DE4028179C2 - Verfahren zur Überwachung der Lage und des Durchmessers von Laserstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Laser­ strahlen auf Lageabweichungen bezüglich einer Sollage und auf Abweichungen des Durchmessers von einem vorgegebenen oder ein­ gestellten Durchmesser.

In der Fertigung werden in zunehmendem Maße Verfahren unter Anwendung von Laserstrahlen durchgeführt. Hierzu verwendete Maschinen sind mit einem Laser ausgerüstet und arbeiten häufig mit "fliegender Optik". Hierbei besteht die Gefahr, daß der Laserstrahl auf die Fassung der Optik trifft. Dies geschieht, wenn der Laserstrahl des in der Maschine vorhandenen Laserge­ rätes geringfügig dejustiert wird. Die Folge davon sind unmit­ telbare Verschlechterungen des Bearbeitungsergebnisses. Dies wird einerseits durch die Abschattung des Laserstrahles beim Auftreffen auf einer Optikfassung erzeugt. Desweiteren kann eine Änderung des Durchmessers vom Laserstrahl vor der Fokus­ sierungsoptik bei gleichbleibender Brennweite dieser Optik direkten Einfluß auf den Durchmesser des Laserstrahl es im Fo­ kus haben. Da der Strahldurchmesser im Fokus direkt proportio­ nal dem Kehrwert des Durchmessers vom Laserstrahl vor der Optik ist, ist der Energieeintrag in ein zu bearbeitendes Werk­ stück unmittelbar abhängig von der Änderung des Strahldurchmes­ sers.

Derartige Fehler treten durch Änderung der Laserleistung auf, die entweder durch thermische Belastungen von Bauelementen oder durch Verschmutzung des Auskoppelfensters am Laser er­ zeugt werden. Dadurch wird unmittelbar die Divergenz des Lasers beeinflußt.

Bei Lasern, die im ultravioletten, im sichtbaren oder im nahen infraroten Licht arbeiten, können die Strahllage und der Durch­ messer mit Photodioden oder mit Anordnungen von Photodioden gemessen werden. Hierzu muß jedoch ein minimaler Anteil des Laserstrahles ausgekoppelt werden. Dabei wird lediglich der ausgekoppelte Anteil, aber nicht der eigentliche Bearbeitungs­ strahl überwacht. Für Laser, die mit Infrarotlicht arbeiten, können beispielsweise bei ausreichender Leistung Drähte in den Strahlengang eingebracht werden, deren Erwärmung ein Maß für die Strahllage ist. Die Drähte dürfen aber nicht beliebig lan­ ge der Laserstrahlung ausgesetzt werden. Ein Laserstrahl kann mittels der Methode der "rotierenden Hohlnadel" justiert wer­ den. Dies ist eine Weiterentwicklung der "rotierenden Drähte". Ebenso kann mittels bewegter Blenden ein Teil des Laserstrah­ les ausgekoppelt und überwacht werden. Dies bezieht sich wie­ derum nicht auf den eigentlichen Bearbeitungsstrahl. Eine seit langem bekannte und nach die vor verwendbare Methode zur Fest­ stellung der Strahllage und des Durchmessers des Laserstrahles ist die Möglichkeit der Erzeugung von Einbränden.

Die US-Patentschrift 4 707 597 offenbart ein Verfahren zur akustischen Überwachung und Einstellung eines Lichtbündels in Bezug auf dessen Position und/oder Richtung. Dazu wird ein opto-elektrischer Wandler eingesetzt, wobei das elektrische Signal des Wandlers verarbeitet wird. Wenn Lichtanteile des Lichtbündels auf die einzelnen Sektoren des Sensors einfallen, wird eine optoelektrische Messung der Positionsabweichung vorgenommen. Für jeden einzelnen Sektor werden Schwingungen erzeugt. Die Schwingungen werden über einen Lautsprecher umgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für die Fertigung praktikables Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Überwachung von Laserstrahlen auf Lage- und Durchmesserabwei­ chung möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs wiedergegeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mittels eines oder mehrerer in einem Körper erzeugter Schallemissionssignale das auftreffen eines Laserstrahles detektierbar ist. Hierbei reicht eine geringfügige Erwärmung des jeweiligen Körpers aus, um ein gut meßbares Signal zu erzeugen. Dieser Effekt der Schallemission wird zur Messung der Strahllage und des Strahl­ durchmessers insofern herangezogen, als ein auf die Sollage und den Solldurchmesser eines Laserstrahles abgestimmter Kör­ per, der an die Form des Laserstrahls angepaßt ist, Sensoren zur Aufnahme von Schallemissionssignalen enthalt. Sobald der Laserstrahl von seiner Sollage bzw. von seinem Solldurchmesser abweicht und auf den beschriebenen Körper trifft, werden durch Aufheizen dieses Körpers Schallemissionssignale emittiert, über die Sensoren aufgenommen und entsprechend ausgewertet. Hierbei ist es nur wichtig das Vorhandensein eines Schallemis­ sionssignales zu detektieren. Dazu kann die Amplitude und auch die Frequenz des Signales herangezogen werden.

