EP2244856A1 - Verfahren und vorrichtung zur automatischen laserfokussierung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur automatischen laserfokussierung

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Publication number
EP2244856A1
EP2244856A1 EP09714756A EP09714756A EP2244856A1 EP 2244856 A1 EP2244856 A1 EP 2244856A1 EP 09714756 A EP09714756 A EP 09714756A EP 09714756 A EP09714756 A EP 09714756A EP 2244856 A1 EP2244856 A1 EP 2244856A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
focal spot
focal
index
spot diameter
workpiece
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09714756A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mark Geisel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP2244856A1 publication Critical patent/EP2244856A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/046—Automatically focusing the laser beam

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for automatic laser focusing.
  • Lasers are used today to process a variety of engineering materials, such as of metals, plastics, but also ceramics. Due to the high and concentrated in a very small focal spot energy, which is provided in the form of normally coherent and monochromatic light, melts or evaporates the material to be processed. Particularly advantageous in the use of lasers as tools is the fact that the laser beam as such is subject to no wear and a direct physical contact between the tool and the workpiece is eliminated.
  • the laser beam is optimally focused on the workpiece to be machined. Otherwise, the scattered light energy is distributed over too large an area so that the temperatures achieved during the irradiation may not be sufficient for effective processing. In addition, it is often desirable that the machined by the tool area in the form of a cutting edge as narrow as possible, which is also achieved by an optimally focused laser beam.
  • the optics present on the laser systems have corresponding adjustment possibilities for the focal distance. Although these optics may also be operated automatically under certain circumstances, it is nevertheless necessary to make the desired setting of the focal distance manually insofar as that the result is selected from a series of experiments with respectively different optical settings in which the focal spot is the smallest is. The parameters associated with this result are then forwarded to the optics of the laser system. Usually, this is done a plurality of experiments, each with different focus settings. Such a series of experiments is also called focus series. The evaluation of the results is done manually by an operator. Since the focal spots to be examined are naturally very small in nature, this examination normally takes place with the additional aid of optical aids such as loupes or microscopes.
  • the quality of a focal spot deteriorates only because, for example, the underlying material has an inhomogeneity, although the change in the focal distance should actually have led to improve the quality of the focal spot.
  • the object of the invention is therefore to provide a method and a device for avoiding the disadvantages existing in the prior art, in particular the high expenditure of time in determining the optimum Focus distance and the uncertainty associated with an operator when choosing the optimal focal spot.
  • the inventive method is used for automatic laser focusing, in order to avoid in this way known from the prior art, the disadvantages described above.
  • the core idea of the method is the automatable and particularly preferably the automated recording of the focal spots generated during a focus row by means of a camera and a determination of the respective focal spot diameter, and an evaluation of this data by means of an interpolated or approximated function, which draws an inference to that focal spot with the smallest Focal spot diameter and thus the associated optimal focus distance allowed.
  • the method according to the invention for automatic laser focusing for achieving the smallest possible focal spot in laser processing initially comprises the following steps:
  • the adjustment of the focus distance f can be done manually or preferably automatically.
  • An automatic adjustability has the advantage that it is faster and safer than a manual operation possible.
  • the running index i starts at 1 and incrementally increases by 1 as it passes through appropriate loops.
  • a computer For storing the obtained data such as the running index i and the focal distance fi, a computer is preferably used; Alternatively, however, it is also possible to manually write the data accordingly.
  • the workpiece on which the focus row is performed moved.
  • the laser can also be moved, or the laser and workpiece can be moved relative to one another.
  • the predetermined path may be straight, curved, angular or otherwise shaped. It may have a separate start and end point, or alternatively a common (superimposed) start and end point, such as a circle.
  • the start and end values A and B are preferably selected to cover a meaningful range in terms of the focal distance. This means that focus distances that are unnecessarily far away from the expected optimum should be excluded from the outset in order to avoid unnecessarily long focus rows.
  • the Weginkement Dx is preferably such that on the one hand the generated focal spots are not too close to each other, on the other hand, the length of the predetermined path is minimized.
  • the delivery amount Df is to be such that the expected variations between the individual Brennfieck thoroughlymessern fail to be too large, otherwise finding the optimal focus distance will be limited possible.
  • the production of focal spots is preferably stopped according to the invention when a predetermined number i of focal spots has been generated.
  • the generation can be stopped even if the final value B, which represents the limit of the focus distance to be adjusted, has been reached or exceeded.
  • the production can also be stopped when the end of the predetermined path has been reached, since otherwise the focal spots could possibly overlap or at least be too close to each other.
  • Locating the focal spot with the smallest focal spot diameter d opt is done manually, possibly with the aid of appropriate optical aids, according to one embodiment.
  • the optimum focus distance f opt associated with the focal spot having the smallest focal spot diameter is thus found and can now be set at the corresponding laser optics.
