WO2024079042A1 - Abbildungsvorrichtung, laserbearbeitungsmaschine mit einer abbildungsvorrichtung sowie verfahren zum ermitteln von prozessgrössen - Google Patents

Abbildungsvorrichtung, laserbearbeitungsmaschine mit einer abbildungsvorrichtung sowie verfahren zum ermitteln von prozessgrössen Download PDF

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imaging
optical
imaging device
process zone
image
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PCT/EP2023/077883
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Winfried Magg
David Schindhelm
Steffen Kessler
Manuel Geiger
Alexander Schmid
Andrea RUEDINGER
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TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG
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    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting

Definitions

  • Imaging device laser processing machine with a
  • the invention relates to an imaging device with an optical imaging system for imaging a process zone of a laser processing machine on an image sensor.
  • the invention further relates to a laser processing machine with an imaging device and a method for determining process variables.
  • the imaging devices display a three-dimensional formation of the process zone on an image sensor as a two-dimensional image. From the analysis of the image of the process zone, if the image is sufficiently accurate, important functional and control variables for common laser cutting machines can be derived, which can, for example, support feed control or incorrect cut detection during laser processing.
  • WO 2016 062636 A1 describes a device for measuring the depth of a weld seam when welding or joining a workpiece using radiation.
  • the device can be inclined relative to a processing beam depending on a feed rate in order to be able to take into account the inclination of the weld seam, which depends on the feed rate.
  • displaying the weld from only one angle can only convey insufficient information about the process zone. For example, information can be lost due to a reduced imaging area.
  • WO 2016 181359 A1 describes a laser processing device with at least one group of detector arrangements.
  • the detector arrangement is arranged in a ring around an optical axis of the laser cutting device.
  • the detector arrangement is designed to detect the process zone at a large number of static angles.
  • the detector arrangement described places considerable structural demands on the implementation of the described principle and requires a complex evaluation routine to evaluate the detected information.
  • DE 10 2013 218421 A1 describes a device for monitoring a laser cutting process on a workpiece with an image capture device, wherein an observation beam is formed at an observation angle inclined to the laser beam.
  • the device can also have several observation directions with the same observation angle.
  • the aforementioned device does have the option of imaging the process zone from different directions, for example by rotating the device.
  • the device only images the process zone at a single, predetermined angle.
  • the imaging of the process zone can only be carried out inaccurately.
  • crucial information may not be able to be imaged by the device at just one predetermined angle.
  • the "geometric visibility" of the process zone typically depends on a nozzle diameter of the laser processing machine, the material thickness of the workpiece to be processed, the distance between the nozzle and the workpiece, and the emission properties of the laser processing process.
  • an imaging device is provided.
  • the imaging device is suitable for imaging a process zone of a laser processing machine.
  • the imaging of the process zone takes place optically by imaging light emitted from the process zone.
  • the imaging device comprises an image sensor.
  • the image sensor is typically designed for two-dimensional imaging of light radiation, preferably in the spectral range from ultraviolet light (UV) to short-wave infrared light (SWIR), particularly preferably from 350 nm to 1800 nm.
  • the image sensor is preferably semiconductor-based.
  • the imaging device also comprises an optical imaging system arranged between the process zone and the image sensor.
  • the optical imaging system is preferably designed to guide and direct the light radiation emitted from the process zone to the image sensor.
  • the optical imaging system is also preferably designed to redirect a processing beam of the laser processing device onto a workpiece to be processed.
  • the optical imaging system has a system axis running between the image sensor and the process zone.
  • the system axis can be understood as an idealized axis - for the sake of a simplified explanation of the invention.
  • the idealized axis can replace an optical path that is usually used in practice and can consist of partial paths that are each inclined to one another.
  • the person skilled in the art can transfer the invention to an optical path starting from the system axis in order to structurally enable an offset between the process zone and the image sensor, for example.
  • the optical imaging system also has a first aperture that is radially spaced from the system axis.
  • the first aperture is preferably formed perpendicular to the system axis.
  • the first aperture limits first light rays emitted from the process zone at a first imaging angle. In other words, the first aperture only allows light radiation emitted at a certain angle to pass through the process zone.
  • the optical imaging system further comprises a second aperture.
  • the second aperture is preferably formed perpendicular to the system axis.
  • the second aperture can be spaced apart from the first aperture, in particular radially in relation to the system axis.
  • the second aperture limits second light beams emitted from the process zone at a second imaging angle.
  • the optical imaging system further comprises a first imaging lens arranged between the apertures and the image sensor.
  • the first imaging lens is arranged in a beam path of the optical imaging system in front of the first imaging lens.
  • the optical imaging system is designed to integrate further optical components between the apertures and the first imaging lens. Further optical components can be integrated into the optical imaging system, for example in the form of optical filters.
  • the optical imaging system can be used to carry out optical measuring methods, for example stereometry/stereoscopy, Ratio pyrometry, goniometry or spectral analysis can be used.
  • the first imaging lens is typically designed as a converging lens.
  • the first imaging lens is designed to image at least the first and second light beams on the image sensor.
  • the first imaging angle is different from the second imaging angle.
  • the first light beams limited by the first aperture have a different imaging angle than the second light beams limited by the second aperture.
  • An imaging angle is an angle enclosed between the respective light beam and the system axis. In other words, several light beams can have the same angle, but be emitted in different directions from the process zone.
  • the imaging angle can be zero degrees.
  • the optical imaging system is further designed to image the first light beams separately from the second light beams.
  • the first light beams and the second light beams are typically imaged on the image sensor.
  • the imaging device is designed to simultaneously or simultaneously image the process zone at at least two different imaging angles, while the remaining light radiation emitted by the process zone is blocked out, reflected or absorbed.
  • the process zone is imaged from at least two directed imaging angles, whereby the area of the process zone that can be imaged by the imaging device is increased.
  • the simultaneous imaging of the two light beams takes place spatially separated on the image sensor, thus enabling the images to be assigned to the imaging angles.
  • the images of the process zone can be used for a geometric comparison. In other words, the process zone can be analyzed three-dimensionally.
  • From a Three-dimensional analysis can be used to reliably determine process variables such as the length of the processing front of the laser processing machine, a spatially resolved temperature measurement and/or temperature distribution within the process zone. This can be used, for example, to detect the formation of plasma or metal vapor and to increase the quality of laser processing by avoiding faulty cuts.
  • the optical imaging system has a directional lens arranged between the process zone and the apertures.
  • the directional lens can align light rays emitted from the process zone onto the apertures parallel to the system axis.
  • the imaging device can form a collimator. This allows the light rays to be limited particularly precisely by the apertures.
  • An embodiment of the imaging device is also preferred in which the optical imaging device has a third aperture.
  • the third aperture can limit third light rays emitted from the process zone at a third imaging angle.
  • the three-dimensional observation of the process zone can be further improved by an additional aperture.
  • the third imaging angle is different from the first and/or the second imaging angle. This allows an even more precise determination of the process variables.
  • the optical imaging system is designed to image the third light beams separately from the first and/or the second light beams on the image sensor. Preferably, all light beams are imaged separately from one another on the image sensor. This allows the images to be evaluated with a clear assignment to the respective imaging angles.
  • the optical imaging system has a process zone aperture.
  • the process zone aperture can be designed in particular as a processing nozzle of the laser processing machine. This makes it possible to limit the total number of light rays emitted from the process zone in the direction of the imaging device, thereby increasing the imaging accuracy of the light rays.
  • the diaphragms are formed on a common diaphragm disk.
  • the common diaphragm disk is preferably arranged perpendicularly or orthogonally to the system axis.
  • a common diaphragm disk enables a particularly precise spacing of the diaphragms from one another, in particular during the movement of the diaphragms.
  • the diaphragm disk can preferably be formed as a coated glass substrate.
  • the diaphragm disk particularly preferably transmits light radiation in the area of the diaphragms and attenuates, absorbs or reflects the light radiation outside the diaphragms.
  • the aperture disk is designed to be rotatable about the system axis.
  • the aperture disk is preferably designed to be rotatable depending on a processing direction of the laser processing machine. This allows the images of the light rays to be maintained in relation to a design of the process zone that is dependent on the processing direction. For example, a so-called piercing image of the process zone can continue to be imaged in a piercing manner when the direction of laser processing changes by 90 degrees, for example, if the aperture disk is also rotated by 90 degrees.
  • the optical imaging system has a first optical rotary decoupling downstream of the first diaphragm.
  • the first optical rotary decoupling is typically designed to be independent of a rotation of the diaphragm disk for positionally accurate imaging of the first light rays on the image sensor.
  • the first light rays can be imaged on the same imaging area of the image sensor regardless of the processing direction of the laser processing machine. This makes it particularly easy to assign the imaging angle to the image.
  • the dimensions of the image sensor can be kept particularly compact.
  • the imaging device is particularly preferred in which the system axis intersects the image sensor at an imaging intersection point.
  • the first imaging lens is preferably designed to centrally image the first light rays onto the imaging intersection point. By imaging the first light rays at the imaging intersection point, a stationary imaging of the first light rays can take place.
  • the imaging device in which the system axis runs centrally through the second aperture, has at least one optical wedge arranged upstream of the first imaging lens and downstream of the second aperture.
  • the second aperture in this case limits the second light beams which run coaxially with the system axis and are optically independent of a rotation of the second aperture.
  • the optical wedge is preferably designed to deflect the second light beams onto the first imaging lens at an angle to the system axis. By deflecting the second light beams, a position of the image on the image sensor can be determined.
  • the second light beams are preferably imaged onto an imaging area on the image sensor which is decentered or spaced apart from the image intersection point. This enables the second light beams to be imaged in a positionally accurate and rotationally independent manner without rotational decoupling.
  • the optical imaging system has a first optical secondary system with a second imaging lens.
  • the first optical secondary system, or the second The imaging lens is preferably designed to accurately image the second light beams on the image sensor.
  • a second imaging lens can prevent optical superposition of the light beams in the first imaging lens and thus increase the imaging accuracy.
  • the first optical secondary system has a first deflection mirror arranged downstream of the diaphragms, the first deflection mirror being designed to deflect second light beams.
  • the first deflection mirror is preferably designed to deflect specific wavelengths of the second light beams.
  • unwanted wavelengths can be filtered out. This allows the second light beams to be imaged particularly precisely.
  • the optical imaging system has a second optical secondary system downstream of the third aperture.
  • the second optical secondary system is preferably designed to image the third light beams in a positionally accurate manner, in particular on the image sensor, independently of a rotation of the aperture disk.
