DE10120251A1 - Verfahren und Sensorvorrichtung zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführen den Laserbearbeitungsvorgangs sowie Laserbearbeitungskopf mit einer derartigen Sensorvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mit einer Sensorvorrichtung ausführbares Verfahren zur Überwachung eines an einem Werkstück (12) durchzuführenden Laserbearbeitungsvorganges, bei dem zur Qualitätssicherung mit einer ortsauflösenden Empfängeranordnung (10, 11, 14) ein bestimmtes Beobachtungsfeld (13) im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl (25) und Werkstück (12) ausgewählt wird, bei dem eine aus dem ausgewählten Beobachtungsfeld (13) kommende Strahlung mit einem strahlungsempfindlichen Empfänger (10), der ein der erfassten Strahlung entsprechendes elektrisches Signal liefert, erfaßt wird, bei dem das elektrische Signal in einer Signalverarbeitungsschaltung (16) gefiltert wird, um schnelle und/oder kurze, störungsbedingte Intensitätsänderungen der erfaßten Strahlung festzustellen, und bei dem das gefilterte elektrische Signal zum Erkennen von Störungen während des Laserbearbeitungsvorganges.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs sowie eine Sensorvorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens und ei­ nen Laserbearbeitungskopf mit einer derartigen Sensorvorrichtung.

Aus der WO 90/ 10520 ist bereits ein Verfahren zur Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweißen und -schneiden bekannt, bei dem das aus ei­ ner Plasmawolke bei der Materialbearbeitung entstandene Ultraviolett­ licht zur Überprüfung der Laserstrahleinkopplung und anderer Prozeßpa­ rameter mit einer UV-empfindlichen Fotodiode erfaßt wird, die in einem Detektorkopf angeordnet ist. Zusätzlich oder anstelle der UV-empfindli­ chen Fotodiode kann eine IR-empfindliche Fotodiode im Detektorkopf vor­ gesehen sein, wobei die IR-empfindliche Fotodiode durch eine verschieb­ bare Blende gegenüber dem Schweißherd der Laserbearbeitung abge­ schirmt werden kann.

Um die Strahlung aus der Plasmawolke erfassen zu können, wird die im Bereich oder in der Umgebung der Wechselwirkungszone zwischen Laser­ strahl und Werkstück, also z. B. im Bereich des Schweißherds auftretende Plasmawolke auf die Fotodiode oder -dioden abgebildet. Die Blende zur Unterbrechung der direkten Sichtverbindung zwischen Fotodiode und Schweißherd ist dabei als senkrecht zur optischen Achse der Abbildungs­ optik verschiebbare Stellschraube in einem Bereich zwischen Abbil­ dungsoptik und Fotodiode angeordnet.

Ferner ist es aus dem Artikel von L. Schlichtermann et al. "Laserschweiß­ prozesse on-line mit LWM 900 überwachen", bekannt, die im Bereich oder in der Umgebung der Wechselwirkungszone bei der Laserbearbeitung ent­ stehende Strahlung nach Spektralbereich und Ort getrennt zu überwa­ chen, um aus entsprechenden Daten auf die Qualität des Laserschweiß­ prozesses zu schließen. Dabei wird zum einen die Temperatur der Schweißnaht einige mm hinter dem Schweißherd durch Messen der IR- Strahlung erfaßt. Um die Größe von auftretenden Spritzern, die gelegent­ lich aus dem Schweißherd herausgeschleudert werden, zu erfassen, wird Strahlung im nahen Infrarotbereich gemessen. Außerdem wird das UV- Licht der Plasmawolke erfaßt.

Die einzelnen Detektoren sind dabei so ausgelegt, daß die Plasmawolke bzw. die Schweißnaht auf die strahlungsempfindlichen Empfänger abge­ bildet werden.

