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Die
Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführenden
Laserbearbeitungsvorgangs.
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Um
einen Laserbearbeitungsvorgang, insbesondere einen Schweiß- oder
Schneidprozess überwachen
zu können,
werden je nach Aufgabenstellung verschiedene Sensoren zur Erfassung
der aus einer durch den Arbeitsfokus bestimmten Arbeits- oder Wechselwirkungszone
kommenden Strahlung eingesetzt. So sind standardmäßig UV-Sensoren
zur Überwachung
eines sich über
der Wechselwirkungszone bildenden Plasmas und ein Rückreflexsensor vorgesehen,
der die Rückstrahlung
des Lasers aus der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und einem
zu bearbeitenden Werkstück
erfasst. Ferner werden zur Überwachung
des Laserbearbeitungsvorgangs Temperaturfühler oder Infrarotsensoren eingesetzt,
durch die eine Randaufschmelzung und das Temperaturprofil bei der
Bearbeitung überwacht werden
können.
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Um
sehr kleine Störungen
beim Laserbearbeitungsvorgang erfassen zu können, wird üblicher Weise vor dem strahlungsempfindlichen
Empfänger zur
Erfassung der Infrarotstrahlung eine Ortsfilterblende angeordnet,
auf welche die Wechselwirkungszone zwischen Werkstück und Laser
abgebildet wird, wodurch ein bestimmtes Beobachtungsfeld der Wechselwirkungszone
ausgewählt
werden kann. Durch die Ortsfilterblende kann ein definiertes, beliebig
gestaltbares Beobachtungsfeld festgelegt werden, das beispielsweise
Punkt- oder linienförmig ist. Ferner
kann die Ortsfilterblende eine Lochblende sein, wodurch beispielsweise
die aus dem Bereich des Arbeitsfokus kommende Strahlung detektiert werden
kann. Es ist jedoch auch vorstellbar, die Ortsfilterblende als inverse
Blende zum Abdecken eines zentralen Bereichs auszugestalten, wodurch
gerade der Bereich des Arbeitsfokus ausgeblendet und lediglich der
den Arbeitsbrennpunkt umgebende Bereich überwacht wird.
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Aus
der
DE 101 20 251
A1 ist eine Sensorvorrichtung bekannt, welche eine solche
Ortsfilterblende einsetzt. Bei dieser Vorrichtung wird das auszuwählende Beobachtungsfeld
relativ zur Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück durch
ein Verschieben der Ortsfilterblende in einer Richtung senkrecht
zur optischen Achse eines Beobachtungsstrahlengangs vor einem entsprechenden strahlungsempfindlichen
Empfänger
festgelegt.
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Um
das bestimmte Beobachtungsfeld auszuwählen, wird eine Lichtquelle
gegen den strahlungsempfindlichen Empfänger ausgetauscht, wodurch
die von der Empfängerseite
her beleuchtete Ortsfilterblende auf das Werkstück abgebildet wird, wodurch das
Beobachtungsfeld durch Justieren der Ortsfilterblende bestimmt werden
kann.
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Der
Austausch der Empfängeranordnung gegen
eine Lichtquelle ist jedoch aufgrund der geringen Bauteilgröße aufwendig,
wobei der in der Regel empfindliche Empfänger durch den Austauschvorgang
beschädigt
werden kann. Darüber
hinaus kann durch den Austauschvorgang aufgrund des Öffnens des
Sensormoduls Schmutz in das Modul eindringen, wodurch weitere Sensoren
oder optische Bauteile in der Sensorvorrichtung in Mitleidenschaft
gezogen werden.
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Die
DE 100 60 176 A1 beschreibt
einen Laserbearbeitungskopf. Für
eine Anpassung von Sensoren an eine jeweilige Bearbeitungsaufgabe
ist bei diesem Laserbearbeitungskopf eine Sensoranordnung vorgesehen,
die ein in einer Seitenwand eines Gehäuses des Laserbearbeitungskopfes
neben dem Laserstrahl-Durchgang angeordnetes Sensormodul umfasst.
Mittels einer Strahlumlenkvorrichtung wird eine aus einer durch
einen Arbeitsfokus bestimmten Wechselwirkungszone kommende Strahlung
auf die Sensoren der Sensorordnung gelenkt, sodass zumindest ein
Teil der Strahlung zur Überwachung
der Bearbeitung eines Werkstücks
durch die Sensoren erfasst werden kann.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem
zur Überwachung
eines an einem Werkstück
durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs
und ein entsprechendes Verfahren zu schaffen, durch welche in einfacher Weise
ein bestimmtes Beobachtungsfeld einer Wechselwirkungszone zwischen
Laserstrahl und Werkstück
ausgewählt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch das Sensorsystem nach Anspruch 1, das Sensormodul
nach Anspruch 19, den Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 20 und
durch das Verfahren nach Anspruch 21 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargelegt.
