DE4200505A1 - Vorrichtung zur beobachtung und regelung der geometrie- bzw. energieverteilung eines laserstrahles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung ist bspw. aus der DE 40 06 622 A1 bekannt. Im Strahlengang des Laserstrahls ist bei dieser bekannten Vorrichtung ein strahlungsreflektierender Spiegel angeordnet, von dem zumindest ein Anteil einer vom Werkstück in die Bearbeitungsoptik abgestrahlten Sekundärstrahlung einer diese Sekundärstrahlung analysierenden Auswertungseinheit zugelenkt wird. Der strahlungsreflektierende Spiegel ist im Reflexionsbereich für den Laserstrahl mit einem Beugungsgitter versehen, das eine vorbestimmte Beugungsanordnung der Sekundärstrahlung auf die Auswertungseinheit lenkt und im Wellenlängenbereich der Laserstrahlung unwirksam ausgebildet ist.

Eine Laserstrahlmaschine mit einem Laseroszillator zur Erzeugung eines Laserstrahles, einem Bearbeitungskopf zum Aufbringen des Laserstrahls als Lichtpunkt auf ein auf einem Bearbeitungstisch befestigtes Werkstück und mit einer Steuereinheit zur Steuerung der Bewegung des Bearbeitungstisches in einer XY-Ebene ist aus der DE 40 00 420 A1 bekannt. Dort wird der Laserstrahl in bezug auf das Werkstück in Bearbeitungsrichtung geneigt gehalten, wodurch die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden kann.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen mittels eines Laserstrahles ist aus der DE 39 07 758 A1 bekannt, wobei die Laserquelle mit konstanter, optimal dimensionierter Leistung betreibbar sein. Je nach den thermischen Anforderungen werden unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück durchgeführt.

Die DE 39 19 572 A1 offenbart eine bezüglich ihres Detektoraufwandes relativ sparsame Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahles, wobei die Vorrichtung eine Detektoreinrichtung aufweist, die als Infrarot-empfindlicher Detektor ausgebildet ist. Zur Fokussierung des Laserstrahls ist eine Linse vorgesehen, die teilreflektierend sein kann. Eine Auswerte- bzw. Regeleinrichtung dient bei dieser bekannten Vorrichtung dazu, Toleranzen der Vorrichtung und/oder das Intensitätsprofil des Laserstrahls bestimmen zu können.

Eine Einrichtung zur Erfassung eines Laserstrahls, d. h. zur Bestimmung der Ablage eines hochenergiereichen Laserstrahls von einer Sollstrahlachse ist aus der DE 38 40 278 A1 bekannt. Diese Einrichtung weist eine ringförmige Anordnung mit mehreren Thermoelementen auf, die zur Sollstrahlachse konzentrisch vorgesehen sind. Die Thermoelemente sind an eine Steuerschaltung angeschlossen, welche die bei Laserstrahl-Ablage entstehenden unterschiedlichen Spannungen der Thermoelemente auswertet. Die ringförmige Anordnung mit den Thermoelementen ist bei dieser bekannten Einrichtung ortsfest vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher mit einfachen Mitteln sehr exakt eine Vermessung des Strahlfleckes eines Laserstrahles auf einem zu bearbeitenden Werkstück möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit Hilfe der Strahldiagnoseeinrichtung ist es in einfacher Weise möglich, die Ausleuchtung der Fokussieroptik in einer Werkstück-Bearbeitungsmaschine zu messen. Hierbei kann der Durchmesser des Laserstrahls an der Fokussieroptik bspw. on-line bestimmt werden. Die Strahldiagnoseeinrichtung, bei welcher es sich z. B. um ein handelsübliches Gerät handeln kann, ist mit der Bearbeitungsoptik der Vorrichtung im Arbeitsraum, d. h. in bezug auf das zu bearbeitende Werkstück, bewegbar.

Das aus der Strahldiagnoseeinrichtung gewonnene Ausgangssignal kann die adaptive Optikeinrichtung, welche die Ausleuchtung der Fokussieroptik vorzugsweise konstant hält, einkanalig ansteuern. Die Konstanthaltung der Ausleuchtung der Fokussieroptik ist bspw. durch sphärische Verformung der Oberfläche der Fokussieroptik realisierbar.

Eine preisgünstige Ausbildung der Strahldiagnoseeinrichtung wird erzielt, wenn die Strahldiagnoseeinrichtung mit einer Anzahl entlang eines zum Laserstrahl senkrecht orientierten Ringelementes gleichmäßig verteilte, radial in das Zentrum des Ringelementes orientierte Thermoelemente aufweist, wobei das Ringelement in seiner Umfangsrichtung um sein Zentrum und damit um den Laserstrahl drehbar ist und wenn die Thermoelemente in radialer Richtung verstellbar sind. Eine solche Strahldiagnoseeinrichtung ist einfach realisierbar und in vorteilhafter Weise platzsparend in einen Bearbeitungskopf einer entsprechenden Maschine integrierbar. Außerdem sind mit ihr genaue Beobachtungen bzw. Ausmessungen eines Laserstrahlfleckes möglich.

