DE19963010A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken, wobei ein Laserstrahl mit Hilfe eines Laserbearbeitungskopfes in Bezug zu einer Oberfläche eines Werkstückes zweidimensional positionierbar ist und die Bearbeitung des Werkstückes mit vorgebbaren Konturen erfolgen soll. Aufgabengemäß soll die Ausbildung der Konturierungen mit hoher Positionsgenauigkeit kostengünstig und bei geringem Aufwand realisiert werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe wird der Laserstrahl mittels eines Laserbearbeitungskopfes, in dem mindestens ein zweidimensional verschwenkbarer Scannerspiegel aufgenommen ist, entsprechend geführt. Der bzw. auch zwei Scannerspiegel sind mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit verbunden. Vor der eigentlichen Bearbeitung wird ein Soll-Istwert-Vergleich bezüglich der Position des Werkstückes mit mindestens einer vorgegebenen Kontur in Bezug zum Laserbearbeitungskopf durchgeführt. Hierzu wird ein Lichtstrahl einer Lichtquelle fokussiert und über einen oder auch zwei Scannerspiegel auf die Oberfläche des Werkstückes gerichtet und entlang mindestens einer Achse durch Verschwenken mindestens eines der Scannerspiegel ausgelenkt. Das von der Werkstückoberfläche reflektierte Licht gelangt über den bzw. die Scannerspiegel auf einen optischen Detektor und wird auf diesen fokussiert. Die Messsignale dieses optischen Detektors werden unter Berücksichtigung des jeweiligen Schwenkwinkels des/der Scannerspiegel(s) der ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken, wobei ein Laserstrahl mit Hilfe eines Laserbearbeitungs­ kopfes in Bezug zu einer Oberfläche eines Werkstückes zweidimensional positionierbar ist und die Bearbei­ tung des Werkstückes mit vorgebbaren Konturen erfol­ gen soll. Die entsprechenden Konturen sollten mög­ lichst in geschlossenen Zügen vorliegen, wobei es sich um die verschiedensten geometrischen Formen, wie Kreise, Dreiecke, Quadrate, Rechtecke und anderes handeln kann.

Üblicherweise erfolgt für eine Laserbearbeitung eine Positionierung des Laserbearbeitungskopfes, mit des­ sen Hilfe ein Laserstrahl ausgelenkt und geformt wer­ den kann, durch eine entsprechende Relativbewegung in Bezug zum Werkstück. Dabei kann die Positionierung durch alleinige zweidimensionale Bewegung des Laser­ bearbeitungskopfes oder des Werkstückes bzw. durch gleichzeitige entsprechende Bewegung dieser beiden Elemente erfolgen.

Soll nun der Laserstrahl entsprechend der jeweiligen vorgegebenen Kontur über die Oberfläche eines Werk­ stückes geführt bzw. so ausgelenkt werden, um z. B. eine Schweißverbindung oder eine andere gezielte lo­ kale Wärmebehandlung durchzuführen oder durch ein Schneiden eine entsprechend konturierte Öffnung im Werkstück herzustellen, treten insbesondere bei kleinformatigen und filigranen Gebilden Probleme auf und die erforderliche Positioniergenauigkeit kann durch die herkömmlichen Antriebsmechanismen für den Laserbearbeitungskopf bzw. das Werkstück, insbesonde­ re bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten nicht in jedem Fall gesichert werden.

Außerdem kann auch Verzug, der in Folge vorangegange­ ner Bearbeitungsschritte am Werkstück aufgetreten ist, zu entsprechenden Form- und Lagefehlern führen, so dass die erforderliche Positioniergenauigkeit nicht in jedem Fall erreicht werden kann.

Sollen z. B. in Öffnungen eines Bleches, insbesondere dünnwandige Hohlprofile, möglichst ohne Zusatzwerk­ stoff mittels eines Laserstrahls stumpf eingeschweißt werden, ist eine äußerst hohe Positionsgenauigkeit bei der Ausrichtung und Bewegung des Laserstrahls erforderlich, so dass dieser sehr genau entlang der Kontur, die als Spalt zwischen entsprechend der äuße­ ren Kontur und Abmessung des Hohlprofiles und der entsprechend im Blech ausgebildeten Öffnung vorgege­ ben ist, geführt werden muß, um eine ausreichend fe­ ste und dichte Verbindung zwischen Blech und jewei­ ligem Hohlprofil herstellen zu können. Dabei kann bereits der erwähnte Verzug zu entsprechenden Posi­ tionier- und Ausrichtungsfehlern führen, so dass bei einem zu verschweißenden Bündel von Hohlprofilen Fer­ tigungsfehler auftreten können, wenn keine Korrektur von eventuell aufgetretenen Form- und Lagefehlern er­ folgt.

