 2D-Kamera, der Anstiegs-/Abfallzeit des Bearbeitungsstrahls, der Anstiegs-/Abfallzeit der CI-Lichtquelle, und dem Werkstück können die beiden Proxys auch zeitlich aufgelöst werden, indem eine Bearbeitungssequenz mit gepulstem Laser durchgeführt wird. Während eine Mehrfachpulssequenz nicht unbedingt erforderlich ist, um eine Co-Registrierung der zwei Strahl-Proxys durchzuführen, ermöglicht sie die Durchführung einer Rahmenmittelung, um das SNR zu verbessern, das mit der Identifikation des Zentrums jedes Proxys verbunden ist, und eine genauere Messung zu ermöglichen. Die Bildmittelung kann verwendet werden, um Rauschen entgegenzutreten, das aus einer Vielzahl von Quellen resultiert, einschließlich Kameraaufnahmerauschen, Nicht-Idealitäten des Laserprozesses, Unvollkommenheiten der Werkstückoberfläche, niedrige Signalpegel, schlechter Kamerakontrast usw.
• Zusätzlich zum zeitlichen Ausblenden der Verarbeitungs- und Bildgebungsstrahl-Proxy-Signale müssen Systemeinstellungen möglicherweise auch speziell für die Verarbeitung von Strahl-Proxy-Erfassungen, für Bildgebungs-Strahl-Proxy-Erfassungen oder für beides modifiziert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Art der einzelnen Strahlungsquellen ist es wahrscheinlich, dass die Strahlungsintensitätsniveaus bei der Messung jedes Proxys unterschiedlich sein können. Infolgedessen müssen möglicherweise Techniken, wie dynamisches optisches Filtern, Anpassen der Kamerabelichtungszeiten, Anpassen der Verarbeitungsleistung oder Anpassen der Bildgebungsstrahlleistung, angewendet werden, um sicherzustellen, dass die optischen Intensitätsniveaus jedes Proxys innerhalb des messbaren Bereichs des Detektors liegen.
• System 100" mit doppelt ummantelter Faser
• Das in 3 gezeigte System 100" weist ferner eine doppelt ummantelte Faser 330 auf, die verwendet wird, um kohärentes Bildgebungssystemlicht innerhalb ihres Kerns zu übertragen und um Prozessstrahlung innerhalb ihrer Umhüllung zu übertragen. In diesem System 100" wird zumindest ein Fotodetektor 332 verwendet, um Prozessstrahlung von der doppelt ummantelten Faserummantelung zu messen, und Datenverarbeitungshardware (z. B. die CI-Steuerung 156) wird zum Extrahieren von Fotodetektormessungen verwendet. Einzelheiten dieser Konfiguration sind im US-Patent Nr. 10,124,410 beschrieben, das durch Bezugnahme vollständig hierin aufgenommen ist. In den meisten Implementierungen des Systems 100" ist die Lichtquelle des CI-Systems so steuerbar, dass sie angepasst werden kann, um Systemkalibrierungsmessungen zu erleichtern oder nicht zu stören.
• Eine beispielhafte Kalibrierungsmessroutine - eine Prozessstrahlregistrierung - die durch das System 100" ermöglicht wird, ist ähnlich der oben für das System 100 beschriebenen, das einen nativen Prozessemissions-Kontrastmechanismus verwendet. In diesem Beispiel wird der Prozessstrahl-Proxy gemessen, indem Prozessstrahlung gesammelt, durch die innere Ummantelung der doppelt ummantelten Faser übertragen, und auf einem Fotodetektor registriert wird. Im Gegensatz zu dem System 100, das einen nativen Prozessemissions-Kontrastmechanismus verwendet, wird die von dem Detektor des CI-Systems gesammelte Prozessstrahlung nicht für Kalibrierungsmessungen verwendet. Fotodetektormessungen werden mit der Position des Scanmoduls des CI-Systems synchronisiert, um Messungen einem nützlichen Bezugsrahmen des CI-Systems zuzuordnen.
• Chromatische Unterschiede zwischen dem Spektralband des kohärenten Messstrahls und den Spektralkomponenten, die von der inneren Ummantelung gesammelt werden, können zu chromatischen Aberrationen führen, wenn versucht wird, den Bezugsrahmen des Bildgebungssystems mit der Prozessstrahlung zu co-registrieren. Um diese Fehler zu berücksichtigen, können die chromatischen Aberrationseffekte durch Datenverarbeitung korrigiert (z. B. vorab kalibriert, modelliert) oder durch optisches Herausfiltern von Prozessstrahlungs-Spektralkomponenten, die ausreichend weit von dem Messstrahl-Spektralband entfernt sind, negiert werden.
• System 100''' mit darunter positionierter 2D-Kamera
• Das in 4 gezeigte System 100''' weist ferner eine 2D-Kamera 430 auf, die ausreichend nahe an der Arbeitsebene des Prozesses (d. h. der Ebene, die die Werkstückoberfläche enthält) positioniert ist. Das System 100''' weist auch optische Filterelemente (nicht gezeigt) auf, um die Menge und spektrale Komponenten des Lichts zu steuern, das die 2D-Kamera erreicht, und zumindest eine Verarbeitungseinheit (z. B. die CI-Steuerung 156) zum Extrahieren und Analysieren von 2D-Kameramessungen. Die durch die 2D-Kameramessungen detektierten Daten können an die Rückkopplungssteuerung, die für die Implementierung der CI-Systemkalibrierung verantwortlich ist, übertragen werden.
• Eine beispielhafte Kalibrierungsmessroutine - eine Prozessstrahlregistrierung - die durch das System 100''' ermöglicht wird, ist ähnlich der oben für das System 100' beschriebenen, das die 2D-Inline-Kamera aufweist. In diesem Fall ist jedoch die 2D-Kamera 430 an der Arbeitsebene positioniert und wird direkt verwendet, um die Bearbeitungs- und Bildgebungsstrahlen zu detektieren. Die 2D-Kamera 430 weist im Allgemeinen auch eine zusätzliche Filterung auf, um sicherzustellen, dass die Mess- und Bearbeitungsstrahlen ausreichend auf Pegel gedämpft werden, die durch den Detektor gemessen werden können.
• Das System 100''' kann auch zusätzliche Automatisierungshardware und Steuerungen aufweisen, um eine automatische Positionierung der 2D-Kamera 430 an den korrekten Kalibrierungsmesspositionen zu ermöglichen, während eine Kalibrierung durchgeführt wird, und um die 2D-Kamera 430 so zu positionieren, dass sie ausgeschaltet wird, so dass sie nicht im Weg ist, wenn eine Laserbearbeitung durchgeführt wird. In anderen Systemen kann die Positionierung der 2D-Kamera 430 manuell durch einen Systembediener durchgeführt werden.
• Techniken, die denen ähnlich sind, die für das System 100' beschrieben wurden, können verwendet werden, um Messungen und Strahlpositionen auf der Kamera 430 zu synchronisieren, damit jeder Strahltyp unterschieden werden kann. In vielen Fällen ist eine weitere Synchronisation der Leistungsniveaus der Verarbeitungsquelle und der Bildgebungslichtquelle wünschenswert, um Messwerte im Bereich des Detektors zu erzielen (d. h. über dem Detektorrauschen und unter seinem Sättigungswert).
• In einigen Fällen ist es möglicherweise nicht möglich, die Leistung der Verarbeitungsquelle auf ein ausreichend niedriges Niveau zu reduzieren, damit sie von dem Detektor gemessen werden kann. Um dies zu berücksichtigen, können einige Systeme das Streulicht der Quellenpumpe anstelle des Betriebsstrahls verwenden. In anderen Systemen können zusätzliche optische Strahlabtastkomponenten verwendet werden, um die Intensität des Bearbeitungsstrahls zu reduzieren, bevor er den Detektor erreicht. Einige Systeme können ferner eine Kalibrierungslichtquelle aufweisen, die ähnliche spektrale Qualitäten wie die Verarbeitungsquelle hat, aber mit wesentlich niedrigeren Ausgangsleistungen, die im Wesentlichen entlang des optischen Wegs des Bearbeitungsstrahls gerichtet werden können. Diese Kalibrierlichtquelle kann als Proxy bzw. stellvertretend für die Prozessstrahlquelle für 2D-Kameramessungen verwendet werden. Während die Leistungsniveaus der Bildgebungslichtquelle im Allgemeinen ausreichend weit reduziert werden können, um detektiert zu werden, können die gleichen Techniken auch auf den Bildgebungsstrahl angewendet werden.
• In weiteren Ausführungsformen kann eine Kombination eines beliebigen der obigen Systeme 100, 100', 100'', 100''' nützlich sein, um unterschiedliche Detektionskontrastmechanismen zu erreichen, da unterschiedliche Techniken für bestimmte Arten von Registrierungsverfahren und Laserverfahren besser geeignet sein können.
• Kalibrierungsarten
• Verschiedene Arten von Kalibrierungen können unter Verwendung der oben beschriebenen Systeme durchgeführt werden, um unterschiedliche Arten von Laserbearbeitungsanwendungen zu unterstützen. Die hierin beschriebenen Beispiele sind nicht einschränkende Beispiele, die üblicherweise bei Laserschweißanwendungen angetroffen werden. Während diese Beispiele im Kontext des Laserschweißens beschrieben werden, können solche Beispiele und Registrierungsprozesse auf andere Formen des Energiestrahlschweißens und andere Laserbearbeitungsanwendungen ausgedehnt werden.
• Im Allgemeinen können Kalibrierungsmessungen durch das System in Abwesenheit von A-priori-Eingaben in den Kalibrierungsprozess durchgeführt werden. In einigen Fällen können jedoch A-priori-Informationen nützlich sein, um die Kalibrierungszeit zu reduzieren und die Kalibrierungsgenauigkeit zu erhöhen. A-priori-Informationen können in Form von einem oder mehreren des Folgenden vorliegen: eine Standardkalibrierung, zusammengestellt aus einer Reihe früherer Kalibrierungsmessungen desselben Typs an ähnlichen Subsystemen; frühere Kalibrierungsmessungen für dasselbe Subsystem; und Ausgaben von optischen Modellen oder Simulationen, wie jene, die von Computersoftware für optische Simulationen, wie etwa Zemax Optical Design, verwendet werden.
• Für einige Anwendungen können A-priori-Informationen verwendet werden, um eine ausreichende Kalibrierung zu erreichen, aber in den meisten Anwendungen werden A-priori-Informationen verwendet, um die Kalibrierungsroutine des Messsystems zu ergänzen.
• Statische Kalibrierung
• Die obigen Systeme können verwendet werden, um statische (d. h. nicht prozessspezifische) Kalibrierungsmessungen durchzuführen. Solche Messungen werden typischerweise durchgeführt, wenn ein CI-Messsystem zum ersten Mal in eine Laserbearbeitungsstation integriert wird oder wenn Modifizierungen an der CI-Zuführungsoptik und/oder der Prozessstrahl-Zuführungsoptik durchgeführt werden. Für Anwendungen mit hochpräzisen Kalibrierungsanforderungen (z. B. Einzelmoden-Laserbearbeitung) können solche Kalibrierungen häufiger durchgeführt werden, um Toleranzbeschränkungen der Ausrüstung, Temperaturdrift, Umgebungsschwankungen, mechanische Schwingungen, dynamische Kräfte während der Bearbeitung, usw. auszugleichen. Durch Kommunikation mit dem Prozessmaster und/oder externer Ausrüstung können eine oder mehrere dieser statischen Kalibrierungen im Kontext mit der Verwendung des Systems in der Serienproduktion durchgeführt werden.
• Eine oder mehrere statische Kalibrierungsprozeduren können auch periodisch, nach einer bestimmten Schwelle fehlgeschlagener Qualitätsmessungen, nach Temperaturänderungen, nach einer Wartung, oder nachdem eines oder mehrere Teile des Bearbeitungssystems von dem System ersetzt wurden, an den Werkstücken durchgeführt werden. Da der verfügbare Platz auf den Werkstücken in der Nähe der Kalibrierungsmarkierungen eine geometrische Komplexität aufweisen kann, weisen einige Ausführungsformen die Fähigkeit auf, einen Teil der abgetasteten Bilddaten zu unterdrücken, so dass diese Bereiche die Kontrastdetektionsalgorithmen nicht fälschlicherweise anziehen und verwirren. In Fällen, in denen mehrere Kalibrierungsverfahren durchgeführt werden, können diese Ergebnisse gemittelt und ihre Verteilungen analysiert werden, um zu bestimmen, ob die Registrierung der Prozess- und Messstrahlen wahrscheinlich korrekt ist. Wenn beispielsweise die Breite der Messwertverteilung gleich oder größer als die erwartete Größe des Prozessstrahls am Werkstück ist, dann ist die Registrierung wahrscheinlich nicht sehr gut. Wenn die Verteilung der Messwerte jedoch viel kleiner als dieser Wert ist, sind die Chancen für eine gute Registrierung hoch.
• Die folgenden Beispiele werden zunächst im Zusammenhang mit der Kalibrierung beschrieben. Zusätzliche Unterbeispiele werden verwendet, um zu veranschaulichen, wie die oben beschriebenen Systeme/Kontrastmechanismen eingesetzt werden können, um eine solche Kalibrierung durchzuführen. Obwohl hierin nur wenige ausgewählte Unterbeispiele beschrieben werden, können die oben beschriebenen Systeme und Kontrastmechanismen in anderen Unterbeispielen verwendet werden, die hierin nicht ausdrücklich beschrieben sind. Die spezifischen Kalibrierungen können unter Verwendung von Ausführungsformen der oben beschriebenen Systeme und Kontrastmechanismen erreicht werden.
• Prozessstrahl/Werkstück-Bezugsrahmenregistrierung
• Bei der CI-Systemintegration mit Laserköpfen stellt eine Prozessstrahlausrichtung/- registrierung einen sinnvollen Ursprung für den Bezugsrahmen des CI-Systemscanmoduls bereit. Der Hardwareursprung (elektrischer/mechanischer Bezugsrahmenursprung) des Scanmoduls des Bildgebungssystems fällt ohne Kalibrierung oder Ausrichtung natürlich nicht mit dem Zentrum des Prozessstrahls zusammen. Somit ist eine Registrierungsmessung des Zentrums des Prozessstrahls vorteilhaft, um den Ursprung des Scanmoduls des Bildgebungssystems mit dem Zentrum des Prozessstrahls auszurichten. Wie durch die in 13 gezeigte Bildgebungssystem-Bezugsrahmenausrichtung veranschaulicht wird, können Kalibrierungen verwendet werden, um den Bezugsrahmen des CI-Systems (Bildgebungssystemrahmen) auf den Prozessstrahl/Werkstück-Bezugsrahmen (Kopf-Bezugsrahmen) auszurichten.
• Die Messung des Prozessstrahlzentrums im XY-Rahmen des Bildgebungssystem-Scanmoduls liefert die XY-Korrektur für das Bildgebungssystem, um seinen Bezugsrahmen um den Prozessstrahlursprung zu zentrieren. Ähnliche Kalibrierungen können verwendet werden, um die XY-Orientierung des Bildgebungssystem-Scanmoduls mit der XY-Orientierung des Werkstücks/Kopfs auszurichten und eine Skalierungskalibrierung bereitzustellen, um die XY-Skalen des Bildgebungssystem-Scanmoduls an die XY-Skalen des Werkstücks/Kopfs anzupassen.
• Die Detektion des Zentrums des Prozessstrahls kann durch einen oder mehrere der oben beschriebenen Proxy- und Kontrastmechanismen erreicht werden (z. B. Prozessstrahlung, Abgrenzung der Werkstückoberfläche und anschließende auf der optischen Pfadlänge basierende Erfassung, Abgrenzung der Werkstückoberfläche und anschließende zurückreflektierte Strahlintensität, usw.). Die anschließende Detektion des Prozessstrahlzentrums kann mit einem oder mehreren der oben beschriebenen Sensoren durchgeführt werden. Die nachstehenden Beispiele veranschaulichen mögliche Implementierungen des Prozesses zum Ausrichten des Zentrums des Prozessstrahls, aber es sind viele andere Variationen möglich.
• In einer Implementierung wird der Prozessstrahl dazu verwendet, ein kleines Merkmal auf einem unter dem Kopf positionierten Werkstück zu markieren. Das Merkmal ist klein genug markiert, so dass sein Schwerpunkt innerhalb einer akzeptablen Toleranz (z. B. ±10-20 µm) lokalisieren sein kann, aber groß genug, um eine Verzerrung der Oberfläche des Teils zu produzieren (z. B. eine Höhenverformung, eine Änderung des Oberflächenreflexionsvermögens, eine Polarisationsänderung usw.), die von dem Kohärenzmesssystem detektiert werden kann. Eine Verzerrung, bei der die maximale oder minimale Verzerrung mit dem Zentrum des Bearbeitungsstrahls zusammenfällt, ist im Allgemeinen wünschenswert - beispielsweise ein Laserablationsprozess, bei dem das resultierende Loch eine maximale Tiefe hat, die mit dem Zentrum des Bearbeitungsstrahls zusammenfällt. Andere Lasermarkierungen und/oder Schweißpunkte können ebenfalls verwendet werden. Zu den Materialien für diese Kalibrierung gehören eloxiertes Aluminium, Aluminium, Stahl, Edelstahl, Kupfer, vernickeltes Kupfer, und andere allgemein erhältliche Metalle. Polymere und Graphit können ebenfalls verwendet werden. Insbesondere Graphit ist vorteilhaft, da es bei normalen atmosphärischen Drücken keine flüssige Phase aufweist. Dies bedeutet, dass die Grenze der Lasermarkierung wahrscheinlich klar definiert ist und mit Bildverarbeitungsalgorithmen leicht segmentiert werden kann. In einer Ausführungsform ist das markierte Material das Produkt, das auf der Zelle hergestellt wird, was eine Echtzeit-Neukalibrierung und/oder Verifizierung der Strahl-Co-Registrierung in der Produktion ermöglicht.
• Das Scanmodul des Bildgebungssystems bewegt den Bildpunkt in einem definierten Abtastmuster über das Werkstück, und die gewünschte Messgröße (z. B. Tiefe, Intensität usw.) wird an jedem Ort aufgezeichnet. Das Zentrum des Prozessstrahls wird als Bildpunktposition innerhalb des Bezugsrahmens des Scanmoduls mit dem Zielsignalwert (z. B. einem lokalen Maximum oder Minimum) identifiziert. Zusätzliche Datenverarbeitungstechniken, wie z. B. Anpassen, Mitteln und Filtern, können ebenfalls verwendet werden, um die Detektionsgenauigkeit zu verbessern.