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Erfindungsgemäß ist ein
Sensorsystem zur Überwachung
eines an einem Werkstück
durchzuführenden
Laserbearbeitungsvorgangs vorgesehen, das eine Haltevorrichtung
aufweist, in der eine Abbildungsoptik angeordnet ist, wobei die
Halte vorrichtung eine in Beobachtungsrichtung hinter der Abbildungsoptik
angeordnete Aufnahmevorrichtung umfasst, welche relativ zur Abbildungsoptik
verstellbar ist. Das Sensorsystem umfasst weiter ein Lichtquellenmodul,
das in einer vorbestimmten Lage relativ zur Aufnahmevorrichtung
in diese einsetzbar ist, und welches eine Lichtquelle mit einer
ersten Ortsfilterblende umfasst, wobei die erste Ortsfilterblende durch
die Abbildungsoptik auf ein Gebiet im Bereich der Wechselwirkungszone
zwischen Laserstrahl und Werkstück
abbildbar ist, um durch Verstellung der Aufnahme vorrichtung ein
bestimmtes Beobachtungsfeld in der Wechselwirkungszone auszuwählen. Weiter
ist in dem Sensorsystem gemäß der Erfindung ein
Sensormodul vorgesehen, das in einer vorbestimmten Lage relativ
zur Aufnahmevorrichtung in diese einsetzbar ist, und welches einen
strahlungsempfindlichen Empfänger
mit einer zweiten Ortsfilterblende umfasst, auf welche das ausgewählte bestimmte
Beobachtungsfeld im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl
und Werkstück durch
die Abbildungsoptik nach einem Einsetzen des Sensormoduls in die
Aufnahmevorrichtung abbildbar ist.
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Es
ist also ein Sensorsystem zur Überwachung
eines an einem Werkstück
durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs
vorgesehen, das eine Haltevorrichtung mit einer justierbaren Aufnahme und
zwei auswechselbare Module umfasst, welche in die Aufnahme eingesetzt
werden können.
Das erste Modul ist ein Lichtquellenmodul, welches eine Lichtquelle
und eine erste Ortsfilterblende umfasst, die durch Verstellung der
Aufnahmevorrichtung auf ein zu bearbeitendes Werkstück abgebildet
wird, um ein bestimmtes Beobachtungsfeld innerhalb einer Wechselwirkungszone
zwischen Laser und Werkstück auszuwählen. Das
zweite Modul ist ein Sensormodul, welches nach der Auswahl des Beobachtungsfeldes mittels
des Lichtquellenmoduls gegen das Lichtquellenmodul ausgetauscht
wird. Das Sensormodul umfasst zumindest einen strahlungsempfindlichen
Empfänger
und eine zweite Ortsfilterblende, die vor einem strahlungsempfindlichen
Empfänger
angeordnet ist, wobei die zweite Ortsfilterblende und die erste
Ortsfilterblende so aufeinander abgestimmt sind, dass das ausgewählte Beobachtungsfeld
auf die zweite Ortsfilterblende in dem Sensormodul nach einem Einsetzen
des Sensormoduls in die Aufnahme abgebildet wird. Die beiden Module
können
somit als abgeschlossene Systeme ausgebildet werden, wodurch ein
Eindringen von Schmutz oder eine Beschädigung von empfindlichen Bauteilen
der entsprechenden Module verhindert wird.
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Aufgrund
der Justierbarkeit des Sensormoduls durch die Aufnahmevorrichtung
der Haltevorrichtung des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist es zweckmäßig, wenn
die zweite Ortsfilterblende fest in dem Sensormodul angeordnet ist,
so dass die zweite Ortsfilterblende nach einem Einsetzen des Sensormoduls
in die Aufnahmevorrichtung in einer vorbestimmten Lage zu dieser
angeordnet ist. Hierdurch sind in dem Sensormodul keine beweglichen Teile
vorgesehen, wodurch das Sensormodul kompakt und einfach ausgebildet
werden kann.
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In
gleicher Weise wie für
das Sensormodul ist es für
das Lichtquellenmodul von Vorteil, wenn die erste Ortsfilterblende
fest im Lichtquellenmodul derart angeordnet ist, dass ein Fokusebenenversatz
der Abbildungsoptik aufgrund des Wellenlängenunterschieds zwischen dem
emittierten Licht der Lichtquelle und der detektierten Strahlung
durch den strahlungsempfindlichen Empfänger mittels einer entsprechend
unterschiedlichen Anordnung der ersten Ortsfilterblende und der
zweiten Ortsfilterblende im eingesetzten Zustand des jeweiligen
zugehörigen Moduls
kompensiert wird. So kann das Lichtquellenmodul ebenfalls kompakt
und einfach ausgebildet sein, wobei zusätzlich ein Fokusebenenversatz
aufgrund der unterschiedlich verwendeten Wellenlängen kompensiert und das Beobachtungsfeld
scharf auf die zweite Ortsfilterblende nach einer Justierung mittels
des Lichtquellenmoduls abgebildet werden kann.
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Bei
der Erfassung der aus dem Bereich des Arbeitsfokus oder aus einem
den Arbeitsfokus umgebenden Bereich kommenden Strahlung ist es für eine Justierung
des Lichtquellenmoduls zweckmäßig, wenn
die erste Ortsfilterblende des Lichtquellenmoduls eine Lochblende
oder eine inverse Blende zum Abdecken eines zentralen Bereichs ist.
