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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses zur Materialbearbeitung mittels eines optischen Messstrahls,
wobei ein Bearbeitungsstrahl über eine Bearbeitungsstrahloptik auf ein Werkstück projizierbar und/oder fokussierbar ist,
wobei die Vorrichtung einen optischen Kohärenztomographen umfasst mit:
- - einer Lichtquelle zum Erzeugen des Messstrahls,
- - einer Analyseeinrichtung zum Analysieren eines vom Werkstück reflektierten Teils des Messstrahls,
- - einer Messstrahloptik,
- - einem optischen Messarm, in dem der Messstrahl von der Lichtquelle ausgehend über die Messstrahloptik sowie die Bearbeitungsstrahloptik auf das Werkstück projiziert und/oder fokussiert, von diesem zumindest teilweise reflektiert und zur Auswertung zu der Analyseeinrichtung geführt wird, und
- - einem optischen Referenzarm, der zu Überwachung des Bearbeitungsstrahls mittels des optischen Messstrahls den Messarm zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet und von einem Referenzstrahl durchlaufen wird,
wobei der Referenzarm zumindest teilweise mit einer optischen Referenzarmfaser und der Messarm zumindest teilweise mit einer optischen Messarmfaser ausgebildet sind, in denen jeweils über eine Wegstrecke der Referenzstrahl bzw. der Messstrahl optisch geführt sind, und
wobei dem Referenzarm oder/und dem Messarm eine einstellbare Längenausgleichsvorrichtung zugeordnet ist, um die optisch wirksame Länge des Referenzarms oder/und des Messarms zu verändern.
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Die optische Überwachung von Materialbearbeitungsprozessen, beispielsweise von Schweißvorgängen an einer Stoßstelle zweier durch einen Laserschweißprozess miteinander zu verbindender Werkstücke ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Hierzu wird zum technischen Hintergrund auf das Dokument
WO 2014/138939 A1 verwiesen. Gemäß der Offenbarung dieses Dokuments wird ein über einen Scannerspiegel auslenkbarer Messstrahl in einen Bearbeitungsstrahl eingekoppelt und gemeinsam mit diesem auf Bearbeitungspositionen auf einem Werkstück gerichtet. Optional kann dabei auch der Sensorstrahl eines Kamerasensors in den Mess- und Laserstrahl eingekoppelt werden. Bei dieser bekannten Lösung wird der Messstrahl durch einen optischen Kohärenztomographen erzeugt. Die sogenannte optische Kohärenztomographie (engl.: Optical Coherence Tomography, OCT) bezeichnet ein Verfahren, das in Anbetracht der vorstehenden Nachteile herkömmlicher optischer Überwachungsverfahren zunehmend für die Überwachung von (Laser-) Bearbeitungsverfahren eingesetzt wird. Es basiert auf dem Grundprinzip der Interferenz von Lichtwellen und daraus resultierender Effekte. Die optische Kohärenztomographie ermöglicht es, Höhenunterschiede entlang einer Messstrahlachse im Mikrometerbereich zu erfassen. Dazu wird Messlicht erzeugt und mittels eines Strahlteilers in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgetrennt. Der Messstrahl wird an einen Messarm weitergeleitet und trifft auf eine Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks. An dieser Oberfläche wird der Messstrahl zumindest teilweise reflektiert und an den Strahlteiler zurückgeführt. Der Referenzstrahl wird an den Referenzarm weitergeleitet und am Ende des Referenzarms reflektiert. Der reflektierte Referenzstrahl wird ebenfalls an den Strahlteiler zurückgeführt. Die Überlagerung der reflektierten Strahlen wird schließlich detektiert, um unter Berücksichtigung der Länge des Referenzarms Höheninformationen über die Oberfläche und/oder die Eindringtiefe eines Bearbeitungsstrahls in ein Werkstück zu ermitteln. Eine vorrichtungstechnische Ausführung für die Praxis geht aus diesem Stand der Technik nicht hervor.
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Darüber hinaus wird in dem Dokument
DE 10 2013 008 269 A1 beschrieben, dass der optische Kohärenztomograph unmittelbar im Bearbeitungskopf eines Schweißroboters angebracht sein kann. Dies führt dazu, dass das OCT-System sämtliche Bewegungen des Bearbeitungskopfs mit vollziehen muss, sodass die dem OCT-System zugeordneten beweglichen Komponenten permanent Beschleunigungen, Abbremsvorgängen und Erschütterungen ausgesetzt sind. Dies kann sich in der Praxis negativ auf die Lebensdauer des OCT-Systems und dessen Funktionsweise auswirken.