Sind die Blende oder die Fassung entlang ihres Umfanges in akustisch gegeneinander isolierte Segmente unterteilt, wobei gleichzeitig jedem Segment ein Sensor zugeordnet ist, so be­ steht die Möglichkeit, neben der Aussage bezüglich einer Lage­ abweichung eines überwachten Laserstrahls auch die Richtung der Abweichung anzugeben. Hierzu werden die Amplitudenunter­ schiede der akustischen Signale zwischen den einzelnen Segmen­ ten ermittelt und ausgewertet. Für den Fall, daß die Segmente so eingestellt sind, daß gerade kein Signal entsteht, so er­ gibt sich die Möglichkeit, bereits eine geringfügige Strahl­ vergrößerung zu detektieren. Dabei würden gleichmäßige Signale in allen Segmenten erzeugt werden. Die anfängliche Konzen­ trizität der Blende oder der Fassung einer Optik bezüglich der Sollage des Laserstrahles wird natürlich vorausgesetzt.

Die einfachste Ausführung der Erfindung besteht in der Auswer­ tung des Schallemissionssignales, das bei Lage- und Durchmes­ serabweichungen an einer Optikfassung auftritt. Hier wird bei­ spielsweise ein Piezosensor an der Optikfassung befestigt und angekoppelt. Das aufgenommene Schallemissionssignal wird even­ tuell gefiltert und verstärkt. Das auftreten eines Schallemis­ sionssignales signalisiert das Auftreffen des Laserstrahles auf die Fassung der Optik. Grundsätzlich kann jede Fassung eines optischen Elementes innerhalb der Fokussierungsoptik dazu verwendet werden. Die Materialien sind in der Regel Me­ talle.

Werden an der Optikfassung oder an einer Blende mehrere Senso­ ren angebracht, so kann aus den Laufzeitunterschieden der akustischen Signale die Richtung der Strahlabweichung ermittelt werden. Dies ist jedoch nur mit einer Segmentierung und mit akustisch gegeneinander isolierten Segmenten möglich. Mittels des beschriebenen Verfahrens ist sogar die quantitative Messung des Strahldurchmessers möglich.

Die diesbezügliche Vorgehensweise entspricht in etwa dem Prin­ zip eines Lehrringes zur Bestimmung des Durchmessers von zylindrischen Körpern. Der Durchmesser eines Laserstrahles ist so groß, wie der Durchmesser einer konzentrisch angeordneten Blende, bei der gerade kein Schallemissionssignal auftritt. Die Verwendung einer nächstkleineren Blende würde ein Schallemissionssignal in der Blende bewirken, da der Laser­ strahl bei diesem Durchmesser auf die Blende auftrifft.

Die verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen des Verfah­ rens müssen nicht notwendigerweise in einer Bearbeitungsma­ schine enthalten sein. Es besteht die Möglichkeit, diese Varianten in einem bewegbaren Meßgerät zu integrieren, das nicht ortsgebunden einsetzbar ist. Das Meßgerät ist aufgrund der Tatsache, daß blenden nur geringfügig erwärmt werden, sehr robust und kann auch an Lasern hoher Leistung eingesetzt wer­ den. Es können allgemein Fehler bei der Bearbeitung vermieden werden, indem der Laser bei Abweichungen von der Sollage oder dem Solldurchmesser des Laserstrahles abgeschaltet oder nach­ geregelt wird.

Claims (1)

1. Verfahren zur Überwachung der Lage und des Durchmessers von Laserstrahlen, bei dem die Abweichung eines Laserstrahls von seiner Sollage durch Auswertung eines Schallemissionssignales geschieht, das durch Auftreffen des Laserstrahles auf eine konzentrisch zur Sollage des Laserstrahles angeordnete Blende oder eine Fassung einer laserstrahlformenden Optik und dadurch bedingte Erwärmung entsteht, wobei die Blende oder die Fassung entlang ihres Umfanges in akustisch gegeneinander isolierte Segmente unterteilt sind und an jedem Segment ein Sensor zur Aufnahme eines im Segment erzeugten Schallemissions­ signales angekoppelt ist.