CN113365773A - 用于工件的受控加工的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本申请描述了用于工件的受控加工的方法和设备。根据所描述的方法，激光束聚焦在将要进行加工的工件的目标点上以产生激光焦点。此外，根据该方法，距离测量数据借助于光学距离测量装置进行收集以确定将要进行加工的工件上的目标点与激光光学瞄准器之间的距离。该方法包括基于收集的距离测量数据相对于激光焦点定位将要进行加工的工件。距离测量装置设计为共焦光学距离测量装置，其具有用于产生测量光的测量光源及具有可变焦距测量透镜***，该方法包括可变焦距测量透镜***的焦距的随时间变化以在可变焦距测量透镜***的不同焦距值时收集距离测量数据。

Description

用于工件的受控加工的方法和设备
本发明涉及工件的激光加工方法和设备。具体地，本发明涉及工件的激光加工方法，其包括控制将要进行加工的工件的定位以确保工件的精确的激光加工。
使用激光束加工工件的方法已知。用于进行这样的方法的设备也已知。为确保使用激光束精确地加工工件，必须准确地定位工件或者准确地调节相应的激光加工设备。对于已知的方法及已知的设备，这仅有限程度的可能。
本发明的目的之一是提供一种改进的、用于工件的受控激光加工的方法及相应设备，其加工精度高且设备构造简单。
为实现该目的，根据第一方面，提供一种用于工件的受控加工的方法。该方法包括对激光束或加工光束调焦以借助于激光光学瞄准器产生聚焦在将要进行加工的工件的目标点上的激光焦点。具体地，在近红外光谱范围发射的固态激光器如YAG激光器或光纤激光器或者气体激光器如CO2激光器可用于产生激光束。
具体地，激光光学瞄准器可设计为调焦和对准透镜***，其使激光束能精确地对准和聚焦。具体地，激光光学瞄准器可设计为激光束扫描仪，尤其是设计为galvo扫描仪，其可能使用电激活的反射镜对准激光束。
该方法包括借助于光学距离测量装置或光学传感器收集距离测量数据以确定将要进行加工的工件上的目标点与激光光学瞄准器或者其上面的固定参考点或其参考面之间的距离。
该方法还包括使用聚焦的激光束加工将要进行加工的工件上的目标点。具体地，加工可包括激光焊接、激光切割和/或另一激光加工工艺。
根据该方法，距离测量装置设计为共焦光学距离测量装置，其具有可变焦距透镜***或者可变焦距测量透镜***，该方法包括可变焦距测量透镜***的焦距随时间变化以在可变焦距测量透镜***的不同焦距值时收集距离测量数据。
通过随时间改变可变焦距测量透镜***的焦距，可能在最小焦距与最大焦距之间改变可变焦距测量透镜***的焦距以确定符合需要的测量范围。具体地，测量范围可确定或指定成使得可能用共焦光学传感器甚至用具有大焦距或小数值孔的激光加工设备精确地确定激光光学瞄准器与将要进行加工的工件上的目标点之间的距离。工件可使用所确定的距离测量数据以受控且精确的方式进行加工。
还可能使用没有光色散或者仅有较小光色散的光学元件使用可变焦距测量透镜***进行距离测量，使得提供来引导激光束的没有或仅有低光色散的光学元件也可用于引导测量光束。
该方法还可包括基于收集的距离测量数据相对于激光焦点定位将要进行加工的工件。定位将要进行加工的工件可包括改变工件或整个激光加工设备的空间位置和/或空间对准。
作为备选或另外，定位可包括激光束的重新聚焦。因此，如果必要，重新定位将要进行加工的工件或者重新调节激光器以使能对将要进行加工的工件进行精确的加工。
激光加工设备的激光光学瞄准器可形成距离测量装置的测量透镜***的一部分。具体地，测量光可被耦合入激光束的光路，使得在某些部分，至少测量光束与激光束同轴地延伸。
通过将激光加工设备的激光光学瞄准器用于距离测量装置的测量透镜***，可能减少完成本发明方法所需要的光学元件的数量，从而简化光学设置。也可能简单地将距离传感器集成到现有的激光加工***内。
该方法的至少部分步骤可在将要进行加工的工件上的多个目标点执行或重复。通过在多个点重复该方法的步骤，可能重新检查及在必要时校正将要进行加工的工件的定位。
在一些实施例中，距离测量数据的收集包括由工件反射回来的测量光的强度的收集，距离使用由工件反射回来的测量光的强度-时间曲线进行确定。
在可变焦距测量透镜***的焦距随时间受控变化的情形下，可能将收集强度的时间分配给可变焦距测量透镜***的特定焦距进而分配给测量光焦点的位置，从其则可能推导激光光学瞄准器与目标点之间的距离。强度最大值在测量光的焦平面与将要进行加工的工件或测量物体的表面重合时出现。在该情形下，在将要进行加工的工件的表面上产生的测量光斑因距离测量装置的共焦光导而成像在设置在光检测器侧的光阑或光耦合点上，其也用作用于测量光源的光离开光阑，因而强度最大值被光检测器检测到。
宽带红外光尤其是近红外光可用作测量光。具体地，具有900nm到1000nm之间尤其是940nm到960nm之间的峰值波长及40nm到60nm之间尤其是45nm到55nm之间的光谱半峰全宽的近红外LED(发光二极管)可用于产生测量光。
这种类型的LED测量光足够宽带以避免或减少破坏性干扰和斑点效应。这种类型的LED测量光也足够窄带以抑制或最小化不合需要的发散效应如彩色焦点偏移。
此外，对于用近红外测量光进行距离测量，可能使用激光加工设备的针对近红外光谱范围设计的光学元件，如激光光学瞄准器的反射镜和/或透镜。