Bekannte Positionierhilfen sind beispielsweise geson­ derte Markierungen, die mit geeigneten Sensoren, die extern angeordnet sind, erfasst werden können. Mit Hilfe solcher Elemente wird in der Regel eine ent­ sprechende Relativbewegung eingeleitet, um den aüfge­ tretenen Positionierfehler zu korrigieren, was, da dies zumeist in mehreren Stufen durchgeführt werden muss, zu einem erhöhten Zeitaufwand führt. Mit diesen Mitteln ist es aber nur schwer, wenn überhaupt mög­ lich, Positionierfehler in Folge von Verzug ausglei­ chen zu können.

Werden bekannte Bildverarbeitungssysteme für die Überwachung der Positionsgenauigkeit eingesetzt, er­ höht sich der Kostenaufwand für eine entsprechende Anlage und ein hierfür erforderliches Bilderfassungs­ system muss so angeordnet werden, dass es unter allen Bedingungen den jeweiligen Bearbeitungsbereich über­ wachen kann, so dass es zwingend erforderlich ist, ein perspektivisches Bild mit entsprechend erhöhtem rechentechnischen Aufwand, auszuwerten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten vorzuschlagen, mit denen kostengünstig und mit gerin­ gem Aufwand bei der Laserbearbeitung von Werkstücken in vorgegebenen Konturierungen, eine hohe Positions­ genauigkeit gesichert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 für ein entsprechendes Verfahren und den Merkmalen des Anspruchs 9 für eine entsprechende Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merk­ malen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird auf einen an sich bekannten Laserbearbeitungskopf, der zur Strahl­ führung und Formung ausgebildet sein kann, zurückge­ griffen, wobei in jedem Fall zumindest ein Scanner­ spiegel verwendet wird, mit dem eine Auslenkung des Laserstrahls in zwei Dimensionen möglich ist. Es kann sich hierbei beispielsweise um einen kardanisch auf­ gehängten Scannerspiegel handeln, mit dem eine Aus­ lenkung des Laserstrahles in zwei orthogonal zuein­ ander ausgerichteten Achsen, über die Oberfläche ei­ nes Werkstückes ermöglicht werden kann.

Aus Kostengründen und gegebenenfalls zur Erhöhung der Auslenkgeschwindigkeit eines Laserstrahles, können aber auch ohne weiteres zwei gesonderte Scannerspie­ gel, die im Strahlengang des Laserstrahles nachein­ ander angeordnet sind, verwendet werden.

Dabei verfügt jeder der Scannerspiegel über einen Schwenkantrieb und einen Winkelgeber, die mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit verbunden sind, so dass ein definiertes Verschwenken des bzw. der Scannerspiegel durch eine elektronische Steue­ rung, bei gleichzeitiger Rückkopplung, d. h. Übermitt­ lung der jeweiligen Winkelpositionen der/des Scanner­ spiegel(s) möglich ist.

Optional kann im Laserbearbeitungskopf, aber auch außerhalb ein fokussierendes Element im Strahlengang des Laserstrahles angeordnet sein, wobei es sich ebenfalls optional, um eine einfache Linse oder eine Zoomoptik handeln kann.

Ergänzend wird eine zusätzliche Lichtquelle, bei­ spielsweise eine Laserdiode verwendet, deren Licht­ strahl in fokussierter Form ebenfalls auf den bzw. die Scannerspiegel gerichtet werden kann.

Mit Hilfe dieses Lichtstrahls wird vor der eigentli­ chen Laserbearbeitung ein Ist-Sollwertvergleich be­ züglich der Positionierung des zu bearbeitenden Werk­ stückes mit vorgebbaren Bearbeitungskonturen zum La­ serbearbeitungskopf durchgeführt werden kann. Dabei wird der Lichtstrahl mit Hilfe des einen bzw. auch mehrerer Scannerspiegel über die Oberfläche des Werk­ stückes ausgelenkt, wobei während der Auslenkung Licht von der Oberfläche des Werkstückes zurück re­ flektiert und über den bzw. die Scannerspiegel auf einen optischen Detektor gerichtet wird, mit dem die Intensität des reflektierten Lichtes gemessen werden kann. Da die entsprechenden Lichtintensitätsmesswerte der bzw. den Winkelstellungen des einen bzw. der meh­ reren Scannerspiegel in zugeordneter Form erfasst werden, können auf der Oberfläche des Werkstückes vorhandene vorgegebene Konturen mit ihren Konturkan­ ten bzw. Konturgrenzen durch Abfall bzw. Anstieg der gemessenen Intensität des reflektierten Lichtes er­ kannt und lokal zugeordnet werden.

