DE4028974A1

DE4028974A1 - Determining the optimal focal point of laser beam - by measuring time for max. light intensity for each focal distance and lowest pt. on resultant graph plotting distance against time

Info

Publication number: DE4028974A1
Application number: DE4028974A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl Phys Hamann; Bernd Laessiger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-09-12
Filing date: 1990-09-12
Publication date: 1992-03-19

Abstract

Determining the focal distance of an energy beam, esp. a laser beam, during surface working of a workpiece, consists of measuring the intensity (A) of surface light over a time period (T) during the working of a workpiece with specific distances (D) between focussing device and workpiece. The light intensity is measured by a sensor and for each distance (D) the time (Tm) to reach a max. intensity value is plotted against the distance. The optimal distance is then given by the min. point on the resultant graph. USE - For optimising the working of the laser beam and for determining when the workpiece surface is impaired and thereby leads to poor working.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Fokus lage eines fokussierten Energiestrahles, wobei an der Bearbei tungsstelle ein Bearbeitungsleuchten auftritt.The invention relates to a method for determining the focus location of a focused energy beam, being on the machining processing light occurs.

Bei der Materialbearbeitung mit Energiestrahlen, beispielswei se beim Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlen, entsteht an der Bearbeitungsstelle auf der Oberfläche des Werkstückes ein Bearbeitungsleuchten. Dieses Bearbeitungsleuchten wird meistens Plasmaleuchten genannt, wobei diese Bezeichnung unter Umständen unkorrekt sein kann, da nicht in jedem Fall ein Plasma vorliegt. Die Bezeichnung Bearbeitungsleuchten soll ganz allgemein eine Leuchterscheinung beschreiben, die während der Bearbeitung mittels eines Energiestrahles erscheint.When processing materials with energy beams, for example se when machining workpieces with laser beams at the processing point on the surface of the workpiece a machining lights. This machining lights will mostly called plasma lights, this name under Circumstances may be incorrect since not always Plasma is present. The term processing lights should generally describe a lighting phenomenon that occurs during processing by means of an energy beam appears.

Um dieses Bearbeitungsleuchten zu "zünden", muß die Oberfläche des Werkstückes auf Verdampfungstemperatur gebracht werden.To "ignite" these machining lights, the surface must of the workpiece are brought to the evaporation temperature.

Die Ergebnisse bei Bearbeitungsprozessen mit Lasern hängen im wesentlichen von der Lage des Fokus ab, relativ zur Werkstück oberfläche. Mit Veränderung der Fokuslage ändert sich auch der Fokusdurchmesser und damit die Intensität des Strahles. Die Intensität oder Leistungsdichte bestimmt aber, ob gebohrt, ge schweißt oder nur aufgewärmt wird. Deshalb ist es wichtig, neben der Leistung bzw. Energie eines Laserstrahles auch die Fokuslage genau zu kennen, einzustellen und konstant zu halten. The results of machining processes with lasers depend on depends essentially on the position of the focus, relative to the workpiece surface. As the focus changes, so does the change Focus diameter and thus the intensity of the beam. The But intensity or power density determines whether drilled, ge welds or is just warmed up. That's why it's important in addition to the power or energy of a laser beam also the To know the focus position exactly, to adjust and to constantly hold.