  • the second optical secondary system has a second deflection mirror arranged downstream of the diaphragms.
  • the second deflection mirror is preferably designed to deflect certain wavelengths of the third light beams. This allows the third light beams to be imaged in a predetermined spectral range.
  • the optical imaging system is designed to image the light rays on a single image sensor.
  • the underlying problem is also solved by a laser processing machine with an imaging device as described above and below.
  • the laser processing machine typically has a laser processing unit for forming a laser beam.
  • the laser processing machine typically has a machine control.
  • the machine control can be set up to control or regulate the laser processing unit and/or the imaging device.
  • the machine control preferably has an evaluation unit.
  • the evaluation unit is particularly preferably set up to evaluate the images on the image sensor.
  • the underlying object is achieved by a method for determining process variables of the process zone by means of the imaging device described above and below.
  • the method has the following method steps.
  • At least a first image and at least a second image of the process zone are created.
  • the images are typically generated by the first and second light beams on the image sensor.
  • a third image can be generated by the third light rays.
  • At least the first imaging angle and the second imaging angle are provided.
  • the imaging angles can for example, provided by the machine control and/or by an operator of the imaging device.
  • At least the first image is compared with the second image.
  • the geometric contents of the images are compared with each other.
  • At least one process variable is determined or calculated.
  • Fig. 1 shows a laser processing machine with a first embodiment of an imaging device according to the invention in a schematic representation, wherein the imaging device has an image sensor and an optical imaging system;
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the imaging device in a schematic representation
  • Fig. 3 shows a third embodiment of the imaging device in a schematic representation
  • Fig. 4 shows the image sensor from Fig. 3 in a schematic representation
  • Fig. 5 shows the aperture disk from Fig. 3 in a schematic view
  • Fig. 6 shows a method according to the invention in a schematic representation.
  • Fig. 1 shows a laser processing machine 10 with an imaging device 12 for imaging a process zone 14 of the laser processing machine 10.
  • the process zone 14 is designed as a processing area or irradiation area of a laser beam (not shown in more detail) of the laser processing machine 12.
  • the laser beam exits through a processing nozzle 16 of the laser processing machine 10 in the direction of a workpiece 18 to be processed.
  • the workpiece 18 can rest on a preferably web-like workpiece support 20, as in the case shown.
  • the workpiece 18 to be processed can be cut, for example, along a cutting edge 24.
  • a processing front 26 is formed on the workpiece 18 depending on the irradiation duration by the laser beam.
  • Important information about the processing process can be derived from the formation of the processing front 26.
  • the design of the processing front 26 is therefore crucial for controlling or regulating the laser processing machine 10 and must be monitored, for example, to ensure a high processing speed and/or processing quality.
  • the imaging device 12 is arranged on the laser processing machine 10, preferably integrated into the laser processing machine 10.
  • the imaging device 12 comprises an image sensor 28 and an optical imaging system 30 arranged between the process zone 14 and the image sensor 28.
  • the optical imaging system 30 is formed along a system axis 32 that runs between the image sensor 28 and the process zone 14.
  • the system axis 32 is preferably formed as the optical axis of the optical imaging system 30.
  • the optical imaging system 30 can be formed at least predominantly rotationally symmetrical to the system axis 32.
  • the system axis 32 is further preferably formed orthogonally to the workpiece 18 to be machined.
  • the optical imaging system 30, in particular the entire imaging device 12, can be arranged orthogonally to the workpiece 18 to be machined.
  • the optical imaging system 30 has a first aperture 34 that is radially spaced from the system axis 32.
  • the optical imaging system 30 also has a second aperture 36.
  • the second aperture 36 is arranged at a distance from the first aperture 34, in particular radially. According to the embodiment shown, the second aperture 36 can be arranged centrally to the system axis 32.
  • the first aperture 34 limits first light rays 40 emitted from the process zone 14 at a first imaging angle 38.
  • the second aperture 36 limits second light rays 44 emitted from the process zone 14 at a second imaging angle 42.
  • the imaging angles 38, 42 can be determined as the inclination of the respective light rays 40, 44 with respect to the system axis 32.
  • the second light rays 44 are emitted parallel to the system axis 32, which is why the second imaging angle 42 here is zero degrees in terms of magnitude.
  • the first imaging angle 38 is designed to be different in terms of magnitude to the second imaging angle 42.
  • the first imaging angle preferably has an amount between three degrees and four degrees.
  • the first light beams 40 and the second light beams 44 are imaged separately on the image sensor 28 by the optical imaging system 30. This enables a perspective view of the process zone 14. Purely for In a more compact representation, the beam paths of the first light rays 40 and the second light rays 44 are interrupted by two horizontal lines 46.
  • the optical imaging system 30 can have a process zone aperture 48 - here formed on the processing nozzle 16.
  • the process zone aperture 48 limits the light beams emitted by the process zone 14, for example the first and second light beams 40, 44. This can reduce scattered radiation and improve the imaging of the first and second light beams 40, 44.
  • the optical imaging system 30 can have a directional lens 50.
  • the directional lens 50 can be arranged between the process zone 14, in particular between the process zone aperture 48, and the first and/or second aperture 34, 36.
  • the directional lens 50 preferably aligns the first and/or second light beams 40, 44 emitted by the process zone 14 parallel to the system axis 32.
  • the imaging device 12 can be kept compact in its dimensions radial to the system axis 32.
  • the optical imaging system 30 has a first imaging lens 52.
  • the first imaging lens 52 is arranged between the apertures 34, 36 and the image sensor 28.
  • the first imaging lens 52 is typically designed to image the first light rays 40 and/or the second light rays 44 on the image sensor 28. As shown in Fig. 1, the imaging lens 52 images the first light rays 40 in a first imaging region 54 and the second light rays 44 in a second imaging region 56 on the image sensor 28.
  • the first imaging region 54 is spatially separated from the second imaging region 56.
  • a single image sensor 28 is provided.
  • the imaging device 12 has several image sensors 28 for imaging the light rays 40, 44.
  • the image sensor 28 and the imaging areas 54, 56 with the images imaged on the image sensor 28 The first and second light beams 40, 44 are shown in a detailed view as a plan view for better explanation.
  • the first light rays 40 are inclined in the processing direction 22, which results in a "piercing image" of the process zone 14.
  • a "piercing image” enables an inclined view of the process zone 14 and the processing front 26 in the processing direction 22. From this, for example, a first length 58 of the processing front 26 dependent on the first imaging angle 38 can be determined.
  • the second light beams 44 have no inclination to the system axis 32, which results in a "central image" of the process zone 14.
  • a "central image” enables a central view of the process zone 14 and the processing front 26 regardless of the processing direction 22. From this, for example, a second length 60 of the processing front 26 dependent on the second imaging angle 42 can be determined.
  • the optical imaging system 30 can have an aperture disk 62.
  • the aperture disk 62 is shown as a top view in a further detailed illustration for better explanation.
  • the first aperture 34 and the second aperture 36 can be formed on the (common) aperture disk 62. This promotes precise positioning of the first aperture 34 in relation to the second aperture 36, which has an advantageous effect on the imaging accuracy of the process zone 14.
  • the aperture disk 62 can be designed to be rotatable about the system axis 32, as indicated by the arrow 64. This enables the adjustment of the Imaging device 12 to a changed processing direction 22 of the laser processing machine 10. For example, if the processing direction 22 shown in Fig. 1 is reversed, the optical imaging system 30 images the process zone 14 opposite to the processing direction 22. This can be prevented by rotating the aperture disk 62 by 180 degrees.
  • the optical imaging system 30 can, as shown, have a first rotational decoupling 66.
  • the first rotational decoupling 66 is arranged downstream of the first aperture 34.
  • the first rotational decoupling 66 is designed as a converging lens that is rotationally symmetrical about the system axis 32, here in the form of the imaging lens 52.
  • the system axis 32 corresponds to the optical axis of the imaging lens 52.
  • the first rotational decoupling 66 images the first light rays 40 delimited by the first aperture 34 in the imaging area 54 of the image sensor 28.
  • the imaging area 54 is arranged centrally to an imaging intersection point 68 of the system axis 32 with the image sensor 28, so that the imaging of the first light rays 40 can take place in a positionally accurate manner regardless of a displacement or rotation of the first aperture 34 about the system axis 32 relative to the system axis 32.
  • the first light rays 40 can be imaged in the stationary imaging area 54 regardless of a rotation of the first aperture 34.
  • the position of the image on the image sensor 28 therefore does not change.
  • the optical imaging system 30 has an optical wedge 70 for spatially spaced imaging of the second light beams 44 on the image sensor 28.
  • the optical wedge 70 is designed to direct the second light beams 44 onto the imaging lens 52 at an angle relative to the system axis 32. Inclined illumination of the imaging lens 52 causes the second light beams 44 to be imaged on the image sensor 28 at a radial distance from the imaging intersection point 70. Due to the centric arrangement of the second aperture 36 on the system axis 32, a positionally accurate imaging of the second light beams 44 can be achieved regardless of any rotation of the second aperture 36 about the system axis 32 in the imaging area 56 of the image sensor 28. A rotational decoupling can be omitted in this embodiment.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of an imaging device 12 in a schematic representation.
  • An optical imaging system 30 has a first rotational decoupling 66, which enables a rotation-independent and position-accurate imaging of first light rays 40 in the imaging area 54 on an image sensor 28 by means of a first imaging lens 52.
  • the optical imaging system 30 has a first secondary optical system 72.
  • the secondary optical system 72 is designed to image the second light beams 44 on the image sensor 28 in a spatially separate manner from the first light beams 40.
  • the first secondary optical system 72 has a first deflection mirror 74, a second deflection mirror 76, a second imaging lens 78 and an imaging prism 80.
  • the first deflection mirror 74 is arranged between the apertures 34, 36 and the first imaging lens 52 and is designed to deflect second light beams 44. As shown, the second light beams 44 can be directed by the first deflection mirror 74 past the first imaging lens 52 to a second deflection mirror 76.
  • the second deflection mirror 76 can be designed to align the second light beams 44.
  • the second deflection mirror 76 preferably aligns the second light beams 44 parallel to the system axis 32.
  • the deflection mirrors 74, 76 cause a parallel displacement of the second light beams 44 or a radial spacing of the second light beams 44 from the system axis 32.
  • the second light rays 44 can then be imaged onto the image sensor 28 by means of the second imaging lens 78, whereby the image quality can be improved.
  • the radial spacing caused by the deflection mirrors 74, 76 is partially or completely compensated by the imaging prism 80.