Die von den strahlungsempfindlichen Empfängern gelieferten elektri­ schen Signale, die der jeweils erfaßten Strahlung entsprechen, werden dann in geeigneter Weise ausgewertet, um Aussagen über die Qualität des einzelnen Bearbeitungsvorgang treffen zu können. Während größere Spritzer und im Zusammenhang damit auftretende Löcher in der Schweißnaht sicher erkannt werden können, ist es bei der konventionel­ len Online-Qualitätsüberwachung nahezu unmöglich sehr kleine Schweißfehler und Löcher festzustellen, da die durch entsprechend kleine Spritzer oder Auswürfe entstehenden Signalschwankungen innerhalb der zulässigen Schwankungsbreite der Meßsignale liegen, die bei einer fehler­ freien Laserbearbeitung auftreten dürfen.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein weiteres Verfahren zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführen­ den Laserbearbeitungsvorgangs bereitzustellen, das es ermöglicht, auch kleine Störungen in der Laserbearbeitung, insbesondere kleine Auswür­ fe/Spritzer oder Löcher in der Schweißnaht zuverlässig zu erfassen. Da­ neben liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Sensorvorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens sowie einen damit ausge­ rüsteten Laserbearbeitungskopf zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1, die Sensorvor­ richtung nach Anspruch 6 und den Laserbearbeitungskopf nach An­ spruch 24 gelöst.

Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, daß ein bestimmtes Beobachtungs­ feld im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück, also auf der Wechselwirkungszone selbst oder in ihrer Umge­ bung ausgewählt wird, und daß ein von einem strahlungsempfindlichen Empfänger geliefertes, der erfaßten Strahlung entsprechendes Signal ei­ ner Filterung unterzogen wird, um kleinere Störungen wie kleine Auswür­ fe oder Spritzer, sowie kleine Löcher zu erkennen, und um anschließend das gefilterte elektrische Signal zum Erkennen von Störungen während des Laserbearbeitungsvorgangs auszuwerten.

Um kleine und sehr kleine Störungen beim Laserbearbeitungsvorgang er­ fassen zu können, wird also ein spezielles, klar definiertes Beobachtungs­ feld festgelegt, und das der aus diesem Beobachtungsfeld kommenden Strahlung entsprechende elektrische Signal wird gefiltert, so daß auch durch kleinere Bearbeitungsstörungen hervorgerufene Signalschwan­ kungen erfaßt werden können.

Die Auswahl eines bestimmten Beobachtungsfeldes kann dabei je nach Ausgestaltung des strahlungsempfindlichen Empfängers unterschiedlich erfolgen. Beispielsweise ist es denkbar, daß als strahlungsempfindlicher Empfänger ein CCD-Bildsensor eingesetzt wird, um das Beobachtungs­ feld durch Auswahl entsprechender Pixel des Empfängers festzulegen. Ei­ ne ähnliche Vorgehensweise ließe sich auch mit einer CCD-Sensorzeile re­ alisieren.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch vorgese­ hen, daß zum Auswählen eines bestimmen Beobachtungsfeldes die Wech­ selwirkungszone auf eine vor dem strahlungsempfindlichen Empfänger angeordnete Blende abgebildet wird. Hierdurch wird es nicht nur ermög­ licht, ein bestimmtes Beobachtungsfeld klar zu definieren und Streulicht aus anderen Bereichen wirkungsvoll zu reduzieren, sondern es ist auch möglich, unabhängig von der Ausgestaltung des strahlungsempfindlichen Empfängers, also unabhängig von der Form seiner strahlungsempfindli­ chen Empfängerfläche ein definiertes, beliebig gestaltbares Beobach­ tungsfeld festzulegen, das z. B. punkt- oder linienförmig sein kann.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß eine spektrale Empfindlichkeit des strahlungsempfindlichen Empfängers entsprechend dem ausgewählten Beobachtungsfeld festge­ legt wird.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß das elektrische Signal einer Hochpaßfilterung unter­ zogen wird, wobei das gefilterte elektrische Signal mit gespeicherten Wer­ ten eines ungestörten Bearbeitungsvorgangs verglichen wird.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Hochpaßfilterung lassen sich in Kombi­ nation mit der Unterdrückung von Störstrahlung aus anderen Bereichen als dem ausgewählten Beobachtungsfeld Schwankungen des elektrischen Ausgangssignals des Empfängers zuverlässig erkennen, die durch kleine Störungen des Bearbeitungsvorgangs bewirkt werden, so daß die Quali­ tätsüberwachung für Laserbearbeitungsvorgänge wesentlich verbessert werden kann.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Sensor­ vorrichtung mit einer ortsauflösenden Empfängeranordnung, mit der ein Gebiet im Bereich der Wechselwirkungszone als ein Beobachtungsfeld auswählbar ist, so daß die Empfängeranordnung der erfaßten Strahlung aus dem Beobachtungsfeld ein entsprechendes elektrisches Ausgangs­ signal liefert, und mit einer Signalverarbeitungsschaltung vorgesehen, die das Ausgangssignal der Empfängeranordnung nach einer geeigneten Filterung verarbeitet, um Störungen während des Laserbearbeitungsvor­ gang zu erkennen.

