WO2015106775A1 - Verfahren zur überwachung und regelung der fokuslage eines bearbeitungslaserstrahls beim laserschneiden - Google Patents

Verfahren zur überwachung und regelung der fokuslage eines bearbeitungslaserstrahls beim laserschneiden Download PDF

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WO2015106775A1
WO2015106775A1 PCT/EP2014/003028 EP2014003028W WO2015106775A1 WO 2015106775 A1 WO2015106775 A1 WO 2015106775A1 EP 2014003028 W EP2014003028 W EP 2014003028W WO 2015106775 A1 WO2015106775 A1 WO 2015106775A1
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laser beam
cutting
focus position
workpiece
processing
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PCT/EP2014/003028
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Thomas Molitor
Arnold Gillner
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • 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 present invention relates to a method for monitoring the focus position of a machining laser beam during laser cutting of a workpiece
  • Focusing laser beam laser beam is focused on a surface of the workpiece and guided by movement of the workpiece and / or the processing laser beam over the surface.
  • the method can also be used to control the focus position of the machining laser beam during the machining process
  • the focus position of the processing laser beam relative to the surface of the workpiece to be machined provides a
  • a high-quality laser cut is characterized in particular by low roughness and a beard-free enamel discharge.
  • the optical system Due to the partial absorption of the processing laser radiation, the optical system has a power-dependent focal length. In addition to this u.a. Smoke, spatter or a defective coating increase the absorption of an optical element located in the beam path and thus also influence the effective focal length in the process.
  • the processing parameters can be chosen so that a sufficiently large variance is accepted. As a rule, however, the efficiency of the process is significantly reduced. For example. For this purpose, the cutting speed must be reduced, which at the expense of the productivity of the processing plant and possibly also at the expense of quality.
  • Diagnostic systems are available on the market that can measure the quality of a laser beam and determine the position of the focus relative to the focusing lens. However, such systems only allow diagnosis of the laser beam without a machining process. The above-mentioned problems during processing are not avoided.
  • a method for determining the focal position of a laser beam in which the laser beam with a light-emitting disk generated on a solid surface is recorded and evaluated with a camera. To determine the focus position, this measured light-emitting pane is then compared with a reference value.
  • DE 10 2008 058 422 A1 discloses a method and a device for monitoring a laser processing operation to be performed on a workpiece.
  • a cognitive laser material processing system is proposed, which by the use of
  • At least two current measured values are acquired during the laser processing operation with a sensor. From the measured values, at least two current characteristic values are determined which represent a current fingerprint in a characteristic value space. By providing a predetermined amount of points in the characteristic space and
  • the current state can be determined.
  • Processing laser beam can be determined relative to the workpiece surface.
  • the publication leaves open which parameters are actually determined and used for monitoring which process variables.
  • this document offers the expert no help for monitoring the focus position of a laser beam processing laser beam.
  • JP S62 183 990 A a method for monitoring the focus position of a processing laser beam during laser cutting of a workpiece is known in which a gap width of a cutting gap is detected by means of a camera and this is compared with a reference value.
  • the object of the present invention is to provide a method and an apparatus for
  • the task is with the method and the
  • Laser cutting a workpiece the laser beam machining laser beam for laser cutting in a known manner focused on a surface of the workpiece and moved by movement of the workpiece and / or the processing laser beam over the surface along the desired cutting line.
  • this laser processing with at least one imaging camera caused by the laser cutting optical
  • the instantaneous focus position of the processing laser beam relative to the surface is then in each case from a momentary extent of the
  • Process emission and a current distance of a location of maximum process emission to the top cutting front vertex determined.
  • the uppermost cutting front vertex is to be understood here as the foremost point of the cutting front on the workpiece surface in the direction of movement, which also has the greatest distance from the location of the maximum process emission.
  • Process emission is the location in the image recorded with the camera that is generated within the camera
  • Kerf has the maximum intensity in the image. With a larger range of process emission at maximum intensity, the center of this range becomes maximum below the location of the maximum process emission Process emission understood. The determination of the highest cutting front vertex and the maximum
  • Process emission may be accomplished by a suitable image processing program operating, for example, based on pattern recognition or detecting the topmost cutting front vertex via corresponding intensity gradients in the image and detecting the location of maximum process emission based on the high intensity values.
  • image processing programs are known to the person skilled in the art. Under the optical process emission is in the proposed method by the
  • Processing of the workpiece from the processing location and the immediate vicinity of the processing site emitted radiation understood, extending from the UV over the
  • the back-reflected or backscattered processing laser radiation is not part of the process emission and is about
  • filters are filtered out in front of the camera so that they can not outshine the process emission.
  • Exemplary filters are edge filters or bandpass filters used in front of the camera.
  • top cutting front vertex can be closed to the current focus position of the machining laser beam relative to the workpiece surface. It can thus be determined whether a negative focus position, a positive focus position or the focus position is zero. With a negative focal position, the focus is in the beam propagation direction behind or below the workpiece surface, with a positive focus position in front of or above the workpiece surface and with focus position zero exactly at the workpiece surface.
