WO2013110467A1 - Laser machining head with focus control - Google Patents
Laser machining head with focus control Download PDFInfo
- Publication number
- WO2013110467A1 WO2013110467A1 PCT/EP2013/000228 EP2013000228W WO2013110467A1 WO 2013110467 A1 WO2013110467 A1 WO 2013110467A1 EP 2013000228 W EP2013000228 W EP 2013000228W WO 2013110467 A1 WO2013110467 A1 WO 2013110467A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- optics
- laser
- processing head
- camera
- laser processing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
- B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
- B23K1/005—Soldering by means of radiant energy
- B23K1/0056—Soldering by means of radiant energy soldering by means of beams, e.g. lasers, E.B.
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
- B23K26/046—Automatically focusing the laser beam
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/20—Bonding
- B23K26/21—Bonding by welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
- B23K26/38—Removing material by boring or cutting
Definitions
- the invention relates to a laser processing head, in particular for controlling and regulating the focal spot position and size in laser material processing, and for visualizing the processing surface, weld pool, process lamps and vapor capillary in laser processing processes.
- laser radiation is focused by means of a lens system or by means of a mirror system.
- a lens system itself heats up during material processing by means of laser light, which also changes the optical properties of the lens system used. This also leads to a change in the focal position of the beam path of the laser light. A change in this focus position relative to the position of the materials to be processed can lead to the desired processing result is not achieved.
- a laser processing head and a method for combining the focus position change in a laser processing head is known in which by means of a camera, a processing area of a workpiece is observed, wherein the observation beam path of the camera is coupled into the beam path of the working laser beam and through the focusing lens for the working laser beam takes place.
- the image of the processing area of the workpiece is blurred to the camera by an imaging optics.
- a heating of the collimator lens associated with a shift of the focal point of the collimator lens is compensated by means of a temperature sensor and a cognitive-technical system.
- Various monitoring systems are used for process monitoring in laser material processing processes. These are based in part on the detection of process emissions, ie in particular of electromagnetic radiation from the interaction zone between the laser beam and the workpiece by means of photodiodes, other photosensors or imaging sensors, in particular a camera.
- a camera is integrated for real-time or in-process monitoring usually in the optical system of a laser processing head, z. B. over a coated semi-transparent surface.
- the intensity of a wavelength is measured by means of a photodiode during a laser welding process with focus position variation relative to the workpiece.
- a function has been approximated that corresponds to the output of the photodiode, which was then used to compensate for the focus position. See G. Hui, O. Flemming Ove, "Automatic Optimization of Focal Point Position in C0 2 Laser Welding with Neural Networks in Focus Control System", year 1997.
- DE 199 254 13 describes a device for determining the focal position of a welding beam.
- DE 9403822 Ul describes a monitoring device for laser radiation in which the entire beam guidance device is monitored from the exit of the laser radiation from the laser up to and including the processing optics to undesired radiation losses.
- the monitoring device comprises a beam guiding device with an optical waveguide, a processing device focusing the laser radiation of the beam guiding device on the workpiece, a measuring device coupling out a laser light from an optically transparent component, an evaluation unit receiving a measuring signal of the measuring device, a reference encoder acting proportionally on the laser output, which acts on the evaluation unit, and a control unit connected to the evaluation unit and influencing the laser power as a function of reference value-related measured values.
- An optically transparent component of the processing optics is connected to detect the stray radiation to the measuring device and the control unit is able to switch off the laser radiation at a predetermined exceeding or falling below the respective reference value for the laser power.
- a device for controlling the focus position in laser beam welding is proposed for use in process monitoring in a control and / or regulating circuit, which comprises a position-sensitive diode, a system for optical imaging and optical filters.
- the position sensitive diode is connected to an amplifier and / or data processing unit.
- the determination of the focus position is carried out by detecting the center of gravity of the image of the filtered optical emission of the interaction zone on the position-sensitive diode.
- DE 10 2007 036 556 A1 describes a method for monitoring the focus position in laser beam machining processes.
- a high-frequency intensity modulation of a working laser beam for machining a workpiece whereby the process lights due to the laser beam processing, a modulation of the same frequency is impressed.
- the focal position of the processing laser beam can be determined on the basis of the amplitude Ratio and / or the phase shift or a combination thereof can be determined.
- the device comprises a controller with means for acquiring data and optics in which at least a part of the optical system is movably mounted in the axial direction and driven by a servomotor.
- the means for acquiring data includes an optical sensor which is suitable either for measuring the instantaneous intensity of the laser beam or for measuring the axial focus position.
- a laser processing head with integrated sensor device for focus position monitoring.
- a laser processing head has a focusing lens and a downstream protective glass to focus a processing beam incident on the focusing lens as a parallel beam into a resultant focal point of the focusing lens with a downstream protective glass in which a workpiece is disposed.
- the focusing lens is preceded in the parallel beam path by a beam splitter which is reflective for a first portion of a laser beam bundle coupled in the laser processing head, the processing beam, transmissive and for a second portion, a measuring beam.
- a mirror is arranged downstream of the beam splitter in such a way that it reflects the measuring beam at an angle to the optical axis of the focusing lens in order to image it in a focal point conjugate to the receiving surface of a sensor which is connected to an evaluation unit for focus position monitoring.
- JP 01 1 22 688 A an automatic focus adjustment device for lenses of a laser processing head is described in which the focusing lens is observed by means of an infrared sensor and the temperature measurement is measured in a lateral region and in a central region of the lens, thus calculating a focus shift ,
- the invention has for its object to provide a laser processing head through which a defined focus position can be maintained relative to a workpiece to be machined during a machining process in an effective manner and with little equipment.
- a laser processing head for processing a workpiece by means of a laser beam, with beam shaping optics for forming or collimating a working laser beam emerging from a fiber end of an optical fiber, the fiber end lying within a beam forming optical imaging area, focusing optics for focusing the working laser beam onto the workpiece surface or an image of a processing region of the workpiece on a first sensor area of the camera through a first observation beam via the focusing optics and the imaging optics, and an image of the beamforming optics imaging area on a defined relative to the workpiece surface position, and a camera with an adjustable in the beam path a second sensor area of the camera through a second observation beam path via the beam shaping optics and the imaging optics k takes place.
- a laser processing head in which on a sensor surface of a camera in a laser processing head, both the processing surface of a workpiece and the fiber end of an optical fiber are imaged, wherein the images of the workpiece surface and the Strahlformungsoptikab Strukturs Kunststoffs, in which the fiber end is located in different sensor areas different sensor range locations or by temporal variation of the illumination are temporally separable.
- the additional observation of the beam-shaping optical imaging region by the process observation camera has the advantage that, for example, a focal point shift of the beam-shaping optical system can be detected on the sensor surface due to a blurred image.
- the laser processing head has an evaluation unit which determines this focal shift by means of an adjustment path of the imaging optics in the direction of the optical axis, which is necessary for a displacement of the focal point sharpen the beamforming optics to recalculate the camera image of the beamforming optics imaging area.
- the evaluation unit may further be configured to again sharply adjust the camera image of the processing region of the workpiece by means of an adjustment path of the imaging optics in the direction of the optical axis necessary for refocusing the focal point of the focusing optics, a focus shift of the focusing optics in the wavelength range of the laser processing beam to calculate.
- the evaluation unit of the laser processing head both generated by heating lenses of the optical system focus shift of the beam shaping optics and a focus shift of the focusing optics can be detected, whereby a focus shift of the focus of the laser beam relative to the workpiece surface can be completely determined.
- a first beam splitter or a beam deflector is arranged in the beam path of the working laser beam between beam shaping optics and focusing optics in order to move the first observation beam path of the camera into the beam path of the working laser beam.
- a reflection device is arranged relative to the first beam splitter such that the second observation beam path travels from the imaging optical system through the first beam splitter Reflection at the reflection device and the first beam splitter is directed to the beam shaping optics.
- the laser processing head further comprises an actuator system which is adapted to adjust the position of the laser processing head relative to a processing surface of the workpiece or moving parts of the optical system the calculated focus shift of the focusing optics and / or the beam shaping optics is compensated for in order to focus the working laser beam again on the workpiece surface or on a position defined relative to the workpiece surface.
- the reflection device according to the invention may in this case be a semitransparent plane plate, it being particularly expedient if a light absorption element is arranged in the direction behind the semitransparent plane plate in order to image a larger part of the laser energy of the working laser beam in the case of imaging the working laser beam emerging from the fiber end onto the second sensor region absorb.
- the reflecting device is so tilted Imaging optics of the camera is provided that the images take place on the first and the second sensor area of the camera in different sensor areas of the camera and they are thus separable.
- the reflection device is provided tilted to the imaging optics of the camera, that the images on the first and the second sensor area of the camera in different sensor areas of the camera done and this thus separable are.
- the laser processing head is further equipped with a first illumination device whose light is coaxial with the first observation beam path via a second radiation element. It is coupled between the imaging optics and the first beam splitter to simultaneously illuminate the processing area of the workpiece and the beam-forming optical imaging area.
- a light-emitting device for imaging the emitted light of the light-emitting device onto the second sensor region of the camera may also be expediently arranged in the beam-shaping optical imaging region next to the fiber end.
- the laser processing head has an optical bandpass filter which is arranged in front of the camera in the observation beam path, the transmission wavelength of the optical bandpass filter being limited to the emission wavelength of the first and / or or second lighting device and / or the lighting device is tuned.
- the second lighting device or the lighting device is varied in its intensity relative to the illuminance of the workpiece in time to the images to separate the first and the second beam path to the camera.
- the laser processing head is particularly suitable to be used for laser welding or laser cutting.
- FIG. 2 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to the invention, which is used for laser cutting
- FIG. 3 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to one exemplary embodiment of the invention, which is used, for example, for laser welding,
- FIG. 4 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to a further exemplary embodiment of the invention, which is used for example for laser welding,
- FIG. 5 is a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to yet another embodiment of the invention, which is used for example for laser welding, and
- FIG. 6 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to the invention with an external illumination device.
- FIG. 1 shows a greatly simplified view of a laser processing apparatus or a laser processing head 10 according to an exemplary embodiment of the invention, as used with laser processing machines or systems.
- a working laser beam 14 coming from the laser processing machine is directed through a housing 16 of the laser processing head 10 onto the workpiece 12 and focused by means of focusing optics 18 onto the workpiece surface 20 or onto a position defined relative to the workpiece surface 20 12 within a processing area 22 of the workpiece 12 to edit.
- the machining of the workpiece 12 by the laser beam 14 can in this case be a laser cutting
- the laser processing head according to the invention can also be used for a laser welding method or a laser soldering method.
- the working laser beam 14 is supplied to the laser processing head 10 through an optical fiber 24, wherein the fiber end 26 of the optical fiber 24 is held in a fiber holder 28.