Zweckmäßigerweise weist die Signalverarbeitungsschaltung einen Filter­ kreis zum Filtern des Ausgangssignals der Empfängeranordnung und eine Auswerteschaltung auf, die das gefilterte elektrische Signal auswertet. Der Filterkreis ist dabei vorzugsweise ein Hochpaßfilter.

Um die erfindungsgemäße Überwachung bei einer Vielzahl von verschie­ denen Laserbearbeitungsvorgängen für verschiedenste Materialien durchführen zu können, ist vorgesehen, daß die Auswerteschaltung Spei­ chermittel zum Speichern von Schwellenwerten und/oder Ausgangs- signal-Werten eines ungestörten Bearbeitungsvorgangs und einen Ver­ gleichskreis umfaßt, der das erfaßte, gefilterte Ausgangsmaterial mit den gespeicherten Werten vergleicht und und ein Vergleichssignal liefert, das Störungen während des Bearbeitungsprozesses anzeigt.

Bei einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vor­ gesehen, daß die ortsauflösende Empfängeranordnung eine Abbildungs­ optik, mit der ein Gebiet im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl und Werkstück auf eine Blende abbildbar ist, um ein be­ stimmtes Beobachtungsfeld auszuwählen, und einen strahlungsempfind­ lichen Empfänger umfaßt, der in Strahlungsrichtung der zu erfassenden Strahlung optisch hinter der Blende angeordnet ist und ein der erfaßten Strahlung entsprechendes elektrisches Ausgangssignal liefert.

Um eine einwandfreie Justierung des Überwachungsstrahlengangs der Sensorvorrichtung auch dann realisieren zu können, wenn die Sensorvor­ richtung relativ zur Wechselwirkungszone fest angeordnet, also beispiels­ weise fest an einem Laserbearbeitungskopf gehalten ist, zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß der optische Abstand zwischen Abbildungsoptik und Blende veränderbar ist, wobei die Blende zumindest in einer Richtung, vorzugsweise jedoch in zwei von einander linear unabhängigen Richtun­ gen senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik verschiebbar ist, um ein bestimmtes Gebiet im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück als Beobachtungsfeld auswählen zu können.

Als Blende kann eine Lochblende vorgesehen sein, die ein zentrales Beob­ achtungsfeld festlegt, oder eine dazu inverse Blende zum Abdecken eines zentralen Bereichs. Sinnvollerweise wird die Blendenform, z. B. Punkt, Kreis, Viereck, Linie oder dergleichen entsprechend der spektralen Emp­ findlichkeit des Empfängers gewählt.

