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Die
Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines
Werkstücks mittels eines Laserstrahls.
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Mit
Hilfe eines Laserbearbeitungskopfes lässt sich ein Werkstück
unter Verwendung eines Laserstrahls bearbeiten, wobei z. B. Schweiß-
oder Schneidarbeiten durchgeführt werden können.
Zur Durchführung einer Nahtverfolgung oder Nahtgeometrieüberwachung
während eines Schweißvorgangs werden Lichtschnittvorrichtungen
eingesetzt, welche an dem Laserbearbeitungskopf angebracht sind.
Hierbei projiziert die Lichtschnittvorrichtung einen Lichtfächer
mittels eines Laserstrahls auf das Werkstück, um darauf
eine Lichtlinie zu erzeugen. Die Beobachtung des Lichtschnitts,
also der Lichtlinie, erfolgt dabei durch eine Kamera mit einem vor der
Kamera montierten Kurzpassfilter, durch den Störstrahlung
aus dem Beobachtungsprozess zu einem großen Teil ausgeblendet
wird.
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Um
die Bahn des Laserbearbeitungskopfes an einem Roboter programmieren
zu können, muss die relative Lage des Laserstrahlbrennpunkts
zum Werkstück bekannt sein. Um die Lage des Laserstrahlbrennpunkts
bei ausgeschaltetem Laser durch einen koaxial in den Bearbeitungskopf
eingekoppelten Kamerabeobachtungsstrahlengang erkennen zu können,
kann beispielsweise eine Lichtschnittvorrichtung, wie sie bei der
Nahtverfolgung eingesetzt wird, verwendet werden. Hierbei wird der
Lichtfächer der Lichtschnittvorrichtung schräg
auf das Werkstück projiziert, so dass sich je nach Arbeitsabstand
der Lichtschnitt im Bild der Kamera zur einen oder zur anderen Seite
verschiebt. Um bei diesem Verfahren zusätzlich noch das
Werkstück erkennen zu können, muss das Werkstück
beleuchtet werden.
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Erfolgt
die Beleuchtung des Werkstücks für die Bahnplanung
mit einer anderen Wellenlänge als die Beobachtung des Lichtschnitts,
muss der vor der Kamera angebrachte Kurzpassfilter entfernt werden und
beispielsweise durch eine Glasplatte ersetzt werden, um die Lage
der Bildebene zu erhalten. Dieser Auswechselvorgang ist jedoch zeitaufwändig,
wobei zusätzlich durch den Auswechselvorgang Schmutz in den
Laserbearbeitungskopf eindringen kann.
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Die
DE 198 52 302 A1 beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken
mit Hochenergiestrahlung. Hierbei erfolgt eine Überwachung
einer in einem Werkstück erzeugten Schweißnaht
mittels einer Lichtlinie, die auf das Werkstück projiziert
wird, wobei unterschiedliche Nahtgeometrien zu unterschiedlichen
Lichtverläufen, beispielsweise Kerben, Nahtüberhöhungen,
Nahtüberwölbungen oder Löcher, zu unterschiedlichen Lichtverläufen
führen. Die Lichtschnittvorrichtung projiziert hierbei
einen kegelmantelförmigen Lichtfächer auf das
Werkstück, wobei die kreisförmige Lichtlinie um
den Bearbeitungsstrahl herum angeordnet ist. Zur Messung der Lichtlinie
können Spezialfilter eingesetzt werden, deren Transmissionsrate
von innen nach außen ansteigt. Somit dringt nahe dem Radiusmittelpunkt
nur wenig Licht durch, schirmt also die aus der Bearbeitungszone
herrührende helle Lichtstrahlung ab, während bei
großen Radien eine höhere Transmissionsrate vorliegt,
so dass auch vergleichsweise dunkles Messlicht erfasst werden kann. Darüber
hinaus können Farbfilter eingesetzt werden, deren Transmissionsrate
für unterschiedliche Wellenlängen des Lichts in
Abhängigkeit des Radius unterschiedlich groß ist.