- the laser beam 14 emerging from the optical fiber 24 at the fiber end 26 of the optical fiber 24 within a beam forming optical imaging region 30 is formed by beam shaping optics 32, passes through a first beam splitter 34 and then impinges on the focusing optics 18 to focus on the workpiece 12.
- beam shaping optics 32 optical lenses or a set of optical lenses are used in each case.
- the beam shaping optics 32 should generally be understood as optics suitable for forming the working laser beam 14 emerging from the fiber end 26 of the optical fiber 24, ie the working laser beam 14 may continue to divergent or converge after passing through the beam shaping optics 32 and thus also to the last optics of the laser processing head 10, so the focusing optics 18 meet.
- a retrofocus optics or a telephoto optics can be used.
- the beam shaping optics 32 as collimator optics 32 through which the working laser beam 14 emerging from the fiber end 26 of the optical fiber 24 is collimated in order to be guided as a parallel beam bundle to the focusing optics 18 located downstream in the beam direction, since the beam displacement Focusing lens 18 or focusing lens, the focus position of the working laser beam 14 relative to the workpiece to be machined 12 can be changed without too much deteriorate the image quality of the decoupled working laser beam 14 and without reducing the beam diameter on the focusing lens 18.
- collimator optics 32 simplifies the method for determining the focus position shift. tions of the focusing lens 18 and the collimator optics 32, since the corresponding focus position displacements of the focusing optics 18 and the collimator optics 32 can be determined and compensated independently of each other.
- the focusing optics 18 and the collimator optics 32 can moreover be composed of a plurality of lenses and also constructed as retrofocus optics or telephoto optics.
- beam shaping optics 32 used below is therefore to be understood as a collimator optics 32 for collimating the working laser beam 14.
- the general term of the beam-forming optical imaging region 30 used in the following is intended to be understood as a collimator optical imaging region 30.
- the first beam splitter 34 is arranged in the beam path 15 of the working laser beam 14 between beam shaping optics 32 and focusing optics 18 such that a first observation beam path 36 of a camera 38 is coupled with an imaging optics 40 arranged in front of it in the beam path into the beam path 15 of the working laser beam 14.
- the processing region 22 of the workpiece 12 is imaged onto a first sensor region 42 of the camera 38 through the first observation beam path 36 via the imaging optics 40 and the focusing optics 18, the first observation beam path 36 coming from the imaging optics 40 through the first beam splitter 34 onto the focusing optics 18 is deflected.
- the workpiece surface 20 of the workpiece 12 can be illuminated by means of a lighting device (not shown in FIG. 1) with light of the wavelength ⁇ in contrast to the wavelength of the working laser beam 14.
- the light coming from the illumination device to coaxially couple into the beam path 15 of the working laser beam 14, as will be explained in more detail in the further embodiments.
- a further image of the beam shaping optical image region 30 is applied to a second sensor region 44 of the camera 38 through a second observation beam path 46 via the imaging optics 40 and the beam shaping optics 32.
- a reflection device 48 is for this purpose arranged relative to the first beam splitter 34, that the second observation beam path 46 from the imaging optical system 40 first passes through the first beam splitter 34, then reflected by the reflection device 48 in the direction of the first beam splitter 34 back to then from the first beam splitter 34 in the direction of Beam shaping optics 32 to be deflected.
- an imaging of the beam-shaping optical imaging region 30 onto the second sensor surface 44 of the camera 38 takes place by collimation of the collimator lens 32 or shaping by the beam-shaping optical system 32, reflection at the first beam splitter 34, reflection at the reflection device 48 and focusing the imaging optics 40.
- this solution is very expensive, space consuming and expensive.
- the imaging optics 40 may be only one lens in this case, but it is also possible to use an optical lens set.
- a mirror system is also possible, for. An off-axis paraboloid. Although this creates aberrations, but these could be compensated by software in image processing.
- the reflection device 48, a semi-transparent plane plate 50 and a beam incident direction behind the semi-transparent plane plate The semi-transparent planar plate 50 transmits a majority of the laser power of the working laser beam 14 received by the light absorption element 52.
- the light absorption element 52 is ideally designed as a beam trap, which reflects or emits substantially no light.
- the light-absorbing element 52 is cooled to dissipate the heat-converted light output accordingly.
- the transmittance of the semitransparent plane plate 50 is matched to the transmittance of the first beam splitter 34 that the product of the transmissivity of the first beam splitter 34 and the semi-transparent plane plate 50 so weakens the working laser beam 14 that the sensor portion of the camera 38 is not destroyed and simultaneously sufficiently high light output on the sensor surface of the camera 38 impinges to be able to image the emerging from the optical fiber 24 within the Strahlformungsoptikabbil- training area 30 working laser beam 14.
- the transmissivity of the first beam splitter 34 is for the working laser beam 14 between 95 percent and 99.99 percent, preferably between 99 percent and 99.5 percent and in particular 99 percent.
- the transmissivity of the plane-parallel plate 50 is between 95 percent and 99.99 percent, preferably between 98 percent and 99.5 percent and most preferably 99 percent.
- the semitransparent plane plate 50 may be inclined or tilted with regard to the optical axis of the second observation beam path 46 and to the sensor surface of the first and second sensor regions 42, 44, so that the image of the beam shaping optical imaging region 30, in particular the image of the working laser beam 14 emerging from the fiber end 26, on the second sensor area 44 of the camera 38 and the image of the processing area 22 of the workpiece surface 20 of the workpiece 12, in particular a laser cutting area or a molten pool of a welding area, into separate areas with different position within the sensor surface of the camera 38.
- the beam-shaping optical imaging region 30 is directed into the second sensor region 44 designed as an edge region in order not to disturb the observation of the machining region 22 of the workpiece 12 in the first sensor region 42.
- the images of the beam shaping optics imaging area 30 and the processing area 22 are easily separated, thereby facilitating further image processing of the images on the sensor areas 42, 44.
- the beamforming optics imaging region 30 is the region that results in a sharp image of the working laser beam emerging from the fiber end 26 of the optical fiber 24
- the beamforming optics imaging portion 30 is an imaging plane containing the fiber end 26 of the optical fiber 24, and typically perpendicular to the optical axis of the beam path
- the beam-forming optical imaging region 30 can therefore, for example, have an upper inner wall of the housing. be 16 of the laser processing head 10. Since, in the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the working laser beam 14 itself is imaged onto the second sensor surface 44, wavelength-dependent effects such as chromatic aberration need not be taken into account here.
- the laser processing head 10 has an actuator system by means of which the position of the laser processing head 10 relative to the processing surface 22 of the workpiece 12 or moving parts of the optical system 18, 32 can be adjusted so that a focus shift of the working laser beam 14 relative to the workpiece surface 20 is compensated or compensated can be.
- a focal point shift ⁇ of the focusing optical system 18 at the wavelength of the working laser beam 14 X L and a focal point shift ⁇ Zf 2 is decisive for a focus shift of the working laser beam 14 relative to the workpiece surface 20 beam shaping optics 32 at the wavelength X L of the working laser beam 14.
- a second actuator 56 for the linear displacement of the focusing optics 18 in the direction of the beam path 15 of the working laser beam 14 by an adjustment ⁇ 2 and a third actuator 58 for linear displacement of the beam shaping optics 32 along the beam path 15 of the working laser beam 14 by an adjustment ⁇ 3 be provided.
- a fourth actuator 60 is furthermore provided in order to surround the imaging optical system 40 along the observation beam path 36, 46 Correction adjustment path Adu linear shift.
- a focus position compensation of the focus position of the working laser beam 14 relative to the workpiece surface 20 can be performed with heating of the beam shaping optics 32 and / or the focusing optics 18, as will be described below.
- the laser processing head 10 according to the invention or the laser processing apparatus 10 according to the invention with a laser processing head has an evaluation unit 62 which processes image data from the camera 38, drives the fourth actuator 60 of the imaging optics 40 and reads out its actuating position to control the first, second or third Actuators 54, 56, 58 to be able to perform a focus position compensation.
- the evaluation unit 62 is designed, on the one hand, to set the camera image of the beam shaping optical imaging area 30 again sharply by means of an adjustment path ⁇ dki of the imaging optics 40 in the direction of the optical axis, which is necessary for sharply adjusting the camera image of the beam shaping optical imaging area 30, the focus shift ⁇ Zf2 of the beam shaping optics 32 in the wavelength range ⁇ ⁇ _ of the working laser beam 14 to calculate.
- the evaluation unit 62 is configured to adjust the camera image of the processing region 22 of the workpiece 12 again by means of a displacement path ⁇ d k i of the imaging optics 40 in the direction of the optical axis, which is necessary for a displacement ⁇ of the focus of the focusing optics 18 Focus shift ⁇ the focusing optics 18 in the wavelength range ⁇ to calculate the working laser beam 14.
- the optical system of the laser processing head 10 is initially adjusted in an initial state such that the laser beam 14 is optimally collimated by the beam shaping optics 32 and runs in the direction of the focusing optics 18 as a parallel beam.
- This initial state can be set by moving the imaging optics 40 into a predetermined position, in which the collimated laser beam 14 is sharply imaged onto the second sensor surface 44 of the camera 38.
- the focusing lens 18 is also driven by the second actuator 56 to a predetermined position, in which the focal point of the focusing lens 18 has a predetermined distance from the bottom of the laser processing head 10.
- the imaging optics 40 is set after the collimation of the working laser beam 14 so that a sharp image of the workpiece surface 20 of the workpiece to be machined 12 takes place at the illumination wavelength ⁇ .
- the focusing optics 18 and the beam shaping optics 32 are heated, combined with a refractive power which has changed due to the heating of the lenses of the focusing optics 18 and the beam shaping optics 32 associated focus shift ⁇ the focusing optics 18 and ⁇ Zf2 the beam-forming optical system 32.
- ⁇ the focusing optics 18 and ⁇ Zf2 the beam-forming optical system 32.
- the camera image of the workpiece surface 20 picked up by the first sensor region 42 of the camera 38 is blurred.
- the optical system in particular by passing through the imaging optics 40 by a correction displacement Aki by means of the fourth actuator 60, the camera image of the workpiece surface 20 is again focused by control of the evaluation unit 62 and stores the required correction displacement Aki.
- imaging ratio of imaging optics 40 and focusing optics 18 By incorporating the imaging ratio of imaging optics 40 and focusing optics 18 and by including the focusing differences due to the different wavelengths of the observation system ⁇ and the processing laser wavelength XL used due to the chromatic aberration or other wavelength-dependent effects can by sharpening the camera image of the workpiece surface 20 and determining the Korrekturverstellwegs ⁇ dki the focus shift ⁇ Zfi the focusing optics 18 in the wavelength range ⁇ ! ⁇ ⁇ 8 working laser beam 14 are determined.
- the imaging optical system 40 After detecting the focus shift ⁇ of the focusing optical system 18, the imaging optical system 40 is set to the preset position of the above-described initial state for collimating the working laser beam 14, and then sharply imaging the working laser beam 14 and the beam forming optical imaging section 30 by adjusting the imaging optical system 40 by a correction displacement value ⁇ dki the second sensor region 42 to produce. Since, in the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the working laser beam 14 is imaged directly onto the second sensor surface 42, In this case, no wavelength effects due to chromatic aberration are taken into account.