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In dem weiteren Dokument zum Stand der Technik
DE 10 2014 216 829 A1 wird ein Problem erkannt, das sich insbesondere beim Laserbearbeiten von Werkstücken und dem Einsatz eines OCT-Systems bei diesem Bearbeitungsvorgang stellt. Aufgrund der in einer Schweißzelle auftretenden relativ hohen Temperaturen, insbesondere Temperaturschwankungen zwischen Betriebsphasen und Außerbetriebsphasen, und aufgrund der Tatsache, dass Referenzarm und Messarm in der Regel unterschiedliche räumliche Verläufe aufweisen, kommt es zu dem Problem, dass sich die optischen Komponenten des Referenzarms und des Messarms, insbesondere diesen zugeordnete optische Fasern, unterschiedlich stark erwärmen. Die sich daraus ergebenden Temperaturunterschiede führen dazu, dass sich beispielsweise der Messarm aufgrund der höheren Temperatur nahe dem Schweißroboter thermisch stärker dehnt, als der Referenzarm des OCT-Systems. Es kann beispielsweise zu einer Dehnung der optischen Fasern von bis zu 0,4 mm/K kommen. Bei allzu großen Temperaturunterschieden kann der Längenunterschied zwischen Referenzarm und Messarm mehrere Millimeter betragen und damit so groß werden, dass das erhaltene Messergebnis nicht mehr im Arbeitsbereich des verwendeten OCT-Sensors liegt oder der OCT-Sensor keine verwertbaren Ergebnisse liefert. Um dem Problem der auftretenden Temperaturunterschiede zwischen Messarm und Referenzarm zu begegnen, schlägt dieser Stand der Technik vor, die optische Faser des Messarms und die optische Faser des Referenzarms so weit wie möglich parallel nebeneinander verlaufen zu lassen und diese miteinander thermisch zu koppeln. Dadurch wird gewährleistet, dass Temperaturunterschiede an den optischen Fasern von Referenzarm und Messarm zumindest in den parallel verlaufenden thermisch gekoppelten Bereichen unterbunden werden können.
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Diese Lösung funktioniert allerdings nur solange, wie gewährleistet werden kann, dass die optischen Fasern von Referenzarm und Messarm tatsächlich in unmittelbarer Nähe zueinander verlaufen. Dies impliziert also, dass Referenzarm und Messarm bevorzugt gemeinsam am Bearbeitungskopf anzubringen sind, woraus sich die vorstehend beschriebenen Nachteile von Beschleunigungen und Erschütterungen an dem OCT-System ergeben.
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Schließlich wird in dem Dokument
DE 10 2010 016 862 B3 gleichfalls das Problem von Temperaturunterschieden zwischen Referenzarm und Messarm beschrieben. Gemäß diesem Dokument wird dem Problem allerdings durch die Maßnahme begegnet, mindestens zwei verschiedene Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen einzusetzen. Es wird sozusagen eine zur Verfügung stehende Wellenlänge als Referenzwellenlänge genutzt, um temperaturbedingte Längenunterschiede zwischen Messarm und Referenzarm zu erfassen. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es nur so lange funktioniert, wie der Längenunterschied innerhalb des Arbeitsbereichs des verwendeten OCT-Systems liegt. Bei großen Temperaturschwankungen und dem entsprechend großen thermisch bedingten Längenunterschieden stößt dieses Verfahren an seine Grenzen.
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Ferner ist aus dem Dokument
EP 1 977 850 B1 eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art vorgesehen, der zusätzlich noch ein Temperaturfühler zugeordnet ist. Der Temperaturfühler ist an einem Abdeckglas eines Bearbeitungskopfes angebracht und dient zur Erfassung einer möglichen thermischen Überlastung des Abdeckglases.
