DE19828723A1

DE19828723A1 - Laserbearbeitungseinrichtung

Info

Publication number: DE19828723A1
Application number: DE19828723A
Authority: DE
Inventors: Walter Volkmar; Ulrich Hefter
Original assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Current assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Priority date: 1998-06-29
Filing date: 1998-06-29
Publication date: 2000-01-05

Abstract

Eine Laserbearbeitungseinrichtung enthält eine Laserstrahlquelle (2) zum Erzeugen eines Laserstrahls (4) und eine Ablenkeinheit (6) mit zumindest einem steuerbaren Ablenkspiegel (8) und einer Abbildungsoptik (10) zum Ablenken bzw. Fokussieren des Laserstrahls (4) auf einen Arbeitspunkt (A) innerhalb eines Bearbeitungsfeldes (12). Gemäß der Erfindung ist im Strahlengang des Laserstrahls (4) zwischen dem oder die Ablenkspiegel (8) und der Laserstrahlquelle (2) ein Strahlenteiler (20) angeordnet, dem eine Überwachungskamera (24) derart zugeordnet ist, daß deren Gesichtsfeld (26) zumindest einen den Arbeitspunkt (A) umgebenden Teil des Bearbeitungsfeldes (12) umfaßt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserbearbeitungseinrichtung mit einer La serstrahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahles und einer Ablenkeinheit mit zu mindest einem steuerbaren Ablenkspiegel und einer Abbildungsoptik zum Ablen ken bzw. Fokussieren des Laserstrahls auf einen Arbeitspunkt innerhalb eines Bearbeitungsfeldes. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Bearbeiten eines Gegenstandes mit einem Laserstrahl.

Eine Vielzahl von Laserbearbeitungseinrichtungen, insbesondere Lasermarkie rungs- oder Laserbeschriftungseinrichtungen, arbeiten nach dem sogenannten Vektorverfahren, bei dem der von einer Laserstrahlquelle erzeugte Laserstrahl mit Hilfe einer Ablenkeinheit, die zumindest einen steuerbaren Ablenkspiegel und eine Abbildungsoptik zum Fokussieren des Laserstrahls enthält, frei innerhalb eines Bearbeitungsfeldes geführt wird. In der Regel sind hierzu in der Ablenkeinheit zwei drehbar gelagerte Galvanometerspiegel vorgesehen, deren Drehachsen senkrecht zueinander angeordnet sind, um jeden Arbeitspunkt im Bearbeitungs feld erreichen zu können. Unter Bearbeitungsfeld ist somit die Fläche zu verste hen, die vom Laserstrahl ohne Relativbewegung zwischen dem zu bearbeitenden Gegenstand und der Ablenkeinheit erreicht werden kann.

Zur Qualitätssicherung und zur Erhöhung der Prozeßsicherheit, ist es in vielen Fällen erforderlich, die vom Laserstrahl vorgenommene Bearbeitung, beispiels weise eine alphanumerische Beschriftung, sowohl inhaltlich - beispielsweise Kor rektheit der bei der Beschriftung aufgebrachten Daten - als auch qualitativ zu überwachen. Dies geschieht in der Regel in einer zusätzlichen Kontrollstation, die der Laserbearbeitung im Prozeßablauf nachgeschaltet ist. Eine solche zusätzliche Kontrollstation ist aber insbesondere dann aufwendig, wenn mehrere bearbeitete Gegenstände in einem sogenannten Mehrfachnutzen vorliegen, der beim Bearbei ten mit einem geeigneten Transport- und Positioniersystem unter dem Bearbei tungsfeld positioniert werden muß, da in diesem Falle die Kontrollstation ebenfalls ein eigenes Transport- und Positioniersystem enthalten muß.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungseinrichtung anzugeben, mit der eine einfache Überwachung der Bearbeitung möglich ist. Au ßerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bearbeiten eines Gegenstandes mit einem Laserstrahl anzugeben.

Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Laserbearbeitungseinrichtung enthält eine Laser strahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls und eine Ablenkeinheit mit zumin dest einem steuerbaren Ablenkspiegel und einer Abbildungsoptik zum Ablenken bzw. Fokussieren des Laserstrahls auf einen Arbeitspunkt innerhalb eines Bear beitungsfeldes. Gemäß der Erfindung ist im Strahlengang des Laserstrahls zwi schen dem oder die Ablenkspiegel und der Laserstrahlquelle ein Strahlenteiler angeordnet, dem eine Überwachungskamera derart zugeordnet ist, daß deren Gesichtsfeld zumindest einen den Arbeitspunkt umgebenden Teil des Bearbei tungsfeldes umfaßt.

