EP4710096A1

EP4710096A1 - Verfahren zur überprüfung eines optischen elements einer laserbearbeitungsvorrichtung auf verschmutzungen

Info

Publication number: EP4710096A1
Application number: EP24722517.0A
Authority: EP
Inventors: Karsten Scholz
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2023-05-11
Filing date: 2024-04-25
Publication date: 2026-03-18
Also published as: WO2024231120A1; US20260061525A1; DE102023112412A1

Abstract

Ein Verfahren zur Überprüfung eines optischen Elements (4) einer Laserbearbeitungsvorrichtung (10) auf Verschmutzungen (7), wobei das optischen Element (4) von einem Laserstrahl (1) passiert wird, insbesondere durchstrahlt wird, und mit einem optischen Sensor (6) von dem optischen Element (4) ausgehendes Streulicht vermessen wird, wobei N Einzelmessungen durchgeführt werden, mit N≥3; wobei während jeder Einzelmessung i das optische Element (4) von dem Laserstrahl (1) passiert wird, und mit dem optischen Sensor (6) von dem optischen Element (4) ausgehendes Streulicht vermessen wird, und eine Signalstärke Si am optischen Sensor (6) bestimmt wird; für die Einzelmessungen i unterschiedliche Durchmesser D_i des Laserstrahls (1) am Ort des optischen Elements (4) eingestellt werden, und aus den Signalstärken Si der N Einzelmessungen eine Information über eine ortsabhängige Verschmutzung des optischen Elements (4) ermittelt wird, mit i=1...N und i: Messungsindex. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf einfache Weise mehr Informationen über Verschmutzungen an einem optischen Element gewonnen werden, insbesondere um eine höhere Verfügbarkeit der Laserbearbeitungsvorrichtung zu ermöglichen.

Description

Verfahren zur Überprüfung eines optischen Elements einer Laserbearbeitungsvorrichtung auf Verschmutzungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung eines optischen Elements einer Laserbearbeitungsvorrichtung auf Verschmutzungen, wobei das optische Element von einem Laserstrahl passiert wird, insbesondere durchstrahlt wird, und mit einem optischen Sensor von dem optischen Element ausgehendes Streulicht vermessen wird.

Laserbearbeitung ist ein häufig angewandtes und effizientes Verfahren der Bearbeitung von Werkstücken. Durch Laserschneiden können beispielsweise aus Metallblechen und anderen Materialien auf einfache und effiziente Weise Werkstücke ausgeschnitten werden, ohne dass es eines werkstückspezifischen Schneidwerkzeugs bedarf. Durch Laserschweißen können beispielsweise Teilwerkstücke auf schnelle und zuverlässige Weise zu einem Werkstück miteinander verbunden werden.

Bei der Laserbearbeitung von Werkstücken wird üblicherweise ein Laserstrahl aus einer Laserquelle mittels eines Laserbearbeitungskopfs auf das Werkstück gerichtet. Der Laserstrahl wird dabei typischerweise auf die Oberfläche des Werkstücks oder in eine bestimmte Ebene nahe der Oberfläche des Werkstücks fokussiert. Der Laserbearbeitungskopf verfügt über optische Elemente, insbesondere Linsen und Schutzgläser, die der Laserstrahl passiert.

Durch die Laserbearbeitung des Werkstücks selbst oder andere Vorgänge kann es zu Verschmutzungen der optischen Elemente kommen. Beispielsweise kann aufgeschmolzenes Werkstückmaterial aufspritzen und an das optische Element gelangen, oder es werden Staubpartikel bei Wartungsarbeiten in den Laserbearbeitungskopf eingetragen. Wenn der Laserstrahl ein verschmutztes optisches Element passiert, insbesondere durchstrahlt, kann die Verschmutzung den Laserstrahl lokal abschatten, was das Bearbeitungsergebnis am Werkstück beeinträchtigen kann. Zudem tritt am Ort der Verschmutzung eine verstärkte Erwärmung des optischen Elements. Eine solche lokale Erwärmung kann dazu führen, dass die optischen Abbildungseigenschaften des optischen Elements zumindest lokal durch Wärmeausdehnung verändert werden. Die Lage und Form eines Fokus des Laserstrahls kann verändert oder verzerrt werden.

Verschmutzungen können zudem auf einem optischen Element auch global auftreten, beispielsweise durch in einem Kühlgas enthaltene Ölanteile, wie sie durch Pumpen in das Kühlgas eingebracht werden können. Solche globalen Verschmutzungen führen zu einer Abschwächung eines passierenden Laserstrahls insgesamt, und zu einer allgemeinen Erwärmung des optischen Elements im Betrieb. Aus der DE 202010 006 047 U1 ist es beispielsweise bekannt geworden, durch Temperaturmessung eine durch Verschmutzung bedingte, erhöhte Absorption eines Schutzglases zu bestimmen.

Um den Grad einer Verschmutzung eines optischen Elements in einer Laserbearbeitungsvorrichtung festzustellen, kann ein optischer Sensor auf das optische Element gerichtet werden, um von dem optischen Element ausgehendes Streulicht zu vermessen, welches durch den passierenden Laserstrahl verursacht wird. Je größer die Verschmutzung des optischen Elements, desto mehr Streulicht wird erzeugt, und desto höher ist das am Sensor registrierte Signal. Bei einem zu hohen Signal am Sensor kann dann die Werkstückbearbeitung abgebrochen werden, und eine Reinigung oder ein Austausch des optischen Elements veranlasst werden.

Bei diesem Vorgehen wird eine integrale Information über den Grad der Verschmutzung des optischen Elements innerhalb des vom Laserstrahl eingenommenen Querschnitts erhalten. Falls beispielsweise eine lokale Verschmutzung sich in einem radialen Randbereich des optischen Elements befindet, könnte in vielen Fällen eine Laserbearbeitung, insbesondere ein Laserschneiden, jedoch noch fortgesetzt werden, ohne einen nennenswerten Qualitätsverlust in der Laserbearbeitung des Werkstücks hinnehmen zu müssen. Möglicherweise könnte die Laserbearbeitung von Werkstücken auf einen Prozess umgestellt werden, bei dem die festgestellte Verschmutzung aufgrund ihres Ortes hinnehmbar wäre, beispielsweise indem ein engerer Laserstrahl verwendet wird, der die festgestellte Verschmutzung nicht ausleuchtet. Entsprechend wird in vielen Fällen die Laserbearbeitung mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung abgebrochen, obwohl eine weitere Laserbearbeitung von Werkstücken noch möglich wäre.

Aufgabe der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Überprüfung eines optischen Elements einer Laserbearbeitungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit dem auf einfache Weise mehr Informationen über Verschmutzungen an einem optischen Element gewonnen werden können, insbesondere um eine höhere Verfügbarkeit der Laserbearbeitungsvorrichtung zu ermöglichen.

Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren eingangs genannter Art, wobei N Einzelmessungen durchgeführt werden, mit N>3; wobei während jeder Einzelmessung i das optische Element von dem Laserstrahl passiert wird, und mit dem optischen Sensor von dem optischen Element ausgehendes Streulicht vermessen wird, und eine Signalstärke Si am optischen Sensor bestimmt wird; für die Einzelmessungen i unterschiedliche Durchmesser Di des Laser-strahls am Ort des optischen Elements eingestellt werden; und aus den Signalstärken Si der N Einzelmessungen eine Information über eine ortsabhängige Verschmutzung des optischen Elements ermittelt wird, mit i=1 ... N und i: Messungsindex.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, bei der Vermessung des Streulichts wenigstens drei Einzelmessungen durchzuführen, die mit unterschiedlichen Durchmessern des Laserstrahls am Ort des optischen Elements stattfinden (wobei der Ort des optischen Elements auf die Strahlausbreitungsrichtung bezogen ist). Bevorzugt wird für die Veränderung des Durchmessers am Ort des optischen Elements die Strahldivergenz des Laserstrahls verändert, typischerweise wobei der Fokusdurchmesser des Laserstrahls verändert wird. Bei gegebenen Strahlparameterprodukt geht ein kleinerer Fokusdurchmesser mit einer größeren Strahldivergenz einher und umgekehrt. Je nach Position und Größe einer lokalen Verschmutzung (lokalen Verunreinigung) wird diese bei allen oder nur einem Teil der Einzelmessungen und dabei ganz, nur zu einem Teil oder gar nicht vom Laserstrahl beleuchtet, und trägt in entsprechender Weise zur Erzeugung von Streulicht bei, welches mit dem Sensor vermessen wird. Entsprechend tragen die Signalstärken Si der N Einzelmessungen eine Information über die ortsabhängige Verschmutzung des optischen Elements.