So ist es beispielsweise möglich, daß, wenn der strahlungsempfindliche Empfänger ein Temperatursensor, insbesondere ein für Infrarotstrahlung empfindlicher Temperatursensor ist, der Empfänger entweder mit einer Lochblende oder mit einer dazu inversen Blende kombiniert wird. Im er­ sten Fall wird der als Temperatursensor eingesetzte Empfänger so ausge­ richtet, daß die Lochblende einen Beobachtungsfleck im Nachlauf der Schweißung festlegt. Zusammen mit einer inversen Blende, die den soge­ nannten "Keyhole"-Bereich ausblendet, kann der Temperatursensor ein­ gesetzt werden, um Infrarotstrahlung aus der gesamten Umgebung des Keyholes oder Schweißherdes zu erfassen.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der strahlungsempfindliche Empfänger ein für Plasmastrahlung empfindlicher Empfänger ist. Ein derartiger Empfänger wird mit einer Lochblende einge­ setzt, die als Beobachtungsfeld einen Bereich der Plasmawolke festlegt, um daß Signal-Rauschverhältnis aufgrund üblicherweise starker Schwankun­ gen in der Plasmawolke deutlich zu verbessern. Wird zur Erfassung des Rückreflexes, also der vom Bearbeitungsbereich zurückreflektierten Bear­ beitungslaserstrahlung ein Empfänger eingesetzt, der für die Bearbei­ tungslaserstrahlung empfindlich ist, so läßt sich durch die Kombination ei­ nes derartigen Empfängers mit einer Lochblende die Laserstreustrahlung an der Plasmawolke weitgehend unterdrücken.

Um die Auswahl und Justierung eines Beobachtungsfeldes zu vereinfa­ chen, ist bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß eine Vorrichtung zur Beobachtung der Auswahl eines Beobach­ tungsfeldes im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl und Werkstück vorgesehen ist, die eine Beobachtungsoptik aufweist, de­ ren Beobachtungsstrahlengang über einen Strahlteilerspiegel in den Überwachungsstrahlengang einkoppelbar ist, wobei die Vorrichtung zur Beobachtung der Auswahl eines Beobachtungsfeldes eine Kamera, vor­ zugsweise eine Videokamera ist.

Eine weitere Verbesserung und Vereinfachung des Einstellens der erfin­ dungsgemäßen Sensorvorrichtung läßt sich erreichen, wenn eine Licht­ quelle vorgesehen ist, die die Blende von der Empfängerseite her beim Ju­ stieren der ortsauflösenden Empfängeranordnung beleuchtet, so daß zur Auswahl eines Beobachtungsfeldes im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl und Werkstück ein Bild der Blende auf dem Werk­ stück beobachtbar ist, wobei die Lichtquelle zum Justieren der ortsau­ flösenden Empfängeranordnung gegen den strahlungsempfindlichen Empfänger austauschbar ist und mit der Blende mitbewegbar ist.

Als Lichtquelle kann dabei eine Laserlichtquelle oder eine Kaltlichtquelle mit Faserbündel vorgesehen sein. Ein besonderer Vorteil der Kaltlichtquel­ le liegt darin, daß die Blende zur Festlegung des Beobachtungsfeldes unter Verwendung einer Beobachtungskamera auch an sehr schlecht einzuse­ henden Bauteilen einjustiert werden kann.

Ist ein Laserbearbeitungskopf mit einer erfindungsgemäßen Sensorvor­ richtung ausgerüstet, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die Sensorvor­ richtung so angeordnet ist, daß der Überwachungsstrahlengang und ggf. der Beobachtungsstrahlengang über einen Strahlteilerspiegel so in den Laserbearbeitungsstrahlengang eingekoppelt ist, daß die Fokussieroptik für einen Arbeitslaserstrahl zusammen mit der Abbildungsoptik der Emp­ fängeranordnung das ausgewählte Beobachtungsfeld auf die Blende abbil­ det.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung des Beobachtungs­ strahlengangs einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens geeigneten Sensorvorrichtung in Kombination mit einem vereinfach­ tem Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung, und

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbei­ tungskopfes mit daran angeordneter Sensorvorrichtung und Beobach­ tungskamera zum Justieren der Sensorvorrichtung.

