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DE10329744A1 - Process for determining the focus position of a laser beam in relation to the workpiece surface e.g. in welding comprises comparing a characteristic of a luminescent plate formed on the surface by the laser beam with a reference value - Google Patents

Process for determining the focus position of a laser beam in relation to the workpiece surface e.g. in welding comprises comparing a characteristic of a luminescent plate formed on the surface by the laser beam with a reference value Download PDF

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DE10329744A1
DE10329744A1 DE2003129744 DE10329744A DE10329744A1 DE 10329744 A1 DE10329744 A1 DE 10329744A1 DE 2003129744 DE2003129744 DE 2003129744 DE 10329744 A DE10329744 A DE 10329744A DE 10329744 A1 DE10329744 A1 DE 10329744A1
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laser beam
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Reiner Ramsayer
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Process for determining the focus position (24) of a laser beam (10) in relation to the workpiece surface (11) comprises comparing a characteristic of a luminescent plate formed on the solid body surface by the laser beam with a reference value.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Fokuslage eines Laserstrahls bezüglich einer Festkörperoberfläche, insbesondere einer Werkstückoberfläche, nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a method for determining the focus position of a laser beam with respect to a Solid surface, in particular a workpiece surface, after the genus of the independent Expectations.

Bei einer Bearbeitung von Werkstückoberflächen mittels eines Laserstrahls, wie beispielsweise Schweißen, Schneiden oder Bohren, wird die Qualität des Bearbeitungsergebnisses stark beeinflusst von der Fokuslage des Laserstrahls bezüglich der Werkstückoberfläche. Die Fokuslage bestimmt in hohem Maße die Leistungsdichteverteilung im Bearbeitungsort auf der Werkstückoberfläche. So beträgt etwa die Toleranzgrenze der Fokuslagenabweichung für den Schweißprozess in der industriellen Fertigung nur wenige 100 μm.When machining workpiece surfaces using a laser beam, such as welding, cutting or drilling, becomes the quality of the processing result strongly influenced by the focus position of the laser beam with respect the workpiece surface. The Focus position determines to a high degree the power density distribution in the machining location on the workpiece surface. So is about the tolerance limit of the focus position deviation for the welding process only a few 100 μm in industrial production.

Um eine solch genaue Einstellung der Fokuslage erreichen zu können, ist die Bestimmung der Fokuslage von großer Wichtigkeit.Such an exact setting to be able to reach the focus position determining the focus position is of great importance.

Aus der nicht vorveröffentlichten Schrift DE 102 44 548 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Fokuslage bei einer Lasermaterialbearbeitung bekannt, bei dem bestimmte Prozessmerkmale, wie beispielsweise die Gesamtleistung der optischen oder akustischen Emission, oder die spektral aufgelöste Leistung der optischen oder akustischen Emission, mittels einer Sensorik erfasst und mit Referenzwerten verglichen werden. Dieses Verfahren zur Bestimmung der Fokuslage wird vorgeschlagen für Messungen während des Bearbeitungsprozesses.From the unpublished script DE 102 44 548 A1 A method for determining the focus position in laser material processing is known, in which certain process features, such as the total power of the optical or acoustic emission, or the spectrally resolved power of the optical or acoustic emission, are detected by means of a sensor system and compared with reference values. This method for determining the focus position is proposed for measurements during the machining process.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Das erste erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Fokuslage eines Laserstrahls bezüglich einer Festkörperoberfläche, insbesondere einer Werkstückoberfläche, hat den Vorteil, dass eine einfache und genaue Auswertung der Fokuslage ermöglicht wird. Das zweite erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass eine Überprüfung der Fokuslage bereits vor dem ersten Bearbeitungsprozess durchgeführt werden kann. Beiden Verfahren ist es somit gemeinsam, dass sie die Werkstückoberfläche nicht verändern. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren sind in den Unteransprüchen angegeben.The first method according to the invention for determining the focus position of a laser beam with respect to a Solid surface, in particular a workpiece surface the advantage that a simple and accurate evaluation of the focus position allows becomes. The second method according to the invention has the advantage that a review of the Focus position must be carried out before the first machining process can. It is therefore common to both methods that they do not have the workpiece surface change. Advantageous developments of the method according to the invention are specified in the subclaims.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfasst eine Kamera das Bild der Leuchtscheibe und ein Auswerteprogramm vergleicht ein oder mehrere Merkmale der Leuchtscheibe mit gespeicherten Referenzwerten. Damit ist das gesamte Verfahren berührungs- und verschleißfrei, eine Beschädigung oder Veränderung der Werkstückoberfläche ausgeschlossen.In a preferred embodiment A camera captures the image of the light disk and an evaluation program compares one or more features of the light disk with saved ones Reference values. The entire process is thus and wear-free, damage or change excluded the workpiece surface.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing and the description below. It demonstrate:

1 einen Messaufbau in schematischer Darstellung, 1 a measurement setup in a schematic representation,

2 einen Strahlkegel in vereinfachter Darstellung, 2 a beam cone in a simplified representation,

3 Leuchtscheiben mit unterschiedlichen Fokuslagen, sowie deren unterschiedlichen Positionen im Strahlkegel und 3 Illuminated discs with different focus positions, as well as their different positions in the beam cone and

4 ein Verfahren zur Lagekontrolle von Bauteilen. 4 a method for checking the position of components.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription of the embodiments

Die 1 zeigt einen Aufbau einer Anlage 9 zur Lasermaterialbearbeitung und zur Bestimmung der Fokuslage eines Laserstahls 10.The 1 shows a structure of a plant 9 for laser material processing and for determining the focus position of a laser steel 10 ,

Der Laserstrahl 10 aus einer nicht dargestellten Laserquelle wird durch eine Fokussierungslinse 13 auf die Werkstückoberfläche 11 eines Werkstücks 15 fokussiert. Hat der Laserstrahl 10 auf der Werkstückoberfläche 11 eine hinreichende Energie, kann er zur Bearbeitung der Werkstückoberfläche 11, beispielsweise zum Schweißen, Schneiden oder Bohren, benutzt werden.The laser beam 10 from a laser source, not shown, through a focusing lens 13 on the workpiece surface 11 of a workpiece 15 focused. Has the laser beam 10 on the workpiece surface 11 sufficient energy, it can be used to machine the workpiece surface 11 , for example for welding, cutting or drilling.

Ein kontrolliertes Arbeiten mit dem Laserstrahl 10 setzt jedoch voraus, dass die Fokuslage des Laserstrahls 10 korrekt eingestellt wird. Eine falsche Fokuslage des Laserstrahls 10 führt zu einer veränderten Leistungsdichte auf der Werkstückoberfläche 11 und somit zu einer Qualitätsminderung des Bearbeitungsergebnisses.Controlled work with the laser beam 10 however, assumes that the focus position of the laser beam 10 is set correctly. An incorrect focus position of the laser beam 10 leads to a changed power density on the workpiece surface 11 and thus to a reduction in the quality of the machining result.

In der 2 ist die Strahlkaustik des Laserstrahls 10 vereinfacht dargestellt. Die Strahlkaustik weist unterschiedliche Querschnittsebenen auf, wobei eine erste Querschnittsebene 16 den Ort bezeichnet, an dem der Laserstrahl 10 seine geringste Querschnittsfläche aufweist. Weiterhin ist eine zweite Querschnittsfläche 17 in Höhe der Werkstückoberfläche 11 dargestellt. Eine dritte Querschnittsfläche 18 bezeichnet einen Ort, der zwischen der ersten Querschnittsfläche 16 und der zweiten Querschnittsfläche 17 liegt, wobei deren Querschnittsfläche grösser ist als in der ersten Querschnittsfläche 16 und kleiner als in der zweiten Querschnittsfläche 17.In the 2 is the beam caustic of the laser beam 10 shown in simplified form. The beam caustic has different cross-sectional levels, with a first cross-sectional level 16 denotes the place where the laser beam 10 has its smallest cross-sectional area. Furthermore, there is a second cross-sectional area 17 at the level of the workpiece surface 11 shown. A third cross-sectional area 18 denotes a location between the first cross-sectional area 16 and the second cross-sectional area 17 lies, whose cross-sectional area is larger than in the first cross-sectional area 16 and smaller than in the second cross-sectional area 17 ,

Zuletzt ist eine vierte Querschnittsfläche 19 dargestellt, welche sich oberhalb der ersten Querschnittsfläche 16 befindet, wobei sich die dritte Querschnittsfläche 18 und die vierte Querschnittsfläche 19 gleichen. Charakteristisch ist, dass Ebenen gleicher Querschnittsflächen dieselben Energiedichten des Laserstrahls 10 aufweisen. Unter der Fokuslage 24 wird der Abstand zwischen der ersten Querschnittsfläche 16 und der zweiten Querschnittsfläche 17 in Höhe der Werkstoffoberfläche 11 verstanden.Last is a fourth cross-sectional area 19 shown, which is above the first cross-sectional area 16 is the third cross-sectional area 18 and the fourth cross-sectional area 19 same. It is characteristic that planes of the same cross-sectional areas have the same energy densities of the laser beam 10 exhibit. Under the focus 24 becomes the distance between the first cross-sectional area 16 and the second cross-sectional area 17 at the level of the material surface 11 Roger that.