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Die
DE 10 2005 010 381
B4 beschreibt ein Verfahren zur Messung von Phasengrenzen
eines Werkstoffs bei der Bearbeitung mit einem Bearbeitungsstrahl
sowie eine zugehörige Vorrichtung. Hierbei wird bei einem
Laserbearbeitungskopf ein Beleuchtungsstrahl über eine
Strahlteilerplatte durch einen dichroitischen Umlenkspiegel hindurch
zur Beleuchtung einer Bearbeitungszone eines Werkstücks eingesetzt.
Ferner kann der Beleuchtungsstrahl auch ringförmig aufgespalten
sein und auf einen Scraper-Spiegel treffen, über welchen
er ebenfalls auf die Bearbeitungszone des Werkstücks gerichtet
wird. Die von der Bearbeitungszone rückreflektierten Strahlanteile
können durch die Öffnung im Scraper-Spiegel direkt
auf eine CMOS-Kamera treffen.
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Die
DE 10 2005 022 095
B4 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
einer lateralen Relativbewegung zwischen einem Bearbeitungskopf
und einem Werkstück. Hierbei wird bei dem Bearbeitungskopf
ein Beleuchtungsstrahl sowie ein weiterer ringförmiger
Beleuchtungsstrahl über einen Scraper-Spiegel auf der gleichen
Achse über einen teildurchlässigen Spiegel auf
ein Werkstück gerichtet, wobei zusätzlich über
einen dichroitischen Spiegel ein Bearbeitungslaserstrahl in den Strahlengang
eingekoppelt wird. Das durch diesen ringförmigen Beleuchtungsstrahl
auf der Werkstück oberfläche erzeugte linienförmige
Beleuchtungsmuster wird wie das vom Beleuchtungsstrahl reflektierte Licht
durch eine CMOS-Kamera, welche hinter dem teildurchlässigen
Spiegel angeordnet ist, erfasst und ausgewertet, um die Position
einer Naht auf einer bearbeiteten Werkstückoberfläche
zu ermitteln. Die Vorrichtung weist somit neben einem Sensor zur Messung
der Relativbewegung mittels der Beobachtung des Werkstücks
auch einen Nahtfolgesensor auf, die beide in den Bearbeitungskopf
integriert sind. Für beide Messverfahren wird also der
gleiche ortsauflösende Detektor, nämlich die CMOS-Kamera
eingesetzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserbearbeitungskopf
zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls
zu schaffen, durch welchen die Beobachtung eines auf ein Werkstück
projizierten Lichtschnitts sowie einer beleuchteten Werkstückoberfläche
unter minimierter Störstrahlung möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch den Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden
in den Unteransprüchen dargelegt.
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Erfindungsgemäß ist
ein Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks
mittels eines Laserstrahls vorgesehen, welcher ein Gehäuse, durch
das ein Strahlengang für einen Laserstrahl hindurchgeführt
ist und das eine Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls
auf ein zu bearbeitendes Werkstück innerhalb eines Arbeitsbereichs
aufweist, eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer ersten Lichtquelle
zur gleichmäßigen Beleuchtung des Arbeitsbereiches
des zu bearbeitenden Werkstücks, eine Lichtschnittvorrichtung
mit einer zweiten Lichtquelle, welche dazu geeignet ist, einen Lichtfächer
in Richtung des zu bearbeitenden Werkstücks zu werfen, um
eine Lichtlinie innerhalb des Arbeitsbereichs auf dem zu bearbeitenden
Werkstück zu erzeugen, und eine Kamera zur Beobachtung
des Arbeitsbereiches des zu bearbeitenden Werkstück aufweist,
wobei in einem Beobachtungsstrahlengang vor der Kamera ein optischer
Bandpassfilter angeordnet ist, und die erste und zweite Lichtquelle
so beschaffen sind, dass diese ein zumindest lokales Abstrahlmaximum
im Wellenlängendurchlassbereich des Bandpassfilters aufweisen.