  • the focal spot is searched out with the smallest focal spot diameter d opt or the determination of the associated optimum Running indexes iopt opt as follows, whereby previously the respective focal spot positions (posi) must have been stored:
  • the count index i is reset first.
  • the respective focal spot diameter dj is determined and stored.
  • an interpolating or approximating function is determined which determines the focal spot diameter d; as a function of the running index i.
  • the optimum focus distance f opt can also be determined in a last step, which was previously stored together with the run index. This can then be transmitted to the laser system or its focusing optics for setting the optimum and desired focus distance.
  • this is characterized in that the determination of the respective focal spot diameter, the interpolating or approximating function whose minimum, the associated Laufmdexes, the associated focal spot not only after completion of the generation of the focus row happens, but continuously following the generation of each focal spot takes place.
  • the form of the interpolating or approximating function still changes as the number of data sets increases; however, this change is less pronounced if the number of nodes is high and the mathematical type of the interpolating or approximating function is known in advance.
  • the search for the minimum focal spot diameter d opt is discontinued as soon as the continuous evaluation of the interpolating or approximating function and / or a comparison of the previously determined focal spot diameter with one another increases or increases again for the following focal spot diameter d; expect.
  • the minimum is either already found or will be outside the investigated range, then it makes sense to end the production of the respective focal spots.
  • the focus row does not have to be performed until its predetermined end, but that it can be canceled beforehand, thus saving time and material and, if necessary, an adjustment of the parameters of the focus row (eg start and / or or final value) to repeat the focus row.
  • the continuous evaluation according to the invention of the interpolating or approximating function and / or the comparison of the previously determined focal spot diameter with one another can be carried out manually according to an embodiment, but automatically according to a preferred embodiment.
  • the determination of the respective focal spot diameter is carried out with a digital camera and optionally with the aid of robust algorithms.
  • a digital camera particularly preferred as a digital camera, a CCD camera is used.
  • the mentioned robust algorithms have the purpose of working up the images of the focal spots, which are often difficult for a human viewer to evaluate, in order to simplify the corresponding evaluation.
  • the invention further provides an apparatus for automatic laser focusing for achieving a smallest possible focal spot in the laser machining of a workpiece. This comprises at least the following components:
  • a tensioning device for clamping the workpiece
  • a movement device for changing the relative position of the workpiece and the tool laser
  • a recording device for recording the image data of focal spots
  • a memory and arithmetic unit for storing the recorded image data and mathematical analysis thereof
  • the tool laser can be, for example, a diode laser, a fiber laser, or another solid-state or gas laser.
  • the focus position adjustment device can be configured manually or automatically operable. Alternatively to an adjustment of the focus position by changing a corresponding optics, the relative distance between the tool laser and the workpiece can also be changed, whereby both the tool laser and / or the workpiece can be made movable.
  • either the workpiece, the tool laser, or both devices can be moved together relative to each other.
  • the recording device for recording the image data of focal spots is preferably a digitally operating recording device.
  • a commercially available PC is used as the storage and arithmetic unit for storing the recorded image data and mathematical analysis thereof.
  • the device according to the invention comprises a focus position adjustment device, which is automatically adjustable. In this way, necessary for carrying out the method according to the invention adjustment of the focus distance can be done fully automatically and without the intervention of an operator.
  • Figure 1 a preferred embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 2 shows an exemplary focus row
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of the device according to the invention.
  • the tool laser 1 is arranged above the workpiece 3.
  • the distance between the tool laser 1 and workpiece 3 is fixed.
  • a focus position adjustment device 5 is provided according to the invention, for example in the form of a lens optic.
  • the adjustment is indicated in the figure 1 by the small vertical double arrow.
  • a focal spot 2 is generated.
  • the workpiece 3 can be moved in the illustrated embodiment such that the laser beam travels a predetermined path 4.
  • This predetermined path 4 has a start value A and an end value B.
  • the device according to the invention further comprises a receiving device 7 for receiving the focal spots produced by the tool laser.
  • a mirror 10 indicated by a diagonal line is located in the beam path, which deflects a part of the light reflected by the focal spot 2 and supplies it to the recording device 7. This makes it possible to take a picture of the same directly after the creation of the focal spot 2, without having to start this position again at a later time for the purpose of a time-delayed recording.
  • the image data recorded by the recording device 7 are transmitted via a Device for transmitting data 9 to a storage and processing unit 8 transmitted. In this memory and arithmetic unit 8, the storage of the recorded data and the analysis of the same takes place.
  • the result in the form of a control value via the device for data transmission 9 is forwarded to the lagenverstell Road 5.
  • the recording of the image data and the analysis of the same can either be delayed, ie after completion of a complete focus series, or preferably at the same time, directly after the generation of each focal spot 2, take place.
  • FIG. 2 shows by way of example the result of a focus series.
  • the number of the respective image of a focal spot is plotted on the x axis, and the respective generated hole radius is plotted on the y axis.
  • the discrete measured values are marked by corresponding asterisks.