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Als weiterer Stand der Technik zum technischen Hintergrund wird auf die Dokumente
DE 10 2015 015 112 A1 ,
US 8,822,875 B2 und den Artikel Dupriez, N.D.; Truckenbrodt, C.: OCT for Efficient High Quality Laser Welding, Laser technik )ourmal, Vol. 13, Nr. 3 (2016), S. 37-41, doi 10.1002/latj. 201600020 verwiesen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die auch bei großen Temperaturschwankungen und entsprechend großen thermisch bedingten Längenunterschieden zwischen Messarm und Referenzarm eine zuverlässige Überwachung des Bearbeitungsprozesses ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art gelöst, bei der vorgesehen ist, dass der Messarmfaser oder einem der Messarmfaser nahen Umgebungsbereich oder/und der Referenzarmfaser oder einem der Referenzarmfaser nahen Umgebungsbereich jeweils eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der aktuellen Temperatur der Messarmfaser und der Referenzarmfaser zugeordnet ist/sind, wobei nach Maßgabe eines Temperaturunterschieds zwischen der Temperatur der Messarmfaser und der Temperatur der Referenzarmfaser die Längenausgleichsvorrichtung des Referenzarms oder/und des Messarms ansteuerbar ist.
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Die Erfindung wendet sich also von den im Stand der Technik für das Problem unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen im Referenzarm und Messarm vorgegebenen Lösungswegen ab und ermittelt die tatsächlichen Temperaturen im Bereich der optischen Faser des Messarms sowie der optischen Faser des Referenzarms. Gegebnenfalls kann auch die Temperatur des Referenzarms als konstant, bspw. 20°C angenommen werden, wenn sich dieser zum Beispiel in einem klimatisierten Schaltschrank befindet. Daraus wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein intergraler Temperaturunterschied ermittelt, nach dessen Maßgabe dann eine im OCT-System vorgesehene Längenausgleichsvorrichtung angesteuert werden kann, mit der die effektive optische Länge des Referenzarms oder des Messarms zur Kompensation des thermisch bedingten Längenunterschieds zwischen Referenzarm und Messarm veränderbar ist.
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Die vorliegende Erfindung hat damit den Vorteil, dass keine zusätzlichen optischen Elemente erforderlich sind, wie etwa eine zweite Lichtquelle zur Bereitstellung eines Referenzlichts. Ferner ist es bei der vorliegenden Erfindung auch nicht erforderlich, die optischen Fasern von Referenzarm und Messarm in unmittelbarer Nähe zueinander zu verlegen, was im Hinblick auf die praktische konstruktive Ausgestaltung einer Kombination von Bearbeitungskopf und OCT-System mehr Freiheiten bietet. Dieser Vorteil ermöglicht es insbesondere, den optischen Kohärenztomographen mit seinen Komponenten, abgesehen von dem Messarm, an einer anderen Stelle anzuordnen, als die Bearbeitungsoptik, die im Falle einer beispielhaften Anwendung beim Schweißen in einer starken Temperaturschwankungen unterliegenden Schweißzelle anzuordnen ist. Beispielsweise können die Komponenten des OCT-Systems - mit Ausnahme des Messarms - in einem separaten, konstant temperierten Schaltschrank angeordnet werden, in dem zusätzlich beispielsweise eine Maschinensteuerung oder dergleichen vorgesehen ist. Ein solcher Schaltschrank kann beispielsweise eine Klimatisierung aufweisen. Diese Komponenten des OCT-Systems können daher frei von äußeren thermischen oder mechanischen Belastungen (Beschleunigungen, Verzögerungen, Erschütterungen) angeordnet werden, was deren Lebensdauer und Zuverlässigkeit erhöht. In der Folge kann es zu relativ großen Temperaturunterschieden zwischen Referenzarm und Messarm kommen, beispielsweise im Bereich des Referenzarms aufgrund von Temperaturschwankungen der Klimatisierung, aufgrund von Wärmeabstrahlung benachbarter Komponenten usw. Andererseits ist der Messarm nahe der Bearbeitungsoptik andersartigen bearbeitungsprozessbedingten Temperaturschwankungen ausgesetzt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch die gezielte Ansteuerung der Längenausgleichsvorrichtung eine Kompensation auch großer Temperaturunterschiede und daraus resultierender thermisch bedingter Längenunterschiede zwischen Messarm und Referenzarm. Diese Kompensation thermisch bedingter Längenunterschiede ist unabhängig von der Größe des Arbeitsbereichs des OCT-Sensors. Zusammengefasst schafft die vorliegende Erfindung eine einfache Lösung für das oben angesprochene Problem, die eine einfache und zuverlässige Kompensation auch von betragsmäßig großen Temperaturunterschieden an Messarm und Referenzarm und daraus resultierenden Längenänderungen bereitstellt.