可变焦距测量透镜***的焦距的随时间变化可包括可变焦距测量透镜***的焦距的调整尤其是循环调整，以在可变焦距测量透镜***的不同焦距时收集距离测量数据。当调整焦距时，覆盖可变焦距测量透镜***的在最小焦距与最大焦距之间的焦距范围，使得该测量透镜***的焦点扫描光学传感器的整个测量范围。由于可变焦距测量透镜***的焦距的循环调整，可能使收集的距离测量数据的评估与焦距的随时间变化同步以有利于收集的测量数据清楚且可靠地分配给将要确定的距离。具体地，可能使用测量光的焦距变化在一个周期或一个测量周期中确定距将要进行加工的测量物体的表面的如单一距离值或距离。
在一些实施例中，测量光束焦点在一周期内在两个不同时间位于测量物体或将要进行加工的工件的表面上，使得来自将要进行加工的工件的表面上的测量光斑的反射锐成像在光纤端或光耦合点上，导致光检测器收集的光的强度最大值。使用观察到光检测器收集的光的强度最大值时的时间，距将要进行加工的工件的距离可借助于循环点与测量光的焦点位置之间的关系确定，该关系或提前已知或可借助于校准测量进行确定。
该方法还可包括进行校准测量以确定循环点与距离之间的关系。通过校准测量确定的循环点与距离之间的关系可提高距离测量数据的评估可靠性和准确度，使得可能从周期中最大强度的时间清楚且可靠地计算将要确定的距离。
校准测量可包括收集设置在可变焦距透镜***下游的弯月透镜尤其在一周期中的不同时间的反射。弯月透镜具有一凹面和一凸面。具体地，弯月透镜可设置成使得在调整可变焦距透镜***时，由凹面反射回来的光和由凸面反射回来的光交替聚焦在光耦合点上，导致光的可测量的强度波峰馈入光纤。该波峰在调整周期内的时间位置对应于可变焦距透镜***的很好定义的焦距，使得可变焦距透镜***或者距离测量装置可使用该强度波峰或校准波峰的时间位置精确地校准。
在一些实施例中，校准测量包括扫描仪或激光光学瞄准器的侧位的二维网格的测量。在二维网格中收集的距离测量数据则可用于校准距离测量装置。
距离测量数据的收集可在目标点处的多个点或者多个测量点处进行。在本上下文中，目标点处的测量点的设置意为测量点可设置在目标点上或目标点周围。通过在目标点处的多个测量点收集距离测量数据，可能借助于求平均减少测量结果的易出错。通过在多个测量点收集距离测量数据，还可能降低斑点对测量结果的影响。通过在多个测量点取得测量结果，可平均掉将要进行加工的工件反射回来的光因斑点引起的局部强度波动。
在多个测量点收集距离测量数据可在测量周期内顺序地或逐一地进行。在测量周期期间，因此可能从不同的测量点收集距离测量数据，从而能够快速且用较少计算努力确定平均距离。
在一些实施例中，距离测量数据沿目标点处的扫描通路在多个点处收集。扫描通路可选择成使得目标点距离可从沿扫描通路收集的距离测量数据得出。
扫描通路可采取围绕将要进行加工的工件上的目标点的圆圈的形式。具体地，测量圆圈可具有与激光斑相当的轨道半径。沿测量圆圈收集的距离测量数据生成数据库，其使能借助于平均而高效地降低测量误差。
扫描通路可采取以将要进行加工的工件的目标点为中心的螺旋形。具体地，螺旋形的中心点可与目标点重合。由于螺旋形扫描通路，可能从特别大的表面区域收集距离测量数据，使可能加强求平均效果并减少测量结果的易破坏性。
在一些实施例中，距离测量数据在一个测量周期内实质上同时在多个测量点进行收集，距离使用物理平均的距离测量数据进行确定。
距离测量数据的物理平均意味着距离不针对每一测量点单独地确定，例如从收集的距离形成平均距离。物理平均意味着在目标点处的多个测量点收集的所有距离测量数据尤其是由将要进行加工的工件反射回来的测量光的强度测量数据在确定距目标点的距离时均被包括，使得针对所有测量点确定单一距离值。
由于物理平均，在目标点上的不同测量点收集的所有距离测量数据可被一起评估，例如在单一评估步骤中评估，使得可简单且快速地确定距离值。
测量光可借助于至少一具有多个孔的荫罩板尤其是设计为共焦光阑的荫罩板拆分为多个部分测量光，以在多个测量点同时收集距离测量数据。使用至少一荫罩板，可能以简单方式产生在多个测量点收集距离测量数据所需要的部分测量光。
部分测量光可使用共同的光检测器收集。使用共同的光检测器用于所有部分测量光简化了从多个测量点收集距离测量数据。距离测量数据或光强度的物理平均与共同的光检测器收集部分测量光同时进行，因为共同的光检测器不区分由不同测量点反射回来的光。距离测量数据因而被自动平均，而不需要执行计算步骤。
根据第二方面，提出一种用于工件的受控加工的设备。
该设备包括用于产生激光束的激光源，激光束用于将要进行加工的工件的加工或激光加工。具体地，在近红外光谱范围发射的固态激光器如YAG激光器或光纤激光器或者气体激光器如CO2激光器可用于产生激光束。
该设备还包括激光光学瞄准器，用于将激光束聚焦在将要进行加工的工件的目标点上的激光焦点。具体地，激光光学瞄准器可设计为调焦和对准透镜***，其使激光束能精确地对准和聚焦。具体地，激光光学瞄准器可设计为激光束扫描仪，尤其是设计为galvo扫描仪，其可能使用电激活的反射镜对准激光束。
该设备还包括距离测量装置，用于使用距离测量装置收集的距离测量数据确定将要进行加工的工件上的目标点与激光光学瞄准器之间的距离；及包括定位装置，用于基于收集的距离测量数据相对于激光焦点定位将要进行加工的工件和/或使激光器重新聚焦。
该设备还包括评估和控制单元，其设计成评估收集的距离测量数据并基于收集的距离测量数据致动定位装置。