  • the hole radius initially decreases as the image number increases up to image number 7. Subsequently, the hole radius increases again, and then drops slightly again (Fig. 10). Even with the picture number 12, an unexpected slight drop in the hole radius' recognizable.
  • the diagram also shows the curve of an approximating function that approximates the measuring points shown as well as possible.
  • the minimum of the curve is approximately at picture number 9 and not, as can be expected from the discrete measured values, at picture number 7.
  • the correct focus distance found by the method according to the invention is therefore that which belongs to the focal spot with picture number 9. This value can now be transmitted by means of the device according to the invention for data transmission 9 to the focus position adjustment device 5.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Laserfokussierung. Kerngedanke des Verfahrens ist dabei die automatisierbare und besonders bevorzugt die automatisierte Aufnahme der während einer Fokusreihe erzeugten Brennflecke mittels einer Kamera und eine Bestimmung der jeweiligen Brennfleckdurchmesser, sowie eine Auswertung dieser Daten mittels einer interpolierten oder approximierenden Funktion, welche einen Rückschluss auf denjenigen Brennfleck mit dem kleinsten Brennfleckdurchmesser und somit dem zugehörigen optimalen Fokusabstand erlaubt. Durch Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens können eine Reihe der im Stand der Technik vorhandenen Nachteile vermieden werden, insbesondere entfallt im Rahmen der Aufnahme einer Fokusreihe der hohe Zeitaufwand bei der Bestimmung des optimalen Fokusabstandes und der an einen Bediener gebundenen Unsicherheit bei der Auswahl des optimalen Brennflecks.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Laserfokussierung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Laserfokussierung.
Laser werden heute zur Bearbeitung einer Vielzahl von technischen Materialien wie z.B. von Metallen, Kunststoffen, aber auch Keramiken eingesetzt. Durch die hohe und in einem sehr kleinen Brennfleck konzentrierte Energie, die in Form von normalerweise kohärentem und monochromatischem Licht bereitgestellt wird, schmilzt oder verdampft das zu bearbeitende Material. Besonders vorteilhaft bei der Verwendung von Lasern als Werkzeugen ist die Tatsache, dass der Laserstrahl als solcher keinem Verschleiß unterliegt und eine direkte materielle Berührung zwischen Werkzeug und Werkstück entfällt.
Um ein bestmögliches Bearbeitungsergebnis zu erhalten, ist es notwendig, dass der Laserstrahl optimal auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert wird. Andernfalls verteilt sich die eingestreute Lichtenergie auf ein zu großes Areal, so dass die bei der Bestrahlung erreichten Temperaturen unter Umständen nicht ausreichend für eine wirksame Bearbeitung sind. Außerdem ist es häufig wünschenswert, dass der von dem Werkzeug bearbeitete Bereich in Form einer Schnittkante möglichst schmal ausfällt, was ebenfalls durch einen optimal fokussierten Laserstrahl erreicht wird.
Zur Einstellung des Ideinstmöglichen Brennflecks weisen die an den Laseranlagen vorhandenen Optiken entsprechende Verstellmöglichkeiten für den Fokusabstand auf. Wenngleich diese Optiken unter Umständen auch automatisiert betätigt werden können, so ist es doch notwendig, die gewünschte Einstellung des Fokusabstands insofern manuell vorzunehmen, als dass aus einer Reihe von Versuchen mit jeweils verschiedenen Einstellungen der Optik dasjenige Ergebnis herausgesucht wird, bei welchem der Brennfleck am kleinsten ist. Die zu diesem Ergebnis gehörenden Parameter werden anschließend an die Optik der Laseranlage weitergeleitet. Für gewöhnlich wird hierzu eine Mehrzahl von Versuchen mit jeweils unterschiedlichen Fokuseinstellungen durchgeführt. Eine derartige Versuchsreihe wird auch Fokusreihe genannt. Die Auswertung der Ergebnisse erfolgt manuell durch einen Bediener. Da die dabei zu untersuchenden Brennflecke naturgemäß häufig sehr klein sind, geschieht diese Untersuchung im Normalfall unter zusätzlicher Zuhilfenahme von optischen Hilfsmitteln wie zum Beispiel Lupen oder Mikroskopen.