- the invention includes all common methods for focusing and image definition, some important should be explicitly mentioned:
- a high variance or wide histogram means good contrast.
- Sum Modulus Difference measure based on image gradients
- Laplace operator or Laplace focus function represents the second statistical moment, the Fourier spectra and is associated with high frequencies. Through operator identity and formula expansion, this can be transformed into the time domain. The individual components contained in it must be determined by approximations of the second derivative, whereby we
- Focus Point or Object Tracking Focusing Feature points are pixels with a prominent environment so that they can be rediscovered in a different image of the same image sequence. As a result, movement tendencies can be detected in image sequences and the focus can thus work in the right direction.
- object recognition algorithms in known image sequences and thus to enable optimum focus adjustment of the target object.
- Many methods can be used for this purpose, but it is the Harris corner detector, the division of the image into specific sub-sizes, image gradient and threshold calculation, sum of square difference, fuzzy logic for autofocus, support vector classification, main components analysis and so on. be used.
- a sharply imaged reference image is taken from the processing region 22 or the beamforming optical imaging region 26 to reference the image sharpness compared to a later captured camera image when the respective focus positions of the focusing optics 18 or the beamforming optics 32 have served to serve. This can be created during or before a machining process.
- FIG. 2 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head 10 which is used for laser cutting a workpiece 12.
- the laser processing head 10 shown in Figure 2 corresponds to the embodiment shown in Figure 1, wherein only one nozzle 64 is provided for blowing out the molten workpiece material. Since the luminous intensity of the process light coming from the workpiece 12 is relatively small compared to a laser welding process, the embodiment of the laser processing head 10 shown in FIG. 1, in which no filter devices have to be provided for the camera 38, is particularly well suited.
- FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a laser processing head 10 according to the present invention schematically and greatly simplified. The laser processing head 10 from FIG. 3 differs from the laser processing head 10 shown in FIG.
- a pattern element 66 is provided in the beam shaping optical imaging region 30, which is imaged onto the second sensor region 44 of the camera 38, by a focal point displacement ⁇ of the beam shaping optics 32 by adjusting the imaging optics 40 to determine a Korrekturverstellwert ⁇ d k i can.
- the pattern member 66 may be a structure embossed in the inner wall of the housing 16 in the vicinity of the fiber holder 28, but it is also possible to print a structure either on the inner wall or to provide a sticker including the pattern member 66.
- the illumination of the pattern element 66 is effected by a first illumination device 68 whose light is first collimated or shaped by means of optics 70 and then coaxially coupled into the first observation beam path 36 via a second beam splitter 72 between the imaging optics 40 and the first beam splitter 34 in order to simultaneously Processing area 22 of the workpiece 12 and the Strahlformungsoptikabbil- training area 30, in which the pattern element 66 is arranged to illuminate.
- care must be taken that it is arranged in the beam-forming optical imaging region 30 or at a defined distance in the direction of the optical axis to the fiber end 26 of the optical fiber 24 from which the working laser beam 14 exits.
- the chromatic aberration is, however, in a particularly preferred manner according to the invention by a corresponding offset or displacement of the pattern member 66 in the direction of the beam path 15 of the working laser beam 14 to the position of the fiber end 26 of the optical fiber 24, from which the working laser beam 14 exits, compensated or compensated.
- the pattern element 66 is arranged so that at a sharp imaging of the pattern element 66 on the second sensor surface 44 at the illumination wavelength ⁇ simultaneously complete collimation of emerging from the fiber end 26 working laser beam 14 by the beam shaping optical system 32 at the wavelength X L of the working laser beam 14 ,
- the reflection device 48 is preferably a plane-parallel plate with a high reflection rate, the highest possible light intensity of the illumination by the first illumination device 68 on the pattern element 66 and a subsequent high-light image of the pattern element 66 on the second Sensor surface 44 of the camera 38 to reach.
- an optical bandpass filter 74 is further provided, which is tuned to the illumination wavelength ⁇ of the first illumination device 68 in order to block out interfering radiation from the region of the workpiece 12.
- FIG. 4 greatly simplifies and diagrammatically illustrates another exemplary embodiment of a laser processing head 10, wherein the laser processing head 10 of FIG. 4 differs from the laser processing head 10 shown in FIG. 3 in that a second illumination device 76 is provided in addition to the first illumination device 68 the pattern element 66 evenly illuminates.
- This second illumination device 76 can be provided if illumination of the pattern element 66 by the first illumination device 68 has insufficient intensity. can be done.
- the illumination by means of the second illumination device 76 preferably takes place in the same wavelength range ⁇ as that of the first illumination device 68 and is also tuned to the transmission wavelength of the optical bandpass filter 74.
- FIG. 5 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head 10 according to yet another exemplary embodiment of the invention.
- the laser processing head 10 shown in FIG. 5 differs from the laser processing head 10 shown in FIG. 4 in that, instead of the pattern element 66 and the second illumination device 76, a lighting device 78 is arranged in the beam shaping optical imaging region 30 next to the fiber end 26, the emitted light of the lighting device 78 the second sensor region 44 of the camera 38 is imaged in order to be able to determine a focus shift AZQ of the beam shaping optical system 32 by adjusting the imaging optical system 40 by a correction displacement path Adki.
- the lighting device 78 may be offset in the direction of the optical axis of the beam shaping optics 32 to the fiber end 26, so that a chromatic aberration with respect to the emission light wavelength ⁇ of the lighting device 78 and the wavelength X L of the working laser beam 14 is compensated by the beam shaping optics 32 in that the working laser beam 14 is collimated by the beam shaping optical system 32 when a sharp imaging at the observation wavelength ⁇ ⁇ of the light emitted by the lighting device 78 takes place on the second sensor surface 44.
- FIG. 6 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head 10 in which the first illumination device 68 is attached to an outer side of the housing 16.
- the embodiments of the laser processing head 10 shown in Figures 1 to 5 are freely combinable with respect to the components shown, so the embodiments shown in Figures 1 to 6 show only particularly advantageous embodiments and are not designed to limit the invention - the.
- the embodiment shown in Figure 2 shows a laser cutting head 10
- this laser processing head 10 can also be used for laser welding.
- the embodiments of the laser processing heads 10 shown in FIGS. 3 to 6 are suitable for use in a laser cutting process.
- the first illumination device 68 may be used in the laser processing head 10 shown in FIG. 2 to illuminate the workpiece surface.
- the first illumination device 68 shown in FIG. 6 can likewise be used to illuminate the workpiece in the case of the laser processing head 10 shown in FIGS. 1 and 2.
- a laser light source which may be a semiconductor laser diode.
- AlGalnP laser diodes with multi-quantum-well structures can be used, which have a radiation maximum in a wavelength range between 635nm and 670nm.
- a laser diode with a radiation wavelength of 658 nm and a radiation power of 60 milliwatts can be used.
- a semiconductor light emitting diode or an LED can be used, which is provided with an optical resonator, whereby the spontaneous emission of the light emitting diode is amplified by the optical resonator.
- RC-LEDs resonant cavity light emitting diodes
- RC-LEDs have, in contrast to normal semiconductor light-emitting diodes, a strongly narrowed emission spectrum with a half width or FWHM (filling width of half maximum) of about 5 to 1 onm.
- the emission characteristic of the second illumination device 76 or the illumination device 78 is matched to the emission characteristic of the first illumination device 68.
- the coherence of the laser light can be resolved or by rapid temporal variation of the speckle interferences. be reduced within the integration time of the eye, the speckle contrast.
- the laser light of the first illumination device 68 may be passed through a rotating diffuser (not shown).
- a diffuser for example, a glass plate with a rough surface is suitable.
- the preferred emission wavelength of the light of the first illumination device 68 is in a wavelength range between 630 nm and 670 nm, with an intensity maximum at 640 nm, for example, being expedient.
- the radiation emerging from the fiber end can also be viewed directly, this can be in addition to the laser radiation and the radiation of the pump wavelength.
- the bandpass filter 74 arranged in front of the camera 38 which is, for example, a CMOS or CCD camera, has a wavelength transmission range which points to the at least local emission maxima of the light of the first illumination device 68 and / or the light of the second illumination device 76 and / or the light of the lighting device 78 is adjusted.
- the half width or FWHM (fill width at half maximum) of the wavelength passage range of the filter 74 is to be selected such that the maxima of the first and second illumination devices 68, 76 and / or the illumination device 78 are within the passband of the optical bandpass filter.
- the half-width is preferably less than 100 nm, particularly preferably less than 50 nm and in particular less than 20 nm.
- the optical bandpass filter 78 is preferably a Fabry-Perot filter or a Fabry-Perot etalon, this type of filter transmitting electromagnetic waves of a certain frequency range and extinguishing the remaining frequency components by interference.
- this region is as narrow as possible in order to produce the least possible disruption of the camera image by process lights during operation of the laser processing head 10, which by machining the workpiece 12 by means of the working laser beam 14th produced by melting the workpiece material.
- the camera 38 can use an HDR method to increase the dynamics of the recorded camera images.
- the emitted light of the second illumination device 76 or the lighting device 78 is varied in its intensity relative to the illuminance, for example by the first illumination device 68 of the workpiece 12 in time to lock images by means of a lock-in process - Mung optics imaging area 30 and the workpiece surface 20 to the sensor area 42, 44 of the camera 38 to be able to separate.
- the images of the workpiece surface 20 and the beam-forming optical imaging region 30 can be made to the same local sensor region because the images can be separated due to the temporal variance.
- contemporary laser processing head 10 so a laser welding head or laser cutting head or a laser processing head is provided for further processing options of a workpiece by means of a laser in which in a simple manner by using only a process observation sensor such as a camera simultaneously determined a focus shift of the focusing optics and the beam shaping optics and by a Actuator system, a focus shift of the working laser beam relative to the workpiece surface can be compensated.
- a process observation sensor such as a camera simultaneously determined a focus shift of the focusing optics and the beam shaping optics and by a Actuator system
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Description
LASERBEARBEITUNGSKOPF MIT FOKUSSTEUERUNG LASER PROCESSING HEAD WITH FOCUS CONTROL
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere zur Kontrolle und Regelung der Brennfleckposition und -große bei der Lasermaterialverarbeitung sowie zur Visualisierung von Bearbeitungsoberfläche, Schweißbad, Prozessleuchten und Dampfkapillare in Laserbearbeitungsprozessen. The invention relates to a laser processing head, in particular for controlling and regulating the focal spot position and size in laser material processing, and for visualizing the processing surface, weld pool, process lamps and vapor capillary in laser processing processes.