• Eine spezifische Implementierung dieses Prozesses weist zwei Messerfassungen des Kalibrierungsziels auf - eine vor der Laserpunktbearbeitung und eine nach der Laserbearbeitung. Die Vor-Abfeuerung-Erfassung wird von einem unverarbeiteten Kalibrierungsziel oder einem unverarbeiteten Bereich eines Kalibrierungsziels erhalten. Die Nach-Abfeuerung-Erfassung wird nach dem Durchführen einer Laserbearbeitung detektiert, um ein Merkmal auf dem Ziel zu erzeugen. Dieser Prozess kann ein Prozess vom Markierungstyp oder ein Prozess vom abtragenden Typ sein. Beispielhafte Laserbearbeitungsparameter weisen auf: einen 3-ms-600-W-Puls, der mit einem Dauerstrich-Einzel-Moden-Laser erzeugt wird; und ein 2-ms-2000-W-Puls mit einem Dauerstrich-Multimoden-Laser. Materialarten von Kalibrierungszielen sind oben beschrieben. Jede Erfassung ist ein 4D-Datensatz, der die zurückreflektierte Intensität als eine Funktion der 3D-Position im Raum darstellt, und wird erhalten, indem kohärente Messungen durchgeführt werden, während der Bildgebungsstrahl über ein rechteckiges Rastermuster geführt wird. Die absolute Differenz zwischen den Erfassungen wird berechnet. Eine Reihe von Bildverarbeitungsoperationen (z. B. Intensitätsschwellenwertbildung, Konturberechnung, und Berechnung der konvexen Hülle) wird dann durchgeführt, um den Bildkontrast zu erhöhen und Merkmalspunkte zu detektieren.
• Ein hierarchisches Filterschema, bei dem jede nachfolgende Stufe weniger Datenpunkte als die vorherige hat, wird verwendet, um die Daten zu bereinigen. Dieses Schema ist in Vorverarbeitungs-, Merkmalspunktextraktions- und geometrische Fitting-Stufen unterteilt. In der Vorverarbeitungsphase werden Techniken zur Rauschunterdrückung des nächsten Nachbarn und Bildintensitätsschwellenwerte verwendet, um den größten und sichtbarsten Intensitäts-Blob in den detektierten Daten zu extrahieren. Die Extraktionsstufe der Merkmalspunkte hängt von der Blob-Approximation und der Berechnung der konvexen Hülle ab, um die Merkmalspunkte in dem extrahierten Intensitäts-Blob aus der vorherigen Stufe zu berechnen. Die Stufe des geometrischen Fits fittet einen Kreis an die extrahierten Merkmalspunkte an - ein Begrenzungsrahmen und ein eingeschlossener Mindestkreis werden für die in der vorherigen Stufe extrahierten Merkmalspunkte berechnet. Die Ausgaben des geometrischen Fits werden verwendet, um die Proxyposition des Prozessstrahls zu bestimmen und die Genauigkeit des Algorithmus zu bewerten. Der Fit-Schwerpunkt wird als Proxy-Ort des Prozessstrahls zugewiesen. Der Fit-Radius wird verwendet, um die Genauigkeit des Fits durch Vergleich mit einem erwarteten Bereich von Werten zu bestimmen, der durch die Spotgröße des Bearbeitungsstrahls und Prozessparameter bestimmt wird.
• Unterschiedliche Abtastmuster und Suchoptimierungsstrategien können durchgeführt werden, um die Detektionsgeschwindigkeit und -genauigkeit zu verbessern, wie in 7 gezeigt wird. Einfache Abtastmuster weisen rechteckige Gitter, kreisförmige Gitter, spiralförmige Gitter, rechteckiges Rasterabtasten, spiralförmiges Abtasten, und Fadenkreuz-Abtastmuster auf. Eine komplexere Suche kann einen iterativen Ansatz mit zunehmend feineren Suchpositionen, komplexere Suchstrategien, einschließlich Random Walk, die Verwendung von A-priori-Messungen, und die Verwendung von Modellen aufweisen.
• Eingaben in die Kalibrierungsroutine können Beispielsweise eine optische Modellierung der nominalen Prozessstrahl- und Bildgebungsstrahlengänge durch den Laserkopf, eine Sammlung früherer Kalibrierungspunktwerte, und/oder eine Sammlung ähnlicher Kalibrierungspunktwerte beinhalten. Diese Eingaben können verwendet werden, um einen Startpunkt bereitzustellen, um den herum die oben umrissenen Kalibrierungsabtastmuster zentriert werden. Ein genauerer Startmittelpunkt kann weniger Messiterationen beinhalten, um das gleiche Maß an Kalibrierungsgenauigkeit zu erreichen. Ein konkreteres Beispiel beinhaltet die Verwendung rechnerischer optischer Modelle, um einen Bildgebungsstrahl-Korrekturvektor zu produzieren, um den Bildgebungsstrahl auf den Bearbeitungsstrahl nahe der Werkstückoberfläche für die nominale optische Konfiguration auszurichten. Eine Reihe von Korrekturvektoren kann für unterschiedliche optische Konfigurationen erzeugt werden, wie etwa Abtastspiegelwinkel in einem Laserscankopf oder unterschiedliche Defokussierungspositionen. Der Korrekturvektor wird von dem Messsystem während seiner Kalibrierungsroutine verwendet, um ein rechteckiges Rasterabtastmuster um die nominale korrigierte Position (d. h. die aus dem rechnerischen optischen Modell produzierte) zu zentrieren. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass sich der Kalibrierungs-Proxy innerhalb des Scan-Sichtfelds der Kalibrierungsmessung befindet, wodurch die Notwendigkeit von Suchroutinen und iterativen Messungen für dieselbe Systemkalibrierung reduziert wird.
• In einer anderen Implementierung wird der Prozessstrahl verwendet, um durch Erwärmen eine Schwarzkörper-Strahlungsquelle auf der Oberfläche des Werkstücks zu erzeugen. Die Strahlungsquelle ist am häufigsten ein Schwarzkörper-Emitter, aber in einigen Implementierungen könnte es sich um ein Plasma handeln, das durch den Prozess erzeugt wird. Durch sorgfältige Auswahl der Prozessparameter ist es möglich, eine Strahlungsquelle auf der Materialoberfläche zu erzeugen, ohne das Material selbst erheblich zu beschädigen. Ein solches Verfahren kann für die Wiederverwendung des Ziels bzw. Targets und die Detektionsgenauigkeit vorteilhaft sein, und kann sogar ermöglichen, dass Produktionsteile für das Verfahren verwendet werden. Die Verwendung von Produktionsteilen als Kalibrierungsziel kann eine reduzierte Ausfallzeit auf Produktionslinien mit hohem Durchsatz ermöglichen und kann häufigere Neukalibrierungen ermöglichen. Da die Schwarzkörperquelle hauptsächlich durch Energieabsorption und -leitung in die Masse des Materials vermittelt wird, sollte ihre scheinbare Position extrem stabil und symmetrisch um das Zentrum des Prozessstrahls sein. Dies kann eine sehr genaue und wiederholbare Registrierung der Strahlen bereitstellen.
• Von der Quelle produzierte Strahlung kann, wie oben beschrieben, unter direkter Verwendung der Optik des kohärenten Messsystems (z. B. das in 1 gezeigte System 100), unter Verwendung des Mantels einer doppelt ummantelten Faser in Kombination mit einer Fotodiode (z. B. das in 3 gezeigte System 100"), einer 2D-Inline-Kamera (z. B. das in 2 gezeigte System 100') oder irgendeiner Kombination davon aufgenommen werden. Im Falle der direkten kohärenten Messsystemdetektion oder der doppelt ummantelten Faserdetektion wird der Messspot in einem Abtastmuster bewegt, wie oben beschrieben, und die detektierte Intensität wird an jeder Position aufgezeichnet. Die der maximalen Intensität zugeordnete Scanposition (oder ein ähnliches hervorstechendes Merkmal, z. B. das Zentrum der Signalmasse) wird als Prozessstrahlursprung identifiziert. Auf die Prozessstrahlung kann vor der Detektion eine Spektralfilterung angewendet werden, um die Genauigkeit zu verbessern.
• Ein Beispiel von Prozessstrahlungsmessungen, die direkt durch das kohärente Messsystem während einer Zeilenabtastung entlang einer der Scanmodulachsen des Bildgebungssystems aufgezeichnet werden, ist in 14 gezeigt. Der Prozessstrahlungs-Zeilenscan-Fit in 14 veranschaulicht die von dem System 100 aufgezeichneten Prozessstrahlungsmessungen (linke Kurve) und die Datenverarbeitungsoperationen (rechte Kurve). Das linke Diagramm zeigt die Strahlungsintensitätsmessungen als Funktion der Messposition des Bildgebungssystems entlang seiner Suchachse. Das rechte Diagramm zeigt das Ergebnis zusätzlicher Datenverarbeitungs- und Fitting-Algorithmen, wie z. B. Rauschunterdrückung und Kurvenfit, um den Schwerpunkt zu finden. In diesem Fall ist der Fit-Schwerpunkt repräsentativ für die Position des Zentrums des Prozessstrahls entlang der Scanachse des CI-Systems. Hier wurde die Distanzskala der Scanachse so angepasst, dass die Nullposition dem Zentrum des Fits entspricht, um eine korrigierte CI-Strahlposition zu veranschaulichen.
• Bei der 2D-Inline-Kamera wird Prozessstrahlung auf der Kamera detektiert. Der zurückreflektierte Bildgebungsstrahl kann gleichzeitig oder anschließend in der Kamera aufgezeichnet werden (siehe 10). Ein möglicher Ablauf einer solchen Detektion wird oben ausführlicher beschrieben. Wenn die Inline-Kamera bereits auf das Bildgebungssystem kalibriert wurde, kann die Korrektur der Bildgebungsstrahlposition verwendet werden, um die Korrekturen des Bildgebungsstrahl-Scanmoduls direkt zu berechnen. Wenn jedoch keine solche Kalibrierung durchgeführt wurde, können zusätzliche Erfassungen des zurückreflektierten Bildgebungsstrahls an unterschiedlichen Bildgebungsstrahlpositionen (wie von dem Scanmodul vorgegeben) durchgeführt werden, bis der Bildgebungsstrahl-Positionierungsfehler (relativ zu dem Zentrum des Prozessstrahls auf der Kamera) ausreichend minimiert wurde. Zusätzliche Datenverarbeitung und spektrale Filterung können ebenfalls angewendet werden, um die Leistung zu verbessern.
• In vielen Implementierungen wird die Position des Zentrums des Prozessstrahls automatisch oder mit minimaler Benutzereingabe detektiert und als allgemeine Systemkalibrierung gespeichert.
• Ähnliche Techniken können verwendet werden, um die Skalierung und Rotation des CI-Systems relativ zu einem bequemeren Bezugsrahmen, wie etwa dem Laserkopfrahmen, dem Werkstückrahmen oder einem Weltrahmen zu identifizieren und zu kalibrieren. Während Skalierung und Rotation die primären Korrekturtransformationen sind, die von einem CI-System verwendet werden, können zusätzliche Transformationen, wie etwa Reflexions- und Verzerrungskorrekturen, wünschenswert sein, um die Positionierungsgenauigkeit des Messsystems zu verbessern. Aspekte dieser Kalibrierungsmessungen können ermöglichen, dass derselbe Kalibrierungsprozess verwendet wird, um mehrere Transformationskorrekturen für das CI-System zu identifizieren. Diese Kalibrierungsmessungen vom Transformationstyp können jedoch auch unabhängig durchgeführt werden.
• Transformationskalibrierungen sind aufgrund der geometrischen Natur des Problems im Allgemeinen komplizierter als eine Prozessstrahlursprungskalibrierung. Sie beinhalten oft das Erstellen von mehr als einem Merkmal auf dem Werkstück (oder unter dem Laserkopf), wie z. B. eine Markierung oder einen Strahlungsemitter auf einem Kalibrierungsziel/Werkstück. Um beispielsweise einen Skalierungsfaktor zu bestimmen, werden im Bezugsrahmen zwei Merkmale mit bekannter Distanz angelegt, auf die das CI-System ausgerichtet werden soll. Die Merkmale werden im Bezugsrahmen des CI-Systems identifiziert, und die Trennungsdistanz zwischen den Merkmalen im CI-Rahmen wird bestimmt. Das Verhältnis der CI-Bezugsrahmendistanz zu der Zielbezugsrahmendistanz wird verwendet, um den Korrekturskalierungsfaktor des CI-Systems zu bestimmen.
• Dieselben identifizierten Merkmale können verwendet werden, um die für das CI-System gewünschte Rotationskorrektur zu bestimmen. Wenn die Merkmale in Bezug auf eine bekannte Achse oder einen Satz von Achsen in dem Zielbezugsrahmen markiert sind, können die Merkmalspositionen relativ zu bestimmten Achsen in dem Bezugsrahmen des CI-Systems verwendet werden, um die Rotation zum Ausrichten der beiden Bezugsrahmen zu berechnen.
• Für diese Arten von Kalibrierungsprozessen kann eine Synchronisierung mit der Laserquelle und/oder -zelle (z. B. durch Standardkommunikationsprotokolle, oder indirekt über einen Zellenbetreiber) vorteilhaft sein.
• Die obigen Verfahren können erweitert werden, um eine komplexere Merkmalserzeugung einzuschließen, um Bezugsrahmenverzerrungen und -reflexionen zu berücksichtigen - beispielsweise durch Erzeugen von Merkmalen mit deutlicher Asymmetrie um mehrere Achsen in dem Zielbezugsrahmen.
• In einigen optischen Pfadkonfigurationen des CI-Systems können mehrere Transformationskorrekturfaktoren ähnlichen Typs (z. B. mehrere Skalierungsfaktoren) verwendet werden, um zu berücksichtigen: mehrere Achsen (nicht notwendigerweise orthogonal) im Bezugsrahmen des CI-Systems; mehrere Achsen (nicht notwendigerweise orthogonal) im Zielbezugsrahmen; eine optische Verzerrung im Strahlpfad des CI-Systems (z. B. optische Verzerrungen im Zusammenhang mit dem CI-Scanmodul); eine optische Verzerrung im Laserkopf-Strahlpfad (z. B. Linsenverzerrungen in einem Scankopf); unterschiedliche Geometrien im Zielbezugsrahmen (z. B. zylindrische gegenüber sphärischen gegenüber planaren Oberflächen); und Verfolgungsfehler des CI-Scan-Moduls.
• Das Scanmodul des CI-Systems wird verwendet, um den Bildgebungsstrahl relativ zu dem Zielbezugsrahmen zu positionieren und abzutasten. Das Abtasten wird durch optische Vorrichtungen ermöglicht, die Trägheits- und endlichen Beschleunigungs- und/oder Anstiegsratenbeschränkungen unterliegen. Als Ergebnis hinkt die wahre Position des Bildgebungsstrahls der Soll-Position um einen Verfolgungsfehler hinterher. In einer einfachen Form manifestiert sich der Verfolgungsfehler als eine konstante Zeitverzögerung (z. B. 0,1 ms) der Bildgebungsstrahlposition hinter der Soll-Position. Häufig folgt der Verfolgungsfehler einer komplexeren Systemreaktion, und oft hängt er von den Eingabetreiberbefehlen selbst ab.
• Die hierin vorgestellten Beispiele veranschaulichen die einfachste Form des Verfolgungsfehlers, aber die skizzierten Techniken können erweitert werden, um komplexere Modelle des Verfolgungsfehlers zu identifizieren und zu korrigieren. Durch Erstellen eines Merkmals oder von Merkmalen in dem Zielbezugsrahmen (z. B. eine Höhenmarkierung oder einen Prozessstrahlungsemitter) und Anweisen des Scanmoduls des CI-Systems, das Merkmal in unterschiedlichen Richtungen und entlang unterschiedlicher Achsen zu abtasten, kann der Verfolgungsfehler bestimmt werden.
• 15 veranschaulicht den Unterschied in der Positionierung im Zielbezugsrahmen, wenn der Verfolgungsfehler korrekt berücksichtigt wird, im Vergleich zu einer inkorrekten Berücksichtigung. Insbesondere das in 15 gezeigte Verfolgungsfehlerschema hebt den Unterschied zwischen der Soll-Bildgebungsstrahlposition und der tatsächlichen Messstrahlposition mit korrekten und inkorrekten Verfolgungsfehlern hervor, wenn in entgegengesetzten Richtungen abgetastet wird. Der Fall eines inkorrekten Verfolgungsfehlers zeigt, wie die Distanz zwischen einem statischen Merkmal, das beim Abtasten in eine Richtung gemessen wurde, im Vergleich zu der anderen verwendet werden kann, um die Verfolgungsfehler-Distanz zu berechnen. Bei korrekter Kalibrierung produzieren Scans über die Orte im Zielbezugsrahmen unabhängig von der Scanrichtung dasselbe Messsignal. Bei inkorrekter Kalibrierung ist die im Zielbezugsrahmen abgetastete tatsächliche Position relativ zur Soll-Position in demselben Bezugsrahmen systematisch versetzt. Obwohl das Beispiel in 15 die wahre Position zeigt, die hinter der Soll-Position zurückbleibt, ist es möglich, dass für bestimmte Arten von inkorrekten Verfolgungsfehlern die wahre Position der Soll-Position vorauseilen kann.
• Mit dem korrekten Typ des Ziels und Abtastmuster des Bildgebungssystems ist ein inkorrekter Verfolgungsfehler bei der Messung des Merkmals des Zielbezugssystems des Bildgebungssystems (oder Hilfssystems) identifizierbar, wie in 16 gezeigt wird. Insbesondere zeigt 16 beispielhafte Signalmessungen, die erhalten wurden, während ein statisches Merkmal in zwei entgegengesetzten Richtungen unter Verwendung eines korrekten Verfolgungsfehlers (oben) und eines inkorrekten Verfolgungsfehlers (unten) abgetastet wurde. Wie gezeigt, produziert das Abtasten in einer Richtung ein Spitzensignal, wie z. B. dasjenige, das mit der Spitzenemissionsintensität von einem Prozessstrahlungsemitter verbunden ist, an einer Position/Zeit im Abtastpfad des CI-Systems, während dasselbe Muster, das über dasselbe Merkmal in der entgegengesetzten Richtung abgetastet wird, eine Spitze an einer anderen Position/Zeit im Abtastpfad des CI-Systems produziert. Aus der Zeit-/Positionsdifferenz im Abtastpfad wird der Verfolgungsfehler bestimmt. In einigen Fällen wird dieser Unterschied in Kombination mit zusätzlichem Wissen oder Modellierung des Scanmoduls oder anderen CI-Systemkalibrierungen verwendet, um den Verfolgungsfehler zu bestimmen.
• Wie zuvor festgestellt, ist es möglich, dass der Verfolgungsfehler von Aspekten der Treiberbefehle abhängt. Beispiele solcher Abhängigkeiten können eine Befehlsgeschwindigkeit, eine Befehlsverschiebung, und eine Scanmodulachse aufweisen. Um die Genauigkeit des CI-Systems zu verbessern, können mehrere Verfolgungsfehler-Kalibrierungen unter unterschiedlichen Eingabebedingungen durchgeführt werden.
• In ähnlicher Weise können das CI-System und in einigen Fällen seine Hilfssensoren (relativ zu ihren Messbetriebsbedingungen) modifiziert werden, um Verfolgungsfehler-Kalibrierungsmessungen richtig zu detektieren, um die Kalibrierungsmesssignale zu sammeln. Beispielsweise kann die Integrationszeit des Detektors des CI-Systems verlängert werden, oder es kann eine zusätzliche Mittelung der Messung durchgeführt werden, um ein besseres SNR des Prozessstrahlungsemitters zu erzielen. Zur Erzeugung solcher Signale können auch spezielle Laserverfahren eingesetzt werden.