Über die Einzelmessungen bleibt der Laserstrahl typischerweise entlang einer optischen Achse ausgerichtet und auf diese zentriert. Dadurch kann auf einfache Weise eine Information über eine radiale Verteilung der Verschmutzung des optischen Elements um die optische Achse erhalten werden. Zudem bleibt typischerweise die Laserleistung über die Einzelmessungen unverändert. Letzteres ist besonders einfach anzusteuern, und verbessert die Vergleichbarkeit der Einzelmessungen.

Liegt beispielsweise eine lokale Verschmutzung (etwa ein Staubpartikel) in einem radialen Randbereich des optischen Elements vor, so wird dieses nur bei großen Durchmessern des Laserstrahls in den Querschnitt des Laserstrahls geraten, und nur dann einen Beitrag zum Streulicht liefern. Umgekehrt wird eine lokale Verschmutzung nahe der Strahlachse des Laserstrahls bei allen Durchmessern des Laserstrahls beleuchtet, und entsprechend bei allen Einzelmessungen einen Beitrag zum Streulicht liefern.

Mit der ortsaufgelösten Information über die Verschmutzung des optischen Elements kann auf verbesserter Grundlage entschieden werden, ob ein angedachter Laserbearbeitungsprozess mit der Laserbearbeitungsvorrichtung (auch genannt Laserbearbeitungsmaschine) im derzeitigen Verschmutzungszustand noch durchführbar ist oder nicht. Ebenso kann auf verbesserter Grundlage mit der ortsaufgelösten Information über die Verschmutzung des optischen Elements ein Prozess für eine weitere Laserbearbeitung von Werkstücken ausgewählt werden, der mit der Laserbearbeitungsvorrichtung im derzeitigen Verschmutzungszustand noch durchführbar ist. Dadurch können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Messverfahrens die nötigen Informationen für eine verbesserte Verfügbarkeit (verbesserte Auslastung) der Laserbearbeitungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden.

Typische optische Elemente, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf Verschmutzungen überprüft werden können, sind Linsen und Schutzgläser, gegebenenfalls auch Spiegel, einschließlich gekrümmter Spiegel und halbdurchlässiger Spiegel, Blenden, Strahlteiler, diffraktive optische Elemente oder Filter. Ein typischer optischer Sensor zur Vermessung von Streulicht ist ein Photodetektor, insbesondere ein nulldimensionaler Photodetektor, der im Wesentlichen seitlich auf das optische Element gerichtet ist. Das optische Element wird bei der Streulichtmessung vom Laserstrahl passiert, typischerweise indem das optische Element vom Laserstrahl durchstrahlt wird; es ist aber auch möglich, dass der Laserstrahl am optischen Element reflektiert wird und dadurch das optische Element passiert.

Bevorzugte Varianten der Erfindung

In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus Signalstärken Si, die von einem größeren Durchmesser Di zu kleineren Durchmesser Di hin zunehmen, auf einen erhöhten Grad der Verschmutzung des optischen Elements innerhalb des kleineren Durchmessers Di geschlossen. Auf diese Weise kann auf einfachem Weg eine erste, qualitative Information über die ortsabhängige Verschmutzung gewonnen werden. Liegt eine lokale Verschmutzung (nur oder vorwiegend) im Bereich des kleineren Durchmessers vor, führt eine Verkleinerung des Durchmessers des Laserstrahls vom größeren auf den kleineren Durchmesser (bei konstanter Gesamtleistung des Lasers) zu einer höheren Strahlungsdichte im Bereich der Verschmutzung, und damit zu mehr Streulicht. Aus der Zunahme der Signalstärken (relativ oder absolut) kann auch näherungsweise quantitativ auf den Grad der Verschmutzung innerhalb des kleineren Durchmessers im Vergleich zum größeren Durchmesser geschlossen werden (mehr dazu unten).

In einer ebenso bevorzugten Variante wird aus Signalstärken Si, die von einem kleineren Durchmesser Di zu einem größeren Durchmesser Di hin zunehmen, auf einen erhöhten Grad der Verschmutzung des optischen Elements außerhalb des kleineren Durchmessers Di geschlossen. Auf diese Weise kann ebenfalls auf einfachem Weg eine erste, qualitative Information über die ortsabhängige Verschmutzung gewonnen werden. Liegt eine lokale Verschmutzung (nur oder vorwiegend) im Bereich des größeren Durchmessers vor, gerät sie noch nicht bei dem kleineren Durchmesser des Laserstrahls, sondern erst bei dem größeren Durchmesser des Laserstrahls in den Querschnitt des Laserstrahls, und trägt erst dann zum Streulicht bei. Dieser Effekt überwiegt in der Regel eine Abschwächung der lokalen Strahlungsdichte durch eine Vergrößerung des Strahldurchmessers (bei konstanter Gesamtleistung des Lasers). Aus der Zunahme der Signalstärken (relativ oder absolut) kann näherungsweise quantitativ auf den Grad der Verschmutzung innerhalb des größeren Durchmessers (und außerhalb des kleineren Durchmessers) im Vergleich zu innerhalb des kleineren Durchmessers geschlossen werden (mehr dazu weiter unten).

Bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass aus den Signalstärken Si ein Grad der Verschmutzung Gi des optischen Elements innerhalb eines kleinsten Durchmessers Di und jeweilige Grade der Verschmutzung Gj des optischen Elements im Bereich zwischen dem Durchmesser Dj und dem Durchmesser Dj-i bestimmt werden, mit j=2... N und j: Zählindex der verbliebenen größeren Durchmesser. Über die Verschmutzungsgrade Gi , Gj innerhalb des kleinsten Durchmessers Di und der jeweils umgebenden Ringe innerhalb Dj-i bis Dj kann auf einfache Weise eine intuitiv zu interpretierende Einschätzung der ortsabhängigen Verschmutzung getroffen werden, und gegebenenfalls die Auslastung der Laserbearbeitungsmaschine auf einfache Weise zielgerichtet optimiert werden. Man beachte, dass alternativ auch integrale Verschmutzungsgrade innerhalb der jeweiligen Durchmesser Di bestimmt werden können.

Besonders bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, bei der die Bestimmung der Grade der Verschmutzung Gi , Gj iterativ von einem kleinsten Durchmesser Di bis zu einem größten Durchmesser DN erfolgt. Dadurch ist auf einfache Weise die Bestimmung der Verschmutzungsgrade Gi, Gj möglich. Die Verschmutzung Gi kann direkt aus Si bestimmt werden. Die Verschmutzung innerhalb der weiter außen liegenden Ringe Gj kann dann beispielsweise von innen nach außen mit den Werten Sj und Gi bis Gj-i (die gegenüber einen aus Sj bestimmten Rohverschmutzung Gj^roh für den gesamten Innenbereich des Durchmessers Dj in Abzug gebracht werden können) bestimmt werden. Alternativ können die Verschmutzungsgrade Gj auch bestimmt werden über die Werte Sj und Sj-i, oder alternativ über die Werte Sj und Si bis Sj-i , siehe dazu auch weiter unten.

Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung der obigen Variante, die vorsieht, dass in einem Schritt 1 ) aus einer Signalstärke Si für einen kleinsten Durchmesser D1 auf einen Grad der Verschmutzung Gi des optischen Elements innerhalb des kleinsten Durchmessers Di geschlossen wird, und aus der Signalstärke Si ein erwarteter Signalbeitrag C2 im Signal S2 des nächstgrößeren Durchmessers D2 durch eine Verschmutzung des optischen Elements innerhalb des kleinsten Durchmessers Di bestimmt wird, und dass in weiteren Schritten j) aus einer jeweiligen korrigierten Signalstärke KSj=Sj - Cj für den Durchmesser Dj auf einen Grad der Verschmutzung Gj des optischen Elements in einem Bereich zwischen dem Durchmesser Dj und dem Durchmesser Dj-1 geschlossen wird, und aus der Signalstärke Sj oder alternativ aus den Signalstärken Si bis Sj ein erwarteter Signalbeitrag Cj+1 im Signal Sj+1 des nächstgrößeren Durchmessers Dj+1 durch eine Verschmutzung des optischen Elements innerhalb des Durchmessers Dj bestimmt wird. Dieses Vorgehen ist einfach und effizient zur Bestimmung der Verschmutzungsgrade Gi bis GN. ES versteht sich, dass im letzten Schritt N) eine Bestimmung von CN+I nicht mehr erforderlich ist.