Bei der Bearbeitung von Materialien mit einem Laserbearbeitungskopf wird Laserstrahlung mittels eines Linsensystems oder mittels eines Spiegelsystems fokussiert. Ein Linsensystem selbst erwärmt sich allerdings während der Materialbearbeitung mittels Laserlicht, wodurch sich auch die optischen Eigenschaften des verwendeten Linsensystems verändern. Dadurch kommt es auch zu einer Veränderung der Fokuslage des Strahlenverlaufs des Laserlichts. Eine Veränderung dieser Fokuslage relativ zur Position der zu bearbeitenden Materialien kann dazu führen, dass das gewünschte Bearbeitungsergebnis nicht erreicht wird. When machining materials with a laser processing head, laser radiation is focused by means of a lens system or by means of a mirror system. However, a lens system itself heats up during material processing by means of laser light, which also changes the optical properties of the lens system used. This also leads to a change in the focal position of the beam path of the laser light. A change in this focus position relative to the position of the materials to be processed can lead to the desired processing result is not achieved.
Aus der WO 2011/009594 ist ein Laserbearbeitungskopf und ein Verfahren zur Kombination der Fokuslagenänderung bei einem Laserbearbeitungskopf bekannt, bei welchem mittels einer Kamera ein Bearbeitungsbereich eines Werkstücks beobachtet wird, wobei der Beobachtungsstrahlengang der Kamera in den Strahlengang des Arbeitslaserstrahls eingekoppelt wird und durch die Fokussierlinse für den Arbeitslaserstrahl erfolgt. Somit wird bei einer Brennpunktverschiebung der Fokussierlinse aufgrund einer Erwärmung durch den Arbeitslaserstrahl die Abbildung des Bearbeitungsbereichs des Werkstücks auf die Kamera durch eine Abbildungsoptik unscharf. Durch Verstellen der Abbildungsoptik und entsprechende Einbeziehung der Wellenlängenunterschiede der Beobachtungswellenlänge und der Wellenlänge des Arbeitslaserstrahls kann ein Korrekturverstellweg errechnet werden, um den Fokus des Arbeitslaserstrahls wieder auf die Werkstückoberfläche oder eine dazu definierte Lage zu bringen. Der Einfluss einer Erwärmung der Kollimatorlinse verbunden mit einer Verschiebung des Brennpunkts der Kollimatorlinse wird mittels eines Temperaturfühlers und einem kognitiv-technischen System kompensiert. Zur Prozessüberwachung bei Lasermaterialbearbeitungsprozessen werden diverse Überwachungssysteme eingesetzt. Diese basieren zum Teil auf der Detektion von Prozessemissionen, also insbesondere von elektromagnetischer Strahlung aus der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück mittels Photodioden, anderen Photosensoren oder bildgebender Sensorik, insbesondere einer Kamera. Eine Kamera wird zur Echtzeit- oder In-Prozessüberwachung in der Regel in das optische System eines Laserbearbeitungskopfes integriert, z. B. über eine beschichtete halbtransparente Oberfläche. From WO 2011/009594 a laser processing head and a method for combining the focus position change in a laser processing head is known in which by means of a camera, a processing area of a workpiece is observed, wherein the observation beam path of the camera is coupled into the beam path of the working laser beam and through the focusing lens for the working laser beam takes place. Thus, with a focus shift of the focusing lens due to heating by the working laser beam, the image of the processing area of the workpiece is blurred to the camera by an imaging optics. By adjusting the imaging optics and corresponding inclusion of the wavelength differences of the observation wavelength and the wavelength of the working laser beam, a Korrekturverstellweg can be calculated to bring the focus of the working laser beam back to the workpiece surface or a defined position. The influence of a heating of the collimator lens associated with a shift of the focal point of the collimator lens is compensated by means of a temperature sensor and a cognitive-technical system. Various monitoring systems are used for process monitoring in laser material processing processes. These are based in part on the detection of process emissions, ie in particular of electromagnetic radiation from the interaction zone between the laser beam and the workpiece by means of photodiodes, other photosensors or imaging sensors, in particular a camera. A camera is integrated for real-time or in-process monitoring usually in the optical system of a laser processing head, z. B. over a coated semi-transparent surface.
Ansätze zur Feststellung der Fokuslagenänderung relativ zum Werkstück mittels Intensitäten einzelner Photodioden wurden bereits in der Wissenschaft diskutiert. Approaches for determining the focus position change relative to the workpiece by means of intensities of individual photodiodes have already been discussed in science.
So ist ein Verfahren bekannt, welches zwei optische Sensoren für unterschiedliche Wellenlängen in die Glasfaser des zugeführten Laserlichtes einbringt. Dabei wird versucht, einen Rückschluss auf die Fokuslagenänderung auf der Basis der relativen Änderung der Intensitäten der beiden optischen Sensoren zueinander zu ziehen, um dann die Fokuslagenänderung auszugleichen. Vgl. F. Haran, D. Hand, C. Peters und J. Jones,„Real-time focus con- trol in laser welding", Meas. Sei. Technol., Jahr: 1996, Seiten: 1095-1098. Thus, a method is known which introduces two optical sensors for different wavelengths in the glass fiber of the supplied laser light. It is attempted to draw a conclusion on the focus position change based on the relative change in the intensities of the two optical sensors to each other, and then compensate for the focus position change. See F. Haran, D. Hand, C. Peters and J. Jones, "Real-time focus control in laser welding", Meas. Sei. Technol., Year: 1996, pages: 1095-1098.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird mittels einer Photodiode die Intensität einer Wellenlänge während eines Laserschweißprozesses mit Fokuslagenvariation relativ zum Werkstück gemessen. Mit neuronalen Netzen wurde eine Funktion angenähert, die der Ausgabe der Photodiode entspricht und die anschließend zur ausgleichenden Steuerung der Fokuslage verwendet wurde. Vgl. G. Hui, O. Flemming Ove,„Automatic Optimization of Focal Point Position in C02 Laser Welding with Neural Networks in Focus Control System", Jahr 1997. In another known method, the intensity of a wavelength is measured by means of a photodiode during a laser welding process with focus position variation relative to the workpiece. With neural networks, a function has been approximated that corresponds to the output of the photodiode, which was then used to compensate for the focus position. See G. Hui, O. Flemming Ove, "Automatic Optimization of Focal Point Position in C0 2 Laser Welding with Neural Networks in Focus Control System", year 1997.
Aus der DE 195 163 76 ist bekannt, dass durch das Aufprägen einer Brennfleckoszillation die Fokus-Optimallage aus der umgerechneten Amplitude- und Phasenbeziehung einer Photodiodenintensität errechnet wird. From DE 195 163 76 it is known that by impressing a focal spot oscillation, the focus optimum position is calculated from the converted amplitude and phase relationship of a photodiode intensity.
Die DE 199 254 13 beschreibt eine Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißstrahls. Die DE 9403822 Ul beschreibt eine Überwachungsvorrichtung für Laserstrahlung bei welcher die gesamte Strahlführungseinrichtung vom Austritt der Laserstrahlung aus dem Laser bis einschließlich der Bearbeitungsoptik auf unerwünschte Strahlungsverluste überwacht wird. Die Uberwachungsvorrichtung umfasst eine Strahlführungseinrichtung mit einem Lichtwellenleiter, eine die Laserstrahlung der Strahlführungseinrichtung auf das Werkstück fokussierende Bearbeitungsoptik, ein Laserlicht aus einem optisch transparenten Bauteil auskoppelnde Messeinrichtung, eine ein Messsignal der Messeinrichtung aufnehmende Auswerteeinheit, einen der Laserausgangsleistung proportional wirkenden Referenzgeber, der die Auswerteeinheit beaufschlagt, und eine an die Auswerteeinheit angeschlossene, die Laserleistung in Abhängigkeit von referenzwertbezogenen Messwerten beeinflussende Steuereinheit. Ein optisch transparentes Bauteil der Bearbeitungsoptik ist zur Erfassung der Streustrahlung an die Messeinrichtung angeschlossen und die Steuereinheit vermag die Laserstrahlung bei einem vorbestimmten Uberschreiten oder Unterschreiten des jeweiligen Referenzwerts für die Laserleistung abzuschalten. DE 199 254 13 describes a device for determining the focal position of a welding beam. DE 9403822 Ul describes a monitoring device for laser radiation in which the entire beam guidance device is monitored from the exit of the laser radiation from the laser up to and including the processing optics to undesired radiation losses. The monitoring device comprises a beam guiding device with an optical waveguide, a processing device focusing the laser radiation of the beam guiding device on the workpiece, a measuring device coupling out a laser light from an optically transparent component, an evaluation unit receiving a measuring signal of the measuring device, a reference encoder acting proportionally on the laser output, which acts on the evaluation unit, and a control unit connected to the evaluation unit and influencing the laser power as a function of reference value-related measured values. An optically transparent component of the processing optics is connected to detect the stray radiation to the measuring device and the control unit is able to switch off the laser radiation at a predetermined exceeding or falling below the respective reference value for the laser power.
Die DE 19927803 AI beschreibt eine Vorrichtung zur Kontrolle der Fokuslage beim Laserstrahlschweißen. Hierbei wird eine Vorrichtung zur Kontrolle der Fokuslage beim Laserstrahlschweißen zum Einsatz zur Prozessbeobachtung in einem Stell- und/oder Regelkreis vorgeschlagen, die eine positionssensitive Diode, ein System zur optischen Abbildung und optische Filter umfasst. Die positionssensitive Diode ist an eine Verstärkerund/oder datenverarbeitende Einheit angeschlossen. Die Bestimmung der Fokuslage erfolgt durch Detektion des Schwerpunkts der Abbildung der gefilterten optischen Emission der Wechselwirkungszone auf der positionssensitiven Diode. DE 19927803 AI describes a device for controlling the focus position during laser beam welding. In this case, a device for controlling the focus position in laser beam welding is proposed for use in process monitoring in a control and / or regulating circuit, which comprises a position-sensitive diode, a system for optical imaging and optical filters. The position sensitive diode is connected to an amplifier and / or data processing unit. The determination of the focus position is carried out by detecting the center of gravity of the image of the filtered optical emission of the interaction zone on the position-sensitive diode.
Die DE 10 2007 036 556 AI beschreibt ein Verfahren zur Überwachung der Fokuslage bei Laserstrahlbearbeitungsprozessen. Bei diesem Verfahren erfolgt eine hoch frequente Intensitätsmodulation eines Arbeitslaserstrahls zur Bearbeitung eines Werkstücks, wodurch dem Prozessleuchten aufgrund der Laserstrahlbearbeitung eine Modulation gleicher Frequenz aufgeprägt ist. Mittels zeitaufgelöster Messung der Verhältnisse der Intensität und/oder der Phasenlage zwischen den Signalen des Bearbeitungslaserstrahls und den Signalen des Pro- zessleuchtens kann die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls anhand des Amplituden- Verhältnisses und/oder der Phasenverschiebung oder einer Kombination daraus ermittelt werden. DE 10 2007 036 556 A1 describes a method for monitoring the focus position in laser beam machining processes. In this method, a high-frequency intensity modulation of a working laser beam for machining a workpiece, whereby the process lights due to the laser beam processing, a modulation of the same frequency is impressed. By means of time-resolved measurement of the ratios of the intensity and / or the phase position between the signals of the processing laser beam and the signals of the process illumination, the focal position of the processing laser beam can be determined on the basis of the amplitude Ratio and / or the phase shift or a combination thereof can be determined.