Entsprechend ist es nach Auswahl des bestimmten Beobachtungsfeldes
zweckmäßig, wenn
die zweite Ortsfilterblende des Sensormoduls entsprechend der ersten Ortsfilterblende
des Lichtquellenmoduls eine Lochblende oder eine inverse Blende
zum Abdecken eines zentralen Bereichs ist.
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Im
Falle einer Überwachung
eines zentralen Bereichs, der durch den Arbeitsfokus bestimmt wird, oder
eines den Arbeitsfokus umgebenden Bereichs ist es für die Überwachung
einer Randaufschmelzung und eines Temperaturprofils von Vorteil,
wenn der strahlungsempfindliche Empfänger ein Temperatursensor,
insbesondere ein für
Infrarotstrahlung empfindlicher Temperatursensor ist.
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Für die Überwachung
des zentralen Bereichs ist es weiter zweckmäßig, wenn der strahlungsempfindliche
Empfänger
ein für
Plasmastrahlung empfindli cher Empfänger oder ein für die Bearbeitungslaserstrahlung
empfindlicher Empfänger
ist.
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Hinsichtlich
einer umfassenden Überwachung
des Laserbearbeitungsvorgangs ist es dabei von Vorteil, wenn das
Sensormodul zumindest einen weiteren strahlungsempfindlichen Sensor
aufweist, welcher zur Detektion von Strahlung aus dem Bereich der
Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück vorgesehen
ist, die in einem anderen Wellenlängenbereich liegt wie die durch
den strahlungsempfindlichen Empfänger
detektierte Strahlung, wobei das Sensormodul zumindest einen Strahlteiler
zur Auskopplung der Strahlung im Beobachtungsstrahlengang in Richtung
des zumindest einen weiteren zugehörigen Strahlungssensors aufweist.
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Hierbei
ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine zusätzliche Strahlungssensor ein
Temperatursensor, ein für
Plasmastrahlung empfindlicher Sensor oder ein für Bearbeitungsstrahlung empfindlicher Sensor
ist.
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Aufgrund
der hohen Intensität
von Laserlicht ist es zweckmäßig, wenn
die Lichtquelle des Lichtquellenmoduls eine Laserlichtquelle ist.
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Für eine einfache
Ausgestaltung des Lichtquellenmoduls ist es jedoch auch zweckmäßig, wenn die
Lichtquelle des Lichtquellenmoduls eine Leuchtdiode ist.
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Ferner
ist es von Vorteil, wenn die Lichtquelle des Lichtquellenmoduls
eine Kaltlichtquelle mit Faserbündel
ist.
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Um
eine scharfe Abbildung der ersten Ortsfilterblende auf das Werkstück und entsprechend
des Werkstücks
auf die zweite Ortsfilterblende zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, dass
die Aufnahmevorrichtung (34) und die Abbildungsoptik (32)
zueinander in Richtung der optischen Achse (L') verstellbar sind, um einen optischen
Abstand zwischen der Abbildungsoptik (32) und einer entsprechenden
Ortsfilterblende (40, 44) des Lichtquellenmoduls
(36) oder des Sensormoduls (38) einzustellen.
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Für die Auswahl
des bestimmten Beobachtungsfeldes ist es zweckmäßig, wenn die Aufnahmevorrichtung
zumindest in einer Richtung, vorzugsweise jedoch in zwei voneinander
linear unabhängigen Richtungen
senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik verschiebbar ist,
um das bestimmte Beobachtungsfeld in der Wechselwirkungszone auszuwählen.
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Um
eine definierte und exakte Lage nach einem Auswechseln der Module
zu gewährleisten,
ist es von Vorteil, wenn die Aufnahmevorrichtung so ausgestaltet
ist, dass das Sensormodul und das Lichtquellenmodul in die Aufnahmevorrichtung
einrastbar sind, wobei das Sensormodul und das Lichtmodul im eingerasteten
Zustand eine vorbestimmte Lage relativ zur Aufnahmevorrichtung aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist ferner
ein Sensormodul vorgesehen, welches ein Gehäuse aufweist, das in die Aufnahmevorrichtung
der Haltevorrichtung des erfindungsgemäßen Sensorsystems einsetzbar
ist, wobei das Sensormodul einen strahlungsempfindlichen Empfänger und
eine Ortsfilterblende aufweist, welche relativ zu dem Gehäuse und
dem strahlungsempfindlichen Empfänger
fest angeordnet ist.
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Darüber hinaus
ist erfindungsgemäß ein Laserbearbeitungskopf
vorgesehen, der das erfindungsgemäße Sensorsystem umfasst, wobei
ein Beobachtungsstrahlengang des Sensorsystems über einen Strahlteilerspiegel
so in den Laserbearbeitungsstrahlengang eingekoppelt ist, dass eine
Fokussieroptik für
einen Arbeitslaserstrahl zusammen mit der Abbildungsoptik des Sensorsystems
das ausgewählte
Beobachtungsfeld auf die zweite Ortsfilterblende abbildet.