Diese Vorgehensweise bringt eine Reihe von Nachteilen mit sich. Zunächst ist die Qualität des Ergebnisses von der Erfahrung des Bedieners abhängig, welcher die Untersuchung und die Auswahl des optimalen Brennflecks durchführt. Weiterhin ist die Durchführung der Versuche und die anschließende Auswertung zeitaufwändig. Insbesondere bei häufig wechselnden Werkstückformen, bei denen jedes Mal eine erneute Bestimmung des optimalen Fokusabstandes erforderlich ist, kann es vorkommen, dass die jeweilige Vorbereitung länger dauert als die eigentliche Bearbeitung des Werkstücks. Außerdem gestaltet sich die Auswahl des optimalen Brennflecks oftmals schwierig, da die in der Nahe des Optimums normalerweise nur noch geringen Änderungen des Brennflecks nur schwer mit dem menschlichen Auge zu erkennen sind. Um jedoch ein optimales Bearbeitungsergebnis zu erzielen, ist es notwendig, auch kleinste Veränderungen sicher festzustellen, um die optimalen Parameter zu finden und an die Laseroptik weiterzuleiten. Insbesondere kann es vorkommen, dass sich die Qualität eines Brennflecks nur deshalb verschlechtert, weil beispielsweise das darunter liegende Material eine Inhomogenität aufweist, obwohl die Veränderung des Fokusabstandes eigentlich dazu hätte führen müssen, die Qualität des Brennflecks zu verbessern. In solchen Fällen kann es vorkommen, dass lediglich ein lokales, nicht jedoch ein globales Minimum des Brennfleckdurchmessers herausgefunden und die entsprechenden suboptimalen Parameter bei der späteren Bearbeitung herangezogen werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist demnach die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Vermeidung der im Stand der Technik vorhandene Nachteile, insbesondere des hohen Zeitaufwandes bei der Bestimmung des optimalen Fokusabstandes und der an einen Bediener gebundenen Unsicherheit bei der Auswahl des optimalen Brennflecks.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des in Anspruch 1 vorgeschlagenen Verfahrens sowie die Merkmale der Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst. Dementsprechend wird ein Verfahren bereitgestellt, welches eine vollautomatische Durchführung aller zur Bestimmung des optimalen Fokusabstandes notwendigen Schritte ermöglicht.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur automatischen Laserfokussierung, um auf diese Weise die aus dem Stand der Technik bekannten, oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden.
Kerngedanke des Verfahrens ist dabei die automatisierbare und besonders bevorzugt die automatisierte Aufnahme der während einer Fokusreihe erzeugten Brennflecke mittels einer Kamera und eine Bestimmung der jeweiligen Brennfleckdurchmesser, sowie eine Auswertung dieser Daten mittels einer interpolierten oder approximierten Funktion, welche einen Rückschluss auf denjenigen Brennfleck mit dem kleinsten Brennfleckdurchmesser und somit dem zugehörigen optimalen Fokusabstand erlaubt.
Dementsprechend umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur automatischen Laserfokussierung für die Erzielung eines kleinstmöglichen Brennflecks bei der Laserbearbeitung zunächst die folgenden Schritte:
(a) Justieren des Fokusabstandes f eines Lasers auf einen Startwert A;
(b) Rücksetzen eines Laufindexes i;
(c) Herstellen eines Brennflecks auf einem zu bearbeitendem Werkstück;
(d) Speichern des jeweiligen Laufindexes i zusammen mit dem jeweiligen Wert des Fokusabstandes f,; (e) Verfahren des Werkstücks um ein Weginkement Dx entlang einer vorbestimmten Bahn;
(f) Verstellen des Fokusabstandes f in Richtung eines Endwertes B um einen Zustellbetrag Df; (g) Wiederholen der Schritte (c) bis (f) unter sukzessiver Erhöhung des Laufmdexes i bis zum Erreichen einer vorherbestimmten Anzahl imax von Brennflecken 2 oder bis zum Erreichen des Endwertes B oder bis zum Erreichen des Endes der vorbestimmten Bahn 4;
(h) Heraussuchen des Brennflecks mit dem geringsten Brennfleckdurchmesser dopt; (i)Bestimmung des zu diesem Brennileck gehörenden optimalen Laufindexes iopt; (j)Einstellen des zu diesem Laufindex iopt gehörenden optimalen Fokusabstandes fopt-
Die Justage des Fokusabstandes f kann dabei manuell oder bevorzugt automatisch erfolgen. Eine automatische Verstellbarkeit hat dabei den Vorteil, dass diese schneller und sicherer als bei einer manuellen Betätigung möglich ist.
Der Laufindex i beginnt beispielsweise bei 1 und wird beim Durchlaufen entsprechender Schleifen inkrementell um 1 erhöht.
Zum Abspeichern der gewonnenen Daten wie des Laufindexes i und des Fokusabstandes fi wird bevorzugt ein Computer verwendet; alternativ ist es jedoch auch möglich die Daten entsprechend manuell zu notieren.
Bevorzugt wird das Werkstück, auf welchem die Fokusreihe durchgeführt wird, verfahren. Nach einer alternativen Ausführungsform kann jedoch auch der Laser verfahren, oder es können Laser und Werkstück relativ zueinander verfahren werden. Die vorbestimmte Bahn kann eine gerade, eine gebogene, eine eckige oder eine anders geformte Strecke sein. Sie kann einen separaten Anfangs- und Endpunkt, oder alternativ einen gemeinsamen (übereinanderliegenden) Anfangs- und Endpunkt, wie zum Beispiel bei einem Kreis, haben. Der Anfangs- und der Endwert A bzw. B sind bevorzugt so ausgewählt, dass sie einen sinnvollen Bereich im Hinblick auf den Fokusabstand abdecken. Das bedeutet, dass unnötig weit vom erwarteten Optimum entfernte Fokusabstände von vornherein ausgeschlossen werden sollten, um unnötig lange Fokusreihen zu vermeiden.