• Es kann ausreichend sein, die Verfolgungsfehler-Kalibrierung des CI-Scanmoduls nur während der Produktion des CI-Systems durchzuführen. Für eine verbesserte Messgenauigkeit können jedoch Verfolgungsfehler-Kalibrierungen bei der Endanwendung durchgeführt werden.
• Langzeitdrift des CI-Scanmoduls
• Technische Toleranzen können zu einer Langzeitdrift des Scanmoduls des CI-Systems führen, wobei sich die Kalibrierungsgenauigkeit (z. B. der Registrierung des Zielbezugsrahmens, des Verfolgungsfehlers, usw.) mit der Zeit verschlechtert. Veränderte Umgebungsbedingungen, wie z. B. die Temperatur, können den Prozess beschleunigen.
• Um einer Langzeitdrift entgegenzutreten und eine ausreichende Positionierungsgenauigkeit des Scanmoduls sicherzustellen, können die oben beschriebenen Arten von Scanmodulkalibrierungen periodisch durchgeführt werden. Ein kohärentes Messsystem, das die aktualisierten Korrekturen automatisch erkennen und implementieren kann, bringt dem Endbenutzer große Vorteile. Die Automatisierung und Synchronisierung des Bildgebungssystems mit der Laserbearbeitungszelle vereinfacht die Neukalibrierungssequenz weiter, so dass die Erzeugung und Detektion der Messung automatisch (oder halbautomatisch) durchgeführt werden kann.
• Scanfeldkorrekturen
• Bei Laserköpfen mit feststehender Optik kann eine einzelne Prozessstrahl-/Werkstück-Referenzursprungsregistrierung ausreichend sein, da die Prozessstrahlposition relativ zu dem Laserkopf fest ist. Weitere Erweiterungen bei Implementierungen fester Optiken können jedoch mehrere Co-Registrierungen für unterschiedliche Defokussierungspositionen beinhalten (z. B. unterschiedliche Ebenen relativ zu der Fokalebene des Kopfes).
• Komplikationen für den Co-Registrierungs-Kalibrierungsprozess entstehen, wenn der Laserkopf Strahlabtastoptiken beinhaltet. Scanoptiken ermöglichen es, den Fokus des Bearbeitungslaserstrahls relativ zum Laserkopf zu bewegen. Beispiele von Laserabtastköpfen weisen den 2D-Hochleistungsscanner und den 3D-Hochleistungsscanner, die von IPG Photonics Corporation erhältlich sind, auf, sind aber nicht darauf beschränkt.
• In solchen Scanner-basierten Implementierungen kann der Bezugsrahmen des Bildgebungssystems mit der Prozessstrahlposition (und dem Bezugsrahmen) an mehreren Stellen über das Laserkopf-Scanfeld hinweg registriert werden. Bei einigen Anwendungen können Registrierungsanforderungen gelockert werden, indem der effektive Arbeitsbereich (oder das Volumen) des Scanfelds eingeschränkt wird. In ähnlicher Weise sind bei Anwendungen mit reduzierten Anforderungen an die Registrierungsgenauigkeit Kalibrierungen an mehreren Stellen innerhalb des Scanfelds möglicherweise nicht erforderlich.
• Es gibt jedoch Anwendungen und Scankopfhardware, bei denen eine solche zusätzliche Registrierung wünschenswert oder vorteilhaft sein kann. Beispielhafte Anwendungen weisen Einzelmoden-Laserbearbeitungsanwendungen auf, wie etwa Stichlochschweißen von Elektromobilitätskomponenten, bei denen der auf der Werkstückoberfläche durch den Einzelmodenstrahl mit schmalem Durchmesser erzeugte Phasenänderungsbereich im Verhältnis zu den Co-Registrierungsfehlern des Messsystems an unterschiedlichen Stellen im Scanfeld klein ist. Bei solchen Anwendungen kann ein Mangel an zusätzlichen Kalibrierungspunkten dazu führen, dass die Messung in einem oder mehreren Bereichen innerhalb des Scanfelds außerhalb des Ziels liegt. Relevante Positionierungsskalen für einige Anwendungen können in der Größenordnung von einigen Mikrometern bis zu einigen zehn Mikrometern liegen.
• Beispielhafte Hardwarebereitstellungen, bei denen eine zusätzliche Co-Registrierung wünschenswert oder vorteilhaft sein kann, weisen Systeme auf, bei denen sich das Messspektralband von dem Bearbeitungsstrahl-Spektralband unterscheidet. In solchen Systemen bewirken chromatische Aberrationen, die durch verschiedene optische Komponenten innerhalb des Kopfes induziert werden, dass der Messspot von der Fokusposition des Bearbeitungsstrahls für unterschiedliche Positionen innerhalb des Scanfeldes um unterschiedliche Beträge abweicht. Eine solche Abweichung kann groß genug sein, um zu bewirken, dass Messungen an inkorrekten Positionen relativ zu dem Phasenänderungsbereich oder bestimmten Merkmalen auf dem Werkstück vorgenommen werden.
• Ein Beispiel der Arten von Korrekturen, die auf die Positionierungsbefehle des Bildgebungssystem-Scanmoduls angewendet werden können, als eine Funktion der Scanfeldposition, um optische Verzerrungen in einem Laserscankopf zu korrigieren, ist in 17 gezeigt. Dieses Beispiel veranschaulicht die Arten von 2D-Korrekturen, die für einen 2D-Scankopf verwendet werden können. Analoge 3D-Korrekturen können verwendet werden, um 3D-Scan-Köpfe zu korrigieren.
• Zusätzlich zu Scanfeld-Co-Registrierungsfehlern, die sich aus chromatischen Effekten ergeben, können an unterschiedlichen Stellen im Scanfeld Co-Registrierungsfehler aus anderen optischen und geometrischen Effekten entstehen. Beispielsweise kann eine Fehlausrichtung des Strahlpfads des CI-Messsystems und des Strahlpfads des Verarbeitungslasers durch den Laserkopf zu ähnlichen Fehlern bei der Co-Registrierung des Scanfelds führen. Hitzeeinwirkungen auf den Kopf, wie z. B. thermische Linsenbildung, können auch Co-Registrierungsfehler produzieren.
• Je nach System und Anwendung kann eine allgemeine Kalibrierung über das gesamte Scanfeld ausreichend sein, um die Mess- und Bearbeitungsstrahlen zu co-registrieren. In Systemen oder Anwendungen, die einen sehr hohen Grad an Co-Registrierung beinhalten, kann es jedoch wünschenswert sein, spezifischere Co-Registrierungskalibrierungen um den Bearbeitungslaserpfad herum durchzuführen, wie in 18 gezeigt ist. 18 zeigt ein Beispiel von pfadspezifischen Bildgebungsstrahl- und Prozessstrahlregistrierungsmessungen für eine Vorrichtung, die einen Laserscankopf beinhaltet. Spezifische Kalibrierungen können die Gesamtkalibrierungszeit reduzieren (z. B. durch Begrenzen der Kalibrierorte auf diejenigen, die für den Prozess relevant sind) und können die Genauigkeit verbessern (z. B. durch Einfügen von Kalibrierorten zwischen einem gröberen allgemeinen Kalibriergitter). Wie in dem veranschaulichten Beispiel gezeigt wird, können solche Kalibrierungen an bestimmten Stellen auf dem Verarbeitungspfad durchgeführt werden und können an Positionen um den Pfad herum (z. B. auf einem Begrenzungsumfang) durchgeführt werden.
• Ähnliche Kalibrierungsmessungen können verwendet werden, um Änderungen der optischen Pfadlänge und Änderungen des Fokus des Messstrahls zu kompensieren, die mit unterschiedlichen Positionen innerhalb des Scanfelds verbunden sind. Die Synchronisation des Bildgebungssystems mit dem Laserbearbeitungssystem erleichtert solche Kalibrierungen. In diesem Fall kann eine Synchronisation mit der Systembewegungssteuerung (z. B. der Scannerposition) verwendet werden, um die Fokusposition des Bearbeitungslasers automatisch zu steuern (oder zu lesen). Die Synchronisierung mit der Bearbeitungslaserquelle oder ihrer Steuerung kann verwendet werden, um anzuzeigen, wann ein Kalibrierungsprozess durchgeführt werden sollte und wann das Bildgebungssystem bereit ist, die nächste Kalibrierungsmessung durchzuführen.
• Prozessstrahlverfolgung und Positionsfehler des primären Scanners
• Ähnlich wie die Scanmodulkorrekturen des CI-Systems können auch Laserscanköpfe Korrekturen verwenden, um ihre eigenen Verfolgungsfehler, optischen Verzerrungen, mechanischen Ausrichtungen und thermischen Effekte zu berücksichtigen. Ein Laserbearbeitungssystem mit einem integrierten kohärenten Messsystem kann das CI-Messsystem (oder seine Hilfsdetektoren) verwenden, um die Laserkopfscannerkorrekturen - die primären Scannerkorrekturen - zu bestimmen.
• Ähnliche, oben beschriebene Strategien zum Kalibrieren des CI-Systems können verwendet werden, um eine primäre Scannerkalibrierung durchzuführen. Beispielsweise kann der primäre Scanner verwendet werden, um eine Reihe von Kalibrierungsmarkierungen auf einem Ziel unterhalb des Laserkopfs zu erzeugen. Die Messungen des Bildgebungssystems (kohärente Strahlung, Prozessstrahlung, oder eine Kombination davon) können dann verwendet werden, um Verfolgungs- oder Positionierungsfehler zu bestimmen, die dem primären Scanner zugeordnet sind.
• Ein spezifischeres, nicht einschränkendes Beispiel weist die Verwendung des primären Scanners auf, um eine Reihe von Punkten auf einem Werkstück unter dem Kopf zu markieren, während er in eine Richtung fährt, und eine andere Reihe von Punkten, während er in die entgegengesetzte Richtung fährt. Das Scanmodul des CI-Messsystems kann dann verwendet werden, während der primäre Scanner in einer statischen Position gehalten wird, um kohärente Messungen der markierten Oberfläche durchzuführen. Die höhenbasierten Messungen des kohärenten Messsystems können verwendet werden, um Orte der auf der Werkstückoberfläche markierten Merkmale zu identifizieren. Die Positionen der Merkmale, die in einer Richtung im Gegensatz zu der anderen markiert sind, können dann verwendet werden, um den primären Abtast-Verfolgungsfehler zu identifizieren.
• Der primäre Scanner kann anstelle des Scanmoduls (oder zusätzlich dazu) des CI-Systems verwendet werden, um den Messstrahl zum Zwecke von Kalibrierungsmessungen an bestimmten Stellen auf dem Werkstück zu positionieren. In diesem Fall wird eine Synchronisation zwischen der Position des primären Scanners und den Messungen des Bildgebungssystems bereitgestellt. Während es nützlich sein kann, solche Messungen mit einem vollständig kalibrierten Bildgebungssystem durchzuführen, können primäre Scanner-Kalibrierungsmessungen so durchgeführt werden, dass eine vollständige Kalibrierung des Bildgebungssystems keine Voraussetzung ist.
• Kalibrierungen des primären Scanners können nur bei der Inbetriebnahme oder Produktion des Systems durchgeführt werden. In einigen Fällen kann jedoch eine regelmäßige Kalibrierung durchgeführt werden, um einer opto-mechanischen Verschlechterung oder Änderungen der Umgebungsbedingungen (z. B. thermische Linsenbildung) entgegenzutreten.
• Dynamische Kalibrierung
• Die oben beschriebenen Systeme können auch verwendet werden, um dynamische (d. h. prozessspezifische) Kalibrierungsmessungen durchzuführen, wie in den nachstehenden Beispielen beschrieben wird. Solche Messungen werden typischerweise für jede Art von Laserbearbeitungsanwendung und für größere Änderungen an den Bearbeitungsparametern der Anwendung durchgeführt. Kalibrierungen/Anpassungen können auch kontinuierlich während der Bearbeitungsanwendung durchgeführt werden, um eine hohe Kalibrierungsgenauigkeit zu erreichen sowie die Ausfallzeit der Laserstation zu reduzieren (d. h. Zeit, die nicht für die Durchführung der Laserbearbeitung aufgewendet wird). Minimale Systemausfallzeiten sind in vielen Produktionsumgebungen mit Laserbearbeitung mit hohem Durchsatz von entscheidender Bedeutung.
• Wie bei statischen Kalibrierungen müssen möglicherweise auch dynamische Kalibrierungen periodisch in Hochpräzisionsprozessen durchgeführt werden, um Toleranzbeschränkungen der Ausrüstung, Temperaturdrift, Umgebungsschwankungen, mechanische Schwingungen, dynamische Kräfte während der Produktion usw. zu kompensieren.
• Dynamische Kalibrierungen werden auch verwendet, um Bildgebungssystemmessungen mit Aspekten des Laserprozesses zu registrieren, die für den Laserprozess und/oder das Werkstück spezifisch sind. Aspekte des Laserprozesses können als Teil der dynamischen Kalibrierung des CI-Systems erkannt und rückgekoppelt (oder weitergeleitet) werden, um zukünftige CI-Messungen bestimmter Aspekte des Prozesses zu beeinflussen. Diese Aspekte des Laserprozesses weisen auf, ohne Einschränkung: Prozesspfadgeometrie; Prozesspfadgeschwindigkeit; Prozesspfadrichtung; Tangentenwinkel des Prozesspfads; Prozesszeit; zeitliche Profile der Laserleistung; optische Pfadlängenänderungen um den Prozesspfad und seine lokale Umgebung herum; Werkstückversatz des Laserkopfs über den Prozesspfad und der lokalen Umgebung; Bildgebungssystem- und Prozessstrahl-Co-Registrierung entlang des Prozesspfades und der lokalen Umgebung; Änderungen der Fokuspositionen des Messstrahls um den Prozesspfad und die lokale Umgebung; Geometrie des Phasenänderungsbereichs; Ausdehnungen des Phasenänderungsbereichs; Position des Phasenänderungsbereichs; Strahlungsintensitäten des Phasenänderungsbereichs (d. h. die Temperatur); Position des Schmelzbeckens; Schmelzbadgeometrie; Dampfkapillarposition; Dampfkapillargeometrie; Größe des Laserstrahls; Energieverteilung des Laserstrahls; zeitliche Eigenschaften des Laserstrahls (z. B. kontinuierliche Welle vs. gepulst, Pulsbreite, Pulsperiode, Pulsfrequenz, Pulsform); Profil des Messstrahl-Reflexionsvermögens (d. h. Oberflächen-Reflexionsvermögen und/oder Untergrund-Reflexionsvermögen); Werkstück Passermarken/Referenzen/Nullpunkt; und Streuung des Messstrahls.
• Dynamische Kalibrierungen können durchgeführt werden, indem Messungen eines ähnlichen Prozesses vor dem Prozess durchgeführt werden, bei dem Messungen (z. B. QA-Bestimmungen) durchgeführt werden. Diese Kalibrierungsmessungen können so gespeichert werden, dass sie für den Zielprozess implementiert werden können. Änderungen am Zielprozess führen in der Regel zu einem Neukalibrierungsschritt.
• In anderen dynamischen Kalibrierungsimplementierungen werden Kalibrierungsmessungen während des Prozesses durchgeführt, für den Prozessmessungen durchgeführt werden. Diese Kalibrierungsmessungen können unmittelbar zu Beginn des Prozesses durchgeführt werden, so dass der Rest des Prozesses mit einem kalibrierten System überwacht werden kann. Kalibrierungsmessungen können für eine verbesserte Genauigkeit auch mit Prozessmessungen eingestreut oder gleichzeitig durchgeführt werden.
• Messungen des Phasenänderungsbereichs
• Zusätzlich zur Bereitstellung von Prozessüberwachungsqualitätsbestimmungen können Messungen des Phasenänderungsbereichs auch verwendet werden, um Kalibrierungsmessungen für dynamische Messsysteme bereitzustellen. Beispielsweise ermöglichen Prozessstrahlungsmessungen des Phasenänderungsbereichs, dass Prozessstrahl-Co-Registrierungs-Kalibrierungsmessungen während der Laserbearbeitung durchgeführt werden, anstatt das System offline zu schalten. Dies kann in Anwendungen mit hohen Durchsatzanforderungen verwendet werden. 19 zeigt, wie ein kohärentes Bildgebungssystem, das eine doppelt ummantelte Faser in Kombination mit einer Hilfsfotodiode verwendet (z. B. das in 3 gezeigte System 100"), verwendet werden kann, um die Position (1) des Zentrums des Prozessstrahls während eines Laserprozesses zu bestimmen. In diesem Beispiel kann die doppelt ummantelte Faser einen von Castor Optics hergestellten Doppelmantel-Faserkoppler aufweisen. In ähnlicher Weise veranschaulicht 20, wie 2D-Inline-Kameramessungen (z. B. unter Verwendung des in 2 gezeigten Systems 100') des Phasenänderungsbereichs und des kohärenten Messstrahls auch verwendet werden können, um die Prozessstrahlregistrierung während einer Laserbearbeitungsanwendung zu bestimmen. Ähnliche Messungen können unter Verwendung anderer Kontrastmechanismen, beispielsweise der optischen Pfadmessung des CI-Systems, durchgeführt werden, um die Prozessstrahlausrichtung während der Bearbeitung zu bestimmen.
• Messungen des Phasenänderungsbereichs können direkt oder indirekt verwendet werden, um andere prozessbasierte Kalibrierungen durchzuführen. Beispielsweise zeigt 19, wie der Endbereich des Phasenänderungsbereichs (PCR) durch eine doppelt ummantelte Faseranordnung detektiert und verwendet werden kann, um die Prozessrichtung/den Tangentenwinkel (2) zu bestimmen. Eine solche Messung hängt typischerweise von der Existenz einer Bezugsrahmenkalibrierung des Bildgebungssystems auf den Zielbezugsrahmen ab. In ähnlicher Weise zeigt 20, wie ein 2D-Inline-Kamerabild des Prozesses verwendet werden kann, um die Prozessrichtung aus dem PCR-Schwanzbereich zu identifizieren. Ein derartiger Prozess weist im Allgemeinen einen zusätzlichen Kalibrierungsschritt auf, um den Inline-Kamera-Bezugsrahmen mit zumindest einem der Bezugsrahmen des Bildgebungssystems, des Scankopfs und des Werkstücks zu registrieren.
• 21 gibt an, wie eine punktbasierte Messung (z. B. eine kohärente Höhenmessung, eine Prozessemissionsmessung durch das kohärente System, eine Prozessemissionsmessung durch eine doppelt ummantelte Faser) über den PCR abgetastet werden kann. Durch Synchronisieren der Einzelpunktmessung mit der Position um ein kreisförmiges (oder ähnliches) Scanmodul-Abtastmuster können das resultierende Signal und die Merkmale im Messsignalprofil verwendet werden, um die Richtung der Mittellinie des PCR-Schwanzes und daher die Prozessrichtung zu identifizieren. Die Mittellinie kann über ein lokales Maximum oder eine Spitze (wie in 21 gezeigt) in dem Signal als Funktion der Position in dem Abtastpfad identifizierbar sein. Die Position in dem Abtastpfad kann dann auf den Bezugsrahmen des CI-Systems abgebildet werden, um die quasi-unmittelbare Pfadrichtung im Bezugsrahmen des CI-Systems zu bestimmen (z. B. rechts im oberen Beispiel und links im unteren Beispiel).