Eine vorteilhafte Untervariante dieser Weiterentwicklung sieht vor, die Signalbeiträge Cj zumindest näherungsweise bestimmt werden gemäß

Cj=Sj-i*[Dj_i/Dj]²

Mit dieser einfachen Abschätzung kann zu einer sehr genauen Abschätzung der ortsabhängen Verschmutzung beitragen. Diese Abschätzung geht davon aus, dass der Signalbeitrag Cj im größeren Durchmesser Cj durch Verschmutzungen innerhalb des nächstkleineren Durchmessers Dj-1 im Wesentlichen proportional zur Signalstärke Sj-1 des nächstkleineren Durchmessers und zudem proportional zum Verhältnis der Fläche des kleineren Durchmessers Dj-1 zur Fläche des größeren Durchmessers Dj ist. Letzteres berücksichtigt eine Umverteilung der (als konstant angenommenen) gesamten Strahlleistung des Laserstrahls beim Wechsel des Durchmessers, die als der wesentliche Faktor für die Streulichtintensität durch im kleineren Durchmesser liegende Verschmutzungen angenommen wird. Falls gewünscht, kann die Genauigkeit der Bestimmung von Cj durch einen für j spezifischen Korrekturfaktor Fj in obiger Formel erhöht werden, der durch eine Kalibrierung bestimmt werden kann. Für eine noch genauere Bestimmung der Signalbeiträge Cj können diese als Summe von m Summanden, die jeweils spezifisch für die den G_m zugeordneten Bereichen bestimmt werden, mit m=1 und m: Index der kleineren Durchmesser, berechnet werden.

Bevorzugt ist auch eine Untervariante der obigen Weiterentwicklung, bei der die Grade der Verschmutzung Gi bis GN zumindest näherungsweise bestimmt werden gemäß und (Dj-1)²], mit F: Proportionalitätskonstante. Mit dieser einfachen Abschätzung werden die Verschmutzungsgrade untereinander gut vergleichbar. Die Fläche eines weiter außen liegenden Ringbereiches ist (bei gleicher Ringbreite) vergleichsweise groß im Vergleich zu weiter innen liegenden Ringbereichen. Entsprechend verteilt sich die Laserleistung dann auf mehr Fläche, und Signalstärken durch das erzeugte Streulicht werden (bei ähnlich großen und ähnlich beschaffenen lokalen Verschmutzungen) schwächer. Durch Multiplikation mit einem Faktor proportional der jeweiligen Ringfläche, das ist in Gj dann [(Dj)² - (Dj-i )²], kann die flächenbedingte Signalstärkenabschwächung ausgeglichen werden. Man beachte, dass alternativ die Verschmutzungsgrade Gi , Gj auch (ohne Gewichtung über die Flächen) bestimmt werden können über Gi=F‘*Si und Gj=F‘*KSj, mit F‘: alternative Proportionalitätskonstante.

Bevorzugt ist weiterhin eine Weiterentwicklung der obigen Variante, die vorsieht, dass die Grade der Verschmutzung Gi , Gj in verbleibende Verfügbarkeiten Vi , Vj innerhalb des kleinsten Durchmessers Di für Vi oder innerhalb des Bereichs zwischen Dj und Dj-i für ein jeweiliges Vj umgerechnet werden, insbesondere wobei den Graden der Verschmutzung Gi, Gj jeweils Maximalwerte Mi, Mj zugeordnet sind, bei deren Erreichen die Laserbearbeitung gerade nicht mehr brauchbar wird und die verbleibenden Verfügbarkeiten Vi , Vj berechnet werden als Vi=1-Gi/Mi und

Vj=1-Gj/Mj, und insbesondere wobei die verbleibenden Verfügbarkeiten Vi , Vj an der Laserbearbeitungsvorrichtung angezeigt werden. Die Bestimmung von verbleibenden Verfügbarkeiten, insbesondere über Mi, Mj und Vi , Vj, ermöglicht Benutzern der Laserbearbeitungsvorrichtung ein intuitives und anwendungsbezogenes Verständnis des Verschmutzungsgrads, und erleichtert die weitere Planung der Fertigung von Werkstücken bzw. die Auswahl von weiteren auszuführenden Prozessen der Werkstückbearbeitung.

Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, die vorsieht, dass vor einer weiteren Auswertung der Signalstärken Si die Signalstärken Si nach ihrer Vermessung um einen Bias bereinigt werden, indem von der jeweiligen Signalstärke Si eine Grundsignalstärke Bi abgezogen wird, die mit dem optischen Element in einem verschmutzungsfreien Zustand mit dem entsprechenden Laserstrahl mit dem Durchmesser Di erhalten wurde. Dadurch wird die Ermittlung der ortsabhängigen Verschmutzung noch genauer. Eine Biasbereinigung unter Berücksichtigung eines Offsets ist insbesondere empfehlenswert, wenn im Laserbearbeitungskopf merklich Streulicht unabhängig von der Verschmutzung des überprüften optischen Elements anfällt, etwa aufgrund von Oberflächenrauigkeit des optischen Elements oder Streuung an Orten entfernt vom optischen Element.

Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass zur weiteren Auswertung der Signalstärken Si die Signalstärken Si nach ihrer Vermessung in ein Verhältnis zu einem Bias gesetzt werden, um einen Verschmutzungsgrad zu ermitteln, welcher einem Verschmutzungszustand in Relation zu einem Sauberzustand entspricht. Dadurch wird die Ermittlung der ortsabhängigen Verschmutzung noch genauer. Eine Biasbereinigung unter Berücksichtigung eines Faktors ist insbesondere empfehlenswert, wenn im Laserbearbeitungskopf merklich Streulicht unabhängig von der Verschmutzung des überprüften optischen Elements anfällt, etwa aufgrund von Oberflächenrauigkeit des optischen Elements oder Streuung an Orten entfernt vom optischen Element.

Erfindungsgemäße Betriebsverfahren

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Betrieb einer Laserbearbeitungsvorrichtung, wobei eine Überprüfung eines optischen Elements der Laserbearbeitungsvorrichtung auf Verschmutzungen durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfung des optischen Elements der Laserbearbeitungsvorrichtung auf Verschmutzungen nach einem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt, dass anhand eines Ergebnisses der Überprüfung entschieden wird, ob ein avisierter Prozess der Laserbearbeitung eines Werkstücks mit der Laserbearbeitungsvorrichtung durchgeführt werden kann oder nicht durchgeführt werden kann, und dass bei der Entscheidung, ob der avisierte Prozess durchgeführt werden kann oder nicht, zumindest die ermittelte ortsabhängige Information über die Verschmutzung des optischen Elements sowie eine Information über den oder die im Rahmen des avisierten Prozesses einzusetzenden Durchmesser des Laserstrahls am optischen Element berücksichtigt werden. Wird für die Entscheidung, ob ein avisierter Prozess noch durchgeführt werden kann oder nicht, die momentane ortsabhängige Verschmutzung des optischen Elements und der (oder die) für den avisierten Prozess einzusetzende(n) Durchmesser des Laserstrahls am Ort des optischen Elements berücksichtigt, können unnötige Stillstandzeiten der Laserbearbeitungsvorrichtung minimiert werden.