Soll nun mit dem Aufbau der Anlage 9 eine Lasermaterialbearbeitung durchgeführt werden, wird die Soll-Position des nicht dargestellten Laserkopfes der Anlage 9 angefahren. Die anschließende Feinjustage, d.h. die Bestimmung der Fokuslage 24 des Laserstrahls 10 und gegebenfalls die nötige Korrektur der Fokuslage 24, erfolgt durch das erfindungsgemäße Verfahren.Should now start with the construction of the plant 9 laser material processing will be carried out the target position of the laser head of the system, not shown 9 approached. The subsequent fine adjustment, ie the determination of the focus position 24 of the laser beam 10 and, if necessary, the necessary correction of the focus position 24 , is carried out by the method according to the invention.

Dazu wird mittels eines oder mehrerer kurzer, leistungsschwacher Laserpulse der Laserstrahl 10 erzeugt, der durch die Linse 13 auf die die Werkstückoberfläche 11 abgebildet wird. Diese Abbildung des Laserstrahls 10 auf der Werkstückoberfläche 11 wird auch als Leuchtscheibe 30 bis 32 (3) bezeichnet. Dabei wird eine Laserleistung so gewählt, dass die daraus resultierende Intensität der Laserpulse zu schwach ist, um die Werkstückoberfläche 11 zu bearbeiten oder zu schädigen. Für verzinnte Oberflächen zum Beispiel haben sich Laserpulse im Bereich von einigen hundert Watt und Laserpulsdauern von wenigen 1/10 ms bewährt.To do this, the laser beam is generated using one or more short, low-power laser pulses 10 generated by the lens 13 onto the workpiece surface 11 is mapped. This image of the laser beam 10 on the workpiece surface 11 is also used as a light disk 30 to 32 ( 3 ) designated. A laser power is selected so that the resulting intensity of the laser pulses is too weak around the workpiece surface 11 to edit or damage. For tinned surfaces, for example, laser pulses in the range of a few hundred watts and laser pulse durations of a few 1/10 ms have proven their worth.

Das Bild der Leuchtscheibe 30 bis 32 auf der Werkstückoberfläche 11 wird über einen Strahlteiler 18 und eine Abbildungsoptik 20 mittels einer Kamera 21 aufgenommen. Als Kamera 21 wird vorzugsweise eine CCD-Kamera, eine CMOS-Kamera oder eine andere Kamera eingesetzt. Die Kamera 21 ist mit der angepassten Abbildungsoptik 20 auf die gewünschte Fokuslage eingestellt und das Kamerabild ist scharf gestellt.The image of the light disk 30 to 32 on the workpiece surface 11 is via a beam splitter 18 and imaging optics 20 using a camera 21 added. As a camera 21 a CCD camera, a CMOS camera or another camera is preferably used. The camera 21 is with the adapted imaging optics 20 set to the desired focus position and the camera image is in focus.

Die Laserpulse können mit einer geeigneten Rate wiederholt werden, um auch bei langsamen Kameras ein hinreichend deutliches Bild zu ermöglichen.The laser pulses can be sent at an appropriate rate repeated to be sufficient even with slow cameras enable clear picture.