Da in der Auswerte- und Steuereinheit sowohl die Form, Größe und Position/Lage der jeweiligen Bearbei­ tungskontur gespeichert ist, kann ein Soll-Istwert­ vergleich mit der gemessenen und der gespeicherten Position durchgeführt werden und die gemessene Abwei­ chung der Form, Größe oder Lage der Kontur von den Sollwerten durch Eingriff in das Steuerprogramm für die Auslenkung des Laserstrahles kompensiert werden, ohne dass eine Relativbewegung von Laserbearbeitungs­ kopf und/oder Werkstück durchgeführt werden muss.

Im einfachsten und günstigsten Fall, kann es ausrei­ chend sein, für die Positions-/Lagebestimmung der jeweiligen Kontur auf der Oberfläche des Werkstückes eine Auslenkung des Lichtstrahls entlang einer Achse durchzuführen, wobei mit einer solchen Lichtstrahl­ auslenkung dann mindestens zwei Konturkanten bzw. Konturgrenzen erfasst werden können. Insbesondere bei symmetrisch ausgebildeten Konturen kann dieser Fakt ausgenutzt werden.

In der Regel wird jedoch eine Auslenkung des Licht­ strahls über die Oberfläche des Werkstückes entlang mindestens zweier Achsen erforderlich sein, um die tatsächliche Position des Laserbearbeitungskopfes in Bezug zur auf der Oberfläche des Werkstückes ausge­ bildeten bzw. dort angeordneten Kontur zu bestimmen.

Die Achsen, in denen der Lichtstrahl ausgelenkt wird, können dabei parallel oder in einem bekannten Winkel zueinander ausgerichtet sein, wobei es in vielen Fäl­ len sicher besonders günstig ist, eine Auslenkung entlang orthogonal zueinander ausgerichteter Achsen durchzuführen, um die Messgenauigkeit bei der Posi­ tionsbestimmung der Kontur relativ hoch zu halten.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Lichtstrahl mittels des/der Scannerspiegel(s) so auszulenken, dass er der gespeicherten vorgegebenen Kontur folgt und mit entsprechenden Anstiegen bzw. Abfall der ge­ messenen Intensität des reflektierten Lichtes mit Hilfe der gleichzeitig gemessenen und zugeordneten Winkeldaten der Scannerspiegel die Abweichungen von der Sollposition der Kontur ermittelt werden können, wobei diese Abweichungen wiederum durch entsprechende Steuerung der Strahlauslenkung des Laserstrahles bei der nachfolgend durchzuführenden Laserbearbeitung kompensiert werden können.

Mit Hilfe der so ermittelten Werte können dann die tatsächlichen Positionskoordinaten der jeweiligen Bearbeitungskontur und bei bekannter Geometrie und Größe der jeweiligen Bearbeitungskontur auch deren Mittelpunkt bzw. Flächenschwerpunkt bestimmt werden, wobei die berechneten Mittelpunktkoordinaten dann für die Steuerung der Auslenkung des Laserstrahles für die Bearbeitung benutzt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der tatsächlichen Position einer auf einer Werkstückober­ fläche ausgebildeten bzw. aufgebrachten Bearbeitungs­ kontur kann insbesondere bei symmetrischen Konturen so durchgeführt werden, dass der Lichtstrahl entlang einer Achse zur Bestimmung der Mittenachse, die or­ thogonal zur ersten Achse, in der der Lichtstrahl zuerst geführt wird, ausgerichtet ist, durchgeführt wird. Im Anschluss daran wird der Lichtstrahl auf der so ermittelten Mittenachse ausgelenkt, so dass ohne weiteres der Mittelpunkt beispielsweise einer kreis­ förmigen, quadratischen oder auch rechteckigen Kontur relativ schnell und einfach bestimmt werden kann. Falls erforderlich, kann dies in mehreren Schritten iterativ durchgeführt werden.

Vorteilhaft kann die Erfindung für das Einschweißen von Hohlprofilen in Werkstücken, in denen entspre­ chend der Größe und Kontur der jeweiligen Hohlprofile Öffnungen ausgebildet worden sind, eingesetzt werden.