  • the process is preferably detected coaxially or almost coaxially with the processing laser beam.
  • the Device thus make it possible to easily detect or monitor the focus position during the laser cutting process.
  • the cutting process need not be interrupted for this purpose.
  • the arithmetic and time required for the determination of the focus position is low by simple comparisons of the correspondingly determined variables with predetermined limits.
  • the method and the device also make it possible to regulate the focus position on the basis of the respectively currently determined focus position via a corresponding control loop.
  • the determined instantaneous focal position is compared with a desired value and the
  • the focus can be in a simple way, for example. Via a shift of
  • the current extent of the process emission is in the proposed method and the associated Device preferably by determining the area of this process emission or by determining the
  • determining the extent of the process emission for example, a contiguous region around the location of the maximum process emission in the image is determined in which the image brightness or intensity is greater than or equal to half (or also another predefinable fraction) of the maximum intensity of the process emission in the picture corresponds. This area is then measured accordingly.
  • the determination of the focus position is preferably carried out such that the two measured values, i. the extent F of the process emission and the distance r of the location of maximum process emission to the uppermost cutting front vertex are aligned with a reference curve, as shown, for example, in FIG. 4.
  • the method and apparatus also allow the determination of a focus shift during the
  • the proposed apparatus for laser cutting a workpiece with a processing laser beam has a laser beam source for generating the processing laser beam, a beam guiding system, with which the processing laser beam can be guided over a processing plane or the workpiece, a focusing unit for focusing the processing laser beam in the processing plane and a control device with which at least the beam guidance system for the guidance of the machining laser beam can be controlled via the working plane.
  • the device further comprises an imaging camera with which an optical process emission caused by the laser processing and a cutting front progressing in the workpiece can be detected spatially resolved in one or more images, and an evaluation device, the current focal position of the processing laser beam relative to the processing level or workpiece surface each from the
  • the method and the associated device can be used for the laser cutting of workpieces, in particular sheets. Particularly suitable are the method and the device for the so-called. Melt cutting, in particular of metallic
  • FIG. 4 shows a schematic graph of the course of the area parameter F for the distance r of the dominant process emission to the upper cutting front vertex and the associated absolute focal positions z F.
  • FIG. 1 shows a highly schematic representation of a laser cutting device according to the present invention.
  • the figure shows a metal sheet 1 with a surface 2, which with a laser beam 8 of the device along a running in this example perpendicular to the plane of representation kerf
  • the device has a laser beam source 3, whose laser beam 8 is focused into the sheet metal 1 via a collimating or focusing optics, here consisting of the two lens systems 4, 5.
  • the focus 9 is in FIG. 1
  • Adjusting unit displaceable in the arrow direction in order to adjust the focus position relative to the surface 2 of the metal sheet 1 can.
  • the laser beam 8 is in this example via a beam splitter 6 on the
  • the processing area on the surface 2 is detected by a camera 7.
  • the camera 7, for example a CCD or CMOS camera, is visible in this example Spectral range sensitive.
  • a laser beam source 3 can, for example. In the infrared spectral range
  • a filter not shown in the figure is arranged for this purpose, which either the entire infrared
  • Adjustment of the focus position so controls that a difference between the current focus position and a predetermined target focus position is minimized.
  • such a device can also be constructed differently than in the figure 1, as long as it allows a laser cutting process and the
  • Cutting front during the cutting process according to the proposed method is made possible.
  • another beam guidance of the laser beam and the process radiation emitted by the processing area to the camera can also be selected. Also more
  • Components can be arranged on such a device, for example, further sensors or even one or more nozzles, for example.
  • FIG. 2 schematically illustrates the different focal positions which are involved in the laser cutting of a
  • Workpiece 1 can occur.
  • the cutting direction or the course of the kerf 10 extends as well as in Figure 1 perpendicular to the plane of representation.
  • a) an example of a negative focal position is shown, in which the focus 9 lies below the surface 2 of the workpiece 1. This leads to a larger expansion of the laser beam 8 on the surface 2 of the workpiece 1 and thus
  • Focus is shown in the partial image b), in which the focus 9 lies exactly on the surface 2 of the workpiece 1.
  • the focus 9 lies in the beam propagation direction in front of or above the workpiece 1.
  • a wider kerf 10 forms than in the zero focus position.
  • Focus position and zero position of the focus differ.
  • the dominant process emission 12 arises on the surface 2 due to the highest intensity of the machining laser radiation below the surface 2 of the workpiece 1, ie the upper edge of the sheet metal, and an associated larger beam diameter Machining direction behind or overlapping with the cutting front 13, as shown in part of Figure a) of Figure 3 schematically in plan view of the processing area or the surface 2 of the workpiece. 1
  • the machining direction i. the
  • Example are the dominant process emission 12 and the cutting front 13 superimposed.
  • images of the processing location are recorded with the camera 7 during the laser cutting, as they can approximately correspond to the representations of FIG. 3 in the different focal positions.
  • the area parameter F eg.
