WO2019011775A1 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR MESSUNG UND REGELUNG EINES ABSTANDS ZWISCHEN BEARBEITUNGSKOPF UND Werkstück - Google Patents

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR MESSUNG UND REGELUNG EINES ABSTANDS ZWISCHEN BEARBEITUNGSKOPF UND Werkstück Download PDF

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Markus Kogel-Hollacher
Matthias STREBEL
Axel HATWIG
Andreas Rudolf
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Precitec Gmbh & Co. Kg
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    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/0209—Low-coherence interferometers

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for distance or focal position measurement and control of a machining head or laser beam during laser processing, in particular during cutting, welding, drilling or ablation by means of laser beams.
  • the standard technical solution for distance measurement and / or control e.g. In laser cutting, the use of a capacitive measurement, that is, the measurement of the capacitance between an insulated copper nozzle and a metallic work piece surface. Any contamination of the copper tip, such as Splashes, changes the surface of the copper nozzle and thus the capacity of the capacitor formed by copper nozzle and workpiece. Since this change is independent of distance, the control loop is disturbed to distance control, resulting in an inaccurate control of the distance between the machining head and workpiece. Non-metallic surfaces can not be reliably detected by capacitive methods, and thus precise spacing control is not possible with this technology.
  • DE 38 26 634 A1 relates to a tactile sensor which is arranged concentrically to a nozzle body and preferably forms a capacitance with this. Axial displacement of the tactile sensor is achieved by a special disc-like spring arrangement. tion allows. A distance control is thus possible even with non-metallic materials.
  • the US 3,970.91 1 A shows an apparatus for controlling the distance between a burner and a workpiece of an automatic firing-cutting machine.
  • the distance between the cutting torch and the workpiece varies the oscillation frequency of an electrical control circuit.
  • This frequency is converted by a discriminator into DC signals which are used to correct the deviations and to hold the torch at a substantially constant distance from the workpiece.
  • the bandwidth of the discriminator is widened, for example, by attenuating or discharging a discriminator tuning circuit.
  • a field effect transistor is suitable for use as a damping resistor, and a capacitor diode unit may be used to turn off the tuning circuit.
  • the control voltage is tapped at the output of an amplifier, which is connected to the discriminator, and fed to a variable resistor or capacitor.
  • a control voltage for changing the frequency range is obtained here from the analog signal component of the controller output.
  • a capacitive measuring system for measuring the height of a laser head over a plastic workpiece comprises a laser head nozzle, which forms a first plate of a capacitor, the dielectric portion of which
  • Plastic workpiece a capacitance-responsive high-frequency oscillator operably coupled to the capacitor and providing an output signal, and a high-order bypass filter for processing the output signal of the oscillator to measure changes in capacitance of the capacitor.
  • DE 100 56 329 B4 describes an optical Abstandsmess method and a distance sensor for controlling the distance of a machining head of a workpiece machining system of the surface of a workpiece to be machined.
  • a measurement object is imaged on a surface and the image of the measurement object on the surface is mapped to a receiving arrangement in which the incident image subjected to the measurement object corresponding spatial filtering.
  • the location filtered luminous flux is detected for at least two wavelength ranges to provide luminous flux measurement signals which are compared with the wavelength ranges associated desired values corresponding to a predetermined target position of the surface by an output distance corresponding to the desired position produce.
  • DE 10 2014 203 645 A1 relates to a method for optically determining a distance between an opening formed on a device and a reference surface, comprising the following steps: illuminating the reference surface through the opening by means of an illuminating beam passing through the opening at an angle, Picking up at least one image of the reference surface through the aperture, and determining the distance from an offset between a region of the reference surface illuminated by the illumination beam and an edge contour of the aperture in the at least one captured image
  • a device for measuring the depth of a weld in real time during welding or joining a workpiece by means of laser radiation is known.
  • light is coupled from a measuring light source from a beam splitter into a reference arm and into a measuring arm.
  • a measuring light beam of the measuring arm is coupled into the beam path of a machining beam and focused by a focusing lens together with the machining beam onto a workpiece.
  • the measurement light reflected back from the workpiece passes through the working beam path to an evaluation unit in which the measurement light reflected back from the workpiece is superimposed with the reflected light from the reference arm in order to determine the depth of a weld seam with the aid of the path differences between measuring and reference arm.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a method for measuring the distance at a machining head, in particular a laser processing head, which allows a highly dynamic and accurate adjustment of the distance between the workpiece and machining head regardless of the material of the workpiece and the process conditions. Another object is to provide an apparatus for carrying out the method.
  • a measuring light source for measuring and adjusting a distance between a machining head, in particular a laser machining head and a workpiece
  • light is split from a measuring light source into a measuring light beam and a reference light beam, which is coupled into a reference arm.
  • the measuring light beam is coupled into a machining beam path and focused onto a workpiece surface by a focusing lens of the machining beam path, and the measuring light beam reflected on the workpiece surface is superimposed on the back-reflected reference light beam from the reference arm.
  • a measuring and evaluation unit evaluates the information contained in the superimposed measuring and reference light beams on the path difference between measuring and Referenzami to obtain information about the distance between the machining head and workpiece and to generate a corresponding distance or control signal.
  • the measuring principle used here is the optical short-coherence interferometry for distance measurement.
  • the optical measuring beam is guided through the machining head, eg a laser cutting head, so that the distance between machining head and workpiece is detected directly in the region of the interaction zone between the machining beam, eg working laser beam, ie in the area of the so-called TCP (Tool Center Point).
  • TCP Tool Center Point
  • the distance measurement can also be used for focusing position adjustment, with a corresponding optics of the machining beam path being displaced by means of the actuators incorporated in the machining head, that is to say the actuators moving the optics in the direction of their optical axis, so that the working focus is relative to the position required for machining to the workpiece surface occupies.
  • thermal lens effects do not affect the measurement process.
  • the field of application of the method according to the invention extends beyond processing processes in which a capacitive distance control due to the process emissions does not work up to processes for processing materials which are not or can not be reliably detected by a capacitive sensor system, such as e.g. Plastics, fiber reinforced plastics and the like.
  • the measurement light beam is coupled with respect to the optical axis of the processing beam path in an inclined or parallel offset manner into the processing beam path, so that the measurement light beam is focused on the workpiece surface in addition to the processing beam.
  • the measuring light beam into at least two sub-beams, preferably into at least three sub-beams, which are coupled with respect to the optical axis of the processing beam path in an inclined or parallel offset manner into the processing beam path, so that the sub-beams are offset relative to one another and also offset relative to the processing beam onto the workpiece surface become.
  • Another development of the invention is characterized in that the measurement light beam coaxial with the processing beam so in an interaction zone between processing beam and workpiece is bundled, that a Meßlichtfleck on the workpiece surface has a diameter which is greater than the focus of the processing beam on the workpiece surface.