• In ähnlicher Weise können Messungen der PCR-Schwanzlänge verwendet werden, um die Prozessgeschwindigkeit oder Änderungen der Prozessgeschwindigkeit zu identifizieren. Die Länge des PCR-Schwanzes nimmt im Allgemeinen mit der Prozessgeschwindigkeit zu. Die genaue Art kann jedoch von anderen Prozessfaktoren, wie dem Materialtyp, der Materialgeometrie, der Laserspotgröße und von Schutzgas abhängen. A-priori-Kenntnisse solcher Beziehungen, oder eine Prozessmodellierung (z. B. basierend auf Kühlraten), können mit Schwanzlängenmessungen verwendet werden, um die Prozessgeschwindigkeit zu bestimmen. Die Prozessgeschwindigkeit kann dann verwendet werden, um das Messsystem anzuweisen, an bestimmten Positionen oder Zeiten vor oder nach dem Prozess zu messen.
• Messungen anderer Aspekte des Phasenänderungsbereichs können für die Messpositionierung während spezifischer Laserbearbeitungsanwendungen entscheidend sein. Beispielsweise wird beim Dampfkapillare-Laserschweißen eine Ausrichtung des Messstrahls auf den während des Schweißens gebildeten Dampfkanal hergestellt, um Dampfkapillare-Tiefenmessungen unter Verwendung eines Kohärenzbildgebungssystems durchzuführen. Änderungen des Dampfkapillare-Laserschweißprozesses, wie beispielsweise Änderungen der Prozessgeschwindigkeit, können bewirken, dass sich die Lage des Dampfkanals in Bezug auf die Fokusspotposition des Prozessstrahls ändert, wie in 22 gezeigt wird. Wie in 22 gezeigt, können Erhöhungen der Schweißgeschwindigkeit zu einer erhöhten Verzögerungsdistanz der Dampfkanalposition hinter dem Bearbeitungsstrahl führen. In ähnlicher Weise können Änderungen in der Schweißrichtung zu einer Richtungsänderung des Dampfkanals führen, der hinter dem Prozessstrahl zurückbleibt. Zusätzliche Prozesseffekte, wie z. B. Änderungen in der Materialgeometrie oder -zusammensetzung oder periodisches Wackeln des Prozessstrahls, können ebenfalls Änderungen in der Position des Dampfkanals verursachen. Kalibrierungsmessungen der Dampfkanalposition an einer oder mehreren Positionen entlang des Schweißpfads sind vorteilhaft, um eine Messstrahlpositionierung für Dampfkapillare-Tiefenmessungen zu erreichen, und können verwendet werden, um die Bildgebungsstrahlposition für Dampfkapillare-Tiefenmessungen während desselben Prozesses oder für nachfolgende Prozesse einzustellen.
• Die Messungen des CI-Messsystems können verwendet werden, um die Position des Dampfkanals basierend auf dem Auftreten eines bestimmten Tiefenmerkmals zu identifizieren (z. B. die tiefste gemessene Tiefe, eine Ansammlung von Punkten in einer bestimmten Tiefe, Messungen mit bestimmten Typen von Tiefenvariationen, Messungen mit bestimmten Signalintensitätspegeln oder -variationen usw.). Prozessstrahlungsmessungen können auch verwendet werden, um die Position des Dampfkanals zu identifizieren. Solche Messungen können Spitzenstrahlungspegel, spezifische Schwankungen der Strahlungspegel, Strahlung eines oder mehrerer spezifischer Spektralbänder, spezifische Merkmale bei topografischen Strahlungsmessungen der PCR usw. aufweisen.
• Merkmale, die analog zu dem Dampfkanal beim Laser-Stichlochschweißen sind, können in anderen Laserbearbeitungsanwendungen, wie etwa additive Fertigung, Markierung, Reinigung und Schneiden, identifiziert und kalibriert werden.
• Kalibrierungsmessungen vor der Verarbeitung und nach der Verarbeitung
• Messungen von einem oder mehreren Merkmalen, die auf einem Werkstück als Ergebnis eines Laserprozesses erzeugt werden, und Messungen von einem oder mehreren Merkmalen eines Werkstücks, das einer Laserbearbeitung unterzogen werden soll, können auch für die dynamische Systemkalibrierung verwendet werden. Solche Nachbearbeitungsmerkmale können durch das System (mit oder ohne Hilfssensoren) gemessen werden, indem räumlich oder zeitlich, oder beides, ausreichend weit hinter dem Prozess gemessen wird. Da Messungen nach dem Laserprozess durchgeführt werden, basieren Messungen typischerweise auf höhenbasierten oder externen strahlungsintensitätsbasierten Kontrastmechanismen.
• Bei vielen Laserbearbeitungsanwendungen produziert der Prozess eine Änderung (z. B. in der Höhe, beim Reflexionsvermögens, der Polarisation, der Materialdichte usw.), die durch ein kohärentes Messsystem oder einen Hilfsdetektor detektiert werden kann. Beispiele weisen eine Schweißraupe bei Laserschweißanwendungen, eine verfestigte Raupe bei der additiven Fertigung, Änderungen des Reflexionsvermögens von Glas bei Ritzanwendungen, und einen Bereich mit entferntem Material bei der Laserreinigung auf. Durch das Durchführen von Messungen an bestimmten Positionen relativ zum Ursprung des Bezugsrahmens des Prozessstrahls und mit bestimmten Messabtastmustern können zusätzliche Merkmale des Laserprozesses bestimmt und dazu verwendet werden, die zukünftige Positionierung des Messsystems zu lenken. Diese dynamischen Kalibrierungsmessungen können verwendet werden, um einen Laserbearbeitungspfad und andere Laserbearbeitungskalibrierungen mit begrenzter oder keiner Vorabkenntnis des Pfads zu konstruieren.
• In anderen Fällen können Kalibrierungsmessungen verwendet werden, um die Korrekturen zu bestimmen, die auf einen Satz von nominalen Prozessparametern anzuwenden sind, um Nichtidealitäten im Prozess zu korrigieren. Beispielsweise kann das kohärente Messsystem Zugriff auf einen nominalen Verarbeitungspfad haben, der in einen Laserscankopf eingegeben wird. Physikalische Einschränkungen im Scankopf (z. B. eine endliche Beschleunigung) können jedoch dazu führen, dass der wahre Pfad geringfügig von der Soll-Version abweicht. Dynamische Kalibrierungen können verwendet werden, um diese Arten von Abweichungen zu korrigieren.
• Ein spezifisches Beispiel dieser Arten von Kalibrierungsmessungen weist eine Reihe von linearen Durchläufen des kohärenten Messstrahls senkrecht zu dem und zentriert auf den nominalen Schweißpfad über der verfestigten Schweißraupe (oder ähnlichen Markierungen entlang des Schweißpfads) auf, während das Bewegungssteuerungssystem (z. B. Scankopf, Roboter, Lineartische, Drehtische usw.) den Bewegungspfad ausführt, wie in 23 gezeigt wird. 23 zeigt, wie die Verwendung von Messlinien quer zum nominalen Laserbearbeitungspfad verwendet werden kann, um die Differenz zwischen dem nominalen und dem tatsächlichen Bearbeitungspfad zu identifizieren. Die Querbewegungen sind häufig (vorwärts oder rückwärts) von dem Bearbeitungsstrahl entlang des Schweißpfads versetzt. In diesem Beispiel werden höhenbasierte Messungen eines durch den Laserprozess erzeugten Merkmals (z. B. eine markierte Linie) als Kalibrierungsziel verwendet.
• Wenn der wahre oder tatsächliche Bewegungspfad derselbe ist wie der nominale Bewegungspfad (unteres Schema), erscheint die Linie in jedem der transversalen Messprofile zentriert, und das Merkmal erscheint als eine gerade Linie im Zentrum des Bildes, das heißt, aus den linearen Durchläufen rekonstruiert. Mit zunehmender Abweichung zwischen Ist- und Soll-Pfad (oberes Schema) variiert die Position der Linie innerhalb jedes Quermessprofils entsprechend den Abweichungen der Pfadposition und der Tangentenwinkel. Abweichungen von dem nominalen Bewegungspfad bewirken, dass das Merkmal in dem Bild versetzt und/oder verzerrt (z. B. breiter) erscheint. Diese Abweichungen können sich als Funktion der Position entlang des Pfads entwickeln, da sich die Fehlausrichtung zwischen dem nominalen und dem tatsächlichen Pfad als Funktion der Position entlang des Pfads ändern kann.
• Das Beispiel veranschaulicht eine Pfadfehler-Detektion unter Verwendung eines höhenbasierten Kontrastmechanismus. Eine ähnliche Strategie kann unter Verwendung von rückreflektierten intensitätsbasierten Kontrastmechanismen, Prozessstrahlungskontrastmechanismen, oder einer Kombination von allen drei, verwendet werden. Zusätzliche Sätze von senkrechten Abtastungen mit unterschiedlichen Vorlauf- und Nachlauf-Distanzen des Prozessstrahls entlang des Bewegungspfads können ebenfalls verwendet werden, um solche Bewegungspfadkorrekturen genauer zu identifizieren.
• Das obige Beispiel ist eine einfache Veranschaulichung von Arten von Abtastmustern und Strategien, die verwendet werden, um Laserbearbeitungsbewegungspfade zu identifizieren. Komplexere Abtastmuster können verwendet werden, um die dynamischen Korrekturen aufzubauen. Andere Beispiele können auch die Verwendung einer Kohärenzbildgebungs-Speckle-Korrelation, einer Kohärenzbildgebungs-Höhenmesskorrelation, einer 2D-Inline-Kamerabildkorrelation, Verfolgungsoperationen ähnlich denen in einer optischen Computermaus, einer Erfassung von Prozessemissionen, oder rückreflektierten Lichtstrahlen aufweisen.
• Beispiele für dynamische Kalibrierungen (Identifikation und/oder Korrektur), die auf das Bildgebungssystem zum Überwachen von Laserbearbeitungsanwendungen angewendet werden können, weisen auf, ohne Einschränkung: Bearbeitungspfadfehler; Tangentenwinkel des Bearbeitungspfads; Verarbeitungspfadgeschwindigkeit; Änderungen der optischen Pfadlänge, die durch Strahlführungsoptiken induziert werden; Ausmaße des Laserinteraktionsbereichs; Position des Laserinteraktionsbereichs; Ausdehnungen des Phasenänderungsbereichs; Position des Phasenänderungsbereichs; Werkstückneigung; und Krümmung der Werkstückoberfläche.
• Beispielsweise kann eine lokale Neigung der Werkstückoberfläche kalibriert werden, indem ein wiederholtes kreisförmiges Abtastmuster des Messstrahls (innerhalb des Bezugsrahmens des Scanmoduls) durchgeführt wird, während die Bewegungssteuerungssysteme der Laserstation (oder der Laserscankopf) den Prozessstrahl über dessen Verarbeitungspfad hinweg treiben. Bei den meisten Implementierungen wird der Prozessstrahl während dieses Prozesses deaktiviert, um das Werkstück nicht zu beschädigen. Das kreisförmige Abtastmuster wird typischerweise mit hoher Frequenz durchgeführt, um eine große Anzahl vollständiger kreisförmiger Perioden zu erreichen, die während des Laserbearbeitungspfads gemessen werden. Die Frequenz wird häufig durch Hardwarebeschränkungen des Scanmoduls des Kohärenzbildgebungssystems bestimmt.
• Für jeden kreisförmigen Scan werden die Höhenmessungen des CI-Systems, die über den gesamten Kreis hinweg vorgenommen werden, auf ihre entsprechenden XY-Positionen um das kreisförmige Abtastmuster herum abgebildet. Einen planaren Fit an die XYZ-Daten ergibt die Neigung der Ebene im Bezugsrahmen des CI-Systems. Durch Ausführen einer Reihe aufeinanderfolgender Scans kann die Entwicklung des Neigungswinkels der Ebene als Funktion der Position entlang des Pfads (abgebildet auf die Nummer des kreisförmigen Scans) erzeugt werden. Die Änderung des Neigungswinkels als Funktion des Schweißpfads kann dann verwendet werden, um die Messscanstrategien und Datenverarbeitungsalgorithmen des CI-Systems zu modifizieren, während der Laserprozess überwacht wird.
• Ein derartiger lokaler Oberflächenneigungs-Kalibrierungsmessprozess ist in 24 gezeigt. Während sich der Laserkopf entlang seiner Bewegungspfadtrajektorie über ein Teil mit Oberflächenkrümmung bewegt, wie in 24 gezeigt wird, scannt das Scanmodul des CI-Systems den Messstrahl in einem periodischen kreisförmigen Muster, wobei CI-Messungen durchgeführt werden, die mit der Messstrahlposition synchronisiert sind. In diesem Beispiel wird das kreisförmige Muster in Bezug auf den Bezugsrahmen des Scanmoduls des CI-Systems (im Gegensatz zu der Oberfläche des Werkstücks) erzeugt, um die Neigung des Werkstücks in Bezug auf den Bezugsrahmen des Scanmoduls zu messen. CI-Höhenmessungen werden auf ihre entsprechende Iteration des kreisförmigen Strahlabtastmusters abgebildet, und werden weiter auf ihre entsprechende XY-Position innerhalb des Musters abgebildet. Sobald die CI-Höhenmessungen innerhalb eines Zyklus ihren XY-Positionen zugeordnet sind, wird ein planarer Fit auf die Daten angewendet (X: X-Position, Y: Y-Position, Z: CI-Höhenmessung). Aus den Koeffizienten des planaren Fits wird ein Oberflächennormalenvektor erzeugt, der die momentane lokale Oberflächenneigung darstellt. Der Oberflächennormalenvektor wird dann auf ein für das System geeignetes Winkelkoordinatensystem abgebildet (z. B. Neigungswinkel entlang der Schweißpfadrichtung). Dieser Vorgang wird für jeden Scanzyklus wiederholt. Jedem Zyklus wird ein Zeitstempel zugeordnet (z. B. die Zeit, zu der der Mittelpunkt des Zyklus in Bezug auf die Pfadstartzeit auftritt), wodurch der Oberflächenneigungswinkel als Funktion der Zeit entlang des Laserbearbeitungspfads aufgetragen werden kann. Die Neigung als Funktion der Verarbeitungspfadposition kann von dem CI-System verwendet werden, um CI-System-Scanmodul-Positionierungskorrekturen bereitzustellen, und kann verwendet werden, um CI-System-Höhenmessungen zu korrigieren (nicht gezeigt).
• Während in diesem Beispiel ein kreisförmiges Abtastmuster verwendet wurde, können auch andere Abtastmuster für diese Kalibrierung verwendet werden. Solche Abtastmuster können ein Abtasten einer endlichen Anzahl von Punkten, die über das XY-Scanfeld verteilt sind, ein Abtasten eines Fadenkreuzmusters, ein Abtasten eines Spiralmusters und ein Abtasten eines rechteckigen Rastermusters aufweisen, sind aber nicht darauf beschränkt. Für diese Kalibrierung ist jedes Abtastmuster ausreichend, das genügend Punkte (zumindest drei) liefert, um zuverlässig auf einer Oberfläche zu liegen.
• Während in diesem Beispiel ein planarer Fit verwendet wurde, können in ähnlicher Weise andere Datenverarbeitungsalgorithmen und Oberflächen-Fitting-Techniken für diese Kalibrierung verwendet werden. Beispielsweise können kompliziertere Oberflächenkrümmungs-Fits verwendet werden, um eine Neigungskorrektur erster Ordnung sowie eine weitere Oberflächenverzerrung zu identifizieren. Datenverarbeitungs- und Fitting-Techniken können einen iterativen Ansatz verfolgen oder direkte Berechnungen durchführen. Jede Verarbeitungstechnik, die eine oder mehrere Oberflächenneigungs- oder -krümmungsmetriken produziert, ist für diese Kalibrierung ausreichend.
• Verarbeitung von Strahlwackel-Musteridentifikation und -registrierung
• Für bestimmte Arten von Laserbearbeitungsanwendungen (z. B. Schweißen von stark reflektierenden Metallen, wie etwa Kupfer oder Aluminium), ist es üblich, den Prozessstrahl in einer kleinen periodischen Weise zu wobbeln (wackeln), um die Prozessergebnisse zu verbessern. Ähnliche Messtechniken, wie die oben beschriebenen, können verwendet werden, um speziell Aspekte des Wackelprozesses zu identifizieren, um die Registrierung des Messstrahls relativ zu dem Wackelprozessstrahl zu verbessern. Diese Messungen können auch verwendet werden, um zu beeinflussen, wie Messdaten anschließend verarbeitet und analysiert werden. Beispiele für relevante Aspekte des Wackelprozesses weisen auf, ohne Einschränkung: Wackelphase; Wackelform; Wackel-Periode; geometrische Abweichungen von der nominalen Wackelform; und Änderungen des Phasenänderungsbereichs, die durch den Wackelprozess induziert werden.
• Beispielhafte Workflows, die von Kalibrierungsmessungen profitieren
• Der folgende Abschnitt stellt Beispiele der Arten von Arbeitsabläufen bereit, die von den oben beschriebenen Kalibrierungsmessungen profitieren oder durch diese ermöglicht werden. Die hier beschriebenen Arbeitsabläufe können realisiert werden, indem die oben beschriebenen Vorrichtungsausführungen, Kontrastmechanismen und Kalibrierungstypen ausgetauscht werden. In ähnlicher Weise können die Arbeitsabläufe auch durch die Verwendung verschiedener Kommunikationsverfahren, wie z. B. den unten beschriebenen, realisiert werden.
• Automatisierte Kalibrierungsprozesse und Zellsynchronisierung
• Die Automatisierung, und sogar Halbautomatisierung, vieler der hier identifizierten Kalibrierungsprozesse bietet zahlreiche Vorteile für den Endbenutzer. Die Automatisierung minimiert die Benutzerinteraktion mit dem Laserbearbeitungssystem und dem Bildgebungssystem. Dies führt dazu, dass der Endbenutzer weniger Ressourcen zum Betreiben der Ausrüstung verwendet (z. B. weniger geschultes Personal, weniger Schulung, weniger Zeit, usw.). Eine minimale Benutzerinteraktion führt auch zu einem reduzierten Risiko oder reduzierten Konsequenzen für Benutzerfehler. Benutzerfehler während eines Systemkalibrierungsprozesses können Folgen für die Messgenauigkeit und Prozesszuverlässigkeit haben, da dieser Fehler auf alle nachfolgenden Messungen des Systems übertragen wird. In ähnlicher Weise reduziert die Automatisierung die Gesamtzeit zum Durchführen einer Kalibrierung, und ermöglicht, dass Kalibrierungen zu Zeitpunkten durchgeführt werden, die für den Laserprozess oder die Produktionsumgebung bequemer sind, anstatt zu Zeitpunkten, die für die Bediener bequemer sind.