距离测量装置设计为共焦光学距离测量装置，其具有用于产生测量光的测量光源及具有可变焦距测量透镜***，使得可变焦距测量透镜***的焦距可随时间变化以在可变焦距测量透镜***的不同焦距值时收集距离测量数据。
通过随时间改变可变焦距测量透镜***的焦距，可能实现距离测量装置的有效测量范围的增加，使得可能用共焦光学传感器甚至用具有大焦距或小数值孔的激光加工设备精确地确定激光光学瞄准器与将要进行加工的工件上的目标点之间的距离。
可变焦距测量透镜***还使距离测量能用具有或没有低光色散的光学元件进行，使得没有或仅有低光色散的、激光束引导所需的光学元件也可用于测量光的光束引导。
距离测量装置的测量透镜***可包括激光光学瞄准器的至少一部分。
通过将激光光学瞄准器用于距离测量装置的测量透镜***，可能减少所需要的光学元件的数量或者明显简化该设备的构造。因此，也可能以简单方式将距离传感器集成到现有的激光加工***内。
距离测量装置包括用于收集由将要进行加工的工件反射回来的测量光的强度的光检测器，其设计成使得可能使用由工件反射回来的测量光的收集的强度-时间曲线确定距离。
在可变焦距测量透镜***的焦距随时间受控变化的情形下，可能将强度收集时间分配给可变焦距测量透镜***的特定焦距因而分配给特定距离进而推导激光光学瞄准器与目标点之间的距离。
宽带红外光源尤其是在近红外光谱范围发射的光源可用作测量光源。具体地，具有约950nm的峰值波长及约50nm的光谱半峰全宽的近红外LED可用于产生测量光。这种类型的LED测量光足够宽带以防止或减少破坏性干扰和斑点效应。这种类型的LED测量光也足够窄带以抑制或最小化不合需要的发散效应如彩色焦点偏移。
可变焦距测量透镜***可设计为可调整的尤其是可循环调整的测量透镜***。当调整焦距时，覆盖可变焦距测量透镜***的在最小焦距与最大焦距之间的焦距范围，使得该测量透镜***的焦点覆盖光学传感器的整个测量范围，如+/-7mm。通过循环调整可变焦距测量透镜***的焦距，可能使评估与焦距的随时间变化同步以使收集的测量数据能清楚且可靠地分配给确定的距离。
具体地，可变焦距透镜***可设置在距离测量装置的成像***的发散部分中。发散部分意为距离测量装置的成像***的一部分，其中测量透镜***形成发散测量光束。在成像***的发散部分中，可能定位可变焦距测量透镜***以使能最佳地利用可变焦距透镜***的通光孔径。
可变焦距测量透镜***可包括可变焦距透镜。使用可变焦距透镜尤其是电激活的可变焦距透镜，可能以简单方式改变测量透镜***的焦距。可变焦距透镜的通光孔径可具有在1到10mm尤其是2到6mm的范围中的直径。具体地，可变焦距透镜可设置在光耦合点附近或者测量光从其发散地离开的光纤端附近。
在一些实施例中，该设备包括至少一具有多个孔的荫罩板，用于将测量光拆分为多个部分测量光。使用部分测量光，可能同时在多个测量点收集距离测量数据。
在一些实施例中，该设备包括具有用于耦合入和耦合出测量光的光耦合点的光纤，至少一荫罩板设置在光耦合点处。荫罩板的这种设置适合具有光纤耦合器的设备，光耦合点设计成耦合出由测量光源产生的光及耦合入由将要进行加工的工件反射回来的测量光。在该情形下，距离测量数据可用单一荫罩板在不同的测量点简单地进行收集。
具体地，荫罩板可直接放在光耦合点上或光纤的端部上。荫罩板设置在光耦合点上使能高效地使用荫罩板，因为实质上全部从光耦合点发射的测量光均被荫罩板收集。
光耦合点或光纤端部以及荫罩板的尺寸使得荫罩板被实质上完全照射。这使能特别高效地使用荫罩板的表面。
在一些实施例中，该设备包括具有光离开端的第一光纤和具有光进入端的第二光纤，第一荫罩板设置在光离开端处，第二荫罩板设置在光进入端处。荫罩板的这种设置适合具有分束器的设备，其设计成将测量光源产生的测量光耦合入距离测量装置的成像***及耦合出将要进行加工的工件反射回来的测量光。
两个荫罩板可定位成使得两个荫罩板中的孔相对于彼此按对共焦对准。相对于彼此共焦地对准两个荫罩板中的多对孔将通过第一荫罩板中的孔产生的部分测量光束会聚到第二荫罩板中的相应孔内以使因荫罩板引起的光损失最小化。
代替各根光纤，可能使用光纤束产生用于在不同测量点收集距离测量数据的多个部分测量光。在这样的设置中，光纤束提供多个部分测量光，因此不再需要荫罩板。用于将测量光拆分为部分测量光的光纤束可用在具有光纤耦合器的设备中及具有分束器的设备中。光纤束的使用使可能简化设备的构造和使用。
在一些实施例中，设备具有摄像机，其设计成使得可能使用摄像机在加工之前、期间和/或之后看得见地控制将要进行加工的工件上的加工位置。
这些实施例将在下面结合附图进行更详细地描述，附图中同样的附图标记用于指相同或相当的部件。
图1示意性地示出了根据一实施例的用于工件的受控加工的设备。
图2示出了根据一实施例的荫罩板。
图3示出了根据另一实施例的荫罩板。
图4示出了根据一实施例的弯月透镜。
图5示出了图4的弯月透镜的示意性俯视图。
图6示意性地示出了在根据一实施例的距离测量设备的一部分中的可能的光路。
图7示意性地示出了图6所示部分中的另一可能的光路。
图8示意性地示出了图6所示部分中的又一可能的光路。
图9示出了弯月透镜反射回去的光的时间-强度曲线。
图10示意性地示出了根据另一实施例的用于工件的受控加工的设备。
图11示出了根据一实施例的用于工件的受控加工的方法的流程图。
图1示意性地示出了根据一实施例的用于工件的受控加工的设备。设备1包括用于产生激光束3的激光源2，其用于将要进行加工的工件4的加工。此外，设备1包括用于使激光束3瞄准或者精确地聚焦于将要进行加工的工件4的目标点6上的焦点F的激光光学瞄准器5。