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Es
ist also ein Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks
mittels eines Laserstrahls vorgesehen, welcher mit einer Lichtschnittvorrichtung
und einer Beleuchtungsvorrichtung ausgestattet ist. Die Lichtschnittvorrichtung
ist dazu vorgesehen, eine Lichtlinie auf dem Werkstück
zu erzeugen, um beispielsweise eine Schweißnahtverfolgung durchführen
oder mittels Triangulation den Abstand des Brennpunkts einer Fokussieroptik
des Laserbearbeitungskopfes von einer Werkstückoberfläche
bestimmen zu können. Die Beleuchtungsvorrichtung ist dazu
vorgesehen, das Werkstück auch bei ausgeschaltetem Bearbeitungslaserstrahl
gleichmäßig auszuleuchten, um Merkmale das Werkstücks
erkennen zu können. Hierbei sind die Lichtquellen der Lichtschnittvorrichtung
und der Beleuchtungsvorrichtung so aufeinander abgestimmt, dass
die emittierte Lichtstrahlung der beiden Lichtquellen in einem sehr schmalen
Wellenlängenbereich liegt, so dass beide Lichtquellen durch
Einsatz eines optischen Bandpasses vor einer Beobachtungskamera
gleichzeitig beobachtet werden können, wodurch Störstrahlung,
wie sie beispielsweise bei einem Betrieb des Laserbearbeitungskopfes
auftritt, nahezu eliminiert wird.
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Für
eine reale Umsetzung des optischen Bandpassfilters ist dieser zweckmäßiger
Weise ein Interferenzfilter, insbesondere ein Fabry-Perot-Filter, wobei
die Halbwertsbreite des Wellenlängendurchlassbereiches
kleiner als 50 nm, insbesondere kleiner als 20 nm ist.
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Um
im Falle einer Bahnplanung oder während des Betriebs des
Laserbearbeitungskopfes gewährleisten zu können,
dass der Bearbeitungsbereich des zu bearbeitenden Werkstücks
stets im Laserbrennpunkt angeordnet ist, ist es zweckmäßig, wenn
die Lichtschnittvorrichtung fest zu der Fokussieroptik so angeordnet
ist, dass der Lichtfächer der zweiten Lichtquelle schräg
zur optischen Achse des Laserstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück
trifft, wodurch ein Abstand zwischen der Fokussieroptik und dem
Werkstück mittels Triangulation ermittelt werden kann.
Hierfür kann die Lichtschnittvorrichtung fest mit dem Gehäuse
des Laserbearbeitungskopfes verbunden sein.
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Für
eine einfache Anwendung des Triangulationsprinzips ist es von Vorteil,
wenn der Lichtfächer der zweiten Lichtquelle in einer Ebene
liegt, welche schräg zur optischen Achse des Laserstrahls
verläuft und welche den Brennpunkt der Fokussieroptik auf der
werkstückzugewandten Seite beinhaltet.
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Aufgrund
der hohen Intensität und der geringen Strahlaufweitung
von Laserlicht ist es von Vorteil, wenn die zweite Lichtquelle ein
Laser, insbesondere ein Halbleiterlaser ist.
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Für
eine einfache Umsetzung der Beleuchtung des Werkstücks
ist es zweckmäßig, wenn die erste Lichtquelle
der Beleuchtungsvorrichtung eine Xenonblitzlampe oder eine Quecksilberdampflampe ist.
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Aufgrund
der Möglichkeit der einfachen Anpassung einer Abstrahlwellenlänge
ist es vorteilhaft, wenn die erste Lichtquelle der Beleuchtungsvorrichtung
eine LED, insbesondere eine RCLED ist.
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Es
ist jedoch auch vorstellbar, dass die erste Lichtquelle der Beleuchtungsvorrichtung
einen Laser und an dessen Strahlausgangsseite einen zeitlich variierenden
Diffusor aufweist, durch welchen das durch den Laser erzeugte Laserlicht
läuft, um die Kohärenz des Laserlichts aufzulösen.