Im Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, um die Strahlkaustik auszumessen. Ein Laserstrahl kann beispielsweise mit der Methode der "rotierenden Hohlna del" mit der "Schneidenmethode" oder über einen "Einbrand durchmesser" vermessen werden. Allen Methoden ist jedoch gemeinsam, daß sia während der Bearbeitung nicht einsetzbar sind, weil sie entweder zu aufwendig oder zu ungenau sind. Für den Fall, daß die Fokuslage festgelegt ist, kann sie bei spielsweise mit induktiven, kapazitiven oder mechanischen Abstandsfühlern konstant gehalten werden. Hierbei wird im we sentlichen der Abstand zwischen Fokussierungsoptik bzw. Laser gerät und dem Werkstück kontrolliert. Ergeben sich jedoch Fo kusänderungen aufgrund von Linsenerwärmungen oder anderen Fehlerquellen, so kann dies weder erkannt noch nachgeregelt werden. Eine vor einer Fokussierungsoptik durchgeführte Kon trolle der Laserleistung bzw. des Laserstrahles kann hier ebenfalls nicht abhelfen.There are various possibilities in the prior art known to measure the beam caustic. A laser beam can, for example, with the method of "rotating Hohlna del "with the" cutting method "or via a" penetration diameter "can be measured. However, all methods are common that sia cannot be used during editing because they are either too complex or too imprecise. For the case that the focus position is fixed, it can be at for example with inductive, capacitive or mechanical Distance sensors are kept constant. Here, we noticeable the distance between focusing optics or laser device and checked the workpiece. However, Fo kiss changes due to lens heating or others Sources of error, this can neither be recognized nor corrected will. A con performed in front of focusing optics trolls of laser power or the laser beam can be here don't help either.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung und Kontrolle der Fokuslage bei der Bearbeitung von Werkstücken mit einem Laserstrahl zur Verfügung zu stellen, womit die Fokuslage zuverlässig und unabhängig von der Art der Fehlerquellen, die Änderungen der Fokuslage bewirken, bestimmt werden kann.The invention has for its object a method for Determination and control of the focus position when editing To provide workpieces with a laser beam, which makes the focus position reliable and independent of the type of Sources of error that cause changes in the focus position are determined can be.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wiedergegeben.The solution to this problem is provided by the characteristic part of claim 1 reproduced.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Auswer tung des charakteristischen Verlaufes der Leistungsdichte des Bearbeitungsleuchtens, die mittels eines Sensors aufgenommen wird und in Form eines Amplituden-/Zeit-Diagrammes vorliegt, die Bestimmung der Fokuslage des Energiestrahles bei der Be arbeitung eines Werkstückes ermöglicht. Das Bearbeitungsleuch ten wird bei jeder Bearbeitung mit einem Energiestrahl auf treten, so daß bei einer gepulsten Bearbeitungsweise ein Bear beitungsleuchten für jeden Puls des Energiestrahles zu messen ist. Der Amplitudenverlauf, der den Verlauf der Leistungsdich te des Bearbeitungsleuchtens über die Zeit darstellt, steigt stetig und relativ schnell an und erreicht ein erstes Haupt maximum. Danach fällt er stufenweise ab. Die Auswertung zur Bestimmung der Fokuslage bezieht sich auf den ersten Teil des Amplitudenverlaufes bis zum Maximum.The invention is based on the knowledge that the Auswer the characteristic curve of the power density of the Editing lights recorded by means of a sensor and is available in the form of an amplitude / time diagram, the determination of the focus position of the energy beam in the loading work on a workpiece. The editing light Each time it is worked with an energy beam kick, so that in a pulsed processing mode a Bear to measure processing lights for each pulse of the energy beam is. The course of the amplitude, which shows the course of the power representing the processing light over time increases steadily and relatively quickly and reaches a first head maximum. Then it gradually falls off. The evaluation for Determination of the focus position refers to the first part of the Amplitude curve up to the maximum.

Der Einsatz eines Laserstrahles zur Bearbeitung von Werkstük ken in Kombination mit einer Fokussierungsoptik bietet gegen über anderen Energiestrahlen wesentliche Vorteile, vorallem in der Fertigung. Das Bearbeitungsleuchten ist für diesen Fall zuverlässig zu erkennen und gut zu registrieren.The use of a laser beam for machining workpieces ken in combination with focusing optics offers against advantages over other energy beams, especially in manufacturing. The machining lights are for this case reliably recognizable and easy to register.

Ein bevorzugtes charakteristisches Merkmal zur Bestimmung der Fokuslage ist die Auswertung der Zeit, die zwischen dem Auf treffen eines Laserstrahles auf eine Werkstückoberfläche und dem ersten Maximum im Amplitudenverlauf des Bearbeitungs leuchtens vergeht. Wird dies in Abhängigkeit von variierten Abständen zwischen Fokussierungsoptik und Werkstückoberfläche mehrmals aufgenommen, so ergibt sich in einem Zeit-/Abstands- Diagramm ein Kurvenverlauf mit einem ausgeprägten Minimum, das den Abstand angibt, bei dem der Fokus des Laserstrahles auf der Werkstückoberfläche liegt und somit die maximale Energie dichte bzw. Leistungsdichte in das Werkstück eingebracht wird. Die Variation der Abstände für die einzelnen Messungen ge schieht natürlich um die Fokuslage herum.A preferred characteristic for determining the The focus is the evaluation of the time between the on hit a laser beam on a workpiece surface and the first maximum in the amplitude course of the machining shines brightly. This will vary depending on Distances between focusing optics and workpiece surface recorded several times, this results in a time / distance Diagram a curve with a pronounced minimum that indicates the distance at which the focus of the laser beam is on the workpiece surface and therefore the maximum energy density or power density is introduced into the workpiece. The variation of the distances for the individual measurements ge of course, looks around the focus position.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Aus wertung der Abhängigkeit des Abstandes Fokussierungsoptik/Werk stückoberfläche zur Leistungsdichte des Bearbeitungsleuch tens in der Form durchgeführt, daß zu einem festgelegten Zeit punkt, der vor dem ersten Maximum liegt, jeweils die Amplitude gemessen wird. In einem entsprechenden Amplituden/Abstands- Diagramm ergibt sich ein Kurvenverlauf, der ein ausgeprägtes Maximum zeigt. Dieses Maximum ergibt wiederum den Abstand zwi schen Fokussierungsoptik und Werkstückoberfläche, bei dem die Fokuslage des Laserstrahles auf der Werkstückoberfläche bei maximaler Energieübertragung liegt.In a further advantageous embodiment, the off evaluation of the dependence of the distance focusing optics / plant piece surface for the power density of the processing lamp tens performed in the form that at a fixed time point before the first maximum, the amplitude is measured. In a corresponding amplitude / distance Diagram results in a curve shape that is pronounced Shows maximum. This maximum in turn gives the distance between focusing optics and workpiece surface where the focus position of the laser beam on the workpiece surface at maximum energy transfer.