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Erfindungsgemäß ist ferner
ein Verfahren zum Auswählen
eines bestimmten Beobachtungsfeldes im Bereich einer Wechselwirkungszone
zwischen einem Laserstrahl und einem Werkstück bei einem Laserbearbeitungsvorgang
vorgesehen, das die folgenden Schritte aufweist: Einsetzen eines Lichtquellenmoduls
in eine Haltevorrichtung, welche eine Abbildungsoptik und eine in
Beobachtungsrichtung hinter der Abbildungsoptik angeordnete Aufnahmevorrichtung,
welche relativ zur Abbildungsoptik verstellbar ist, aufweist, wobei
das Lichtquellenmodul in einer vorbestimmten Lage relativ zur Aufnahmeeinrichtung
in diese eingesetzt wird.
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Auswählen eines
bestimmten Beobachtungsfeldes in der Wechselwirkungszone durch Verstellen
der Aufnahmevorrichtung, wobei eine durch eine Lichtquelle des Lichtquellenmoduls beleuchtete Lichtquellenblende
im Lichtquellenmodul durch die Abbildungsoptik auf ein Gebiet im
Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück abgebildet
wird, und Einsetzen eines Sensormoduls in einer vorbestimmten Lage
in die Aufnahmevorrichtung nach Entnahme des Lichtquellenmoduls,
wobei aufgrund der im Auswählschritt
erfolgten Verstellung der Aufnahmevorrichtung nach dem Einsetzen
des Sensormoduls das ausgewählte
bestimmte Beobachtungsfeld im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen
Laserstrahl und Werkstück durch
die Abbildungsoptik auf eine zweite Ortsfilterblende vor einem strahlungsempfindlichen
Empfänger
des Sensormoduls abgebildet wird.
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Die
Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes
mit einem Sensorsystem gemäß der Erfindung,
wobei ein Lichtquellenmodul in einer Haltevorrichtung aufgenommen
ist,
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2 eine
stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes
mit dem Sensorsystem gemäß der Erfindung,
wobei ein Sensormodul in der Haltevorrichtung des Sensorsystem aufgenommen
ist,
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3 eine
schematische Schnittansicht entlang der optischen Achse einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung
mit einem Lichtquellenmodul,
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4 eine
schematische Schnittansicht eines Lichtquellenmoduls gemäß der Erfindung,
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5A eine
schematische Schnittansicht entlang der optischen Achse der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung
mit einem erfindungsgemäßen Sensormodul,
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5B eine
Auswahl von optischen Bauelementen aus der schematischen Schnittansicht
in 5A,
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6A eine
schematische Schnittansicht entlang der optischen Achse in einer
Ebene, welche senkrecht zur Schnittebene der 5A liegt,
der erfin dungsgemäßen Aufnahmevorrichtung
mit dem erfindungsgemäßen Sensormodul,
und
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6B eine
Auswahl von optischen Bauelementen aus der schematischen Schnittansicht
in 6A.
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In
den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende
Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In
den 1 und 2 ist eine stark vereinfachte
Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes 10 mit einem Sensorsystem 12 zur Überwachung
eines an einem Werkstück 14 durchzuführenden
Laserbearbeitungsvorgangs gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt, wie er mit Laserbearbeitungsmaschinen oder -anlagen
verwendet wird. Hierbei wird ein von der Laserbearbeitungsmaschine
kommender Arbeitslaserstrahl 16 durch ein Gehäuse 18 des
Laserbearbeitungskopfes 10 hindurch auf das Werkstück 14 gelenkt
und mittels einer Fokussieroptik 20 auf das Werkstück 14 fokussiert,
wie durch die optische Achse L angedeutet wird. Der Arbeitslaserstrahl 16 kann
bei einer Zuführung
zu dem Laserbearbeitungskopf 10 mittels einer Lichtleitfaser 22 aufgrund
der Auskopplung des Laserstrahls 16 aus der Lichtleitfaser 22 durch
eine Kollimatoroptik 24 aufgeweitet sein. In dem Gehäuse 18 des
Laserbearbeitungskopfes 10 ist im Durchgangsbereich des
Arbeitslaserstrahls 16 ein Strahlteilerspiegel 26 so
angeordnet, dass ein Beobachtungsstrahlengang 28 des Sensorsystems 12 koaxial
in den Strahlengang des Arbeitslaserstrahls 16 eingekoppelt
wird.
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Das
Sensorsystem 12 umfasst eine Haltevorrichtung 30,
welche fest mit dem Gehäuse 18 des Laserbearbeitungskopfes 10 verbunden
ist, und in welcher eine Abbildungsoptik 32 angeordnet
ist, durch welche der Beobachtungsstrahlengang 28 auf der
dem Strahlteilerspiegel 26 abgewandten Seite fokussiert
wird. Die Abbildungsoptik 32, die in den 1 und 2 als
dünne Einzellinse
dargestellt ist, kann auch aus mehreren Linsen zusammengesetzt sein.