  • the use of the method according to the invention also makes it possible to use materials other than copper for the nozzle tip of the machining head. In addition to the required for the isolation of the conductive nozzle tip in capacitive distance measuring ceramic application can be omitted.
  • the measurement light beam is focused substantially coaxially to a processing beam in an interaction zone between the processing beam and the workpiece, wherein a measuring light focus on the workpiece surface has a diameter of about 10 ⁇ to 70 ⁇ , preferably from about 40 ⁇ to 60 ⁇ in particular about 50 ⁇ has.
  • the method according to the invention can be carried out advantageously with a device for measuring and setting a distance between a machining head, in particular a laser machining head and a workpiece, which has a measuring light source.
  • a beam splitter that splits light from the measuring light source into a measuring light beam and a reference light beam, a reference arm through which the reference light beam passes, an optical system for coupling the measuring light beam into a processing beam path including a focusing lens for focusing light onto a workpiece surface, and an optical device for superimposing the reflected on a workpiece surface measuring light beam with the back-reflected reference light beam from the reference arm.
  • a measuring and evaluation unit is provided, which is designed to evaluate information contained in the superimposed measuring and reference light beams on the path difference between the measuring and reference arm to obtain information about the distance between the machining head and workpiece and a corresponding distance or To generate actuating signal.
  • the measuring and evaluation unit is also designed to compare a determined distance from the actual signal with a desired distance signal to obtain a control signal, and the control signal of a control circuit adapted to cause the machining head to be displaced in the direction of a machining beam so as to reduce the difference between the desired and actual distances.
  • the beam splitter has a fiber coupler, which forms the optical device for superimposing the measurement light beam with the reference light beam.
  • an optical deflection unit is arranged in front of the optical system for coupling the measurement light beam in the processing beam path so that the measurement light beam can be coupled into the processing beam path in an inclined manner relative to the optical axis of the processing beam path in order to focus the measurement light beam next to the processing beam onto the workpiece surface.
  • the deflection unit which can preferably be designed as a scanner
  • the measuring light spot on the workpiece surface can always be positioned in front of or next to the working laser beam, so that the measuring light always impinges on the workpiece surface.
  • the optical deflection unit can be designed to divide the measurement light beam into at least two partial measurement light beams.
  • Figure 1 is a schematic representation of a processing apparatus for carrying out the method according to the invention for distance measurement and control
  • Figure 2 is a schematic representation of a laser processing head with an optical system for coupling a measuring light beam
  • Figure 3 is a perspective view of a laser processing head with connected measuring and evaluation and control circuit
  • FIG. 4 a shows a schematic representation of a laser processing head according to FIG. 2 with another optical system for coupling in a measuring light beam;
  • FIG. 4b shows an enlarged schematic representation of the exit region of the machining beam and partial measurement light beams in FIG. 4a.
  • FIG. 1 shows a laser processing head 10 with connected optical sensor system 12 for determining the distance between the laser processing head 10 and a workpiece 14. The determination or measurement of the distance based on the principle of optical coherence tomography (short-coherence interferometry), with the aid of an interferometer the The coherence properties of light.
  • a measuring and evaluation unit 16 contains a broadband light source (superluminescent diode, SLD, swept source light sources (spectrally tunable light sources) or the like), which couples the measuring light into an optical waveguide 18.
  • SLD superluminescent diode
  • swept source light sources spectrally tunable light sources
  • the measuring light is split into a reference arm 22 and a measuring arm 24, which comprises an optical waveguide 26 and a beam path 27 of the measuring light in the laser processing head 10.
  • the measuring light emerging from the optical waveguide 26 (measuring light beam 28) is collimated by a collimator optics 30 so that it can be coaxially or almost coaxially superimposed on a processing beam 32 in the laser processing head 10.
  • the superimposition takes place by means of an optical system for coupling the measuring light, which is indicated only schematically in FIG. 1 as a partially transmissive, in particular dichroic deflecting mirror 34, to which the measuring light from the collimator optics 30 either directly (FIG.
  • the processing beam 32 and measurement light beam 28 are focused onto the workpiece surface by a common lens 38, referred to hereafter as the focusing lens.
  • the measuring light beam 28 impinges on the surface thereof in the region of the interaction zone between the machining beam 32 and the workpiece 14.
  • Focus position and focus diameter of the measuring light beam 28 are adjusted so that the measuring light in the area of the processing point 40 (TCP, Tool Center Point) is directed to the workpiece surface.
  • an optical deflection unit eg a scanner 31 can be arranged in the measuring light beam 27, for example behind the collimator 30, the local modulation of Measuring point, ie in particular its location on the workpiece surface allows.
  • the scanner 31 which is indicated in Figure 2 as a wedge plate or prism that can be rotated in a manner not shown about the optical axis of the measuring light beam 27 or the collimator 30 or pivoted about an axis perpendicular thereto causes the optical axis of the measuring light beam path 27 relative to the optical axis of the processing beam 32 can be inclined and thus that the measuring light beam 28 adjacent to the processing beam 32, so incident on the workpiece surface next to the TCP 40.
  • the optical waveguide 26 and the collimator optics 30 couple the measuring light beam 28 parallel to the optical axis of the machining beam 32 into the machining beam path in order to move the laser beam to achieve the same effect, so as to achieve that the measuring light beam 28 incident on the workpiece surface next to the processing beam 32, so in addition to the TCP 40.
  • the optical deflection unit can then be omitted.
  • the measuring light beam 28 is divided into at least two partial beams, preferably at least three partial beams, each with respect to the optical axis the machining beam path inclined or parallel offset in the processing beam path are coupled.
  • the partial beams are arranged so that they are offset from one another and also offset to be focused on the workpiece surface. They can be distributed circumferentially as desired or evenly around the processing beam 32 around.
  • the offset of the partial beams with each other and with respect to the machining beam 32 can be freely selected, as well as its circumferential distribution, in accordance with the requirements of the machining process.
  • a roof-shaped double wedge plate 33 is arranged behind the collimator 30 of the measuring light beam path as a deflection unit for forming a plurality of partial measuring beams, dividing the measuring light beam 28 into two partial measuring light beams 28 'and 28 ", which are coupled into the machining beam path at an angle and - as shown in Figure 4b - are focused by the focusing lens 38 in each adjacent to the TCP 40 measuring light spots 29 'and 29 ".
  • V-shaped double-wedge plates and pyramid-shaped or funnel-shaped three, four or more wedge plates it is also possible to use V-shaped double-wedge plates and pyramid-shaped or funnel-shaped three, four or more wedge plates.