Umgekehrt kann bei fest eingestellter Fokuslage für die näch sten Messungen eine Veränderung der auf das Werkstück gerich teten Leistung oder Energie detektiert werden. Dies ermöglicht die Unterscheidung oder Ermittlung der verschiedenen Fehler quellen, die zu Veränderungen im Bearbeitungsergebnis führen.Conversely, with a fixed focus position for the next Most measurements are a change in the direction of the workpiece power or energy can be detected. this makes possible distinguishing or identifying the various errors sources that lead to changes in the machining result.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Detektion von Verschmutzungen auf der Werkstückoberfläche vor.A particularly advantageous embodiment of the invention provides the detection of dirt on the workpiece surface in front.

Im folgenden wird anhand von schematischen Figuren ein Ausfüh rungsbeispiel beschrieben.In the following, an embodiment is based on schematic figures Example described.

Fig. 1 zeigt den charakteristischen Verlauf der Amplitude A des Bearbeitungsleuchtens, Fig. 1 shows the characteristic curve of the amplitude A of the machining lighting,

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Zeiten TM bis zum Erreichen des ersten Maximums M und der erreichten Amplitudenwerte AF bei einer festgelegten Zeit TF in Abhängigkeit vom Abstand D zwischen Werkstück und Fokussierungsoptik. Fig. 2 shows the course of time TM to reach the first maximum M and the achieved amplitude values AF at a fixed time TF in function of the distance D between the workpiece and focusing optics.

In der Fig. 1 ist im Amplituden A/Zeit T-Diagramm der Verlauf der Leistungsdichte (Intensität) des Bearbeitungsleuchtens aufgetragen, wie es bei der Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Laserstrahl auftritt. Die charakteristischen Merkmale des stark schematisierten Kurvenverlaufes sind im wesentlichen der stetige und steile Anstieg der Amplitude A bis zum ersten Hauptmaximum M. Für variierte Abstände D wird zum einem die Zeit TM gemessen, bis das Maximum M erreicht ist. Zum anderen wird zu einer festgelegten Zeit TF, die kleiner ist, als die Zeit TM, der bis dahin erreichte Wert der Amplitude AF aufge nommen.In FIG. 1, the course of the power density (intensity) of the machining light is plotted in the amplitude A / time T diagram, as occurs when a workpiece is machined with a laser beam. The characteristic features of the highly schematic course of the curve are essentially the steady and steep increase in the amplitude A up to the first main maximum M. For varying distances D, the time TM is measured until the maximum M is reached. On the other hand, at a fixed time TF, which is less than the time TM, the value of the amplitude AF reached up to that point.

In der Fig. 2 sind als Funktion des Abstands zwischen Werk stück und Fokussierungsoptik die Zeiten TM und die Amplituden AF aufgetragen. Die Zeiten TM erreichen einen minimalen Wert entsprechend dem Minimum des Kurvenverlaufes, wenn der Abstand D erreicht ist, bei dem die Fokuslage optimal auf der Werk stückoberfläche liegt. Die Amplitudenwerte AF zur festgelegten Zeit TF erreichen bei optimal eingestelltem Abstand D ein Ma ximum.In FIG. 2 are the distance as a function piece between the work and focusing optics, the time TM and the amplitudes AF applied. The times TM reach a minimum value corresponding to the minimum of the curve profile when the distance D is reached, at which the focus position lies optimally on the workpiece surface. The amplitude values AF at the defined time TF reach a maximum at an optimally set distance D.

Da die hier ausgewertete Leistungsdichte der Leistung ent spricht, die pro Fläche eingebracht wird, und dies wiederum der Energie entspricht, die pro Zeit und pro Fläche einge bracht wird, läßt sich durch die erfindungsgemäße Vorgehens weise jede dieser Größen einschließlich des Fokusradius bzw. der Strahlkaustik bestimmen.Since the power density evaluated here corresponds to the power speaks, which is brought in per area, and this in turn corresponds to the energy turned on per time and per area is brought, can by the procedure according to the invention wise each of these sizes including the focus radius or the beam caustic.