  • Scope or area the dominant process Emission 12 and distance r between the location of maximum process emission and the top cutting front vertex 14 (see Figure 3a).
  • the comparison of the determined measured values with a reference curve makes it possible to assign the absolute focus position.
  • the reference curve of FIG. 4 shows the course of the area parameter F as a function of the distance r of the dominant process emission to the upper cutting front vertex, starting from the zero position in the direction of positive focus position and negative focus position.
  • Exemplary absolute focus positions z F are also indicated in the figure.
  • Such a reference curve can be determined by previous measurements for the respective
  • This determination of the focal position also makes it possible to track the temporal change in the focus position
  • the focus shift can be compared to a corresponding reference value.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und ggf. Regelung der Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls beim Laserschneiden eines Werkstücks. Bei dem Verfahren werden während der Laserbearbeitung mit mindestens einer bildgebenden Kamera (7) eine durch die Laserbearbeitung hervorgerufene optische Prozessemission (12) sowie eine im Werkstück (1) voranschreitende Schneidfront (13) in einem oder mehreren Bildern ortsaufgelöst erfasst. Die momentane Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls (8) relativ zur Oberfläche (2) des Werkstücks (1) wird dann jeweils aus einer momentanen Ausdehnung der Prozessemission (12) und einem momentanen Abstand eines Ortes maximaler Prozessemission zum obersten Schneidfrontscheitelpunkt (14) in dem einen oder den mehreren Bildern ermittelt. Mit dem Verfahren lässt sich die Fokuslage während des Laserschneidprozesses auf einfache Weise überwachen und auch regeln, um damit ein qualitativ hochwertiges Schneidergebnis zu erhalten.

Description

Verfahren zur Überwachung und Regelung der Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls beim Laserschneiden
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls beim Laserschneiden eines Werkstücks,
insbesondere beim Schmelzschneiden, bei dem der
Bearbeitungslaserstrahl zum Laserschneiden auf eine Oberfläche des Werkstücks fokussiert und durch Bewegung des Werkstücks und/oder des Bearbeitungslaserstrahls über die Oberfläche geführt wird. Das Verfahren lässt sich auch zur Regelung der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls während des Bearbeitungsprozesses
einsetzen .
Bei vielen Laserbearbeitungsprozessen stellt die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls relativ zur Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks eine
sensitive Prozessgröße für ein hochwertiges
Bearbeitungsresultat dar. Unter der Fokuslage (zF) wird hierbei der Abstand des Fokus zur Oberfläche des
Werkstücks verstanden. Ein qualitativ hochwertiger Laserschnitt zeichnet sich insbesondere durch niedrige Rauheit und einen möglichst bartfreien Schmelzaustrieb aus. Durch eine schlecht justierte oder auch während des Bearbeitungsprozesses variierende Fokuslage kann neben der Verschlechterung der Rauheit oder einsetzende Bartbildung auch bspw. eine Verrundung der Schnittkante eintreten. Bei einer zu starken Abweichung der Fokus- läge von der Soll-Fokusläge tritt schließlich der
Abbruch des Prozesses ein.
Eine statische Fokuslage während des Bearbeitungs- prozesses ist häufig nicht garantiert. Das optische System besitzt aufgrund der teilweisen Absorption der Bearbeitungslaserstrahlung eine leistungsabhängige Brennweite. Neben dieser können u.a. Rauch, Spritzer oder eine defekte Beschichtung die Absorption eines im Strahlengang befindlichen optischen Elementes erhöhen und damit ebenfalls die effektive Brennweite im Prozess beeinflussen. Für ein prozesssicheres Verfahren können die Bearbeitungsparameter so gewählt werden, dass eine ausreichend große Varianz akzeptiert wird. In der Regel wird dabei jedoch die Effizienz des Prozesses deutlich reduziert. Bspw. muss hierzu die Schneidgeschwindigkeit verringert werden, was zu Lasten der Produktivität der Bearbeitungsanlage und unter Umständen auch zu Lasten der Qualität geht.
Stand der Technik
Auf dem Markt sind Diagnosesysteme verfügbar, die die Qualität eines Laserstrahls vermessen und die Lage des Fokus relativ zur Fokussierlinse bestimmen können. Derartige Systeme ermöglichen jedoch nur eine Diagnose des Laserstrahls ohne Bearbeitungsprozess . Die oben geschilderten Probleme während der Bearbeitung werden dadurch nicht vermieden.