设备1包括距离测量装置7，用于确定将要进行加工的工件4的目标点6与激光光学瞄准器5之间的距离。距离测量装置7设计为共焦光学距离测量装置，其包括用于产生测量光的测量光源8和用于收集由工件4反射回来的测量光的光检测器9。在该实施例中，距离测量装置7具有关于零平面O的+/-7mm的距离测量范围H。
测量光源8连接到设计为Y形耦合器形式的光纤耦合器12的第一连接点11处的第一光纤10。光检测器9连接到光纤耦合器12的第二连接点14处的第二光纤13。第三光纤16的第一端连接到光纤耦合器12的第三连接点15，第三光纤16的第二端设计为用于耦合入和耦合出测量光的光耦合点17。在该实施例中，第一光纤10、第二光纤13和第三光纤16设计为能够传送近红外光谱范围的宽带光的多模光纤。
准直透镜18设置在光耦合点17的下游，可变焦距透镜19设置在光耦合点17与准直透镜18之间。光耦合点17设计成使得测量光从光耦合点17发散地离开，从而在光耦合点17与准直透镜18之间的区域中产生发散测量光束。在该实施例中，可变焦距透镜19为来自Optotune的EL-03-10电激活的可变焦距透镜。
设置在激光束3的光路中的是第一偏转板30，用于将测量光耦合入激光束3或激光光学瞄准器5的光路及从其耦合出测量光。偏转板30可设计成使得测量光能够在与激光束3共轴的激光束光路中传播，尤其是沿测量光和激光束共同的光轴A传播。
设备1还具有第二偏转板31，其位于激光束的光路中并位于第一偏转板30与激光光学瞄准器5之间。摄像机32经第二准直透镜33和第二偏转板31光学连接到激光光学瞄准器5，使得可能使用摄像机32看得见地控制将要进行加工的工件上的加工位置。偏转板30和31设计为激光可透过或者部分激光可透过的板，使得激光束的光路不被偏转板30和31打断或者仅轻微打断。
在一些实施例中，用于摄像机32的光通过偏转板31在激光器2与偏转板30之间转向。摄像机光在激光器与偏转板30之间的转向不会损害通过偏转板31针对摄像机光的转向进行的距离测量。
在图1所示的布置中，激光源3通过偏转板30或偏转板31因而透射地耦合入激光光学瞄准器5。在备选实施例中，激光束3反射地或者借助于激光束反射镜耦合到激光光学瞄准器5。
具体地，激光束可相对于共同的光轴A横向或纵向地、反射地耦合入设备1的光学***。在该类布置中，激光器2将设置在摄像机32和准直透镜33的地方，例如，激光束反射镜将设置在偏转板31的地方。至少部分可透过测量光的任何激光束反射镜可用作前述激光束反射镜。其中可实施在此描述的原理的其它光路配置也是可能的。在一非限制性的实施例中，测量光同轴地或者沿共同的光轴A耦合入激光束的光路。
在激光光学瞄准器5的一些实施例中，调焦透镜50设置在镜偶51的下游，使得激光束3首先通过镜偶51对准，其后，对准的激光束3可通过调焦透镜50聚焦在目标点处。
根据图1中的实施例，设备1还具有评估和控制单元40。评估和控制单元40包括用于评估收集的距离测量数据的评估单元41、用于控制可变焦距透镜19的焦距的透镜控制单元42、和用于相对于激光焦点定位将要进行加工的工件的定位控制单元43。评估单元41经信号线44连接到光检测器9的出口。透镜控制单元42经透镜控制线45连接到可变焦距透镜19的控制连接。定位单元43经定位控制线46连接到用于定位将要进行加工的工件4的***47。
在该实施例中，产生1030nm到1070nm波长范围的光辐射的YAG激光器用作激光源。其它激光器如在近红外光谱范围发射的固态激光器及气体激光器例如CO2激光器也可用作激光源。在近红外光谱范围发射的激光器很适合材料加工，因为这些激光器能够提供kW范围的输出以及材料加工所需要的高光辐射输出强度。设备1还包括设计来控制激光器2的输出的激光器输出控制***以及具有可控调焦透镜的激光器调焦控制***，可控调焦透镜设置在激光器的光路中并设计来控制激光器调焦。为了简单起见，激光器输出控制***和激光器调焦控制***未在图1中示出。
在该实施例中，具有约950nm的峰值波长和约50nm的光谱半峰全宽的宽带近红外LED用作测量光源。这种类型的LED测量光足够宽带以防止或减少破坏性干扰和斑点效应。这种类型的LED测量光也足够窄带以抑制或最小化不合需要的发散效应如彩色焦点偏移。
在图1的实施例中，激光光学瞄准器5或者扫描仪包括调焦透镜50和用于使调焦的辐射与将要进行加工的工件4的目标点6对准的可控镜偶51，必要时，用于使调焦的激光束在将要进行加工的工件4的加工区域上方通过。具体地，镜偶51可采取galvo镜偶，其可通过简单的手段电激活。
调焦透镜50具有约180nm的焦距。激光束3在进入激光光学瞄准器5之前的直径约为10mm。激光光学瞄准器5的尺寸使得激光束3能够处理约80mm x 80mm的加工区域。
在一些实施例中，激光光学瞄准器5采取远心激光光学瞄准器的形式。由于激光光学瞄准器的远心设计，将要处理的工件4能够在距设备不同的距离用激光束加工。
具体地，***47可设计成相对于激光束焦点定位和/或对准将要进行加工的工件4，及可包括一个或多个执行机构，其具有来自用于定位或对准将要进行加工的工件4的定位控制单元46的一个或多个控制信号。对准工件的可能性在图1中借助于坐标轴象征性地图示。