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Darüber
hinaus kann die erste Lichtquelle der Beleuchtungsvorrichtung eine
Vielzahl von Lasern aufweisen, deren Laserlicht so überlagert
wird, dass die resultierende Beleuchtung der Beleuchtungsvorrichtung
inkohärentes Licht ergibt.
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Die
verwendete Kamera ist zweckmäßiger Weise eine
CCD-Kamera.
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Für
ein einfaches Nachführen des Beobachtungsstrahlengangs
der Kamera hinsichtlich des Arbeitsbereiches des zu bearbeitenden
Werkstücks ist es zweckmäßig, wenn der
Laserbearbeitungskopf einen ersten Strahlteiler aufweist, durch
welchen der Beobachtungsstrahlengang der Kamera koaxial in den Laserstrahlengang
einkoppelbar ist.
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Für
eine kompakte Anordnung der Beleuchtungsvorrichtung in dem Laserbearbeitungskopf
ist es zweckmäßig, wenn der Laserbearbeitungskopf
einen zweiten Strahlteiler aufweist, der im Beobachtungsstrahlengang
zwischen erstem Strahlteiler und Kamera angeordnet ist, durch welchen
die Be leuchtung der Beleuchtungsvorrichtung koaxial in den Laserstrahlengang
einkoppelbar ist.
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Es
ist jedoch auch vorstellbar, dass die erste Lichtquelle zur Beleuchtung
des Werkstücks und die zweite Lichtquelle zur Erzeugung
eines Lichtfächers gemeinsam in einer am Gehäuse
angeordneten Lichtschnitt-/Beleuchtungsvorrichtung aufgenommen sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, und
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3 eine
stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes
gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In
den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende
Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
eine stark vereinfachte Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes 10 gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, wie er mit Laserbearbeitungsmaschinen
oder -anlagen verwendet wird. Hierbei wird ein von der Laserbearbeitungsmaschine
kommender Arbeitslaserstrahl 12 durch ein Gehäuse 14 des
Laserbearbeitungskopfes 10 hindurch auf ein Werkstück 16 gelenkt
und mittels einer Fokussieroptik 18 auf das Werkstück 16 fokussiert,
wie durch die optische Achse L angedeutet wird. Der Arbeitslaserstrahl 12 kann bei
einer Zuführung zu dem Laserbearbeitungskopf 10 mittels
einer Lichtleitfaser aufgrund der Auskopplung des Laserstrahls aus
der Lichtleitfaser durch eine Kollimatoroptik aufgeweitet sein.
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In
dem Gehäuse 14 des Laserbearbeitungskopfes 10 ist
im Durchgangsbereich des Arbeitslaserstrahls 12 ein erster
Strahlteiler 20 so angeordnet, dass ein Beobachtungsstrahlengang 22 (angedeutet durch
seine optische Achse) einer Kamera 24 koaxial in den Strahlengang
des Arbeitslaserstrahls 12 eingekoppelt wird. Im Beobachtungsstrahlengang 22 ist vor
der Kamera 24 eine Abbildungsoptik 26 sowie ein optischer
Bandpassfilter 28 angeordnet, welcher im Folgenden noch
genauer beschrieben werden wird.
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Im
Beobachtungsstrahlengang 22 ist zwischen dem ersten Strahlteiler 20 und
dem optischen Bandpassfilter 28 noch ein zweiter Strahlteiler 30 angeordnet,
durch welchen ein Beleuchtungsstrahlengang 32 (angedeutet
durch seine optische Achse) mittels einer Optik 34 von
einer Beleuchtungsvorrichtung 36 koaxial in den Beobachtungsstrahlengang 22 und
somit in den Strahlengang des Arbeitslaserstrahls 12 eingekoppelt
wird.