Hierzu können die entsprechenden Hohlprofile in die Öffnungen des Werkstückes eingeführt werden, wobei sie normalerweise mit ihren Stirnflächen mit der Oberfläche des Werkstückes, die in Richtung auf den Laserbearbeitungskopf weist, fluchten oder definierte Kanten ausbilden.

Nachdem mit Hilfe des entsprechend ausgelenkten Lichtstrahls über die Auswertung der den jeweiligen Schwenkwinkeln des/der Scannerspiegel(s) zugeordneten Lichtintensitätswerte, des reflektierten Lichtes die Position des Spaltes zwischen Öffnungsinnenwandung und Außenwandung des Hohlprofiles ermittelt worden ist, kann eine gegebenenfalls erforderliche Kompensa­ tion der Positionsdifferenz, der vorgegebenen Soll­ position mit der tatsächlich ermittelten Position durch entsprechend berücksichtigte Auslenkung des Laserstrahles erfolgen. Dadurch werden das jeweilige Hohlprofil mit dem Werkstück lagegenau unmittelbar im Spalt verschweißt, so dass eine gleichmäßige, ausrei­ chend feste und dichte Schweißnaht ausgebildet werden kann.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung können relativ klein dimensionierte und dünnwandige Hohlprofile mit hoher Genauigkeit in ein solches Werkstück, z. B. ein Blech, eingeschweißt werden, wobei die verschiedensten Me­ talle als Werkstück- und Hohlprofilmaterialien einge­ setzt werden können, so dass eine große Anwendungs­ vielfalt gegeben ist.

Die Erfindung kann aber auch für andere Laserbearbei­ tungsverfahren, als das Schweißen eingesetzt werden. Dabei kann die jeweilige Bearbeitungskontur nicht nur durch eine entsprechende Öffnung im Werkstück vorge­ geben sein, sondern es ist lediglich erforderlich, dass an bzw. auf der entsprechenden Bearbeitungskon­ tur eine veränderte reflektierende Eigenschaft, ge­ genüber der benachbarten Oberfläche des Werkstückes auftritt. So kann beispielsweise eine der Bearbei­ tungskontur als nutenförmige Vertiefung auf der Ober­ fläche des Werkstückes ausgebildet sein.

Es kann aber auch eine der Bearbeitungskontur folgen­ de Schicht aus einem Material mit höherer Reflexion oder höherer Absorption des für den Lichtstrahl ver­ wendeten Lichtes aufgebracht worden sein, was bei ei­ ner entsprechenden Auslenkung des Lichtstrahls beim Überstreichen einer so markierten Bearbeitungskontur zu einem Anstieg oder Abfall der mit dem optischen Detektor gemessenen Lichtintensität führt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können also auch entsprechend konturierte Öffnungen in ein Werkstück geschnitten oder eine gezielte lokale Wärmebehandlung durchgeführt werden, um beispielsweise lokal gezielt, die Härte eines solchen Werkstückes zu verändern oder lokal gezielt Eigenspannung in das Werkstückmaterial einzubringen.

Um den Lichtstrahl der Lichtquelle mit einem relativ kleinen Lichtfleck auf die Oberfläche des Werkstückes zu richten, ist es günstig, ein fokussierendes opti­ sches Element, beispielsweise eine konvexe Sammellin­ se in dessen Strahlengang anzuordnen, bevor dieser auf den/die Scannerspiegel auftrifft.

Da der Lichtstrahl zumindest teilweise parallel zum Laserstrahl einer Laserlichtquelle ausgerichtet sein sollte, ist es vorteilhaft, in den Strahlengang des Licht- und des Laserstrahles einen Strahlteiler, bei­ spielsweise ein optisches Fenster, das bevorzugt aus ZnSe besteht, anzuordnen. Dabei wird entweder der Licht- oder der Laserstrahl an einer Fläche eines solchen Fensters reflektiert und entsprechend abge­ lenkt und der jeweils andere Strahl, der von der an­ deren Seite auf das Fenster gerichtet wird, kann in nicht abgelenkter Form dieses durchdringen.

Sowohl der Laser-, wie auch der Lichtstrahl können dann mit einem fokussierenden Element, z. B. einem Fokussierspiegel auf den bzw. die Scannerspiegel ge­ richtet und mit deren Hilfe entsprechend über die Oberfläche des Werkstückes abgelenkt werden, wobei die Ablenkung mit Hilfe von Schwenkantrieben der Scannerspiegel erfolgt, wobei eine Rückkopplung der jeweiligen Schwenkposition mit Hilfe von Winkelge­ bern, die bevorzugt in den Schwenkantrieben inte­ griert sind, zu einer Auswerte- und Steuereinheit erfolgt.