在一些实施例中，如图1中所示，设备1具有设置在距离测量装置7的光路中的荫罩板60或者光阑。荫罩板60具有多个孔61，这些孔在图2和3中可清楚地看到。荫罩板60位于光耦合点17与可变焦距透镜19之间，使得测量光通过荫罩板60拆分为多个部分以能够在将要进行加工的工件4的表面上的多个点处同时收集距离测量数据。在图1的实施例中，荫罩板直接放在用作光耦合点17的光纤端上，使得该光纤端也用作荫罩板60的保持器。
在一些实施例中，荫罩板放在其端部上的光纤具有足以实质上完全照射荫罩板60及经实质上荫罩板60中的所有孔61捕获反射光的直径。
在一些实施例中，使用以与图1中光纤16类似的方式耦合到光纤耦合器的光纤束，代替具有荫罩板60的光纤16。
在一些实施例中，如图1中例示的，设备1具有位于可变焦距透镜19与准直透镜18之间的、用于工件的受控加工的弯月透镜80。
弯月透镜80具有实质上球形凹面81和实质上球形凸面82。弯月透镜80的凹面81或者凹侧面向可变焦距透镜19，弯月透镜80的凸面82或凸侧面向准直透镜18。在所示实施例中，弯月透镜80在中心具有圆孔83。
当设备1运行时，在测量光源8中产生的光的一部分通过第一光纤10经光纤耦合器12和第三光纤16传到光耦合点17。测量光发散地离开光耦合点17，然后在通过偏转板30耦合入激光束3的光路之前通过可变焦距透镜19和准直透镜18。耦合入激光束3的光路的测量光之后能够通过激光光学瞄准器5传到将要进行加工的工件4。
当测量光击中工件4时，一部分测量光可被反射回去并经激光光学瞄准器5、准直透镜18、可变焦距透镜19和光耦合点17进入第三光纤16。在该过程中，一部分测量光经第二光纤13转向到光纤耦合器12处的光检测器9。光检测器9经信号线44向评估单元41提供测量信号用于评估。评估单元41设计成评估光检测器9收集的光的强度的时间曲线。评估单元41还设计成从强度时间曲线推导将要进行加工的工件上的目标点与激光光学瞄准器之间的距离。
具体地，可变焦距透镜19可被循环地控制，使得可变焦距透镜的光功率被调整例如+/-13屈光度，测量光的焦点沿光轴约偏移+/-7mm。测量光束焦点在该周期期间在两个不同的时间位于测量物体或者将要进行加工的工件的表面上，使得来自将要进行加工的工件的表面上的测量光斑的反射被锐成像在光纤端或光耦合点17上，导致光检测器收集的光的强度最大。
使用观察到光检测器收集的光的强度最大值时的时间，从循环点与测量光焦点位置之间的关系可能确定距将要进行加工的工件的距离，前述关系或先前已知或可借助于校准测量进行确定。
具体地，可能提前或者在激光加工之前进行校准测量，其设计来确定循环点与距将要进行加工的工件的距离之间的关系。校准测量可使用扫描仪或激光光学瞄准器的侧位的二维网格进行。使用所确定的关系，可能从周期中的强度最大时的时间确定距表面的距离或者激光光学瞄准器5与将要进行加工的工件上的目标点之间的距离。
可变焦距透镜19的焦距的循环变化或调节在图1中通过透镜控制单元42中的锯齿形曲线象征性地图示。可变焦距透镜19的焦距变化的周期与强度最大值的出现之间的关系在图1中通过在透镜控制单元42的锯齿形曲线与强度曲线之间延伸的虚线示意性地图示，时间坐标t在评估单元41中示出。
通过荫罩板60拆分测量光使可能同时在将要进行加工的工件4的表面上的多个点处收集距离测量数据。具体地，由工件反射回去的测量光也通过荫罩板60中的孔61经光耦合点17进入光纤16，使得其可被光检测器9收集。在此，光检测器9收集的光强度对应于通过经荫罩板60中的所有孔61收集的所有测量点反射回去的光的总强度，使得发生因光学布置引起的、由不同点反射回去的光之间的强度差的物理平均。经荫罩板60的不同孔收集的光强度的物理平均可相当程度地简化测量数据的评估，因为距离平均不必针对每一点个别地进行。实际上，距离平均可使用荫罩板60收集的所有点的物理平均的距离测量数据尤其是强度数据进行。
由于弯月透镜80的设置，由弯月透镜80的表面81和82反射回去的光可经光耦合点17传入光纤16并由光检测器9收集。
当离开可变焦距透镜19的光束垂直地击中弯月透镜80的两个表面81和82之一时，来自弯月透镜80的相应表面81或82的光的最大部分被可变焦距透镜19再次反射回到光纤16内。这种类型的光束配置因而可通过反射回去的光的相应强度波峰进行检测，弯月透镜80的两个表面81和82中的每一个负责其自己的强度波峰。
在一些实施例中，弯月透镜的尺寸使得峰值在调整可变焦距透镜19期间的重复的时间周期开始或结束时出现。在此，两个峰值中的每一个的位置总是对应于可变焦距透镜19的焦距的恒定值，因此总是对应于同一距离。在温度变化的影响下，通过时间与距离值之间的关系遭受变化。可调透镜具有明显影响，分配给可变焦距透镜19的焦距的激活值因而在温度波动的情形下可改变。由于因弯月透镜80引起的强度波峰在可变焦距透镜19的同一焦距时出现，可能使用这些峰值精确地校准可变焦距透镜19或者通过时间与距离之间的关系。与可变焦距透镜19相反，弯月透镜80的温度相关性可忽略。
由于弯月透镜80中心的圆孔83，测量光的光束不被中断地通过弯月透镜，仅边缘射线可被弯月透镜80反射回去。反射的强度可通过选择透镜表面积和/或孔大小进行调节，使得由弯月透镜80反射回去的光的强度足够高以用作校准信号但又不高到由将要进行加工的物体反射回去的测量光的测量信号或强度信号被弯月透镜的反射遮蔽的程度。
在一些实施例中，孔83的尺寸使得测量光的主要部分无反射地通过弯月透镜80中的孔83。
在一些实施例中，在弯月透镜80的下游设置光阑，其设定成使测量光束的内部通过而切掉测量光束的外部。这样，可能将那些受弯月透镜80影响的光束从测量排除掉。