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An
einer Außenseite des Gehäuses 14 ist eine
Lichtschnittvorrichtung 38 mittels einer Halterung 40 montiert,
durch welche ein Lichtfächer 42 in Richtung des
Werkstücks 16 geworfen wird, um auf dessen Oberfläche
innerhalb eines Arbeitsbereiches des Laserbearbeitungskopfes 10 eine
Lichtlinie 44 zu erzeugen. Die Beleuchtungsvorrichtung 36 weist hierbei
zur Erzeugung des Beleuchtungslichts eine erste Lichtquelle 46 und
die Lichtschnittvorrichtung weist zur Erzeugung des Lichtfächer 42 eine
zweite Lichtquelle 48 auf.
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Der
Lichtfächer 42 kann in einer Abstrahlebene liegen,
so dass auf die Oberfläche des Werkstücks 16 eine
gerade Lichtlinie 44 projiziert wird. Hierbei ist die Abstrahlebene
des Lichtfächers 42 schräg zu dem Strahlengang
des Arbeitslaserstrahls 12 angeordnet, so dass sich bei
einer Auf- und Abbewegung des Gehäuses 14 entlang
der optischen Achse L die projizierte Lichtlinie 44 auf
dem Werkstück 16 relativ zu dem auf das Werkstück 16 treffenden
Arbeitslaserstrahl 12 hin- und herbewegt. Somit kann also über
die Detektion der Lichtlinie 44 in der Kamera 24 nach
einer entsprechenden Kalibrierung die relative Lage des Brennpunktes
der Fokussieroptik 18 auf der werkstückzugewandten
Seite in Bezug auf die Werkstückoberfläche bestimmt
werden. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann hierbei
der Brennpunkt der Fokussieroptik 18 innerhalb der Abstrahlebene
des Lichtfächers 42 liegen, wodurch eine Kalibrierung
der Kamera 24 vereinfacht wird. Es ist jedoch auch möglich,
dass die Lichtlinie 44 bei einem Zusammentreffens von Oberfläche
des Werkstücks 16 und Brennpunkt der Fokussieroptik 18 von
diesem beabstandet ist, um so beispielsweise im Betrieb des Laserbearbeitungskopfes 10 die
Lichtschnittvorrichtung 38 zur Nahtverfolgung oder Nahtüberwachung
zu verwenden. Hierbei ist es auch vorstellbar, die Lichtlinie bei
einem Betrieb des Laserbearbeitungskopfes 10 in Bewegungsrichtung
vor dem Brennpunkt der Fokussieroptik 18 auf das Werkstück 16 zu
projizieren, um beispielsweise eine Bahnplanung oder Bahnregelung
während des Betriebs des Laserbearbeitungskopfes 10 durchzuführen.
Hier kann die Lichtlinie 44 beispielsweise zur Detektion von
Werkstückkanten und damit zur Abstandsregelung zu solchen
Werkstückkanten eingesetzt werden. Für die vorgenannten
Einsatzmöglichkeiten ist der Lichtfächer 42 zweckmäßiger
Weise eben, wodurch eine gerade Lichtlinie 44 auf das Werkstück 16 projiziert
wird. Es ist jedoch auch möglich, dass die Lichtschnittvorrichtung 38 einen
Lichtfächer 42 in Richtung des Werkstücks 16 emittiert,
welcher nicht in einer Ebene liegt, also beispielsweise kegelmantelförmig
ausgebildet ist, so dass die Lichtlinie 44 beispielsweise
eine elliptische oder kreisförmige Projektionslinie um
den Laserbearbeitungspunkt im Brennpunkt der Fokussieroptik 18 bildet,
wodurch gleichzeitig eine Nahtverfolgung sowie eine Bahnplanung durchgeführt
werden kann.
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Als
zweite Lichtquelle 48 der Lichtschnittvorrichtung 38 eignet
sich aufgrund der hohen Intensität und einer geringen intrinsischen
Strahlaufweitung eine Laserlichtquelle, wobei diese eine Halbleiterlaserdiode
sein kann. Hierfür können AlGaInP-Laserdioden
mit Multi-Quantum-Well-Strukturen verwendet werden, welche ein Abstrahlmaximum
in einem Wellenlängenbereich zwischen 635 nm und 670 nm
aufweisen. So kann beispielsweise eine Laserdiode mit einer Abstrahlwellenlänge
von 658 nm und einer Abstrahlleistung von 60 mW eingesetzt werden.
