DE10206183A1

DE10206183A1 - Verfahren zur Bestimmung der Genauigkeit von Bearbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE10206183A1
Application number: DE10206183A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dietrich; Matthias Hauth; Juergen Pflaum
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2003-08-28
Also published as: WO2003068446A1; US20030192868A1

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Bestimmung der Genauigkeit von Bearbeitungsmaschinen, bei dem das Anbringen von Testmarken 122 an einem Testobjekt 120 und das Erfassen der räumlichen Lage der Testmarken 122 relativ zu der Bearbeitungsmaschine an derselben Stelle durchgeführt wird. Erfindungsgemäß wird jede Testmarke 122 möglichst nahe an einer vorbestimmten Position, der sog. relativen Soll-Position 122a angebracht, deren räumliche Lage relativ zu einer Referenzmarke 112 genau bekannt ist. Der Genauigkeitsnachweis erfolgt dadurch, dass die relative Lage der angebrachten Testmarke 122 zu einer entsprechenden Referenzmarke 112 erfasst wird und somit die relative Ist-Position 122b der Testmarke 122 bestimmt wird. Die Abweichung zwischen der relativen Soll-Position 122a und der relativen Ist-Position 122b ist ein Maß für die Genauigkeit der Bearbeitungsmaschine. Die Vermessung zwischen der Soll-Position 122a und der Ist-Position 122b erfolgt durch eine Bilderfassungsvorrichtung, welche eine an der Bearbeitungsmaschine angeordnete Kamera aufweist. Damit kann der Genauigkeitsnachweis direkt durch die Bearbeitungsmaschine durchgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Genauigkeit von Bearbeitungsmaschinen, insbesondere von Laserbearbeitungsmaschinen.

Eine präzise Bearbeitung von Objekten mittels Laserbearbeitungsmaschinen erfordert eine regelmäßige Überprüfung der Genauigkeit, mit der die bearbeitenden Laserstrahlen auf das zu bearbeitende Objekt gelenkt werden. Bei einem derartigen Genauigkeitsnachweis wird üblicherweise im Rahmen eines Testprogramms ein Testobjekt derart bearbeitet, dass an vorbestimmten Stellen sogenannte Testmarkierungen angebracht werden. Da bei der Materialbearbeitung mittels Laserstrahlen jeweils eine bestimmte Menge an Material von dem Testobjekt abgetragen wird, bezeichnet man das Anbringen von Testmarken auch als Strukturieren des Testobjekts mit Testmarken. Nachdem die Testmarken strukturiert sind, wird das Testobjekt von der Laserbearbeitungsmaschine entfernt und mittels einer sogenannten Messmaschine vermessen. Darin werden die genauen räumlichen Lagen der angebrachten Testmarkierungen erfasst und damit die Genauigkeit der Laserbearbeitungsmaschine bestimmt. Dabei ist die Abweichung der Ist-Position von der Soll-Position einer Testmarkierung ein direktes Maß für die Genauigkeit der Laserbearbeitungsmaschine. Als Testobjekt wird üblicherweise eine sogenannte Testplatte verwendet, welche entweder aus Glas oder aus Leiterplattenmaterial hergestellt ist. Eine Testplatte aus Leiterplattenmaterial wird insbesondere dann verwendet, wenn mit der Laserbearbeitungsmaschine, deren Genauigkeit bestimmt werden soll, Leiterplatten strukturiert, gebohrt oder anderweitig bearbeitet werden sollen.