Ebenso fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Laserbearbeitungsvorrichtung, wobei eine Überprüfung eines optischen Elements der Laserbearbeitungsvorrichtung auf Verschmutzungen durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfung des optischen Elements der Laserbearbeitungsvorrichtung auf Verschmutzungen nach einem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt, und dass in dem Fall, dass die ermittelte Information über die ortsabhängige Verschmutzung des optischen Elements ergibt, dass relevante Verschmutzungen lediglich in einem radialen Randbereich des optischen Elements, nicht aber in einem Zentralbereich des optischen Elements vorliegen, die Laserbearbeitungsvorrichtung betriebsbereit bleibt mit der Maßgabe, dass bis zu einer Reinigung oder einem Austausch des optischen Elements nur noch Prozesse der Laserbearbeitung von Werkstücken durchgeführt werden, in welchen der Durchmesser des Laserstrahls am optischen Element innerhalb des Zentralbereichs bleibt. Durch dieses Vorgehen bleibt im Falle von relevanten (einen Weiterbetrieb ausschließenden) Verschmutzungen lediglich im radialen Randbereich die Laserbearbeitungsvorrichtung zumindest für bestimmte Prozesse, welche insbesondere lediglich eine Führung des Laserstrahls im Zentralbereich des optischen Elements bedürfen, verfügbar. Bei geeigneter Planung bzw. Umplanung der Prozesse können dann Stillstände der Laserbearbeitungsvorrichtung minimiert werden.

Bei einer vorteilhaften Variante der beiden obigen Verfahren zum Betrieb einer Laserbearbeitungsvorrichtung erfolgt eine Überprüfung des optischen Elements der Laserbearbeitungsvorrichtung auf Verschmutzungen:

Nach jeder Wartung oder Reparatur an einem Laserbearbeitungskopf der Laserbearbeitungsvorrichtung; und/oder

Jeweils nach einer vorgegebenen Betriebsdauer der Laserbearbeitungsvorrichtung; und/oder

Bei jedem Hochfahren der Laserbearbeitungsvorrichtung; und/oder

Vor jedem Start eines neuen Prozesses der Laserbearbeitung von Werkstücken; und/oder

Bei manueller Auslösung. Dies stellt eine hohe Bearbeitungsqualität der Werkstücke sicher. Gleichzeitig kann eine gute Verfügbarkeit der Laserbearbeitungsvorrichtung erreicht werden.

Erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtungen

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Laserbearbeitungsvorrichtung, umfassend eine Laserquelle zur Bereitstellung eines Laserstrahls, ein optisches Element, das von dem Laserstrahl passiert wird, insbesondere durchstrahlt wird, eine Verstelleinrichtung zur Verstellung eines Durchmessers des Laserstrahls am Ort eines optischen Elements, einen optischen Sensor zur Vermessung von Streulicht, das von dem optischen Element ausgeht, und eine elektronische Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, in einem automatisierten Ablauf ein Verfahren zur Überprüfung des optischen Elements der Laserbearbeitungsvorrichtung auf Verschmutzungen gemäß einem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen, wobei die elektronische Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, für die N Einzelmessungen mit der Verstelleinrichtung nacheinander verschiedene Durchmesser Di des Laserstrahls am Ort des optischen Elements einzustellen und mit dem jeweiligen Durchmesser Di eine zugehörige Signalstärke Si am optischen Sensor zu bestimmen. Mit dieser Laserbearbeitungsvorrichtung kann eine ortausgelöste Bestimmung von Verschmutzungen am optischen Element erfolgen, und eine hohe Verfügbarkeit der Werkstückbearbeitung erreicht werden.

Bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung, bei der die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Laserschneidvorrichtung ist. Beim Laserschneiden können die Schneidprozesse oftmals bezüglich des Durchmessers des Laserstrahls am Ort eines optischen Elements mit wenig Aufwand und ohne nennenswerten Qualitätsverlust variiert werden, wodurch eine besonders hohe Verfügbarkeit im Falle von Verschmutzungen nur im radialen Randbereich des optischen Elements erreichbar ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Fig. 1a illustriert schematisch für eine beispielhafte Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überprüfung der Verschmutzung eines optischen Elements einer Laserbearbeitungsvorrichtung eine erste Einzelmessung mit einem kleinsten Durchmesser Di des Laserstrahls am Ort eines optischen Elements, im Längsschnitt entlang der Strahlausbreitungsrichtung;

Fig. 1 b illustriert für die Variante von Fig. 1 a eine zweite Einzelmessung mit einem mittleren Durchmesser D2;

Fig. 1c illustriert für die Variante von Fig. 1a eine dritte Einzelmessung mit einem größten Durchmesser D3;

Fig. 2a illustriert schematisch für die Variante von Fig. 1a die erste Einzelmessung, mit einem Querschnitt am Ort des optischen Elements;

Fig. 2b illustriert für die Variante von Fig. 2a die zweite Einzelmessung;

Fig. 2c illustriert für die Variante von Fig. 2a die dritte Einzelmessung; Fig. 3 illustriert schematisch für die Variante von Fig. 1a die Messsituation für die drei Einzelmessungen, mit einem Querschnitt am Ort des optischen Elements (links), mit einer Verschmutzung im Bereich zwischen D2 und D3, und mit einem zugehörigen Diagramm der gemessenen Signalstärken (rechts);

Fig. 4 illustriert schematisch eine Messsituation für drei Einzelmessungen ähnlich wie in der Variante von Fig. 1a, mit einem Querschnitt am Ort des optischen Elements (links), jedoch mit einer Verschmutzung im Bereich zwischen Di und D2, und mit einem zugehörigen Diagramm der gemessenen Signalstärken (rechts);

Fig. 5 illustriert schematisch eine Messsituation für drei Einzelmessungen ähnlich wie in der Variante von Fig. 1a, mit einem Querschnitt am Ort des optischen Elements (links), jedoch mit einer Verschmutzung im Bereich innerhalb von Di, und mit einem zugehörigen Diagramm der gemessenen Signalstärken (rechts);

Fig. 6 illustriert schematisch die Messsituation für die drei Einzelmessungen ähnlich wie in der Variante von Fig. 1a, mit einem Querschnitt am Ort des optischen Elements, für eine Biasmessung ohne Verschmutzung;

Fig. 7a illustriert schematisch eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung, wobei mit der Verstelleinrichtung ein kleinster Durchmesser Di des Laserstrahls am optischen Element eingestellt ist;

Fig. 7b illustriert die Ausführungsform von Fig. 7a, wobei mit der Verstelleinrichtung ein mittlerer Durchmesser D2 des Laserstrahls am optischen Element eingestellt ist; Fig. 7c illustriert die Ausführungsform von Fig. 7a, wobei mit der Verstelleinrichtung ein größter Durchmesser D3 des Laserstrahls am optischen Element eingestellt ist;

Fig. 8 illustriert schematisch eine beispielhafte Bauform eines Laserbearbeitungskopfs einer Laserbearbeitungsvorrichtung für die Erfindung, wobei als optisches Element ein Schutzglas mit einem Sensor überwacht wird;

Fig. 9 illustriert schematisch eine beispielhafte Bauform eines Laserbearbeitungskopfs einer Laserbearbeitungsvorrichtung für die Erfindung, wobei als optisches Element ein Strahlteiler mit einem Sensor überwacht wird;

Fig. 10 illustriert schematisch eine beispielhafte Bauform eines Laserbearbeitungskopfs einer Laserbearbeitungsvorrichtung für die Erfindung, wobei als optisches Element eine Linse mit einem Sensor überwacht wird.

Die Figuren 1a bis 1c und die Figuren 2a bis 2c illustrieren eine beispielhafte Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überprüfung der Verschmutzung eines optischen Elements einer Laserbearbeitungsvorrichtung anhand von drei Einzelmessungen. Die Figuren 1a bis 1c zeigen jeweils Längsschnitte entlang der Strahlausbreitungsrichtung durch einen Teil eines Laserbearbeitungskopfs der Laserbearbeitungsvorrichtung nahe des zu bearbeitenden Werkstücks, und die Figuren 2a bis 2c zeigen jeweils Querschnitte am Ort des optischen Elements.

Wie in Fig. 1a ersichtlich richtet die Laserbearbeitungsvorrichtung einen Laserstrahl 1 auf ein Werkstück (nicht dargestellt, vgl. aber Fig. 7a hierzu), wobei ein Fokus 2 des Laserstrahls 1 typischerweise auf der Werkstückoberfläche liegt. In der illustrierten Variante wird der Laserstrahl 1 von einer Linse 3 fokussiert, wobei der Laserstrahl 1 ein zwischen der Linse 3 und dem Fokus 2 liegendes optisches Element 4, hier ein Schutzglas 5, passiert. Das Schutzglas 5 kann Verschmutzungen aufweisen, beispielsweise infolge von Spritzern von aufgeschmolzenem Werkstückmaterial, oder einfach Staubpartikel. Beispielhaft ist hier eine lokale Verschmutzung 7 in Form eines Staubpartikels illustriert. Auf das optische Element 4 ist hier von der Seite ein optischer Sensor 6 gerichtet, der von dem optischen Element 4 ausgehendes Streulicht vermisst. Streulicht wird in erster Linie durch Verschmutzungen 7 an dem optischen Element 4 erzeugt, wenn der Laserstrahl 1 an den Verschmutzungen 7 gestreut wird.