  • the measuring light spot or focus on the workpiece surface has a
  • Diameter of about 10 ⁇ to 70 ⁇ preferably from about 40 ⁇ to 60 ⁇ , in particular about 50 ⁇ on.
  • a diameter of the measuring light focus of approximately 18 ⁇ m is obtained.
  • the measurement light spot diameter on the workpiece surface can be changed by the measurement light beam 28 striking the TCP 40 on the workpiece 14 slightly defocused.
  • a defocusing of the measurement light beam 28 is achieved, for example, by changing the arrangement of the optical components of the collimator optics 30.
  • a displacement of the collimator optics 30 or a lens of the collimator optics 30 along the optical axis of the measuring light beam path causes the measuring light beam 28 to be no longer fully collimated and slightly out of focus after passing through the common focusing lens 38 and thus having a larger measuring spot diameter on the workpiece surface than the collimator optic 30 Focus of the processing beam 38 in the TCP 40.
  • the deflection unit behind the collimator 30 can be omitted.
  • the reflected back from the workpiece surface measuring light is imaged by the focusing lens 38 and the collimator 30 on the exit / entrance surface of the optical waveguide 26, superimposed in the fiber coupler 20 with the reflected light from the reference arm 22 and then directed back into the measuring and evaluation unit 16.
  • the superimposed light contains information about the path length difference between the reference arm 22 and the measuring manometer 24. This information is stored in the measuring and evaluating device. 16 evaluated unit, whereby information about the distance between the workpiece 14 and laser processing head 10 are obtained.
  • the measurement of the distance between the machining head 10 and workpiece surface is calibrated. Subsequently, the distance of the processing head from the workpiece surface can be measured in order to then either track the position of the laser focus or to set the distance to a desired distance before starting the processing. Depending on the type of machining process, this can be done with or without on-line control.
  • the measuring and evaluation unit 16 generates from the distance information an actuating or control signal proportional to a manipulated variable, which via a control axis of a processing machine, for. B.
  • a robot adjusts the distance between the workpiece 14 and laser processing head 10 and preferably constantly controls.
  • the laser processing head 10 held, for example, on a hand 42 of a robot is moved in the processing laser beam direction (z direction) as indicated by the double arrow 44.
  • control or regulating signal from the measuring and evaluation unit 16 is fed via a connecting line 46 to a control circuit 48, which controls the setting axis of the processing machine in a manner not shown in detail for spacing adjustment.
  • the principle also works with other adjusting axes, e.g. with axes installed in the laser processing head 10 and with the feed axes of a processing machine.
  • a measuring range in the direction of the processing laser beam (z-direction) between about 15 mm and 5 mm can be set, with a broad emission spectrum a shorter Measuring range results in a narrow emission spectrum.
  • the wavelength of the light source thereby influences the focusability of the measuring light, with shorter wavelengths resulting in better focusability.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung, Einstellung und/oder Regelung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf, insbesondere Laserbearbeitungskopf (10) und einem Werkstück (14), mit einer Messlichtquelle, einem Strahlteiler (20), der Licht von der Messlichtquelle in einen Messlichtstrahl (28) und einen Referenzlichtstrahl aufspaltet, einem Referenzarm (22), durch den der Referenzlichtstrahl läuft, einem optischen System zum Einkoppeln des Messlichtstrahls (28) in einen Bearbeitungsstrahlengang, der eine Fokussierlinse (38) zum Fokussieren von Licht auf eine Werkstückoberfläche umfasst, einer optischen Vorrichtung zur Überlagerung des an einer Werkstückoberfläche reflektierten Messlichtstrahls (28) mit dem zurückreflektierten Referenzlichtstrahl aus dem Referenzarm (22), und einer Messund Auswerteeinheit (16), die dazu ausgelegt ist, in den überlagerten Mess- und Referenzlichtstrahlen enthaltene Information über den Wegunterschied zwischen Mess- und Referenzarm auszuwerten, um Information über den Abstand zwischen Bearbeitungskopf (10) und Werkstück (14) zu erhalten und ein entsprechendes Abstands- oder Stellsignal zu erzeugen. Vor und/oder während der Bearbeitung eines Werkstücks (14) wird das Abstands- oder Stellsignal als Steuer- oder Regelsignal einer Steuerschaltung (48) zugeführt, die veranlasst, dass der Bearbeitungskopf (10) in Richtung eines Bearbeitungsstrahls (32) so verschoben wird, dass der Soll-Abstand zwischen Bearbeitungskopf (10) und Werkstück (14) vor der Bearbeitung eingestellt bzw. die Differenz zwischen Soll- und Ist-Abstand während der Bearbeitung verkleinert wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Regelung eines Abstands zwischen
Bearbeitungskopf und Werkstück
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abstands- bzw. Fokuslagenmessung und -regelung eines Bearbeitungskopfes bzw. Laserstrahls bei der La- serbearbeitung, insbesondere beim Schneiden, Schweißen, Bohren oder Abtragen mittels Laserstrahlen.
Die standardmäßige technische Lösung zur Abstandsmessung und/oder Regelung z.B. beim Laserschneiden ist die Verwendung einer kapazitiven Messung, also der Messung der Kapazität zwischen einer isolierten Kupferdüse und einer metallischen Werk- Stückoberfläche. Jegliche Kontamination der Kupferspitze, wie z.B. Spritzer, ändert die Oberfläche der Kupferdüse und damit die Kapazität des von Kupferdüse und Werkstück gebildeten Kondensators. Da diese Änderung abstandsunabhängig erfolgt, wird der Regelkreis zu Abstandsregelung gestört, was zu einer ungenauen Regelung des Abstands zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück führt. Nicht metallischeOberflächen sind mit kapazitiven Verfahren praktisch nicht zuverlässig zu erfassen und damit ist mit dieser Technik keine präzise Abstandregelung möglich.
Beim Laserschweißen werden üblicher Weise kamerabasierte Triangulationssensoren zur Abstandregelung eingesetzt. Bei hohem Spritzeraufkommen während des Schweißprozesses sind auch die kamerabasierten Triangulationssensoren an der Grenze der Einsetzbarkeit. Jegliche Partikel, die im Bildfeld sind (ob noch glühend und damit leuchtend oder schon erkaltet, z.B. Spritzer, Schweißrauch oder Metalldampf) stören die Bildverarbeitung und damit die Genauigkeit und Einsatzfähigkeit eines derartigen kamerabasierten Messverfahrens. Die DE 38 26 634 AI betrifft einen taktilen Sensor, der konzentrisch zu einem Düsenkörper angeordnet ist und vorzugsweise mit diesem eine Kapazität bildet. Axiale Verlagerung des taktilen Sensors wird durch eine spezielle, scheibenartige Federanord- nung ermöglicht. Eine Abstandsregelung ist somit auch bei nicht metallischen Werkstoffen möglich.