So ist bspw. aus der DE 103 29 744 AI ein
Verfahren zur Bestimmung der Fokuslage eines Laserstrahls bekannt, bei dem die mit dem Laserstrahl auf einer Festkörperoberfläche erzeugte Leuchtscheibe mit einer Kamera aufgenommen und ausgewertet wird. Zur Bestimmung der Fokuslage wird dann diese gemessene Leuchtscheibe mit einem Referenzwert verglichen. Das beschriebene Verfahren lässt sich jedoch nicht während des Bearbeitungsprozesses einsetzen und erfordert somit eine wiederholte Unterbrechung des Prozesses, um die Fokuslage zu überwachen. Die DE 10 2008 058 422 AI offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs. Hierbei wird ein kognitives Lasermaterialbearbeitungs - System vorgeschlagen, das durch den Einsatz von
Maschinenlernen und selbstlernender Algorithmen
kognitive Fähigkeiten besitzt. Bei dem Verfahren werden mindestens zwei aktuelle Messwerte während des Laserbearbeitungsvorgangs mit einem Sensor erfasst. Aus den Messwerten werden mindestens zwei aktuelle Kennwerte ermittelt, die einen aktuellen Fingerabdruck in einem Kennwertraum darstellen. Durch Bereitstellen einer vorbestimmten Punktmenge in dem Kennwertraum und
Klassifizieren des Laserbearbeitungsvorgangs durch Erfassen der Lage des aktuellen Fingerabdrucks relativ zur vorbestimmten Punktmenge im Kennwertraum kann der momentane Zustand bestimmt werden. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung soll auch die Fokuslage des
Bearbeitungslaserstrahls relativ zur Werkstückoberfläche ermittelt werden können. Die Druckschrift lässt jedoch offen, welche Kennwerte überhaupt ermittelt und für die Überwachung welcher Prozessgrößen genutzt werden. Somit bietet diese Druckschrift dem Fachmann keinerlei Hilfe für die Überwachung der Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls beim Laserschneiden.
Aus der JP S62 183 990 A ist ein Verfahren zur Überwachung der Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls beim Laserschneiden eines Werkstücks bekannt, bei dem mittels einer Kamera eine Spaltbreite eines Schnittspaltes erfasst und diese mit einem Referenzwert verglichen wird.
In der DE 10 2012 001 609 B3 ist ein Verfahren zur Überwachung der Fokuslage eines Bearbeitungsstrahls beim Laserschneiden eines Werkstücks offenbart, bei dem ein Maß für die Änderung der Fokuslage anhand eines Verstellweges einer Abbildungsoptik, der zum Scharfstellen eines Kamerabildes erforderlich ist, ermittelt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Überwachung sowie ggf. Regelung oder Einstellung der Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls beim
Laserschneiden anzugeben, die insbesondere die
Erzeugung eines qualitativ hochwertigen Laserschnitts ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der
Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patent- ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden
Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Überwachung der Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls beim
Laserschneiden eines Werkstücks wird der Bearbeitungs - laserstrahl zum Laserschneiden in bekannter Weise auf eine Oberfläche des Werkstücks fokussiert und durch Bewegung des Werkstücks und/oder des Bearbeitungslaser- Strahls über die Oberfläche entlang der gewünschten Schnittlinie bewegt. Während dieser Laserbearbeitung werden mit mindestens einer bildgebenden Kamera eine durch das Laserschneiden hervorgerufene optische
Prozessemission sowie eine im Werkstück voran- schreitende Schneidfront in einem oder mehreren Bildern ortsaufgelöst erfasst . Die momentane Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls relativ zur Oberfläche wird dann jeweils aus einer momentanen Ausdehnung der
Prozessemission und einem momentanen Abstand eines Ortes maximaler Prozessemission zum obersten Schneidfrontscheitelpunkt ermittelt.
Unter dem obersten Schneidfrontscheitelpunkt ist hierbei der in Bewegungsrichtung vorderste Punkt der Schneidfront auf der Werkstückoberfläche zu verstehen, der auch den größten Abstand zum Ort der maximalen Prozessemission aufweist . Der Ort der maximalen
Prozessemission ist der Ort in dem mit der Kamera aufgezeichneten Bild, der innerhalb der erzeugten
Schnittfuge die maximale Intensität im Bild aufweist. Bei einem größeren Bereich der Prozessemission mit maximaler Intensität wird unter dem Ort der maximalen Prozessemission das Zentrum dieses Bereiches maximaler Prozessemission verstanden. Die Bestimmung des obersten Schneidfrontscheitelpunktes sowie der maximalen