Im Rahmen der Erfindung werden mehrere Einzelmessungen des Streulichts durchgeführt, wobei jeweils ein anderer Durchmesser Di des Laserstrahls 1 am Ort des optischen Elements 4 angewandt wird. Der Laserstrahl 1 bleibt in allen Fällen auf eine gemeinsame optische Achse OA zentriert, und die Laserleistung wird konstant gehalten. Es wird jedoch die Strahldivergenz geändert, um den Durchmesser Di am Ort des optischen Elements zu ändern (mehr dazu bei Fig. 7a-7c).

In der ersten Einzelmessung von Fig. 1a und Fig. 2a wird der kleinste Durchmesser Di angewandt. Da die Verschmutzung 7 außerhalb des Durchmessers Di des Laserstrahls 1 liegt, trägt diese hier nicht zur Erzeugung von Streulicht bei.

Die zweiten Einzelmessung von Fig. 1b und Fig. 2b wird mit einem mittleren Durchmesser D2 des Laserstrahls 1 am Ort des optischen Elements 4 durchgeführt. Die Verschmutzung 7 liegt auch in diesem Fall außerhalb von D2, und trägt daher auch in der zweiten Einzelmessung noch nicht zur Erzeugung von Streulicht bei.

Die dritten Einzelmessung von Fig. 1c und Fig. 2c wird mit dem größten Durchmesser D3 des Laserstrahls 1 am Ort des optischen Elements 4 durchgeführt. Nun liegt die Verschmutzung 7 innerhalb von D3, und trägt daher zur Erzeugung von Streulicht bei.

In der dargestellten Verschmutzungssituation der Figuren 2a bis 2c wird also nur in der dritten Einzelmessung mit D3 eine merkliche Signalstärke durch Streulicht erreicht werden. Dadurch kann auf einfache Weise erschlossen werden, dass eine merkliche Verschmutzung nur im Bereich zwischen D2 und D3 vorliegt. Es versteht sich, dass die in Fig. 1 a bis 1 c und Fig. 2a bis 2c illustrierten Einzelmessungen in beliebiger Reihenfolge stattfinden können. Zudem sei angemerkt, dass erfindungsgemäß auch vier, fünf oder noch mehr Einzelmessungen (mit weiteren Durchmessern D4, D5 usw.) durchgeführt werden können.

Im Folgenden sollen anhand von Beispielen typische Verschmutzungssituationen an einem optischen Element, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren überprüft werden, qualitativ und quantitativ diskutiert werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass drei Einzelmessungen wie in Fig. 1 a-1 c und Fig. 2a-2c dargestellt mit den Durchmessern Di , D2, D3 des Laserstrahls am Ort des optischen Elements erfolgen, wobei hier Di=1 ,0mm, D2=1 ,5mm und D3=2,0mm gewählt wurden. Der Durchmesser des Laserstrahls kann über das 86%-Kriterium bestimmt werden (86% der Laserleistung liegt innerhalb eines Kreises mit dem angegebenen Durchmesser). Bei diesen Messungen werden am Sensor die Signalstärken Si , S2 und S3 gemessen, beispielsweise anhand eines Photostroms (Einheit Milliampere, mA).

Die Fig. 3 zeigt die Verschmutzungssituation wie bereits in den Figuren 1 a-1 c und Fig. 2a-2c diskutiert. Wie im linksseitigen Querschnitt der Fig. 3 ersichtlich, befindet sich eine einzige lokale Verschmutzung 7 im Bereich zwischen D2 und D3. Typische zugehörige Messwerte von Signalstärken S bzw. Si bei den entsprechenden Durchmessern D bzw. Di sind im rechtsseitigen Diagramm der Fig. 3 und in der nachfolgenden Tabelle 1 (nebst weiteren Werten) angegeben:

Tabelle 1: Beispielhafte Messwerte bei der Situation der Fig. 3

Da die (im Beispiel einzige) lokale Verschmutzung 7 wie in Fig. 3 ersichtlich sich außerhalb von D2 befindet, wird nur in der dritten Einzelmessung, die mit dem Durchmesser D3 stattfindet, eine deutliche Signalstärke S3 am Sensor für das Streulicht erhalten. Die Signalstärken Si , S2 sind demgegenüber sehr viel kleiner.

In der Situation von Fig. 4 ist die einzige lokale Verschmutzung 7 innerhalb des innersten Durchmessers Di angeordnet, vgl. den linksseitigen Querschnitt in Fig. 4.

Wie im rechtsseitigen Diagramm von Fig. 4 und in Tabelle 2 ersichtlich, wird dann eine hohe Signalstärke S1 bei der ersten Einzelmessung i=1 erhalten. Da diese lokale Verschmutzung 7 auch innerhalb von D2 und innerhalb von D3 liegt, werden auch merkliche Signalstärken S2 und S3 gemessen. Da sich die Strahlungsleistung des Laserstrahls 1 in den Einzelmessungen i=2 und i=3 auf eine größere Fläche verteilt, nimmt die Streulichtintensität (und damit die gemessene Signalstärke S) mit zunehmendem Durchmesser D des Laserstrahls 1 ab.

Tabelle 2: Beispielhafte Messwerte bei der Situation der Fig. 4

In der Situation von Fig. 5 ist die einzige lokale Verschmutzung 7 im Bereich zwischen Di und D2 angeordnet, vgl. der linksseitige Querschnitt in Fig. 5.

Entsprechend ist die Signalstärke S2 des Sensors für Streulicht bei der zweiten Einzelmessung am größten. Die Verschmutzung 7 wirkt sich auch auf die dritte Einzelmessung i=3 aus, und es wird eine merkliche Signalstärke S3 erhalten, wenngleich geringer als S2, da sich die Laserleistung von D2 nach D3 auf eine größere Fläche verteilt. Bei der ersten Einzelmessung zu Di wird nur eine minimale Signalstärke S1 erhalten, da die Verunreinigung 7 nicht innerhalb von D1 liegt. Dies alles kann dem rechtsseitigen Diagramm in Fig. 5 oder der Tabelle 3 entnommen werden.

Tabelle 3: Beispielhafte Messwerte bei der Situation der Fig. 5

Nun sollen jeweils Verschmutzungsgrade Gi für den Bereich innerhalb Di , weiter G2 für den ringförmigen Bereich zwischen Di und D2, und weiter G3 für den ringförmigen Bereich zwischen D2 und D3 bestimmt werden.

Gemäß der Erfindung kann dabei „von innen nach außen“ vorgegangen werden. Unter der Annahme einer jeweils näherungsweise gleichmäßigen Ausleuchtung des Querschnitts des Laserstrahls für alle Strahldurchmesser Di , D2, D3 kann aus der Signalstärke Sj-1 für einen inneren Durchmesser Dj-1 (Indexwert j-1 ) ein erwarteter Signalbeitrag Cj durch Verunreinigungen in diesem inneren Durchmesser für die Signalstärke Sj beim nächstgrößeren Strahldurchmesser Dj (Indexwert j) ermittelt werden gemäß

Cj=Sj-i*[Dj_i/Dj]² mit j: Index der (größeren) Durchmesser, beginnend bei j=2 und hochlaufend bis N, hier mit N=3. Man beachte, dass hier [DI/D2]²= 0,4444 und [D2/D3]²=0,5625. Mittels dieses erwarteten Signalbeitrags Cj kann dann jeweils eine korrigierte Signalstärke KSj=Sj-Cj für die weiter außen liegenden (ringförmigen) Bereiche bestimmt werden; man beachte, dass der innerste Bereich (innerhalb Di) keine solche Korrektur benötigt. Die korrigierten Signalstärken KSj beschreiben also die jeweilige Signalstärke, die auf Streulicht von Verunreinigungen im jeweiligen ringförmigen Bereich von Dj-1 bis Dj zurückgeht, also ohne eine jeweilige Signalstärke, die auf Streulicht von Verunreinigungen innerhalb des Durchmessers Dj-1 zurückgeht. Die entsprechenden Werte von Cj und KSj für die verschiedenen Situationen von Fig. 3, 4 und 5 sind in den Tabellen 1 , 2, 3 jeweils eingetragen. Um einen untereinander vergleichbaren Grad der Verunreinigung der jeweiligen Bereiche zu erhalten, kann der Grad der Verunreinigung Gi, Gj in einem jeweiligen Bereich nun bestimmt werden gemäß

