DE102007025463A1

DE102007025463A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Synchronisation von Laser und Sensorik bei der Verwendung von Scannersystemen

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Publication number: DE102007025463A1
Application number: DE102007025463A
Authority: DE
Original assignee: ATN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK NI; ATN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK NIEMEIER GmbH
Current assignee: ATN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK NI; ATN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK NIEMEIER GmbH
Priority date: 2007-09-09
Filing date: 2007-09-09
Publication date: 2009-03-12

Abstract

Verfahren zur Materialbearbeitung mit einem Laser (L) mit einem oder mehreren Scannerspiegeln (SS) durch einen in den Strahlengang eingekoppelten Sensor (K), dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur der optischen Verzerrung zwischen Strahlquelle (L) und Sensor (K) im jeweiligen Sensor erfolgt. Dadurch können Positionen am Werkstück durch die Optik vermessen und ggf. korrigiert werden.

Description

Sind in einem begrenzten Arbeitsraum mehrere Lötstellen zu erzeugen, kann ein Laserstrahl mit einem Scannerspiegel (SS) abgelenkt werden, anstatt Bearbeitungslaser oder Werkstück über ein Achssystem zu bewegen.
Da die maximal einzubringende Energie begrenzt ist, kann es sinnvoll sein, mehrere Lötstellen quasi-simultan zu bearbeiten, d. h. dass der Laserstrahl mehrfach nacheinander jeweils für eine kurze Zeit auf den Lötstellen positioniert wird, so dass auf alle Lötstellen gleichzeitig ein gepulster Strahl einwirkt. Dadurch kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit deutlich erhöht werden, auch wenn der Energieeintrag für die einzelne Lötstelle begrenzt ist.
Es ist bekannt, dass zur Beobachtung der Position eines Laserspots eine Kamera in den Laserstrahl eingekoppelt wird. Die Druckschrift DE 195 25484A1 beispielsweise zeigt einen Aufbau mit einer CCD-Kamera, die über einen halbdurchlässigen Spiegel in den Strahlengang eines Laserstrahls eingekoppelt ist, um so die Position des Laserspots zu bestimmen und über die Bewegung einer Linse diese Position zu korrigieren. Der Bediener kann bei Systemen, bei denen die Kamera direkt in den Strahlengang integriert ist, exakt die Position anschauen, auf die der Laserstrahl gerichtet ist. Während der Bearbeitung jedoch, in der der Laserspot sehr schnell verfahren wird, ist eine Prozessbeobachtung auf Grund der hohen Geschwindigkeit nicht möglich, da auch das Kamerabild zwischen den einzelnen Positionen springt und sich somit kein erkennbares Bild zeigt.
Darüber hinaus ist in der Regel eine hohe Positionsgenauigkeit gefordert, obwohl durch die Werkstücke bereits erhebliche Toleranzen vorgegeben sind. Zum Beispiel haben Leiterplatten oft erhebliche Toleranzen in den äußeren Kanten gegenüber dem internen Schaltungslayout. Diese Differenzen müssen bei der Positionierung des Laserspots korrigiert werden, da sonst die realtiv zum Schaltungslayout angeordneten Lötstellen nicht getroffen werden. Daher werden im Schaltungslayout Vermessungsmarken (sogenannte Fiducials) angebracht, anhand derer die Leiterplatte vermessen werden kann. In Abhängigkeit der ermittelten Lage und Orientierung werden die programmierten Koordinaten der Bearbeitungspositionen angepaßt.
Bei der Lasermaterialbearbeitung mit Scannerspiegeln, wie es zum Beispiel in der Druckschrift DE 102 13577B3 beschrieben wird, erfolgt die Vermessung in der Regel über eine externe Kamera (EK) wie in 1 dargestellt. Die markanten Punkte am Werkstück werden mit der externen Kamera vermessen und die Koordinaten der Bearbeitungskontur entsprechend korrigiert.
In der Druckschrift DE 102 96810T5 wird eine Laserpositioniervorrichtung für Laserbearbeitungen dargestellt, bei der die CCD-Kamera außerhalb (wie in 1) des Strahlenganges installiert ist und den jeweiligen Arbeitspunkt separat anfährt. Dies hat aber den Nachteil, das die Vermessungskamera bezüglich dem Scannerspiegel exakt ausgerichtet sein muss, was einen erheblich Aufwand mit sich bringt. Außerdem ist bei dem Vermessungsverfahren mittels einer externer Kamera der Drift des Scannerspiegls nicht beachtet. Darüber hinaus erfordert die jeweilige Vermessung Zeit.
Daher ist es empfehlenswert, die Kamera in den Strahlengang des Laserstrahls zu integrieren, wie in 2 dargestellt. Es ist bekannt, dass zur Beobachtung der Position eines Laserspots eine Kamera in den Laserstrahl des Lasers eingekoppelt wird. Die Druckschrift DE 195 25484A1 beispielsweise zeigt einen einfachen Aufbau mit einer CCD-Kamera, die über einen halbdurchlässigen Spiegel in den Strahlengang eines Laserstrahls eingekoppelt ist, um die Position des Spots zu bestimmen und über die Bewegung einer Linse zu korrigieren. Der Bediener kann bei Systemen, bei denen die Kamera direkt in den Strahlengang integriert ist, exakt die Position anschauen, auf die der Laserstrahl gerichtet ist.