Eine andere Ausbildung der Strahldiagnoseeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Detektor aufweist, der mit einer Anzahl ringförmiger, konzentrischer Detektorelemente ausgebildet ist, wobei jedes Detektorelement einen zugehörigen Signalausgang besitzt. Wenn dem Detektor ein Spektralfilter vorgeordnet ist, ist es möglich, das Bild des Strahlfleckes des Laserstrahls auf einem zu bearbeitenden Werkstück, d. h. das Bild des Laserstrahl-Fokusses spektralgefiltert auf dem Detektor abzubilden. Auch eine solchermaßen ausgebildete Strahldiagnoseeinrichtung kann platzsparend am Bearbeitungskopf einer entsprechenden Maschine vorgesehen sein.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. wesentlicher Einzelheiten derselben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung der Vorrichtung zur Beobachtung und Regelung der Geometrie- und/oder der Energieverteilung eines Laserstrahls auf einem zu bearbeitenden Werkstück,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Ausbildung der Strahldiagnoseeinrichtung der Vorrichtung gemäß Fig. 1, und

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer anderen Ausbildung der Strahldiagnoseeinrichtung für die Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung die Vorrichtung 10 zur Beobachtung und Regelung der Geometrie­ und/oder der Energieverteilung eines mittels eines Laserstrahles 12 auf einem zu bearbeitenden Werkstück 14 erzeugten Strahlfleckes 16. Der Laserstrahl ist in dieser Zeichnung durch einen Pfeil angedeutet, er wird mittels einer Fokussieroptikeinrichtung 18 zum Strahlfleck 16 fokussiert. Eine adaptive Optikeinrichtung 20 ist mit der Fokussieroptikeinrichtung 18 wirkverbunden, was durch den Pfeil 22 angedeutet ist. Mit Hilfe der adaptiven Optikeinrichtung 20 ist die Fokussieroptikeinrichtung 18 wunschgemäß verformbar, um den Laserstrahl 12 auf dem zu bearbeitenden Werkstück 14 zu fokussieren. Eine Strahldiagnoseeinrichtung 24 ist zur Beobachtung und Regelung der Geometrie- und/oder der Energieverteilung des Strahlflecks 16 auf dem Werkstück 14 vorgesehen. Zu diesem Zweck ist die Strahldiagnoseeinrichtung 24 der Fokussieroptikeinrichtung 18 zugeordnet, was durch den Doppelpfeil 26 angedeutet ist. Die Strahldiagnoseeinrichtung 24 weist einen Signalausgang 28 auf, der mit der adaptiven Optikeinrichtung 20 wirkverbunden ist. Diese Wirkverbindung ist in der Fig. 1 durch den Pfeil 30 verdeutlicht.

Die Strahldiagnoseeinrichtung 24 kann zur Ausleuchtung der Fokussieroptikeinrichtung 18 vorgesehen sein, was durch den Doppelpfeil 26 zwischen Strahldiagnoseeinrichtung 24 und Fokussieroptikeinrichtung 18 angedeutet ist. Dabei ist die adaptive Optikeinrichtung 20 zweckmäßigerweise zur Konstanthaltung der Ausleuchtung der Fokussieroptikeinrichtung 18 vorgesehen.

Die Strahldiagnoseeinrichtung 24 kann ein Ringelement 32 aufweisen, an dem - wie aus Fig. 2 ersichtlich ist - eine Anzahl Thermoelemente 34 äquidistant beabstandet und in radialer Richtung orientiert vorgesehen sind. Jedes Thermoelement 34 weist einen Ausgang 36 auf. Das Ringelement 32 mit den Thermoelementen 34 ist derart angeordnet bzw. ausgerichtet, daß der Laserstrahl 12 durch das Zentrum des Ringelementes 32 verläuft und das Ringelement 32 bzw. die Thermoelemente 34 zum Laserstrahl 12 senkrecht ausgerichtet sind. Das Ringelement 32 mit den Thermoelementen 34 ist in seiner Umfangsrichtung, d. h. um den Laserstrahl 12 herum drehbar, was in Fig. 2 durch den bogenförmigen Doppelpfeil 38 angedeutet ist. Die Thermoelemente 34 selbst sind jeweils voneinander unabhängig in radialer Richtung in bezug auf das Ringelement 32 und folglich in bezug auf den Laserstrahl 12 verstellbar, was durch die Doppelpfeile 40 angedeutet ist.