Bei konstanter Schwenkgeschwindigkeit der Scanner­ spiegel kann aber auch eine Zuordnung über die Zeit erfolgen.

Zur Vereinfachung kann es vorteilhaft sein, die in der Regel analogen Messwerte der Winkelgeber mit Hil­ fe von Analog-Digitalwandlern zu digitalisieren und in dieser Form in der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit für den bereits beschriebenen Soll-Ist­ wertvergleich, der Soll- der ermittelten tatsächli­ chen Position einer entsprechenden Bearbeitungskon­ tur, zu nutzen.

Das an der Oberfläche des Werkstückes reflektierte Licht des Lichtstrahls gelangt dann wieder über den/die Scannerspiegel, durch das Fenster, als Strahl­ teiler zurück und mit Hilfe eines weiteren Strahltei­ lers wird das reflektierte Licht umgelenkt und auf einen starr befestigten optischen Detektor gerichtet. Der Detektor ist wiederum mit der elektronischen Aus­ werte- und Steuereinheit verbunden, so dass das je­ weilige Messsignal, der gemessenen Lichtintensität des reflektierten Lichtes mit Hilfe der Winkelsignale oder die Zeit einer genauen Position auf der Oberflä­ che des Werkstückes zugeordnet werden kann.

Selbstverständlich ist auch zumindest die Laserlicht­ quelle mit der elektronischen Auswerte- und Steuer­ einheit verbunden, um zumindest das Ein- und Aus­ schalten der Laserlichtquelle gezielt zu steuern, so dass die Laserbearbeitung erst dann an der jeweiligen Bearbeitungskontur durchgeführt wird, wenn die tat­ sächliche Position der Bearbeitungskontur bestimmt worden ist.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die den Lichtstrahl aussendende Lichtquelle an die elektroni­ sche Auswerte- und Steuereinheit anzuschließen.

Die aus Lichtquelle, optischem Detektor und zumindest einem Strahlteiler gebildete optische Einheit kann direkt in den Laserbearbeitungskopf integriert oder an herkömmliche Laserbearbeitungsköpfe angeschlossen bzw. dort angeflanscht werden, wobei im letztgenann­ ten Fall der Lichtstrahl durch ein entsprechendes orthogonal zum Lichtstrahl ausgerichtetes Fenster in den Laserbearbeitungskopf, auf den bereits erwähnten Strahlteiler (optisches Fenster) gerichtet werden kann. Außerdem können im Laserbearbeitungskopf, die bereits mehrfach erwähnten und beschriebenen Scanner­ spiegel mit deren Schwenkantrieben und Winkelgebern integriert sein. Dort kann außerdem ein zusätzliches fokussierendes optisches Element vorhanden sein, wo­ bei es sich dabei um ein strahlformendes Element mit veränderlicher Brennweite handeln kann.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen näher beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 Diagramme der Messsignale des optischen Detektors und der Winkelgeber der Schwenk­ antriebe von Scannerspiegeln, bei einer Auslenkung des Lichtstrahls in zwei ortho­ gonal zueinander ausgerichteten Achsen;

Fig. 3 Diagramme und Ansätze zur Bestimmung des Mittelpunktes von auf bzw. in Werkstücken ausgebildeten Bearbeitungskonturen und

Fig. 4 eine Abfolge von mehreren Schritten zur Bestimmung des Mittelpunktes einer recht­ eckigen Bearbeitungskontur.

In der Fig. 1 ist der schematische Aufbau einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Bei diesem Bei­ spiel wird eine Laserdiode als Lichtquelle 1, mit einer Wellenlänge λ = 690 nm und einer Lichtleistung von 10 Milliwatt verwendet. Der Lichtstrahl 7 gelangt bei diesem Beispiel über eine erste Sammellinse 14 durch einen ersten Strahlteiler 15, wobei der Licht­ strahl 7 durch eine Bohrung im ersten Strahlteiler 15 auf eine zweite Sammellinse 16 gerichtet und mit die­ ser weiter in fokussierter Form, durch einen zweiten Strahlteiler 13, hier ein ZnSe-Fenster, auf einen Fo­ kussierspiegel 12 und von dort über Scannerspiegel 2 und 3 auf die Oberfläche eines Werkstückes 4 gerich­ tet wird. Durch entsprechendes Verschwenken der Scan­ nerspiegel 2, 3, in jeweils orthogonal zueinander ausgerichteten Achsen kann der Lichtstrahl 7 über die Oberfläche des Werkstückes 4, zur Bestimmung der Ist- Position von auf der Oberfläche des Werkstückes 4 angeordneten bzw. dort ausgebildeten Konturen bewegt werden, wobei ein Verschwenken in einer bzw. mehreren Achsen oder einem Nachfahren der Sollkontur, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits erklärt, durch entsprechende Manipulation der Schwenkantriebe 10 und 11, der Scannerspiegel 2 und 3 möglich ist. Dabei erfolgt die Steuerung der Schwenkbewegung der Scannerspiegel 2 und 3 mittels der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit 6, die gleichzeitig die jeweilige Winkelposition der beiden Scannerspiegel 2 und 3 erfasst und winkelbezogen die mit dem optischen Detektor 5 gemessene Intensität, des gegebenenfalls von der Oberfläche des Werkstückes 4 reflektierten Lichtes zuordnet.