  • Fig. 3 shows a third embodiment of an imaging device 12 in a schematic representation.
  • An optical imaging system 30 has a first aperture 34, a second aperture 36 and a third aperture 82 radially spaced from the system axis 32.
  • the apertures 34, 36, 82 can be formed on a common aperture disk 62.
  • First light rays 40 limited by the first aperture 34 are imaged onto an image sensor 28 in a first imaging region 54 by means of an imaging lens 52.
  • Second light rays 44 are imaged onto the image sensor 28 in a second imaging region 56 by means of a first optical secondary system 72 or a second imaging lens 78, analogously to FIG. 2.
  • the third aperture 82 can be arranged at a distance from the first aperture 34 and/or from the second aperture 36, in particular radially.
  • the third aperture 36 is typically designed to limit third light rays 84 that are emitted from the process zone 14 at a third imaging angle 86.
  • the third imaging angle 86 can be inclined counter to the processing direction 22.
  • the optical imaging system 30 is designed to image the third light rays 84 on the image sensor 28, in particular in a third imaging area 88.
  • the optical imaging system 30 can have a second optical secondary system 90 that is configured to image the third light beams 84 on the image sensor 28.
  • the second optical secondary system 90 can have a third deflection mirror 92, a fourth deflection mirror 94, a third imaging lens 96, and a second imaging prism 98.
  • the second optical secondary system 90 can be set up analogously to the first optical secondary system 72 for radially spacing the third light beams 84.
  • the first light beams 84 can first be deflected from a direction parallel to the system axis 32, followed by a parallel alignment of the deflected third light beams 84 relative to the system axis 32.
  • the third light beams 84 can thus be imaged in a positionally accurate manner via the third imaging lens 96 and the imaging prism 98 in the third imaging region 88, which is in particular stationary.
  • the second optical secondary system 90 is also designed as a second rotational decoupling 100. This enables the positionally accurate imaging of the third light beams 84 even when the third diaphragm 82 or the diaphragm disk 62 is rotated.
  • the third deflection mirror 92 of the second optical secondary system 90 can be designed to be rotationally symmetrical to the system axis 32 in a plane orthogonal to the system axis 32.
  • the third deflection mirror 92 can be designed in the form of a circular ring in the plane orthogonal to the system axis 32, the inner diameter being smaller than a smallest distance of the third aperture 82 from the system axis 32 and the outer diameter being larger than a largest distance of the third aperture 82 from the system axis 32.
  • the deflection mirror 92 is preferably designed as a circumferential circular ring in the plane orthogonal to the system axis 32.
  • the deflection mirror 92 has dimensions in the plane projected to the system axis 32 that correspond at least to the circumferential projection surface of the third aperture 82. This can achieve the greatest possible independence from the rotation of the third aperture 82.
  • a circular ring-like The design of the third deflecting mirror 92 enables the optically unhindered passage of the first light beams 40 and the second light beams 44 if the apertures 34, 36, 82 each have circumferential projection surfaces that are radially spaced from one another - in other words, if the circumferential projection surfaces of the apertures 34, 36, 82 do not overlap.
  • the deflecting mirror 92 is set up to deflect light beams in a predetermined wavelength range, with light beams outside the predetermined wavelength range being transmitted.
  • at least one optical bandpass filter 102 is connected upstream of the deflecting mirror 92.
  • the diaphragms 34, 36, 82 each have an optical bandpass filter 102 that predetermines the wavelength range of the respective light beams 40, 44, 84. As a result, light beams 40, 44, 84 that have overlapping circumferential projection surfaces can be optically separated.
  • At least one of the apertures 34, 36, 82 has a polarization filter, for example for filtering s- and p-polarized light rays, as an alternative or in addition to the optical bandpass filter 102.
  • a polarization filter By means of a polarization filter, correspondingly "polarized" images can be displayed and/or used for measurement purposes.
  • Fig. 4 shows the image sensor 28 from Fig. 3 in a schematic view.
  • Imaging areas 54, 56, 88 are spatially spaced from one another and arranged in a fixed position on the image sensor 28. In other words, the positions of the imaging areas 54, 56, 88 on the image sensor 28 do not change when the processing direction 22 (see Fig. 1) or the rotational position of the aperture disk 62 (see Figures 1-3, 5) is changed.
  • the first imaging area 54 shows a “sharp image” of the process zone
  • the second imaging area 56 shows a "central image" of the process zone 14, whereby, for example, a second length 60 of the processing front 26 dependent on the second imaging angle 42 (see Fig. 1 ) can be determined.
  • the third imaging area 88 shows a "slow representation" of the process zone 14 (see Fig. 3) caused by the third imaging angle 86 against the processing direction 22 (see Fig. 3), whereby, for example, a third length 104 of the processing front 26 can be determined.
  • the additional information about the third image can further improve the determination of geometric dimensions of the process zone 14.
  • Fig. 5 shows the aperture disk 62 from Fig. 3 in a schematic view.
  • the aperture disk 62 is designed to be rotatable about the system axis 32, as indicated by the arrow 64.
  • the apertures 34, 36, 82 are formed spatially separated from one another on the aperture disk 62.
  • the second aperture 36 is formed centrally to the system axis 32 on the aperture disk 62.
  • the first aperture 34 and the third aperture 82 are offset by 180 degrees on the aperture disk 62 and have different radial distances from the system axis 32.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a method 108 for determining, in particular geometric, process variables of a process zone 14 (see Fig. 1 ) by means of an imaging device 12 (see Fig. 1 ).
  • the method 108 comprises the following method steps (see also Fig. 1 below).
  • a first image and a second image of the process zone 14 are created.
  • the first and second images are typically created by imaging first and second light beams 40, 44 in first and second imaging regions 54, 56 of an image sensor 28.
  • the first imaging angle 38 and a second imaging angle 42 are provided.
  • a subsequent method step 114 provides for the geometric comparison of the first image with the second image, wherein at least one process variable is determined or calculated by the geometric comparison.
  • the invention relates to an imaging device (12) for imaging a process zone (14) of a laser processing machine (10), comprising an image sensor (28) and an optical imaging system (30) arranged between the process zone (14) and the image sensor (28).
  • the optical imaging system (30) has a system axis (32) running between the image sensor (28) and the process zone (14), a first aperture (34) radially spaced from the system axis (32), and a second aperture (36).
  • Light beams (40, 44) emitted from the process zone (14) at different imaging angles (38, 42) are limited by the apertures (34, 36).
  • the optical imaging system (30) is designed to image the first light beams (40) separately from the second light beams (44).
  • the invention further relates to a laser processing machine (10) with an imaging device (12) and a method for determining process variables. List of reference symbols
  • Image sensor optical imaging system system axis first aperture second aperture first imaging angle first light rays second imaging angle second light rays horizontal lines

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abbildungsvorrichtung (12) zum Abbilden einer Prozesszone (14) einer Laserbearbeitungsmaschine (10), umfassend einen Bildsensor (28) und ein zwischen der Prozesszone (14) und dem Bildsensor (28) angeordnetes optisches Abbildungssystem (30); wobei das optische Abbildungssystem (30) eine zwischen dem Bildsensor (28) und der Prozesszone (14) verlaufende Systemachse (32); eine zur Systemachse (32) radial beabstandete erste Blende (34) und eine zweite Blende (36) aufweist; wobei von der Prozesszone (14) unter verschiedenen Abbildungswinkeln (38, 42) abgestrahlte Lichtstrahlen (40, 44) durch die Blenden (34, 36) begrenzt werden; und wobei das optische Abbildungssystem (30) zum örtlich getrennten Abbilden der ersten Lichtstrahlen (40) von den zweiten Lichtstrahlen (44) ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Laserbearbeitungsmaschine (10) mit einer solchen Abbildungsvorrichtung (12) sowie ein Verfahren zum Ermitteln von Prozessgrößen unter Verwendung einer solchen Abbildungsvorrichtung (12).

Description

Abbildungsvorrichtung, Laserbearbeitungsmaschine mit einer
Abbildungsvorrichtung sowie Verfahren zum Ermitteln von Prozessgrössen
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Abbildungsvorrichtung mit einem optischen Abbildungssystem zum Abbilden einer Prozesszone einer Laserbearbeitungsmaschine auf einem Bildsensor. Die Erfindung betrifft ferner eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer Abbildungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Ermitteln von Prozessgrößen.
Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind in verschiedenen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt und dienen der Überwachung des Laserbearbeitungsverfahrens. Typischerweise wird durch die Abbildungsvorrichtungen eine dreidimensionale Ausbildung der Prozesszone auf einem Bildsensor als zweidimensionale Abbildung dargestellt. Aus der Analyse der Abbildung der Prozesszone können bei ausreichend genauer Abbildung wichtige Funktions- und Regelgrößen für gängige Laserschneidmaschinen abgeleitet werden, die beispielsweise eine Vorschubregelung oder eine Fehlschnitterkennung während des Laserbearbeitens unterstützen können.
WO 2016 062636 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der Tiefe einer Schweißnaht beim Schweißen oder Fügen eines Werkstücks mittels Strahlung. Die Vorrichtung kann gegenüber einem Bearbeitungsstrahl in Abhängigkeit einer Vorschubgeschwindigkeit geneigt werden, um eine von der Vorschubgeschwindigkeit abhängige Neigung der Schweißnaht messtechnisch berücksichtigen zu können. Die Darstellung der Schweißnaht aus lediglich einem, wenn auch veränderbaren Winkel, kann jedoch nur ungenügende Informationen über die Prozesszone übermitteln. Beispielsweise können Informationen aufgrund eines reduzierten Abbildungsbereichs verloren gehen.
WO 2016 181359 A1 beschreibt eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit zumindest einer Gruppe von Detektoranordnungen. Die Detektoranordnung ist ringförmig um eine optische Achse der Laserschneidvorrichtung angeordnet. Die Detektoranordnung ist zur Erfassung der Prozesszone unter einer Vielzahl von statischen Winkeln ausgebildet. Die beschriebene Detektoranordnung stellt erhebliche konstruktive Anforderungen an die Umsetzung des beschriebenen Prinzips und bedarf zur Auswertung der detektierten Informationen eine aufwendige Auswertungsroutine.
DE 10 2013 218421 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Überwachen eines Laserschneidprozesses an einem Werkstück mit einer Bilderfassungseinrichtung, wobei ein Beobachtungsstrahl unter einem zum Laserstrahl geneigten Beobachtungswinkel ausgebildet ist. Die Vorrichtung kann zudem mehrere Beobachtungsrichtungen mit dem gleichen Beobachtungswinkel aufweisen.