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Eine Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Temperaturmesseinrichtung der Messarmfaser oder/und der Referenzarmfaser von einem Temperatursensor, insbesondere einem NTC (Negative Temperature Coefficient )-Sensor gebildet ist. Derartige Sensoren sind zuverlässig und kostengünstig verfügbar. Beispielsweise lässt sich ein solcher Temperatursensor im Bereich eines Referenzarms an einer Anordnung vorsehen, auf die ein längerer Abschnitt der Referenzarmfaser raumsparend aufgewickelt ist.
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Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Temperaturmesseinrichtung der Messarmfaser oder/und der Referenzarmfaser ein elektrisch leitendes Kabel aufweist, das zumindest abschnittsweise entlang der Messarmfaser oder/und der Referenzarmfaser geführt ist, wobei dem Kabel eine Widerstandsmesseinrichtung zugeordnet ist, wobei nach Maßgabe des ermittelten Widerstands die Temperatur der Messarmfaser bzw. der Referenzarmfaser ermittelt wird. Bekanntermaßen ändert sich der Widerstand eines Kabels mit dessen Temperatur, wobei derartige Widerstandsänderungen exakt messbar sind. Die Erfindung macht sich dabei zu Nutze, dass es sowohl einen linearen Zusammenhang gibt zwischen der Temperaturänderung des optischen Fasermaterials und der optischen Längenänderung (optische Weglänge) einerseits, sowie der Temperaturänderung eines elektrische leitenden Materials und dessen elektrischen Widerstands andererseits. Dieser Effekt lässt sich kostengünstig im Rahmen der Erfindung nutzen. Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante dieses Aspekts der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass das elektrisch leitende Kabel entlang des Messarms in einem Abschnitt zwischen einem Gehäuse des optischen Kohärenztomographen und einem Gehäuse der Bearbeitungsstrahloptik angeordnet ist. So lässt sich auch eine Mittelung der Temperatureinflüsse über die Länge der optischen Faser des Messarms vornehmen, insbesondere auch hinsichtlich des Abschnitts, der in der Laserschweißzelle verläuft.
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Ferner kann im Rahmen dieses Erfindungsaspekts gemäß einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass das elektrisch leitende Kabel von einem zwei-adrigen Kabel, vorzugsweise aus Kupfer, gebildet ist, dessen beide Adern an einem Ende, vorzugsweise an einer Steuerung des optischen Kohärenztomographen, mit einem Widerstandssensor und/oder einem EEPROM gekoppelt sind, und an ihrem entgegengesetzten Ende, vorzugsweise nahe der Bearbeitungsstrahloptik, kurzgeschlossen sind. Bei dieser Ausführungsvariante ergeben sich besonders exakte Temperaturmessungen bei gutem Ansprechverhalten. Das EEPROM dient beispielsweise dazu, spezifische Daten bezüglich des elektrischen Kabels sowie der Messarmfaser zu speichern, etwa die Seriennummer der Messarmfaser, der Längen-zu-Temperaturkoeffizient der Faser (mm/K), der Widerstandswert des Temperaturmeßkabels bei 20 °C, die Grundlänge der Messarmfaser etc., die bei einer Grundkalibrierung gespeichert werden. Das EEPROM ist über die elektrische Leitung fest mit der Messarmfaser verbunden, sodass ein einfacher Austausch der gesamten Einheit möglich ist. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Austausch keine nochmalige Grundkalibrierung mehr vorgenommen werden muss, da bereits alle Daten im EEPROM gespeichert sind.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass das elektrisch leitende Kabel und die diesem zugeordnete Messarmfaser oder/und die Referenzarmfaser jeweils gemeinsam in einem Schutzschlauch zusammengefasst sind. Dadurch lässt sich eine unmittelbare räumliche Zuordnung von zu überwachender optischer Faser von Messarm oder/und Referenzarm und dem zur Temperaturmessung verwendeten elektrisch leitenden Kabel über den Schutzschlauch erreichen. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Schutzschlauch von einem Metallwickelschlauch oder/und einem Schrumpfschlauch oder/und einer sonstigen Schutzschlauchanordnung gebildet ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Längenausgleichsvorrichtung die optisch wirksame Länge des Referenzarms nach Maßgabe einer temperaturbedingten Veränderung der Länge der Messarmfaser einstellt. Mit anderen Worten orientiert sich die Einstellung der optisch wirksamen Länge des Referenzarms - ggfs. neben anderen Einflussgrößen wie eine Veränderung des Bearbeitungspunktes am Werkstück - an der thermisch bedingten Längenänderung des Messarms. Selbstverständlich kann auch eine Temperaturveränderung des Referenzarms oder Teilen davon gemessen und bei der Einstellung der optischen Referenzarmlänge berücksichtigt werden.