Ferner ist es denkbar, als Abbildungsoptik 32 einen Abbildungsspiegel
einzusetzen, wodurch insbesondere Intensitätsverluste bei Beobachtungen
im UV-Spektralbereich
vermeidbar sind. In der Haltevorrichtung 30 ist in Beobachtungsrichtung
hinter der Abbildungsoptik 32 eine Aufnahmevorrichtung 34 angeordnet,
welche relativ zur Abbildungsoptik 32 verstellbar ist.
Die Auf nahmevorrichtung 34 ist dabei so ausgestaltet, dass
es unterschiedliche Module aufnehmen kann, wobei ein entsprechendes
Modul nach dem Einsetzen in die Aufnahmevorrichtung 34 in
einer vorbestimmten Lage relativ zur Aufnahmevorrichtung 34 angeordnet
ist.
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In 1 ist
als auswechselbares Modul ein Lichtquellenmodul 36 und
in 2 als auswechselbares Modul ein Sensormodul 38 dargestellt.
Das Lichtquellenmodul 36 umfasst eine erste Ortsfilterblende 40 sowie
eine Lichtquelle 42, die in Beobachtungsrichtung hinter
der ersten Ortsfilterblende 40 angeordnet ist. Die erste
Ortsfilterblende 40 ist in 1 als Lochblende
dargestellt, es ist jedoch auch möglich, die erste Ortsfilterblende 40 als
inverse Blende auszugestalten. Als Lichtquelle 42 eignen sich
sämtliche
Lichtquellen, welche eine ausreichend starke Intensität besitzen,
um durch eine Beleuchtung der ersten Ortsfilterblende 40 von
der in Beobachtungsrichtung liegenden Rückseite der Ortsfilterblende 40 diese über die
Abbildungsoptik 32, den Strahlteilerspiegel 26 und
die Fokussieroptik 20 auf die Oberfläche des Werkstücks 14 abbilden
zu können.
Als geeignete Lichtquelle kann beispielsweise eine Laserlichtquelle,
eine Leuchtdiode oder eine Kaltlichtquelle mit Faserbündel verwendet
werden.
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Das
in 2 gezeigte Sensormodul 38 umfasst eine
zweite Ortsfilterblende 44 und einen strahlungsempfindlichen
Empfänger 46.
Die zweite Ortsfilterblende 44 kann hierbei, wie in 2 dargestellt, eine
Lochblende sein, es ist jedoch auch möglich, die zweite Ortsfilterblende 44 als
inverse Blende zum Abdecken einen zentralen Bereichs auszubilden.
Die Ausgestaltung der ersten Ortsfilterblende 40 und der zweiten
Ortsfilterblende 44 ist abhängig von dem zu überwachenden
Beobachtungsfeld im Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl 16 und Werkstück 14 und
kann somit frei gewählt
werden. Es sollte jedoch die Form und Lage der ersten Ortsfilterblende 40 innerhalb
des Lichtquellenmoduls 36 auf die Form und Lage der zweiten
Ortsfilterblende 44 in dem Sensormodul 38 abgestimmt
sein. Der strahlungsempfindliche Empfänger 46 ist vorzugsweise ein
für Infrarotstrahlung
empfindlicher Temperatursensor, welcher in einem Wellenlängenbereich
zwischen etwa 1300 und 1900 nm empfindlich ist.
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Das
Sensormodul 38 kann, wie in 2 gezeigt,
darüber
hinaus noch weitere strahlungsempfindliche Sensoren 48 und 50 aufweisen,
wobei der Beobach tungsstrahlengang 28 jeweils in Richtung der
strahlungsempfindlichen Sensoren 48 und 50 durch
entsprechende Strahlteiler 52 und 54 ausgekoppelt
wird. Der erste weitere strahlungsempfindliche Sensor 48 kann
hierbei ein für
die Bearbeitungslaserstrahlung empfindlicher Sensor sein, welcher
im Wellenlängenbereich
zwischen etwa 900 und 1100 nm empfindlich ist. Der zweite weitere
strahlungsempfindliche Sensor 50 kann ein für Plasmastrahlung
empfindlicher Empfänger
sein, deren spektraler Schwerpunkt unterhalb von 400 nm liegt, oder
ein für sichtbare
Strahlung empfindlicher Empfänger
sein. Obwohl der strahlungsempfindliche Empfänger 46 bevorzugter
Weise ein Infrarotdetektor ist, ist es jedoch auch möglich, einen
Empfänger
zu wählen,
der in einem anderen Wellenlängenbereich
empfindlich ist, wobei die jeweils anderen strahlungsempfindlichen
Sensoren 48 und 50 dementsprechend angepasst werden,
so dass ein möglichst
breiter Wellenlängenbereich
durch die entsprechenden Sensoren abgedeckt wird.
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Im
Folgenden wird die Funktionalität
des erfindungsgemäßen Sensorsystems 12 zur Überwachung
des an dem Werkstück 14 durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs
beschrieben. Wie in 1 gezeigt, wird zunächst das
Lichtquellenmodul 36 in die Aufnahmevorrichtung 34 eingesetzt.
