DE19828723A1 - Laser machining unit, in particular, laser marking/lettering unit - Google Patents
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Abstract
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.The invention relates to a laser processing device with a La serstrahlquelle for generating a laser beam and a deflection unit with at least one controllable deflecting mirror and imaging optics for deflecting ken or focus the laser beam on a working point within a Editing field. The invention also relates to a method for Working on an object with a laser beam.
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.A variety of laser processing equipment, especially laser marking or laser marking devices, work according to the so-called Vector method in which the laser beam generated by a laser beam source with With the help of a deflection unit, the at least one controllable deflection mirror and one Includes imaging optics for focusing the laser beam, freely within one Machining field is performed. As a rule, these are in the deflection unit two rotatably mounted galvanometer mirrors are provided, their axes of rotation are perpendicular to each other in the machining point to be able to reach the field. The area is to be understood under the processing field hen that of the laser beam without relative movement between the one to be processed Object and the deflection unit can be reached.
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.For quality assurance and to increase process reliability, it is in many Cases required, the processing performed by the laser beam, for example have an alphanumeric label, both in terms of content - e.g. Cor correctness of the data applied in the labeling - as well as qualitatively monitor. This usually happens in an additional control station the laser processing is downstream in the process. Such an additional However, the control station is particularly complex when several are processed Objects are available in a so-called multiple use, which is during processing with a suitable transport and positioning system under the machining tion field must be positioned, since in this case the control station also must have its own transport and positioning system.
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.The invention is based on the object of a laser processing device specify with which a simple monitoring of the processing is possible. Au The invention is also based on the object of a method for processing to indicate an object with a laser beam.
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.The first-mentioned object is achieved according to the invention with the features of claim 1. The laser processing device contains a laser beam source for generating a laser beam and a deflection unit with at least a controllable deflection mirror and an imaging optics for deflection or focusing the laser beam on an operating point within a bear processing field. According to the invention is in the beam path of the laser beam between between the deflecting mirror or mirrors and the laser beam source a beam splitter arranged to which a surveillance camera is assigned such that its Field of view at least a part of the machining surrounding the working point tion field includes.
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. Because the beam path of the surveillance camera from the object over the or the deflecting mirror to the beam splitter with the beam path of the laser beam from Beam splitter coincides over the deflecting mirror or mirrors to the object, ensures that the field of view of the camera is always at the working point follows its movement over the object. This measure can the machining process is precisely monitored during machining, without a subordinate control, spatially separate from the processing location station is required. Since the check is carried out directly at the processing location it is possible to influence the machining process throughout its duration sen and in this way, for example, by incorrect position of the workpiece caused incorrect processing to be avoided from the outset.
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.The area of the field of view of the surveillance camera is at least 25 mm 2 in a preferred embodiment. As a result, the surroundings of the current working point can also be detected, so that not only the current working point but also the immediately adjacent, already finished surroundings can be detected.
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 a further advantageous embodiment of the invention is a wavelength selective beam splitter provided, which in particular in a spectral window in visible area of light is opaque.
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 an advantageous embodiment is between the surveillance camera and the beam splitter an edge filter arranged to prevent glare from ge to avoid scattered or reflected laser light.
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.In a preferred embodiment, the distance between the focusing Imaging optics and the lens of the surveillance camera less than 10 cm. This enables a particularly large field of view.
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.In particular, the surveillance camera is integrated in the deflection unit, i. H. forms a unit with the deflection unit, so that the surveillance camera ge together with the deflection unit when installing the laser processing device can be adjusted in one step.
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.The second object is achieved according to the invention with the features of claim 7. In the method for processing an object a laser beam with the help of at least one deflecting mirror and an image optics on a working point within a machining field that is freely guided within the processing field. According to the invention becomes at least a part of the processing field surrounding the working point from the field of view of a surveillance camera, this part of the Bear processing field in the surveillance camera through one in the beam path of the La serstrahls between the deflecting mirror and the laser beam source ordered beam splitter is mapped. This ensures that the Field of view of the surveillance camera always includes the current working point, because their field of view is the same as the laser beam with the deflecting mirror is positioned.
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.In a particularly advantageous embodiment of the method, the Security camera captured image to detect the location of the opposite used. This can result from the wrong position of the object called incorrect processing can be largely avoided.
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.The image received by the surveillance camera is preferably digital saved and evaluated in a digital image processing system. This he enables a largely automated control of the machining process during the processing. You can do this in the digital image processing system Image data about the correct position of the object based on the position there suitable processing points can be stored so that before the actual Processing process by comparing the received image data with the ge stored correct image data, the correct position of the object can be monitored can. Furthermore, the processing can also be done by digital image comparison result to be checked for correctness, since the processing to be applied device is also present in the control device as a digital image.
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.To further explain the invention, reference is made to the embodiment of Drawing referenced in its single figure, a laser processing device according to the invention is illustrated in a schematic representation.