In den beiden Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bau­ teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist die Sensorvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen strahlungsempfindlichen Emp­ fänger 10 auf, vor dem eine Blende 11 in X- und Y-Richtung verschiebbar angeordnet ist. Anstelle der als Lochblende dargestellen Blende 11 kann auch eine dazu inverse Blende vorgesehen sein, die den zentralen Bereich des strahlungsempfindlichen Empfängers 10 abdeckt. Die Form der Blen­ de muß kein Kreis sein, sondern kann jede beliebige Form aufweisen, um auf einem Werkstück 12 ein Beobachtungsfeld 13 festzulegen. Zu diesem Zweck wird die Blende 11 von einer Abbildungsoptik 14 auf die Werk­ stückoberfläche 12, oder was gleich bedeutend damit ist, die Werkstücko­ berfläche 12 auf die Blende 11 abgebildet. Die Abbildungsoptik 14, die in Fig. 1 als dünne Einzellinse dargestellt ist, kann auch aus mehreren Lin­ sen zusammengesetzt sein. Ferner ist es denkbar, als Abbildungsoptik 14 auch einen Abbildungsspiegel einzusetzen, wodurch insbesondere Inten­ sitätsverluste bei Beobachtungen im ultravioletem Spektralbereich ver­ meidbar sind.

Um eine scharfe Abbildung zu realisieren, ist die Abbildungsoptik 14 in herkömmlicher Weise in Z-Richtung, also in Richtung ihrer optischen Achse verschiebbar angeordnet.

Je nachdem, welcher Spektralbereich der vom Beobachtungsfeld 13 aus­ gehenden Strahlung erfaßt werden soll, kann ein entsprechendes Filter 15 an geeigneter Stelle im Beobachtungsstrahlengang angeordnet wer­ den. Zur kontinuierlichen Überwachung eines Laserbearbeitungsvor­ gangs liefert der strahlungsempfindliche Empfänger 10 ein elektrisches Signal, daß der empfangenen Strahlungsintensität entspricht, an eine Signalverarbeitungsschaltung 16, die einen Filterkreis 17 und eine Auswerteschaltung 18 umfaßt. Der Filterkreis kann dabei jede Filteranord­ nung sein, die kleine, kurze und/oder schnelle Signale aus dem Rauschen heraushebt. Vorzugsweise wird der Filterkreis von einem Hochpaßfilter 17 gebildet. Es ist aber auch denkbar, ein Bandpaßfilter zu verwenden.

Zum Auswerten des hochpaßgefilterten elektrischen Signals umfaßt die Auswerteschaltung 18 in nicht näher dargestellter Weise Speichermittel zum Speichern von Schwellenwerten und/oder Werten, die mit Hilfe eines ungestörten Bearbeitungsvorgangs ermittelt wurden, und einen Ver­ gleichkreis, der das erfaßte gefilterte Ausgangssignal mit den gespeicher­ ten Werten vergleicht und ein Vergleichssignal liefert, aus dem auf Stö­ rungen während des Bearbeitungsprozesses geschlossen werden kann. Das gefilterte Ausgangssignal des strahlungsempfindlichen Empfängers 10 kann auch in ebenfalls nicht dargestellten Speichermitteln der Aus­ werteschaltung gespeichert und/oder zur Aufzeichnung ausgegeben wer­ den, um den Bearbeitungsverlauf zu protokollieren und um die Güte des jeweiligen Bearbeitungsergebnisses zur dokumentieren.

Ferner kann auch ein Melde-, Warn- und/oder Alarmsignal ausgegeben werden, wenn die Anzahl der erfaßten Störungen oder deren Größe be­ stimmte Grenzwerte übersteigen. Derartige Ausgangssignale der Auswer­ teschaltung 18 können in geeigneter Weise in einer nicht näher darge­ stellten Maschinensteuerung weiter verarbeitet werden.