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Die
erste Lichtquelle 46 der Beleuchtungsvorrichtung 36 ist
dazu vorgesehen, einen Arbeitsbereich auf dem Werkstück 16,
in welchem der Arbeitspunkt des Arbeitslaserstrahls 12 sowie
die Lichtlinie 44 liegt, gleichmäßig
auszuleuchten. Eine weitere Anforderung an die erste Lichtquelle 46 der
Beleuchtungsvorrichtung 36 liegt erfindungsgemäß darin, dass
die Abstrahlwellenlänge der ersten Lichtquelle 46 der
Beleuchtungsvorrichtung 36 auf die Abstrahlwellenlänge
der zweiten Lichtquelle 48 der Lichtschnittvorrichtung 38 angepasst
ist. Hierbei soll unter dem Begriff Abstrahlwellenlänge
ein zumindest lokales Abstrahlmaximum der Lichtquelle bei einer
bestimmten Wellenlänge verstanden werden. Somit sind also
Lichtquellen mit einem linienförmigen Emissionsspektrum
für die Verwendung als erste Lichtquelle 46 der
Beleuchtungsvorrichtung 36 besonders geeignet.
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Als
solche Lichtquellen können beispielsweise Halbleiterleuchtdioden
oder LEDs eingesetzt werden, welche mit einem optischen Resonator
versehen sind, wodurch die spontane Emission der Leuchtdiode durch
den optischen Resonator verstärkt wird. Diese so genannten
RC-LEDs (resonant cavity light emitting diodes) weisen im Unterschied
zu normalen Halbleiterleuchtdioden ein stark verengtes Emissionsspektrum
mit einer Halbwertsbreite oder FWHM (full width of half maximum)
von etwa 5 bis 10 nm auf. Bei Verwendung einer Laserdiode als zweite Lichtquelle 48 der
Lichtschnittvorrichtung 38 ist es hierbei von Vorteil,
wenn aufgrund der Verwendung eines ähnlichen Materialsystems
die Abstrahlcharakteristik der zweiten Lichtquelle 48 auf
die Abstrahlcharakteristik der ersten Lichtquelle 46 abgestimmt
wird. Es ist jedoch auch denkbar, beispielsweise Xenonblitzlampen
oder Quecksilberdampflampen mit einer hohen Abstrahlintensität
zu verwenden, wobei der Wellenlängenbereich durch Filter
entsprechend eingeschränkt wird.
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Eine
weitere mögliche Lichtquelle, die als erste Lichtquelle 46 der
Beleuchtungsvorrichtung 36 eingesetzt werden kann, ist
eine Laserlichtquelle. Hierbei ist es jedoch nötig, das
unerwünschte Auftreten von einem so genanten Speckle-Muster
oder einer Granulation bei einer Beleuchtung der Werkstückoberfläche 16 zu
unterdrücken, welches bei einer kohärenten Beleuchtung
der in der Regel optisch rauen Oberfläche (Unebenheiten
in der Größenordnung der Wellenlänge
des Laserlichts) des Werkstücks 16 im Fernfeld
des reflektierten Lichtes bei dessen Abbildung auf einer Kamera
sichtbar wird.
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Für
eine Minimierung dieses Speckle-Effekts kann entweder die Kohärenz
des Laserlichts aufgelöst oder durch eine ausreichend schnelle,
zeitliche Variation der Speckle-Interferenzen innerhalb der Integrationszeit
des Auges der Speckle-Kontrast verringert werden. Hierbei kann beispielsweise
das Laserlicht der ersten Lichtquelle 46 durch einen rotierenden
Diffusor (nicht gezeigt) geleitet werden. Als Diffusor eignet sich
beispielsweise eine Glasplatte mit einer rauen Oberfläche.