Die US 3,970,91 1 A zeigt eine Vorrichtung zur Regelung des Abstands zwischen einem Brenner und einem Werkstück einer automatischen Brenn-Schneidmaschine. Hier variiert der Abstand zwischen dem Schneidbrenner und dem Werkstück die Schwingfrequenz eines elektrischen Regelkreises. Diese Frequenz wird durch einen Diskrimi- nator in Gleichstromsignale umgewandelt, die zur Korrektur der Abweichungen und zum Halten des Brenners in einem im Wesentlichen konstanten Abstand vom Werkstück verwendet werden. Wenn sich der Brenner von dem Werkstück wegbewegt, wird die Bandbreite des Diskriminators erweitert, beispielsweise durch Dämpfen oder Entladen einer Diskriminator-Abstimmschaltung. Ein Feldeffekttransistor eignet sich zur Verwendung als Dämpfungswiderstand, und eine Kondensator-Dioden-Einheit kann verwendet werden, um die Abstimmschaltung abzuschalten. Die Steuerspannung wird dabei am Ausgang eines Verstärkers abgegriffen, der mit dem Diskriminator verbun- den ist, und einem variablen Widerstand oder Kondensator zugeführt. Eine Steuerspannung zum Ändern des Frequenzbereichs wird hier von der analogen Signalkomponente des Reglerausgangs erhalten.
Gemäß der DE 20 2014 101 212 Ul umfasst ein kapazitives Messsystem zum Messen der Höhe eines Laserkopfes über einem Kunststoffwerkstück eine Laserkopf-Düse, die eine erste Platte eines Kondensators bildet, dessen dielektrischer Abschnitt vom
Kunststoffwerkstück gebildet wird, einen auf Kapazitätsänderungen ansprechenden Hochfrequenzoszillator, der mit dem Kondensator betriebsfähig gekoppelt ist und ein Ausgangssignal liefert, und ein Bypass-Filter hoher Ordnung zum Verarbeiten des Ausgangssignals des Oszillators, um Änderungen der Kapazität des Kondensators zu messen.
Die DE 100 56 329 B4 beschreibt ein optisches Ab standsmess verfahren und einen Abstandssensor zur Regelung des Abstandes eines Bearbeitungskopfes einer Werkstückbearbeitungsanlage von der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks. Dabei wird ein Messobjekt auf eine Oberfläche abgebildet und das Bild des Messobjektes auf der Oberfläche wird auf eine Empfangs anordnung abgebildet, in der das einfallende Bild einer dem Messobjekt entsprechenden Ortsfilterung unterzogen wird. Der ortsgefilterte Lichtstrom wird für zumindest zwei Wellenlängenbereiche erfasst, um Lichtstrom- Messsignale zu liefern, die mit den Wellenlängenbereichen zugeordneten Soll-Werten verglichen werden, die einer vorgegebenen Soll-Lage der Oberfläche entsprechen, um ein dem Abstand von der Soll-Lage entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen.
Die DE 10 2014 203 645 AI betrifft ein Verfahren zum optischen Bestimmen eines Abstandes zwischen einer an einer Vorrichtung gebildeten Öffnung und einer Referenzfläche, mit folgenden Schritten: Beleuchten der Referenzfläche durch die Öffnung hindurch mittels eines Beleuchtungsstrahls, der unter einem Winkel durch die Öffnung hindurchtritt, Aufnehmen mindestens eines Bildes der Referenzfläche durch die Öffnung hindurch, sowie Bestimmen des Abstandes anhand eines Versatzes zwischen einem von dem Beleuchtungsstrahl beleuchteten Bereich der Referenzfläche und einer Randkontur der Öffnung in dem mindestens einen aufgenommenen Bild
Aus der WO 2016/062636 AI ist eine Vorrichtung zur Messung der Tiefe einer Schweißnaht in Echtzeit beim Schweißen oder Fügen eines Werkstücks mittels Laserstrahlung bekannt. Hier wird Licht von einer Messlichtquelle von einem Strahlteiler in einen Referenzarm und in einen Messarm eingekoppelt. Ein Messlichtstrahl des Messarms wird in den Strahlengang eines Bearbeitungsstrahls eingekoppelt und von einer Fokussierlinse gemeinsamen mit dem Bearbeitungsstrahls auf ein Werkstück fokus- siert. Das vom Werkstück zurückreflektierte Messlicht läuft durch den Arbeitsstrahlengang zu einer Auswerteeinheit, in der das vom Werkstück zurückreflektierte Messlicht mit dem zurückreflektierten Licht aus dem Referenzarm überlagert wird, um mit Hilfe der Wegunterschiede von Mess- und Referenzarm die Tiefe einer Schweißnaht zu ermitteln. Alle bekannten Verfahren zur Abstands- oder Fokuslagenmessung und/oder -regelung haben die Eigenschaft, dass eine Messung über eine mehr oder weniger große Sensor- und Werkstückoberfläche erfolgt. Ist die WTerkstückoberfläche gekrümmt, geneigt oder die Sensorfläche verschmutzt, wenn auch nur partiell, dann liefert die Sensorik keine zuverlässigen Ergebnisse mehr. Bei der kapazitiven Abstandsmessung hat die Sensorik große Probleme, wenn der Sensor nicht vollständig der Werkstückoberfläche gegenüber liegt, wie z.B. an Bauteilkanten. Hier funktioniert das kapazitive Abstandsmess- und Regelverfahren nur bedingt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abstandsmessung bei einem Bearbeitungskopf, insbesondere einem Laserbearbeitungskopf zu schaffen, das unabhängig vom Material des Werkstücks und von den Prozessbedingungen eine hochdynamische und genaue Einstellung des Abstands zwischen Werkstück und Bearbeitungskopf ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 bzw. die Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Erfmdungsgemäß wird also zur Messung und Einstellung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf, insbesondere Laserbearbeitungskopf und einem Werkstück, Licht von einer Messlichtquelle in einen Messlichtstrahl und einen Referenzlichtstrahl auf- gespalten, der in einen Referenzarm eingekoppelt wird. Der Messlichtstrahl wird in einen Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt und von einer Fokussierlinse des Bearbeitungsstrahlengangs auf eine Werkstückoberfiäche fokussiert, und der an der Werk- stückoberfläche reflektierte Messlichtstrahl wird dem zurückreflektierten Referenzlichtstrahl aus dem Referenzarm überlagert. Eine Mess- und Auswerteeinheit wertet dann die in den überlagerten Mess- und Referenzlichtstrahlen enthaltene Information über den Wegunterschied zwischen Mess- und Referenzami aus, um Information über den Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück zu erhalten und ein entsprechendes Abstands- oder Stellsignal zu erzeugen.