Das von der Kamera 21 aufgenommene Bild der Leuchtscheibe 30 bis 32 zeigt je nach Fokuslage eine Leuchtscheibe 30 bis 32 mit unterschiedlichen Werten charakteristischer Merkmale. Unter den Merkmalen werden beispielsweise der Scheibendurchmesser und/oder das Kontrastverhältnis und/oder die Bildschärfe der Leuchtscheibe 30 bis 32 verstanden. Aus dem Bild der Leuchtscheibe 30 bis 32 wird mittels einer Hard- und Software aufweisenden Bildverarbeitungseinrichtung 22, die auch integrierter Bestandteil der Kamera 21 sein kann, mindestens einer dieser charakteristischen Werte bestimmt und mit dem jeweiligen vorgegebenen Sollwert verglichen. Weicht zum Beispiel der Istdurchmesser vom Solldurchmesser ab, werden die Achsen des nicht dargestellten Laserkopfes der Anlage 9 längs der Strahlungsrichtung derart verfahren, dass die Abweichung ausgeglichen wird. Alternativ dazu kann auch das Werkstück 15 verschoben werden. Der Abgleichprozess ist so oft zu wiederholen, bis die Fokuslage 24 optimal eingestellt ist.That from the camera 21 captured image of the light disk 30 to 32 shows a light plate depending on the focus position 30 to 32 with different values of characteristic features. The features include, for example, the lens diameter and / or the contrast ratio and / or the sharpness of the image of the luminous lens 30 to 32 Roger that. From the picture of the light disk 30 to 32 is by means of an image processing device having hardware and software 22 that are also an integral part of the camera 21 can be at least one of these characteristic values determined and compared with the respective predetermined target value. If, for example, the actual diameter deviates from the nominal diameter, the axes of the laser head (not shown) become the system 9 Move along the direction of radiation in such a way that the deviation is compensated for. Alternatively, the workpiece 15 be moved. The adjustment process has to be repeated until the focus position 24 is optimally set.

Die Anpassung der Fokuslage 24 bzw. der Achsen wird mittels einer Kennlinie erfasst, in der die Fokuslagen 24 bzw. Achsenpositionen der Anlage 9 in Abhängigkeit einer oder mehrerer Merkmale abgelegt sind. Ein Beispiel ist eine Kennlinie, in der die Fokuslage 24 abhängig vom Leuchtscheibendurchmesser bestimmt wird.The adjustment of the focus position 24 or the axes is recorded using a characteristic curve in which the focus positions 24 or axis positions of the system 9 are stored depending on one or more characteristics. An example is a characteristic curve in which the focus position 24 is determined depending on the diameter of the lens.

In 3 sind mehrere Leuchtscheiben 30 bis 32 und ihre entsprechenden Querschnittsebenen 35 bis 37 dargestellt. Die optimale Fokuslage ist bei der Querschnittsebene 36; der entsprechende optimal eingestellte Laserstrahl 34 ist eingezeichnet. In diesem Fall ist das Bild der Leuchtscheibe 31 scharf, und der Ist- und Solldurchmesser der Leuchtscheibe 31 stimmen überein. Fokuslagen mit Querschnittsebenen 35 und 37 sind nicht optimal eingestellt, dementsprechend ist in beiden Fällen das Bild der Leuchtscheibe 30 bzw. 32 unscharf. Der Scheibendurchmesser der Leuchtscheibe 30 ist grösser, der Scheibendurchmesser der Leuchtscheibe 32 kleiner als der Solldurchmesser.In 3 are several light disks 30 to 32 and their corresponding cross-sectional planes 35 to 37 shown. The optimal focus position is at the cross-sectional level 36 ; the corresponding optimally adjusted laser beam 34 is drawn. In this case, the image is the light disk 31 sharp, and the actual and target diameter of the light disk 31 agree. Focus positions with cross-sectional planes 35 and 37 are not optimally adjusted, so in both cases the image of the light disk is 30 respectively. 32 blurred. The disk diameter of the light disk 30 is larger, the disc diameter of the illuminated disc 32 smaller than the nominal diameter.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel dient die Fokuslagenbestimmung zur optimalen Bearbeitung eines Werkstückes. Bei dem in der 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel wird die Lage von Bauteilen zueinander bestimmt. Dazu zeigt 4 einen Fügespalt 43 zwischen einem oberen, in der Lage veränderlichen und einem unteren, ortsfesten Fügepartner 41, 42. Aus der Bestimmung der Fokuslage 24 des Laserstrahls 10 bezüglich der Oberfläche des oberen Fügepartners 41 wird der Fügespalt 43 ermittelt. Das Messverfahren läuft wie im ersten Ausführungsbeispiel ab. Aus einer Kennlinie, die zuerst experimentell zu ermitteln ist, wird der Fügespalt 43 in Abhängigkeit von z.B. Leuchtscheibendurchmessern bestimmt. Bei Abweichung des erfassten Fügespalts 43 vom Sollwert wird die Position des Fügepartners 41 korrigiert. Der Fügespalt 43 kann noch genauer vermessen werden, wenn die Fokuslage bei beiden Fügepartnern 41, 42 jeweils separat bestimmt wird.In the first embodiment, the focus position determination is used for optimal machining of a workpiece. The one in the 4 The second exemplary embodiment shown determines the position of components relative to one another. This shows 4 a joint gap 43 between an upper, positionally changeable and a lower, fixed joining partner 41 . 42 , From the determination of the focus position 24 of the laser beam 10 regarding the surface of the upper joining partner 41 becomes the joint gap 43 determined. The measuring method runs as in the first embodiment. The joint gap is created from a characteristic curve that is first to be determined experimentally 43 determined depending on, for example, luminous disk diameters. In the event of a deviation in the joint gap recorded 43 the position of the joining partner becomes from the setpoint 41 corrected. The joint gap 43 can be measured even more precisely if the focus is at both joining partners 41 . 42 is determined separately.