Sofern sich der Diffusor am Fokus des Laserstrahles der ersten Lichtquelle 46 befindet,
werden statistische Phasenvariationen in den Strahl eingefügt,
während die räumliche Kohärenz erhalten
bleibt. Sofern der unfokussierte Strahl durch den Diffusor geleitet
wird, wird sowohl die räumliche als auch die zeitliche
Kohärenz aufgelöst.
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Eine
weitere Möglichkeit der Auflösung der Kohärenz
des Laserlichts der ersten Lichtquelle 46 liegt in der Überlagerung
von Laserlicht einer Vielzahl von unterschiedlichen Lasern, wodurch
die resultierende Beleuchtung der Beleuchtungsvorrichtung 36 keine
Kohärenzeffekte mehr aufweist und ein Speckle-Muster auf
einer Oberfläche des Werkstücks 16 vermieden
wird.
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Die
bevorzugte Abstrahlwellenlänge der ersten Lichtquelle 46 der
Beleuchtungsvorrichtung 36 liegt in einem Wellenlängenbereich
zwischen 630 nm und 670 nm, wobei beispielsweise ein Intensitätsmaximum
der ersten Lichtquelle 46 bei 640 nm zweckmäßig
ist.
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Vor
der Kamera 24, welche beispielsweise eine CCD-Kamera ist,
ist der optische Bandpassfilter 28 angeordnet. Erfindungsgemäß ist
dabei der Wellenlängendurchlassbereich des optischen Bandpassfilters 28 auf
die zumindest lokalen Abstrahlmaxima der ersten Lichtquelle 46 der
Beleuchtungsvorrichtung 36 und der zweiten Lichtquelle 48 der
Lichtschnittvorrichtung 38 angepasst. Hierbei ist die Halbwertsbreite
oder FWHM (full width at half maximum) des Wellenlängendurchlassbereiches
des Filters so zu wählen, dass gerade beide Maxima der
ersten und zweiten Lichtquelle 46, 48 innerhalb
des Durchlassbereiches des optischen Bandpassfilters liegen. Hierbei
ist die Halbwertsbreite vorzugsweise kleiner 100 nm, besonders bevorzugt
kleiner 50 nm und insbesondere kleiner 20 nm. Der optische Bandpassfilter 28 ist
vorzugsweise ein Fabry-Perot-Filter oder Fabry-Perot-Etalon, wobei
durch diese Art von Filter elektromagnetische Wellen eines bestimmten
Frequenzbereichs durchgelassen werden und die restlichen Frequenzanteile
durch Interferenz ausgelöscht werden. Hinsichtlich der
Halbwertsbreite des optischen Bandpassfilters 28 ist es
von Vorteil, wenn dieser Bereich so schmal wie möglich
ist, um bei einem Betrieb des Laserbearbeitungskopfes 10 eine
möglichst geringe Störung des Kamerabildes durch
Prozessleuchten zu erzeugen, welches durch die Bearbeitung des Werkstücks 16 mittels
des Arbeitslaserstrahls 12 durch Schmelzen des Werkstückmaterials entsteht.
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Es
kann also durch eine Abstimmung der ersten Lichtquelle 46 der
Beleuchtungsvorrichtung 36 und der zweiten Lichtquelle 48 der
Lichtschnittvorrichtung 38 auf den Durchlassbereich des
optischen Bandpassfilters 28 erreicht werden, dass das
Werkstück 16 einerseits gleichmäßig
ausgeleuchtet als auch eine Lichtlinie 44 auf dem Werkstück 16 innerhalb
des Arbeitsbereiches durch die Kamera 24 detektiert und
ausgewertet werden kann, wobei auch im Falle eines eingeschalteten
Arbeitslaserstrahls 12 das Bild der Kamera 24 aufgrund
des engen beobachteten Wellenlängenbereichs nicht gestört
wird. Um die Lichtlinie 44 von der gleichmäßigen
Beleuchtung durch die Beleuchtungsvorrichtung 36 in der
Kamera 24 unterscheiden zu können, ist es nötig,
dass ein ausreichender Kontrast zwischen Lichtlinie 44 und
gleichmäßiger Beleuchtung durch die Beleuchtungsvorrichtung 36 vorliegt.