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Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Längenausgleichsvorrichtung motorisch oder piezo-elektrisch antreibbar ist. Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, dass die Längenausgleichsvorrichtung wenigstens einen bewegbaren Spiegel oder/und ein bewegbares Prisma zum Verlängern oder Verkürzen des Strahlengangs des Referenzstrahls aufweist.
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Wie vorstehend bereits angedeutet ermöglicht die vorliegende Erfindung eine größere Flexibilität bei der Gestaltung von ein OCT-System nutzenden Bearbeitungsvorrichtungen. So ist es möglich, dass die Komponenten des optischen Kohärenztomographen mit Ausnahme eines zur Bearbeitungsstrahloptik führenden Abschnitts der Messarmfaser, vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse, in einem im wesentlichen temperaturstabilen Bereich, insbesondere außerhalb einer die Bearbeitungsstrahloptik aufweisenden Schweißzelle, angeordnet sind.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses zur Materialbearbeitung mittels eines optischen Messstrahls,
wobei ein Bearbeitungsstrahl über eine Bearbeitungsstrahloptik auf ein Werkstück projiziert und/oder fokussiert wird,
wobei die Vorrichtung einen optischen Kohärenztomographen umfasst mit:
- - einer Lichtquelle zum Erzeugen des Messstrahls,
- - einer Analyseeinrichtung zum Analysieren eines vom Werkstück reflektierten Teils des Messstrahls,
- - einer Messstrahloptik,
- - einem optischen Messarm, in dem der Messstrahl von der Lichtquelle ausgehend über die Messstrahloptik sowie die Bearbeitungsstrahloptik auf das Werkstück projiziert und/oder fokussiert, von diesem zumindest teilweise reflektiert und zur Auswertung zu der Analyseeinrichtung geführt wird, und
- - einem optischen Referenzarm, der zur Überwachung des Bearbeitungsstrahls mittels des optischen Messstrahls den Messarm zumindest in seiner optischen Weglänge nachbildet und von einem Referenzstrahl durchlaufen wird,
wobei der Referenzarm zumindest teilweise mit einer optischen Referenzarmfaser und der Messarm zumindest teilweise mit einer optischen Messarmfaser ausgebildet sind, in denen jeweils über eine Wegstrecke der Referenzstrahl bzw. der Messstrahl optisch geführt sind, und
wobei dem Referenzarm oder/und dem Messarm eine einstellbare Längenausgleichsvorrichtung zugeordnet ist, um die optisch wirksame Länge des Referenzarms oder/und des Messarms zu verändern.
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Bei dem erfindungsgemäße Verfahren kann vorgesehen sein, dass der Messarmfaser oder einem der Messarmfaser nahen Umgebungsbereich oder/und der Referenzarmfaser oder einem der Referenzarmfaser nahen Umgebungsbereich jeweils eine Temperaturmesseinrichtung zugeordnet sind, mit der die aktuelle Temperatur der Messarmfaser oder/und der Referenzarmfaser gemessen wird, wobei die Temperatur der Messarmfaser mit der Temperatur der Referenzarmfaser verglichen wird, und wobei nach Maßgabe eines ermittelten Temperaturunterschieds zwischen der Temperatur der Messarmfaser und der Temperatur der Referenzarmfaser die Längenausgleichsvorrichtung des Referenzarms oder des Messarms angesteuert wird, um die optisch wirksame Länge des Referenzarms der optisch wirksamen Länge des Messarms anzugleichen.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beiliegenden Figur erläutert. Diese stellt eine schematische Übersicht einer Bearbeitungsvorrichtung zum Schweißen eines Werkstücks dar, bei der mittels eines von dieser separat angeordneten optischen Kohärenztomographen, der mit der Bearbeitungsvorrichtung nur über den Messarm gekoppelt ist, der Schweißvorgang in der Vorrichtung überwacht werden kann.