Durch Verstellen der Aufnahmevorrichtung 34 in zumindest einer
Richtung, vorzugsweise jedoch in zwei voneinander linear unabhängigen Richtungen
senkrecht zur optischen Achse L' wird
das Lichtquellenmodul 36 mit der fest in dem Lichtquellenmodul 36 angeordneten ersten
Ortsfilterblende 40 und der Lichtquelle 42 relativ
zur Abbildungsoptik 32 bewegt, wobei die durch die Lichtquelle 43 beleuchtete
erste Ortsfilterblende 40 durch die Abbildungsoptik 32 und
die Fokussieroptik 20 auf die Oberfläche des Werkstücks 14 nach einer
Verschiebung der Aufnahmevorrichtung 34 in Richtung der
optischen Achse L' der
Abbildungsoptik 32 scharf abgebildet wird. Durch eine Verstellung
der Aufnahmevorrichtung 34 kann also ein bestimmtes Beobachtungsfeld
in der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl 16 und
Werkstück 14 entsprechend
der Geometrie der ersten Ortsfilterblende 40 ausgewählt werden.
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Nach
der Auswahl des bestimmten Beobachtungsfeldes in der Wechselwirkungszone
zwischen Laserstrahl 16 und Werkstück 14 wird das Lichtquellenmodul 36 aus
der Aufnahmevorrichtung 34 der Haltevorrichtung 30 herausgenommen,
wobei die Aufnahmevorrichtung 34 nach der Herausnahme des Lichtquellenmoduls 36 nicht
verstellt wird. In die Aufnahmevorrichtung 34 wird dann,
wie in 2 gezeigt, das Sensormodul 38 eingesetzt,
wobei die zweite Ortsfilterblende 44 so fest in dem Sensormodul 38 angeordnet
ist, dass das bestimmte Beobachtungsfeld in der Wechselwirkungszone
scharf auf die zweite Ortsfilterblende 44 abgebildet wird.
Die Lage der zweiten Ortsfilterblende 44 in dem Sensormodul 38 kann
hinsichtlich der Lage der ersten Ortsfilterblende 40 in
dem Lichtquellenmodul 36 so angepasst sein, dass ein Fokusebenenversatz
aufgrund einer chromatischen Aberration, insbesondere eines Farblängsfehlers
der Abbildungsoptik 32 bei unterschiedlichen Wellenlängen des
emittierten Lichts der Lichtquelle 42 und der zu detektierenden
Strahlung durch den strahlungsempfindliche Empfänger 46 mittels einer
entsprechend unterschiedlichen Anordnung der ersten Ortsfilterblende 40 und
der zweiten Ortsfilterblende 46 im jeweils eingesetzten
Zustand in den jeweiligen Modulen 36 und 38 kompensiert wird.
Für die
Kompensation des Fokusebenenversatzes der Abbildungsoptik 32 wird
die zweite Ortsfilterblende 44 in Richtung der optischen
Achse L' der Abbildungsoptik 32 versetzt
zu der Lage der ersten Ortsfilterblende 40 in dem Lichtquellenmodul 36 angeordnet.
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Um
zu gewährleisten,
dass das Lichtquellenmodul 36 und das Sensormodul 38 in
einer vorbestimmten Lage in die Aufnahmevorrichtung 34 eingesetzt
werden, können
die Teile des Gehäuses
der Lichtquellenvorrichtung 36 und des Sensormoduls 38,
welche in die Aufnahmevorrichtung 34 eingesetzt werden,
gleich ausgebildet sein. Beispielsweise können durch in der Aufnahme
der Aufnahmevorrichtung 34 vorhandene Führungsnuten oder sonstige Asymmetrien
die jeweiligen Module 36 und 38 drehfest in die
Aufnahmevorrichtung 34, bis zu einem bestimmten Anschlagpunkt
einsteckbar und an diesem Punkt einrastbar sein. Somit kann auch
bei Beobachtungsfeldern, welche nicht drehsymmetrisch um die optische
Achse L sind, eine eindeutige Auswahl des Beobachtungsfeldes erreicht
werden.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Sensorsystems 12 anhand der 3 bis 6B beschrieben,
wobei die 3 und 4 eine Schnittansicht
der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung 30 des
Sensorsystems 12 mit einem Lichtquellenmodul 36 und
die 5A bis 6B die
erfindungsgemäße Haltevorrichtung 30 mit
einem Sensormodul 38 darstellen.
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Die
Haltevorrichtung 30 ist, wie in 1 schematisch
dargestellt, dazu vorgesehen, seitlich an dem Gehäuse 18 des
Laserbearbeitungskopfes 10 befestigt zu werden, wobei die
Abbildungsoptik 32 der Haltevorrichtung 30 in 3 nicht
gezeigt ist. Die Haltevorrichtung 30 weist an seiner der
Abbildungsoptik 30 zugewandten Seite ein Schutzfenster 54 auf, welches
durch einen Haltering 56 in einem Gewinde 58 befestigt
ist. In Beobachtungsrichtung hinter dem Schutzfenster 54 befindet
sich in einem Gehäuse 60 der
Haltevorrichtung 30 eine Ausnehmung 62, welche
dazu vorgesehen ist, den Beobachtungsstrahlengang über eine
Ausnehmung 64 in einem Gehäuse 66 der Aufnahmevorrichtung 34 und
eine zylinderförmige
Ausnehmung 68 in einem Gehäuse 70 der Lichtquellenvorrichtung 36 zu
der ersten Ortsfilterblende 40 des Lichtquellenmoduls 36 durchzulassen.