So ist es beispielsweise zweckmäßig, die Intensität
der zweiten Lichtquelle 48 höher als die Intensität
der Beleuchtung durch die erste Lichtquelle 46 einzustellen,
wodurch die Lichtlinie 44 gut durch die Kamera 24 erkennbar
ist. Es ist jedoch auch vorstellbar, eine der beiden Lichtquellen 46 oder 48 zeitlich
zu variieren, um mittels eines Lock-In-Verfahrens die beiden Lichtquellen 46 und 48 trennen
zu können.
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In 2 ist
ein Laserbearbeitungskopf 50 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Der Laserbearbeitungskopf 50 des zweiten Ausführungsbeispiels
entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten
Laserbearbeitungskopf 10, wobei jedoch nun die Kamera 24,
die Abbildungsoptik 26 und der optische Bandpassfilter 28 direkt
dem ersten Strahlteiler 20 gegenüberliegen, wodurch
der Beobachtungsstrahlengang 22 direkt in den Strahlengang
des Arbeitslaserstrahls 12 eingekoppelt wird. Die Beleuchtungsvorrichtung 36 ist
dabei über eine Halterung 52 an dem Gehäuse 14 angebracht,
wodurch die Beleuchtung des Arbeitsbereiches des Werkstücks 16 nicht
koaxial zum Arbeitslaserstrahl 12, sondern durch einen
seitlich dazu eintreffenden Lichtkegel erfolgt. Die Lichtschnittvorrichtung 38 ist
hierbei auf einer anderen Seite des Gehäuses 14 angeordnet,
es ist jedoch auch vorstellbar, dass die externe Lichtschnittvorrichtung 38 und
die externe Beleuchtungsvorrichtung 36 benachbart zueinander
angeordnet sind. Hinsichtlich der Eigenschaften der ersten Lichtquelle 46 und
der zweiten Lichtquelle 48 der Lichtschnittvorrichtung 38 sowie hinsichtlich
der Eigenschaften des optischen Bandpassfilters 28 unterscheidet
sich das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
nicht von dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In 3 ist
ein Laserbearbeitungskopf 54 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen
dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei lediglich die
erste Lichtquelle 46 der Beleuchtungsvorrichtung und die
zweite Lichtquelle 48 der Lichtschnittvorrichtung gemeinsam
in einer Lichtschnitt-Beleuchtungsvorrichtung 56 integriert
sind. Hierbei sind die beiden Lichtquellen 46 und 48 so
in der Vorrichtung 56 angeordnet, dass diese einerseits
eine Beleuchtung des Arbeitsbereiches des Werkstücks 16 als
auch einen Lichtfächer 42 in Richtung des Werkstücks 16 emittiert.
Hierbei ist es, gerade im Hinblick auf die Ausgestaltung der ersten
Lichtquelle 46 als Laserlichtquelle, auch denkbar, dass
lediglich eine Lichtquelle (nicht gezeigt) verwendet wird, die beispielsweise eine
Laserdiode ist, wobei ein Teil des Laserlichts als Lichtfächer 42 auf
das Werkstück 16 geworfen wird und ein anderer
Anteil des Laserlichts mittels eines der oben beschriebenen Verfahren
zur Vermeidung eines Speckle-Effekts als inkohärentes Licht
zur Beleuchtung des Arbeitsbereiches auf dem Werkstück 16 verwendet
wird.
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Durch
die Erfindung wird ein Laserbearbeitungskopf geschaffen, bei welchem
gleichzeitig eine Lichtlinie auf dem Werkstück zur Bahnplanung
oder Nahtverfolgung als auch eine Werkstückoberfläche selbst
aufgrund einer gleichmäßigen Beleuchtung beobachtet
werden, wobei die Beobachtung quasi störungsfrei aufgrund
von Prozessleuchten oder sonstigen störenden Lichtquellen
erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19852302
A1 [0005]
- - DE 102005010381 B4 [0006]
- - DE 102005022095 B4 [0007]