Das Weginkement Dx ist bevorzugt so zu bemessen, dass auf der einen Seite die erzeugten jeweiligen Brennflecke nicht zu nah beieinander liegen, auf der anderen Seite die Länge der vorherbestimmten Bahn minimiert wird.
Auch der Zustellbetrag Df ist so zu bemessen, dass die zu erwartenden Variationen zwischen den einzelnen Brennfieckdurchmessern nicht zu groß ausfallen, da ansonsten das Auffinden des optimalen Fokusabstandes nur begrenzt möglich sein wird.
Das Erzeugen von Brennflecken wird erfindungsgemäß bevorzugt dann gestoppt, wenn eine vorher bestimmte Anzahl iraax von Brennflecken erzeugt worden ist. Alternativ kann das Erzeugen auch dann gestoppt werden, wenn der Endwert B, welcher die Grenze des zu verstellenden Fokusabstandes darstellt, erreicht oder überschritten worden ist. Schließlich kann das Erzeugen erfindungsgemäß auch dann gestoppt werden, wenn das Ende der vorherbestimmten Bahn erreicht ist, da sich die Brennflecke ansonsten möglicherweise überlappen oder zumindest einen zu geringen Abstand zueinander haben könnten.
Das Heraussuchen des Brennflecks mit dem geringsten Brennfleckdurchmesser dopt wird nach einer Ausführungsform manuell, möglicherweise unter Zuhilfenahme entsprechender optischer Hilfsmittel, bewerkstelligt.
Der zu dem Brennfleck mit dem geringsten Brennfleckdurchmesser gehörende optimale Fokusabstand fopt ist somit gefunden und kann nun an der entsprechenden Laseroptik eingestellt werden.
Erfindungsgemäß geschieht das Heraussuchen des Brennflecks mit dem geringsten Brennfleckdurchmesser dopt bzw. das Bestimmen des zugehörigen optimalen Laufindexes iopt dabei folgendermaßen, wobei zuvor die jeweiligen Brennfleckpositionen (posi) abgespeichert worden sein müssen:
Nach Fertigstellen der Fokusreihe wird zunächst der Zählindex i zurückgesetzt.
Anschließend werden die jeweiligen gespeicherten Brennfleckpositionen pos; angefahren.
Der jeweilige Brennfleckdurchmesser dj wird bestimmt und abgespeichert.
Nun werden unter sukzessiver Erhöhung des Laufindexes i auch alle folgenden gespeicherten Brennfleckpositionen pos; angefahren und deren jeweilige Brennfleckdurchmesser bestimmt, bis schließlich die vorherbestimmte Anzahl imax von Brennfleckpositionen posj erreicht und der jeweilige Brennfleckdurchmesser dj bestimmt worden ist.
In einem nächsten Schritt wird eine interpolierende oder approximierende Funktion bestimmt, welche den Brennfleckdurchmesser d; als Funktion des Laufindexes i wiedergibt.
Durch grafische oder rechnergestützte Analyse des Verlaufs dieser interpolierenden Funktion kann nun deren Minimum bestimmt werden. Diese Stelle kennzeichnet gleichzeitig die Nummer desjenigen Brennflecks, welcher den gesuchten minimalen Brennfleckdurchmesser aufweist. Für den häufigen Fall, dass das Minimum der interpolierenden Funktion sich nicht exakt mit einem bestimmten Brennfleck deckt, wird dann derjenige Brennfleck ausgewählt, welcher am nächsten an dem bestimmten Minimum der interpolierenden oder approximierenden Funktion liegt.
Ebenso ist nun auch der dem Minimum am nächsten liegende Laufindex iopt bekannt.
Mit diesen Zuordnungen ist in einem letzten Schritt auch der optimale Fokusabstand fopt ermittelbar, welcher ja zuvor zusammen mit dem Lauf Index abgespeichert wurde. Dieser kann anschließend an die Laseranlage beziehungsweise deren Fokussieroptik zur Einstellung des optimalen und gesuchten Fokusabstandes übertragen werden. In Analogie zum obigen Vorgehen können natürlich auch optimale Fokusanlagen zwischen zwei Stützstellen mit Hilfe der interpolierenden oder approximierenden Funktion ermittelt werden.