Die vorgenannte Vorrichtung weist zwar die Möglichkeit auf, die Prozesszone aus unterschiedlichen Richtungen, beispielsweise durch Drehen der Vorrichtung, abzubilden. Jedoch bildet die Vorrichtung die Prozesszone lediglich unter einem einzelnen vorgegebenen Winkel ab. Hierdurch kann die Abbildung der Prozesszone nur ungenau erfolgen. Beispielsweise können entscheidende Informationen unter lediglich einem vorbestimmten Winkel nicht durch die Vorrichtung abbildbar sein. Die „geometrische Sichtbarkeit“ der Prozesszone hängt typischerweise von einem Düsendurchmesser der Laserbearbeitungsmaschine, der Materialdicke des zu bearbeitenden Werkstücks, dem Abstand zwischen Düse und Werkstück sowie Emissionseigenschaften des Laserbearbeitungsprozesses ab. Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zum Abbilden einer Prozesszone einer Laserbearbeitungsvorrichtung anzugeben, die eine zuverlässige Ermittlung von Prozessgrößen aus der Abbildung ermöglichen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Abbildungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Die Aufgabe wird zudem gelöst durch eine Laserbearbeitungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19. Die Unteransprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
Erfindungsgemäß ist eine Abbildungsvorrichtung vorgesehen. Die Abbildungsvorrichtung ist zum Abbilden einer Prozesszone einer Laserbearbeitungsmaschine geeignet. Typischerweise erfolgt das Abbilden der Prozesszone optisch durch Abbilden von aus der Prozesszone abgestrahltem Licht.
Die Abbildungsvorrichtung umfasst einen Bildsensor. Der Bildsensor ist typischerweise zum zweidimensionalen Abbilden von Lichtstrahlung, vorzugsweise im Spektralbereich von ultraviolettem Licht (UV) bis zu kurzwelligem Infrarotlicht (SWIR), besonders bevorzugt von 350nm bis 1800nm, ausgebildet. Vorzugsweise ist der Bildsensor halbleiterbasiert ausgebildet.
Die Abbildungsvorrichtung umfasst zudem ein zwischen der Prozesszone und dem Bildsensor angeordnetes optisches Abbildungssystem. Das optische Abbildungssystem ist vorzugsweise zur Lichtleitung und Lichtlenkung der von der Prozesszone abgestrahlten Lichtstrahlung zu dem Bildsensor ausgebildet. Weiter vorzugsweise ist das optische Abbildungssystem zum Um lenken eines Bearbeitungsstrahls der Laserbearbeitungsvorrichtung auf ein zu bearbeitendes Werkstück ausgebildet. Das optische Abbildungssystem weist eine zwischen dem Bildsensor und der Prozesszone verlaufende Systemachse auf. Die Systemachse kann als eine - zur vereinfachten Erläuterung der Erfindung - idealisierte Achse verstanden werden. Die idealisierte Achse kann eine in der Praxis üblicherweise verwendete optische Strecke ersetzen, die aus jeweils geneigt zueinander ausgebildeten Teilstrecken bestehen kann. Der Fachmann vermag die Erfindung ausgehend von der Systemachse auf eine optische Strecke zu übertragen, um beispielsweise einen Versatz zwischen der Prozesszone und dem Bildsensor konstruktiv zu ermöglichen.
Das optische Abbildungssystem weist zudem eine zur Systemachse radial beabstandete erste Blende auf. Die erste Blende ist vorzugsweise senkrecht zur Systemachse ausgebildet. Die erste Blende begrenzt von der Prozesszone unter einem ersten Abbildungswinkel abgestrahlte erste Lichtstrahlen. Mit anderen Worten lässt die erste Blende lediglich unter einem bestimmten Winkel abgestrahlte Lichtstrahlung der Prozesszone passieren.
Das optische Abbildungssystem weist weiter eine zweite Blende auf. Vorzugsweise ist die zweite Blende senkrecht zur Systemachse ausgebildet. Die zweite Blende kann von der ersten Blende, insbesondere radial in Bezug zur Systemachse, beabstandet sein. Die zweite Blende begrenzt von der Prozesszone unter einem zweiten Abbildungswinkel abgestrahlte zweite Lichtstrahlen.
Das optische Abbildungssystem weist weiter eine zwischen den Blenden und dem Bildsensor angeordnete erste Abbildungslinse auf. Mit anderen Worten ist die erste Abbildungslinse in einem Strahlengang des optischen Abbildungssystems vor der ersten Abbildungslinse angeordnet. Hierdurch ist das optische Abbildungssystem zur Integration von weiteren optischen Komponenten zwischen den Blenden und der ersten Abbildungslinse ausgebildet. Weitere optische Komponenten können beispielsweise in Form von optischen Filtern in das optische Abbildungssystem integrierbar sein. Hierdurch kann das optische Abbildungssystem zur Durchführung von optischen Messverfahren, beispielsweise der Stereometrie/Stereoskopie, der Quotienten-Pyrometrie, der Goniometrie oder der Spektralanalyse verwendet werden.
Die erste Abbildungslinse ist typischerweise als Sammellinse ausgebildet. Die erste Abbildungslinse ist zum Abbilden von zumindest den ersten und den zweiten Lichtstrahlen auf dem Bildsensor ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist der erste Abbildungswinkel verschieden zu dem zweiten Abbildungswinkel. Mit anderen Worten weisen die durch die erste Blende begrenzten ersten Lichtstrahlen einen anderen Abbildungswinkel wie die durch die zweite Blende begrenzten zweiten Lichtstrahlen auf. Unter einem Abbildungswinkel ist ein zwischen dem jeweiligen Lichtstrahl und der Systemachse eingeschlossener Winkel zu verstehen. Mit anderen Worten können mehrere Lichtstrahlen den gleichen Winkelbetrag aufweisen, jedoch in unterschiedlichen Richtungen von der Prozesszone abgestrahlt werden. Der Abbildungswinkel kann null Grad betragen.
Das optische Abbildungssystem ist ferner zum örtlich getrennten Abbilden der ersten Lichtstrahlen von den zweiten Lichtstrahlen ausgebildet. Die ersten Lichtstrahlen und die zweiten Lichtstrahlen werden typischerweise auf dem Bildsensor abgebildet.
Mit anderen Worten wird die zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass die Abbildungsvorrichtung zum simultanen, bzw. gleichzeitigen Abbilden der Prozesszone unter zumindest zwei unterschiedlichen Abbildungswinkeln ausgebildet ist, während die übrige von der Prozesszone abgestrahlte Lichtstrahlung ausgeblendet, bzw. reflektiert oder absorbiert wird. Ferner erfolgt die Abbildung der Prozesszone aus zumindest zwei gerichteten Abbildungswinkeln, wodurch der durch die Abbildungsvorrichtung abbildbare Bereich der Prozesszone vergrößert ist. Weiter erfolgt die simultane Abbildung der beiden Lichtstrahlen örtlich getrennt auf dem Bildsensor und ermöglicht so eine Zuordnung der Abbildungen zu den Abbildungswinkeln. Mit der Kenntnis der Abbildungswinkel können die Abbildungen der Prozesszone für einen geometrischen Vergleich verwendet werden. Mit anderen Worten kann die Prozesszone dreidimensional analysiert werden. Aus einer dreidimensionalen Analyse können Prozessgrößen, wie beispielsweise eine Länge der Bearbeitungsfront der Laserbearbeitungsmaschine, eine ortsaufgelöste Temperaturmessung und/oder Temperaturverteilung innerhalb der Prozesszone zuverlässig bestimmt werden. Hierdurch kann beispielsweise die Entstehung von Plasma bzw. Metalldampf erkannt und die Qualität der Laserbearbeitung durch Vermeiden von Fehlschnitten erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung weist das optische Abbildungssystem eine zwischen der Prozesszone und den Blenden angeordnete Richtlinse auf. Die Richtlinse kann von der Prozesszone abgestrahlte Lichtstrahlen parallel zur Systemachse auf die Blenden ausrichten. Mit anderen Worten kann die Abbildungsvorrichtung einen Kollimator ausbilden. Hierdurch kann das Begrenzen der Lichtstrahlen durch die Blenden besonders genau erfolgen.
Bevorzugt ist zudem eine Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung, bei der die optische Abbildungsvorrichtung eine dritte Blende aufweist. Die dritte Blende kann von der Prozesszone unter einem dritten Abbildungswinkel abgestrahlte dritte Lichtstrahlen begrenzen. Durch eine weitere Blende kann die dreidimensionale Beobachtung der Prozesszone weiter verbessert werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung ist der dritte Abbildungswinkel verschieden zu dem ersten und/oder dem zweiten Abbildungswinkel. Hierdurch kann eine noch genauere Bestimmung der Prozessgrößen erfolgen.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung, bei der das optische Abbildungssystem zum örtlich getrennten Abbilden der dritten Lichtstrahlen von den ersten und/oder den zweiten Lichtstrahlen auf dem Bildsensor ausgebildet ist. Vorzugsweise werden alle Lichtstrahlen örtlich getrennt voneinander auf dem Bildsensor abgebildet. Hierdurch können die Abbildungen mit eindeutiger Zuordnung zu den jeweiligen Abbildungswinkeln ausgewertet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung weist das optische Abbildungssystem eine Prozesszonenblende auf. Die Prozesszonenblende kann insbesondere als eine Bearbeitungsdüse der Laserbearbeitungsmaschine ausgebildet sein. Hierdurch kann ein Begrenzen der insgesamt von der Prozesszone in Richtung der Abbildungsvorrichtung abgestrahlten Lichtstrahlen erfolgen, wodurch die Abbildungsgenauigkeit der Lichtstrahlen erhöht wird.