Selbstverständlich kann von der Oberfläche des Werk­ stückes 4 nur Licht reflektiert werden, wenn der Lichtstrahl 7 auf keine Öffnung oder absorbierende Oberflächenbereiche trifft. Auch von Oberflächenbe­ reichen, die abweichend von der Flächennormalen, die in Richtung der einfallenden Lichtstrahlung zeigt, ausgerichtet sind, gelangt kein bzw. nahezu kein re­ flektiertes Licht über die Scannerspiegel 2 und 3 zum optischen Detektor 5.

In der Fig. 2 sind die Messsignale der Winkelgeber, der Schwenkmechanismen 10 und 11 sowie das jeweils zugeordnete Messsignal des optischen Detektors 5 Zeit- bzw. wegabhängig dargestellt. Dabei erfolgt die Auslenkung des Lichtstrahls 7 mit Hilfe der Scanner­ spiegel 2 und 3 in zwei orthogonal zueinander ausge­ richteten Achsen, also in x- bzw. y-Richtung. Mit dem dargestellten Verlauf des Messsignals des optischen Detektors 5 kann eindeutig erkannt werden, wann bzw. wo auf der Oberfläche des Werkstückes 4 reflektiertes Licht des Lichtstrahls 7 vom optischen Detektor 5 erfasst wird und der Lichtstrahl 7 beim Auftreffen auf eine reflektierende Fläche trifft, deren Flächen­ normale in Richtung des einfallenden Lichtstrahls 7 zeigt und das dort reflektierte Licht den optischen Detektor 5 erreicht.

Trifft der Lichtstrahl 7 in eine Bohrung bzw. eine anders ausgebildete Öffnung bzw. auf eine Fläche, deren Flächennormale von der Richtung des einfallen­ den Lichtstrahls 7 abweicht, erreicht kein oder nur ein kleinere Teil von der Oberfläche des Werkstückes 4 reflektiertes Licht den optischen Detektor 5. Wird nunmehr der Lichtstrahl 7, wie bereits erwähnt ent­ lang der x- und entlang der y-Achse ausgelenkt, kön­ nen die in der oberen Darstellung gezeigten Messsi­ gnale mit dem optischen Detektor 5 erfasst werden.

Für die Positionsbestimmung des jeweiligen Messsigna­ les, erfolgt eine Zuordnung des eigentlichen Messwer­ tes, des optischen Detektors 5, mit den Winkelsigna­ len, der Winkelgeber, der beiden Schwenkantriebe 10 und 11, der Scannerspiegel 2 und 3.

In der Fig. 3 sind zwei Beispiele für die Erfassung der Position von Bearbeitungskonturen 17, die in bzw. auf unterschiedlichen Werkstücken 4 ausgebildet sind, dargestellt. In der linken Darstellung ist ein Werk­ stück 4 mit einer Bohrung als Bearbeitungskontur 17 und in der rechten Darstellung eine auf der Werk­ stückoberfläche ausgebildete Bearbeitungskontur 17 in Form einer nutenförmigen Einkerbung gezeigt.

Den beiden Beispielen zugeordnet, ist der in Abhän­ gigkeit des Schwenkwinkels, zumindest eines Scanner­ spiegels, der Messsignalverlauf des optischen Detek­ tors 5 dargestellt, wobei für beide Beispiele deut­ lich der Verlauf der steigenden und fallenden Flanken des Messsignals erkennbar wird.