Da der Strahlengang der Überwachungskamera vom Gegenstand über den oder die Ablenkspiegel zum Strahlenteiler mit dem Strahlengang des Laserstrahls vom Strahlenteiler über den oder die Ablenkspiegel zum Gegenstand zusammenfällt, ist sichergestellt, daß das Gesichtsfeld der Kamera stets dem Arbeitspunkt bei seiner Bewegung über den Gegenstand folgt. Durch diese Maßnahme kann somit der Bearbeitungsvorgang während der Bearbeitung präzise überwacht werden, ohne daß eine nachgeordnete, räumlich vom Bearbeitungsort getrennte Kontroll station erforderlich ist. Da die Kontrolle unmittelbar am Bearbeitungsort erfolgt, ist es möglich, den Bearbeitungsprozeß während seiner ganzen Dauer zu beeinflus sen und auf diese Weise beispielsweise durch falsche Lage des Werkstücks ver ursachte fehlerhafte Bearbeitungen von vornherein zu vermeiden.

Die Fläche des Gesichtsfeldes der Überwachungskamera beträgt in einer bevor zugten Ausführungsform wenigstens 25 mm². Dadurch kann auch die Umgebung des aktuellen Arbeitspunktes erfaßt werden, so daß nicht nur der aktuelle Ar beitspunkt sondern auch die unmittelbar benachbarte, bereits fertig bearbeitete Umgebung erfaßt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein wellenlängense lektiver Strahlenteiler vorgesehen, der insbesondere in einem Spektralfenster im sichtbaren Bereich des Lichts undurchlässig ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der Überwachungskamera und dem Strahlenteiler ein Kantenfilter angeordnet, um eine Blendung durch ge streutes oder reflektiertes Laserlicht zu vermeiden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Abstand zwischen der fokussierenden Abbildungsoptik und dem Objektiv der Überwachungskamera kleiner als 10 cm. Dadurch ist ein besonders großes Gesichtsfeld möglich.

Insbesondere ist die Überwachungskamera in die Ablenkeinheit integriert, d. h. bildet mit der Ablenkeinheit eine Einheit, so daß die Überwachungskamera ge meinsam mit der Ablenkeinheit bei der Installation der Laserbearbeitungseinrich tung in einem Arbeitsschritt justiert werden können.

Die zweitgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 7. Bei dem Verfahren zum Bearbeiten eines Gegenstandes wird ein Laserstrahl mit Hilfe mindestens eines Ablenkspiegels und einer Abbil dungsoptik auf einen Arbeitspunkt innerhalb eines Bearbeitungsfeldes abgebildet wird, der innerhalb des Bearbeitungsfeldes frei geführt wird. Gemäß der Erfindung wird zumindest ein den Arbeitspunkt umgebender Teil des Bearbeitungsfeldes vom Gesichtsfeld einer Überwachungskamera erfaßt, wobei dieser Teil des Bear beitungsfeldes in die Überwachungskamera durch einen im Strahlengang des La serstrahls zwischen dem oder die Ablenkspiegel und der Laserstrahlquelle ange ordneten Strahlenteiler abgebildet wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß das Gesichtsfeld der Überwachungskamera stets den aktuellen Arbeitspunkt umfaßt, da ihr Gesichtsfeld in gleicher Weise wie der Laserstrahl mit dem Ablenkspiegel positioniert wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das von der Überwachungskamera aufgenommene Bild zur Erkennung der Lage des Gegen standes verwendet. Dadurch können durch Fehllage des Gegenstandes hervorge rufene fehlerhafte Bearbeitungen weitgehend vermieden werden.

Vorzugsweise wird das von der Überwachungskamera empfangene Bild digital gespeichert und in einem digitalen Bildbearbeitungssystem ausgewertet. Dies er möglicht eine weitgehend automatisierte Kontrolle des Bearbeitungsvorganges während der Bearbeitung. Im digitalen Bildbearbeitungssystem können hierzu Bilddaten über die korrekte Lage des Gegenstandes anhand dort angebrachter geeigneter Bearbeitungspunkte gespeichert sein, so daß vor dem eigentlichen Bearbeitungsvorgang durch Vergleich der empfangenen Bilddaten mit den ge speicherten Bilddaten die korrekte Lage des Gegenstandes überwacht werden kann. Desweiteren kann ebenfalls durch digitalen Bildvergleich das Bearbeitungs ergebnis auf seine Korrektheit überprüft werden, da die aufzubringende Bearbei tung in der Steuereinrichtung ebenfalls als digitales Bild vorliegt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur eine Laserbearbeitungseinrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung veranschaulicht ist.