Gi=F*Si*[Di]² und Gj=F*KSj*[(Dj)² - (Dj.i )²], mit F: Proportionalitätskonstante, in den obigen Tabellen 1 , 2, 3 einfach gewählt als 1/mA. Der Faktor [(Dj)² - (Dj.i )²] bewirkt einen Ausgleich der geringeren Leistungsdichte des Laserstrahls im Falle eines größer werdenden Strahldurchmessers. Man beachte, dass hier [(D2)² - (Di)²]=1 ,25 und [(D3)² - (D₂)²]=1 ,75. Die jeweiligen Werte G1, Gj entsprechend dann in etwa der absoluten Menge (Größe/Fläche) von streuenden Verunreinigungen im jeweiligen zugehörigen Bereich. Auch diese Werte sind in den Tabellen 1 , 2, 3 jeweils eingetragen.

In den Fällen der Figuren 3, 4, 5 bzw. der Tabellen 1 , 2, 3 ist ersichtlich, dass in den Beispielen jeweils ähnlich große Verunreinigungen in dem jeweiligen Bereich vorliegen. In Fig. 3/Tabelle 1 im Bereich zwischen D₂ und D3 gilt G3=7,212, und G1 , G₂ jeweils <0,1. In Fig. 4/Tabelle 2 im Bereich innerhalb Di gilt Gi=7, 134, und G₂, G3 jeweils < 0,1. In Fig. 5/Tabelle 3 im Bereich Di bis D₂ gilt G₂=7,005, und G1, G3 jeweils <0,1. Es kann also anhand der Messungen und der Auswertungen anhand von Gi sehr genau nachvollzogen werden, wo die jeweilige Verunreinigung sitzt.

In der Praxis tragen typischerweise eine Vielzahl von einzelnen, kleineren Verunreinigungen (z.B. Staubpartikel, Spritzer von Werkstückmaterial) zur Gesamtverunreinigung des optischen Elements 4 bei, die sich auf die verschiedenen Bereiche des optischen Elements 4 verteilen. Hierbei kann experimentell ein maximaler Grad von Verunreinigung für jeden Bereich ermittelt werden, hier genannt Mi, bei dem jeweils eine Laserbearbeitung eines Werkstücks gerade nicht mehr (mit ausreichender Qualität) möglich ist. Vorliegend wurden die Werte Mi=7,5, M₂=15 und Ms=30 für die Laserbearbeitungsvorrichtung ermittelt bzw. festgelegt. Mit anderen Worten, in den weiter außen liegenden Bereichen kann mehr Verunreinigung akzeptiert werden als in weiter innen liegenden Bereichen, was allgemein als erfindungsgemäß bevorzugte Vorgabe angesehen werden kann und für viele Laserschneidprozesse passend ist.

Über die Formel

Vi=1-Gi/Mi kann eine verbleibende Verfügbarkeit des optischen Elements im jeweiligen Bereich, der dem Indexwert i zuzuordnen ist, ermittelt werden. Hierbei kann im Falle von Gi>Mi dann V=0 gesetzt werden. kann dabei auch als Prozentwert ausgedrückt werden.

Wie aus den Tabellen 1 , 2, 3 ersichtlich, führen die jeweils von ihrer Größe vergleichbaren Verunreinigungen der Situation von Fig. 3, 4 und 5 dazu, dass im Falle der Verunreinigung 7 im innersten Bereich von Fig. 4 dieser Bereich innerhalb von Di bereits fast erschöpft ist, mit einer verbleibenden Verfügbarkeit von nur noch Vi=0,049 oder 4,9%. Hingegen ist im Falle von Fig. 3 mit der Verunreinigung 7 im radial äußersten Bereich, zwischen D2 und D3, mit einer verbleibenden Verfügbarkeit V3=0,760 oder 76% dieser Bereich nur zu einem geringen Teil erschöpft. Im Falle von Fig. 5, mit der Verunreinigung 7 im mittleren Ringbereich zwischen Di und D2 liegt die verbleibende Verfügbarkeit V2 bei 0,533 oder 53,3%.

Die bereichsspezifischen Grade der Verschmutzung Gi oder auch die bereichsspezifischen verbleibenden Verfügbarkeiten stellen typische Information über eine ortsabhängige Verschmutzung (auch genannt ortsaufgelöste Verschmutzungsinformation) über das optische Element für die Erfindung dar.

Anhand der bereichsspezifischen, verbleibenden Verfügbarkeiten kann eine elektronische Steuereinrichtung abschätzen, ob die Laserbearbeitungsvorrichtung noch allgemein betriebsbereit ist. Für eine solche Überprüfung können beispielsweise Mindestwerte (hier auch genannt MINi) von verbleibenden Verfügbarkeiten für die einzelnen Bereiche vorgegeben sein. Eine einfache allgemeine Betriebsbereitschaftsüberprüfung könnte beispielsweise vorsehen, dass in jedem Bereich wenigstens 10% verbleibende Verfügbarkeit zur Verfügung stehen muss, bevor ein nächster Prozess an einem Werkstück begonnen wird (also MINi>10% für alle i, i=1 bis N). Für höhere Qualitätsanforderungen können auch höhere Mindestwerte MINi, zB wenigstens 50%, vorgesehen sein.

Bevorzugt ist für die Erfindung vorgesehen, dass einzelnen avisierten Prozessen der Werkstückbearbeitung spezifische Mindestwerte von verbleibenden Verfügbarkeiten für eine Prozessabarbeitung zugeordnet sind (auch genannt MIN(p)i, mit p: Prozessindikator, und i: Index der Einzelmessungen bzw. der vermessenen Durchmesser). Diese einzelnen spezifischen Mindestwerte MIN(p)i von verbleibenden Verfügbarkeiten beinhalten dann eine Information über die im avisierten Prozess (vorgegeben durch p) einzusetzenden Durchmesser des Laserstrahls. Eine elektronische Steuereinrichtung kann dann anhand eines Vergleichs der verbleibenden Verfügbarkeiten mit den spezifischen Mindestwerden MIN(p)i beurteilen, ob ein bestimmter avisierter Prozess (entsprechend p) noch gestartet werden darf oder nicht. Ein Start ist möglich, wenn MIN(p)i>V für alle i.

Ein avisierter Prozess mit p=X, der beispielsweise nur Laserstrahlen mit Durchmessern von D2 oder kleiner (in einem „Zentralbereich“) einsetzt, gibt beispielsweise MIN(X)i=25% und MIN(X)₂=25% und MIN(X)₃=0% vor; die Verfügbarkeit im dritten Bereich von D₂ bis D3 ist für diesen Prozess gleichgültig, da dieser Prozess X keine Laserleistung im Bereich größer D₂ (in einem „radialen Randbereich“) einsetzt und beträgt daher „null“. Wenn in diesem Beispiel für die Laserbearbeitungsvorrichtung zuletzt verbleibende Verfügbarkeiten von beispielsweise Vi=77% und V₂=88% und VB=0% experimentell bestimmt wurden, dann kann dieser Prozess X problemlos zugelassen werden, obwohl im dritten Bereich von D₂ bis D3 (im „radialen Randbereich“) das optische Element völlig verschmutzt ist, ersichtlich an V3=0%.