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In der Figur ist eine Gesamtanordnung gezeigt, bei der die Erfindung Anwendung findet, und die allgemein mit 10 bezeichnet. Diese umfasst einen Bearbeitungskopf 12, der in einer Laserschweißzelle L angeordnet ist und einen optischen Kohärenztomographen 14, der in einem Schaltschrank S angeordnet ist.
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Der Bearbeitungskopf 12 enthält eine Bearbeitungsstrahloptik 16. Diese weist eine Schnittstelle auf, in die über eine optische Faser ein Laserstrahl 18, im Folgenden Bearbeitungsstrahl 18 genannt, zur Bearbeitung eines Werkstücks W von einer nicht gezeigten Laserstrahlquelle eingekoppelt wird. Der Bearbeitungsstrahl 18 trifft auf einen teildurchlässigen Spiegel 20. Der teildurchlässige Spiegel 20 reflektiert den Bearbeitungsstrahl 18 mit seiner Wellenlänge (1060nm), lässt hingegen einen später im Detail erläuterten Messstrahl 30 mit seiner hiervon abweichenden Wellenlänge (etwa 830nm) hindurch. Dem teildurchlässigen Spiegel 20 ist eine weitere Linse 22 nachgeordnet. Ausgehend von der Linse 22 verlässt der Bearbeitungsstrahl 18 den Bearbeitungskopf 12 und durchläuft eine Wegstrecke bis zum Auftreffen auf das Werkstück W, auf dessen Oberfläche er zur Bearbeitung am Punkt P fokussiert ist.
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Der Bearbeitungskopf 12 weist eine weitere Schnittstelle auf, über die der vorstehend bereits erwähnte Messstrahl 30 über eine Kollimationslinse 32 einkoppelbar ist. Der Messstrahl 30 geht von dem optischen Kohärenztomographen 14 aus, wie im Folgenden noch detaillierter beschrieben werden wird. Der Messstrahl 30 wird über den teildurchlässigen Spiegel 20 in den Bearbeitungsstrahl 18 eingekoppelt und durchläuft zusammen mit diesem die weitere Bearbeitungsstrahloptik des Bearbeitungskopfes 12, trifft auf den Punkt P und wird dort zumindest teilweise reflektiert.
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Im Folgenden wird der optische Kohärenztomograph (OCT) 14 näher beschrieben. Der optische Kohärenztomograph 14 umfasst eine Lichtquelle 34, beispielsweise in Form einer Superluminezenzdiode (SLD), die Licht im Bereich einer Wellenlänge von 830 nm aussendet. Über einen Lichtleiter 36 wird dieses Licht in ein Interferometer (Strahlteiler) 38 geleitet, über das das Licht im Beispielsfall zu etwa 50 % in einen optischen Leiter 40 (Messarm) geführt wird und zu etwa 50 % in einen optischen Leiter 42 (Referenzarm) geführt wird. Es sind auch andere Leistungsteilungen möglich, beispielsweise 80 % zu 20 %. Der optische Leiter 42 des Referenzarms ist verhältnismäßig lang ausgebildet und zur Einsparung von Bauraum auf einen Wickelkörper 44 aufgewickelt. Im Bereich des Wickelkörpers 44 ist ein Temperaturfühler 46 angeordnet, der über eine Steuerleitung 48 mit einer elektronischen Steuereinheit 50 verbunden ist und mit dem die aktuelle Temperatur des optischen Leiters 42 des Referenzarms ermittelt werden kann.
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Über den optischen Leiter 42, der auch als Referenzarmfaser bezeichnet werden kann, wird das Licht einer Längenausgleichsvorrichtung 52 zugeführt. Diese umfasst zwei Kollimationslinsen 54, 56 sowie einen Spiegel 58, der über einen Motor 60 gemäß dem Pfeil 62 verlagerbar ist. Der Motor 60 wird über die elektronische Steuereinheit 50 angesteuert.
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Ferner umfasst der optische Kohärenztomograph 14 ein Spektrometer 64, das mit einer Recheneinheit 66 signaltechnisch über eine Leitung 67 verbunden ist. Das Spektrometer 64 ist über einen optischen Leiter 68 mit dem Interferometer 38 verbunden.