在一些实施例中，弯月透镜80没有孔，弯月透镜80在其两个表面81、82中的至少一个上具有涂层。涂层的厚度和/或反射率可选择成使得测量信号不被弯月透镜反射的分量遮蔽。在一些实施例中，弯月透镜80具有抗反射涂层，其具有低于4％的测量光波长范围的反射分量。
在一些实施例中，弯月透镜80具有圆孔83和上述涂层，可能选择圆孔83的尺寸和涂层的厚度以实现足够强的校准信号而在处理中不遮蔽或者过度损害测量信号。
图2示出了根据一实施例的荫罩板。
图2的荫罩板60采取实质性矩形的光阑形式并具有圆孔61。在该实施例中，圆孔61按六边形网格实质上均匀分布在光阑的整个表面上。孔61按六边形网格分布使孔的密度高，使得测量光可被荫罩板拆分为许多部分从而在许多测量点收集距离测量数据。同时，选择给定密度的六边形网格导致相邻孔之间的距离最大因而孔之间的色度亮度干扰最小。
图3示出了根据另一实施例的荫罩板。
与图2中的荫罩板60类似，图3中所示的荫罩板60采取实质上矩形的光阑形式并具有多个孔61。与图2中的荫罩板60相反，图3中的荫罩板中的孔61为矩形形状并按棋盘图案实质上均匀分布在光阑的整个表面上。
图2和3中所示的荫罩板60的填充程度优选在30％到70％之间，如约50％，使得入射在荫罩板上的光的约50％通过荫罩板。
作为图2和3的实施例的备选方案，荫罩板也可为实质上圆形设计。圆形荫罩板特别适合准确地放在具有圆形截面的光纤的端部上。
图4示出了根据一实施例的弯月透镜的示意性侧视图。
如可从图4中明显看出的，弯月透镜80具有实质上球形凹面81和实质上球形凸面82。在所示实施例中，弯月透镜80的中心具有圆孔83。
图5示出了图4的弯月透镜的示意性俯视图。
在图5的俯视图中，可特别清楚地看见弯月透镜80的圆孔83。如上面结合图1已详细描述的，弯月透镜80可采取不同的形式。具体地，两个表面81、82中的至少一个可具有涂层。此外，圆孔83的尺寸和/或涂层的强度或反射率可选择成使得弯月透镜80的表面81、82上的向后反射产生足够强度的校准波峰，而不遮蔽测量信号或者损害距离测量。
图6示意性地示出了根据一实施例的距离测量装置的一部分的可能光路。
图6中所示的部分包括根据图1的可变焦距透镜19、弯月透镜80和光纤16的光耦合点17。
指向远离光耦合点17方向的长箭头表示离开光耦合点17的测量光，其投射穿过可变焦距透镜19并部分穿过弯月透镜80。从弯月透镜80指回到光耦合点17的箭头图示由凹面81和凸面82反射的光束。由于表面81和82的实质上球形曲率，反射回来的光束会聚在焦点处。
在图6所示的情形下，由弯月透镜80的凹面81反射的光会聚在光耦合点17的光出射表面处，而由弯月透镜80的凸面82反射回来的光的焦点位于光耦合点17的光入射表面上方。具体地，所示光路可出现在可变焦距透镜19的特定焦距处。
图7示意性地示出了图6中所示部分的另一可能的光路。
图7中的光路实质上对应于图6中所示的光路。与图6中所示的情形相比，可变焦距透镜19具有不同的焦距值，这是因为反射回来的两个光束均不会聚在光耦合点17处。
图8示意性地示出了图6中所示部分的又一可能的光路。
图8中所示的光路对应于由弯月透镜80的凸面82反射回来的光会聚在光耦合点17的光出射表面处而由弯月透镜80的凹面81反射回来的光的焦点位于光入射表面或光耦合点17下方时的可变焦距透镜19的焦距。
图6-8中所示的测量光的可能的光束配置示出了弯月透镜80怎样工作。如果可变焦距透镜19被循环地调整，例如，焦距周期性地遍历最小焦距与最大焦距之间的所有值，图6、7和8中所示的光束配置可在该过程中周期性地出现。如果由弯月透镜80反射回来的光束均不会聚在光耦合点17处，图7中所示的光路或者类似的光路可在可变焦距透镜19的多个设置下出现。另一方面，图6和8中所示的光束配置仅在可变焦距透镜19的非常特定的焦距值时出现。由于由弯月透镜80的表面81和82反射回来的光会聚在光纤16的光耦合点17处，在图6和8所示的光束配置中，相较其它情形，由弯月透镜80反射回来的光的较大部分耦合入光耦合点。这通过光检测器收集的光强度的相应增加而增加了可检测的耦合入的光量。对应的强度波峰可用光检测器收集，例如用根据图1的布置中的光检测器9收集，并可用作用于校准距离测量装置7的校准波峰。具体地，可能使用每一强度波峰的时间位置推导可变焦距透镜19的相应焦距或者距离测量装置7的相应测量距离。
图6、7和8中所示的部分没有荫罩板60。如果荫罩板60用于将测量光拆分为多个部分并在例如设置在光耦合点17与可变焦距透镜19之间的不同点收集距离测量数据，上面结合图6、7和8对弯月透镜60的运行进行的观察结果同样适用。
图9示出了弯月透镜反射回来的光的强度-时间曲线。
具体地，图9表示在图6、7和8中所示的布置下测得的光强度的时间相关性，由弯月透镜80和将要进行加工的工件4反射回去的光耦合入光纤16的部分的强度在调整周期期间进行测量。在此，调整周期对应于曲线从最小到最大激活值，反之亦然。在图9中，时间t和强度I按任意单位进行表示。在某些时间值，强度的时间相关性I(t)具有截然不同的强度波峰或校准波峰。具体地，曲线I(t)具有陡峭的左边波峰a、陡峭的右边波峰c和稍微更宽的中央波峰m。陡峭的左边波峰a对应于图6中表示的光束配置，如果来自弯月透镜80的凹面81的反射会聚在光纤16的光耦合点17处从而按会聚形式进入光纤16。图7中表示的光束配置在两个波峰a和c之间出现，如果光耦合点17位于由弯月透镜80的凹面81反射回来的光与由凸面82反射回来的光的两个焦点之间。在该情形下，来自凹面81的反射和来自凸面82的反射均未正确地耦合入光纤16。在该间隔期间，是由将要进行加工的工件4反射的光引起的波峰m，其使能测量距工件4的距离(测量波峰)。右边波峰c对应于图8中表示的光束配置，如果来自弯月透镜的凸面82的反射以会聚在光耦合点17的形式进入光纤16。陡峭的波峰a和c在周期的开始和结束时出现，每一波峰均具有很好定义的时间位置，因此可用作距离测量装置的精确校准的基础。波峰a和c可使用强度曲线的特征曲线容易地识别并分配给有关光束配置。