Gemäß der Figur umfaßt die Laserbearbeitungseinrichtung eine Laserstrahlquel le 2, beispielsweise ein Nd:YAG-Festkörperlaser, die einen Laserstrahl 4 erzeugt. Der Laserstrahl 4 wird in eine Ablenkeinheit 6 eingekoppelt, die zwei Ablenkspie gel 8, beispielsweise zwei schwenkbar gelagerte Galovanometerspiegel, umfaßt, deren Schwenkachsen senkrecht zueinander orientiert sind und von denen in der Figur nur einer dargestellt ist. Die Ablenkspiegel 8 lenken den Laserstrahl 4 um auf eine Abbildungsoptik 10, im Beispiel eine Planfeldlinse, die den Laserstrahl 4 je nach Stellung der Ablenkspiegel 8 auf einen Arbeitspunkt A innerhalb eines Bearbeitungsfeldes 12 fokussiert.

Ein Gegenstand 14 wird durch in der Figur nicht dargestellte geeignete Transport- und Positioniermittel im Bearbeitungsfeld 12 derart positioniert, daß sich der zur Bearbeitung vorgesehene Teil seiner Oberfläche innerhalb des Bearbeitungsfel des 12 befindet.

Im Strahlengang des Laserstrahls 4 zwischen der Laserstrahlquelle 2 und den Ablenkspiegeln 8 ist ein wellenlängenselektiver (dichroitischer) Strahlenteiler 20 mit seiner spiegelnden Fläche unter 45° angeordnet, der die vom Gegenstand 14 ausgehenden Lichtstrahlen 21 in einem Fenster des sichtbaren Spektralbereiches aus dem Strahlengang des Laserstrahls 4 aus- und in das Objektiv 22 einer Überwachungskamera 24 einkoppelt. Als dichroitischer Strahlenteiler 20 wird bei spielsweise ein Kurzpaßfilter der Fa. Laseroptik verwendet, das im Bereich der Wellenlänge des Laserstrahls 4, im Beispiel 1054 nm, eine hohe Transmissivität und im Bereich zwischen 500 nm und 600 nm eine hohe Reflexivität aufweist.

Um eine Blendung der Kamera durch den Laserstrahl 4 zu vermeiden, ist zwi schen dem Objektiv 22 und dem Strahlenteiler 20 ein Kantenfilter 25 angeordnet, das für Licht mit der Wellenlänge des Laserstrahls 4 undurchlässig ist.

Als Überwachungskamera 24 ist insbesondere eine CCD-Kamera in Mikro- Bauweise geeignet, wie sie beispielsweise unter der Typenbezeichnung JAI M536 mit einem Sensorkopf-Durchmesser von 17 mm von der Stemmer Imaging GmbH, Puchheim, DE, bezogen werden kann. Die Überwachungskamera 24 ist in Ablen keinheit 6 integriert, d. h. bildet mit den übrigen Komponenten der Ablenkeinheit eine bauliche Einheit.

Mit dieser Überwachungskamera 24 wird ein Teil des Bearbeitungsfeldes 12 - das Gesichtsfeld 26 der Kamera - überwacht. Die Fläche des Gesichtsfeldes 26 be trägt dabei im Ausführungsbeispiel etwa 5×5 mm² = 25 mm². Bei einer Kantenlän ge des quadratischen Bearbeitungsfeldes 12 von etwa 100 mm beträgt somit die Fläche des Gesichtsfeldes 26 etwa 0,25% der Fläche des gesamten Bearbei tungsfeldes 12. Um ein möglichst großes Gesichtsfeld 26 zu erhalten, ist der Ab stand a = a₁ + a₂ + a₃ zwischen der Abbildungsoptik 10 möglichst kleiner als 100 mm und beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 50 mm.

Das Gesichtsfeld 26 der Überwachungskamera 24 umgibt den Arbeitspunkt A, wobei bei korrekter Ausrichtung der optischen Achse 28 der Überwachungska mera 24 der momentane Arbeitspunkt A in der Mitte des Gesichtsfeldes 26 der Überwachungskamera 24 angeordnet ist. Da der Strahlengang, der von der Überwachungskamera 24 erfassten Lichtstrahlen des Gesichtsfeldes 26 mit dem Strahlengang des fokussierten Laserstrahles 4 verschränkt ist, umgibt das Ge sichtsfeld 26 der Überwachungskamera 24 stets den jeweils aktuellen Ar beitspunkt A, d. h. das Gesichtsfeld 26 wird durch die Ablenkspiegel 8 gemeinsam mit dem Arbeitspunkt A über das Bearbeitungsfeld 12 geführt.