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Der optische Leiter 40 bildet einen Teil des Messarms und wird als Messarmfaser bezeichnet. Dieser erstreckt sich ausgehend von dem Interferometer 38 zunächst im Schaltschrank S, verlässt diesen an der Schnittstelle 72 und verläuft über einen verhältnismäßig langen Abschnitt hin zu der Laserschweißzelle L. Die verhältnismäßig große Länge ist schematisch durch die Unterbrechung 74 angedeutet. Der optische Leiter 40 führt das Licht des Messstrahls 30. Erfindungsgemäß ist es möglich, dass eine mit der Schnittstelle 72 vergleichbare Schnittstelle 75 der Messarmfaser 40 nahe ihrem anderen Ende in der Nähe des Bearbeitungskopfs 12 an der Laserschweißzelle L vorgesehen ist.
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Ferner erkennt man, dass mit der Steuereinheit 50 eine elektrische Leitung 76 verbunden ist, beispielsweise eine zwei-adrige Kupferleitung. Diese erstreckt sich in dem Bereich, in dem die Messarmfaser 40 den Schaltschrank S verlässt, in unmittelbarer räumlicher Nähe parallel zu der Messarmfaser 40 bis hin zur Schweißzelle L, in diese hinein bis an die Stelle E, an der der Messstrahl in den Bearbeitungskopf 12 eingekoppelt wird. Wie schematisch angedeutet, sind die Messarmfaser 40 und die elektrische Leitung 76 über eine gemeinsame Ummantelung 78 miteinander verbunden. Die Ummantelung 78 ist beispielsweise von einem Schutzschlauch oder dergleichen gebildet. Dies hat zur Folge, dass die Messarmfaser 40 und die elektrische Leitung 76 zu einer Einheit zusammengefasst und thermisch miteinander gekoppelt sind.
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Die elektrische Leitung 76 ist über einen Sensor 79 und über ein EEPROM 80 an die Steuereinheit 50 angeschlossen. Der Sensor 79 erfasst den aktuellen elektrischen Widerstand der elektrischen Leitung 76. Das EPROM 80 dient dazu, spezifische Daten bezüglich des elektrischen Kabels 76 sowie der Messarmfaser 40 zu speichern, beispielsweise die Seriennummer der Messarmfaser 40, den Längen-zu-Temperaturkoeffizient der Faser (mm/K), den Widerstandswert des Temperaturmeßkabels 76 bei 20 °C, die Grundlänge der Messarmfaser 40 etc., die bei einer Grundkalibrierung gespeichert werden. Der Sensor 79 und EEPROM 80 sind also über die elektrische Leitung 76 und die Ummantelung 78 fest mit der Messarmfaser 40 verbunden, sodass ein einfacher Austausch der gesamten Einheit möglich ist. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Austausch keine Grundkalibrierung mehr vorgenommen werden muss, da bereits alle Daten einer Einheit aus Messarmfaser 40 und elektrischer Leitung 76 im EEPROM gespeichert sind. Der Sensor 79 und das EEPROM 80 können auch an der Schnittstelle 72 vorgesehen sein, sodass eine Einheit gebildet wird, die einen Austausch des von dem Schaltschrank S ausgehenden und zur Laserschweißzelle L verlaufenden Teils des Messarms durch Lösen der Schnittstelle 72 ermöglicht. Ferner muss die elektrische Leitung 76 nicht zwingend bis zur Stelle E verlaufen, sondern kann auch bereits vorher enden. Beispielsweise an der Schnittstelle 75.
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Als Kabelmaterial kann ein beliebiges elektrisch leitendes Material, zum Beispiel auch ein Nickel-200-Draht verwendet werden, der ein genormtes Widerstands-zu-Temperaturverhalten hat.