图10示意性地示出了根据另一实施例的用于工件的受控加工的设备。图10中的设备1实质上对应于图1中所示的设备，但代替光纤耦合器，其包括分束器90，设计成经第一光纤10的光离开端91耦合入测量光及耦合出由将要进行加工的工件4反射回去的测量光。由分束器90耦合出的测量光可被耦合入第二光纤13的光进入端92以由光检测器收集。第一光纤10的光离开端91和第二光纤13的光进入端92配置成相对于彼此共焦。通过使用分束器，可能避免在光纤耦合器中出现的破坏性散射光效应。在一些实施例中，分束器90设计为分束器立方体。分束器立方体强健且杂散损耗低。
在一些实施例中，具有分束器90的设备1具有至少一荫罩板。
在图10所示的例子中，设备1具有两个实质上同样设计的荫罩板60，一个荫罩板60设置在第一光纤10的光离开端91的下游，第二荫罩板60设置在第二光纤13的光进入端92的上游。荫罩板60均直接设置在第一和第二光纤10、13的光纤端上。
荫罩板60可以是与上面结合图1、2和3所示所述的荫罩板类似的设计。荫罩板60设置和对准成使得两个荫罩板60中的孔61(未示出)相对于彼此共焦地对准。
图11示出了根据一实施例的用于工件的受控加工的方法的流程图。
用于工件的受控加工的方法100包括可按不同顺序执行及在必要时重复的多个步骤。该方法例如可借助于根据图1或10的设备执行。
在步骤110，用于产生激光焦点的激光束被聚焦在将要进行加工的工件的目标点上。具体地，激光束的调焦可使用激光光学瞄准器进行以将激光束聚焦在将要进行加工的工件的目标点处。步骤110中的激光束的调焦可在低激光输出时进行，使得在步骤110不发生或者仅很少发生将要进行加工的工件4的材料加工。激光束的调焦也可使用辅助激光器进行，例如HeNe激光器，其光束例如用偏转板耦合入与所述激光束共线的激光束的光路内。具有两个枢轴galvo反射镜的galvo扫描仪可用作所述激光光学瞄准器或扫描仪。
在步骤120，光学距离测量数据借助于光学距离测量装置进行收集以确定将要进行加工的工件的目标点与激光光学瞄准器或者其参考点或参考面之间的距离。距离测量装置可设计为共焦光学距离测量装置，其具有用于产生测量光尤其是近红外光谱范围的宽带测量光的测量光源，及具有可变焦距测量透镜***尤其是可变焦距透镜，对于该方法，可能包括可变焦距测量透镜***的焦距随时间变化以在可变焦距测量透镜***的不同焦距值时收集距离测量数据。
具体地，距离测量数据的收集可包括由将要进行加工的工件反射回去的测量光的强度的收集，使得距离可使用该强度尤其是使用由工件反射回去的测量光的强度-时间曲线进行确定。
在步骤130，基于收集的距离测量数据，相对于激光焦点定位将要进行加工的工件。在一些实施例中，作为定位将要进行加工的工件的备选或除此之外，重新聚焦激光器。
在步骤140，将要进行加工的工件的目标点使用聚焦的激光束进行加工。
在一些实施例中，可变焦距测量透镜***的焦距随时间变化包括可变焦距测量透镜***的焦距的调整尤其是循环调整，以在可变焦距测量透镜***的不同焦距时收集距离测量数据。
具体地，可变焦距测量透镜***的焦距变化可使用可变焦距光学元件尤其是可变焦距透镜进行。
测量周期通常可持续25ms。在测量周期期间，可变焦距透镜的光功率例如可在+/-13屈光度的范围内调整，因而可能使测量光的焦点轴向或沿所述测量透镜***的光轴偏移约+/-7mm。
使用循环点与焦点位置之间的已知关系，可能使用强度最大值确定距将要进行加工的工件的距离。
为确定循环点与距离之间的关系，在一些实施例中，进行校准测量，尤其在激光加工之前。
尽管前面已描述至少一示例性的实施方式，还可能进行多种不同的变化和修改。前面提及的实施方式仅为例子，不意于以任何方式限制本发明的有效性、适用性或配置的范围。实际上，前面的描述向本领域技术人员提供用于实施至少一示例性实施例的计划，可能对示例性实施例中描述的元件的运行模式和设置进行多种变化，而不脱离权利要求及其等同方案的范围。
附图标记列表
1 设备
2 激光器
3 激光束
4 工件
5 激光光学瞄准器
6 目标点
7 距离测量装置
8 测量光源
9 光检测器
10 第一光纤
11 第一连接点
12 光纤耦合器
13 第二光纤
14 第二连接点
15 第三连接点
16 第三光纤
17 光耦合点
18 准直透镜
19 可变焦距透镜
30 偏转板
31 偏转板
32 摄像机
33 准直透镜
40 评估和控制单元
41 评估单元
42 透镜控制单元
43 定位控制单元
44 信号线
45 透镜控制线
46 定位控制线
47 ***
50 调焦透镜
51 镜偶
60 荫罩板
61 孔
80 弯月透镜
81 凹面
82 凸面
83 圆孔
90 分束器
91 第一光纤的端部
92 第二光纤的端部
100 分法
110 调焦
120 收集距离测量数据