Bei der räumlichen Abbildung kommt es jedoch zu Verzerrungen, insbesondere, bei der Verwendung von unterschiedlichen Wellenlängen. Zum einen verursacht die Optik aufgrund der Längenänderung in Abhängigkeit vom Winkel eine Verzerrung, dem sogenannten Kisseneffekt, wie er in den 3a und 3b dargestellt ist. Zum anderen ist diese Verzerrung abhängig von der jeweiligen Wellenlänge (4). Dieses sei an einem Beispiel mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 950 nm (PIR) und einem optischen Sensor (z. B. Kamera) mit einer Wellenlänge von 600 nm (PS) gezeigt.
Die 5a bis 5c zeigen dieses Abweichungen: In der optischen Achse gibt es keine Verzerrungen. Der Laserstrahl zeigt exakt auf die Position, auf die auch der optische Sensor schaut. Die Koordinaten der beiden Scannerachsen SX0, SY0, des Auftreffpunktes des Lasers LX0, LY0, des Zielpunktes des optischen Sensors OX0, OY0 stimmen mit dem Ursprung des Arbeitsbereiches AX0, AY0 überein (5a).
5b zeigt die Situation, wenn die beiden Scannerspiegel auf SX1, SY1 ausgelenkt werden, so dass die abgelenkten Strahlengänge theoretisch den Punkt im Arbeitsbereich AX1, AY1 erreichen. Durch die Verzerrung der Optik wird jedoch der Laser auf den Punkt LX1, LY1 abgelenkt und der optische Sensor schaut auf den Punkt OX1, OY1.
Bei einzelnen Wellenlängen können diese Verzerrungen durch eine Koordinatentransformation in der Scannersteuerung korrigiert werden. Bei mehreren Wellenlängen ist dieses nicht mehr möglich. In gewissem Maße ist es möglich, diese Verzerrungen und Abweichungen durch die Optik zu korrigieren. Dabei steigt jedoch der Aufwand mit den Anzahl der relevanten Wellenlängen. Bei der Materialbearbeitung mit einem Laser könnten dieses z. B. sein: Bearbeitungslaser, Pilotlaser, Kamera und Pyrometer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die unterschiedlichen Eigenschaften der Strahlquellen und Sensoren räumlich und zeitlich zu sychronisieren. Die Synchronisation erfolgt im flächig detektierenden Sensor oder dessen Auswerteeinheit.
So wird zum Beispiel in einer Ausprägung der Erfindung die Optik so modifiziert, dass der Kisseneffekt für den Pilotlaser korrigiert wird. Gleichzeitig wird dadurch die Verzerrung der mit ähnlicher Wellenlänge arbeitende Kamera sehr gering. Der verbleibende Fehler wird im detektierten Bild korrigiert. Für die Wellenlänge des Lasers erfolgt die Korrektur per Software in der Ansteuerung der Scannerspiegel. 5c zeigt das Ergebnis. Die Koordinaten der beiden Scannerspiegel SX2, SY2 werden so verändert, dass der Laserstrahl LX2, LY2 exakt auf die gewünschte Stelle zeigt. Gleichzeitig wird der Nullpunkt im Kamerabild so verschoben OX2, OY2, dass er ebenfalls auf die relevante Position im Arbeitsbereich zeigt.
Bei einem weiteren Beispiel der Erfindung erfolgt keine optische Korrektur am Objektiv. Die Position des Bearbteitungs-Lasers und des Pilot-Lasers werden unabhängig voneinander über Koordinatentransformation oder die Ansteuerung der Scannerspiegel korrigiert. Der Versatz zum Pyrometer wird über die Größe des meßempfindlichen Sensors korrigiert.
Es versteht sich, dass die unterschiedlichen Korrekturmaßnahmen für die Stahlquelle wie Modifikation der Optik, Koordinatentransformation und Ansteuerung beliebig mit den Maßnahmen am Sensor wie Auswertung ein einer Matrix von Sensorsignalen oder Vergrößerung der Sensorfläche kombiniert werden können.
Durch diese Synchronisation der unterschiedlichen Wellenlängen wird es möglich, Werkstücke durch einen in den Scanner integrierte Kamera zu vermessen und die Bearbeitungsposition gegenüber den Lagetoleranzen des Werkstücks zu korrigieren, ohne das sich die Verzerrungen der unterschiedlichen Wellenlängen gegeneinander beeinflussen.
Erfolgt nun die Bearbeitung von mehreren Bearbeitungspositionen quasi-simultan, so ist die Bearbeitung und die Auswertung nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich zu synchronisieren. Dabei bedeutet quasi-simultan, dass zwar der Laserstrahl zwischen mehreren Lötstellen springt, jedoch dieser Wechsel so schnell erfolgt, dass alle Lötstellen gleichzeitig gelötet werden. Um die Beobachtung online zu ermöglichen, werden die Bilder der Kamera bzw. die Meßsignale des optischen Sensors über das Ansteuersignal des Scanners oder ein zeitlich synchrones Signal getriggert. Die einzelnen Bilder bzw. Signale werden unterschiedlichen Sequenzen zugeordnet, je eine Sequenz pro Bearbeitungspunkt. Diese Sequenzen können nun getrennt ausgewertet werden, sei es zum Beobachten des Prozesses oder zur Steuerung oder Regelung des jeweiligen Prozeßablaufs.
Es versteht sich, dass die vorstehenden genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19525484 A1 [0003, 0007]
- DE 10213577 B3 [0005]
- DE 10296810 T5 [0006]