Bei einer bevorzugte Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung sind die Blenden an einer gemeinsamen Blendenscheibe ausgebildet. Die gemeinsame Blendenscheibe ist vorzugsweise senkrecht, bzw. orthogonal zur Systemachse angeordnet. Eine gemeinsame Blendenscheibe ermöglicht, insbesondere während des Bewegens der Blenden, eine besonders genaue Beabstandung der Blenden zueinander. Vorzugsweise kann die Blendenscheibe als beschichtetes Glassubstrat ausgebildet sein. Besonders bevorzugt transmittiert die Blendenscheibe Lichtstrahlung im Bereich der Blenden und dämpft, bzw. absorbiert oder reflektiert die Lichtstrahlung außerhalb der Blenden.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung ist die Blendenscheibe um die Systemachse drehbar ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Blendenscheibe in Abhängigkeit einer Bearbeitungsrichtung der Laserbearbeitungsmaschine drehbar ausgebildet. Hierdurch können die Abbildungen der Lichtstrahlen bezogen auf eine von der Bearbeitungsrichtung abhängige Ausbildung der Prozesszone beibehalten werden. Beispielsweise kann eine sogenannte stechende Abbildung der Prozesszone bei einem Richtungswechsel der Laserbearbeitung um bspw. 90 Grad weiter stechend abgebildet werden, wenn die Blendenscheibe ebenfalls um 90 Grad gedreht wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung weist das optische Abbildungssystem eine der ersten Blende nachgelagerte erste optische Drehentkopplung auf. Die erste optische Drehentkopplung ist typischerweise unabhängig von einer Drehung der Blendenscheibe zur positionstreuen Abbildung der ersten Lichtstrahlen auf dem Bildsensor ausgebildet ist. Mit anderen Worten können die ersten Lichtstrahlen unabhängig von einer Bearbeitungsrichtung der Laserbearbeitungsmaschine auf demselben Abbildungsbereich des Bildsensors abgebildet werden. Hierdurch kann das Zuweisen des Abbildungswinkels zu der Abbildung besonders einfach erfolgen. Weiter können die Abmessungen des Bildsensors besonders kompakt gehalten werden.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung, bei der die Systemachse den Bildsensor in einem Abbildungsschnittpunkt schneidet. Vorzugsweise ist die erste Abbildungslinse in diesem Fall zum zentrischen Abbilden der ersten Lichtstrahlen auf den Abbildungsschnittpunkt ausgebildet. Durch Abbilden der ersten Lichtstrahlen in dem Abbildungsschnittpunkt kann eine ortsfeste Abbildung der ersten Lichtstrahlen erfolgen.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung, bei der die Systemachse zentrisch durch die zweite Blende verläuft, weist die Abbildungsvorrichtung zumindest einen der ersten Abbildungslinse vorgelagerten und der zweiten Blende nachgelagerten optischen Keil auf. Mit anderen Worten begrenzt die zweite Blende in diesem Fall die koaxial mit der Systemachse verlaufenden zweiten Lichtstrahlen, die optisch unabhängig von einer Verdrehung der zweiten Blende sind. Der optische Keil ist vorzugsweise zum gegenüber der Systemachse geneigten Umlenken der zweiten Lichtstrahlen auf die erste Abbildungslinse ausgebildet. Durch Umlenken der zweiten Lichtstrahlen kann eine Position der Abbildung auf dem Bildsensor bestimmt werden. Vorzugsweise werden die zweiten Lichtstrahlen auf einen zum Abbildungsschnittpunkt dezentrierten bzw. beabstandeten Abbildungsbereich auf dem Bildsensor abgebildet. Hierdurch kann eine positionsgetreue und drehunabhängige Abbildung der zweiten Lichtstrahlen ohne Drehentkopplung erfolgen.
Alternativ kann in einer Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung mit einer durch die zweite Blende zentrisch verlaufenden Systemachse vorgesehen sein, dass das optische Abbildungssystem ein erstes optisches Nebensystem mit einer zweiten Abbildungslinse aufweist. Das erste optische Nebensystem, bzw. die zweite Abbildungslinse ist vorzugsweise zum positionstreuen Abbilden der zweiten Lichtstrahlen auf dem Bildsensor ausgebildet. Durch eine zweite Abbildungslinse können optische Überlagerungen der Lichtstrahlen in der ersten Abbildungslinse vermieden und somit die Abbildungsgenauigkeit erhöht werden. Durch Ausbilden eines optischen Nebensystems kann ein von dem optischen Pfad der ersten Lichtstrahlen separierter optischer Pfad mit unterschiedlichen spektralen Transmissionseigenschaften bereitgestellt werden. Hierdurch kann die Abbildung der Prozesszone mit anderen spektralen Eigenschaften erfolgen, wodurch die Analyse der Prozesszone weiter verbessert werden kann.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung, bei der das erste optische Nebensystem einen den Blenden nachgelagerten ersten Umlenkspiegel aufweist, wobei der erste Umlenkspiegel zum Umlenken von zweiten Lichtstrahlen ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der erste Umlenkspiegel zum Umlenken von bestimmten Wellenlängen der zweiten Lichtstrahlen ausgebildet.
Insbesondere können ungewünschte Wellenlängen gefiltert werden. Hierdurch kann die Abbildung der zweiten Lichtstrahlen besonders genau erfolgen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung in Verbindung mit einer dritten Blende kann vorgesehen sein, dass das optische Abbildungssystem ein der dritten Blende nachgelagertes zweites optisches Nebensystem aufweist. Das zweite optische Nebensystem ist vorzugsweise unabhängig von einer Drehung der Blendenscheibe zum positionstreuen Abbilden der dritten Lichtstrahlen, insbesondere auf dem Bildsensor, ausgebildet.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung der Abbildungsvorrichtung, bei der das zweite optische Nebensystem einen den Blenden nachgelagerten zweiten Umlenkspiegel aufweist. Der zweite Umlenkspiegel ist vorzugsweise zum Umlenken von bestimmten Wellenlängen der dritten Lichtstrahlen ausgebildet. Hierdurch kann die Abbildung der dritten Lichtstrahlen in einem vorbestimmten Spektralbereich erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung ist das optische Abbildungssystem zum Abbilden der Lichtstrahlen auf einem einzigen Bildsensor ausgebildet.
Die zugrundeliegende Aufgabe wird zudem gelöst durch eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer vorhergehend und im Folgenden beschriebenen Abbildungsvorrichtung.
Die Laserbearbeitungsmaschine weist typischerweise eine Laserbearbeitungseinheit zur Ausbildung eines Laserstrahls auf. Zudem weist die Laserbearbeitungsmaschine typischerweise eine Maschinensteuerung auf. Die Maschinensteuerung kann zur Steuerung bzw. Regelung der Laserbearbeitungseinheit und/oder der Abbildungsvorrichtung eingerichtet sein.
Vorzugsweise weist die Maschinensteuerung eine Auswertungseinheit auf. Die Auswertungseinheit ist besonders bevorzugt zum Auswerten der Abbildungen auf dem Bildsensor eingerichtet.
Ferner wird die zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln von Prozessgrößen der Prozesszone mittels der vorhergehend und im Folgenden beschriebenen Abbildungsvorrichtung. Das Verfahren weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf.
In einem Verfahrensschritt wird zumindest eine erste Abbildung und zumindest eine zweite Abbildung der Prozesszone erstellt. Die Abbildungen werden typischerweise durch die ersten und zweiten Lichtstrahlen auf dem Bildsensor erzeugt.
Vorzugsweise kann eine dritte Abbildung durch die dritten Lichtstrahlen erzeugt werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden zumindest der erste Abbildungswinkel und der zweite Abbildungswinkel bereitgestellt. Die Abbildungswinkel können beispielsweise von der Maschinensteuerung und/oder von einem Bediener der Abbildungsvorrichtung bereitgestellt werden.
In einem anschließenden Verfahrensschritt wird zumindest die erste Abbildung mit der zweiten Abbildung verglichen. Vorzugsweise werden die geometrischen Inhalte der Abbildungen miteinander verglichen.
Auf Grundlage des Vergleichs wird zumindest eine Prozessgröße ermittelt bzw. berechnet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 zeigt eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung, wobei die Abbildungsvorrichtung einen Bildsensor und ein optisches Abbildungssystem aufweist;
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung;
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung;
Fig. 4 zeigt den Bildsensor aus Fig. 3 in einer schematischen Darstellung;
Fig. 5 zeigt die Blendenscheibe aus Fig. 3 in einer schematischen Ansicht; Fig. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer schematischen Darstellung.
Fig. 1 zeigt eine Laserbearbeitungsmaschine 10 mit einer Abbildungsvorrichtung 12 zum Abbilden einer Prozesszone 14 der Laserbearbeitungsmaschine 10. Die Prozesszone 14 ist im dargestellten Fall als ein Bearbeitungsbereich bzw. Bestrahlungsbereich eines nicht näher dargestellten Laserstrahls der Laserbearbeitungsmaschine 12 ausgebildet.
Der Laserstrahl tritt während eines Bearbeitungsprozesses durch eine Bearbeitungsdüse 16 der Laserbearbeitungsmaschine 10 in Richtung eines zu bearbeitenden Werkstücks 18 aus. Zur besseren Bearbeitung kann das Werkstück 18 wie im dargestellten Fall auf einer, vorzugsweise stegartigen, Werkstückauflage 20 aufliegen. Durch Bestrahlen des Werkstücks 18 kann dieses im Wirkungsbereich des Laserstrahls aufgeschmolzen und/oder zumindest teilweise verdampft werden. Wird die Laserbearbeitungsmaschine 10 dabei in einer Bearbeitungsrichtung 22 bewegt, kann das zu bearbeitende Werkstück 18 bspw. entlang einer Schnittkante 24 geschnitten werden. Im Übergangsbereich zwischen dem Werkstück 18 und der Schnittkante 24 bildet sich dabei in Abhängigkeit einer Bestrahlungsdauer durch den Laserstrahl eine Bearbeitungsfront 26 an dem Werkstück 18 aus. Aus der Ausbildung der Bearbeitungsfront 26 können wichtige Informationen über den Bearbeitungsprozess abgeleitet werden. Die Ausbildung der Bearbeitungsfront 26 ist daher zur Steuerung bzw. Regelung der Laserbearbeitungsmaschine 10 maßgeblich und muss beispielsweise zur Sicherstellung einer hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit und/oder Bearbeitungsgüte überwacht werden.
Die Abbildungsvorrichtung 12 ist gemäß der gezeigten Ausführungsform an der Laserbearbeitungsmaschine 10 angeordnet, vorzugsweise in die Laserbearbeitungsmaschine 10 integriert. Die Abbildungsvorrichtung 12 umfasst einen Bildsensor 28 und ein zwischen der Prozesszone 14 und dem Bildsensor 28 angeordnetes optisches Abbildungssystem 30. Das optische Abbildungssystem 30 ist entlang einer Systemachse 32 ausgebildet, die zwischen dem Bildsensor 28 und der Prozesszone 14 verläuft. Vorzugsweise ist die Systemachse 32 als optische Achse des optischen Abbildungssystems 30 ausgebildet. Mit anderen Worten kann das optische Abbildungssystem 30 zumindest überwiegend rotationssymmetrisch zur Systemachse 32 ausgebildet sein. Die Systemachse 32 ist weiter vorzugsweise orthogonal zu dem zu bearbeitenden Werkstück 18 ausgebildet. Das optische Abbildungssystem 30, insbesondere die gesamte Abbildungsvorrichtung 12, kann orthogonal zu dem zu bearbeitenden Werkstück 18 angeordnet sein.