Prozessemission kann durch ein geeignetes Bildverarbeitungsprogramm erfolgen, das bspw. auf Basis von Mustererkennung arbeitet oder den obersten Schneidfrontscheitelpunkt über entsprechende Intensitätsgradienten im Bild detektiert und den Ort maximaler Prozessemission auf Basis der hohen Intensitätswerte erkennt. Derartige Bildverarbeitungsprogramme sind dem Fachmann bekannt. Unter der optischen Prozessemission wird beim vorgeschlagenen Verfahren die durch die
Bearbeitung des Werkstücks vom Bearbeitungsort und der unmittelbaren Umgebung des Bearbeitungsortes emittierte Strahlung verstanden, die sich vom UV- über den
sichtbaren bis in den infraroten Wellenlängenbereich erstrecken kann. Mit der Kamera wird dabei in der Regel nur ein Teilbereich des emittierten Wellenlängenbereiches der Prozessemission erfasst. Die rückreflektierte oder rückgestreute Bearbeitungslaserstrahlung gehört nicht zur Prozessemission und wird über
geeignete Filter vor der Kamera ausgefiltert, damit sie die Prozessemission nicht überstrahlen kann. Beispielhafte Filter sind Kantenfilter oder Bandpassfilter, die vor der Kamera eingesetzt werden.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der
zugehörigen Vorrichtung wurde erkannt, dass über die momentane Ausdehnung der Prozessemission und den
Abstand des Ortes maximaler Prozessemission zum
obersten Schneidfrontscheitelpunkt auf die momentane Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls relativ zur Werkstückoberfläche geschlossen werden kann. Es kann damit bestimmt werden, ob eine negative Fokuslage, eine positive Fokuslage oder die Fokuslage Null vorliegt. Bei negativer Fokuslage befindet sich der Fokus in Strahlausbreitungsrichtung hinter bzw. unterhalb der Werkstückoberfläche, bei positiver Fokuslage vor bzw. oberhalb der Werkstückoberfläche und bei Fokuslage Null genau an der Werkstückoberfläche. Der Prozess wird dabei vorzugsweise koaxial oder nahezu koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl erfasst. Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige
Vorrichtung ermöglichen damit in einfacher Weise die Erfassung bzw. Überwachung der Fokuslage während des Laserschneidprozesses. Der Schneidprozess muss hierzu nicht unterbrochen werden. Auch der rechnerische und zeitliche Aufwand für die Bestimmung der Fokuslage ist durch einfache Vergleiche der entsprechend bestimmten Größen mit vorgegebenen Grenzwerten gering. Das
Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen dabei auch die Regelung der Fokuslage auf Basis der jeweils momentan ermittelten Fokuslage über einen entsprechenden Regelkreis. Hierzu wird die ermittelte momentane Fokuslage mit einem Sollwert verglichen und die
Fokussierung automatisiert so angepasst, dass der
Unterschied zwischen momentaner Fokuslage und Soll- Fokuslage minimiert wird. Die Fokussierung kann dabei in einfacher Art bspw. über eine Verschiebung der
Fokussierlinse mit einem geeigneten Aktor angepasst werden. Für die Anpassung der Fokussierung stehen auch noch andere Möglichkeiten zur Verfügung, bspw. durch Nutzung adaptiver Spiegel.
Die momentane Ausdehnung der Prozessemission wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung vorzugsweise durch Bestimmung der Fläche dieser Prozessemission oder durch Bestimmung des
Umfangs dieser Prozessemission in dem oder den Bildern ermittelt. Prinzipiell könnte die Bestimmung der
Ausdehnung auch nur auf Basis der Breite der Prozessemission erfolgen. Für die Bestimmung der Ausdehnung der Prozessemission wird bspw. ein zusammenhängender Bereich um den Ort der maximalen Prozessemission im Bild bestimmt, in dem die Bildhelligkeit bzw. Intensi- tät größer oder gleich der Hälfte (oder auch einem anderen vorgebbaren Bruchteil) der maximalen Intensität der Prozessemission im Bild entspricht. Dieser Bereich wird dann entsprechend vermessen. Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung der Fokuslage derart, dass die beiden Messwerte, d.h. die Ausdehnung F der Prozessemission und der Abstand r des Ortes maximaler Prozessemission zum obersten Schneidfront - Scheitelpunkt, mit einer Referenzkurve abgeglichen werden, wie sie bspw. in Figur 4 dargestellt ist.
Hiermit lässt sich aus den beiden Messwerten direkt die aktuelle Fokuslage ablesen.
Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen auch die Bestimmung einer Fokusverschiebung während des
Schneidprozesses. Hierzu werden lediglich die jeweils ermittelten momentanen Fokuslagen in zeitlicher Abfolge aufgezeichnet und ausgewertet. Eine hieraus bestimmte Fokusverschiebung kann dann mit einem Referenzwert verglichen werden, um eine Verschmutzung und/oder thermische Degradation von optischen Elementen zu bestimmen, die zur Fokussierung des Bearbeitungslaserstrahls eingesetzt werden. Eine Überschreitung eines derartigen Referenzwertes deutet dann auf eine
Verschlechterung der optischen Komponenten hin.