Das oben beschriebene herkömmliche Verfahren zur Bestimmung der Genauigkeit von Laserbearbeitungsmaschinen hat den Nachteil, dass für einen präzisen Genauigkeitsnachweis aufgrund einer unvermeidbaren thermischen Ausdehnung das Testobjekt beim Strukturieren und beim Vermessen zumindest annähernd die gleiche Temperatur haben muss. Die gemessene Genauigkeit der Laserbearbeitungsmaschine ist ferner sowohl von der Art des verwendeten Testprogramms als auch von dem angewandten Messverfahren abhängig. Durch diese doppelte Abhängigkeit wird die Präzision des Genauigkeitsnachweises herabgesetzt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Genauigkeit von Laserbearbeitungsmaschinen zu schaffen, welches einen präzisen und schnellen Genauigkeitsnachweis von Laserbearbeitungsmaschinen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Erfassung der Testmarke und der Referenzmarke mittels einer Bilderfassungsvorrichtung unmittelbar nach dem Anbringen der Testmarke an dem Testobjekt erfolgt, wobei das Testobjekt zwischen dem Erfassen der beiden Marken und dem Anbringen der Testmarke an derselben Stelle gehalten wird. Dies schafft die Möglichkeit den Genauigkeitsnachweis ohne die Verwendung einer speziellen Messvorrichtung zu führen. Die räumlich feste Anordnung des Testobjekts während des gesamten erfindungsgemäßen Verfahrens hat außerdem den Vorteil, dass der Einfluss von Temperaturschwankungen, welche bei der Verwendung einer separaten Messvorrichtung kaum zu vermeiden sind, erheblich reduziert wird und somit die Präzision, mit der die Genauigkeit der Bearbeitungsmaschine bestimmt werden kann, deutlich erhöht wird.

Gemäß Anspruch 2 wird die räumliche Lage der vorgegebenen Position, an der die Testmarke angebracht werden soll (Soll- Position), relativ zu der Lage der Referenzmarke festgelegt. Damit wird die Bestimmung der Genauigkeit der Bearbeitungsmaschine anhand der relativen Lage zwischen der Position der Testmarke (Ist-Position) und der Position der Referenzmarke ermöglicht.

In vorteilhafter Weise wird bei dem Verfahren gemäß Anspruch 3 für die Bilderfassungsvorrichtung eine Kamera verwendet, welche direkt oder indirekt an der Bearbeitungsmaschine angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass für die Durchführung des Genauigkeitsnachweises der Bearbeitungsmaschine keinerlei Umbauten erforderlich sind, so dass die Genauigkeit der Bearbeitungsmaschine regelmäßig in kurzen zeitlichen Abständen bestimmt werden kann, ohne dass dadurch hohe Standzeiten für die Bearbeitungsmaschine verursacht werden. Eine häufige Überprüfung der Genauigkeit der Bearbeitungsmaschine führt dann dazu, dass die Präzision der Bearbeitung im Verlauf eines längeren Produktionsablaufs auf einem hohen Niveau sichergestellt werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzlich zu der Bilderfassungsvorrichtung auch eine Beleuchtungsvorrichtung an der Bearbeitungsmaschine angeordnet sein kann, welche Beleuchtungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass eine schnelle und genaue Erfassung der Testmarke und der Referenzmarke gewährleistet ist.

Gemäß Anspruch 4 wird die Testmarke nicht an demselben Objekt angebracht, an dem sich bereits die Referenzmarke befindet. Die Verwendung eines speziellen Referenzobjekts, an dem eine oder eine Mehrzahl von Referenzmarken an exakt definierten Stellen angebracht sind, hat den Vorteil, dass der Genauigkeitsnachweis der Bearbeitungsmaschine kostengünstig durchgeführt werden kann, da ein und dasselbe Referenzobjekt für eine Mehrzahl von Genauigkeitsbestimmungen verwendet werden kann.

Gemäß Anspruch 5 wird die räumliche Lage zwischen Referenzobjekt und Testobjekt vor der Bestimmung der Genauigkeit der Bearbeitungsmaschine festgelegt und im Verlauf des gesamten Verfahrens zur Genauigkeitsbestimmung beibehalten. Dies hat den Vorteil, dass der Ablauf des Genauigkeitsnachweises in der Bearbeitungsmaschine automatisiert werden kann. Dadurch werden Bedienfehler bei der Durchführung des Genauigkeitsnachweises vermieden.