Das optische Abbildungssystem 30 weist eine zur Systemachse 32 radial beabstandete erste Blende 34 auf. Zudem weist das optische Abbildungssystem 30 eine zweite Blende 36 auf. Die zweite Blende 36 ist von der ersten Blende 34, insbesondere radial, beabstandet angeordnet. Gemäß der gezeigten Ausführungsform kann die zweite Blende 36 zentrisch zur Systemachse 32 angeordnet sein.
Die erste Blende 34 begrenzt von der Prozesszone 14 unter einem ersten Abbildungswinkel 38 abgestrahlte erste Lichtstrahlen 40. Die zweite Blende 36 begrenzt von der Prozesszone 14 unter einem zweiten Abbildungswinkel 42 abgestrahlte zweite Lichtstrahlen 44. Die Abbildungswinkel 38, 42 können als Neigung der jeweiligen Lichtstrahlen 40, 44 gegenüber der Systemachse 32 bestimmt werden. Gemäß der dargestellten Ausführungsform werden die zweiten Lichtstrahlen 44 parallel zur Systemachse 32 abgestrahlt, weshalb der zweite Abbildungswinkel 42 hier betragsmäßig null Grad ist. Der erste Abbildungswinkel 38 ist zu dem zweiten Abbildungswinkel 42 betragsmäßig verschieden ausgebildet. Vorzugsweise weist der erste Abbildungswinkel einen Betrag zwischen drei Grad und vier Grad auf.
Die ersten Lichtstrahlen 40 und die zweiten Lichtstrahlen 44 werden durch das optische Abbildungssystem 30 örtlich getrennt auf dem Bildsensor 28 abgebildet. Dies ermöglicht eine perspektivische Betrachtung der Prozesszone 14. Rein zur kompakteren Darstellung sind die Strahlengänge der ersten Lichtstrahlen 40 und der zweiten Lichtstrahlen 44 durch zwei horizontale Linien 46 unterbrochen dargestellt.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform kann das optische Abbildungssystem 30 eine Prozesszonenblende 48 - hier an der Bearbeitungsdüse 16 ausgebildet - aufweisen. Die Prozesszonenblende 48 begrenzt die von der Prozesszone 14 abgestrahlten Lichtstrahlen, beispielsweise die ersten und die zweiten Lichtstrahlen 40, 44. Hierdurch kann Streustrahlung verringert und die Abbildung der ersten und zweiten Lichtstrahlen 40, 44 verbessert werden.
Das optische Abbildungssystem 30 kann eine Richtlinse 50 aufweisen. Die Richtlinse 50 kann zwischen der Prozesszone 14, insbesondere zwischen der Prozesszonenblende 48, und der ersten und/oder der zweiten Blende 34, 36 angeordnet sein. Vorzugsweise richtet die Richtlinse 50 die von der Prozesszone 14 abgestrahlten ersten und/oder zweiten Lichtstrahlen 40, 44 parallel zur Systemachse 32 aus. Hierdurch kann die Abbildungsvorrichtung 12 in ihren Abmessungen radial zur Systemachse 32 kompakt gehalten werden.
Das optische Abbildungssystem 30 weist eine erste Abbildungslinse 52 auf. Die erste Abbildungslinse 52 ist zwischen den Blenden 34, 36 und dem Bildsensor 28 angeordnet. Die erste Abbildungslinse 52 ist typischerweise dazu ausgebildet, die ersten Lichtstrahlen 40 und/oder die zweiten Lichtstrahlen 44 auf dem Bildsensor 28 abzubilden. Wie in Fig. 1 dargestellt bildet die Abbildungslinse 52 die ersten Lichtstrahlen 40 in einem ersten Abbildungsbereich 54 und die zweiten Lichtstrahlen 44 in einem zweiten Abbildungsbereich 56 auf dem Bildsensor 28 ab. Der erste Abbildungsbereich 54 ist von dem zweiten Abbildungsbereich 56 örtlich getrennt.
Ausführungsgemäß ist ein einzelner Bildsensor 28 vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Abbildungsvorrichtung 12 mehrere Bildsensoren 28 zum Abbilden der Lichtstrahlen 40, 44 aufweist. Der Bildsensor 28 sowie die Abbildungsbereiche 54, 56 mit den auf dem Bildsensor 28 abgebildeten ersten und zweiten Lichtstrahlen 40, 44 sind zur besseren Erläuterung als Draufsicht in einer Detaildarstellung gezeigt.
Die ersten Lichtstrahlen 40 sind gemäß Fig. 1 in die Bearbeitungsrichtung 22 geneigt, wodurch eine „stechende Abbildung“ der Prozesszone 14 bewirkt wird. Mit anderen Worten ermöglicht eine „stechende Abbildung“ eine geneigte Ansicht auf die Prozesszone 14 und die Bearbeitungsfront 26 in Bearbeitungsrichtung 22. Hieraus kann beispielsweise eine von dem ersten Abbildungswinkel 38 abhängige erste Länge 58 der Bearbeitungsfront 26 ermittelt werden.
Die zweiten Lichtstrahlen 44 weisen keine Neigung zur Systemachse 32 auf, wodurch eine „mittige Abbildung“ der Prozesszone 14 bewirkt wird. Mit anderen Worten ermöglicht eine „mittige Abbildung“ eine zentrale Ansicht auf die Prozesszone 14 und die Bearbeitungsfront 26 unabhängig von der Bearbeitungsrichtung 22. Hieraus kann beispielsweise eine von dem zweiten Abbildungswinkel 42 abhängige zweite Länge 60 der Bearbeitungsfront 26 ermittelt werden.
In einem geometrischen Vergleich der ermittelten Längen 58, 60 der Bearbeitungsfront 26 können anschließend weitere geometrische Größen der Prozesszone 14, beispielsweise eine momentane Eindringtiefe des Laserstrahls, ermittelt werden.
Das optische Abbildungssystem 30 kann eine Blendenscheibe 62 aufweisen. Die Blendenscheibe 62 ist zur besseren Erläuterung als Draufsicht in einer weiteren Detaildarstellung gezeigt. Die erste Blende 34 und die zweite Blende 36 können an der (gemeinsamen) Blendenscheibe 62 ausgebildet sein. Dies begünstigt eine genaue Positionierung der ersten Blende 34 zu der zweiten Blende 36, was sich vorteilhaft auf die Abbildungsgenauigkeit der Prozesszone 14 auswirkt.
Die Blendenscheibe 62 kann, wie durch den Pfeil 64 gekennzeichnet, um die Systemachse 32 drehbar ausgebildet sein. Dies ermöglicht das Anpassen der Abbildungsvorrichtung 12 an eine geänderte Bearbeitungsrichtung 22 der Laserbearbeitungsmaschine 10. Wird beispielsweise die in Fig. 1 dargestellte Bearbeitungsrichtung 22 umgekehrt, bildet das optische Abbildungssystem 30 die Prozesszone 14 entgegen der Bearbeitungsrichtung 22 ab. Durch Drehen der Blendenscheibe 62 um 180 Grad kann dies verhindert werden.
Das optische Abbildungssystem 30 kann, wie dargestellt, eine erste Drehentkopplung 66 aufweisen. Die erste Drehentkopplung 66 ist der ersten Blende 34 nachgelagert. Die erste Drehentkopplung 66 ist gemäß der gezeigten Ausführungsform als eine um die Systemachse 32 rotationssymmetrisch ausgebildete Sammellinse, hier in Form der Abbildungslinse 52, ausgebildet. Die Systemachse 32 entspricht dabei der optischen Achse der Abbildungslinse 52. Die erste Drehentkopplung 66 bildet die durch die erste Blende 34 begrenzten ersten Lichtstrahlen 40 in dem Abbildungsbereich 54 des Bildsensors 28 ab. Der Abbildungsbereich 54 ist zentrisch zu einem Abbildungsschnittpunkt 68 der Systemachse 32 mit dem Bildsensor 28 angeordnet, sodass die Abbildung der ersten Lichtstrahlen 40 unabhängig von einer zur Systemachse 32 ausgebildeten Verschiebung bzw. Verdrehung der ersten Blende 34 um die Systemachse 32 positionstreu erfolgen kann. Mit anderen Worten können die ersten Lichtstrahlen 40 unabhängig von einer Verdrehung der ersten Blende 34 in dem ortsfesten Abbildungsbereich 54 abgebildet werden. Die Position der Abbildung auf dem Bildsensor 28 ändert sich mithin nicht.
Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist das optische Abbildungssystem 30 zum örtlich beabstandeten Abbilden der zweiten Lichtstrahlen 44 auf dem Bildsensor 28 einen optischen Keil 70 auf. Der optische Keil 70 ist dazu eingerichtet, die zweiten Lichtstrahlen 44 gegenüber der Systemachse 32 geneigt auf die Abbildungslinse 52 zu richten. Ein geneigtes Anstrahlen der Abbildungslinse 52 bewirkt das vom Abbildungsschnittpunkt 70 radial beabstandete Abbilden der zweiten Lichtstrahlen 44 auf dem Bildsensor 28. Aufgrund der zentrischen Anordnung der zweiten Blende 36 auf der Systemachse 32 kann eine positionstreue Abbildung der zweiten Lichtstrahlen 44 unabhängig von einem Verdrehen der zweiten Blende 36 um die Systemachse 32 in dem Abbildungsbereich 56 des Bildsensors 28 erfolgen. Eine Drehentkopplung kann bei dieser Ausführungsform entfallen.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Abbildungsvorrichtung 12 in einer schematischen Darstellung. Ein optisches Abbildungssystem 30 weist eine erste Drehentkopplung 66 auf, die mittels einer ersten Abbildungslinse 52 eine verdrehunabhängige und positionstreue Abbildung erster Lichtstrahlen 40 im Abbildungsbereich 54 auf einem Bildsensor 28 ermöglicht.