Prinzipiell kann hierzu auch nur eine einzelne Messung für die Bestimmung der Fokuslage durchgeführt und mit einem Referenzwert verglichen werden.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zum Laserschneiden eines Werkstücks mit einem Bearbeitungslaserstrahl weist entsprechend eine Laserstrahlquelle zur Erzeugung des Bearbeitungslaserstrahls, ein Strahlführungssystem, mit dem der Bearbeitungslaserstrahl über eine Bearbeitungsebene bzw. das Werkstück geführt werden kann, eine Fokussiereinheit zur Fokussierung des Bearbeitungslaserstrahls in die Bearbeitungsebene sowie eine Steuereinrichtung auf, mit der zumindest das Strahl - führungssystem für die Führung des Bearbeitungslaserstrahls über die Bearbeitungsebene gesteuert werden kann. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine bildgebende Kamera, mit der eine durch die Laserbearbeitung hervorgerufene optische Prozessemission sowie eine im Werkstück voranschreitende Schneidfront ortsaufgelöst in einem oder mehreren Bildern erfassbar sind, sowie eine Auswerteeinrichtung, die die momentane Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls relativ zur Bearbeitungs- ebene bzw. Werkstückoberfläche jeweils aus der
momentanen Ausdehnung der Prozessemission und dem momentanen Abstand eines Ortes maximaler Prozessemission zum obersten Schneidfrontscheitelpunkt in dem einen oder den mehreren Bildern ermittelt. Die bild- gebende Kamera ist dabei vorzugsweise so angeordnet, dass sie die Prozessemission koaxial oder nahezu koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl erfasst . Weiterhin umfasst die Vorrichtung auch vorzugsweise eine Verstelleinheit für eine Veränderung der Fokuslage der Fokussiereinheit und eine Steuer- /Regelungseinheit , die die Fokuslage auf Basis der jeweils ermittelten
momentanen Fokuslage durch Ansteuerung der Verstell- einheit für die Fokussiereinheit auf einen Sollwert regelt. Die Steuer- /Regelungseinheit muss dabei
selbstverständlich sowohl mit der Auswerteeinrichtung als auch mit der Verstelleinheit für die Fokussiereinheit verbunden sein.
Das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung lassen sich für das Laserschneiden von Werkstücken, insbesondere von Blechen, einsetzen. Besonders geeignet sind das Verfahren und die Vorrichtung für das sog. Schmelzschneiden, insbesondere von metallischen
Materialien.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig 1 eine stark schematisierte Darstellung
einer Vorrichtung zum Laserschneiden gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig 2 eine schematisierte Darstellung zur
Veranschaulichung der unterschiedlichen Fokuslagen beim Laserschneiden; Fig. 3 eine schematische Darstellung der mit der Kamera beim vorgeschlagenen Verfahren erfassbaren relativen Lagen und Größen von Schneidfront und Prozessemission; und
Fig. 4: einen schematischen Graphen zum Verlauf des Flächenparameters F zur Entfernung r der dominanten Prozessemission zum oberen Schneidfrontscheitelpunkt und die hierzu gehörigen absoluten Fokuslagen zF.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt in stark schematisierter Darstellung eine Vorrichtung zum Laserschneiden gemäß der vor- liegenden Erfindung. Die Figur zeigt ein Metallblech 1 mit einer Oberfläche 2, das mit einem Laserstrahl 8 der Vorrichtung entlang einer in diesem Beispiel senkrecht zur Darstellungsebene verlaufenden Schnittfuge
geschnitten werden soll. Die Vorrichtung weist eine Laserstrahlquelle 3 auf, deren Laserstrahl 8 über eine Kollimations- bzw. Fokussieroptik, hier bestehend aus den beiden Linsensystemen 4, 5 in das Metallblech 1 fokussiert wird. Der Fokus 9 ist in der Figur 1
angedeutet. Das zweite Linsensystem 5 der Fokussier- optik ist hierbei über eine nicht dargestellte
Verstelleinheit in Pfeilrichtung verschiebbar, um die Fokuslage relativ zur Oberfläche 2 des Metallblechs 1 einstellen zu können. Der Laserstrahl 8 wird in diesem Beispiel über einen Strahlteiler 6 auf die
Bearbeitungsachse umgelenkt. Gleichzeitig wird der Bearbeitungsbereich auf der Oberfläche 2 mit einer Kamera 7 erfasst. Die Kamera 7, bspw. eine CCD- oder CMOS-Kamera, ist in diesem Beispiel im sichtbaren Spektralbereich empfindlich. Als Laserstrahlquelle 3 kann bspw. ein im infraroten Spektralbereich
emittierender Laser eingesetzt werden. Vor der Kamera 7 ist hierzu ein in der Figur nicht dargestellter Filter angeordnet, der entweder den gesamten infraroten
Spektralbereich blockiert oder als Bandpassfilter ausgebildet ist und mindestens den Bereich der
Laserwellenlänge ausfiltert. Die Kamera 7 ist mit einer Auswerteeinrichtung 15 verbunden, die die Ermittlung der momentanen Fokuslage während des Bearbeitungsprozesses gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren übernimmt. Die Auswerteeinrichtung 15 ist wiederum mit einer Steuer- /Regelungseinrichtung 16 verbunden, die auf Basis der von der Auswerteeinrichtung 15 ermittelten momentanen Fokuslage die
VerStelleinrichtung der Fokuslage so ansteuert, dass ein Unterschied zwischen momentaner Fokuslage und einer vorgegebenen Soll-Fokuslage minimiert ist.