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Die Überwachung des Bearbeitungsstrahls 18 mittels des Messstrahls 30, insbesondere die Erfassung von exakten Positionsinformationen des aktuellen Auftreffpunktes P auf dem Werkstück W in allen drei Raumachsen X, Y, Z, erfolgt in bekannter Weise dadurch, dass der Messstrahl 30 zumindest anteilig an dem aktuellen Auftreffpunkt P reflektiert wird und durch die Bearbeitungsstrahloptik des Bearbeitungskopfes 12 sowie durch die OCT-Optik hindurch zurückgeworfen wird. Zur Erfassung eines dreidimensionalen Abbilds der Oberfläche im Bereich der Bearbeitungsstelle P kann auch ein Scanner im Messstrahl vorgesehen sein, der in der Darstellung nicht gezeigt ist. Der reflektierte Teil des Messstrahls 30 wird dann über den Lichtleiter 40, das Interferometer 38, den Lichtleiter 68 dem Spektrometer 64 zugeführt. Dabei wird der optische Weg des Messstrahls ausgehend von dem Interferometer 38 bis hin zum aktuellen Auftreffpunkt P auf dem Werkstück W als der Messarm bezeichnet. Dieser Messarm setzt sich also zusammen aus dem Lichtleiter 40, dem optischen Weg, den der Strahlengang des Messstrahls in der Bearbeitungsstrahloptik des Bearbeitungskopf des 12 zurücklegt, sowie dem weiteren optischen Weg, bis der Messstrahl 30 auf das Werkstück W trifft. Das Licht durchläuft den Messarm in beiden Richtungen, also zweifach.
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Zur Überwachung des Bearbeitungsstrahls 18 mittels des Messstrahls 30 ist es ferner erforderlich, im Beispielsfall den Anteil von etwa 50 % des von der Lichtquelle 34 ausgesandten Lichtes, der von dem Interferometer 38 in den Lichtleiter 40 geleitet wird, durch den Referenzarm zu leiten. Der Referenzarm muss zum Zwecke einer exakten Messung die optischen Weglänge des Messarms möglichst exakt nachbilden.
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Der Referenzarm umfasst den Lichtleiter 42, der ausgehend vom Interferometer 38 zu dem Wickelkörper 44 verläuft, dort aufgewickelt ist, und sich dann weiter zu der Längenausgleichsvorrichtung 52 erstreckt. Ferner umfasst der Referenzarm den nach Maßgabe der Stellung des Spiegels 58 variablen optischen Weg innerhalb der Längenausgleichsvorrichtung 52. Auch diese Komponenten werden vom eingekoppelten Licht ebenso wie im Falle des Messarms zweifach durchlaufen, d. h in beide Richtungen.
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Es hat sich nun gezeigt, dass in der Praxis oftmals unterschiedliche Temperaturverhältnisse am Messarm und am Referenzarm vorliegen, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass die Messarmfaser über einen relativ langen Abschnitt zum Bearbeitungskopf hin geführt wird und im Bereich am Bearbeitungskopf in der Laserschweißzelle in Betriebsphasen relativ hohe Temperaturen herrschen. Der Referenzarm befindet sich hingegen im Schaltschrank S, der über eine Klimatisierung 82 zusätzlich klimatisiert sein kann. Diese unterschiedlichen Temperaturverhältnisse, insbesondere betragsmäßig großen Temperaturschwankungen im Bereich des Messarms, führen zu unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen in der Messarmfaser 40 und in der Referenzarmfaser 42. Dadurch ändern sich aber die Längen der durchlaufenen optischen Wege, sodass das Messergebnis des optischen Kohärenztomographen 14 im Hinblick auf die Bearbeitungstiefe am Auftreffpunkt P ungenau oder sogar unbrauchbar werden kann. Um diesem Problem zu begegnen, wird in der Steuereinheit 50 einerseits die thermische Ausdehnung der Referenzarmfaser 42 anhand der über den Temperaturfühler 46 ermittelten Temperatur und andererseits die thermische Ausdehnung der Messarmfaser 40 anhand der über das elektrische Kabel 76 ermittelten Widerstandswerte dieses Kabels, und daraus rückschließend anhand der Temperatur an der Messarmfaser 40 bestimmt. Mit anderen Worten werden also Temperaturunterschiede zwischen der Temperatur der Referenzarmfaser 42 und der Messarmfaser 40 ermittelt. Daraus lässt sich auf unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen der Messarmfaser 40 und der Referenzarmfaser 42 schließen. Diese unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen werden dann durch gezieltes Ansteuern des Motors 60 und einer daraus resultierenden Verstellung der Lage des des Spiegels 58 derart ausgeglichen, dass die Längenausgleichsvorrichtung 52 die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der Referenzarmfaser 42 und der Messarmfaser 40 kompensiert, sodass die optische Länge des Referenzarms unter Berücksichtigung der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen exakt der optischen Länge des Messarms nachgebildet werden kann.
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Die Erfindung sieht also eine technisch einfache Möglichkeit zum Ausgleichen thermisch bedingter Längenunterschiede zwischen Messarm und Referenzarm vor.