Die DE 10 2007 039 878 AI beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fokuslagen-Stabilisierung bei Optiken für Hochleistungs-Laserstrahlung. Die Vorrichtung umfasst eine Steuerung mit Mitteln zur Erfassung von Daten und eine Optik, bei der mindestens ein Teil des optischen Systems in axialer Richtung bewegbar gelagert ist und durch einen Stellmotor angetrieben wird. Die Mittel zur Erfassung von Daten beinhalten einen optischen Sensor, der entweder zur Messung der momentanen Intensität des Laserstrahls oder zur Messung der axialen Fokusposition geeignet ist. DE 10 2007 039 878 A1 describes a device and a method for focus position stabilization in optics for high-power laser radiation. The device comprises a controller with means for acquiring data and optics in which at least a part of the optical system is movably mounted in the axial direction and driven by a servomotor. The means for acquiring data includes an optical sensor which is suitable either for measuring the instantaneous intensity of the laser beam or for measuring the axial focus position.
Die DE 10 2009 007 769 AI beschreibt einen Laserbearbeitungskopf mit integrierter Sensoreinrichtung zur Fokuslagenüberwachung. Hierbei weist ein Laserbearbeitungskopf eine Fokussierlinse und ein nachgeordnetes Schutzglas auf, um ein Bearbeitungsstrahlenbündel, das als paralleles Strahlenbündel auf die Fokussierlinse auftrifft, in einen resultierenden Brennpunkt der Fokussierlinse mit nachgeordnetem Schutzglas, in dem ein Werkstück angeordnet ist, zu fokussieren. Der Fokussierlinse ist im parallelen Strahlengang ein Strahlteiler vorgeordnet, der für einen ersten Anteil eines in dem Laserbearbeitungskopf eingekoppelten Laserstrahlenbündels, das Bearbeitungsstrahlenbündel, transmittierend und für einen zweiten Anteil, ein Messstrahlenbündel, reflektierend ist. In Reflektionsrichtung ist im Strahlteiler ein Spiegel so nachgeordnet, dass er das Messstrahlenbündel in einem Winkel zur optischen Achse der Fokussierlinse auf diese reflektiert, um es in einem zum Brennpunkt konjugierten Bildpunkt auf der Empfangsfläche eines Sensors abzubilden, der mit einer Auswerteeinheit zur Fokuslagenüberwachung verbunden ist. DE 10 2009 007 769 A1 describes a laser processing head with integrated sensor device for focus position monitoring. Here, a laser processing head has a focusing lens and a downstream protective glass to focus a processing beam incident on the focusing lens as a parallel beam into a resultant focal point of the focusing lens with a downstream protective glass in which a workpiece is disposed. The focusing lens is preceded in the parallel beam path by a beam splitter which is reflective for a first portion of a laser beam bundle coupled in the laser processing head, the processing beam, transmissive and for a second portion, a measuring beam. In the direction of reflection, a mirror is arranged downstream of the beam splitter in such a way that it reflects the measuring beam at an angle to the optical axis of the focusing lens in order to image it in a focal point conjugate to the receiving surface of a sensor which is connected to an evaluation unit for focus position monitoring.
Aus der JP 01 1 22 688 A ist eine automatische Fokusanpassungsvorrichtung für Linsen eines Laserbearbeitungskopfes beschrieben, bei welchem die Fokussierlinse mittels eines Infrarotsensors beobachtet wird und die Temperaturmessung in einem seitlichen Bereich und in einem mittleren Bereich der Linse gemessen wird, um somit eine Fokusverschiebung zu berechnen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserbearbeitungskopf zu schaffen, durch welchen eine definierte Fokuslage relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück während eines Bearbeitungsprozesses in effektiver Weise und mit geringem apparativen Aufwand aufrecht erhalten werden kann. From JP 01 1 22 688 A an automatic focus adjustment device for lenses of a laser processing head is described in which the focusing lens is observed by means of an infrared sensor and the temperature measurement is measured in a lateral region and in a central region of the lens, thus calculating a focus shift , The invention has for its object to provide a laser processing head through which a defined focus position can be maintained relative to a workpiece to be machined during a machining process in an effective manner and with little equipment.
Diese Aufgabe wird durch den Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt. This object is achieved by the laser processing head according to claim 1. Advantageous embodiments and modifications of the invention are set forth in the subclaims.
Erfindungsgemäß ist ein Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls vorgesehen, mit einer Strahlformungsoptik zur Formung oder zur Kol- limierung eines aus einem Faserende einer Lichtleitfaser austretenden Arbeitslaserstrahls, wobei das Faserende innerhalb eines Strahlformungsoptikabbildungsbereichs liegt, einer Fokussieroptik zur Fokussierung des Arbeitslaserstrahls auf die Werkstückoberfläche oder auf eine relativ zur Werkstückoberfläche definierte Lage, und einer Kamera mit einer davor im Strahlengang angeordneten verstellbaren Abbildungsoptik, wobei eine Abbildung eines Bearbeitungsbereichs des Werkstücks auf einen ersten Sensorbereich der Kamera durch einen ersten Beobachtungsstrahlengang über die Fokussieroptik und die Abbildungsoptik, und eine Abbildung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs auf einen zweiten Sensorbereich der Kamera durch einen zweiten Beobachtungsstrahlengang über die Strahlformungsoptik und die Abbildungsoptik erfolgt. According to the invention, a laser processing head is provided for processing a workpiece by means of a laser beam, with beam shaping optics for forming or collimating a working laser beam emerging from a fiber end of an optical fiber, the fiber end lying within a beam forming optical imaging area, focusing optics for focusing the working laser beam onto the workpiece surface or an image of a processing region of the workpiece on a first sensor area of the camera through a first observation beam via the focusing optics and the imaging optics, and an image of the beamforming optics imaging area on a defined relative to the workpiece surface position, and a camera with an adjustable in the beam path a second sensor area of the camera through a second observation beam path via the beam shaping optics and the imaging optics k takes place.
Es ist also ein Laserbearbeitungskopf vorgesehen, bei welchem auf eine Sensorfläche einer Kamera in einem Laserbearbeitungskopf sowohl die Bearbeitungsoberfläche eines Werkstücks als auch der Faserendbereich einer Lichtleitfaser abgebildet werden, wobei die Abbildungen der Werkstückoberfläche und des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs, in welchem das Faserende liegt, in unterschiedliche Sensorbereiche an unterschiedlichen Sensorbereichsorten oder durch zeitliche Variation der Beleuchtung zeitlich trennbar sind. Die zusätzliche Beobachtung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs durch die Pro- zessbeobachtungskamera hat den Vorteil, dass beispielsweise eine Brennpunktverschiebung der Strahlformungsoptik aufgrund einer unscharfen Abbildung auf die Sensorfläche detektiert werden kann. Um eine Brennpunktverschiebung der Strahlformungsoptik im Wellenlängenbereich des Arbeitslaserstrahls berechnen zu können, ist es besonders vorteilhaft, wenn der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf eine Auswerteeinheit aufweist, die diese Brennpunktverschiebung mittels eines Verstellweges der Abbildungsoptik in Richtung der optischen Achse, der dazu nötig ist, bei einer Verschiebung des Brennpunkts der Strahlformungsoptik das Kamerabild des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs wieder scharf einzustellen, zu berechnen. Thus, a laser processing head is provided, in which on a sensor surface of a camera in a laser processing head, both the processing surface of a workpiece and the fiber end of an optical fiber are imaged, wherein the images of the workpiece surface and the Strahlformungsoptikabbildungsbereichs, in which the fiber end is located in different sensor areas different sensor range locations or by temporal variation of the illumination are temporally separable. The additional observation of the beam-shaping optical imaging region by the process observation camera has the advantage that, for example, a focal point shift of the beam-shaping optical system can be detected on the sensor surface due to a blurred image. In order to be able to calculate a focal shift of the beam shaping optics in the wavelength range of the working laser beam, it is particularly advantageous if the laser processing head according to the invention has an evaluation unit which determines this focal shift by means of an adjustment path of the imaging optics in the direction of the optical axis, which is necessary for a displacement of the focal point sharpen the beamforming optics to recalculate the camera image of the beamforming optics imaging area.
Erfindungsgemäß kann die Auswerteinheit ferner dazu ausgebildet sein, mittels eines Verstellwegs der Abbildungsoptik in Richtung der optischen Achse, der dazu nötig ist, bei der Verschiebung des Brennpunkts der Fokussieroptik das Kamerabild des Bearbeitungsbereichs des Werkstücks wieder scharf einzustellen, eine Brennpunktverschiebung der Fokussieroptik im Wellenlängenbereich des Laserbearbeitungsstrahls zu berechnen. Somit kann durch die Auswerteeinheit des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes sowohl eine durch Erwärmung von Linsen des optischen Systems erzeugte Brennpunktverschiebung der Strahlformungsoptik als auch eine Brennpunktverschiebung der Fokussieroptik erfasst werden, wodurch eine Brennpunktverschiebung des Fokus des Laserstrahls relativ zur Werkstückoberfläche vollständig bestimmt werden kann. According to the invention, the evaluation unit may further be configured to again sharply adjust the camera image of the processing region of the workpiece by means of an adjustment path of the imaging optics in the direction of the optical axis necessary for refocusing the focal point of the focusing optics, a focus shift of the focusing optics in the wavelength range of the laser processing beam to calculate. Thus, by the evaluation unit of the laser processing head according to the invention both generated by heating lenses of the optical system focus shift of the beam shaping optics and a focus shift of the focusing optics can be detected, whereby a focus shift of the focus of the laser beam relative to the workpiece surface can be completely determined.
Für eine optimale Ausrichtung des von der Kamera erzeugten Kamerabildes mit dem auf das Werkstück treffenden Laserstrahl ist es besonders zweckmäßig, wenn ferner ein erster Strahlteiler oder ein Strahlumlenker im Strahlengang des Arbeitslaserstrahls zwischen Strahlformungsoptik und Fokussieroptik angeordnet ist, um den ersten Beobachtungsstrahlengang der Kamera in den Strahlengang des Arbeitslaserstrahls einzukoppeln. For optimum alignment of the camera image generated by the camera with the laser beam striking the workpiece, it is particularly expedient if, furthermore, a first beam splitter or a beam deflector is arranged in the beam path of the working laser beam between beam shaping optics and focusing optics in order to move the first observation beam path of the camera into the beam path of the working laser beam.