Da in der Regel die Größe, die Form und die Art der Bearbeitungskontur 17 bekannt sind, kann innerhalb der Minima und Maxima, der gemessenen Lichtintensitä­ ten ein Messfenster festgelegt werden, wobei hierzu günstigerweise ein mittlerer Bereich, zwischen dem gemessenen Minimum und dem gemessenen Maximum, als Messfenster ausgewählt wird. Durch Mittelwertbildung innerhalb dieses Messfensters an den steigenden und fallenden Flanken des Messsignals kann durch Diffe­ renzbildung dann ohne weiteres der Mittelpunkt der jeweiligen Bearbeitungskontur 17 bestimmt werden.

Wie dies an den Koordinaten, der Diagramme für die Auslenk- bzw. Verschwenkwinkel der Scannerspiegel 2, 3 angedeutet ist, kann die Bestimmung des Mittelwer­ tes der Bearbeitungskontur 17 sowohl auf Zeit- wie auch auf Wegbasis erfolgen.

Da die Auswertung des Messsignales des optischen De­ tektors 5 lediglich im Bereich des Messfensters er­ folgt, können Fehler infolge Rauschen ausgeschlossen werden.

In der Fig. 4 ist in mehreren Schritten angedeutet, wie iterativ die Position des Mittelpunktes einer rechteckigen Bearbeitungskontur bestimmt werden kann. Auch bei diesem Beispiel sollte bevorzugt die Auswer­ tung im Bereich des Messfensters der Messsignale des optischen Detektors 5 erfolgen. Innerhalb dieses Messfensters wird ein Messpunkt bestimmt, an dem die Differenz der Schwenkwinkel Δf des entsprechenden Scannerspiegels zwischen einer fallenden und steigen­ den Flanke des Messsignales ermittelt wird. Durch Halbierung dieser Differenz kann der Schwenkwinkel des entsprechenden Scannerspiegels 2 oder 3, der zum Mittelpunkt der durch die Bearbeitungskontur gescann­ ten Sekante gehört, bestimmt werden. Dieser Vorgang wird sooft wiederholt, bis eine festgeschriebene Ab­ weichung der Mittelpunkte voneinander nicht mehr überschritten wird. Ist der Mittelpunkt entlang der ersten Achse mit ausreichender Genauigkeit bestimmt, kann in einem zweiten Schritt die entsprechende Mes­ sung in der orthogonal dazu ausgerichteten Richtung, also in y-Richtung durchgeführt werden, wobei jedoch in diesem Fall die Auslenkung des Lichtstrahls 7 be­ reits in der vorab ermittelten Mittenachse der Bear­ beitungskontur 17, die vorab ermittelt worden ist, durchgeführt werden sollte.

Im dritten Schritt wird das Ergebnis der Messungen in Richtung der x-Achse wiederholt und dieses Ergebnis überprüft.

Nach Bestimmung des Mittelpunktes der Bearbeitungs­ kontur kann diese Positionsangabe zur Steuerung der Auslenkung des Laserstrahls 8 für die entsprechende Laserbearbeitung genutzt werden.

Claims (20)