Das hier zum Einsatz gebrachte Messprinzip ist die optische Kurzkohärenz Interfero- metrie zur Abstandsmessung. Dabei wird der optischen Messstrahl durch den Bearbeitungskopf, z.B. einen Laserschneidkopf geführt, so dass der Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück unmittelbar im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Bearbeitungsstrahl, z.B. Arbeitslaserstrahl, also im Bereich des sogenannten TCP (Tool Center Point) erfasst wird. Auf der Basis eines so ermittelten Messsignals ist es möglich, den Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück hochdynamisch zu regeln, in dem eine Achse der Bearbeitungsmaschine entsprechend angesteuert wird. Die Abstandsmessung lässt sich auch zur Fokuslageneinstellung nutzen, wobei eine entsprechende Optik des Bearbeitungsstrahlengangs mit Hilfe der im Bearbei- tungskopf verbauten Aktorik, also der die Optik in Richtung ihrer optischen Achse bewegenden Stellglieder so verschoben wird, dass der Arbeitsfokus die für die Bearbeitung erforderliche Lage relativ zur Werkstückoberfläche einnimmt. Zudem beeinflussen thermische Linseneffekte das Messverfahren nicht.
Der Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens erstreckt sich über Bearbei- tungsprozesse, bei denen eine kapazitive Abstandregelung aufgrund der Prozessemissionen nicht funktioniert bis hin zu Prozessen zum Bearbeiten von Materialien, die mit einer kapazitiven Sensorik nicht oder nicht zuverlässig erfassbar sind, wie z.B. Kunststoffe, faserverstärkte Kunststoffe und dergleichen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Mess- lichtstrahl gegenüber der optischen Achse des Bearbeitungsstrahlengangs geneigt oder parallel versetzt in den Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt wird, so dass der Messlichtstrahl neben dem Bearbeitungsstrahl auf die Werkstückoberfläche fokussiert wird.
Ferner ist es möglich den Messlichtstrahl in zumindest zwei Teilstrahlen, vorzugsweise in zumindest drei Teilstrahlen aufzuteilen, die gegenüber der optischen Achse des Bearbeitungsstrahlengangs geneigt oder parallel versetzt in den Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt werden, so dass die Teilstrahlen versetzt zueinander und auch versetzt zum Bearbeitungsstrahl auf die Werkstückoberfläche fokussiert werden.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Messlichtstrahl koaxial zu dem Bearbeitungsstrahl so in eine Wechselwirkungszone zwi- sehen Bearbeitungsstrahl und Werkstück gebündelt wird, dass ein Messlichtfleck auf der Werkstückoberfläche einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Fokus des Bearbeitungsstrahls auf der Werkstückoberfläche. Durch den Versatz des oder der Messlichtflecke gegenüber dem TCP auf der Werkstückoberfläche bzw. durch Vergrößerung des Messlichtflecks infolge einer Defokus- sierung des Messlichtstrahls kann sicher gestellt werden, dass zumindest ein Anteil des Messlichts unabhängig von der Vorschub- oder Schneidrichtung des Bearbeitungskop- fes immer auf die Werkstückoberfläche trifft und somit der Abstand des Bearbeitungskopfes vom Werkstück stets präzise gemessen werden kann.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht es auch für die Düsenspitze des Bearbeitungskopfes andere Materialien als Kupfer einzusetzen. Außer dem kann der zur Isolation der leitenden Düsenspitze bei kapazitiven Abstandsmessverfahren erforderliche Keramikeinsatz entfallen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Messlichtstrahl im Wesentlichen koaxial zu einem Bearbeitungsstrahl in eine Wechselwirkungszone zwischen Bearbeitungsstrahl und Werkstück fokussiert wird, wobei ein Messlichtfokus auf der Werkstückoberfläche einen Durchmesser von etwa 10 μπι bis 70 μπι, von vorzugsweise etwa 40 μιη bis 60 μπι insbesondere etwa 50 μηι aufweist. Hierdurch wird eine im Vergleich zu konkurrierenden Messverfahren punktuelle Messung ermöglicht, die von der Oberflächenbeschaffenheit, dem Material und der Form der Oberfläche des Werkstücks und vor allem von den Emissionen aus dem Bearbei- tungsprozess, wie Spritzer, thermischen und optischen Emissionen unabhängig ist. Dies erlaubt eine konstante und robuste Erfassung des Abstandes und damit auch eine störungsfreie Regelung des Abstandes zwischen dem Bearbeitungskopf, insbesondere Laserbearbeitungskopf und dem Werkstück, bei der ein dem Ist- Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück entsprechendes Abstandssignal mit einem Soll-Abstandssignal verglichen wird, um ein Regelsignal zu erhalten, das einer Steuerschaltung zugeführt wird, die veranlasst, dass der Bearbeitungskopf in Richtung eines Bearbeitungsstrahls so verschoben wird, dass die Differenz zwischen Soll- und Ist- Abstand verkleinert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich vorteilhafter Weise mit einer Vorrichtung zur Messung und Einstellung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf, insbesondere Laserbearbeitungskopf und einem Werkstück ausführen, die eine Messlichtquel- le, einen Strahlteiler, der Licht von der Messlichtquelle in einen Messlichtstrahl und einen Referenzlichtstrahl aufspaltet, einen Referenzarm, durch den der Referenzlichtstrahl läuft, ein optisches System zum Einkoppeln des Messlichtstrahls in einen Bearbeitungsstrahlengang, der eine Fokussierlinse zum Fokussieren von Licht auf eine Werkstückoberfläche umfasst, und eine optischen Vorrichtung zur Überlagerung des an einer Werkstückoberfläche reflektierten Messlichtstrahls mit dem zurückreflektierten Referenzlichtstrahl aus dem Referenzarm aufweist. Ferner ist eine Mess- und Auswerteeinheit vorgesehen, die dazu ausgelegt ist, in den überlagerten Mess- und Referenzlichtstrahlen enthaltene Information über den Wegunterschied zwischen Mess- und Referenzarm auszuwerten, um Information über den Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück zu erhalten und ein entsprechendes Abstands- oder Stellsignal zu erzeugen.
Zum Regeln des Abstands insbesondere während eines Bearbeitungsprozesses ist die Mess- und Auswerteeinheit ferner dazu ausgelegt, ein dem Ist- Abstand entsprechendes, ermittel- tes Ab Stands signal mit einem Soll-Abstandssignal zu vergleichen, um ein Regelsignal zu erhalten, und das Regelsignal einer Steuerschaltung zuzuführen, die ausgelegt ist, zu veranlassen, dass der Bearbeitungskopf in Richtung eines Bearbeitungsstrahls so verschoben wird, dass die Differenz zwischen Soll- und Ist- Abstand verkleinert wird.