In analoger Weise kann die elektronische Steuereinrichtung aus für eine anstehende Bearbeitungsaufgabe geeigneten Prozessen der Werkstückbearbeitung auswählen, deren jeweilige Sätze von Mindestwerten MIN(p)i von den wie oben dargestellt experimentell bestimmten, verbleibenden Verfügbarkeiten erfüllt sind. Für die anstehende Bearbeitungsaufgabe an sich geeignete Prozesse, deren jeweilige Sätze von Mindestwerten MIN(p)i von den verbleibenden Verfügbarkeinen nicht mehr erfüllt werden, werden gesperrt, solange das optische Element nicht gereinigt oder ausgetauscht wurde. Die Laserbearbeitungsvorrichtung bleibt für die Werkstückbearbeitung verfügbar, soweit noch ein oder mehrere Prozesse verbleiben, deren Sätze von Mindestwerden MIN(p)i von den derzeit verbleibebenden Verfügbarkeiten V noch erfüllt werden. In der Regel ist letzteres der Fall, wenn festgestellte relevante Verschmutzungen im Wesentlichen nur den radialen Randbereich des optischen Elements, nicht aber den Zentralbereich betreffen. Dann kann ein am Ort des optischen Elements (radial) enger Laserstrahl noch gut eingesetzt werden.

Um eine noch genauere Abschätzung der Verunreinigungsgrade der einzelnen Bereiche zu ermöglichen, kann eine Biaskorrektur vorgenommen werden. Die Fig. 6 zeigt dafür beispielhaft im schematischen Querschnitt das optische Element 4, das ohne Verunreinigungen in drei Einzelmessungen i=1 , 2, 3 mit Laserstrahldurchmessern Di , D2, D3 (am Ort des optischen Elements) vom Sensor für Streulicht vermessen wird. Dabei werden Grundsignalstärken Bi erhalten, vgl. dazu die Einträge in der Tabelle 4. Die jeweilige Grundsignalstärke kann beispielsweise auf Streuung an der Rauigkeit der verschmutzungsfreien Oberfläche des optischen Elements oder Streuung vor oder hinter dem optischen Element und ggf. Mehrfachstreuung basieren.

Diese Grundsignalstärken Bi können von den „rohen“ (direkt gemessenen, noch nicht Bias-bereinigten) Signalstärken des Sensors für Streulicht, in der Tabelle 4 Si^roh genannt, aus den Einzelmessungen der Verschmutzungsüberprüfung abgezogen werden. Beispielhaft wurden in Tabelle 4 die Signalstärken Si aus der Tabelle 3 als unbereinigte Signalstärken übernommen. Mit den solchermaßen bereinigten Signalstärken Si=Si^roh - Bi können dann die oben dargestellten Berechnungen mit verbesserter Genauigkeit erfolgen (nicht weiter ausgeführt).

Tabelle 4: Beispielhafte Biasbereinigung der Signalstärken Si

In dem hier gezeigten Beispiel sind die Grundsignalstärken im Vergleich zu den Signalstärken mit Streulicht aufgrund von Verunreinigungen recht gering, was auch in der Praxis ein häufig auftretender Fall ist; in diesem Fall bringt die Biasbereinigung nur eine geringe Veränderung bei der Berechnung der Vermutzungsgrade bzw. der ortsaufgelösten Verschmutzungsbestimmung. Falls jedoch verschmutzungsunabhängiges Streulicht (beispielsweise aufgrund von Oberflächenrauigkeit) eine merkliche Rolle spielt, kann durch die Biaskorrektur eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit der ortsaufgelösten Verschmutzungsbestimmung erfolgen.

Die Fig. 7a zeigt beispielhaft eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung 10 im Bereich eines Laserbearbeitungskopfes in einem schematischen Längsschnitt.

Aus einer Laserquelle 11 , beispielsweise das Ende einer Lichtleitfaser, die an einen Laseroszillator angeschlossen ist (nicht näher dargestellt), tritt der Laserstrahl 1 divergent aus. Mit den beiden Linsen 14 und 15 eines Kollimationssystems wird der Laserstrahl 1 kollim iert, wobei die Linse 14 eine Austrittspupille der Laserquelle 11 in einen Zwischenfokus 16 abbildet, und wobei der Zwischenfokus 16 vor der Linse 15 im Abstand ihrer Brennweite liegt. Sodann wird mit der Linse 3 der Laserstrahl 1 hier auf die Oberfläche eines Werkstücks 12 fokussiert. Der Laserstrahl 1 passiert dabei das optische Element 4, das hier als ein Schutzglas 5 ausgebildet ist. Auf das optische Element 4 ist ein optischer Sensor 6 gerichtet, der Streulicht vom optischen Element 4 registriert. Am Ort des optischen Elements 4 hat der Laserstrahl 1 in Fig. 7a einen Durchmesser Di für eine erste Einzelmessung. Um diesen Durchmesser für weitere Einzelmessungen des Streulichts des optischen Elements 4 zu verstellen, verfügt die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 über eine Verstelleinrichtung 13. Mit dieser Verstelleinrichtung 13 können der Ort der Linse 14 und der Ort der Linse 15 entlang der Strahlausbreitungsrichtung geändert werden. Der Sensor 6 und die Verstelleinrichtung 13 sind mit einer elektronischen Steuereinrichtung 17 verbunden, mit der die Einzelmessungen des Streulichts automatisiert durchgeführt werden können.

Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 ist hier eine Laserschneidvorrichtung, mit der Schnitte in das Werkstück 12 eingebracht werden können. Das Werkstück 12 kann beispielsweise ein Metallblech sein.

In der Fig. 7b wurde mit der Verstelleinrichtung (zur Vereinfachung nicht mehr näher dargestellt) die Linse 14 ein wenig von der Laserquelle 11 weg verfahren, und die Linse 15 wurde entsprechend den Abbildungserfordernissen ein wenig von der Linse 14 weg verfahren. Dadurch wurde der etwas größerer Durchmesser D2 am Ort des optischen Elements 4 erhalten.

In der Fig. 7c wurde mit der Verstelleinrichtung (zur Vereinfachung nicht mehr näher dargestellt) die Linse 14 noch ein wenig weiter von der Laserquelle 11 weg verfahren, und die Linse 15 wurde entsprechend den Abbildungserfordernissen noch ein wenig weiter von der Linse 14 weg verfahren. Dadurch wurde der noch größere Durchmesser D3 am Ort des optischen Elements 4 erhalten.

Die Figuren 8, 9 und 10 illustrieren typische optische Elemente und deren Positionen in einer Laserbearbeitungsvorrichtung 10, die im Rahmen der Erfindung auf Verunreinigungen untersucht werden können. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 entspricht weitgehend der in Fig. 7a gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung (siehe dort). In der Bauform der Fig. 8 überwacht der optische Sensor 6 ein Schutzglas 5 als optisches Element 4 auf Verunreinigungen und misst von dem Schutzglas 5 ausgehendes Streulicht bei verschiedenen Laserstrahldurchmessern. In der Bauform der Fig. 9 überwacht der Sensor 6 einen Strahlteiler 20 oder einen halbdurchlässigen Spiegel als optisches Element 4 auf Verunreinigungen. Der halbdurchlässige Spiegel kann beispielsweise für eine Prozessüberwachung vom Bearbeitungsort auf dem Werkstück ausgehende Wärmestrahlung auskoppeln, um diese zu analysieren.

In der Bauform von Fig. 10 ist das vom Sensor 6 überwachte optische Element 4 die Linse 3, mit der der Laserstrahl 1 auf das Werkstück (nicht dargestellt) fokussiert wird.