Claims (8)

Verfahren zur Bestimmung der Fokuslage (24) eines Laserstrahls (10) bezüglich einer Festkörperoberfläche, insbesondere einer Werkstückoberfläche (11), dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Fokuslage (24) ein Vergleich von mindestens einem Merkmal einer Leuchtscheibe (30 bis 32), die auf der Festkörperoberfläche durch den Laserstrahl (10) hervorgerufen wird, mit mindestens einem bezüglich der Leuchtscheibe (30 bis 32) abgespeicherten Referenzwert durchgeführt wird.Procedure for determining the focus position ( 24 ) a laser beam ( 10 ) with respect to a solid surface, in particular a workpiece surface ( 11 ), characterized in that for determining the focus position ( 24 ) a comparison of at least one characteristic of a light disk ( 30 to 32 ) on the solid surface by the laser beam ( 10 ) is caused, with at least one with respect to the light disk ( 30 to 32 ) stored reference value is carried out. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtscheibe (30 bis 32) zur Bestimmung der Fokuslage (24) durch wenigstens einen Laserpuls erzeugt wird, dessen Leistung so gering ist, dass die Festkörperoberfläche nicht beschädigt, insbesondere nicht angeschmolzen wird.A method according to claim 1, characterized in that the light disk ( 30 to 32 ) to determine the focus position ( 24 ) is generated by at least one laser pulse, the power of which is so low that the solid surface is not damaged, in particular is not melted. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzwert der Leuchtscheibe (30 bis 32) der Scheibendurchmesser und/oder das Kontrastverhältnis und/oder die Bildschärfe verwendet wird.A method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the reference value of the luminous disc ( 30 to 32 ) the disk diameter and / or the contrast ratio and / or the image sharpness is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild der Leuchtscheibe (30 bis 32) mittels einer Kamera (21) erfasst und einer Bildverarbeitungseinrichtung (22) zugeführt wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the image of the luminous disc ( 30 to 32 ) using a camera ( 21 ) and an image processing device ( 22 ) is supplied. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Bestimmung der Fokuslage (24) bei einer vorhandenen Abweichung zwischen der Soll- und Istlage die Abweichung kompensiert wird durch Verschieben eines Laserkopfes und/oder der Festkörperoberfläche.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that after determining the focus position ( 24 ) If there is a deviation between the target and actual position, the deviation is compensated for by moving a laser head and / or the solid surface. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Fokuslage (24) mittels einer Kennlinie erfasst wird, in der die Fokuslagen in Abhängigkeit einer oder mehrerer Merkmalen abgelegt sind.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the adjustment of the focus position ( 24 ) is recorded by means of a characteristic curve in which the focus positions are stored as a function of one or more features. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) zur Bestimmung der Fokuslage (24) eine geringere Intensität aufweist als der Bearbeitungsstrahl.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the laser beam ( 10 ) to determine the focus position ( 24 ) has a lower intensity than the processing beam. Verfahren zur Bestimmung der Fokuslage (24) eines Laserstrahls (10) bezüglich einer Festkörperoberfläche, insbesondere einer Werkstückoberfläche (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Fokuslage (24) vor oder nach einer Bearbeitung eines Werkstücks (15) erfolgt.Procedure for determining the focus position ( 24 ) a laser beam ( 10 ) with respect to a solid surface, in particular a workpiece surface ( 11 ), characterized in that the determination of the focus position ( 24 ) before or after machining a workpiece ( 15 ) he follows.
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