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Das
Gehäuse 66 der
Aufnahmevorrichtung 34 ist innerhalb des Gehäuses 60 der
Haltevorrichtung 30 so angeordnet, dass die Öffnungen
der Ausnehmung 62 im Gehäuse 60 der Haltevorrichtung 30 und
der Ausnehmung 64 im Gehäuse 66 der Aufnahmevorrichtung 34 sich
gegenüberliegen.
Das Gehäuse 66 der
Aufnahmevorrichtung 34 ist im Wesentlichen als Buchse mit
zwei in Beobachtungsrichtung hintereinander liegenden zylinderförmigen Teilen
mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet, wobei der in Beobachtungsrichtung
erste Teil einen geringeren Durchmesser als der in Beobachtungsrichtung dahinter
liegende Teil hat. Die Lage des Gehäuses 66 der Aufnahmevorrichtung 34 kann
mittels Stellschrauben 71, welche in Gewindebohrungen 72 im Gehäuse 60 der
Haltevorrichtung 30 eingesetzt sind, verstellt und fixiert
werden, wobei die Stellschrauben 71 bei einer Fixierung
der Aufnahmevorrichtung 34 in Kontakt mit der Umfangswandung 74 des
ersten Teils des Gehäuses 66 der
Aufnahmevorrichtung 34 stehen.
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Das
Lichtquellenmodul 36 ist mit seinem Gehäuse 70 in das Gehäuse 66 der
Aufnahmevorrichtung 34 eingesetzt, wobei die Außengeometrie
des Gehäuses 70 des
Lichtquellenmoduls 36 komplementär zu der Innengeometrie des
Gehäuses 66 der Aufnahmevorrichtung 34 ausgebildet
ist. In dem in 3 und 4 gezeigten
Lichtquellenmodul 36 besteht das Gehäuse 70 aus zwei zylinderförmigen Abschnitten
mit unterschiedlichen Durchmessern, wobei an dem Übergang
zwischen den beiden Abschnitten ein Schulterabschnitt 76 ausgebildet
ist, welcher im eingesetzten Zustand des Lichtquellenmoduls 36 an
einem Übergangsbereich 78 zwischen
erstem und zweitem Teil des Gehäu ses 66 der
Aufnahmevorrichtung 34 anliegt. Das Lichtquellenmodul 36 weist,
wie in 4 gezeigt, am Ende der zentralen Ausnehmung 68 die
erste Ortsfilterblende 40 auf, welche in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
als kleines Loch ausgebildet ist. In Beobachtungsrichtung hinter der
ersten Ortsfilterblende 40 ist die Lichtquelle 42 angeordnet,
welche in einer sich an die Ausnehmung 68 anschließenden,
hinter dem zentralen Loch der ersten Ortsfilterblende 40 gebildeten
Ausnehmung 80 eingesetzt und mittels eines Buchsenelements 82 darin
befestigt. Hierbei weist das Buchsenelement 82 an seiner
der Lichtquelle 42 gegenüberliegenden Seite einen Flansch 84 auf,
der mit einer Überwurfmutter 86,
die in einem Innengewinde 88 des Gehäuses 70 eingeschraubt
ist, in Eingriff steht.
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Das
Lichtquellenmodul 36 wird durch einen Befestigungsring 90,
welcher mit einem Außengewinde 92 in
ein Innengewinde 94 im Gehäuse 66 der Aufnahmevorrichtung 34 eingeschraubt
wird, in der Aufnahmevorrichtung 34 befestigt. An der in
Beobachtungsrichtung hinter dem Lichtquellenmodul 36 liegenden
Seite des Gehäuses 60 der
Haltevorrichtung 30 ist ein Deckelelement 96 befestigt.
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Im
Folgenden soll anhand der 5A bis 6B ein
Ausführungsbeispiel
des Sensormoduls 38, das in die Haltevorrichtung 30 eingesetzt
ist, erläutert
werden. Die Merkmale der Haltevorrichtung 30 und der Aufnahmevorrichtung 34 sind
die gleichen wie bereits anhand der 3 erläutert, daher
wird die nachfolgende Beschreibung auf das eingesetzte Sensormodul 38 beschränkt.
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Das
Sensormodul 38 weist, wie in den 5A und 6A gezeigt,
ein Gehäuse 98 auf,
in das der strahlungsempfindliche Empfänger 46 hinter der
zweiten Ortsfilterblende 44 und die weiteren strahlungsempfindlichen
Sensoren 48 (5A) und 50 (6A und 6B)
eingesetzt sind. Das Gehäuse 98 ist
hinsichtlich seiner Außengeometrie
so ausgebildet, dass es in das Gehäuse 66 der Aufnahmevorrichtung 34 in
einer vorbestimmten Lage einsetzbar ist. Das Gehäuse 98 des Sensormoduls 38 weist
eine zentrale Ausnehmung 100 auf, die sich im eingesetzten
Zustand des Sensormoduls 38 von der Ausnehmung 64 der
Aufnahmevorrichtung 34 bis zu dem strahlungsempfindlichen
Empfänger 46 durch das
Gehäuse 98 hindurcherstreckt.