Mit einer solchen Strahldiagnoseeinrichtung 24 ist es preisgünstig relativ exakt möglich, die Querschnittsgeometrie bzw. die Energieverteilung eines Laserstrahles 12 bzw. insbes. die Geometrie- und/oder Energieverteilung eines Laserstrahlfleckes 16 auf einem zu bearbeitenden Werkstück 14 zu beobachten und entsprechend der in Fig. 1 in einer Blockdarstellung schematisch angedeuteten Vorrichtung 10 passend zu regeln.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausbildung der Strahldiagnoseeinrichtung 24, die einen Detektor 42 mit einer Anzahl Detektorelemente 44, 46, 48, 50, 52, . . . aufweist, welche zueinander konzentrisch vorgesehen sind. Jedes Detektorelement 44, 46, 48, . . . ist mit einem zugehörigen Signalausgang 54, 56, 58, 60, 62, . . . versehen.

Dem auch in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 42 bezeichneten Detektor der Strahldiagnoseeinrichtung 24 kann ein Spektralfilter 64 vorgeordnet sein.

Bei einer Veränderung der Geometrie- bzw. des Durchmessers des Strahlfleckes 16 des Laserstrahles 12 auf dem Werkstück 14 ergibt sich eine Veränderung der Abbildung des Strahlfleckes 16 auf dem Detektor 42. Diese Veränderung ist im Durchmesser zur Veränderung des Strahlfleckes 16 gleichsinnig. Der Detektor 42 kann bspw. siebzehn ringförmige Detektorelemente aufweisen. Je nach der Größe des Strahlfleckes 16 (s. Fig. 1) werden von diesen N=17 Elementen (N-i) Detektorelemente ausgeleuchtet, wobei i < N ist. Somit ist es möglich, den Parameterwert i aus dem Detektor 42 als Ausgangssignal auszuführen und in einer externen Einrichtung zu zählen. Eine Vergrößerung des Strahlfleckes bedeutet eine Vergrößerung des Parameterwertes i, und umgekehrt. Das aus dem Detektor 42 ausgegebene, dem Parameter i entsprechende Ausgangssignal kann dann zur Ansteuerung der adaptiven Optikeinrichtung 20 (s. Fig. 1) und damit zur Regelung der Fokussieroptikeinrichtung 18 verwendet werden.

Mit einem solchen Detektor 42 ist eine Bestimmung bzw. Auswertung der Geometrie des Strahlfleckes 16 durch ein einfaches Auszählen der an den Signalausgängen 54, 56, 58, . . . anliegenden Ausgangssignale mittels einer einfachen Elektronikeinrichtung möglich. Bei nicht kreissymmetrischen Abmessungen des Strahlfleckes 16 gibt die Signalhöhe des entsprechenden i-ten Detektorelementes ein Maß für den Grad der Strahlfleck-Verformung, d. h. ein Maß bspw. für seine Elliptizität. Die Auswertung derartiger nicht kreissymmetrischer Foki 16 ist jedoch komplexer als die Auswertung kreissymmetrischer Foki 16. Zur Auswertung nicht kreissymmetrischer Strahlflecke 16 ist die in Fig. 2 gezeichnete und weiter oben beschriebene Strahldiagnoseeinrichtung 24 mit Ringelementen 32 und Thermoelementen 34 vergleichsweise besser geeignet als die zuletzt beschriebene Ausbildung mit konzentrischen Detektorelementen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Beobachtung und Regelung der Geometrie- und/oder der Energieverteilung des mittels eines Laserstrahles (12) auf einem zu bearbeitenden Werkstück (14) erzeugten Strahlflecks (16), wobei der Laserstrahl (12) mittels einer in einer Bearbeitungsoptik vorgesehenen Fokussieroptikeinrichtung (18) zum Strahlfleck (16) fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussieroptikeinrichtung (18) mittels einer adaptiven Optikeinrichtung (20) geeignet verformbar ist, und daß der Fokussieroptikeinrichtung (18) eine Strahldiagnoseeinrichtung (24) zugeordnet ist, die einen elektronischen Signalausgang (28) aufweist, der mit der adaptiven Optikeinrichtung (20) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldiagnoseeinrichtung (24) zur Ausleuchtung der Fokussieroptikeinrichtung (18) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die adaptive Optikeinrichtung (18) zur Konstanthaltung der Ausleuchtung der Fokussieroptikeinrichtung (18) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldiagnoseeinrichtung (24) eine Anzahl entlang eines zum Laserstrahl (12) senkrecht orientierten Ringelementes (32) gleichmäßig verteilte, radial in das Zentrum des Ringelementes (32) orientierte Thermoelemente (34) aufweist, wobei das Ringelement (32) den Laserstrahl (12) konzentrisch umgibt und in seiner Umfangsrichtung um sein Zentrum drehbar ist und die jeweils mit einem zugehörigen Signalausgang (36) ausgebildeten Thermoelemente (34) in radialer Richtung verstellbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Ringelement (32) mindestens drei Thermoelemente (34) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldiagnoseeinrichtung (24) einen Detektor (42) aufweist, der mit einer Anzahl konzentrischer Detektorelemente (46, 48, 50, 52, . . .) ausgebildet ist, wobei jedes Detektorelement einen zugehörigen Ausgang (56, 58, 60, 62, . . .) besitzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dar dem Detektor (42) ein Spektralfilter (64) vorgeordnet ist.