• Unterschiedliche Kalibrierungsprozesse beinhalten unterschiedliche Synchronisationsniveaus zwischen dem Laserbearbeitungssystem und dem Bildgebungssystem. Die Synchronisation kann durch direkte Kommunikation oder Signalisierung zwischen dem Laserbearbeitungssystem und dem Bildgebungssystem erreicht werden, oder kann indirekt über eine Kommunikation mit einer oder mehreren Prozesssteuerungen erreicht werden. Die Synchronisierung zwischen dem Verarbeitungs- und dem Bildgebungssystem kann eines oder mehreres des Folgenden aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt: Bildgebungssystemsteuerung der Position des Verarbeitungslasers; Bildgebungssystemsteuerung des Leistungsprofils des Bearbeitungslasers; Bildgebungssystemsteuerung von vordefinierten Bearbeitungslaseraufträgen; Synchronisierung des Bildgebungssystems mit der Position des Bearbeitungslasers; Synchronisierung des Bildgebungssystems mit dem Leistungsprofil des Bearbeitungslasers; Synchronisierung des Bildgebungssystems mit vordefinierten Laserbearbeitungsaufträgen; und vordefinierte Bearbeitungslaseraufträge, die mit vordefinierten Kalibrierungsaufträgen des Bildgebungssystems abgeglichen und über ein gemeinsames Startsignal synchronisiert sind. Formen der Synchronisation können, ohne Einschränkung, aufweisen: ein gemeinsames externes Startsignal; ein gemeinsames externes Synchronisationssignal; Benutzerkonfiguration von entsprechenden Bildgebungs- und Verarbeitungssystemaufträgen; Positionierungssignale; Leistungsprofilsignale; digitale Signale; analoge Signale; optische Signale; optische Signale, die durch den Laserprozess selbst erzeugt werden; und gängige industrielle Kommunikationsprotokolle (z. B. TCP/IP, Ethernet-IP, Profinet usw.).
• Die Synchronisation kann auch verwendet werden, um sicherzustellen, dass das Bildgebungssystem ein ausreichendes Signal für die Kalibrierungsmessung empfängt. Es kann auch verwendet werden, um sicherzustellen, dass die für die Kalibrierung durchgeführte Laserbearbeitung des Kalibrierwerkstücks keine zu starke Beschädigung produziert.
• Zusätzlich zu der Kalibrierung der Verarbeitungs- und Bildgebungssysteme kann auch eine Synchronisierung zwischen dem Messsystem und dem Verarbeitungssystem/der Verarbeitungszelle verwendet werden, um eine Verschlechterung der Verarbeitungsleistung über die Zeit zu kompensieren. Allgemeiner Verschleiß der Komponenten der Laserbearbeitungsstation (z. B. Optik, Befestigung, Gasversorgungssysteme) kann die Laserbearbeitungsleistung bei fortgesetzter Systemnutzung langsam beeinträchtigen. Messungen der Leistung der Laserbearbeitungsstation durch das Bildgebungssystem können verwendet werden, um eine solche Verschlechterung (z. B. durch reduzierte Prozessstrahlungspegel) zu identifizieren und die Systemleistung zu korrigieren (z. B. Erhöhen der Soll-Laserleistung zum Kompensieren, automatisches Ersetzen von Systemkomponenten, Bereitstellen einer Anzeige für den Benutzer usw.). Eine ähnliche Detektion und Korrektur kann für prozessbedingte Schäden an der Station, wie z. B. Verunreinigung der Schutzoptik des Laserkopfs durch Prozessauswurf, durchgeführt werden.
• Kalibrierung zum Zeitpunkt der Herstellung
• Zum Zeitpunkt der Herstellung ist es üblich, dass Kohärenzbildgebungssysteme Kalibrierungsoperationen unterzogen werden, um die Genauigkeit des Messsystems zu verbessern. Beispielsweise wird die Streuung von Teilkomponenten, wie sie beispielsweise als Ergebnis von Konstruktionstoleranzen und ihrer eigenen Fertigungsstreuung eingeführt wird, gemessen und kalibriert.
• Wenn möglich, wird die Kalibrierung des CI-Systems mit dem Messsystem durchgeführt, das in den Laserkopf integriert ist, der in der Laserbearbeitungsanwendung verwendet wird. Aufgrund realer Einschränkungen ist die Integration mit dem Laserkopf jedoch nicht immer möglich, bevor das CI-System an seinem endgültigen Einsatzort ankommt. In diesem Fall kann die CI-Kalibrierung mit demselben Laserkopfmodell, einem ähnlichen Laserkopftyp, oder einem Ersatzkalibrierungskopf durchgeführt werden. Abweichungen zwischen dem für die Kalibrierung verwendeten Laserkopf und dem Endverbraucher-Laserkopf können vernachlässigbar sein, und bei der Systeminbetriebnahme wird keine weitere Kalibrierung durchgeführt. Bei manchen Anwendungen, wie z. B. solchen mit Hochpräzisionsanforderungen, können weitere Kalibrierungsoperationen bei der Systeminbetriebnahme durchgeführt werden, wie nachstehend beschrieben wird.
• Das folgende Beispiel veranschaulicht Aspekte des Kalibrierungsprozesses, die sich auf die Integration eines CI-Systems in einen Laserscankopf beziehen. Die Reihenfolge der hierin beschriebenen Kalibrierungsprozesse soll keine Einschränkung darstellen, und in einigen Implementierungen können bestimmte Kalibrierungsoperationen parallel durchgeführt werden.
• Bevor der Kalibrierungsprozess durchgeführt wird, wird das CI-System mechanisch mit dem Laserscankopf integriert. Einige Laserköpfe, wie z. B. die von IPG Photonics Corporation erhältlichen, weisen einen dedizierten Anschluss auf, der für die CI-Systemintegration vorgesehen ist. Andere Laserköpfe benötigen möglicherweise Schnittstellenhardware, um das CI-System an einen vorhandenen Anschluss für eine Inline-Kamera (oder einen anderen Sensor) anzuschließen. Andere Laserköpfe können physikalische Modifizierungen an mechanischen Einstellpunkten, optischen Strahlengängen, und Zuführoptiken aufweisen, um das kohärente Bildgebungssystem aufzunehmen.
• Nach der mechanischen Integration werden die elektrischen und Kommunikationsschnittstellen zu dem Laserkopf und dem CI-System hergestellt. In einem vollautomatischen Kalibrierungsprozess stehen der Laserkopf, das CI-System, die Laserquelle und gegebenenfalls die Geräte zur Zellbewegungssteuerung (direkt oder indirekt) miteinander in Verbindung. Die Terminologie für die hierin beschriebenen Komponenten bezieht sich auf die spezifische Hardware und die Hardware-Steuerungen.
• Bei halbautomatischen Kalibrierungsprozessen können einige der oben genannten Kommunikationsverbindungen eingerichtet werden, aber ein Benutzer ist auch an dem Prozess beteiligt, der die fehlenden Kommunikations- und Synchronisationselemente bereitstellt. Wenn beispielsweise der Laserkopf und die CI-Systeme vorbereitet sind, und bereit sind, ihre Kalibrierungsoperationsroutinen durchzuführen, kann der Benutzer einen Knopf drücken, um den Laser auszulösen bzw. abzufeuern. Der Laser wiederum liefert ein Synchronisationssignal, um den Betrieb des Laserkopfs und des CI-Systems zu starten.
• In einer vollautomatisierten Umgebung wird die Kommunikation zwischen dem Laserkopf, dem CI-System, der Laserquelle und den Bewegungssteuerungssubsystemen im Allgemeinen von einem Gerät gesteuert, das als Prozessmaster fungiert. Der Prozessmaster kennt die verschiedenen Aspekte des Laserprozesses (oder Kalibrierprozesses) und weiß, wie die Subsysteme synchronisiert werden müssen, um einen erfolgreichen Betrieb zu erreichen. In einigen Anwendungen kann der Prozessmaster durch zusätzliche Hardware realisiert werden, wie etwa eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), eine Roboterschnittstelle, ein externen Computer/Server, ein Smartphone, ein Tablet, oder einen Mikrocontroller. In anderen Anwendungen kann eines der Subsysteme (z. B. die Laserkopfsteuerung, die CI-Systemsteuerung oder die Lasersteuerung) die Rolle des Prozessmasters übernehmen. Die Kommunikation wird häufig direkt über eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem Prozessmaster und jedem Subsystem erreicht. In einigen Anwendungen können jedoch einige Subsysteme mit anderen Subsystemen synchronisiert werden und indirekt mit dem Master kommunizieren. Die Kommunikation kann eine Form von digitaler Signalisierung, analoger Signalisierung, Netzwerkkommunikationsprotokollen (z. B. TCP/IP) oder einer Kombination davon annehmen.
• Sobald die mechanische, elektrische und Kommunikationsintegration hergestellt wurde, können Kalibrierungsverfahren durchgeführt werden. In der Arbeitsdistanz des Laserkopfes kann ein Kalibrierziel verwendet werden. Sobald ein Kalibrierungsziel von dem Benutzer oder automatisch von anderen Geräten in der Zelle eingerichtet wurde, zeigt der Benutzer oder die Zelle dem Prozessmaster (PM) an, dass ein Ziel vorhanden ist. Der PM weist das CI-System an, seine Feldtiefenkalibrierung automatisch durchzuführen, was ein Anpassen der Zuführoptik des CI-Systems beinhalten kann, um den Messstrahl besser auf das Werkstück zu fokussieren, und das Anpassen optischer Referenzpfade innerhalb des CI-Systems beinhalten kann, um besser mit dem Laserkopfstrahl-Zuführpfad übereinzustimmen. Während der Feldtiefenkalibrierung führt das CI-System Messungen des Kalibrierungsziels durch, und passt seine eigenen Unterkomponenten basierend auf den Messungen elektro-mechanisch an. Bei den meisten Kalibrierungsroutinen werden die elektro-mechanische Anpassung und die anschließende Messung iterativ durchgeführt, bis die resultierende Messung ausreichend optimiert ist oder einen Zielwert erreicht. Sobald die Kalibrierung abgeschlossen ist, signalisiert das CI-System dies dem PM.
• Während dieser Kalibrierungsroutine sind die Laserkopf-Abtastfunktion und die Laserausgabe nicht erforderlich. Das PM lässt diese Subsysteme abgeschaltet oder in einem Leerlaufzustand, so dass ihre Operationen den Kalibrierungsprozess nicht beeinflussen.
• Die Verfolgungsfehler-Kalibrierung des Scanmoduls des CI-Systems kann auf ähnliche Weise automatisch kalibriert werden. Bei einigen Verfolgungsfehler-Kalibrierungen werden nur ein Kalibrierungsziel und das CI-System durchgeführt. Bei diesen Kalibrierungen wird unterhalb des Laserkopfes ein Kalibrierungsziel mit bestimmten Merkmalen (z. B. scharfe Kanten) aufgebaut. Sobald das Ziel eingerichtet ist, weist der PM das System an, seine Verfolgungsfehler-Kalibrierung durchzuführen. Verfolgungsfehler-Kalibrierungsmessungen können wie zuvor beschrieben und dargestellt durchgeführt werden. In einer automatisierten Umgebung werden die Kalibrierungsmessungen vom CI-System verarbeitet und an das CI-System zurückgemeldet, um sein Scanmodulverhalten entsprechend anzupassen. In einigen Fällen kann die Zuordnung zwischen der Kalibrierungsmessung und den Verhaltensänderungen des Scanmoduls hinreichend bekannt sein, so dass ein nicht iterativer Ansatz ausreichend ist. In anderen Fällen werden jedoch Kalibrierungsmessungen und Anpassungen des Scanmodulverhaltens iterativ durchgeführt, bis der Verfolgungsfehler ausreichend kalibriert ist. Sobald die Kalibrierung abgeschlossen ist, signalisiert das CI-System dies dem PM.
• In einigen Verfolgungsfehler-Kalibrierungsroutinen weist das Kalibrierungsziel möglicherweise keine spezifischen Merkmale auf, die für die Kalibrierung ausgelegt sind. In diesen Fällen können der Laserkopf, der Laser, die Bewegungssteuerungsausrüstung oder eine Kombination davon verwendet werden, um das spezifische Merkmal zu erzeugen, das für die Verfolgungsfehlerkalibrierung verwendet wird. In diesen Fällen kommuniziert der PM sowohl mit dem CI-System als auch mit der merkmalerzeugenden Ausrüstung, um sicherzustellen, dass das Merkmal an einem bestimmten Ort oder zu einer bestimmten Zeit erzeugt wird, damit die Kalibrierung durchgeführt werden kann. In einigen Fällen kann dies ein Markieren ähnlicher Merkmale auf dem Kalibrierungsziel mit dem Laser und die Übermittlung der Position (räumlich und/oder zeitlich) dieser Merkmale an das CI-System aufweisen, damit es weiß, wann und wo es seine Kalibrierungsroutine durchführen muss. In dem Fall, in dem Prozessstrahlung verwendet wird (im Gegensatz zu einem dauerhaften auf der Materialoberfläche markierten Merkmal), um das Messsignal für die Kalibrierungsmessung zu erzeugen, ist eine präzise zeitliche Synchronisation zwischen den Laserfeuerungsereignissen und dem CI-System wünschenswert, um sicherzustellen, dass CI-Systemmessungen durchgeführt werden, wenn Prozessstrahlung emittiert wird.
• Der PM kann nach Bedarf bestimmte Prozessparameter an den Laser, den Laserkopf und die Bewegungssteuerungsausrüstung kommunizieren, um das von dem CI-System detektierte Signal zu verbessern. Diese Parameter können a priori bekannt sein, oder sie können durch eine Rückmeldung von dem CI-System optimiert werden. Beispielsweise kann der PM den Laser mit einem bekannten Parametersatz auslösen, das CI-System anweisen, seine Messung durchzuführen, eine Rückmeldung von dem CI-System bezüglich der Messsignalpegel erhalten (z. B. kein Signal, niedriges Signal, gutes Signal, hohes Signal), dann die Laserparameter entsprechend anpassen. Sobald der Verfolgungsfehler kalibriert ist, wird er von dem CI-System verwendet, um die CI-Messungen genauer mit den von dem CI-Scanmodul angewiesenen Positionen und schließlich den Messpositionen auf dem Werkstück zu synchronisieren. Anstelle einer direkten Steuerung der Prozessparameter auf niedriger Ebene durch das PM kann jedes Subsystem vordefinierte Sätze von Prozessparametern (d. h. Aufträge) haben, die von dem PM als Reaktion auf eine Rückmeldung vom CI-System aufgerufen werden.
• Die Prozessstrahl- und Werkstück-Bezugsrahmenregistrierung kann in ähnlicher Weise durch Synchronisation zwischen einem Prozessmaster und den geeigneten Subsystemen automatisiert werden. Eine automatisierte Version dieser Kalibrierungsroutinen kann wie folgt realisiert werden. Das PM signalisiert der Zelle, automatisch ein Kalibrierungsziel unter dem Kopf zu laden. Dies kann durch einen automatischen Roboterarm oder durch Benachrichtigung eines Zellenbetreibers realisiert werden. Die Zelle antwortet dann dem PM (z. B. durch eine Antwort von dem Roboter oder eine Eingabe durch den Zellenbediener), um anzuzeigen, dass das Ziel geladen wurde. Sobald das Ziel geladen wurde, signalisiert das PM dem Laserscankopf, den Laserstrahl auf seinen eigenen Bezugsrahmenursprung zu positionieren. In einigen Fällen kann eine genaue Co-Registrierung des Prozessstrahls einen anfänglichen „Prä-Scan“ des CI-Systems beinhalten, um einen Hintergrundsignalpegel oder Referenzgeometrien zu detektieren. In diesen Fällen signalisiert der PM dem CI-System, die Prä-Scan-Messungen durchzuführen. Sobald die Messungen abgeschlossen sind, signalisiert das CI-System dies dem PM. Das PM signalisiert dann dem Laser, zu arbeiten, um das Prozessstrahl-Proxy-Signal für das CI-System zu erzeugen, beispielsweise wie oben beschrieben. In einigen Implementierungen wird der Laser betrieben, um das Kalibrierungsziel abzutragen, und das CI-System misst das resultierende abgetragene Merkmal. In anderen Implementierungen werden Prozessstrahlungsmessungen der Laserinteraktionszone durch das CI-System durchgeführt, während der Laser in Betrieb ist (oder unmittelbar nachdem der Laser in Betrieb war). Das PM ist verantwortlich für die Synchronisierung von CI-Systemmessungen (z. B. durch ein Erfassungssignal wie eine digitale ansteigende Flanke) mit dem Laserbetrieb. Sobald das CI-System die Kalibrierungsmessungen abgeschlossen hat, signalisiert es dies dem PM entsprechend. Das CI-System verwendet diese Kalibrierung, um seinen Bezugsrahmen entsprechend neu zu zentrieren und nachfolgende Messungen in einem Prozessstrahl-zentrierten Rahmen durchzuführen.
• Wie oben beschrieben, kann das CI-System zusätzlich zu dem Signalisieren der abgeschlossenen Kalibrierung auch basierend auf Messsignalpegeln/-qualität eine Rückmeldung an den PM bereitstellen. Der PM wiederum passt die Verarbeitungsparameter des Lasers an, um die Messsignalpegel zu verbessern. Diese Rückmeldung kann während des Kalibrierungsverfahrens selbst oder nach Abschluss der Kalibrierungsmessungen bereitgestellt und implementiert werden, so dass der Kalibrierungsprozess mit verbesserten Betriebsbedingungen neu gestartet werden kann. Bei einigen Kalibrierungen kann die Routine mehrere Male durchgeführt werden, um eine statistische Datenverarbeitung (z. B. Mittelung) oder Anpassung zu nutzen, um das Kalibrierungsergebnis zu verbessern. Für jede Iteration kann derselbe Kalibrierungszielbereich verwendet werden, kann ein neuer Ort auf dem Ziel verwendet werden, oder kann ein neues Ziel verwendet werden.
• Die Werkstück-Bezugsrahmen-Orientierung und Skalierungskalibrierungen werden auf ähnliche Weise durchgeführt. Der PM signalisiert der Zelle, das Kalibrierungsziel zu laden (oder das Ziel an einen neuen Ort zu verschieben). Die Zelle antwortet dem PM, wenn das Ziel bereit ist. Das PM weist dann den Laserscankopf an, ein Muster (z. B. ein Pluszeichen oder ein ähnliches Merkmal) als Markierung zu erstellen, um die Koordinatenachsen des Scankopfs auf dem Werkstück anzugeben. Nach Abschluss signalisiert der Kopf dies dem PM, der wiederum das CI-System anweist, seine Kalibrierungsmessungen durchzuführen. Ein solches Beispiel kann das CI-System sein, das eine Reihe kohärenter Messungen durchführt, während sein Scanmodul den Messstrahl entlang eines rechteckigen Raster-Abtastmusters über das markierte Merkmal führt. Die Datenverarbeitungseinheit des CI-Systems wickelt dann die kohärenten Messungen ab, um sie wieder dem rechteckigen Gitter auf der Oberfläche des Teils zuzuordnen, und verwendet Bildverarbeitungsalgorithmen, um Merkmale des auf der Werkstückoberfläche markierten Musters zu identifizieren. Das CI-System berechnet dann die Orientierung und Skalierung dieser Merkmale relativ zu seinem eigenen Bezugsrahmen. Das CI-System verwendet dann diese Informationen, um seine eigene Bezugsrahmenkalibrierung zu aktualisieren. Sobald die Kalibrierung abgeschlossen ist, signalisiert das CI-System dies dem PM. Das CI-System wendet diese Bezugsrahmenkalibrierungen automatisch auf seine nachfolgenden Messoperationen und Scanmodulbefehle an, um eine Messstrahlpositionierung in dem Zielbezugsrahmen zu erreichen.