Ein besonderer Vorteil liegt in der Möglichkeit, verschiedene Fehlerquellen, die eine Leistungs- oder Energieänderung des Laserstrahles bewirken, selektiv zu erkennen. Für den Fall, daß die Energie oder Leistung des Laserstrahles vor der Fokus sierungsoptik konstant ist, kann durch Verschmutzung der Fo kussierungsoptik eine Beeinträchtigung der Bearbeitung mit dem Laserstrahl bewirkt werden. Dies läßt sich durch das beschrie bene Verfahren ermitteln. Meßwerte, die im Fertigungsbetrieb aufgenommen werden, ergeben im Vergleich zu Meßwerten, die unter idealen Bedingungen aufgenommen wurden, bestimmte Abhän gigkeiten. So wird der anfängliche Kurvenverlauf der Amplitude A in Fig. 1 bei Vorliegen einer Verschmutzung an der Fokus sierungsoptik weniger steil ausfallen und das Maximum M wird zu späteren Zeiten verschoben. Verschmutzungen auf der Werk stückoberfläche werden im Gegensatz dazu eine schnellere Plas mabildung bzw. ein früheres Auftreten des Bearbeitungsleuch tens zur Folge haben. Das bedeutet, daß im Verhältnis zu idea len Meßwerten der in Fig. 1 gezeigte Verlauf der Amplitude A anfänglich steiler ausfällt und das Maximum M zu kürzeren Zei ten verschoben ist.A particular advantage lies in the possibility of selectively recognizing various sources of error that cause a change in the power or energy of the laser beam. In the event that the energy or power of the laser beam in front of the focusing optics is constant, contamination of the focusing optics can impair the processing with the laser beam. This can be determined by the method described. Measured values that are recorded in the manufacturing plant result in certain dependencies in comparison to measured values that were recorded under ideal conditions. Thus, the initial curve of the amplitude A in FIG. 1 will be less steep if there is contamination at the focusing optics, and the maximum M will be shifted to later times. In contrast, contamination on the workpiece surface will result in faster plasma formation or an earlier appearance of the machining light. This means that, in relation to ideal measured values, the course of the amplitude A shown in FIG. 1 initially turns out to be steeper and the maximum M is shifted to shorter times.

Insgesamt läßt sich mit dem beschriebenen Verfahren die Ober flächenqualität bei der Bearbeitung mit fokussierten Energie strahlen optimal überwachen. So kann beispielsweise eine Be arbeitungsmaschine, die bisher lediglich die Möglichkeit von Steuerungen bestimmter Größen ermöglichte, eine Nachführung, d. h. eine Regelung der Fokuslage oder der Energie oder der Leistung verbunden mit einer Regelung des gesamten Bearbei tungsablaufes beinhalten.Overall, with the described method, the upper surface quality when machining with focused energy monitor rays optimally. For example, a Be working machine, so far only the possibility of Controllers of certain sizes enabled tracking, d. H. a regulation of the focus position or the energy or the Performance combined with regulation of the entire process schedule.

Die Detektion des Bearbeitungsleuchtens kann über geeignete Sensoren, wie Fotodioden, geschehen. Falschlicht, beispiels weise reflektierte Laserstrahlung läßt sich durch Filter eli minieren. Der Sensor kann breitbandig oder auf eine Wellen länge begrenzt sein.The detection of the processing lighting can be done using suitable Sensors, such as photodiodes, happen. False light, for example wise reflected laser radiation can be eli filter mine. The sensor can be broadband or on a wave length may be limited.

Claims

1. A method for determining the focus position in the processing of workpieces with a focused energy beam, wherein at the processing point a processing light occurs, characterized in that for different distances (D) between a Focusing device for the energy beam and a workpiece to be machined each The time course of the power density of the processing lights is recorded via a sensor and evaluated to determine the focus position.

2. The method according to claim 1, characterized records that a laser beam and a focusing lens is used as the focusing device will.

3. The method according to any one of the preceding claims characterized in that the evaluation based on the dependency of the up to the first maximum (M) Power density of machining lights elapsed time (TM) from the distance (D) is evaluated.

4. The method according to claim 1 or 2, characterized ge indicates that the evaluation based on Ab depending on the power density of the machining lights a predetermined time before the first maximum (M) (TF) from the distance (D) is evaluated.

5. The method according to claim 3 or 4, characterized ge indicates that a constant focus position Change in the power directed at the workpiece or Energy is detected.

6. The method according to claim 3 or 4, characterized ge indicates that a constant focus position Contamination on the workpiece is detected.