Daneben weist das optische Abbildungssystem 30 ein erstes optisches Nebensystem 72 auf. Das optische Nebensystem 72 ist zum von den ersten Lichtstrahlen 40 örtlich getrennten Abbilden der zweiten Lichtstrahlen 44 auf dem Bildsensor 28 ausgebildet. Das erste optische Nebensystem 72 weist gemäß der gezeigten Ausführungsform einen ersten Umlenkspiegel 74, einen zweiten Umlenkspiegel 76, eine zweite Abbildungslinse 78 und ein Abbildungsprisma 80 auf.
Der erste Umlenkspiegel 74 ist zwischen den Blenden 34, 36 und der ersten Abbildungslinse 52 angeordnet und zum Umlenken zweiter Lichtstrahlen 44 eingerichtet. Darstellungsgemäß können die zweiten Lichtstrahlen 44 durch den ersten Umlenkspiegel 74 an der ersten Abbildungslinse 52 vorbei auf einen zweiten Umlenkspiegel 76 gelenkt werden.
Der zweite Umlenkspiegel 76 kann zum Ausrichten der zweiten Lichtstrahlen 44 ausgebildet sein. Vorzugsweise richtet der zweite Umlenkspiegel 76 die zweiten Lichtstrahlen 44 parallel zur Systemachse 32 aus. Mit anderen Worten erfolgt durch die Umlenkspiegel 74, 76 eine Parallelverschiebung der zweiten Lichtstrahlen 44 bzw. eine radiale Beabstandung der zweiten Lichtstrahlen 44 von der Systemachse 32. Die zweiten Lichtstrahlen 44 können anschließend mittels der zweiten Abbildungslinse 78 auf den Bildsensor 28 abgebildet werden, wodurch die Abbildungsqualität verbessert werden kann.
Um die Abmessungen des Bildsensors 28 gering zu halten, kann, wie dargestellt, vorgesehen sein, dass die durch die Umlenkspiegel 74, 76 bedingte radiale Beabstandung teilweise oder vollständig durch das Abbildungsprisma 80 ausgeglichen wird.
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Abbildungsvorrichtung 12 in einer schematischen Darstellung.
Ein optisches Abbildungssystem 30 weist eine zur Systemachse 32 radial beabstandete erste Blende 34, eine zweite Blende 36 und eine dritte Blende 82 auf. Die Blenden 34, 36, 82 können an einer gemeinsamen Blendenscheibe 62 ausgebildet sein.
Durch die erste Blende 34 begrenzte erste Lichtstrahlen 40 werden mittels einer Abbildungslinse 52 in einem ersten Abbildungsbereich 54 auf einen Bildsensor 28 abgebildet. Zweite Lichtstrahlen 44 werden analog zur Fig. 2 mittels einem ersten optischen Nebensystem 72 bzw. einer zweiten Abbildungslinse 78 in einem zweiten Abbildungsbereich 56 auf dem Bildsensor 28 abgebildet.
Die dritte Blende 82 kann von der ersten Blende 34 und/oder von der zweiten Blende 36, insbesondere radial, beabstandet angeordnet sein. Die dritte Blende 36 ist typischerweise zum Begrenzen von dritten Lichtstrahlen 84 ausgebildet, die unter einem dritten Abbildungswinkel 86 von der Prozesszone 14 abgestrahlt werden. Der dritte Abbildungswinkel 86 kann entgegen der Bearbeitungsrichtung 22 geneigt ausgebildet sein. Das optische Abbildungssystem 30 ist zum Abbilden der dritten Lichtstrahlen 84 auf dem Bildsensor 28, insbesondere in einem dritten Abbildungsbereich 88, ausgebildet. Das optische Abbildungssystem 30 kann darstellungsgemäß ein zweites optisches Nebensystem 90 aufweisen, das zum Abbilden der dritten Lichtstrahlen 84 auf dem Bildsensor 28 eingerichtet ist. Das zweite optische Nebensystem 90 kann einen dritten Umlenkspiegel 92, einen vierten Umlenkspiegel 94, eine dritte Abbildungslinse 96 und ein zweites Abbildungsprisma 98 aufweisen.
Das zweite optische Nebensystem 90 kann anlog zu dem ersten optischen Nebensystem 72 zum radialen Beabstanden der dritten Lichtstrahlen 84 eingerichtet sein. Zu diesem Zweck kann zunächst ein Auslenken der ersten Lichtstrahlen 84 aus einer Richtung parallel zu der Systemachse 32 mit anschließendem erneuten parallelen Ausrichten gegenüber der Systemachse 32 der ausgelenkten dritten Lichtstrahlen 84 vorgesehen sein. Eine Abbildung der dritten Lichtstrahlen 84 kann so über die dritte Abbildungslinse 96 und das Abbildungsprisma 98 in dem, insbesondere ortsfesten, dritten Abbildungsbereich 88 positionstreu erfolgen.
Gemäß der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist das zweite optische Nebensystem 90 zudem als eine zweite Drehentkopplung 100 ausgebildet. Dies ermöglicht die positionstreue Abbildung der dritten Lichtstrahlen 84 auch bei Verdrehen der dritten Blende 82, bzw. der Blendenscheibe 62.
Der dritte Umlenkspiegel 92 des zweiten optischen Nebensystems 90 kann in einer zur Systemachse 32 orthogonalen Ebene rotationssymmetrisch zur Systemachse 32 ausgebildet sein. Der dritte Umlenkspiegel 92 kann in der zur Systemachse 32 orthogonalen Ebene kreisringartig ausgebildet sein, wobei der Innendurchmesser kleiner als ein kleinster Abstand der dritten Blende 82 von der Systemachse 32 ist und wobei der Außendurchmesser größer als ein größter Abstand der dritten Blende 82 von der Systemachse 32 ist. Vorzugsweise ist der Umlenkspiegel 92 in der zur Systemachse 32 orthogonalen Ebene als umlaufender Kreisring ausgebildet. Mit anderen Worten weist der Umlenkspiegel 92 in der zur Systemachse 32 projizierten Ebene Abmessungen auf, die zumindest der um laufenden Projektionsfläche der dritten Blende 82 entsprechen. Hierdurch kann eine größtmögliche Unabhängigkeit von der Verdrehung der dritten Blende 82 bewirkt werden. Eine kreisringartige Ausbildung des dritten Umlenkspiegels 92 ermöglicht das optisch ungehinderte Passieren der ersten Lichtstrahlen 40 und der zweiten Lichtstrahlen 44, falls die Blenden 34, 36, 82 jeweils voneinander radial beabstandete umlaufende Projektionsflächen aufweisen - mit anderen Worten, wenn sich die umlaufenden Projektionsflächen der Blenden 34, 36, 82 nicht überschneiden.
Alternativ kann, wie in Fig. 3 dargestellt, vorgesehen sein, dass der Umlenkspiegel 92 zum Umlenken von Lichtstrahlen in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich eingerichtet ist, wobei Lichtstrahlen außerhalb des vorbestimmten Wellenlängenbereichs transmittiert werden. Hierfür kann vorgesehen sein, dass dem Umlenkspiegel 92 zumindest ein optischer Bandpassfilter 102 vorgeschaltet ist. Vorzugsweise weisen die Blenden 34, 36, 82 jeweils einen optischen Bandpassfilter 102 auf, der den Wellenlängenbereich der jeweiligen Lichtstrahlen 40, 44, 84 vorbestimmt. Hierdurch können Lichtstrahlen 40, 44, 84, die sich überlagernde umlaufende Projektionsflächen aufweisen, optisch getrennt werden.
Ebenso ist eine Erfassung weiterer Informationen anhand von Polarisationseigenschaften möglich. Hierzu kann es vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Blenden 34, 36, 82 alternativ oder zusätzlich zu dem optischen Bandpassfilter 102 einen Polarisationsfilter, beispielsweise zur Filterung s- und p- polarisierter Lichtstrahlen, aufweist. Mittels eines Polarisationsfilters sind entsprechend „polarisierte“ Abbildungen darstellbar und/oder messtechnisch nutzbar.
Fig. 4 zeigt den Bildsensor 28 aus Fig. 3 in einer schematischen Ansicht. Abbildungsbereiche 54, 56, 88 sind örtlich voneinander beabstandet und ortsfest auf dem Bildsensor 28 angeordnet. Mit anderen Worten verändern sich die Positionen der Abbildungsbereiche 54, 56, 88 auf dem Bildsensor 28 nicht, wenn die Bearbeitungsrichtung 22 (siehe Fig. 1 ) bzw. die Drehlage der Blendenscheibe 62 (siehe Figuren 1 -3, 5) geändert wird.
Der erste Abbildungsbereich 54 zeigt eine „stechende Abbildung“ der Prozesszone
14 (siehe Fig. 1 ), wodurch beispielsweise die von dem ersten Abbildungswinkel 38 (siehe Fig. 1 ) abhängige erste Länge 58 der Bearbeitungsfront 26 ermittelt werden kann. Weiterhin zeigt der zweite Abbildungsbereich 56 eine „mittige Abbildung“ der Prozesszone 14, wodurch beispielsweise eine von dem zweiten Abbildungswinkel 42 (siehe Fig. 1 ) abhängige zweite Länge 60 der Bearbeitungsfront 26 ermittelt werden kann. Zudem zeigt der dritte Abbildungsbereich 88 eine durch den dritten Abbildungswinkel 86 bewirkte „schleppende Darstellung“ der Prozesszone 14 (siehe Fig. 3) entgegen der Bearbeitungsrichtung 22 (siehe Fig. 3), wodurch beispielsweise eine dritte Länge 104 der Bearbeitungsfront 26 ermittelt werden kann.
Durch die zusätzlichen Informationen über die dritte Abbildung kann die Bestimmung von geometrischen Größen der Prozesszone 14 noch weiter verbessert werden.
Fig. 5 zeigt die Blendenscheibe 62 aus Fig. 3 in einer schematischen Ansicht.
Die Blendenscheibe 62 ist, gemäß dem Pfeil 64, drehbar um die Systemachse 32 ausgebildet. Die Blenden 34, 36, 82 sind örtlich getrennt voneinander an der Blendenscheibe 62 ausgebildet. Die zweite Blende 36 ist zentrisch zur Systemachse 32 an der Blendenscheibe 62 ausgebildet.
Die erste Blende 34 und die dritte Blende 82 sind um 180 Grad versetzt an der Blendenscheibe 62 ausgebildet und weisen verschiedene radiale Abstände zur Systemachse 32 auf.