Zweckmäßiger Weise weist der Strahlteiler einen Faserkoppler auf, der die optischen Vor- richtung zur Überlagerung des Messlichtstrahls mit dem Referenzlichtstrahl bildet.
Vorteilhafter Weise ist vor dem optischen System zum Einkoppeln des Messlichtstrahls in dem Bearbeitungsstrahlengang eine optische Ablenkeinheit angeordnet, so dass der Messlichtstrahl gegenüber der optischen Achse des Bearbeitungsstrahlengangs geneigt in den Bearbeitungsstrahlengang einkoppelbar ist, um der Messlichtstrahl neben dem Bearbeitungsstrahl auf die Werkstückoberfläche zu fokussieren. Mit Hilfe der Ablenkeinheit, die vorzugsweise als Scanner ausgebildet sein kann, kann der Messlichtfleck auf der Werkstückoberfläche immer vor oder neben dem Arbeitslaserstrahl positioniert werden, so dass das Messlicht immer auf die Werkstückoberfläche auftrifft. Die optische Ablenkeinheit kann dabei dazu ausgebildet ist, den Messlichtstrahl in zumindest zwei Teil- Messlichtstrahlen aufzuteilen. Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungs Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abstandsmessung und -regelung; Figur 2 eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit einem optischen System zum Einkoppeln eines Messlichtstrahls;
Figur 3 eine perspektivische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit angeschlossener Mess- und Auswerteeinheit und Steuerschaltung;
Figur 4a eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes gemäß Figur 2 mit einem anderen optischen System zum Einkoppeln eines Messlichtstrahls; und
Figur 4b eine vergrößerte schematische Darstellung des Austrittsbereichs von Bearbeitungsstrahl und Teil-Messlichtstrahlen in Figur 4a.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile und Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 1 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 10 mit angeschlossenem optischen Sensorsystem 12 zur Bestimmung des Abstandes zwischen dem Laserbearbeitungskopf 10 und einem Werkstück 14. Die Bestimmung oder Messung des Abstandes basiert auf dem Prinzip der optischen Kohärenztomographie (Kurzkohärenz-Interferometrie), die sich unter Zuhilfenahme eines Interferometers die Kohärenzeigenschaften von Licht zunutze macht. Eine Mess- und Auswerteeinheit 16 enthält hierzu eine breitbandige Lichtquelle (Superlumineszenzdiode, SLD; SweptSource Lichtquellen (spektral durchstimmbare Lichtquellen) oder dergleichen), die das Messlicht in einen Lichtwellenleiter 18 koppelt. In einem Strahlteiler, der vorzugsweise einen Faserkoppler 20 aufweist, wird das Messlicht in einen Referenzarm 22 und einen Messarm 24 aufgespalten, der einen Lichtwellenleiter 26 und einen Strahlen- gang 27 des Messlichts im Laserbearbeitungskopf 10 umfasst. Wie in Figur 2 schematisch dargestellt, wird das aus dem Lichtwellenleiter 26 austretende Messlicht (Messlichtstrahl 28) von einer Kollimatoroptik 30 kollimiert, damit es im Laserbearbeitungskopf 10 einem Bearb ei tungs strahl 32 koaxial oder nahezu koaxial überlagert werden kann. Die Überlagerung erfolgt dabei mittels eines optischen System zum Einkop- peln des Messlichts, das in Figur 1 nur schematisch als teildurchlässiger, insbesondere dich- roitischer Umlenkspiegel 34 angedeutet ist, dem das Messlicht von der Kollimatoroptik 30 entweder direkt (Figur 1) oder über einen weiteren Umlenkspiegel 36 (Figur 2) zugeführt wird. Anschließend werden Bearbeitungsstrahl 32 und Messlichtstrahl 28 durch eine gemeinsame Linse 38, im Folgenden Fokussierlinse genannt, auf die Werkstückoberfläche fokussiert. Der Messlichtstrahl 28 trifft dabei im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Bearbeitungsstrahl 32 und Werkstück 14 auf dessen Oberfläche auf. An die Fokussierlinse 38 und die anderen optischen Komponenten im Bearbeitungsstrahlengang werden, außer möglichst optimalen Transmissionseigenschaften für das Messlicht, keine besonderen Anforderungen gestellt. Fokuslage und Fokusdurchmesser des Messlichtstrahls 28 sind dabei so eingestellt, dass das Messlicht im Bereich der Bearbeitungsstelle 40 (TCP; Tool Center Point) auf die Werkstückoberfläche gelenkt wird. Um die Fokuslage, also den Auftreffpunkt des Messlichtes auf der Werkstückoberfläche so zu verändern, dass immer eine richtungsunabhängige Messung möglich ist, kann im Messlichtstrahlengang 27, z.B. hinter der Kollimatoroptik 30 eine optische Ablenkeinheit, z.B. ein Scanner 31 angeordnet sein, der die örtliche Modulation des Messpunktes, also insbesondere seiner Lage auf der Werkstückoberfläche ermöglicht. Der Scanner 31 , der in Figur 2 als Keilplatte oder Prisma angedeutet ist, die bzw. das in nicht näher dargestellter Weise um die optische Achse des Messlichtstrahlengangs 27 oder der Kollimatoroptik 30 gedreht oder um eine dazu senkrechte Achse geschwenkt werden kann, bewirkt, dass die optische Achse des Messlichtstrahlengangs 27 gegenüber der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls 32 geneigt werden kann und dass somit der Messlichtstrahl 28 neben dem Bearbeitungsstrahl 32, also neben dem TCP 40 auf die Werkstückoberfläche auftrifft.
Ferner ist es möglich, durch entsprechende Justierung des Lichtwellenleiters 26 und der Kollimatoroptik 30 den Messlichtstrahl 28 parallel versetzt zur optischen Achse des Bearbeitungsstrahls 32 in den Bearbeitungsstrahlengang einzukoppeln, um den gleichen Effekt zu erzielen, also um zu erreichen, dass der Messlichtstrahl 28 neben dem Bearbeitungsstrahl 32, also neben dem TCP 40 auf die Werkstückoberfläche auftrifft. Die optische Ablenkeinheit kann dann entfallen.