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.According to the figure, the laser processing device comprises a laser beam source 2 , for example an Nd: YAG solid-state laser, which generates a laser beam 4 . The laser beam 4 is coupled into a deflection unit 6 , which comprises two deflection mirrors 8 , for example two pivotably mounted galovanometer mirrors, the pivot axes of which are oriented perpendicular to one another and of which only one is shown in the figure. The deflection mirrors 8 deflect the laser beam 4 onto an imaging optics 10 , in the example a plane field lens, which focuses the laser beam 4 on a working point A within a processing field 12 depending on the position of the deflection mirrors 8 .
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.An object 14 is positioned in the processing field 12 by suitable transport and positioning means, not shown in the figure, such that the part of its surface intended for processing is located within the processing field of FIG .
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.Arranged in the beam path of the laser beam 4 between the laser beam source 2 and the deflecting mirrors 8 is a wavelength-selective (dichroic) beam splitter 20 with its reflecting surface at 45 °, which beams the light rays 21 emanating from the object 14 in a window of the visible spectral range from the beam path of the laser beam 4 and coupled into the lens 22 of a surveillance camera 24 . As a dichroic beam splitter 20 , a short-pass filter from Laseroptik is used for example, which has a high transmissivity in the range of the wavelength of the laser beam 4 , in the example 1054 nm, and a high reflectivity in the range between 500 nm and 600 nm.
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.In order to avoid glare to the camera by the laser beam 4 , an edge filter 25 is arranged between the lens 22 and the beam splitter 20 , which is impermeable to light with the wavelength of the laser beam 4 .
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.A micro-type CCD camera is particularly suitable as the surveillance camera 24 , as can be obtained, for example, from the Stemmer Imaging GmbH, Puchheim, DE under the type designation JAI M536 with a sensor head diameter of 17 mm. The surveillance camera 24 is integrated in the deflection unit 6 , ie it forms a structural unit with the other components of the deflection unit.
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.With this surveillance camera 24 , part of the processing field 12 - the field of view 26 of the camera - is monitored. The area of the field of view 26 is about 5 × 5 mm 2 = 25 mm 2 in the exemplary embodiment. With an edge length of the square machining field 12 of approximately 100 mm, the area of the field of view 26 is thus approximately 0.25% of the area of the entire machining field 12 . In order to obtain the largest possible field of view 26 , the distance a = a 1 + a 2 + a 3 between the imaging optics 10 is as small as possible less than 100 mm and is approximately 50 mm in the exemplary embodiment.
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.The field of view 26 of the surveillance camera 24 surrounds the working point A, the current working point A being arranged in the middle of the field of view 26 of the surveillance camera 24 when the optical axis 28 of the surveillance camera 24 is correctly aligned. Since the beam path, the light rays of the field of view 26 detected by the surveillance camera 24 is entangled with the beam path of the focused laser beam 4 , the field of view 26 of the surveillance camera 24 always surrounds the current working point A, ie the field of view 26 is shared by the deflecting mirror 8 guided with the working point A over the processing field 12 .
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. In the exemplary embodiment, the surveillance camera 24 is connected to a monitor 30 and to an image processing device 32 . In this image processing device 32 , the image of the field of view 26 received by the surveillance camera 24 is digitally evaluated and compared with the image data digitally stored in a controller 34 for the deflection mirror 8 . In addition, the image received by the surveillance camera 24 or the image section of the object 14 can be compared with stored image data, by means of which the position of the object 14 can be known, before the processing operation. This position information can then either be used to terminate the machining process or to correct the control data stored in a control device 34 for controlling the deflecting mirror drives 36 , 38 .
22nd
Laserstrahlquelle
Laser beam source
44th
Laserstrahl
laser beam
66
Ablenkeinheit
Deflection unit
88th
Ablenkspiegel
Deflecting mirror
1010th
Abbildungsoptik
Imaging optics
1212th
Bearbeitungsfeld
Editing field
1414
Gegenstand
object
2020th
Strahlenteiler
Beam splitter
2121
Lichtstrahl
Beam of light
2222
Objektiv
lens
2424th
Überwachungskamera
Security Camera
2525th
Kantenfilter
Edge filter
2626
Gesichtsfeld
Facial field
2828
optische Achse
optical axis
3030th
Monitor
monitor
3232
Bildverarbeitungseinrichtung
Image processing device
3434
Steuereinrichtung
Control device
3636
, ,
3838
Ablenkspiegelantrieb
A Arbeitspunkt
a, a1 Deflecting mirror drive
A working point
a, a 1
-a3 -a 3rd
Abstand
distance
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19828723A DE19828723A1 (en) | 1998-06-29 | 1998-06-29 | Laser machining unit, in particular, laser marking/lettering unit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19828723A DE19828723A1 (en) | 1998-06-29 | 1998-06-29 | Laser machining unit, in particular, laser marking/lettering unit |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19828723A1 true DE19828723A1 (en) | 2000-01-05 |
Family
ID=7872227
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19828723A Ceased DE19828723A1 (en) | 1998-06-29 | 1998-06-29 | Laser machining unit, in particular, laser marking/lettering unit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19828723A1 (en) |
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