Selbstverständlich kann eine derartige Vorrichtung auch anders als in der Figur 1 aufgebaut sein, solange damit ein Laserschneidprozess ermöglicht und die
Erfassung und Auswertung der Prozessemission und
Schneidfront während des Schneidprozesses gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren ermöglicht wird. Insbesondere kann auch eine andere Strahlführung des Laserstrahls und der vom Bearbeitungsbereich emittierten Prozessstrahlung zur Kamera gewählt werden. Auch weitere
Komponenten können an einer derartigen Vorrichtung angeordnet sein, bspw. weitere Sensoren oder auch eine oder mehrere Düsen, bspw. für die Zuführung eines Schneidgases zum Austreiben der Schmelze aus der
Schneidfuge .
Figur 2 stellt die unterschiedlichen Fokuslagen schematisiert dar, die beim Laserschneiden eines
Werkstücks 1 auftreten können. Die Schnittrichtung bzw. der Verlauf der Schnittfuge 10 erstreckt sich dabei ebenso wie in Figur 1 senkrecht zur Darstellungsebene. In der Teilabbildung a) ist ein Beispiel für eine negative Fokuslage dargestellt, bei der der Fokus 9 unterhalb der Oberfläche 2 des Werkstücks 1 liegt. Dies führt zu einer größeren Ausdehnung des Laserstrahls 8 an der Oberfläche 2 des Werkstücks 1 und damit
insgesamt zu einer Verbreiterung der Schnittfuge 10 gegenüber der Nulllage des Fokus. Diese Nulllage des
Fokus ist in der Teilabbildung b) dargestellt, bei der der Fokus 9 genau an der Oberfläche 2 des Werkstücks 1 liegt. Bei positiver Fokuslage, wie sie in Teilabbildung c) zu erkennen ist, liegt der Fokus 9 in Strahl- ausbreitungsrichtung vor bzw. oberhalb des Werkstücks 1. Auch hier bildet sich eine breitere Schnittfuge 10 aus als bei Fokuslage Null.
Beim vorgeschlagenen Verfahren wird nun
ausgenutzt, dass sich die Prozessemission und die Lage dieser Prozessemission zum obersten Schneidfrontscheitelpunkt bei positiver Fokuslage, negativer
Fokuslage und Nulllage des Fokus unterscheiden. Bei negativer Fokuslage stellt sich aufgrund der höchsten Intensität der Bearbeitungslaserstrahlung unterhalb der Oberfläche 2 des Werkstücks 1, d.h. der Blechoberkante, und einem damit verbundenen größeren Strahldurchmesser an der Oberfläche 2 die dominante Prozessemission 12 in Bearbeitungsrichtung hinter oder überlappend mit der Schneidfront 13 ein, wie dies in Teilabbildung a) der Figur 3 schematisch in Draufsicht auf den Bearbeitungs- bereich bzw. die Oberfläche 2 des Werkstücks 1
angedeutet ist. Die Bearbeitungsrichtung, d.h. die
Bewegungsrichtung des Laserstrahls beim Laserschneiden, ist hierbei mit dem Pfeil angedeutet. Die damit
erzeugte Breite der in dieser Figur dargestellten
Schnittfugenoberkante 10 ist größer als die optimale bzw. Soll-Fugenbreite. In der Figur ist auch die
Schnittfugenunterkante 11 gestrichelt angedeutet.
Bei Fokuslage Null ergibt sich ein Bild des
Bearbeitungsbereiches in Draufsicht, wie es in der Figur 3b) schematisch angedeutet ist. In diesem
Beispiel sind die dominante Prozessemission 12 und die Schneidfront 13 überlagert.
Auch bei positiver Fokuslage sind die Schneidfront 13 und die dominante Prozessemission 12 überlagert, wie dies in der Teilabbildung c) der Figur 3 dargestellt ist. Im Unterschied zur Fokuslage Null ist die Prozessemission 12 jedoch deutlich ausgedehnter, die erzeugte Fugenbreite 10 ist größer als bei Fokuslage Null der Figur 3b) .
Zur Bestimmung der momentanen Fokuslage werden mit der Kamera 7 während des Laserschneidens jeweils Bilder des Bearbeitungsortes aufgezeichnet, wie sie in den unterschiedlichen Fokuslagen in etwa den Darstellungen der Figur 3 entsprechen können. Zur Bestimmung der Fokusläge wird dann der Flächenparameter F, bspw.
Umfang oder Flächeninhalt, der dominanten Prozess- emission 12 und Abstand r zwischen dem Ort maximaler Prozessemission und dem obersten Schneidfrontscheitelpunkt 14 (vgl. Figur 3a) bestimmt. Der Abgleich der bestimmten Messwerte mit einer Referenzkurve, wie sie in Figur 4 beispielhaft dargestellt ist, ermöglicht die Zuordnung der absoluten Fokuslage. Die Referenzkurve der Figur 4 zeigt hierbei den Verlauf des Flächenparameters F in Abhängigkeit von der Entfernung r der dominanten Prozessemission zum oberen Schneidfront- Scheitelpunkt ausgehend von der Nulllage in Richtung positiver Fokuslage und negativer Fokuslage. Beispielhafte absolute Fokuslagen zF sind in der Figur ebenfalls angedeutet. Eine derartige Referenzkurve kann durch vorangehende Messungen für die jeweilige
Kombination aus Werkstücktyp und Bearbeitungslaser bzw. Bearbeitungsparametern ermittelt werden.