Um bewegte optische Elemente im Messlichtstrahlengang zur Anpassung der Fokus- oder Messlichtflecklage an die Vorschub- oder Schweißrichtung zu vermeiden, wird bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung der Messlichtstrahl 28 in zumindest zwei Teilstrahlen, vorzugsweise in zumindest drei Teilstrahlen aufgeteilt, die jeweils gegenüber der optischen Achse des Bearbeitungsstrahlengangs geneigt oder parallel versetzt in den Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt werden. Die Teilstrahlen sind dabei so angeordnet, dass sie versetzt zueinander und auch versetzt zum auf die Werkstückoberfläche fokussiert werden. Dabei können sie umfangsmäßig beliebig oder gleichmäßig um den Bearbeitungs strahl 32 herum verteilt sein. Der Versatz der Teilstrahlen untereinander und gegenüber dem Bearbeitungsstrahl 32 kann dabei ebenso wie ihre umfangsmäßige Verteilung entsprechend den Anforderungen des Bearbei- tungsprozesses frei gewählt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, auch wenn die Teil-Messlichtstrahlen fix sind und nicht bewegt werden, dass in jeder Schneidrichtung immer mindestens einer der Teil-Messstrahlen, vorzugsweise jedoch zwei der Teil-Messstrahlen auf die Werkstückoberfläche neben dem TCP 40 auftreffen und somit die Abstandsmessung ermöglichen. Bei dem in Figur 4a gezeigten Ausführungsbeispiel ist hinter dem Kollimator 30 des Messlichtstrahlengangs als Ablenkeinheit zur Bildung mehrerer Teil-Messstrahlen eine dachförmige Doppelkeilplatte 33 angeordnet, die den Messlichtstrahl 28 in zwei Teil- Messlichtstrahlen 28 ' und 28" aufteilt, die geneigt in den Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt und - wie in Figur 4b gezeigt - von der Fokussierlinse 38 in jeweilige neben dem TCP 40 liegende Messlichtflecke 29' und 29" fokussiert werden.
Zur Bildung zweier oder mehrerer Teil-Messstrahlen können auch V-förmige Doppelkeilplatten sowie pyramiden- oder trichterförmige drei-, vier-, oder mehrfach Keilplatten eingesetzt werden. Der Messlichtfleck oder -fokus auf der Werkstückoberfläche weist dabei einen
Durchmesser von etwa 10 μιη bis 70 μιη, vorzugsweise von etwa 40 μπι bis 60 μηι, insbesondere etwa 50 μιη auf. Bei einem Schneidkopf mit einer Brennweite von beispielsweise 100 mm erhält man einen Durchmesser des Messlichtfokus von etwa 18 μηι. Selbst wenn sich im Bearbeitungsstrahlengang motorisch bewegte Optiken befinden, z.B. eine Zoom-Modul, so ändert sich bei einer Verschiebung der Optiken nur den Durchmesser des Messpunktes, also des Messlichtfokus aber nicht den optischen Weg des Messarms, womit weiterhin eine eindeutige Abstandsmessung erfolgen kann. Auch thennische Linseneffekte beeinflussen das Messverfahren nicht. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Messlichtfleckdurchmesser auf der Werkstückoberfläche verändert werden, indem der Messlichtstrahl 28 leicht defokussiert auf den TCP 40 auf dem Werkstück 14 auftrifft. Eine Defokussierung des Messlichtstrahl 28 wird z.B. dadurch erreicht, dass die Anordnung der optischen Komponenten der Kollimatoroptik 30 verändert werden. Z.B. bewirkt eine Verschiebung der Kollimatoroptik 30 oder einer Linse der Kollimatoroptik 30 entlang der optischen Achse des Messlichtstrahlengangs, dass der Messlichtstrahl 28 nicht mehr vollständig kollimiert ist und nach Durchtreten der gemeinsamen Fokussierlinse 38 leicht defokussiert ist und somit einen größeren Messlichtfleckdurchmesser auf der Werkstückoberfläche aufweist als der Fokus des Bearbeitungsstrahls 38 im TCP 40. Durch den größeren Messlichtfleckdurchmesser trifft immer ein Anteil des Messlichtstrahls auf die Oberfläche des Werkstücks 14, wodurch eine richtungsunabhängige Messung ermöglicht wird. Insbesondere trifft immer ein Teil des Messlichts vor und neben dem TCP 40 auf das Werkstück 14 auf, wenn der Messlichtstrahl 28 koaxial in den Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt wird. Bei dieser Ausführungsform kann die Ablenkeinheit hinter der Kollimatoroptik 30 entfallen. Das von der Werkstückoberfläche zurückreflektierte Messlicht wird durch die Fokussierlinse 38 und die Kollimatoroptik 30 auf die Austritts/Eintrittsfläche des Lichtwellenleiter 26 abgebildet, im Faserkoppler 20 mit dem zurückreflektierten Licht aus dem Referenzarm 22 überlagert und anschließend zurück in die Mess- und Auswerte einheit 16 gelenkt. Das überlagerte Licht enthält Informationen über den Weglängenunterschied zwischen dem Refe- renzarm 22 und dem Messann 24. Diese Informationen werden in der Mess- und Auswer- teeinheit 16 ausgewertet, wodurch Informationen über den Abstand zwischen Werkstück 14 und Laserbearbeitungskopf 10 erhalten werden.
Vor dem Start des Prozesses wird die Messung des Abstandes zwischen Bearbeitungskopf 10 und Werkstückoberfläche kalibriert. Anschließend kann der Abstand des Be- arbeitungskopfes von der Werkstückoberfläche gemessen werden, um dann vor dem Start der Bearbeitung entweder die Lage des Laserfokus nachzuführen oder den Abstand auf einen Soll-Abstand einzustellen. Je nach Art des Bearbeitungsprozesses kann dieser mit oder ohne on-line Regelung durchgeführt werden.
Die Mess- und Auswerteeinheit 16 generiert aus der Abstandsinformation ein Stell- oder Regelsignal proportional zu einer Stellgröße, welche über eine Stellachse einer Bearbeitungsmaschine, z. B. eines Roboters den Abstand zwischen Werkstück 14 und Laserbearbeitungskopf 10 einstellt und vorzugsweise konstant regelt. Dabei wird der beispielsweise an einer Hand 42 eines Roboters gehaltene Laserbearbeitungskopf 10 wie durch den Doppelpfeil 44 angedeutet in Bearbeitungslaserstrahlrichtung (z-Richtung) bewegt. Es ist aber auch möglich aufgrund der Abstandsinformation ein Stell- oder Regelsignal für die Nachfühi mg des Arbeitslaserfokus zu generieren.
Wie in Figur 3 veranschaulicht wird das Stell- oder Regelsignal von der Mess- und Auswerteeinheit 16 über eine Verbindungsleitung 46 einer Steuerschaltung 48 zugeführt, die in nicht näher dargestellter Weise zur Abstandseinstellung die Stellachse der Bearbeitungs- maschine ansteuert. Das Prinzip funktioniert auch mit anderen Stellachsen, z.B. mit im Laserbearbeitungskopf 10 verbauten Achsen sowie mit den Zustellachsen einer Bear- b eitungsm aschine .