Fig. 2 zeigt die Anordnung einer ortsauflösenden Empfängeranordnung 19 an einem Laserbearbeitungskopf 20. Der Laserbearbeitungskopf 20 umfaßt ein Gehäuse 21, durch das ein Laserbearbeitungstrahlengang 22 mit einem Kollimator 23 und einer Fokussieroptik 24 für den Arbeitslaser­ strahl 25 hindurchgeführt ist. In Arbeitslaserstrahlrichtung vor der Fo­ kussieroptik 24 ist ein Strahlteilerspiegel 26 angeordnet, der dazu dient, einen Überwachungsstrahlengang 27 und einen Beobachtungsstrahlen­ gang 28 in den letzten Abschnitt des Laserbearbeitungsstrahlengangs 22 einzukoppeln. Die Empfängeranordnung 19 und eine Beobachtungska­ mera 29, die beispielsweise eine Videokamera ist, sind mittels eines Anschlußgehäuses 30 am Gehäuse 21 des Laserbearbeitungskopfes 20 ge­ halten. Im Anschlußgehäuse 30 ist ein weiterer Strahlteilerspiegel 31 an­ gebracht, um den Beobachtungsstrahlengang 28 in den Überwachungs­ strahlengang 27 einzukoppeln.

Um die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Überwachungsverfahrens zu justieren, wird zunächst der Laserbearbeitungskopf gegenüber dem Werkstück 12 so positioniert, wie es für die beabsichtigte Laserbearbeitung erforderlich ist. Dann wird in der Empfängeranordnung 19 der strahlungsempfindliche Empfänger 10 gegen eine geeignete Lichtquelle 32, z. B. eine Laserlichtquelle oder ei­ ne Kaltlichtquelle mit Faserbündel, ausgetauscht, um die Blende 11 von hinten zu beleuchten. Die Abbildungsoptik 14' bildet die Blende 11 über den Strahlteilerspiegel 31 und den Strahlteilerspiegel 26 zusammen mit der Fokussieroptik 24 für den Arbeitslaserstrahl 25 auf die Oberfläche des Werkstücks 12 ab. Die Lage und Schärfe des Bildes der Blende 11 auf der Werkstückoberfläche läßt sich mit der Kamera 29 beobachten, die durch den Strahlteilerspiegel 31 hindurch über den Strahlteilerspiegel 26 im Laserbearbeitungskopf 20 und die Fokussieroptik 24 die Werkstücko­ berfläche beobachtet.

Durch Verschieben der Blende 11 in X- und Y-Richtung, also senkrecht zur optischen Achse des Beobachtungsstrahlengangs 27 kann auf der Werkstückoberfläche ein Beobachtungsfeld 13 relativ zur Wechselwir­ kungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück festgelegt werden. Durch Verschieben der Abbildungsoptik 14' in Z-Richtung, also in Richtung der optischen Achse kann die Blende scharf auf die Werkstückoberfläche ab­ gebildet werden, ohne das die einzelnen Parameter der Fokussieroptik 24 für den Arbeitslaserstrahl 25 bekannt sein müßten.

Nachdem in der beschriebenen Weise das Bild der Blende 11 auf der Werk­ stückoberfläche ausgerichtet und scharf gestellt wurde, ist ein bestimm­ tes Beobachtungsfeld relativ zur Wechselwirkungszone ausgewählt wor­ den. Die Lage des Beobachtungsfeldes, das umgekehrt von der Fokusieroptik 24 über die Strahlteilerspiegel 26, 31 zusammen mit der Abbil­ dungsoptik 14' auf die Blende 11 abgebildet wird, wird dabei entspre­ chend der gewünschten Überwachung festgelegt.

Anschließend wird die Lichtquelle 32 wieder gegen den strahlungsemp­ findlichen Empfänger 10 ausgetauscht. Die Sensorvorrichtung ist nun­ mehr für die Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs bereit.

Während des eigentlichen Überwachungsvorgangs wird die aus dem aus­ gewähltem Beobachtungsfeld 13 kommende Strahlung vom strahlungs­ empfindlichen Empfänger 10 erfaßt, der ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal an den Hochpaßfilter 17 liefert. Das Ausgangssignal des Hochpaßfilters 17 wird dann von der Auswerteschaltung 18 entsprechend verarbeitet, um Störungen im Laserbearbeitungsvorgang zu erfassen. Hierbei wird das gefilterte Ausgangssignal des strahlungsempfindlichen Empfängers mit gespeicherten Werten verglichen. Im einfachsten Fall kann hierzu ein Schwellenwert gespeichert sein, bei dessen Überschreiten auf eine Störung im Laserbearbeitungsprozeß geschlossen wird. Es ist aber auch möglich, wie bereits erwähnt, das gefilterte Ausgangssignal mit entsprechenden gespeicherten Werten zu vergleichen, die mit Hilfe eines ungestörten Laserbearbeitungsvorgangs ermittelt wurden, um dann auf einen Bearbeitungsfehler zu schließen, wenn die Abweichungen zwischen dem aktuellen und den gespeicherten Werten größer als einen vorgegebe­ ne Toleranzschwelle sind.