Nach einer bevorzugten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dieses dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des jeweiligen Brennfleckdurchmessers, der interpolierenden oder approximierenden Funktion, deren Minimum, des zugehörigen Laufmdexes, des zugehörigen Brennflecks nicht erst nach Abschluss der Erzeugung der Fokusreihe geschieht, sondern kontinuierlich im Anschluss an die Erzeugung jedes einzelnen Brennflecks stattfindet. Zwar ist in einem solchen Fall generell davon auszugehen, dass sich die Form der interpolierenden oder approximierenden Funktion bei zunehmender Anzahl der Datensätze noch ändert; diese Änderung fällt jedoch dann geringer aus, wenn die Anzahl der Stützstellen hoch und der mathematische Typ der interpolierenden oder approximierenden Funktion im Voraus bekannt ist.
Nach einer besonders bevorzugten Form des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Suche nach dem minimalen Brennfleckdurchmesser dopt dann abgebrochen, sobald die kontinuierliche Auswertung der interpolierenden oder approximierenden Funktion und/oder ein Vergleich der bisher bestimmten Brennfleckdurchmesser untereinander steigende oder wieder steigende Werte für folgende Brennfleckdurchmesser d; erwarten lässt. Mit anderen Worten, wenn davon auszugehen ist, dass das Minimum entweder bereits gefunden ist oder jedoch außerhalb des untersuchten Bereiches liegen wird, so ist es sinnvoll, die Erzeugung der jeweiligen Brennflecke zu beenden. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass unter Umständen die Fokusreihe nicht erst bis zu ihrem vorherbestimmten Ende durchgeführt werden muss, sondern dass sie vorher abgebrochen werden kann, um somit Zeit und Material einzusparen und notwendigenfalls eine Anpassung der Parameter der Fokusreihe (z.B. Start- und/oder Endwert) vorzunehmen, um die Fokusreihe dann zu wiederholen. Die erfindungsgemäße kontinuierliche Auswertung der interpolierenden oder approximierenden Funktion und/oder der Vergleich der bisher bestimmten Brennfleckdurchmesser untereinander kann nach einer Ausfuhrungsform manuell, nach einer bevorzugten Ausruhrungsform jedoch automatisch erfolgen.
5 Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung des jeweiligen Brennfleckdurchmessers mit einer digitalen Kamera und ggf. unter Zuhilfenahme robuster Algorithmen. Besonders bevorzugt wird als digitale Kamera eine CCD-Kamera eingesetzt. Die erwähnten robusten Algorithmen haben den Zweck, die oftmals für einen menschlichen Betrachter schwer auswertbaren Aufnahmen o der Brennflecke aufzuarbeiten, um die entsprechende Auswertung zu vereinfachen.
Nach einer besonders bevorzugten Form des erfindungsgemäßen Verfahrens besitzt die interpolierende Funktion die mathematische Form y = const-(l+x2)1/2, wobei y der Wert des Brennfleckdurchmessers dj und x der Wert für den Laufindex i ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Funktion der beschriebenen Form grundsätzlich sehr gut dazu5 geeignet ist, die Änderungen des Brennflecks in Abhängigkeit des Fokusabstandes zu beschreiben.
Nach alternativen Ausführungsformen sind selbstverständlich auch andere interpolierende Funktionen denkbar, wie zum Beispiel Fourier-Interpolation, Spline- Interpolation, trigonometrische Interpolation und dergleichen. Dasselbe gilt natürlich o auch für die entsprechenden approximierenden Funktionsvarianten.
Die Erfindung stellt weiterhin eine Vorrichtung zur automatischen Laserfokussierung für die Erzielung eines kleinstmöglichen Brennflecks bei der Laserbearbeitung eines Werkstücks bereit. Diese umfasst mindestens folgende Komponenten:
- einen Werkzeuglaser, 5 - eine Fokuslagenverstelleinrichtung,
- eine Spannvorrichtung zum Spannen des Werkstücks, - eine Verfahrvorrichtung zur Veränderung der relativen Lage von Werkstück und Werkzeuglaser,
- eine Aufhahmevorrichtung zur Aufnahme der Bilddaten von Brennflecken,
- eine Speicher- und Recheneinheit zur Speicherung der aufgenommenen Bilddaten und mathematischen Analyse derselben,
- eine Vorrichtung zur Datenübertragung der Analyseergebnisse an die Fokuslagenverstelleinrichtung.
Der Werkzeuglaser kann dabei beispielsweise ein Diodenlaser, ein Faserlaser, oder ein anderer Festkörper- oder Gaslaser sein.
Die Fokuslagenverstelleinrichtung kann manuell oder auch automatisch bedienbar ausgestaltet sein. Alternativ zu einer Verstellung der Fokuslage durch Verändern einer entsprechenden Optik kann auch der relative Abstand zwischen Werkzeuglaser und Werkstück veränderbar sein, wobei sowohl Werkzeuglaser und/oder Werkstück bewegbar ausgestaltet sein können.
Mittels der Verfahrvorrichtung zur Veränderung der relativen Lage von Werkstück und Werkzeuglaser kann entweder das Werkstück, der Werkzeuglaser, oder es können beide Vorrichtungen gemeinsam relativ zueinander verfahren werden.