• Da von dem CI-System im Allgemeinen mehrere Kalibrierungssequenzen verwendet werden, kann das CI-System seinen eigenen Kalibrierungsstatus verfolgen, um beispielsweise anzuzeigen, welche Kalibrierungen durchgeführt wurden, wann bestimmte Kalibrierungen durchgeführt oder aktualisiert wurden, welche Kalibrierungen noch durchzuführen sind, und welche Kalibrierungen in Zukunft für eine Aktualisierung anstehen. Sobald eine Kalibrierung abgeschlossen ist, wird sie von dem CI-System angewendet, um kalibrierte Messungen von Laserbearbeitungsanwendungen durchzuführen. Der PM oder die Zelle können auch den Kalibrierungsstatus des CI-Systems verfolgen. Der Hersteller des CI-Systems kann diese Informationen verwenden, um zu identifizieren, wann ein System vollständig kalibriert ist.
• Für Anwendungen, die eine CI-Systemintegration in einen Laserscankopf aufweisen, ist es häufig vorteilhaft, an mehreren Stellen im gesamten Scanfeld des Laserscankopfs Co-Registrierungen des Messstrahls des CI-Systems mit dem Laserstrahl durchzuführen - um optische Verzerrungen, wie etwa eine chromatische Aberration, auszugleichen. Die Synchronisation zwischen der Prozessstrahl-Proxy-Erzeugung für die CI-Erfassung und der CI-Systemmessung wird auf ähnliche Weise, wie es für den oben beschriebenen Prozessstrahl-Registrierungsprozess beschrieben wurde, erreicht. Die Scanfeldkalibrierung beinhaltet jedoch zusätzliche Automatisierungsüberlegungen, um den Co-Registrierungsprozess mit verschiedenen Stellen um das Scanfeld herum zu synchronisieren.
• Der PM kann Kenntnis von den Scanfeldkalibrierungspositionen haben. Er kann diese Informationen vorprogrammiert haben oder kann die Informationen von dem Laserscankopf und/oder CI-System anfordern. In ähnlicher Weise können der Laserscankopf und das CI-System vorgeladene Konfigurationseinstellungen zum Durchführen dieser Art von Kalibrierung aufweisen, und der PM kann verwendet werden, um die Verarbeitung und Messung an jeder Position innerhalb des Scanfelds zu synchronisieren, ohne die genauen Scanfeldkoordinaten zu kennen.
• Der PM richtet den Laserscankopf und das CI-System auf die erste Position innerhalb des Scanfelds. Er führt dann eine ähnliche Abfolge von Operationen durch wie bei dem oben beschriebenen Prozessstrahl-Co-Registrierungsschritt, um die Synchronisation zwischen der Scanfeldposition, dem Laser-Feuern und der CI-Messung zu erreichen. Sobald die Kalibrierung für die erste Position abgeschlossen ist, signalisiert das CI-System dies dem PM. Der PM lenkt den Scankopf und das CI-System zu der nächsten Position, wo der Vorgang wiederholt wird. Dieses Verfahren wird durchgeführt, bis die Positionen innerhalb des Scanfelds kalibriert sind. Das CI-System verwendet die Scanfeldkalibrierung, um die Positionierungskorrekturen des CI-Systems an verschiedenen Positionen innerhalb des Scanfelds zu implementieren. Bei den meisten Anwendungen weist das CI-System Signalisieren (direkt von der Scankopfsteuerung oder indirekt über den PM) der Scanfeldposition auf, so dass es die geeignete Scanfeldkorrektur anwenden kann. Das CI-System kann diese Korrektur unter Verwendung einer Nachschlagetabelle realisieren, die durch die Kalibrierungsmessungen oder ein Modell (z. B. einen Fit) der Kalibrierungsmessungen erzeugt wird.
• Scankopfanwendungen können auch Kalibrierungsmessungen der optischen Pfadlänge des CI-Systems als eine Funktion der Scanfeldposition aufweisen. Bei den meisten Laserscanköpfen ändert sich die optische Pfadlänge des Messstrahls des CI-Systems in Abhängigkeit von der Scanfeldposition - beispielsweise aufgrund größerer geometrischer Pfadlängen, wenn der Scankopf den Strahl von seinem Ursprung nach außen ablenkt, oder aufgrund von Änderungen in der Stärke der Fokussieroptik, die der Strahl an einer bestimmten Scannerposition durchläuft.
• Eine Kalibrierung des optischen Pfads kann ähnlich wie die Kalibrierung der Co-Registrierung des Scanfeld-Prozessstrahls automatisiert werden. Eine Synchronisation mit dem Laser ist für diese Kalibrierung nicht erforderlich. Das PM weist den Laser an, in einen Aus- oder Ruhezustand zu gehen. Das PM signalisiert der Zelle, ein flaches Kalibrierungsziel oder ein Kalibrierungsziel mit bekannter Oberflächenkrümmung und -neigung zu laden. Sobald das Teil geladen ist, signalisiert die Zelle dies dem PM. Das PM lenkt dann den Scankopf zu einer spezifizierten Position innerhalb des Scanfeldes und wartet auf ein In-Position-Signal von dem Scankopf. Sobald der PM in Position ist, weist er das CI-System an, seine Kalibrierungsmessung durchzuführen. Diese Messung erfolgt häufig in Form einer optischen Pfadlängenmessung. Die Messung wird dann von dem CI-System verarbeitet, um die optische Pfadabweichung zu bestimmen. In dem Fall einer bekannten gekrümmten oder geneigten Oberfläche führt die Verarbeitungseinheit des CI-Systems die Abflachungskorrekturen an der Messung der Abweichung des optischen Pfads durch. Die optische Pfadabweichung wird normalerweise relativ zu der optischen Pfadlänge zu dem Werkstück am Ursprung des Scanfelds gemessen. Es können jedoch andere Referenzen (z. B. eine Ebene, die von der Arbeitsebene des Scankopfs um 2 mm defokussiert ist) verwendet werden.
• Sobald das CI-System seine Messung an einer bestimmten Position durchgeführt hat, signalisiert es dies dem PM, der wiederum dem Scankopf signalisiert, sich zur nächsten Position zu bewegen, und der Prozess wird wiederholt. Sobald die optische Pfadkalibrierung an den Zielpunkten in dem gesamten Scanfeld durchgeführt wurde, erstellt das Verarbeitungsmodul des CI-Systems eine Nachschlagetabelle oder ein Modell (z. B. einen Fit), um optische Pfadlängenkorrekturen als Funktion der Scanfeldposition bei der Durchführung der Prozessmessungen zu implementieren. Wenn sie für die Co-Registrierung des Prozessstrahls um das Scanfeld durchgeführt sind, nutzt das CI-System die Kenntnis des Scanfeldpfads und die Synchronisation mit diesem während einer Laserbearbeitungsanwendung, um die Korrekturen zu implementieren. Dies wird normalerweise durch direkte oder indirekte Kommunikation entweder mit dem PM oder dem Scankopf erreicht. Diese Kommunikation kann zu verschiedenen Zeiten durchgeführt werden, einschließlich: bevor der Prozess gestartet wird, um dem CI-System die Möglichkeit zu geben, Berechnungen durchzuführen, um die Messung des Prozesses vorzubereiten; in Echtzeit während der Laserbearbeitungsanwendung; und nach einem Testlauf der Anwendung.
• Ähnliche Kalibrierungsmessungen können um das Scanfeld herum durchgeführt werden, um Folgendes zu kalibrieren: die optische Dispersion des Messstrahls als eine Funktion der Scanfeldposition; Änderungen der Brennweite des Messstrahls als Funktion der Scanfeldposition; Änderungen in der Skalierung des Bezugsrahmens des Werkstücks als Funktion der Scanfeldposition; und Änderungen in der Rotation des Bezugsrahmens des Werkstücks als Funktion der Scanfeldposition.
• Während die automatisierten Kalibrierungsverfahren hierin im Kontext einer kompletten Zellanordnung beschrieben werden, ist es möglich, bestimmte Kalibrierungen nur mit den relevanten Subsystemen und Teilmodulen durchzuführen. Beispielsweise kann die optische Pfadkalibrierung an einer Zelle ohne einen betriebsbereiten Laser durchgeführt werden.
• Systeminbetriebnahme
• Um den Arbeitsaufwand während der Systeminbetriebnahme zu begrenzen, können zum Zeitpunkt der Herstellung so viele Kalibrierungsprozesse wie möglich durchgeführt werden. Aufgrund der oben beschriebenen Einschränkungen ist es jedoch nicht immer möglich, das CI-System vor der Inbetriebnahme in die Zelle oder den Laserkopf zu integrieren. Auf ähnliche Weise können, solange während der Herstellung des Systems möglicherweise eine Kalibrierung durchgeführt wurde, eine Neukalibrierung bestimmter Aspekte des Systems erwünscht sein, als Ergebnis von Fehlausrichtungen aufgrund von Versand und Installation.
• Im Allgemeinen spiegelt die Implementierung der Kalibrierungsverfahren während der Systeminbetriebnahme die zum Zeitpunkt der Herstellung, oder eine Teilmenge der Verfahren, wider. In diesem Fall kann der Prozessmaster ebenfalls das CI-System oder eine Steuerung am Ort der Endnutzung sein. Anstatt einige der Kalibrierroutinen vollständig durchzuführen, können automatisierte Inbetriebnahme-Checks durchgeführt werden, um zu bestimmen, welche Kalibrierungen noch genau sind und welche neu kalibriert werden müssen. Diese automatisierten Inbetriebnahme-Checks weisen im Allgemeinen die gleiche Art von Synchronisation und Kommunikation zwischen den verschiedenen Subsystemen und dem Prozessmaster auf, wie sie für vollständige Kalibrierungen durchgeführt wird. Die Operationen sind jedoch im Allgemeinen weniger zeitintensiv. Beispielsweise kann eine Überprüfung der Kalibrierung des optischen Pfads das Durchführen von Abweichungsmessungen des optischen Pfads an einer kleinen Teilmenge der Zielpunkte innerhalb des Scanfelds beinhalten. Wenn diese Messungen mit denen übereinstimmen, die während der Systemherstellung vorgenommen wurden, gilt die Kalibrierung als genau. Wenn die Prüfung fehlschlägt, wird die optische Pfadkalibrierung erneut durchgeführt.
• Wie oben beschrieben, kann das CI-System oder der Prozessmaster seinen Kalibrierungszustand verfolgen, um ihn der Person anzuzeigen, die das System in Betrieb nimmt. Dies kann beispielsweise verwendet werden, um die Person über die verbleibenden Prozeduren zu informieren, kann verwendet werden, um bestimmte Operationen der Zelle zu blockieren, bis die Inbetriebnahme abgeschlossen ist, oder kann verwendet werden, um dem Benutzer eine Mitteilung bereitzustellen, dass die Inbetriebnahme abgeschlossen ist. Während der PM verwendet werden kann, um den Inbetriebnahmeprozess zu automatisieren, können Einschränkungen bei der Zellsignalisierung und den Kommunikationsschemata einige manuelle Interaktionen beinhalten (z. B. das Laden von Kalibrierungszielen und das Drücken einer Taste nach dem Laden).
• Überwachung und Aktualisierung der Messauftragskalibrierung
• Bei Laserbearbeitungsanwendungen stellen CI-Systemmessungen des Phasenänderungsbereichs wichtige Informationen über den Prozess bereit. Bei vielen dieser Anwendungen werden CI-Messungen durchgeführt, die auf spezifische Subregionen des PCR abzielen, um die Zielprozessinformationen zu erhalten. Beispielsweise ist es beim Stichloch-Laserschweißen wünschenswert, den Messstrahl auf den Dampfkanal auszurichten, der während des Schweißprozesses auf dem geschweißten Teil erzeugt wird, um die Dampfkapillare-Tiefe zu messen.
• Bei vielen Laserschweißprozessen hängt die Position des Dampfkanals relativ zum Bearbeitungsstrahl von vielen Faktoren ab, die aufweisen, aber nicht beschränkt sind auf: Materialart; Materialgeometrie; Prozessgeschwindigkeit; Prozessleistung; Prozesspfad; Wackelmuster; Einsatz von Schutzgas; Schwadenunterdrückungstechniken; Umweltbedingungen; und Defokussieren. Häufig wird durch das CI-System eine Kalibrierung durchgeführt, um die Dampfkanalposition relativ zu dem Prozessstrahl für einen gegebenen Prozess oder Teilbereich eines Prozesses zu bestimmen. Sobald diese Kalibrierung eingerichtet wurde, ist sie oft exakt für kleine Störungen der oben beschriebenen Prozessparameter und -bedingungen. Eine Neukalibrierung der Position des Dampfkanals kann jedoch wünschenswert sein, wenn Änderungen in einem großen Maßstab auftreten. Ähnliche Kalibrierungen zu Aspekten des Prozessparameterraums können in anderen Laserbearbeitungsanwendungen durchgeführt werden.
• In einer Laserbearbeitungszelle mit einem integrierten CI-System können automatisierte Arbeitsabläufe eingerichtet werden, um prozessspezifische Kalibrierungen durchzuführen. Bei Dampfkapillare-Ausrichtungen beim Laserschweißen können innerhalb des CI-Systems spezifische Ausrichtungsaufträge definiert werden. Diese Ausrichtungsaufträge können vor jedem neuen Prozesstyp ausgeführt werden, um die Kalibrierung zu bestimmen. Sie können auch periodisch ausgeführt und mit Messaufgaben des Laserprozesses durchsetzt werden, um die Kalibrierung wie gewünscht zu verifizieren oder zu aktualisieren.
• Ein Dampfkapillare-Kalibrierungsauftrag kann eine Folge von kohärenten Messungen über das Zentrum des Prozessstrahls sein, die auf ein spezifisches kohärentes Messsignalmerkmal abzielen (z. B. die tiefste Tiefe, spezifische Tiefenvariation, spezifischer Tiefenbereich, spezifische Intensitätssignalpegel usw.). In ähnlicher Weise können auch Prozessstrahlungsmessungen, wie oben beschrieben, verwendet werden, um die Dampfkapillare-Kalibrierungsmessungen durchzuführen. Sobald die Messungen durchgeführt sind, führt die Verarbeitungseinheit des CI-Systems die Algorithmen oder Bilderkennungsroutinen durch, um die spezifische Kalibrierung zu identifizieren.
• Zusätzlich zum Aktualisieren, wie das CI-System seinen Messstrahl positioniert, um den Dampfkanal zu messen, können Dampfkapillare-Kalibrierungsmessungen verwendet werden, um Messaufträgen (oder Aspekten des Messauftrags) des Laserprozesses eine Gütemetrik zuzuweisen. Diese Gütemetrik kann als Vertrauensindikator für die Ausgabe verwendet werden, oder kann verwendet werden, um dem Benutzer oder Prozessmaster eine Mitteilung bereitzustellen, dass Operationen gestoppt werden sollten, bis eine neue Kalibrierung angewendet wird.
• In einigen Ausführungsformen der Vorrichtung können die Unterkomponenten des CI-Systems ermöglichen, dass Dampfkapillare-Kalibrierungsmessungen parallel zu Dampfkapillare-Messungen des Laserprozesses selbst durchgeführt werden. Dabei sind keine abwechselnden oder eingestreuten Kalibriermessungen mit Zielmessungen des Prozesses erforderlich. Stattdessen können Dampfkapillare-Kalibrierungsmessungen während des Prozesses selbst durchgeführt und in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit auf das CI-System angewendet werden.
• Es ist auch möglich, solche Kalibrierungsmessungen neben dem Prozessmessungsauftrag durch Ressourcenaufteilungstechniken durchzuführen. Beispielsweise können Dampfkapillare-Kalibrierungsmessungen neben Dampfkapillare-Tiefenmessungen durchgeführt werden, indem die Zielposition des Messstrahls relativ zu der erwarteten Dampfkapillare-Position für einen bestimmten Teil der Dampfkapillare-Tiefenmessperiode und in bestimmten Intervallen eingestellt wird. Dieses Signal kann mit dem nominalen Dampfkapillare-Positionssignal verglichen werden, um zu bestimmen, ob eine verbesserte Kalibrierung existiert. Ein solcher Vergleich kann auf Signaleigenschaften, wie etwa Signalintensität, Signaldichte, Signalvariation usw., basieren.
• Während ein Prozess nominal konstant sein kann, kann aufgrund von unkontrollierten Änderungen der Prozessumgebung eine periodische Dampfkapillare-Neukalibrierung erwünscht sein. Zu diesen unkontrollierten Änderungen gehören, ohne Einschränkung, thermische Änderungen an der Prozessausrüstung, mechanischer Verschleiß an der Prozessausrüstung, Kontaminierung der Laserkopfoptik, Abweichungen bei Prozessrohmaterialien und Komponentenspezifikationen, Änderungen an Prozessvorrichtungen, thermische Änderungen am CI-System, und mechanische Änderungen am CI-System.
• In einigen Implementierungen werden Kalibrierungsmessungen durch das CI-System durchgeführt, durch das CI-System verarbeitet, und durch das CI-System automatisch ohne Eingreifen des Benutzers angewendet. Bei anderen Implementierungen können jedoch physische oder behördliche Einschränkungen ein gewisses Maß an Benutzerinteraktion (z. B. Bestätigung einer aktualisierten Kalibrierung) beinhalten, bevor die neue Kalibrierung implementiert wird.
• Automatische Prozesswartung, Protokollierung, und Benutzer lexterne Kommunikation
• Automatische Kalibrierungsmessungen, die während einer Reihe ähnlicher Laserprozesse durchgeführt werden, stellen Daten bereit, um die Erzeugung von Langzeitstatistiken, Prozesstrendanalysen, und eine Überwachung des Betriebszustands der Zelle zu ermöglichen. Beispielsweise ist es durch Sammeln der rückgestreuten Intensität des Bildgebungsstrahls von einer Werkstückoberfläche über die Zeit möglich, eine Intensitätsabnahme als Funktion der Zeit zu sehen. Eine reduzierte Intensität kann mit einer Kontaminierung des Deckglases des Laserkopfes einhergehen, wenn mehr Material verarbeitet wird. Ebenso kann sie auch mit einer alternden Lichtquelle oder einer stärkeren Materialverunreinigung einhergehen. Durch das Einrichten zusätzlicher Kalibrierungszielpunkte, wie etwa jene innerhalb des Laserkopfs und jene unterhalb des Laserkopfs, ist es möglich, Quellen mit reduzierter Intensität zu isolieren. Eine solche Isolierung ist beim Identifizieren eines kontaminierten Deckglases nützlich. Sobald es identifiziert ist, kann das CI-System dem Benutzer direkt oder indirekt über den Prozessmaster eine Mitteilung bereitstellen, um anzuzeigen, dass ein neues Deckglas verwendet werden sollte. Bei anderen Systemen kann dieses Signal automatisiert werden, so dass das Deckglas häufiger ausgetauscht wird. Die Mitteilung an den Benutzer kann in Form von visuellen Signalen auf der Zelle (z. B. LEDs, Displays), Audiosignalen von der Zelle (z. B. Töne, Summer) oder elektronischen Benachrichtigungen (z. B. Smartphone-Apps, Tablet-Apps, tragbare Technologie, PC-Programme, E-Mail) erfolgen.