Um in besonders einfacher und effektiver Weise den Strahlformungsoptikabbildungsbe- reich in den zweiten Sensorbereich der Kamera einzublenden, ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Reflexionsvorrichtung so relativ zum ersten Strahlteiler angeordnet ist, dass der zweite Beobachtungsstrahlengang von der Abbildungsoptik durch den ersten Strahlteiler hindurch läuft und nach Reflexion an der Reflexionsvorrichtung und dem ersten Strahlteiler zu der Strahlformungsoptik gelenkt wird. Für eine Korrektur des Fokus des Arbeitslaserstrahls relativ zur Bearbeitungsfläche des Werkstücks ist es besonders zweckmäßig, wenn der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf ferner ein Aktuatorsystem aufweist, welches dazu ausgebildet ist, die Position des Laserbearbeitungskopfes relativ zu einer Bearbeitungsoberfläche des Werkstücks oder bewegliche Teile des optischen Systems so anzupassen, dass die berechnete Brennpunktverschiebung der Fokussieroptik und/oder der Strahlformungsoptik kompensiert wird, um den Arbeitslaserstrahl wieder auf die Werkstückoberfläche oder auf eine relativ zur Werkstückoberfläche definierte Lage zu fokussieren. In order to superimpose the beam-shaping optical imaging area into the second sensor area of the camera in a particularly simple and effective manner, it is particularly advantageous if a reflection device is arranged relative to the first beam splitter such that the second observation beam path travels from the imaging optical system through the first beam splitter Reflection at the reflection device and the first beam splitter is directed to the beam shaping optics. For a correction of the focus of the working laser beam relative to the working surface of the workpiece, it is particularly useful if the laser processing head according to the invention further comprises an actuator system which is adapted to adjust the position of the laser processing head relative to a processing surface of the workpiece or moving parts of the optical system the calculated focus shift of the focusing optics and / or the beam shaping optics is compensated for in order to focus the working laser beam again on the workpiece surface or on a position defined relative to the workpiece surface.
Die erfindungsgemäße Reflexionsvorrichtung kann hierbei eine semitransparente Planplatte sein, wobei es besonders zweckmäßig ist, wenn in Strahleinfallsrichtung hinter der semitransparenten Planplatte ein Lichtabsorptionselement angeordnet ist, um im Falle der Abbildung des aus dem Faserende austretenden Arbeitslaserstrahls auf den zweiten Sensorbereich einen Großteil der Laserenergie des Arbeitslaserstrahls zu absorbieren. The reflection device according to the invention may in this case be a semitransparent plane plate, it being particularly expedient if a light absorption element is arranged in the direction behind the semitransparent plane plate in order to image a larger part of the laser energy of the working laser beam in the case of imaging the working laser beam emerging from the fiber end onto the second sensor region absorb.
Um zu ermöglichen, dass ein zu beobachtendes Objekt innerhalb der Bearbeitungsoberfläche des Werkstücks, wie beispielsweise ein Schnittbereich oder ein Schmelzbadbereich räumlich getrennt von einem zu beobachtenden Objekt innerhalb des Strahlformungsopti- kabbildungsbereichs abgebildet werden kann, ist es besonders von Vorteil, wenn die Reflexionsvorrichtung so gekippt zur Abbildungsoptik der Kamera vorgesehen ist, dass die Abbildungen auf den ersten und den zweiten Sensorbereich der Kamera in unterschiedliche Sensorbereiche der Kamera erfolgen und diese somit trennbar sind. In order to enable an object to be observed to be imaged within the processing surface of the workpiece, such as a cutting area or a molten pool area, spatially separated from an object to be observed within the beam forming optical imaging area, it is particularly advantageous if the reflecting device is so tilted Imaging optics of the camera is provided that the images take place on the first and the second sensor area of the camera in different sensor areas of the camera and they are thus separable.
Im Falle einer zusätzlichen Beleuchtung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs ist es jedoch auch vorstellbar und besonders vorteilhaft, wenn die Reflexionsvorrichtung so gekippt zur Abbildungsoptik der Kamera vorgesehen ist, dass die Abbildungen auf den ersten und den zweiten Sensorbereich der Kamera in unterschiedliche Sensorbereiche der Kamera erfolgen und diese somit trennbar sind. However, in the case of an additional illumination of the beam-shaping optical imaging region, it is also conceivable and particularly advantageous if the reflection device is provided tilted to the imaging optics of the camera, that the images on the first and the second sensor area of the camera in different sensor areas of the camera done and this thus separable are.
Zur Beleuchtung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs ist es zweckmäßig, wenn der Laserbearbeitungskopf ferner mit einer ersten Beleuchtungsvorrichtung ausgestattet ist, deren Licht koaxial in den ersten Beobachtungsstrahlengang über einen zweiten Strahltei- ler zwischen Abbildungsoptik und erstem Strahlteiler eingekoppelt ist, um gleichzeitig den Bearbeitungsbereich des Werkstücks sowie den Strahlformungsoptikabbildungsbereich zu beleuchten. For illuminating the beam-forming optical imaging region, it is expedient if the laser processing head is further equipped with a first illumination device whose light is coaxial with the first observation beam path via a second radiation element. It is coupled between the imaging optics and the first beam splitter to simultaneously illuminate the processing area of the workpiece and the beam-forming optical imaging area.
Es ist jedoch auch vorstellbar, den Laserbearbeitungskopf mit einer zweiten Beleuchtungsvorrichtung zur gleichmäßigen Beleuchtung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs auszustatten. However, it is also conceivable to equip the laser processing head with a second illumination device for uniform illumination of the beam shaping optical imaging region.
Statt einer Beleuchtungsvorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung des Strahlfor- mungsoptikabbildungsbereichs kann jedoch auch zweckmäßigerweise im Strahlfor- mungsoptikabbildungsbereich neben dem Faserende eine Leuchtvorrichtung zur Abbildung des emittierten Lichts der Leuchtvorrichtung auf den zweiten Sensorbereich der Kamera angeordnet sein. Instead of a lighting device for uniform illumination of the beam shaping optical imaging region, however, a light-emitting device for imaging the emitted light of the light-emitting device onto the second sensor region of the camera may also be expediently arranged in the beam-shaping optical imaging region next to the fiber end.
Zur Eliminierung von Störstrahlung, wie sie beispielsweise bei einem Betrieb des Laserbearbeitungskopfes auftritt, ist es zweckmäßig, wenn der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf einen optischen Bandpassfilter aufweist, welcher im Beobachtungsstrahlengang vor der Kamera angeordnet ist, wobei die Durchlasswellenlänge des optischen Bandpassfilters auf die Emissionswellenlänge der ersten und/oder zweiten Beleuchtungsvorrichtung und/oder der Leuchtvorrichtung abgestimmt ist. In order to eliminate interfering radiation, as occurs, for example, during operation of the laser processing head, it is expedient if the laser processing head according to the invention has an optical bandpass filter which is arranged in front of the camera in the observation beam path, the transmission wavelength of the optical bandpass filter being limited to the emission wavelength of the first and / or or second lighting device and / or the lighting device is tuned.
Für eine einfache Trennung der Abbildungen des Werkstückbereichs und des Strahlfor- mungsoptikabbildungsbereichs, beispielsweise mittels eines Lock-In- Verfahrens, ist es besonders vorteilhaft, wenn die zweite Beleuchtungsvorrichtung oder die Leuchtvorrichtung in ihrer Intensität relativ zur Beleuchtungsstärke des Werkstücks zeitlich variiert wird, um die Abbildungen des ersten und des zweiten Strahlengangs auf die Kamera zu trennen. For a simple separation of the images of the workpiece area and the beam shaping optical imaging area, for example by means of a lock-in method, it is particularly advantageous if the second lighting device or the lighting device is varied in its intensity relative to the illuminance of the workpiece in time to the images to separate the first and the second beam path to the camera.
Erfindungsgemäß ist der Laserbearbeitungskopf besonders geeignet, zum Laserschweißen oder Laserschneiden eingesetzt zu werden. According to the invention, the laser processing head is particularly suitable to be used for laser welding or laser cutting.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. Show it: 1 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to an embodiment of the invention,
Figur 2 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes, welcher zum Laserschneiden eingesetzt wird, 2 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to the invention, which is used for laser cutting,
Figur 3 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welcher beispielsweise zum Laserschweißen eingesetzt wird, FIG. 3 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to one exemplary embodiment of the invention, which is used, for example, for laser welding,
Figur 4 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, welcher beispielsweise zum Laserschweißen eingesetzt wird, 4 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to a further exemplary embodiment of the invention, which is used for example for laser welding,
Figur 5 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, welcher beispielsweise zum Laserschweißen eingesetzt wird, und Figure 5 is a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to yet another embodiment of the invention, which is used for example for laser welding, and
Figur 6 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes mit einer externen Beleuchtungsvorrichtung. 6 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head according to the invention with an external illumination device.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind einander entsprechende Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. In the various figures of the drawings, corresponding components are provided with the same reference numerals.
In Figur 1 ist eine stark vereinfachte Ansicht einer Laserbearbeitungsvorrichtung oder eines Laserbearbeitungskopfes 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, wie er mit Laserbearbeitungsmaschinen oder -anlagen verwendet wird. Für die Bearbeitung eines Werkstücks 12 wird ein von der Laserbearbeitungsmaschine kommender Arbeitslaserstrahl 14 durch ein Gehäuse 16 des Laserbearbeitungskopfes 10 hindurch auf das Werkstück 12 gelenkt und mittels einer Fokussieroptik 18 auf die Werkstückoberfläche 20 oder auf eine relativ zur Werkstückoberfläche 20 definierte Lage fokussiert, um das Werkstück 12 innerhalb eines Bearbeitungsbereichs 22 des Werkstücks 12 zu bearbeiten. Die Bearbeitung des Werkstücks 12 durch den Laserstrahl 14 kann hierbei ein Laserschneid- verfahren wie beispielsweise Schutzgas-Schneiden oder Brennschneiden sein, der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf ist jedoch auch einsetzbar für ein Laserschweißver- fahren oder ein Laserlötverfahren. FIG. 1 shows a greatly simplified view of a laser processing apparatus or a laser processing head 10 according to an exemplary embodiment of the invention, as used with laser processing machines or systems. For processing a workpiece 12, a working laser beam 14 coming from the laser processing machine is directed through a housing 16 of the laser processing head 10 onto the workpiece 12 and focused by means of focusing optics 18 onto the workpiece surface 20 or onto a position defined relative to the workpiece surface 20 12 within a processing area 22 of the workpiece 12 to edit. The machining of the workpiece 12 by the laser beam 14 can in this case be a laser cutting However, the laser processing head according to the invention can also be used for a laser welding method or a laser soldering method.