Bezugszeichenliste

1 Laserstrahl

2 Fokus

3 Linse (Fokussierlinse)

4 optisches Element

5 Schutzglas

6 optischer Sensor

7 (lokale) Verunreinigung

10 Laserbearbeitungsvorrichtung

11 Laserquelle

12 Werkstück

13 Verstelleinrichtung

14 Linse (der Kollimationssystem)

15 Linse (der Kollimationssystem)

16 Zwischenfokus

17 elektronische Steuereinrichtung

20 Strahlteiler/halbdurchlässiger Spiegel

D Durchmesser des Laserstrahls (allgemein)

Di, D2, D3 Durchmesser des Laserstrahls

OA optische Achse

S Signalstärke (allgemein)

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zur Überprüfung eines optischen Elements (4) einer Laserbearbeitungsvorrichtung (10) auf Verschmutzungen (7), wobei das optische Element (4) von einem Laserstrahl (1 ) passiert wird, insbesondere durchstrahlt wird, und mit einem optischen Sensor (6) von dem optischen Element (4) ausgehendes Streulicht vermessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass N Einzelmessungen durchgeführt werden, mit N>3, wobei während jeder Einzelmessung i das optische Element (4) von dem Laserstrahl (1 ) passiert wird, und mit dem optischen Sensor (6) von dem optischen Element (4) ausgehendes Streulicht vermessen wird, und eine Signalstärke Si am optischen Sensor (6) bestimmt wird, dass für die Einzelmessungen i unterschiedliche Durchmesser Di des Laserstrahls (1 ) am Ort des optischen Elements (4) eingestellt werden, und dass aus den Signalstärken Si der N Einzelmessungen eine Information über eine ortsabhängige Verschmutzung des optischen Elements (4) ermittelt wird, mit i=1 ... N und i: Messungsindex.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass aus Signalstärken Si, die von einem größeren Durchmesser Di zu kleineren Durchmesser Di hin zunehmen, auf einen erhöhten Grad der Verschmutzung des optischen Elements (4) innerhalb des kleineren Durchmessers Di geschlossen wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus Signalstärken Si, die von einem kleineren Durchmesser Di zu einem größeren Durchmesser Di hin zunehmen, auf einen erhöhten Grad der Verschmutzung des optischen Elements (4) außerhalb des kleineren Durchmessers Di geschlossen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalstärken Si ein Grad der Verschmutzung Gi des optischen Elements (4) innerhalb eines kleinsten Durchmessers Di und jeweilige Grade der Verschmutzung Gj des optischen Elements (4) im Bereich zwischen dem Durchmesser Dj und dem Durchmesser Dj-i bestimmt werden, mit j=2... N und j: Zählindex der verbliebenen größeren Durchmesser.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Grade der Verschmutzung Gi, Gj iterativ von einem kleinsten Durchmesser Di bis zu einem größten Durchmesser DN erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt 1 ) aus einer Signalstärke Si für einen kleinsten Durchmesser Di auf einen Grad der Verschmutzung Gi des optischen Elements (4) innerhalb des kleinsten Durchmessers Di geschlossen wird, und aus der Signalstärke Si ein erwarteter Signalbeitrag C2 im Signal S2 des nächstgrößeren Durchmessers D2 durch eine Verschmutzung (7) des optischen Elements (4) innerhalb des kleinsten Durchmessers Di bestimmt wird, und dass in weiteren Schritten j) aus einer jeweiligen korrigierten Signalstärke KSj=Sj - Cj für den Durchmesser Dj auf einen Grad der Verschmutzung Gj des optischen Elements (4) in einem Bereich zwischen dem Durchmesser Dj und dem Durchmesser Dj-1 geschlossen wird, und aus der Signalstärke Sj oder alternativ aus den Signalstärken Si bis Sj ein erwarteter Signalbeitrag Cj+1 im Signal Sj+1 des nächstgrößeren Durchmessers Dj+1 durch eine Verschmutzung (7) des optischen Elements (4) innerhalb des Durchmessers Dj bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalbeiträge Cj zumindest näherungsweise bestimmt werden gemäß

Cj=Sj-i*[Dj_i/Dj]²

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grade der Verschmutzung Gi bis GN zumindest näherungsweise bestimmt werden gemäß Gi=F*Si*[Di]² und Gj=F*KSj*[(Dj)² - (Dj-1)²], mit F: Proportionalitätskonstante.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Grade der Verschmutzung Gi, Gj in verbleibende Verfügbarkeiten Vi , Vj innerhalb des kleinsten Durchmessers Di für Vi oder innerhalb des Bereichs zwischen Dj und Dj-i für ein jeweiliges Vj umgerechnet werden, insbesondere wobei den Graden der Verschmutzung Gi, Gj jeweils Maximalwerte Mi, Mj zugeordnet sind, bei deren Erreichen die Laserbearbeitung gerade nicht mehr brauchbar wird und die verbleibenden Verfügbarkeiten Vi , Vj berechnet werden als

Vi=1 -Gi/Mi und

Vj=1-Gj/Mj, und insbesondere wobei die verbleibenden Verfügbarkeiten Vi , Vj an der Laserbearbeitungsvorrichtung (10) angezeigt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer weiteren Auswertung der Signalstärken Si die Signalstärken Si nach ihrer Vermessung um einen Bias bereinigt werden, indem von der jeweiligen Signalstärke Si eine Grundsignalstärke Bi abgezogen wird, die mit dem optischen Element (4) in einem verschmutzungsfreien Zustand mit dem entsprechenden Laserstrahl (1 ) mit dem Durchmesser Di erhalten wurde.

11 . Verfahren zum Betrieb einer Laserbearbeitungsvorrichtung (10), wobei eine Überprüfung eines optischen Elements (4) der Laserbearbeitungsvorrichtung (10) auf Verschmutzungen (7) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfung des optischen Elements (4) der Laserbearbeitungsvorrichtung (10) auf Verschmutzungen (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 erfolgt, dass anhand eines Ergebnisses der Überprüfung entschieden wird, ob ein avisierter Prozess der Laserbearbeitung eines Werkstücks (12) mit der Laserbearbeitungsvorrichtung (10) durchgeführt werden kann oder nicht durchgeführt werden kann, und dass bei der Entscheidung, ob der avisierte Prozess durchgeführt werden kann oder nicht, zumindest die ermittelte ortsabhängige Information über die Verschmutzung des optischen Elements (4) sowie eine Information über den oder die im Rahmen des avisierten Prozesses einzusetzenden Durchmesser (D) des Laserstrahls (1 ) am optischen Element (4) berücksichtigt werden.

12. Verfahren zum Betrieb einer Laserbearbeitungsvorrichtung (10), wobei eine Überprüfung eines optischen Elements (4) der Laserbearbeitungsvorrichtung (10) auf Verschmutzungen (7) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfung des optischen Elements (4) der Laserbearbeitungsvorrichtung (10) auf Verschmutzungen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 erfolgt, und dass in dem Fall, dass die ermittelte Information über die ortsabhängige Verschmutzung des optischen Elements (4) ergibt, dass relevante Verschmutzungen (7) lediglich in einem radialen Randbereich des optischen Elements (4), nicht aber in einem Zentralbereich des optischen Elements (4) vorliegen, die Laserbearbeitungsvorrichtung (10) betriebsbereit bleibt mit der Maßgabe, dass bis zu einer Reinigung oder einem Austausch des optischen Elements (4) nur noch Prozesse der Laserbearbeitung von Werkstücken (12) durchgeführt werden, in welchen der Durchmesser (D) des Laserstrahls (1 ) am optischen Element (4) innerhalb des Zentralbereichs bleibt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überprüfung des optischen Elements (4) der Laserbearbeitungsvorrichtung (10) auf Verschmutzungen (7) erfolgt:

- nach jeder Wartung oder Reparatur an einem Laserbearbeitungskopf der Laserbearbeitungsvorrichtung (10); und/oder

- jeweils nach einer vorgegebenen Betriebsdauer der Laserbearbeitungsvorrichtung (10); und/oder

- bei jedem Hochfahren der Laserbearbeitungsvorrichtung (10); und/oder - vor jedem Start eines neuen Prozesses der Laserbearbeitung (10) von

Werkstücken (10); und/oder

- bei manueller Auslösung.

14. Laserbearbeitungsvorrichtung (10), umfassend eine Laserquelle (11 ) zur Bereitstellung eines Laserstrahls (1 ), ein optisches Element (4), das von dem Laserstrahl (1 ) passiert wird, insbesondere durchstrahlt wird, eine Verstelleinrichtung (13) zur Verstellung eines Durchmessers (D) des Laserstrahls (1 ) am Ort eines optischen Elements (4), einen optischen Sensor (6) zur Vermessung von Streulicht, das von dem optischen Element (4) ausgeht, und eine elektronische Steuereinrichtung (17), dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, in einem automatisierten Ablauf ein Verfahren zur Überprüfung des optischen Elements (4) der Laserbearbeitungsvorrichtung (10) auf Verschmutzungen (7) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen, wobei die elektronische Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, für die N Einzelmessungen mit der Verstelleinrichtung (13) nacheinander verschiedene Durchmesser Di des Laserstrahls (1) am Ort des optischen Elements (4) einzustellen und mit dem jeweiligen Durchmesser Di eine zugehörige Signalstärke Si am optischen Sensor (6) zu bestimmen.

15. Laserbearbeitungsvorrichtung (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung (10) eine Laserschneidvorrichtung ist.