• In ähnlicher Weise kann das Protokollieren anderer Kalibrierungsmessungen verwendet werden, um subtile Prozessänderungen zu identifizieren. Beispielsweise können kleine Änderungen an der Dampfkapillare-Positionskalibrierung im Laufe der Zeit mit Änderungen in den Prozessumgebungen und der Teilebefestigung verbunden sein. Diese langfristigen Trends können verwendet werden, um die Quelle der Änderung zu identifizieren und den Prozess und seine Ausrüstung zu beheben. Das Protokollieren von Prozessstrahl-Co-Registrierungs-Kalibrierungen kann beim Identifizieren von Problemen mit optischen Komponenten im Zusammenhang mit der Strahlzufuhr in den Kopf nützlich sein. Trends können über die Zeit und mit anderen Datenquellen verglichen werden, um Probleme, wie thermische Linsenbildung, Schäden an optischen Komponenten und lose optische Komponenten, zu identifizieren.
• Bei vielen Laserbearbeitungsanwendungen ermöglicht die Kenntnis des Fokuspunkts des Prozessstrahls Prozessergebnisse von ausreichender Qualität. Die Positionierung der Werkstückoberfläche relativ zu der Fokalebene eines Bearbeitungslaserstrahls ist wichtig für die richtige Energieeinkopplung in das Material während des Prozesses. Häufig wird das Material, das einer Laserbearbeitung unterzogen wird, mit seiner Oberfläche in der Fokalebene des Laserstrahls positioniert, um die Energieeinkopplung an der Materialoberfläche zu maximieren. Es ist jedoch auch üblich, die Materialoberfläche von der Fokalebene zu versetzen (häufig als Defokussieren bezeichnet), um die Laserstrahlenergie über einen größeren Oberflächenbereich zu verteilen. Der Fachmann kann den Strahl absichtlich in das Material hinein oder von diesem weg defokussieren. In ähnlicher Weise kann die Fähigkeit, die räumliche Position des Laserpunkts über der Oberfläche des Werkstücks zu registrieren, sicherstellen, dass der Zielmaterialbereich bearbeitet wird.
• An einer Laserbearbeitungsstation mit integriertem CI-System ist es möglich, das CI-System als Führungssystem zu verwenden, um die Fokalebene des Prozessstrahls relativ zur Oberfläche des Teils zu lokalisieren sowie die laterale (XY) Position des Prozessstrahlspots über der Materialoberfläche zu lokalisieren. Die von dem CI-System bereitgestellten Informationen über den 3D-Fokusspot des Prozessstrahls können von einem Maschinenbediener während der Einrichtung über einem neuen Teil verwendet oder automatisch an eine Maschinensteuerung (z. B. eine SPS, Robotersteuerung, Scankopfsteuerung, usw.) übermittelt werden, um die optischen oder mechanischen Einstellungen zu betätigen, um den Fokus des Prozessstrahls in der gewünschten Position in Bezug auf das Werkstück zu positionieren. Solche Anpassungen können für eine Vielzahl von Anwendungen wünschenswert sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Prozesse mit hoher Toleranz (z. B. Laserbearbeitung mit einem Einzelmodenstrahl) und Fließbandprozesse, bei denen eine Materialtoleranzschwankung oder eine Verschlechterung der Prozessbefestigung eine aktive Kompensation von einem Teil zum nächsten erfordern können.
• Damit ein CI-System als Führungssystem verwendet werden kann, kann das CI-System auf die Fokalebene und die laterale Position des Prozessstrahls kalibriert werden. Andere hier dargestellte Beispiele skizzieren mögliche Techniken zum Kalibrieren der seitlichen Position des Prozessstrahls auf der Oberfläche eines Materials. Diese Techniken können auch im folgenden Beispiel angewendet werden, um ein CI-System auf die 3D-Fokusposition des Prozessstrahls zu kalibrieren. Der Einfachheit halber weist das Beispiel hier ein Abtasten des Messstrahls des CI-Systems in einem rechteckigen Muster um die Oberfläche eines Materials herum und ein Verwenden der Höhenmessungen des CI-Systems, um einen Spot auf der Oberfläche des Materials aufzulösen, der durch den Prozessstrahl markiert ist, auf. Es können jedoch auch andere CI-System-Messmodalitäten (z. B. Schwarzkörper-Emissionsmessung) und andere Scan-Strategien verwendet werden. In ähnlicher Weise kann das CI-System direkt mit der Prozesssteuerung kommunizieren, um den Kalibrierungsprozess automatisch durchzuführen, oder es kann in einigen Fällen eine Benutzerinteraktion erfordern. Ein beispielhafter automatisierter Kalibrierungsprozess wird nachstehend ausführlicher beschrieben.
• Die Prozesssteuerung kommuniziert mit der Bewegungssteuerungsausrüstung, um den Laserkopf in Bezug auf ein Kalibrierungsziel oder Werkstück zu positionieren. Dies kann Laden eines Zielmaterials unter den Laserbearbeitungskopf oder Positionieren des Laserbearbeitungskopfs an einer neuen Position, um auf das Zielmaterial zu zielen, beinhalten.
• Die Prozesssteuerung weist den Laser an (z. B. durch digitale Signalisierung oder Standardkommunikationsprotokolle, wie TCP/IP), einen Punkt auf der Zieloberfläche zu markieren. Die Parameter dieses Prozesses können von der Steuerung vordefiniert, im Laser selbst voreingestellt, oder durch Kommunikation mit dem CI-System erhalten werden. Sobald der Spot gemacht wurde, weist die Prozesssteuerung das CI-System an, seinen Kalibrierungsvorgang durchzuführen. Das CI-System kann einen rechteckigen Scan (oder andere hierin offenbarte Muster) über die Oberfläche des Teils durchführen, um den abgegrenzten Bereich auf der Oberfläche des Werkstücks zu detektieren, wie in dem Bild in 25 gezeigt wird.
• Unter Verwendung der hierin beschriebenen Kontrastdetektionsalgorithmen identifiziert das CI-System einen Laserpunktdurchmesser (Proxy) unter Verwendung von Bildgebungsdaten, die es sammelt, wie in 25 gezeigt. Obwohl Speckle in dem Bild erscheinen, widerstehen die Detektionsalgorithmen den Effekten des Speckle, und die Speckle-Größe kann reduziert werden, indem die numerische Apertur des Strahlführungssystems für das CI-System erhöht wird.
• Sobald die Kalibrierungsmessungen des CI-Systems erfasst sind, verarbeitet das CI-System die Informationen, um automatisch Größen über den abgegrenzten Fleck zu berechnen, wie z. B. die Position seines Zentrums und seinen Durchmesser. Beachte, dass durch Fitten oder Spitzen zum Finden des Schwerpunkts auf den axialen Messungen des CI-Systems die Effekte des Speckle und Quantisierungsrauschen im Bild reduziert werden können. In einigen Ausführungsformen ermöglicht ein sicheres Softwaremerkmal dem Hersteller, die den Endbenutzern zur Verfügung gestellte axiale Auflösung zu begrenzen, um behördliche Vorschriften in Bezug auf die Geräteleistung besser einzuhalten.
• Weitere Erweiterungen dieses Verfahrens weisen ein iteratives CI-Systemabtasten auf, um verschiedene Suchbereiche zu kacheln und/oder den Scanbereich zu modifizieren, um den Punkt besser zu lokalisieren. In ähnlicher Weise kann das CI-System iterativ mit der Prozesssteuerung (oder direkt mit dem Laser) kommunizieren, um zusätzliche Punkte abzufeuern, um den Kontrast zu verbessern oder bei Bedarf eine genauere zeitliche Synchronisation mit dem Laserbearbeitungsereignis bereitzustellen.
• Die XY-Zentrumsposition des Punkts wird als Proxy für die laterale Position des Prozessstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks verwendet. Der Durchmesser des Spots kann als Näherungswert für den Prozessstrahldurchmesser an der Oberfläche des Materials verwendet werden, obwohl dies indirekter ist, da thermische Effekte des Prozesses im Allgemeinen eine viel größere Markierung auf einer Materialoberfläche als die Spotgröße des Prozessstrahls produziert.
• Eine weitere Erweiterung dieses Kalibrierungsverfahrens weist ein Durchführen einer Reihe dieser Art von Kalibrierung bei variierenden Laserkopf-Versatz-Distanzen (d. h. der Distanz zwischen dem Laserkopf und der Werkstückoberfläche) auf.
• Diese Reihe von Messungen erzeugt einen Spot- (Proxy-) Durchmesser als eine Funktion der Versatzdistanz. Während solcher Messungen kann die Versatzdistanz über die Prozesssteuerung an das CI-System übermittelt werden, oder direkt durch das CI-System selbst (über seine Höhenmessfähigkeit) gemessen werden. Beispielsweise können CI-System-Höhenmessungen nahe der Peripherie des rechteckigen Abtastbereichs (d. h. Bereiche, die den lasermarkierten Spot nicht enthalten) gemittelt werden, um eine CI-System-Messung der Versatzdistanz zur Werkstückoberfläche zu produzieren.
• Dann wird der Spot- (Proxy-) Durchmesser als Funktion der Versatzdistanz analysiert, um die Fokalebene des Laserstrahls zu bestimmen. In einigen Fällen kann diese Analyse das Finden der Versatzdistanz, die dem minimalen Spotdurchmesser zugeordnet ist, aufweisen. In einigen Fällen kann das Fitten dieser Daten an eine Funktion (z. B. eine Gaußsche Strahlbreitengleichung) verwendet werden, um die Robustheit der Kalibrierung zu erhöhen.
• In anderen Kalibrierungsroutinen, die andere Laserprozesse verwenden, können andere Metriken als Funktion der Versatzdistanz verwendet werden, um die Fokalebene zu identifizieren. Beispiele können aufweisen: Maximieren der Schwarzkörper-Strahlungsintensität, Maximieren der Punkttiefe, Maximieren der Punktgröße, Maximieren der Punkthöhenvariation, Minimieren der Punkthöhenvariation, Maximieren der Schwarzkörperstrahlung, Maximieren des Schwarzkörper-Emitter-Durchmessers, lokales Maximieren eines Schwarzkörper-Emitter-Durchmessers, Minimieren des Schwarzkörper-Emitter-Durchmessers, Maximieren der Spotsymmetrie (Minimierung des Astigmatismus), Minimieren der Breite eines lasergeritzten Merkmals, und Maximieren der Breite eines lasergeritzten Merkmals.
• Derselbe Spot- (Proxy-) Durchmesser als eine Funktion von Versatzdistanzdaten kann auch verwendet werden, um einen Proxy für die Prozessstrahlkaustik zu erzeugen. Diese Informationen können weiterhin von dem CI-System gespeichert oder analysiert werden, um einen Hinweis auf die Strahlqualität zu produzieren. Die Informationen können auch zur externen Analyse an die Laserzelle oder einen Benutzer übermittelt werden. Die Strahlqualitätsanalyse ist während der Inbetriebnahme von Lasern und Zellen nützlich, um eine ordnungsgemäße Funktionalität sicherzustellen. In ähnlicher Weise können regelmäßige Strahlqualitätsmessungen und - analysen oder Messungen und Analysen, die einem erwarteten schädlichem Verhalten folgen (z. B. Erzeugen von Spritzern auf dem Deckglas des Laserkopfs, Aufprall mechanischer Systeme), verwendet werden, um die kontinuierliche Strahlabgabequalität zu verifizieren und/oder Probleme zu identifizieren. Eine ähnliche Messung und Analyse kann verwendet werden, um eine suboptimale Strahlabgabeleistung zu identifizieren (z. B. thermische Linsenbildung, die eine Verschiebung der Fokusposition produziert).
• Es sollte beachtet werden, dass für bestimmte Kombinationen von Energiestrahlparametern und Materialien Minima im scheinbaren Spot- (Proxy-) Durchmesser auf einer oder mehreren Seiten des wahren Fokusminimums des Prozessstrahls vorhanden sein können. Dies liegt daran, dass einige Prozesse bei der höchsten Intensität (strengster Fokus) einen Keyhole- (Dampfkapillare) Modus früher initiieren und somit mehr Gesamtenergie absorbieren, was zu einem größeren thermischen Effekt und somit einem größeren scheinbaren Spot- (Proxy-) Durchmesser führt.
• Regelmäßige Messungen eines Prozessstrahlkalibrierungspunkts können auch über die Zeit verwendet werden, um den Zellzustand zu verfolgen und Prozessprobleme zu identifizieren. Durch das Protokollieren von Kalibrierungsmetriken (z. B. eine Punkt-XY-Position, ein Punktdurchmesser, eine Schwarzkörperintensität, usw.) kann das CI-System Trends in den Daten analysieren, um potenzielle Probleme in den Strahlabgabekomponenten anzuzeigen. Beispielsweise können Deckglasoptiken durch Prozessauswurf kontaminiert werden und im Laufe der Zeit zu Strahlübertragungsproblemen zur Folge haben. Dies kann sich als ein kleinerer Durchmesser des markierten Spots oder, im Fall eines schwarzen Körpers, als ein schwächerer Emitter eines schwarzen Körpers äußern. In ähnlicher Weise können Trends in protokollierten Metriken aufgrund lockerer, beschädigter oder suboptimaler Strahlführungsoptiken beobachtet werden. Diese Informationen können direkt von dem CI-System präsentiert werden (z. B. durch eine Meldung), oder können einem CI-Systembenutzer oder einer Laserzellensteuerung zur externen Analyse mitgeteilt werden.
• Alle diese Ansätze wenden Variationen dieses Prinzips an: die gleiche Energie, die auf das gleiche Material mit dem gleichen zeitlichen Leistungsprofil angewendet wird, sollte sehr ähnliche Ergebnisse produzieren. Wenn irgendeine dieser Messungen der Oberflächenmarkierung im Laufe der Zeit wesentlich variiert, sind diese Variationen wahrscheinlich Proxys für Variationen in der Leistung der Laserquelle und des Strahlzuführungssystems.
• Der Prozessstrahlkalibrierungsprozess kann ferner mit anderen Kalibrierungsmessungen des CI-Systems kombiniert werden, um die Anzahl der Schritte oder die Gesamtzeit zu reduzieren, die für mehrere Kalibrierungen erforderlich sind. Beispielsweise können unbearbeitete Bereiche an der Peripherie der rechteckigen Abtastbereichs-Höhenkarte verwendet werden, um die Werkstückneigung und die optische Neigung zu kalibrieren, die durch unterschiedliche Strahlzuführungspfade eingeführt werden (besonders relevant bei strahlabtastenden Laserköpfen). Eine ähnliche Protokollierung dieser zusätzlichen Kalibrierungsmetriken des CI-Systems kann verwendet werden, um zusätzliche Aspekte der Zellgesundheit und Prozessprobleme (z. B. Verschleiß der Zellhalterung) zu identifizieren.
• Während bestimmter Kalibrierungsverfahren des CI-Systems kann es ausreichen, ein leicht erhältliches Material als Kalibrierungsziel zu verwenden (z. B. Blech). Bei einigen CI-Systemkalibrierungen kann das Kalibrierungsziel das Werkstück sein, das einer Lasermaterialbearbeitung unterzogen wird (d. h. ein Vorproduktionsteil), oder ein Werkstück, nachdem es einer Materialbearbeitung unterzogen wurde (d. h. ein Nachproduktionsteil). Für andere Kalibrierungen von CI-Systemen kann ein speziell für die Kalibrierung hergestelltes kalibriertes Ziel erforderlich sein.
• In einigen Ausführungsformen werden das CI-System und/oder Kameradaten verwendet, um eine Bewegungsrichtung für ein Bewegungssystem (z. B. Roboter, Linearachsen oder lineares Fördersystem) relativ zum Kopf zu identifizieren. Ähnliche CI-Systemmessungen können verwendet werden, um Werkstückplatzierungen, Werkstückorientierungen, Halterungsplatzierung und Halterungsorientierung relativ zu dem Kopf zu identifizieren. Dies würde eine präzise Berechnung des sogenannten „Welding-on-the-Fly“ oder von koordinierten Bewegungsvorgängen ermöglichen.
• Schließlich ist in einigen Ausführungsformen das Kalibrierungsziel starr an einem Nicht-Werkstück-Objekt befestigt, was eine Lokalisierung und Orientierung des Nicht-Werkstück-Objekts relativ zu den Strahlabgabe- und Bewegungssteuerungssystemen (z. B. Roboter) ermöglichen würde.
• Zustandsüberwachung des CI-Systems
• Automatische Kalibrierungsmessungen sind, zusätzlich dazu, dass sie beim Identifizieren von Prozessproblemen und Laserzellenproblemen nützlich sind, beim Überwachen des Status und der Gesundheit des CI-Systems selbst nützlich. Kalibrierungsmessungen können regelmäßig mit dem ausdrücklichen Zweck durchgeführt werden, den Betriebsstatus des CI-Systems zu bestimmen. Kalibrierungsmessungen können mit dem Zweck durchgeführt werden, einen anderen Aspekt des CI-Systems zu kalibrieren, können aber auch verwendet oder umfunktioniert werden, um den Zustand des CI-Systems oder Änderungen des Zustands des CI-Systems festzustellen.
• Im Allgemeinen kann eine zu breite Gruppierung von wiederholten Prozessstrahlausrichtungen oder anderen Kalibrierungen als Indikatoren für eine unangemessene Lasersystem- oder CI-Systemleistung dienen oder eine Unzulänglichkeit im automatischen Ausrichtungsprozess darstellen. Bei jedem dieser Ereignisse können Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung einen Schwellenwert für die Verteilung von automatisch berechneten Ausrichtungen als Auslöser für eine Ankündigung oder ein externes Signal verwenden, um Hilfe anzufordern oder die weitere Verarbeitung zu stoppen, bis der Fehlerzustand behoben werden kann.
• Rückreflexionsmessungen von Kalibrierungszielen innerhalb des Kopfes können zur Identifizierung einer alternden Lichtquelle verwendet werden. Abnehmende Trends der Ausgabeleistung der Lichtquelle können dann an das CI-System zurückgeführt werden, um den Treiberstrom der Lichtquelle zu erhöhen oder auf ähnliche Weise eine höhere Nennausgangsleistung anzuweisen, um ähnliche Ausgabeleistungsniveaus zu erreichen, wenn die Leistung im Laufe der Zeit abnimmt.
• Ähnliche Kalibrierungen können verwendet werden, um Korrekturmaßnahmen für Folgendes zu erkennen und zu implementieren: den Zustand des optischen Bezugspfads des kohärenten Systems (z. B. Änderungen in der Länge, im Brechungsindex, in der Transmission, Dispersion usw.); den Zustand des optischen Pfades der Probe des kohärenten Systems (z. B. Änderungen der Länge, des Brechungsindex, der Transmission, der Dispersion usw.); spektrale Fehlausrichtungen oder Kalibrierungsprobleme in dem Detektor des CI-Systems; und Erkennen von spektralen Instabilitäten in der Lichtquelle des CI-Systems.