Die Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme der Bilddaten von Brennflecken ist bevorzugt eine digital arbeitende Aufnahmevorrichtung.
Bevorzugt wird als Speicher- und Recheneinheit zur Speicherung der aufgenommenen Bilddaten und mathematischen Analyse derselben ein handelsüblicher PC verwendet.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung eine CCD-Kamera ist. Nach einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfmdungsgemäßen Vorrichtung eine Fokuslagenverstelleinrichtung, welche automatisch verstellbar ist. Auf diese Weise kann die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendige Verstellung des Fokusabstandes vollautomatisch und ohne Zutun eines Bedieners erfolgen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform zusammen mit den beigefügten Figuren beschrieben. Darin zeigen:
Figur 1 : eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Figur 2: eine bespielhafte Fokusreihe
Die Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Werkzeuglaser 1 ist oberhalb des Werkstücks 3 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist der Abstand zwischen Werkzeuglaser 1 und Werkstück 3 fest eingestellt. Zur Veränderung des Fokusabstandes ist erfindungsgemäß eine Fokuslagenverstelleinrichtung 5 beispielsweise in Form einer Linsenoptik vorgesehen. Die Verstellmöglichkeit wird in der Figur 1 durch den kleinen senkrecht stehenden Doppelpfeil angedeutet. Dort, wo der Laserstrahl das Werkstück 3 berührt, wird ein Brennfleck 2 erzeugt. Mittels einer Verfahrvorrichtung 6 lässt sich in der dargestellten Ausführungsform das Werkstück 3 derart verfahren, dass der Laserstrahl eine vorbestimmte Bahn 4 abfährt. Diese vorbestimmte Bahn 4 besitzt einen Startwert A und einen Endwert B .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiter eine Aufnahmevorrichtung 7 zur Aufnahme der durch den Werkzeuglaser hergestellten Brennflecke. In der dargestellten Variante befindet sich im Strahlengang ein durch eine diagonale Linie angedeuteter Spiegel 10, welcher einen Teil des vom Brennfleck 2 reflektierten Lichtes umlenkt und der Aufnahmevorrichtung 7 zufuhrt. Dadurch ist es möglich, direkt nach dem Erzeugen des Brennflecks 2 eine Aufnahme desselben zu machen, ohne diese Position zu einem späteren Zeitpunkt zwecks einer zeitverzögerten Aufnahme erneut anfahren zu müssen. Die von der Aufnahmevorrichtung 7 aufgenommenen Bilddaten werden über eine Vorrichtung zur Datenübertragung 9 an eine Speicher- und Recheneinheit 8 übertragen. In dieser Speicher- und Recheneinheit 8 erfolgt die Speicherung der aufgenommenen Daten sowie die Analyse derselben. Nach Fertigstellung der Analyse wird das Ergebnis in Form eines Stellwerts über die Vorrichtung zur Datenübertragung 9 an die Fokuslagenverstelleinrichtung 5 weitergeleitet. Die Aufnahme der Bilddaten sowie die Analyse derselben kann entweder zeitverzögert, das heißt nach Fertigstellung einer vollständigen Fokusreihe, oder bevorzugt zeitgleich, direkt nach der Erzeugung jedes einzelnen Brennflecks 2, erfolgen.
Die Figur 2 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer Fokusreihe. Auf der x- Achse ist die Nummer des jeweiligen Bildes eines Brennflecks aufgetragen, auf der y- Achse ist der jeweilig erzeugte Lochradius aufgetragen. Die diskreten Messwerte werden durch entsprechende Sternchen markiert. Wie anhand der Lage der Sternchen erkennbar, nimmt der Lochradius zunächst bei steigender Bildnummer bis zur Bildnummer 7 hin ab. Anschließend steigt der Lochradius wieder, um dann noch einmal geringfügig abzufallen (Bildnummer 10). Auch bei der Bildnummer 12 ist ein unerwartetes leichtes Abfallen des Lochradius' erkennbar. Im Diagramm ist außerdem die Kurve einer approximierenden Funktion dargestellt, welche die gezeigten Messpunkte möglichst gut annähert. Das Minimum der Kurve liegt in etwa bei Bildnummer 9 und nicht, wie es die diskreten Mess werte erwarten lassen, bei Bildnummer 7. Der korrekte, durch das erfindungsgemäße Verfahren gefundene Fokusabstand ist demnach derjenige, welcher zu dem Brennfleck mit der Bildnummer 9 gehört. Dieser Wert kann nun mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Datenübertragung 9 an die Fokuslagenverstelleinrichtung 5 übertragen werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur automatischen Laserfokussierung bei der Laserbearbeitung eines Werkstücks (3), umfassend die folgenden Schritte:
(a) Justieren des Fokusabstandes (f) eines Werkzeuglasers (1) auf einen Startwert (A);