Claims

Verfahren zur Materialbearbeitung mit einem Laser (L) mit einem oder mehreren Scannerspiegeln (SS) durch einen in den Strahlengang eingekoppelten Sensor (K), dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur der optischen Verzerrung zwischen Strahlquelle (L) und Sensor (K) im jeweiligen Sensor (K) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Korrekturen abhängig von der Auslenkung der Scannerspiegel (SS) sind.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (K) eine Kamera ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (K) eine Kamera ist, deren Bild ausgewertet wird, um die Position eines Objektes zu vermessen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (K) ein Temperatursensor ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Lasers (L) in Abhängigkeit vom Temperatursignal des Sensors (K) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung mehrere Bearbeitungspositionen quasi-simultan erfolgt, und die Ausgangs-Signale des Sensors (K) ebenfalls getriggert und unterschiedlichen Sequenzen zugeordnet werden, so dass jeweils eine Sequenz die gemessenen Werte eines einzelnen Bearbeitungspositionen enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (K) eine Kamera ist und die erstellten Bildfolge (Sequenzen) eine visuelle Beobachtung des jeweiligen Bearbeitungsprozesses ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (K) ein Temperatursensor ist und die den einzelnen Bearbeitungspositionen zugeordneten Sequenzen der Temperaturmesswerte zur von einander unabhängigen Leistungsregelung an den einzelnen Bearbeitungspositionen verwendet werden.
Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit einem Laser (L) mit einem oder mehreren Scannerspiegeln (SS), bei der ein flächig detektierender Sensor (K) in den Strahlengang des Lasers (L) eingekoppelt ist, um die optische Verzerrung zwischen Strahlquelle (L) und Sensor (K) im jeweiligen Sensor (K) zu korrigieren.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Korrekturen abhängig von der Auslenkung der Scannerspiegel (SS) sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Sensor eine Kamera ist und eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, um die Position eines Objektes über das Kamerabild zu detektieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10–11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (K) ein Temperatursensor ist und da Signals so ausgewertet wird, dass die Leistung des Lasers (L) überwacht oder gesteuert wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung mehrerer Bearbeitungspositionen quasi-simultan erfolgt, und die Ausgangs-Signale des Sensors (K) ebenfalls getriggert und so unterschiedlichen Sequenzen zugeordnet werden, dass jeweils eine Sequenz die gemessenen Werte einer einzelnen Bearbeitungsposition enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Kamera ist und die erstellten Bildfolge (Sequenzen) eine visuelle Beobachtung des jeweiligen Lötprozesses ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (K) ein Temperatursensor ist und die den einzelnen Bearbeitungspositionen zugeordneten Sequenzen der Temperaturmesswerte zur von einander unabhängigen Leistungsregelung an den einzelnen Bearbeitungspositionen verwendet werden.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit des Sensors (K) so beschaffen ist, dass aus den Meßsignalen qualitätsrelevante Aussagen abgeleitet werden können.