In der Ausnehmung 100 sind die Strahlteiler 52 und 54 angeordnet, wobei
die Strahlteiler 52 und 54 die von dem Werkstück emittierte
Strahlung im Beobachtungsstrahlengang, der durch die Ausnehmung 100 geführt wird,
in Richtung der weiteren strahlungsempfindlichen Sensoren 48 und 50 leiten.
Wie in den zueinander senkrecht stehenden Schnittansichten in 5A und 6A deutlich
wird, koppeln die Strahlteiler 52 und 54 die eintreffende
Strahlung in zwei Richtungen aus, die jeweils senkrecht zur optischen
Achse L' des Beobachtungsstrahlengangs
liegen und ferner zueinander senkrecht sind. Somit kann eine kompakte
Bauweise aufgrund eines gewissen Überlapps in Richtung der optischen
Achse L' der beiden
Strahlteiler 52 und 54 erreicht werden.
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Die
zweite Ortsfilterblende 44, welche sich in Beobachtungsrichtung
am Ende der Ausnehmung 100 des Gehäuses 98 des Sensormoduls 36 befindet,
ist mittels einer Befestigungsschraube 102 (5A)
im Beobachtungsstrahlengang vor dem strahlungsempfindlichen Empfänger 46 fixiert.
Wie in 6A gezeigt, sind in Beobachtungsrichtung
vor der zweiten Ortsfilterblende 44 mittels eines Schraubenelements 104 noch
Filterelemente 106 und 108 in der Ausnehmung 100 des
Gehäuses 98 des
Sensormoduls 36 fixiert. Ferner ist im Beobachtungsstrahlengang
zwischen den Strahlteilern 52 und 54 ein weiteres
Filterelement 110 in der Ausnehmung 100 mittels
eines Federelements 112 befestigt. Diese Filterelemente
sind dazu vorgesehen, die eintreffende Strahlung abhängig von
der Wellenlänge
zu filtern, um die eintreffende Strahlung nach ihrer Strahlungsart
trennen zu können.
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In
den 5B und 6B sind
die wichtigsten optischen Bauelemente im Beobachtungsstrahlengang
innerhalb der Ausnehmung 100 des Gehäuses 98 der Sensorvorrichtung 36 nochmals
hinsichtlich ihrer geometrischen Anordnung separat gezeigt.
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In
den in 4, 5A und 6A gezeigten
Ausführungsbeispielen
des Lichtquellenmoduls 36 und des Sensormoduls 38 ist
die Außengeometrie des
Gehäuses 70 des
Lichtquellenmoduls 36 und des Gehäuses 98 des Sensormoduls 38 hinsichtlich der
optischen Achse L' des
Beobachtungsstrahlengangs drehsymmetrisch ausgebildet, da im Fall
des beispielhaften Ausführungsbeispiels
die erste Ortsfilterblende 40 des Lichtquellenmoduls 36 als
Lochblende und die zweite Ortsfilterblende 44 als inverse Blende,
die den zentralen Bereich um die optische Achse L' herum abdeckt, ausgebildet
sind. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass bei einer anderen Geometrie
der ersten Ortsfilterblende 40 und der zweiten Ortsfilterblende 44 die
Außengeometrie
der entsprechenden Gehäuse
des Lichtquellenmoduls 36 und des Sensormoduls 38 hinsichtlich
der optischen Achse L' asymmetrisch
ausgebildet sind, wobei das Gehäuse 66 der
Aufnahmevorrichtung 34 entsprechend komplementär ausgebildet
sein muss. Hierfür
können
beispielsweise Führungsvorsprünge am Gehäuse 70, 98 und
entsprechend komplementäre
Führungsnuten
entlang einer Einschubrichtung in der Aufnahmevorrichtung 34 ausgebildet
sein.
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Durch
die Erfindung wird also ein Sensorsystem geschaffen, bei dem ein
Lichtquellenmodul zunächst
eingesetzt wird, um einen bestimmten Beobachtungsbereich in einer
Wechselwirkungszone zwischen Laser und Werkstück aufgrund des über die Abbildungsoptik
und die Fokussieroptik projizierten Lichts auszuwählen, wobei
das Lichtquellenmodul selbst keine beweglichen Teile aufweist, sondern
die Justierung über
eine zu einer Abbildungsoptik beweglichen Aufnahmevorrichtung erfolgt.
Hierbei besteht der Vorteil der Erfindung darin, das nach der Justierung
des Lichtquellenmoduls ein Sensormodul, welches ebenfalls keine
beweglichen Teile aufweist, in die Aufnahmevorrichtung eingesetzt
werden kann und bereits nach dem Einsetzen des Sensormoduls der
ausgewählte
Beobachtungsbereich ohne eine Nachjustierung festgelegt ist.