Durch die nahezu beliebige Ausgestaltung der Kurzkohärenz Interferometrie, also durch die Wahl der Wellenlänge der Lichtquelle und der Breite des Emissionsspektrum kann ein Messbereich in Richtung des Bearbeitungslaserstrahl (z-Richtung) zwischen etwa 15 mm und 5 mm eingestellt werden, wobei ein breites Emissionsspektrum einen kürzeren Messbereich zur Folge als ein schmales Emissionsspektrum. Damit lassen sich auch unterschiedliche Auflösungen in vertikaler Richtung (z-Richtung) realisie- ren. Die Wellenlänge der Lichtquelle beeinflusst dabei die Fokussierbarkeit des Messlichts, wobei kürzere Wellenlängen eine bessere Fokussierbarkeit zur Folge haben.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung und Einstellung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf, insbesondere Laserbearbeitungskopf (10) und einem Werkstück (14), bei dem
- Licht von einer Messlichtquelle in einen Messlichtstrahl (28) und einen Referenzlichtstrahl aufgespalten wird, der in einen Referenzarm (22) eingekoppelt wird, der Messlichtstrahl (28) in einen Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt und von einer Fokussierlinse (38) des Bearbeitungsstrahlengangs auf eine Werkstückoberfläche gebündelt oder fokussiert wird,
- der an der Werkstückoberfläche reflektierte Messlichtstrahl (28) dem zurückre- flektierten Referenzlichtstrahl aus dem Referenzarm überlagert wird, und
eine Mess- und Auswerteeinheit (16) die in den überlagerten Mess- und Referenzlichtstrahlen enthaltene Information über den Wegunterschied zwischen Mess- und Referenzarm auswertet, um Information über den Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück zu erhalten und ein entsprechendes Abstands- oder Stellsignal zu erzeugen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Messlichtstrahl (28) im Wesentlichen koaxial zu einem Bearbeitungs strahl (32) in eine Wechselwirkungszone zwischen Bearbeitungsstrahl (32) und Werkstück (14) gebündelt oder fokussiert wird.
3. Verfahren nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messlichtstrahl (28) gegenüber der optischen Achse des Bearbeitungsstrahlengangs geneigt oder parallel versetzt in den Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt wird, so dass der Messlichtstrahl (28) neben dem Bearbeitungsstrahl (32) auf die Werkstückoberfläche fokussiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, dass der Messlichtstrahl (28) in zumindest zwei Teilstrahlen, vorzugsweise in zumindest drei Teilstrahlen aufgeteilt wird, die gegenüber der optischen Achse des Bearbeitungsstrahlengangs geneigt oder parallel versetzt in den Bearbeitungsstrahlengang eingekoppelt wer- den, so dass die Teilstrahlen versetzt zueinander und auch versetzt zum Bearbeitungsstrahl (32) auf die Werkstückoberfläche fokussiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messlichtstrahl (28) koaxial zu dem Bearb ei tungs strahl (32) so in eine Wechselwirkungszo- ne zwischen Bearb ei tungs strahl (32) und Werkstück (14) gebündelt wird, dass ein Messlichtfleck auf der Werkstückoberfläche einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Fokus des Bearbeitungsstrahls (38) auf der Werkstückoberfläche.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messlichtfokus auf der Werkstückoberfläche einen Durchmesser von etwa 10 μηι bis 70 μτη, vorzugsweise von etwa 40 μη bis 60 μιπ, insbesondere etwa 50 μπι aufweist.
7. Verfahren zur Regelung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf, insbesondere Laserbearbeitungskopf (10) und einem Werkstück, bei dem
ein dem Ist-Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück (14) entsprechendes Abstandssignal gemäß einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ermit- telt wird,
das dem Ist-Abstand entsprechende ermittelte Abstandssignal mit einem Soll- Abstandssignal verglichen wird, um ein Regelsignal zu erhalten, und
das Regelsignal einer Steuerschaltung zugeführt wird, die veranlasst, dass der Bearbeitungskopf (10) in Richtung eines Bearbeitungsstrahls (32) so verschoben wird, dass die Differenz zwischen Soll- und Ist-Abstand verkleinert wird.
8. Vorrichtung zur Messung und Einstellung eines Abstands zwischen einem Bearbeitungskopf, insbesondere Laserbearbeitungskopf (10) und einem Werkstück (14), mit einer Messlichtquelle,
einem Strahlteiler (20), der Licht von der Messlichtquelle in einen Messlicht- strahl (28) und einen Referenzlichtstrahl aufspaltet,
einem Referenzarm (22), durch den der Referenzlichtstrahl läuft,
einem optischen System zum Einkoppeln des Messlichtstrahls (28) in einen Bearbeitungsstrahlengang, der eine Fokussierlinse (38) zum Fokussieren von Licht auf eine Werkstückoberfläche umfasst, einer optischen Vorrichtung zur Überlagerung des an einer Werkstückoberfläche reflektierten Messlichtstrahls (28) mit dem zurückreflektierten Referenzlichtstrahl aus dem Referenzarm (22), und
einer Mess- und Auswerteeinheit (16), die dazu ausgelegt ist, in den überlager- ten Mess- und Referenzlichtstrahlen enthaltene Information über den Wegunterschied zwischen Mess- und Referenzarm auszuwerten, um Information über den Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück zu erhalten und ein entsprechendes Abstandsoder Stellsignal zu erzeugen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Aus- werteeinheit (16) ferner dazu ausgelegt ist
einen dem Ist-Abstand entsprechendes, ermitteltes Abstandssignal mit einem Soll- Abstandssignal zu vergleichen, um ein Regelsignal zu erhalten, und
das Regelsignal einer Steuerschaltung (48) zuzuführen, die ausgelegt ist, zu veranlassen, dass der Bearbeitungskopf (10) in Richtung eines Bearbeitungsstrahls so verschoben wird, dass die Differenz zwischen Soll- und Ist-Abstand verkleinert wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler einen Faserkoppler (20) aufweist, der die optischen Vorrichtung zur Überlagerung des Messlichtstrahls (28) mit dem Referenzlichtstrahl bildet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem optischen System zum Einkoppeln des Messlichtstrahls (28) in den Bearbeitungsstrahlengang eine optische Ablenkeinheit (31 ; 33) angeordnet ist, so dass der Messlichtstrahl (28) gegenüber der optischen Achse des Bearbeitungsstrahlengangs geneigt in den Bearbeitungsstrahlengang einkoppelbar ist, um der Messlichtstrahl (28) neben dem Bearbeitungsstrahl (32) auf die Werkstückoberfläche zu fokussieren.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Ablenkeinheit (33) dazu ausgebildet ist, den Messlichtstrahl (28) in zumindest zwei Teil- Messlichtstrahlen (28 \ 28") aufzuteilen.
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