• In den obigen Beispielen können die korrigierende(n) Maßnahme oder Maßnahmen verwendet werden, um das Problem zu beheben und dem CI-System zu ermöglichen, weiterhin ordnungsgemäß zu funktionieren. In anderen Fällen können die Korrekturmaßnahmen jedoch bereits angewendet worden sein und können nicht mehr erneut angewendet werden (z. B. bei Ausschöpfen des Lichtquellen-Ansteuerstroms), oder es kann keine Abhilfemaßnahme angewendet werden. In diesem Fall kann die Korrekturmaßnahme darin bestehen, dem Prozessmaster und/oder dem Benutzer eine Benachrichtigung bereitzustellen, um anzuzeigen, dass das System nicht mehr richtig funktioniert und gewartet oder ersetzt werden muss. In einigen Fällen kann dieses Signal verwendet werden, um auf ein Ersatz-CI-System oder auf Ersatzsystem-Unterkomponenten umzuschalten.
• Überwachungstrends in Systemkalibrierungsdaten können gesammelt und analysiert werden, um Statistiken über die Kalibrierungsstabilität zu erstellen und probabilistische Fehlermodus- und Auswirkungsanalysedaten (FMEA) zu erhalten. Beispielsweise können beim Laserstichlochschweißen Dampfkapillare-Ausrichtungs-Kalibrierungsdaten verwendet werden, um die Ausrichtungsstabilität für einen bestimmten Laserschweißprozess zu bestimmen. Die Auswirkungen kleiner Ausrichtungsänderungen auf die Messqualität des CI-Systems können charakterisiert und verwendet werden, um die gewünschte Häufigkeit der Neukalibrierung zu bestimmen. Schweißprozesse, die sehr empfindlich auf eine Dampfkapillare-Fehlausrichtung reagieren, erfordern möglicherweise eine häufigere Neukalibrierung. In ähnlicher Weise sind Schweißprozesse, die sehr empfindlich auf eine Dampfkapillare-Fehlausrichtung reagieren, oft instabilere Prozesse. In diesem Fall können die Kalibrierungsdaten der Dampfkapillare-Ausrichtung als Proxy verwendet werden, um die Stabilität des Schweißprozesses im Allgemeinen anzugeben, und können als Bestimmung für die Prozessqualität und die Notwendigkeit einer weiteren Optimierung verwendet werden. Wenn das CI-System bestimmt, dass eine spezifische Neukalibrierung erwünscht ist oder dass eine Kalibrierung nicht mehr genau ist, kann es automatisch die Kalibrierungsroutine durchführen oder kann der Zelle oder dem Benutzer einen Hinweis darüber geben, dass ein solches Verfahren für den fortgesetzten Betrieb durchgeführt werden sollte.
• Maschinenlesbare Codeerkennung
• In vielen Industrien ist es nützlich, Teile-Identifikationsmarkierungen, wie Strichcodes oder QR-Codes, auf den Oberflächen von Produkten, Komponenten und Unterkomponenten zu integrieren. Solche Identifikationsmarker können für die Bestandsverfolgung, die Verfolgung des Endverbrauchs von Produkten, die Herkunftsbeschaffung und Sicherheitsmarkierungen nützlich sein.
• In einigen Anwendungen kann ein CI-System für ein solches Abtasten von Identifikationsmarkierungen verwendet werden. Eine CI-Systemkalibrierung kann verwendet werden, um geeignete Messstrahlabtaststrategien und Messverarbeitungsalgorithmen (oder Konfigurationen) zu erreichen, um die Identifikationsmarkierung zuverlässig zu erkennen. Die Kalibrierung kann beispielsweise verwendet werden, um unterschiedliche Materialhintergründe, Farben der Identifikationsmarkierungen, Höhen/Tiefen der Identifikationsmarkierungen, Positionen der Identifikationsmarkierungen, und Größen der Identifikationsmarkierungen zu berücksichtigen. In dem Fall, in dem diese Markierungen Teil eines Qualitätskontrollsystems wären, wäre das CI-System in der Lage, die Markierungsdaten zu Detektieren und sie mit anderen CI-Systemmessungen zu korrelieren, die vor, während und nach der Messung der Markierung vorgenommen wurden.
• Als Teil des Erzeugungsprozesses für solche Identifikationsmarker kann auch ein CI-System verwendet werden. Beispielsweise kann das CI-System verwendet werden, um eine Markierung zu messen, und um zu bestimmen, ob sie eine ausreichende Tiefe/Höhe oder eine ausreichende Verfärbung aufweist. Ausgaben von dem CI-System können während der Identifikationsmarkierungs-Verarbeitungsstufe zurückgeführt werden, um den Markierungsprozess zu modifizieren. Eine übliche Umsetzung dieses Prozesses erfolgt im Kontext von lasererzeugten Identifikationsmarkierungen (z. B. Lasermarkierungs- oder Laserritzprozessen). Der Laser, der das Werkstück markiert, kann derselbe Laser sein, der die Laserbearbeitung des Werkstücks durchführt. Die Markierung kann im Kontext mit der Laserbearbeitungsumgebung erfolgen oder kann vor oder nach dem Prozess selbst durchgeführt werden.
• In einigen Ausführungsformen kann ein CI-System als Identifikationsmarker-Lesegerät verwendet werden. Es kann vorteilhaft sein, wenn einige Identifikationsmarkierungen für herkömmliche Lesegeräte (z. B. Strichcode-Lesegeräte, Kameras, LED-Scanner) unsichtbar sind. Diese Markierungen können beispielsweise verwendet werden, um Produktkennungen aus Sicherheits- oder ästhetischen Gründen zu verbergen. Ein CI-System kann verwendet werden, um den Laserprozess bei der Erzeugung solcher Markierungen zu führen und eine Rückmeldung über die Qualität des Erzeugungsprozesses zu geben. Solche Markierungen können durch Markieren von Merkmalen auf der Oberfläche eines Materials erzeugt werden, die sich primär für die CI-Messungsdetektion eignen (z. B. Submikron-Merkmale). Bei optisch transparenten oder halbtransparenten Materialien (bei den Farben des CI-Messstrahls oder Prozessstrahls) können solche Merkmale unter der Oberfläche des Materials markiert werden. Oberflächenmerkmale können zum Markieren von Kunststoffen, Glas oder Halbedel- und Edelsteinen von Vorteil sein. Beim Lesen dieser Merkmale würde das CI-System optional die Neigung der Präsentation des Teils und/oder die optische Pfadlängenverzerrung von optischen Medien, die der Messstrahl des CI-Systems durchlaufen hat (z. B. Linsen, Luft, Wasser, Öl usw.), kalibrieren.
• In einer Ausführungsform wird ein gepulster Laser oder Stempel verwendet, um einen 3D-QR-Code oder Strichcode als Relief auf der Oberfläche eines Werkstücks sehr genau zu strukturieren, aber die Höhenvariation zwischen den negativen und positiven Teilen des Musters ist derart gering (10 µm oder weniger oder 50 µm oder weniger) und die Übergänge derart allmählich, dass sie nicht von herkömmlichen Lesegeräten gelesen oder vielleicht sogar mit bloßem Auge identifiziert werden können. Wenn eine ausreichende Steuerung des Gravier-/Prägesystems möglich ist, dann kann es möglich sein, mehrere Wertebenen in jeder Querposition des 3D-QR- oder Strichcodes zu codieren, wodurch die Datendichte, die pro Flächeneinheit auf dem Werkstück produziert werden kann, erheblich erhöht wird.
• Optional könnte dieser Code überzogen werden, um ihn vor Kratzern oder anderen Beschädigungen zu schützen. Diese Beschichtung kann für sichtbares Licht undurchsichtig (aber für das CI-System transparent) sein, um die visuelle Identifizierung noch schwieriger zu machen. Die bloße Schwierigkeit, diese Merkmale zu produzieren, würde sie für Anti-Fälschungsanwendungen nützlich machen.
• Während die Prinzipien der Erfindung hierin beschrieben wurden, versteht es sich für den Fachmann, dass diese Beschreibung nur beispielhaft ist und nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung gegeben wurde. Andere Ausführungsformen werden zusätzlich zu den hierin gezeigten und beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen. Modifizierungen und Ersetzungen, die durch einen Durchschnittsfachmann vorgenommen werden, werden als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegend angesehen, die nicht eingeschränkt werden soll, ausgenommen durch die folgenden Ansprüche.
• 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
• US 63/011235 [0001]
• US 8822875 [0024]
• US 9757817 [0024]
• US 10124410 [0024, 0081]
• US 2020/0023461 [0024]
• US 16/721306 [0024]
• US 2020/0198050 [0024]

Claims (33)

1. System, umfassend: ein Materialbearbeitungssystem, aufweisend eine Bearbeitungsstrahlquelle zum Erzeugen eines Bearbeitungsstrahls und einen Bearbeitungsstrahlkopf zum Zuführen des Bearbeitungsstrahls zu einem Ziel; ein Kohärenzbildgebungs- (CI)-Messsystem, das eine Kohärenzbildgebungs- (CI) Kerneinheit zum Erzeugen eines Messstrahls und ein CI-Scanmodul zum Zuführen des Messstrahls zu dem Ziel aufweist, wobei das CI-Messsystem eine CI-Messausgabe produziert; und zumindest eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, die CI-Messausgabe von der CI-Kerneinheit zum Überwachen und/oder Steuern des Materialverarbeitungssystems zu empfangen, wobei die Steuerung auch dazu eingerichtet ist, eine Kalibrierungsmessausgabe zu empfangen und das CI-Messsystem zumindest teilweise basierend auf der Kalibrierungsmessausgabe zu steuern, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, das CI-Messsystem zu steuern, zukünftige Messungen zu modifizieren, die durch das CI-Messsystem durchgeführt werden, um das CI-Messsystem und den Bearbeitungsstrahl auszurichten.
2. System nach Anspruch 1, wobei das CI-Messsystem die Kalibrierungsmessausgabe produziert, und wobei eine Interferometrieausgabe von dem CI-Messsystem als der Kontrastmechanismus verwendet wird, um die Kalibrierungsmessausgabe von dem CI-Messsystem zu produzieren.
3. System nach Anspruch 1, wobei das CI-Messsystem die Kalibrierungsmessausgabe produziert, und wobei die von dem Bearbeitungsstrahl produzierte Prozessstrahlung als Kontrastmechanismus verwendet wird, um die Kalibrierungsausgabe von dem CI-Messsystem zu produzieren.
4. System nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine 2D-Inline-Kamera, die mit dem Bearbeitungskopf gekoppelt ist, und wobei die 2D-Inline-Kamera Bilddaten erzeugt, die dazu verwendet werden, die Kalibrierungsmessausgabe zu produzieren.
5. System nach Anspruch 4, wobei die 2D-Inline-Kamera einen optischen Weg mit dem CI-Messsystem teilt und wobei rückreflektiertes Licht zwischen der 2D-Inline-Kamera und dem CI-Messsystem aufgeteilt wird.
6. System nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine doppelt ummantelte Faser, die mit der CI-Kerneinheit und einem Fotodetektor gekoppelt ist, wobei die doppelt ummantelte Faser dazu eingerichtet ist, Prozessstrahlung an den Fotodetektor zu übertragen und Licht von dem Messstrahl an die CI-Kerneinheit zu übertragen.
7. System nach Anspruch 6, wobei die Ausgabe der Kalibrierungsmessung durch den Fotodetektor produziert wird.
8. System nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine 2D-Kamera, die in der Nähe des Ziels positioniert ist, und wobei die 2D-Kamera Bilddaten erzeugt, die verwendet werden, um die Kalibrierungsmessausgabe zu produzieren.
9. System nach Anspruch 1, wobei das Materialbearbeitungssystem ein Laserbearbeitungssystem aufweist.
10. System nach Anspruch 9, wobei das Laserbearbeitungssystem einen Laser mit einer Ausgabe mit im Wesentlichen einer einzigen räumlichen Mode mit einer Beugungsmaßzahl von weniger als 2,0 aufweist.
11. System nach Anspruch 1, wobei das CI-Messsystem ein kohärentes Inline-Bildgebungssystem (ICI) aufweist.
12. Verfahren zum Kalibrieren eines Kohärenzbildgebungs- (CI) Messsystems, umfassend: Bereitstellen eines Materialbearbeitungssystems, das dazu eingerichtet ist, einen Bearbeitungsstrahl zu erzeugen und einem Ziel zuzuführen; Bereitstellen eines Kohärenzbildgebungs- (CI) Messsystems, das dazu eingerichtet ist, einen Messstrahl zu erzeugen und dem Ziel zuzuführen, und dazu eingerichtet ist, eine CI-Messsystemausgabe zum Steuern und/oder Überwachen des Materialverarbeitungssystems bereitzustellen; Erhalten einer Kalibrierungsmessausgabe von dem CI-Messsystem und/oder von einem Hilfssensor; und automatisches Steuern des CI-Messsystems zumindest teilweise basierend auf der Kalibrierungsmessausgabe, wobei das CI-Messsystem dazu gesteuert wird, zukünftige Messungen zu modifizieren, die durch das CI-Messsystem durchgeführt werden, um das CI-Messsystem und den Bearbeitungsstrahl auszurichten.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Kalibrierungsmessausgabe durch das CI-Messsystem unter Verwendung einer Interferometrieausgabe des CI-Messsystems als Kontrastmechanismus bereitgestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Erhalten der Kalibrierungsmessausgabe umfasst: zumindest temporäres Produzieren einer physikalischen Modifizierung an dem Ziel unter Verwendung des Bearbeitungsstrahls; Erhalten einer Messung der physikalischen Modifizierung unter Verwendung des CI-Messsystems; und Erhalten der Kalibrierungsmessausgabe von dem CI-Messsystem, so dass die physikalische Modifizierung einer Position des Bearbeitungsstrahls entspricht.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Erhalten der CI-Messung ein Abtasten des Messstrahls auf dem Ziel nahe der physikalischen Modifizierung in einem Abtastmuster aufweist.
16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Kalibrierungsmessausgabe durch das CI-Messsystem unter Verwendung einer durch den Bearbeitungsstrahl produzierten Prozess-Emission als Kontrastmechanismus bereitgestellt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Erhalten der Kalibrierungsmessausgabe umfasst: Reduzieren einer Lichtquelle des CI-Systems auf zumindest ein vernachlässigbares Niveau; Richten des Bearbeitungsstrahls auf das Ziel; Empfangen von Prozessstrahlung von dem Ziel in das CI-Messsystem, wenn der Bearbeitungsstrahl auf das Ziel gerichtet ist; und Erhalten der Kalibrierungsmessausgabe von dem CI-Messsystem, das die Prozessstrahlung detektiert.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das CI-Messsystem die Prozessstrahlung detektiert, während das CI-Messsystem das Ziel abtastet.
19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Richten des Bearbeitungsstrahls Bewegen des Bearbeitungsstrahls auf das Ziel und Verwenden einer Intensität der detektierten Prozessstrahlung zum Bestimmen einer Position des Bearbeitungsstrahls aufweist.
20. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Kalibrierungsmessausgabe basierend auf Bilddaten von einer 2D-Inline-Kamera bereitgestellt wird, die mit dem Materialverarbeitungssystem gekoppelt ist.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Erhalten der Kalibrierungsmessausgabe umfasst: Richten von zumindest einem von dem Bearbeitungsstrahl und dem Messstrahl auf das Ziel; Detektieren, unter Verwendung der 2D-Inline-Kamera, von Prozessstrahlung, die durch den Bearbeitungsstrahl verursacht wird, und/oder von rückreflektiertem Licht von dem Messstrahl; und Erhalten der Kalibrierungsmessausgabe aus Bilddaten, die von der 2D-Inline-Kamera erzeugt werden, die zumindest eines von der Prozessstrahlung und dem rückreflektierten Licht von dem Messstrahl detektiert.
22. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Erhalten der Kalibrierungsmessausgabe Richten des Bearbeitungsstrahls auf das Ziel umfasst, während zumindest der Bearbeitungsstrahl gepulst wird.
23. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Kalibrierungsmessausgabe von einem Fotodetektor bereitgestellt wird, der mit einer doppelt ummantelten Faser gekoppelt ist, die in dem CI-Messsystem verwendet wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Erhalten der Kalibrierungsmessausgabe umfasst: Richten von zumindest einem von dem Bearbeitungsstrahl und dem Messstrahl auf das Ziel; Übertragen, unter Verwendung der doppelt ummantelten Faser, von Prozessstrahlung zu dem Fotodetektor und von rückreflektiertem Licht von dem Messstrahl zu dem CI-Messsystem; Detektieren der Prozessstrahlung unter Verwendung des Fotodetektors; und Erhalten der Kalibrierungsmessausgabe von dem Fotodetektor, der die Prozessstrahlung detektiert.
25. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Kalibrierungsmessausgabe von einer 2D-Kamera bereitgestellt wird, die in der Nähe des Ziels positioniert ist.
26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Erhalten der Kalibrierungsmessausgabe umfasst: Richten von zumindest einem von dem Bearbeitungsstrahl und dem Messstrahl auf das Ziel; Detektieren, unter Verwendung der 2D-Kamera, von Prozessstrahlung, die durch den Bearbeitungsstrahl verursacht wird, und/oder von rückreflektiertem Licht von dem Messstrahl; und Erhalten der Kalibrierungsmessausgabe aus Bilddaten, die von der 2D-Kamera erzeugt werden, die zumindest eines von der Prozessstrahlung und dem rückreflektierten Licht von dem Messstrahl detektiert.
27. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Modifizieren zukünftiger Messungen, die durch das CI-Messsystem durchgeführt werden, zumindest eines aus Modifizieren der räumlichen Positionierung während der Messungserfassung, Modifizieren der zeitlichen Synchronisation während der Messungserfassung, und Modifizieren von Messalgorithmen aufweist.
28. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Modifizieren zukünftiger Messungen, die durch das CI-Messsystem durchgeführt werden, Modifizierungen zum Korrigieren optischer Verzerrungen, die durch ein Strahlzuführsystem in dem Materialverarbeitungssystem und/oder in dem CI-Messsystem eingeführt werden, aufweist.
29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Modifizieren zukünftiger Messungen, die durch das CI-Messsystem durchgeführt werden, Modifizierungen aufweist, wobei optische Verzerrungen zumindest eines aufweisen von: optische Pfadlängenänderung, chromatische Aberration, Defokussierung, Feldkrümmung, Bildverzerrung, sphärische Aberration, Koma und Astigmatismus.
30. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Modifizieren zukünftiger Messungen, die durch das CI-Messsystem durchgeführt werden, Modifizierungen zum Korrigieren mechanischer Verzerrungen des Materialverarbeitungssystems und/oder des CI-Messsystems aufweist.
31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei mechanische Verzerrungen zumindest eines aufweisen von: Schwingungen, Passung, Torsion, Dehnung, Kompression, Translation, und Rotation.
32. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Modifizieren zukünftiger Messungen des CI-Messsystems Modifizierungen zum Korrigieren von Prozesssynchronisationsproblemen aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Prozesssynchronisationsproblemen besteht, die zumindest eines aufweisen von: Bewegungssteuerungs-Pfadsynchronisation, Bearbeitungslaser-Energieprofilsynchronisation, Werkstückverzerrungen, Prozesseingaben, Abschirmgas, Schutzgas, Prozessumgebung, Prozessbeschickungsmaterial, Prozessopfermaterial, und Prozessbefestigung.
33. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Modifizieren zukünftiger Messungen, die durch das CI-Messsystem durchgeführt werden, Modifizierungen zum Korrigieren von Änderungen an der Phasenänderungsregion aufweist.

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