Der Arbeitslaserstrahl 14 wird dem Laserbearbeitungskopf 10 durch eine Lichtleitfaser 24 zugeführt, wobei das Faserende 26 der Lichtleitfaser 24 in einer Faserhalterung 28 gehalten ist. Der bei dem Faserende 26 der Lichtleitfaser 24 innerhalb eines Strahlformungsop- tikabbildungsbereichs 30 aus der Lichtleitfaser 24 austretende Laserstrahl 14 wird mittels einer Strahlformungsoptik 32 geformt, durchläuft einen ersten Strahlteiler 34 und trifft dann auf die Fokussieroptik 18, um auf das Werkstück 12 fokussiert zu werden. Für die reale Umsetzung der Fokussieroptik 18 und der Strahlformungsoptik 32 werden jeweils optische Linsen oder ein Satz von optischen Linsen eingesetzt. The working laser beam 14 is supplied to the laser processing head 10 through an optical fiber 24, wherein the fiber end 26 of the optical fiber 24 is held in a fiber holder 28. The laser beam 14 emerging from the optical fiber 24 at the fiber end 26 of the optical fiber 24 within a beam forming optical imaging region 30 is formed by beam shaping optics 32, passes through a first beam splitter 34 and then impinges on the focusing optics 18 to focus on the workpiece 12. For the real implementation of the focusing optics 18 and the beam shaping optics 32 optical lenses or a set of optical lenses are used in each case.
Die Strahlformungsoptik 32 soll allgemein als Optik verstanden werden, die dazu geeignet ist, den aus dem Faserende 26 der Lichtleitfaser 24 austretenden Arbeitslaserstrahl 14 zu formen, der Arbeitslaserstrahl 14 kann also nach Durchlaufen der Strahlformungsoptik 32 divergent oder konvergent weiterlaufen und so auch auf die letzte Optik des Laserbearbeitungskopfes 10, also die Fokussieroptik 18 treffen. Für die Verwirklichung des Auskoppeins aus der Lichtleitfaser 24 des Arbeitslaserstrahls 14 und der Fokussierung des Arbeitslaserstrahls 14 auf das Werkstück 12 kann also beispielsweise eine Retrofokus-Optik oder eine Telephoto-Optik eingesetzt werden. Erfindungsgemäß bevorzugt ist jedoch ein Einsatz der Strahlformungsoptik 32 als Kollimatoroptik 32, durch welche der aus dem Faserende 26 der Lichtleitfaser 24 austretende Arbeitslaserstrahl 14 kollimiert wird, um als paralleles Strahlenbündel zu der in Strahlrichtung dahinter liegenden Fokussieroptik 18 geleitet zu werden, da hier durch Verschieben der Fokussieroptik 18 oder Fokussierlinse die Fokuslage des Arbeitslaserstrahls 14 relativ zu dem zu bearbeitenden Werkstück 12 geändert werden kann, ohne zu sehr die Bildqualität des ausgekoppelten Arbeitslaserstrahls 14 zu verschlechtern und ohne den Strahldurchmesser auf der Fokussieroptik 18 zu verkleinern. The beam shaping optics 32 should generally be understood as optics suitable for forming the working laser beam 14 emerging from the fiber end 26 of the optical fiber 24, ie the working laser beam 14 may continue to divergent or converge after passing through the beam shaping optics 32 and thus also to the last optics of the laser processing head 10, so the focusing optics 18 meet. For the realization of the Auskoppeins from the optical fiber 24 of the working laser beam 14 and the focusing of the working laser beam 14 on the workpiece 12 so, for example, a retrofocus optics or a telephoto optics can be used. According to the invention, however, it is preferable to use the beam shaping optics 32 as collimator optics 32 through which the working laser beam 14 emerging from the fiber end 26 of the optical fiber 24 is collimated in order to be guided as a parallel beam bundle to the focusing optics 18 located downstream in the beam direction, since the beam displacement Focusing lens 18 or focusing lens, the focus position of the working laser beam 14 relative to the workpiece to be machined 12 can be changed without too much deteriorate the image quality of the decoupled working laser beam 14 and without reducing the beam diameter on the focusing lens 18.
Darüber hinaus vereinfacht, wie im Folgenden noch genauer beschrieben werden wird, der Einsatz einer Kollimatoroptik 32 das Verfahren zur Bestimmung der Fokuslagenverschie- bungen der Fokussierlinse 18 und der Kollimatoroptik 32, da die entsprechenden Fokuslagenverschiebungen der Fokussieroptik 18 und der Kollimatoroptik 32 unabhängig voneinander bestimmt und kompensiert werden können. Die Fokussieroptik 18 und die Kollimatoroptik 32 können darüber hinaus aus mehreren Linsen zusammengesetzt sein und ebenfalls als Retrofokus-Optik oder Telephoto-Optik aufgebaut sein. Der im Folgenden verwendete Begriff Strahlformungsoptik 32 soll also bevorzugterweise als Kollimatoroptik 32 zur Kollimierung des Arbeitslaserstrahls 14 aufgefasst werden. Der im Folgenden verwendete allgemeine Begriff des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 soll dabei bevorzugterweise als Kollimatoroptikabbildungsbereich 30 aufgefasst werden. Moreover, as will be described in more detail below, the use of collimator optics 32 simplifies the method for determining the focus position shift. tions of the focusing lens 18 and the collimator optics 32, since the corresponding focus position displacements of the focusing optics 18 and the collimator optics 32 can be determined and compensated independently of each other. The focusing optics 18 and the collimator optics 32 can moreover be composed of a plurality of lenses and also constructed as retrofocus optics or telephoto optics. The term beam shaping optics 32 used below is therefore to be understood as a collimator optics 32 for collimating the working laser beam 14. The general term of the beam-forming optical imaging region 30 used in the following is intended to be understood as a collimator optical imaging region 30.
Der erste Strahlteiler 34 ist so im Strahlengang 15 des Arbeitslaserstrahls 14 zwischen Strahlformungsoptik 32 und Fokussieroptik 18 angeordnet, dass ein erster Beobachtungsstrahlengang 36 einer Kamera 38 mit einer davor im Strahlengang angeordneten Abbildungsoptik 40 in den Strahlengang 15 des Arbeitslaserstrahls 14 eingekoppelt wird. Somit erfolgt eine Abbildung des Bearbeitungsbereichs 22 des Werkstücks 12 auf einen ersten Sensorbereich 42 der Kamera 38 durch den ersten Beobachtungsstrahlengang 36 über die Abbildungsoptik 40 und die Fokussieroptik 18, wobei der erste Beobachtungsstrahlengang 36 durch den ersten Strahlteiler 34 von der Abbildungsoptik 40 kommend auf die Fokussieroptik 18 umgelenkt wird. Die Werkstückoberfläche 20 des Werkstücks 12 kann mittels einer Beleuchtungsvorrichtung (in Figur 1 nicht dargestellt) mit Licht der Wellenlänge λκ im Unterschied zur Wellenlänge des Arbeitslaserstrahls 14 beleuchtet werden. Die Beleuchtungsvorrichtung kann an einer Außenseite des Laserbearbeitungskopfes 10 angebracht sein, es ist jedoch auch möglich, das von der Beleuchtungsvorrichtung kommende Licht koaxial in den Strahlengang 15 des Arbeitslaserstrahls 14 einzukoppeln, wie in den weiteren Ausführungsbeispielen noch genauer erläutert werden wird. The first beam splitter 34 is arranged in the beam path 15 of the working laser beam 14 between beam shaping optics 32 and focusing optics 18 such that a first observation beam path 36 of a camera 38 is coupled with an imaging optics 40 arranged in front of it in the beam path into the beam path 15 of the working laser beam 14. Thus, the processing region 22 of the workpiece 12 is imaged onto a first sensor region 42 of the camera 38 through the first observation beam path 36 via the imaging optics 40 and the focusing optics 18, the first observation beam path 36 coming from the imaging optics 40 through the first beam splitter 34 onto the focusing optics 18 is deflected. The workpiece surface 20 of the workpiece 12 can be illuminated by means of a lighting device (not shown in FIG. 1) with light of the wavelength λκ in contrast to the wavelength of the working laser beam 14. However, it is also possible for the light coming from the illumination device to coaxially couple into the beam path 15 of the working laser beam 14, as will be explained in more detail in the further embodiments.
Erfindungsgemäß erfolgt neben der Abbildung des Bearbeitungsbereichs 22 des Werkstücks 12 auf einen ersten Sensorbereich 42 der Kamera 38 durch einen ersten Beobachtungsstrahlengang 36 eine weitere Abbildung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 auf einen zweiten Sensorbereich 44 der Kamera 38 durch einen zweiten Beobachtungsstrahlengang 46 über die Abbildungsoptik 40 und die Strahlformungsoptik 32. In einer sehr kompakten Ausführungsform der Erfindung ist hierfür eine Reflexionsvorrichtung 48 so relativ zum ersten Strahlteiler 34 angeordnet, dass der zweite Beobachtungsstrahlengang 46 von der Abbildungsoptik 40 zunächst durch den ersten Strahlteiler 34 hindurch läuft, dann von der Reflektionsvorrichtung 48 in Richtung des ersten Strahlteilers 34 zurück reflektiert wird, um dann von dem ersten Strahlteiler 34 in Richtung der Strahlformungsoptik 32 umgelenkt zu werden. Somit erfolgt also eine Abbildung des Strahlformungsoptikabbil- dungsbereichs 30 auf die zweite Sensorfläche 44 der Kamera 38 durch eine Kollimierung der Kollimatorlinse 32 oder durch Formung durch die Strahlformungsoptik 32, eine Reflexion an dem ersten Strahlteiler 34, eine Reflexion an der Reflexionsvorrichtung 48 und eine Fokussierung durch die Abbildungsoptik 40. Obwohl es auch vorstellbar wäre, den an dem ersten Strahlteiler 34 reflektierten Arbeitslaserstrahl 14 auf eine zusätzliche Kamera mit eigener Abbildungsoptik abgeschwächt abzubilden, ist diese Lösung sehr aufwendig, platzraubend und teuer. According to the invention, in addition to imaging the processing region 22 of the workpiece 12 onto a first sensor region 42 of the camera 38 through a first observation beam path 36, a further image of the beam shaping optical image region 30 is applied to a second sensor region 44 of the camera 38 through a second observation beam path 46 via the imaging optics 40 and the beam shaping optics 32. In a very compact embodiment of the invention, a reflection device 48 is for this purpose arranged relative to the first beam splitter 34, that the second observation beam path 46 from the imaging optical system 40 first passes through the first beam splitter 34, then reflected by the reflection device 48 in the direction of the first beam splitter 34 back to then from the first beam splitter 34 in the direction of Beam shaping optics 32 to be deflected. Thus, an imaging of the beam-shaping optical imaging region 30 onto the second sensor surface 44 of the camera 38 takes place by collimation of the collimator lens 32 or shaping by the beam-shaping optical system 32, reflection at the first beam splitter 34, reflection at the reflection device 48 and focusing the imaging optics 40. Although it would also be conceivable to attenuate the reflected at the first beam splitter 34 working laser beam 14 attenuated to an additional camera with its own imaging optics, this solution is very expensive, space consuming and expensive.