Anstelle des einzelnen strahlungsempfindlichen Empfängers 10, der mit Hilfe einer Blende 11, zur Beobachtung eines bestimmten Beobachtungs­ feldes eingesetzt wird, kann auch eine CCD-Bildwandlerzeile mit und oh­ ne Blende verwendet werden. Ferner ist es auch möglich, einen zweidi­ mensionalen CCD-Bildwandler einzusetzen, wobei dann die Auswertung der Empfängersignale mit einer geeigneten Bildverarbeitungsschaltung durchgeführt werden kann.

Andererseits ist es bei der Verwendung eines zweidimensionalen CCD- Bildwandlers auch möglich, ein bestimmtes Beobachtungsfeld im Bereich der Wechselwirkungszone, also auf ihr selbst oder in ihrer Umgebung auf dem Werkstück dadurch festzulegen, daß entsprechende Bildpunkte des CCD-Bildwandlers ausgewählt werden, und nur die Ausgangssignale die­ ser Bildpunkte, die gegebenenfalls räumlich integriert werden können, ausgewertet werden.

Claims (24)

1. Verfahren zur Überwachung eines an einem Werkstück (12) durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs, bei dem zur gualitätssi­ cherung folgende Schritte ausgeführt werden:

• - Auswählen eines bestimmten Beobachtungsfeldes (13) im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl (25) und Werkstück (12),
• - Erfassen einer aus dem ausgewählen Beobachtungsfeld (13) kom­ menden Strahlung mit einem strahlungsempfindlichen Empfänger (10), der ein der erfassten Strahlung entsprechendes elektrisches Signal lie­ fert,
• - Filtern des elektrischen Signals, um schnelle und/oder kurze, störungsbedingte Intensitätsänderungen der erfaßten Strahlung feststel­ len zu können, und
• - Auswerten des gefilterten elektrischen Signals zum Erkennen von Störungen während des Laserbearbeitungsvorgangs.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auswählen eines bestimmen Beobachtungsfeldes (13) die Wechselwir­ kungszone auf eine vor dem strahlungsempfindlichen Empfänger ange­ ordnete Blende (11) abgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine spektrale Empfindlichkeit des strahlungsempfindlichen Empfängers entsprechend dem ausgewählen Beobachtungsfeld (13) festgelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal einer Hochpaßfilterung unterzogen wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das gefilterte elektrische Signal mit gespeicherten Werten eines ungestörten Bearbeitungsvorgangs verglichen werden, um kleinere Störungen wie kleine Auswürfe oder Spritzer, sowie kleine Löcher zu erkennen.

6. Sensorvorrichtung zur Überwachung eines an einem Werkstück (12) durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, mit:
einer ortsauflösenden Empfängeranordnung (10, 11, 14), mit der ein Gebiet im Bereich der Wechselwirkungzone als ein Beobachtungsfeld (13) auswählbar ist, so daß die Empfängeranordnung ein der erfassten Strahlung aus dem Beobachtungsfeld (13) entsprechendes elektrisches Ausgangssignal liefert, und
einer Signalverarbeitungsschaltung (16), die das Ausgangssignal der Empfängeranordnung nach einer geeigneten Filterung verarbeitet, um Störungen während des Laserbearbeitungsvorgangs zu erkennen.

7. Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschaltung (16) einen Filterkreis (17) zum Filtern des Ausgangssignals der Empfängeranordnung und eine Auswerteschal­ tung (18) aufweist, die das gefilterte elektrische Signal auswertet.

8. Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterkreis ein Hochpaßfilter (17) ist.

9. Sensorvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auswerteschaltung (18) Speichermittel zum Speichern von Schwellenwerten und/oder Ausgangssignal-Werten eines ungestörten Be­ arbeitungsvorgangs und einen Vergleichskreis umfaßt, der das erfaßte, gefilterte Ausgangssignal mit den gespeicherten Werten vergleicht und ein Vergleichssignal liefert, das Störungen während des Bearbeitungsprozes­ ses anzeigt.

10. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ortsauflösende Empfängeranordnung
eine Abbildungsoptik (14), mit der ein Gebiet im Bereich der Wech­ selwirkungzone zwischen Laserstrahl und Werkstück (12) auf eine Blende (11) abbildbar ist, um ein bestimmtes Beobachtungsfeld (13) auszuwäh­ len, und
einen strahlungsempfindlichen Empfänger (10) umfaßt, der in Strah­ lungsrichtung der zu erfassenden Strahlung optisch hinter der Blende (11) angeordnet ist und ein der erfassten Strahlung entsprechendes elek­ trisches Ausgangssignal liefert.

11. Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Abstand zwischen Abbildungsoptik (14) und Blende (11) veränderbar ist.

12. Sensorvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blende (11) zumindest in einer Richtung, vorzugsweise je­ doch in zwei von einander linear unabhängigen Richtungen senkrecht zu optischen Achse der Abbildungsoptik (14) verschiebbar ist, um ein be­ stimmtes Gebiet im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laser­ strahl (25) und Werkstück (12) als Beobachtungsfeld (13) auswählen zu können.

13. Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Blende (11) eine Lochblende ist.

14. Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Blende (11) eine inverse Blende zum Abdecken eines zentralen Bereichs ist.

15. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der strahlungsempfindliche Empfänger (10) ein Tem­ peratursensor, insbesondere ein für Infrarotstrahlung empfindlicher Tem­ peratursensor ist.

16. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der strahlungsempfindliche Empfänger (10) ein für Plasmastrahlung empfindlicher Empfänger ist.

17. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der strahlungsempfindliche Empfänger (10) ein für die Bearbeitungslaserstrahlung empfindlicher Empfänger (10) ist.

18. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (29) zur Beobachtung der Auswahl eines Beobachtungsfeldes (13) im Bereich der Wechselwirkungzone zwi­ schen Laserstrahl (25) und Werkstück (12) vorgesehen ist, die eine Beob­ achtungsoptik aufweist, deren Beobachtungsstrahlengang über einen Strahlteilerspiegel in den Überwachungsstrahlengang einkoppelbar ist.

19. Sensorvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Beobachtung der Auswahl eines Beobach­ tungsfeldes eine Kamera (29), vorzugsweise eine Videokamera ist.

20. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (32) vorgesehen ist, die die Blende (11) von der Empfängerseite her beim Justieren der ortsauflösenden Emp­ fängeranordnung beleuchtet, so daß zur Auswahl eines Beobachtungs­ feldes (13) im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl (25) und Werkstück (12) ein Bild der Blende (11) auf dem Werkstück (12) beob­ achtbar ist.

21. Sensorvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (32) zum Justieren der ortsauflösenden Empfängeran­ ordnung gegen den strahlungsempfindlichen Empfänger (10) austausch­ bar ist und mit der Blende (11) mitbewegbar ist.

22. Sensorvorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle (32) eine Laserlichtquelle ist.

23. Sensorvorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle (32) eine Kaltlichtquelle mit Faserbündel ist.

24. Laserbearbeitungskopf mit einer Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Überwa­ chungsstrahlengang (27) und ggf. der Beobachtungsstrahlengang (29) über einen Strahlteilerspiegel (26) so in den Laserbearbeitungsstrahlen­ gang (22) eingekoppelt ist, daß die Fokussieroptik (24) für einen Arbeitsla­ serstrahl (25) zusammen mit der Abbildungsoptik (14') der Empfängeran­ ordnung das ausgewählte Beobachtungsfeld (13) auf die Blende (11) abbil­ det.