Gemäß Anspruch 6 sind das Testobjekt und das Referenzobjekt derart ausgebildet, dass die Testmarke ohne eine Beeinflussung durch das Referenzobjekt angebracht werden kann und dass die Referenzmarke ohne eine Beeinflussung durch das Testobjekt erfasst werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass (a) für den Fall, dass das Testobjekt oberhalb des Referenzobjekts angeordnet ist, das Testobjekt durchsichtig ist oder an bestimmten Stellen mit Löchern versehen ist. Dabei müssen die Löcher derart an dem Testobjekt verteilt sein, dass die Referenzmarke von der Kamera der Bilderfassungsvorrichtung erfasst werden kann. Für den Fall, dass (b) das Testobjekt unterhalb des Referenzobjekts angeordnet ist, gibt es zwei Möglichkeiten, wie der Genauigkeitsnachweis vorteilhaft durchgeführt werden kann. Die erste Möglichkeit (b1) besteht darin, dass ein durchsichtiges Referenzobjekt verwendet wird, welches die bearbeitenden Laserstrahlen möglichst ohne Absorption durchdringen und somit das darunter liegende Testobjekt möglichst ungehindert bearbeitet werden kann. Als Referenzobjekt eignet sich in diesem Fall insbesondere ein aus Glas hergestelltes Objekt, welches neben einem möglichst hohen Transmissionskoeffizienten für die bearbeitende Laserstrahlung bevorzugt auch eine geringe thermische Ausdehnung aufweist. Für das Referenzobjekt kann allerdings auch ein Material verwendet werden, welches nicht im gesamten Spektralbereich durchsichtig ist, sondern welches nur für zumindest einen die Wellenlänge der bearbeitenden Laserstrahlen enthaltenen Spektralbereich transparent ist. Die zweite Möglichkeit (b2) für die Durchführung des Genauigkeitsnachweises besteht darin, dass das Referenzobjekt an geeigneten Stellen Löcher bzw. Öffnungen aufweist, so dass die bearbeitenden Laserstrahlen durch diese Löcher hindurchtreten und somit die Testmarken an dem Testobjekt ungehindert angebracht werden können.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt die Anordnung von Referenzmarken und Testmarken in dem gesamten Arbeitsfeld einer Laserbearbeitungsmaschine und
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des in Fig. 1 dargestellten Arbeitsfeldes.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht eines vollständigen Bearbeitungsfeldes einer Laserbearbeitungsmaschine, für welche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Genauigkeitsnachweis durchgeführt wird. Auf einem Vakuumtisch 100 liegt eine Referenzplatte 110, welche durch einen Unterdruck, der von einer Vielzahl von nicht dargestellten an dem Vakuumtisch 100 ausgebildeten Saugkanälen erzeugt wird, fest an den Vakuumtisch 100 angesaugt wird. Oberhalb der Referenzplatte 110 liegt eine Testplatte 120. Die Fixierung der Testplatte 120 relativ zu der Referenzplatte 110 und zu dem Vakuumtisch 100 wird dadurch gewährleistet, dass die Referenzplatte 110 eine Vielzahl von Vakuumdurchgangslöchern 111 aufweist, durch welche der von den Saugkanälen des Vakuumtischs 100 übertragene Unterdruck an die Unterseite der Testplatte 120 angelegt werden kann. Die Fixierung der Testplatte 120 und der Referenzplatte 110 an dem Vakuumtisch 100 mittels Unterdruck hat den Vorteil, dass durch Schalten entsprechender Druckventile der Unterdruck schnell angelegt und auch schnell wieder abgeschaltet werden kann, so dass die Referenzplatte 110 und die Testplatte 120 schnell und zuverlässig an dem Vakuumtisch fixiert werden können und ebenso schnell wieder von dem Vakuumtisch 100 entfernt werden können.
Es wird darauf hingewiesen, dass zur räumlichen Fixierung der Referenzplatte 110 und der Testplatte 120 auch andere temporäre Befestigungsmethoden wie beispielsweise Klemmen, Schrauben, Kleben oder magnetisches Fixieren angewendet werden. Ebenso ist ein einfaches Übereinanderlegen von Referenzplatte 110 und Testplatte 120 denkbar, wobei in diesem Fall zur Vermeidung einer ungewollten Positionsänderung neben einer möglichst vibrationsarmen Lagerung sowohl auf ein bestimmtes Mindestgewicht der oben liegenden Platte als auch auf einen hohen Haftreibungskoeffizienten zwischen den beiden einander zugewandten Plattenoberflächen geachtet werden sollte.
Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich an der Referenzplatte 110 neben den Vakuumdurchgangslöchern 111 eine Mehrzahl von Referenzmarken 112, welche auf einem quadratischen Gitter angeordnet sind. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Referenzmarken 112 selbstverständlich in jeder beliebigen anderen Anordnung an der Referenzplatte 110 angebracht sein können. Die Testplatte 120, welche aus einem lichtundurchlässigen Material hergestellt ist, weist eine Vielzahl von Bohrungen 121 auf, welche derart angeordnet sind, dass bei entsprechender relativer Lage zwischen der Referenzplatte 110 und der Testplatte 120 die an der Referenzplatte 110 angebrachten Referenzmarken 112 zu erkennen sind.
Die Durchführung der Genauigkeitsbestimmung der Laserbearbeitungsmaschinen erfolgt innerhalb eines ausgewählten Arbeitsbereiches 130, in dem von den bearbeitenden Laserstrahlen an der Testplatte 120 eine Reihe von Testmarken 122 angebracht werden. Jede Testmarke 122 wird dabei möglichst nahe an einer vorgegebenen Soll-Position angebracht, welche relativ zu der entsprechenden Referenzmarke vorbestimmt ist. Der Genauigkeitsnachweis der Laserbearbeitungsmaschine erfolgt dann dadurch, dass mittels einer nicht dargestellten Bilderfassungsvorrichtung die angebrachte Testmarke 122 gemeinsam mit der entsprechenden Referenzmarke 112 innerhalb eines Bilderfassungsbereichs 140 erfasst werden.
Fig. 2 zeigt den Bilderfassungsbereich 140 in einer vergrößerten Darstellung. Zusätzlich zu den Elementen, die bereits in Fig. 1 dargestellt sind, und die mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, ist in Fig. 2 die Soll-Position 122a für die Testmarke 122 dargestellt. Die Soll-Position 122a wird durch die Steuerung der Laserbearbeitungsmaschine vorgegeben. Die räumliche Lage der Soll-Position 122a ist relativ zu der Referenzmarke 112 genau bestimmt. Die Testmarke 120 wird dann von der Laserbearbeitungsvorrichtung an einer Ist-Position 122b angebracht. Der Abstand zwischen der Referenzmarke 112 und der vorgegebenen Soll-Position 122a für die anzubringende Testmarke 122 ist in x-Richtung durch den Abstand x und in der dazu senkrechten y-Richtung durch den Abstand y dargestellt. Der die Genauigkeit der Laserbearbeitungsmaschine bestimmende Abstand der Ist-Position 122b von der Soll-Position 122a ist durch die beiden Abstände dx und dy verdeutlicht, welche die Ungenauigkeit der Laserbearbeitung in x- bzw. in y-Richtung angeben.
Zusammenfassend schafft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Genauigkeit von Bearbeitungsmaschinen, insbesondere von Laserbearbeitungsmaschinen, bei dem das Anbringen von Testmarken 122 an einem Testobjekt 120 und das Erfassen der räumlichen Lage der Testmarken 122 relativ zu der Bearbeitungsmaschine an derselben Stelle durchgeführt wird. Erfindungsgemäß wird jede Testmarke 122 möglichst nahe an einer vorbestimmten Position, der sog. relativen Soll-Position 122a angebracht, deren räumliche Lage relativ zu einer Referenzmarke 112 genau bekannt ist. Der Genauigkeitsnachweis der Bearbeitungsmaschine erfolgt dadurch, dass die relative Lage der angebrachten Testmarke 122 zu einer entsprechenden Referenzmarke 112 erfasst wird und somit die relative Ist- Position 122b der Testmarke 122 bestimmt wird. Die Abweichung zwischen der relativen Soll-Position 122a und der relativen Ist-Position 122b der angebrachten Testmarke 122 ist ein Maß für die Genauigkeit der Bearbeitungsmaschine. Die Vermessung zwischen der Soll-Position 122a und der Ist-Position 122b erfolgt durch eine Bilderfassungsvorrichtung, welche eine direkt oder indirekt an der Bearbeitungsmaschine angeordnete Kamera aufweist. Damit kann der Genauigkeitsnachweis direkt durch die Bearbeitungsmaschine durchgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Genauigkeit von Bearbeitungsmaschinen, insbesondere von Laserbearbeitungsmaschinen, bei dem
an einem Testobjekt (120) mittels der Bearbeitungsmaschine möglichst nahe an einer vorgegebenen Position (122a) eine Testmarke (122) angebracht wird,
die Testmarke (122) und eine Referenzmarke (112) mittels einer Bilderfassungsvorrichtung erfasst werden,
die räumliche Lage der Testmarke (122) relativ zu der Referenzmarke (112) mittels eines Bildverarbeitungssystems ermittelt wird,
wobei die Erfassung der Testmarke (122) und der Referenzmarke (112) unmittelbar nach dem Anbringen der Testmarke (122) oder nach dem Anbringen einer Mehrzahl von Testmarken (122) durchgeführt wird und das Testobjekt (120) während der Erfassung der Testmarke (122) und der Referenzmarke (112) relativ zu der Bearbeitungsmaschine an derselben Stelle gehalten wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die räumliche Lage der vorgegebenen Position (122a) relativ zu der Referenzmarke (112) vorbestimmt wird.