130 定位
140 加工
A 光轴
F 焦点
H 测量范围
O 零平面
t 时间坐标
X,y,z 空间坐标

Claims (23)

1.用于工件的受控加工的方法，包括：
-对激光束(3)调焦以借助于激光光学瞄准器(5)在将要进行加工的工件(4)上的目标点(6)产生激光焦点(F)；
-借助于光学距离测量装置(7)收集距离测量数据以确定将要进行加工的工件(4)上的目标点(6)与激光光学瞄准器(5)之间的距离；及
-使用聚焦的激光束(3)加工将要进行加工的工件(4)上的目标点(6)；
其特征在于，
距离测量装置(7)设计为共焦光学距离测量装置，其具有用于产生测量光的测量光源(8)及具有可变焦距测量透镜***(19)，所述方法包括可变焦距测量透镜***(19)的焦距随时间变化以在可变焦距测量透镜***(19)的不同焦距值时收集距离测量数据。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括基于收集的距离测量数据相对于激光焦点(F)定位将要进行加工的工件(4)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，距离测量数据的收集包括由将要进行加工的工件(4)反射回来的测量光的强度的收集，距离使用由将要进行加工的工件(4)反射回来的测量光的强度-时间曲线进行确定。
4.根据前面任一权利要求所述的方法，可变焦距测量透镜***(19)的焦距的随时间变化包括可变焦距测量透镜***(19)的焦距的调整尤其是循环调整，以在可变焦距测量透镜***(19)的不同焦距时收集距离测量数据。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括进行校准测量以确定循环点与距离之间的关系。
6.根据权利要求5所述的方法，校准测量包括收集设置在可变焦距测量透镜***(19)下游的弯月透镜(80)的反射。
7.根据前面任一权利要求所述的方法，距离测量数据的收集在目标点(6)处的多个测量点进行。
8.根据权利要求7所述的方法，距离测量数据的收集在多个测量点在一测量周期内顺序地进行。
9.根据权利要求7或8所述的方法，所述测量点沿目标点(6)处的扫描通路设置。
10.根据权利要求9所述的方法，所述扫描通路具有围绕将要进行加工的工件(4)上的目标点(6)的圆圈形状或者以将要进行加工的工件(4)上的目标点(6)为中心的螺旋形。
11.根据权利要求7所述的方法，距离测量数据的收集在多个测量点实质上同时进行，距离使用物理平均的距离测量数据进行确定。
12.根据权利要求11所述的方法，测量光借助于至少一具有多个孔(61)的荫罩板(60)拆分为多个部分测量光，以在多个测量点同时收集距离测量数据。
13.根据权利要求12所述的方法，部分测量光使用共同的光检测器同时收集。
14.用于工件的受控加工的设备，包括：
-用于产生激光束(3)的激光源(2)，激光束(3)用于加工将要进行加工的工件；
-激光光学瞄准器(5)，用于将激光束(3)聚焦在将要进行加工的工件(4)上的目标点(6)处的激光焦点(F)；
-距离测量装置(7)，用于使用距离测量装置(7)收集的距离测量数据确定将要进行加工的工件(4)上的目标点(6)与激光光学瞄准器(5)之间的距离；
-定位装置(47)，用于相对于激光焦点(F)定位将要进行加工的工件；及
-评估和控制单元(40)，其设计成评估收集的距离测量数据并基于收集的距离测量数据致动定位装置(47)；
其特征在于，
距离测量装置(7)设计为共焦光学距离测量装置，其具有用于产生测量光的测量光源(8)及具有可变焦距测量透镜***，使得可变焦距测量透镜***的焦距可随时间变化以在可变焦距测量透镜***的不同焦距值时收集距离测量数据。
15.根据权利要求14所述的设备，所述距离测量装置(7)的所述测量透镜***包括所述激光光学瞄准器(5)。
16.根据权利要求14或15所述的设备，所述距离测量装置(7)包括用于收集由将要进行加工的工件(4)反射回来的测量光的强度的光检测器(9)，其设计成使得可能使用由工件(4)反射回来的测量光的收集的强度-时间曲线确定距离。
17.根据权利要求14-16任一所述的设备，所述测量光源(8)采取宽带红外光源尤其是近红外光源的形式。
18.根据权利要求14-17任一所述的设备，所述可变焦距测量透镜***(19)的焦距可调整尤其是可循环调整。
19.根据权利要求14-18任一所述的设备，所述可变焦距测量透镜***(19)设置在距离测量装置(7)的成像***的发散部分中。
20.根据权利要求14-19任一所述的设备，所述可变焦距测量透镜***(19)包括可变焦距透镜(19)。
21.根据权利要求14-20任一所述的设备，所述设备(1)包括至少一具有多个孔(61)的荫罩板(60)，用于将测量光拆分为多个部分测量光。
22.根据权利要求21所述的设备，所述设备(1)包括具有用于耦合入和耦合出测量光的光耦合点(17)的光纤(16)，至少一荫罩板(60)设置在所述光耦合点(17)处。
23.根据权利要求21所述的设备，所述设备(1)包括具有光离开端(91)的第一光纤(10)和具有光进入端(92)的第二光纤(13)，第一荫罩板(60)设置在光离开端(91)处，第二荫罩板(60)设置在光进入端(92)处。
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