(b) Rücksetzen eines Laufindexes (i);
(c) Herstellen eines Brennflecks (2) auf einem zu bearbeitendem Werkstück (3);
(d) Speichern des jeweiligen Laufindexes (i) zusammen mit dem korrespondierenden Wert des Fokusabstandes (fi); (e) Verfahren des Werkstücks (3) um ein Weginkrement (Dx) entlang einer vorbestimmten Bahn (4);
(f) Verstellen des Fokusabstandes (f) in Richtung eines Endwertes (B) um einen Zustellbetrag (Df);
(g) Wiederholen der Schritte (c) bis (f) unter sukzessiver Erhöhung des Laufindexes (i) bis zum Erreichen einer vorbestimmten Anzahl (imax) von
Brennflecken (2) oder bis zum Erreichen des Endwertes (B) oder bis zum Erreichen des Endes der vorbestimmten Bahn (4);
(h) Ermitteln des Brennflecks mit dem geringsten Brennfleckdurchmesser (dopt); (i) Bestimmung des zu diesem Brennfleck gehörenden Laufindexes (iopt); Q) Einstellen des zu diesem optimalen Laufmdex (iopt) gehörenden optimalen
Fokusabstandes (fopt); dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Brennfleckpositionen (pos;) abgespeichert werden und das Ermitteln des Brennflecks mit dem geringsten Brennfleckdurchmesser (dopt) bzw. das Bestimmen des zugehörigen Laufindexes (iopt) folgende Schritte aufweist:
(1) Rücksetzen des Zählindexes i; (2) Anfahren der jeweiligen gespeicherten Brennfleckposition (pos,);
(3) Bestimmung und Abspeichern des jeweiligen Brennfleckdurchmessers (dj);
(4) Anfahren der nächsten gespeicherten Brennfleckposition (posi) und Wiederholen der Schritte (2) bis (4) unter sukzessiver Erhöhung des Laufmde- xes (i) bis zum Erreichen der vorherbestimmten Anzahl (imax) von Brennfleck- positionen (posO;
(5) Bestimmen einer interpolierenden oder approximierenden Funktion, welche den Brennfleckdurchmesser (dj) als Funktion des Laufindexes (i) wiedergibt;
(6) Bestimmen des Minimums der interpolierenden oder approximierenden Funktion;
(7) Bestimmen des dem Minimum der interpolierenden oder approximierenden Funktion nächstliegenden Laufindexes (iOpt);
(8) ggf. Zuordnen des Laufindexes (iopt) zu dem entsprechenden Brennfleck.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des jeweiligen Brennfleckdurchmessers (d;) gemäß Schritt (3), der interpolierenden oder approximierenden Funktion gemäß Schritt (5), deren Minimum gemäß Schritt (6), des zugehörigen Laufindexes (iopt) gemäß Schritt (7), des zugehörigen Brennflecks gemäß Schritt (8) nicht erst nach Abschluss der Schritte (g) bzw. (4) geschieht, sondern kontinuierlich bei jedem Durchlaufen des Schrittes (4) im - Anschluss an denselben stattfindet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Suche nach dem minimalen Brennfleckdurchmesser dopt dann abgebrochen wird, sobald die kontinuierliche Auswertung der interpolierenden oder approximierenden Funktion und/oder ein Vergleich der bisher bestimmten Brennfleckdurchmesser (dj) untereinander steigende oder wieder steigende Werte für folgende Brennfleckdurchmesser di erwarten lässt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des jeweiligen Brennfleckdurchmessers mit einer digitalen Kamera und optional unter Zuhilfenahme robuster Algorithmen erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die interpolierende Funktion die mathematische Form y = const-(l+x2)1/2 besitzt, wobei y der Wert des Brennfleckdurchmessers (di) und x der Wert für den Laufindex (i) ist.
6. Computerprogramm zur Ausführung auf einem Rechner, welches die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 1 - 5 erlaubt.
7. Datenträger, der ein Computerprogramm gemäß Anspruch 6 umfasst.
8. Vorrichtung zur automatischen Laserfokussierung für die Erzielung eines kleinstmöglichen Brennflecks bei der Laserbearbeitung eines Werkstücks (3), umfassend
- einen Werkzeuglaser (1), - eine Fokuslagenverstelleinrichtung (5),
- eine Spannvorrichtung zum Spannen des Werkstücks (3),
- eine Verfahrvorrichtung (6) zur Veränderung der relativen Lage von Werkstück (3) und Werkzeuglaser (1),
- eine Aufnahmevorrichtung (7) zur Aufnahme der Bilddaten von Brennflecken, - eine Speicher- und Recheneinheit (8) zur Speicherung der aufgenommenen
Bilddaten und mathematischen Analyse derselben,
- eine Vorrichtung zur Datenübertragung (9) der Analyseergebnisse an die Fokuslagenverstelleinrichtung (5).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrich- tung (7) eine CCD-Kamera ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuslagenverstelleinrichtung (5) automatisch verstellbar ist.
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