1. Verfahren zur Laserbearbeitung von Werkstücken, bei dem ein Laserstrahl mittels eines Laserbear­ beitungskopfes, in dem mindestens ein zweidimen­ sional verschwenkbarer Scannerspiegel aufgenom­ men ist, der mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit verbunden ist, auf ein Werk­ stück zu dessen Bearbeitung mit vorgebbaren Kon­ turen gerichtet und vor der Laserbearbeitung ein Soll-Istvergleich der Position des Werkstückes (4) mit mindestens einer vorgegebenen Kontur in Bezug zum Laserbearbeitungskopf durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Lichtstrahl (7) einer Lichtquelle (1) fokussiert über den einen oder zwei Scannerspie­ gel (2, 3) auf die Oberfläche des Werkstückes (4) gerichtet und entlang mindestens einer Achse durch Verschwenken mindestens eines Scannerspie­ gels (2) oder (3) ausgelenkt und von der Werk­ stückoberfläche reflektiertes Licht über den/die Scannerspiegel (2, 3) auf einen optischen Detek­ tor (5) fokussiert gerichtet wird;
die Messsignale des optischen Detektors (5) in Abhängigkeit des jeweiligen Schwenkwinkels des/der Scannerspiegel(s) (2, 3) der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit (6) zugeführt und
die Auslenkung des Laserstrahls (8) bei der Be­ arbeitung in Abhängigkeit der so ermittelten Ist-Position der Kontur (17) für die Bearbeitung gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (7) vor der Laserbearbeitung entlang mindestens zweier Achsen, die parallel oder in einem be­ stimmten Winkel zueinander ausgerichtet sind oder der vorgegebenen Bearbeitungskontur (17) folgend, durch entsprechendes Verschwenken des/der Scannerspiegel(s) (2, 3) auf die Werkstück­ oberfläche gerichtet und die mit dem optischen Detektor (5) gemessene Intensität des reflek­ tierten Lichtes für den jeweiligen Verschwen­ kungswinkel des/der Scannerspiegel(s) (2, 3) der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit (6) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt bzw. der Flächenschwerpunkt der jeweiligen Be­ arbeitungskontur (17) bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (7) über die Werkstückoberfläche entlang einer Achse zur Bestimmung der Position der Mittenachse, der Bearbeitungskontur (17) in zu dieser orthogonal ausgerichteter Achse und dann entlang dieser Mittenachse zur Bestimmung des Mittelpunktes der Bearbeitungskontur (17) geführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Konturkante oder -grenze innerhalb eines Mess­ fensters, das im Intervall innerhalb der minima­ len und maximalen messbaren Lichtintensität des optischen Detektors (5) liegt, durch Mittelwert­ bildung an der fallenden und/oder steigenden Flanke des Messsignales bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Nachgang zur Bestimmung der Position von als Öffnungen im Werkstück (4) ausgebildeten Bearbeitungskonturen (17), entsprechend der Bearbeitungskontur ausge­ bildete und dimensionierte Hohlprofile mittels des entsprechend ausgelenkten Laserstrahls (8) mit dem Werkstück (4) verschweißt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Werk­ stückoberfläche eine Bearbeitungskontur (17) mit veränderten reflektierenden Eigenschaften aufge­ bracht oder ausgebildet wird, die nach Bestim­ mung der Position in Bezug zum Laserbearbei­ tungskopf, mit dem Laserstrahl (8) bearbeitet oder einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Laserstrahl (8), der Bearbeitungskontur (17) folgend, eine Öffnung im Werkstück (4) ausgeschnitten wird.

9. Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Werk­ stücken, bei der mindestens ein zweidimensionaler ver­ schwenkbarer Scannerspiegel in einem Laserbear­ beitungskopf aufgenommen ist, der in Bezug zu einer Werkstückoberfläche ebenfalls zweidimen­ sional, zur Bearbeitung des Werkstückes mit ei­ nem Laserstrahl, positionierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle (1) einen fokussierten Lichtstrahl (7) über den/die Scannerspiegel (2, 3) auf die Oberfläche des Werkstückes (4) rich­ tet und von der Oberfläche des Werkstückes (4) reflektiertes Licht über den/die Scannerspiegel (2, 3) auf einen optischen Detektor (5) gerich­ tet ist; und Schwenkantriebe (10, 11) mit Win­ kelgebern des/der Scannerspiegel(s) (2, 3) sowie der optische Detektor (5) mit einer elektroni­ schen Auswerte- und Steuereinheit (6) verbunden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (7) von der Lichtquelle (1) durch einen ersten Strahlteiler (15), von dem das reflektierte Licht zu einem optischen Detektor (5) gerichtet wird, auf den/die Scannerspiegel (2, 3) gerich­ tet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl (8) der Laserlichtquelle (9) auf einen zweiten Strahlteiler (13) und von dort durch Reflexion auf den/die Scannerspiegel (2, 3) und die Ober­ fläche des Werkstückes (4) gerichtet ist; und der Lichtstrahl (7) sowie von der Oberfläche des Werkstückes (4) reflektiertes Licht durch den zweiten Strahlteiler (13) geführt ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (7) mit mindestens einem optischen Element (16) fo­ kussiert ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strahl­ teiler (13) ein optisches Fenster ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strahl­ teiler (13) ein ZnSe-Fenster ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) eine Laserdiode ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Detek­ tor (5) orthogonal zum Lichtstrahl (7) angeord­ net ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) und die Laserlichtquelle (9) mit der elektroni­ schen Auswerte- und Steuereinheit (6) verbunden sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Lichtquelle (1), optischem Detektor (5) und erstem Strahl­ teiler (15) gebildete optische Einheit in den Laserbearbeitungskopf integriert oder an diesen angeschlossen ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Laserbearbei­ tungskopf mindestens ein Scannerspiegel (2, 3) mit einem Schwenkantrieb (10, 11) und Winkelge­ ber aufgenommen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Laserbearbei­ tungskopf zusätzlich ein fokussierendes opti­ sches Element (12) und/oder ein zweiter Strahl­ teiler (13) aufgenommen ist/sind.