Die Überwachungskamera 24 ist im Ausführungsbeispiel an einen Monitor 30 so wie an eine Bildverarbeitungseinrichtung 32 angeschlossen. In dieser Bildverar beitungseinrichtung 32 wird das von der Überwachungskamera 24 empfangene Bild des Gesichtsfeldes 26 digital ausgewertet und mit dem in einer Steuerung 34 für die Ablenkspiegel 8 digital gespeicherten Bilddaten verglichen. Außerdem kann vor dem Bearbeitungsvorgang das von der Überwachungskamera 24 emp fangene Bild oder der Bildausschnitt des Gegenstandes 14 mit gespeicherten Bilddaten verglichen werden, anhand derer die Lage des Gegenstandes 14 er kannt werden kann. Diese Lageinformation kann dann ihrerseits entweder zum Abbruch des Bearbeitungsprozesses oder zur Korrektur der in einer Steuereinrich tung 34 gespeicherten Steuerdaten für die Steuerung der Ablenkspiegelantrie be 36, 38 verwendet werden.

Bezugszeichenliste

2

Laserstrahlquelle

4

Laserstrahl

6

Ablenkeinheit

8

Ablenkspiegel

10

Abbildungsoptik

12

Bearbeitungsfeld

14

Gegenstand

20

Strahlenteiler

21

Lichtstrahl

22

Objektiv

24

Überwachungskamera

25

Kantenfilter

26

Gesichtsfeld

28

optische Achse

30

Monitor

32

Bildverarbeitungseinrichtung

34

Steuereinrichtung

36

,

38

Ablenkspiegelantrieb
A Arbeitspunkt
a, a₁

-a₃

Abstand

Claims

1. Laserbearbeitungseinrichtung mit einer Laserstrahlquelle (2) zum Erzeugen eines Laserstrahls (4) und mit einer Ablenkeinheit (6) mit zumindest einem steuerbaren Ablenkspiegel (8) und einer Abbildungsoptik (10) zum Ablenken bzw. Fokussieren des Laserstrahls (4) auf einen Arbeitspunkt (A) innerhalb ei nes Bearbeitungsfeldes (12), wobei im Strahlengang des Laserstrahls (4) zwi schen dem oder die Ablenkspiegel (8) und der Laserstrahlquelle (2) ein Strahlenteiler (20) angeordnet ist, dem eine Überwachungskamera (24) derart zugeordnet ist, daß deren Gesichtsfeld (26) zumindest einen den Ar beitspunkt (A) umgebenden Teil des Bearbeitungsfeldes (12) umfaßt.

2. Laserbearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Fläche des Ge sichtsfeldes (26) wenigstens 25 mm² beträgt.

3. Laserbearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Strahlentei ler (20) wellenlängenselektiv ist.

4. Laserbearbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen dem Strahlenteiler (20) und dem Objektiv (22) der Überwa chungskamera (24) ein Kantenfilter (25) angeordnet ist.

5. Laserbearbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Abstand (a₁, a₂, a₃) zwischen der fokussierenden Abbildungsop tik (10) und dem Objektiv (22) kleiner als 10 cm ist.

6. Laserbearbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Überwachungskamera (24) in die Ablenkeinheit (6) integriert ist.

7. Verfahren zum Bearbeiten eines Gegenstandes (14) mit einem Laserstrahl (4), bei dem der Laserstrahl (4) mit Hilfe mindestens eines Ablenkspiegels (8) und einer Abbildungsoptik (10) auf einen Arbeitspunkt (A) innerhalb eines Bearbei tungsfeldes (12) abgebildet und innerhalb des Bearbeitungsfeldes (12) frei geführt wird, und bei dem zumindest ein den Arbeitspunkt (A) umgebender Teil des Bearbeitungsfeldes (12) vom Gesichtsfeld (26) einer Überwachungs kamera (24) erfaßt wird, wobei dieser Teil des Bearbeitungsfeldes (12) in die Überwachungskamera (24) durch einen im Strahlengang des Laserstrahls (4) zwischen dem oder die Ablenkspiegel (8) und der Laserstrahlquelle (2) ange ordneten Strahlenteiler (20) abgebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das von der Überwachungskamera (24) aufgenommene Bild zur Erkennung der Lage des Gegenstandes (14) verwen det wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das von der Überwachungskame ra (24) empfangene Bild digital gespeichert und in einem digitalen Bildbearbei tungssystem (32) ausgewertet wird.