Diese Bestimmung der Fokuslage ermöglicht auch die Verfolgung der zeitlichen Änderung der Fokuslage
(Fokusshift) während des Schneidprozesses. Es kann sowohl der absolute Shift gegenüber dem thermischen Gleichgewicht als auch das zeitliche Verhalten des Fokusshift über die Dauer des Schneidprozesses
detektiert werden. Zur Überwachung des optischen
Systems auf Abnutzung oder Verschleiß kann der Fokusshift mit einem entsprechenden Referenzwert verglichen werden .
Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert . Bezugszeichenliste
1 Metallblech bzw. Werkstück
2 Oberfläche des Metallblechs
3 Laserstrahlquelle
4 Linsensystem der Kollimationsoptik
5 Linsensystem der Fokussieroptik
6 Strahlteiler
7 Kamera
8 Bearbeitungslaserstrahl
9 Fokus
10 Schnittfuge/Schnittfugenoberkante
11 Schnittfugenunterkante
12 dominante Prozessemission
13 Schneidfront
14 oberster SchneidfrontScheitelpunkt
15 Auswerteeinrichtung
16 Steuer- /Regelungseinheit

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Überwachung der Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls beim Laserschneiden eines Werkstücks, insbesondere beim Schmelzschneiden, bei dem
- der Bearbeitungslaserstrahl (8) zum Laserschneiden auf eine Oberfläche (2) des Werkstücks (1) fokussiert und durch Bewegung des Werkstücks (1) und/oder des Bearbeitungslaserstrahls (8) über die Oberfläche (2) geführt wird,
- während des Laserschneidens mit mindestens einer bildgebenden Kamera (7) eine durch das Laserschneiden hervorgerufene optische Prozessemission (12) sowie eine im Werkstück (1) voranschreitende Schneidfront (13) in einem oder mehreren Bildern ortsaufgelöst erfasst werden, und
- die momentane Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls (8) relativ zur Oberfläche (2) jeweils aus einer momentanen Ausdehnung der Prozessemission (12) und einem momentanen Abstand eines Ortes maximaler Prozessemission zum obersten Schneidfrontscheitelpunkt (14) in dem einen oder den mehreren Bildern ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erfassung koaxial oder nahezu koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl (8) erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die momentane Ausdehnung der Prozessemission (12) aus einer momentanen Fläche oder einem
momentanen Umfang der Prozessemission (12) in dem einen oder den mehreren Bildern ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls (8) während des Laserschneidens mit Hilfe der jeweils ermittelten momentanen Fokuslage auf einen Soll- Wert geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus den jeweils ermittelten momentanen
Fokuslagen eine Fokusverschiebung während des
Laserschneidens bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Fokusverschiebung mit einem Referenzwert verglichen wird, um eine Verschlechterung optischer Elemente zu bestimmen, die zur Strahlführung und/oder Strahlformung des Bearbeitungslaserstrahls (8) eingesetzt werden.
Vorrichtung zum Laserschneiden eines Werkstücks mit einem Bearbeitungslaserstrahl, die wenigstens folgende Komponenten aufweist:
- eine Laserstrahlquelle (3) zur Erzeugung des Bearbeitungslaserstrahls (8), - ein Strahlführungssystem, mit dem der
Bearbeitungslaserstrahl (8) über eine
Bearbeitungsebene geführt werden kann,
- eine Fokussiereinheit (4, 5) zur Fokussierung des Bearbeitungslaserstrahls (8) in die Bearbeitungsebene ,
- eine Steuereinrichtung, mit der zumindest das Strahlführungssystem für die Führung des
Bearbeitungslaserstrahls (8) über die
Bearbeitungsebene gesteuert werden kann,
- eine bildgebende Kamera (7) , mit der eine durch das Laserschneiden hervorgerufene optische Prozessemission (12) sowie eine im Werkstück (1) voranschreitende Schneidfront (13) in einem oder
mehreren Bildern ortsaufgelöst erfassbar sind, und
- eine Auswerteeinrichtung (15), die eine momentane Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls (8) relativ zur Bearbeitungsebene jeweils aus einer momentanen Ausdehnung der Prozessemission (12) und einem momentanen Abstand eines Ortes maximaler Prozessemission zum obersten Schneidfrontscheitelpunkt (14) in dem einen oder den mehreren Bildern
ermittelt .
Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die bildgebende Kamera (7) so angeordnet ist, dass sie die Prozessemission (12) koaxial oder nahezu koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl (8) erfasst .
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinheit (4, 5) für eine
Veränderung der Fokuslage verstellbar ausgebildet ist und eine Regelungseinheit (16) mit der
Auswerteeinrichtung (15) verbunden ist, die die Fokuslage auf Basis der jeweils ermittelten
momentanen Fokuslage durch Ansteuerung der
Fokussiereinheit (4, 5) auf einen Soll-Wert regelt.
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