Eine durch einen gestrichelten Kreisring angedeutete Spur 106 der ersten Blende 34 überschneidet sich mit der dritten Blende 82. Hierdurch kann es zu optischen Überlagerungen bei den ersten und dritten Lichtstrahlen 40, 84 kommen, wodurch die Abbildungen auf dem Bildsensor 28 (Figuren 1-4) undeutlich werden. Um eine optische Überlagerung zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass die Blenden 34, 36, 82, hier insbesondere die erste und die dritte Blende 34, 82, einen optischen Bandpassfilter 102 aufweisen. Fig. 6 zeigt schematisch dargestellt ein Verfahren 108 zum Ermitteln von, insbesondere geometrischen, Prozessgrößen einer Prozesszone 14 (siehe Fig. 1 ) mittels einer Abbildungsvorrichtung 12 (siehe Fig. 1 ).
Das Verfahren 108 weist die nachfolgenden Verfahrensschritte (siehe nachfolgend auch Fig. 1 ) auf.
In einem Verfahrensschritt 110 wird eine erste Abbildung und eine zweite Abbildung der Prozesszone 14 erstellt. Die erste und die zweite Abbildung werden typischerweise durch Abbilden von ersten und zweiten Lichtstrahlen 40, 44 in einem ersten und zweiten Abbildungsbereich 54, 56 eines Bildsensors 28 erstellt.
In einem weiteren Verfahrensschritt 112 wird der erste Abbildungswinkel 38 und ein zweiter Abbildungswinkel 42 bereitgestellt.
Ein anschließender Verfahrensschritt 114 sieht das geometrisches Vergleichen der ersten Abbildung mit der zweiten Abbildung vor, wobei zumindest eine Prozessgröße durch den geometrischen Vergleich ermittelt bzw. berechnet wird.
Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung eine Abbildungsvorrichtung (12) zum Abbilden einer Prozesszone (14) einer Laserbearbeitungsmaschine (10), umfassend einen Bildsensor (28) und ein zwischen der Prozesszone (14) und dem Bildsensor (28) angeordnetes optisches Abbildungssystem (30). Das optische Abbildungssystem (30) weist eine zwischen dem Bildsensor (28) und der Prozesszone (14) verlaufende Systemachse (32), eine zur Systemachse (32) radial beabstandete erste Blende (34) und eine zweite Blende (36) auf. Von der Prozesszone (14) unter verschiedenen Abbildungswinkeln (38, 42) abgestrahlte Lichtstrahlen (40, 44) werden durch die Blenden (34, 36) begrenzt. Das optische Abbildungssystem (30) ist zum örtlich getrennten Abbilden der ersten Lichtstrahlen (40) von den zweiten Lichtstrahlen (44) ausgebildet. Die Erfindung betrifft ferner eine Laserbearbeitungsmaschine (10) mit einer Abbildungsvorrichtung (12) sowie ein Verfahren zum Ermitteln von Prozessgrößen. Bezugszeichenliste
Laserbearbeitungsmaschine Abbildungsvorrichtung Prozesszone
Bearbeitungsdüse Werkstück
Werkstückauflage Bearbeitungsrichtung Schnittkante
Bearbeitungsfront
Bildsensor optisches Abbildungssystem Systemachse erste Blende zweite Blende erster Abbildungswinkel erste Lichtstrahlen zweiter Abbildungswinkel zweite Lichtstrahlen horizontale Linien
Prozesszonenblende
Richtlinse erste Abbildungslinse erster Abbildungsbereich zweiter Abbildungsbereich erste Länge zweite Länge
Blendenscheibe
Pfeil erste Drehentkopplung Abbildungsschnittpunkt optischer Keil erstes optisches Nebensystem erster Umlenkspiegel zweiter Umlenkspiegel zweite Abbildungslinse Abbildungsprisma dritte Blende dritte Lichtstrahlen dritter Abbildungswinkel dritter Abbildungsbereich zweites optisches Nebensystem dritter Umlenkspiegel vierter Umlenkspiegel dritte Abbildungslinse zweites Abbildungsprisma zweite Drehentkopplung optischer Bandpassfilter dritte Länge
Spur
Verfahren
Verfahrensschritt
Verfahrensschritt
Verfahrensschritt

Claims

Patentansprüche Abbildungsvorrichtung (12) zum Abbilden einer Prozesszone (14) einer Laserbearbeitungsmaschine (10), umfassend einen Bildsensor (28) und ein zwischen der Prozesszone (14) und dem Bildsensor (28) angeordnetes optisches Abbildungssystem (30); wobei das optische Abbildungssystem (30) aufweist:
- eine zwischen dem Bildsensor (28) und der Prozesszone (14) verlaufende Systemachse (32);
- eine zur Systemachse (32) radial beabstandete erste Blende (34), die von der Prozesszone (14) unter einem ersten Abbildungswinkel (38) abgestrahlte erste Lichtstrahlen (40) begrenzt;
- Eine zweite Blende (36), die von der Prozesszone (14) unter einem zweiten Abbildungswinkel (42) abgestrahlte zweite Lichtstrahlen (44) begrenzt;
- eine zwischen den Blenden (34, 36, 82) und dem Bildsensor (28) angeordnete erste Abbildungslinse (52), die zum Abbilden von Lichtstrahlen (40, 44, 84) auf dem Bildsensor (28) ausgebildet ist; wobei der erste Abbildungswinkel (38) verschieden zu dem zweiten Abbildungswinkel (42) ist; und wobei das optische Abbildungssystem (30) zum örtlich getrennten Abbilden der ersten Lichtstrahlen (40) von den zweiten Lichtstrahlen (44) ausgebildet ist. Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 1 , wobei das optische Abbildungssystem (30) ferner eine zwischen der Prozesszone (14) und den Blenden (34, 36, 82) angeordnete Richtlinse (50) aufweist, die von der Prozesszone (14) abgestrahlte Lichtstrahlen (40, 44, 84) parallel zur Systemachse (32) auf die Blenden (34, 36, 82) ausrichtet. Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische Abbildungssystem (30) eine dritte Blende (82) aufweist, die von der Prozesszone (14) unter einem dritten Abbildungswinkel (86) abgestrahlte dritte Lichtstrahlen (84) begrenzt. Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 3, wobei der dritte Abbildungswinkel (86) verschieden zu dem ersten und/oder dem zweiten Abbildungswinkel (38, 42) ist. Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 3 oder 4, wobei das optische Abbildungssystem (30) zum örtlich getrennten Abbilden der dritten Lichtstrahlen (84) von den ersten und/oder den zweiten Lichtstrahlen (40, 44) auf dem Bildsensor (28) ausgebildet ist. Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Abbildungssystem (30) eine Prozesszonenblende (48), insbesondere eine Bearbeitungsdüse (16) der Laserbearbeitungsmaschine (10), zum Begrenzen der von der Prozesszone (14) abgestrahlten Lichtstrahlen (40, 44, 84) aufweist. Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Blenden (34, 36, 82) an einer gemeinsamen Blendenscheibe (62) ausgebildet sind. Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 7, wobei die Blendenscheibe (62) um die Systemachse (32) drehbar ausgebildet ist. Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 8, wobei das optische Abbildungssystem (30) eine der ersten Blende (34) nachgelagerte erste optische Drehentkopplung (66) aufweist; wobei die erste optische Drehentkopplung (66) unabhängig von einer Drehung der Blendenscheibe (62) zur positionstreuen Abbildung der ersten Lichtstrahlen (40) auf dem Bildsensor (28) ausgebildet ist. Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 9, wobei die Systemachse (32) den Bildsensor (28) in einem Abbildungsschnittpunkt (68) schneidet; und wobei die erste Abbildungslinse (52) zum zentrischen Abbilden der ersten Lichtstrahlen (40) auf den Abbildungsschnittpunkt (68) ausgebildet ist. Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Systemachse (32) zentrisch durch die zweite Blende (36) verläuft; aufweisend einen der ersten Abbildungslinse (52) vorgelagerten optischen Keil (70), der zum gegenüber der Systemachse (32) geneigten Umlenken der zweiten Lichtstrahlen (44) auf die erste Abbildungslinse (52) ausgebildet ist. Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Systemachse (32) zentrisch durch die zweite Blende (36) verläuft; wobei das optische Abbildungssystem (30) ein erstes optisches Nebensystem (72) mit einer zweiten Abbildungslinse (78) aufweist; und wobei die zweite Abbildungslinse (78) zum positionstreuen Abbilden der zweiten Lichtstrahlen (44) ausgebildet ist. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei das erste optische Nebensystem (72) einen den Blenden (34, 36, 82) nachgelagerten ersten Umlenkspiegel (74) aufweist, wobei der erste Umlenkspiegel (74) zum Um lenken von bestimmten Wellenlängen der zweiten Lichtstrahlen (44) ausgebildet ist. Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 8 bis 13 in Verbindung mit einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das optische Abbildungssystem (30) ein der dritten Blende (82) nachgelagertes zweites optisches Nebensystem (90) mit einer dritten Abbildungslinse (96) aufweist; und wobei die dritte Abbildungslinse (96) zum positionstreuen Abbilden der dritten Lichtstrahlen (84) ausgebildet ist. Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 14, wobei das zweite optische Nebensystem (90) als eine zweite optische Drehentkopplung (100) ausgebildet ist; wobei die zweite optische Drehentkopplung (100) zum von einer Drehung der Blendenscheibe (62) unabhängigen positionstreuen Abbilden der dritten Lichtstrahlen (84) ausgebildet ist. Abbildungsvorrichtung (12) nach Anspruch 15, wobei die zweite optische Drehentkopplung (100) einen den Blenden (34, 36, 82) nachgelagerten dritten Umlenkspiegel (92) aufweist, wobei der dritte Umlenkspiegel (92) zum Umlenken von bestimmten Wellenlängen der dritten Lichtstrahlen (84) ausgebildet ist. Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen einzigen Bildsensor (28); wobei das optische Abbildungssystem (30) zum Abbilden der Lichtstrahlen (40, 44, 84) auf dem einzigen Bildsensor (28) ausgebildet ist. Laserbearbeitungsmaschine (10) mit einer Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Verfahren (108) zum Ermitteln von, insbesondere geometrischen, Prozessgrößen einer Prozesszone (14) mittels einer Abbildungsvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, aufweisend die Schritte:
- Erstellen (110) von einer ersten Abbildung und einer zweiten Abbildung der Prozesszone (14);
- Bereitstellen (112) des ersten Abbildungswinkels (38) und des zweiten Abbildungswinkels (42);
- Geometrisches Vergleichen der ersten Abbildung mit der zweiten Abbildung; wobei zumindest eine Prozessgröße durch den geometrischen Vergleich ermittelt wird.
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