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem für die Bilderfassungsvorrichtung eine direkt oder indirekt an der Bearbeitungsmaschine angeordnete Kamera verwendet wird.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Referenzobjekt (110) verwendet wird, an welchem die Referenzmarke (112) angebracht ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem das Referenzobjekt (110) vor dem Anbringen der Testmarke (122) in eine relativ zu dem Testobjekt (120) feste räumliche Lage gebracht wird und in dieser festen räumlichen Lage zumindest bis nach der Erfassung der Testmarke (122) und der Referenzmarke (112) gehalten wird.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, bei dem für das Testobjekt (120) und für das Referenzobjekt (110) derart ausgebildete Objekte verwendet werden, dass
die Testmarke (122) ohne eine Beeinflussung durch das Referenzobjekt (110) angebracht werden kann und
die Referenzmarke (112) ohne eine Beeinflussung durch das Testobjekt (120) erfasst werden kann.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem als Testobjekt (120) eine Testplatte und als Referenzobjekt (110) eine Referenzplatte verwendet werden, wobei die Testplatte und die Referenzplatte flächig übereinander angeordnet werden.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die feste räumliche Lage zwischen dem Testobjekt (120) und dem Referenzobjekt (110) dadurch gewährleistet wird, dass ein Objekt an das andere Objekt
geklemmt,
geschraubt,
geklebt,
magnetisch angezogen und/oder
mittels Unterdruck angesaugt
wird.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die feste räumliche Lage zwischen dem Testobjekt (120) und dem Referenzobjekt (110) dadurch gewährleistet wird, dass ein Objekt auf das andere Objekt gelegt wird.