In einer realen Umsetzung kann die Abbildungsoptik 40 hierbei nur eine Linse sein, es ist jedoch auch möglich, einen optischen Linsensatz zu verwenden. Ein Spiegelsystem ist auch möglich, z. B. ein Off-Axis-Paraboloid. Dabei entstehen zwar Abbildungsfehler, diese könnten jedoch per Software in der Bildverarbeitung kompensiert werden. Für den Fall, dass der aus dem Faserende 26 aus der Lichtleitfaser 24 austretende Arbeitslaserstrahl 14 auf den zweiten Sensorbereich 44 der Kamera 38 abgebildet werden soll, ist es besonders zweckmäßig, wenn die Reflexionsvorrichtung 48 eine semitransparente Planplatte 50 und ein in Strahleinfallsrichtung hinter der semitransparenten Planplatte 50 angeordnetes Lichtabsorptionselement 52 aufweist wobei die semi transparente Planplatte 50 einen Großteil der Laserleistung des Arbeitslaserstrahls 14 transmittiert, der von dem Lichtabsorptionselement 52 aufgenommen wird. Hierfür ist das Lichtabsorptionselement 52 idealerweise als Strahlfalle ausgebildet, die im Wesentlichen kein Licht reflektiert oder emittiert. Das Lichtabsorptionselement 52 wird zur Abführung der in Wärme gewandelten Lichtleistung entsprechend gekühlt. Der Transmissionsgrad der semitransparenten Planplatte 50 ist dabei so auf den Transmissionsgrad des ersten Strahlteilers 34 abgestimmt, dass das Produkt der Transmissivität des ersten Strahlteilers 34 und der semitransparenten Planplatte 50 den Arbeitslaserstrahl 14 so abschwächt, dass der Sensorbereich der Kamera 38 nicht zerstört wird und gleichzeitig eine genügend hohe Lichtleistung auf die Sensorfläche der Kamera 38 auftrifft, um den aus der Lichtleitfaser 24 innerhalb des Strahlformungsoptikabbil- dungsbereichs 30 austretenden Arbeitslaserstrahl 14 abbilden zu können. In a real implementation, the imaging optics 40 may be only one lens in this case, but it is also possible to use an optical lens set. A mirror system is also possible, for. An off-axis paraboloid. Although this creates aberrations, but these could be compensated by software in image processing. In the event that the emerging from the fiber end 26 of the optical fiber 24 working laser beam 14 is to be imaged on the second sensor portion 44 of the camera 38, it is particularly useful if the reflection device 48, a semi-transparent plane plate 50 and a beam incident direction behind the semi-transparent plane plate The semi-transparent planar plate 50 transmits a majority of the laser power of the working laser beam 14 received by the light absorption element 52. For this purpose, the light absorption element 52 is ideally designed as a beam trap, which reflects or emits substantially no light. The light-absorbing element 52 is cooled to dissipate the heat-converted light output accordingly. The transmittance of the semitransparent plane plate 50 is matched to the transmittance of the first beam splitter 34 that the product of the transmissivity of the first beam splitter 34 and the semi-transparent plane plate 50 so weakens the working laser beam 14 that the sensor portion of the camera 38 is not destroyed and simultaneously sufficiently high light output on the sensor surface of the camera 38 impinges to be able to image the emerging from the optical fiber 24 within the Strahlformungsoptikabbil- training area 30 working laser beam 14.
Die Transmissivität des ersten Strahlteilers 34 liegt hierbei für den Arbeitslaserstrahl 14 zwischen 95 Prozent und 99,99 Prozent, vorzugsweise zwischen 99 Prozent und 99,5 Prozent und insbesondere bei 99 Prozent. Die Transmissivität der planparallelen Platte 50 liegt zwischen 95 Prozent und 99,99 Prozent, vorzugsweise zwischen 98 Prozent und 99,5 Prozent und insbesondere bei 99 Prozent. Die semitransparente Planplatte 50 kann hinsichtlich der optischen Achse des zweiten Beobachtungsstrahlengangs 46 und zu der Sensorfläche des ersten und zweiten Sensorbereichs 42, 44 geneigt oder gekippt sein, so dass die Abbildung des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30, insbesondere die Abbildung des aus dem Faserende 26 austretenden Arbeitslaserstrahls 14, auf den zweiten Sensorbereich 44 der Kamera 38 und die Abbildung des Bearbeitungsbereichs 22 der Werkstückoberfläche 20 des Werkstücks 12, insbesondere ein Laserschnittbereich oder ein Schmelzbad eines Schweißbereichs, in getrennte Bereiche mit unterschiedlicher Position innerhalb der Sensorfläche der Kamera 38 erfolgt. So wird beispielsweise der Strahlformungsoptikabbil- dungsbereich 30 in den als Randbereich ausgestalteten zweiten Sensorbereich 44 gelenkt, um die Beobachtung des Bearbeitungsbereichs 22 des Werkstücks 12 im ersten Sensorbereich 42 nicht zu stören. Somit sind die Abbildungen des Strahlformungsoptikabbildungs- bereichs 30 und des Bearbeitungsbereichs 22 leicht voneinander zu trennen, wodurch die weitere Bildverarbeitung der Abbildungen auf den Sensorbereichen 42, 44 erleichtert wird. The transmissivity of the first beam splitter 34 is for the working laser beam 14 between 95 percent and 99.99 percent, preferably between 99 percent and 99.5 percent and in particular 99 percent. The transmissivity of the plane-parallel plate 50 is between 95 percent and 99.99 percent, preferably between 98 percent and 99.5 percent and most preferably 99 percent. The semitransparent plane plate 50 may be inclined or tilted with regard to the optical axis of the second observation beam path 46 and to the sensor surface of the first and second sensor regions 42, 44, so that the image of the beam shaping optical imaging region 30, in particular the image of the working laser beam 14 emerging from the fiber end 26, on the second sensor area 44 of the camera 38 and the image of the processing area 22 of the workpiece surface 20 of the workpiece 12, in particular a laser cutting area or a molten pool of a welding area, into separate areas with different position within the sensor surface of the camera 38. Thus, for example, the beam-shaping optical imaging region 30 is directed into the second sensor region 44 designed as an edge region in order not to disturb the observation of the machining region 22 of the workpiece 12 in the first sensor region 42. Thus, the images of the beam shaping optics imaging area 30 and the processing area 22 are easily separated, thereby facilitating further image processing of the images on the sensor areas 42, 44.
Der Strahlformungsoptikabbildungsbereich 30 ist der Bereich, welcher bei einer scharfen Abbildung des aus dem Faserende 26 der Lichtleitfaser 24 austretenden ArbeitslaserstrahlsThe beamforming optics imaging region 30 is the region that results in a sharp image of the working laser beam emerging from the fiber end 26 of the optical fiber 24
14 durch die Strahlformungsoptik 32 beispielsweise mittels der Abbildungsoptik 40 auf die zweite Sensorfläche 44 der Kamera 38 oder mittels der Fokussieroptik 18 auf die Werkstückoberfläche 20 des Werkstücks 12 auf diese scharf abgebildet wird. Somit ist also der Strahlformungsoptikabbildungsbereich 30 eine Abbildungsebene, die das Faserende 26 der Lichtleitfaser 24 enthält und in der Regel senkrecht zur optischen Achse des Strahlengangs14 by the beam-shaping optical system 32, for example by means of the imaging optics 40 on the second sensor surface 44 of the camera 38 or by means of the focusing lens 18 on the workpiece surface 20 of the workpiece 12 is shown in focus on this. Thus, therefore, the beamforming optics imaging portion 30 is an imaging plane containing the fiber end 26 of the optical fiber 24, and typically perpendicular to the optical axis of the beam path
15 des Arbeitslaserstrahls 14 liegt. Bei der Einkoppelung des Arbeitslaserstrahls 14 in das Gehäuse 16 des Laserbearbeitungskopfes 10 mittels der Faserhalterung 28 kann der Strahl - formungsoptikabbildungsbereich 30 also beispielsweise eine obere Innenwand des Gehäu- ses 16 des Laserbearbeitungskopfes 10 sein. Da in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungs- beispiel der Arbeitslaserstrahl 14 selbst auf die zweite Sensorfläche 44 abgebildet wird, müssen hier wellenlängenabhängige Effekte wie eine chromatische Aberration nicht berücksichtigt werden. 15 of the working laser beam 14 is located. When the working laser beam 14 is coupled into the housing 16 of the laser processing head 10 by means of the fiber holder 28, the beam-forming optical imaging region 30 can therefore, for example, have an upper inner wall of the housing. be 16 of the laser processing head 10. Since, in the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the working laser beam 14 itself is imaged onto the second sensor surface 44, wavelength-dependent effects such as chromatic aberration need not be taken into account here.
Der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf 10 weist ein Aktuatorsystem auf, durch welches die Position des Laserbearbeitungskopfes 10 relativ zur Bearbeitungsoberfläche 22 des Werkstücks 12 oder bewegliche Teile des optischen Systems 18, 32 so angepasst werden können, dass eine Brennpunktverschiebung des Arbeitslaserstrahls 14 relativ zur Werkstückoberfläche 20 ausgeglichen oder kompensiert werden kann. Maßgeblich für eine Brennpunktverschiebung des Fokus des Arbeitslaserstrahls 14 relativ zur Werkstückoberfläche 20 ist hierbei im Falle eines gleichbleibenden Abstands des Laserbearbeitungskopfes 10 zur Oberfläche 22 des Werkstücks 12 eine Brennpunktverschiebung Δζπ der Fokus- sieroptik 18 bei der Wellenlänge des Arbeitslaserstrahls 14 XL und eine Brennpunktverschiebung ÄZf2 der Strahlformungsoptik 32 bei der Wellenlänge XL des Arbeitslaserstrahls 14. Hierfür können ein erster Aktuator 54 zur linearen Verschiebung des Laserbearbeitungskopfes 10 relativ zur Werkstückoberfläche 20 des Werkstücks 12 um einen Verstellweg Δζ1? ein zweiter Aktuator 56 zur linearen Verschiebung der Fokussieroptik 18 in Richtung des Strahlengangs 15 des Arbeitslaserstrahls 14 um einen Verstellweg Δζ2 und ein dritter Aktuator 58 zur linearen Verschiebung der Strahlformungsoptik 32 entlang des Strahlengangs 15 des Arbeitslaserstrahls 14 um einen Verstellweg Δζ3 vorgesehen sein. Um eine Abbildung der Werkstückoberfläche 20 oder des Strahlformungsoptikabbildungs- bereichs 30 auf den ersten Sensorbereich 42 bzw. zweiten Sensorbereich 44 der Kamera 38 scharf abbilden zu können, ist ferner ein vierter Aktuator 60 vorgesehen, um die Abbildungsoptik 40 entlang des Beobachtungsstrahlengangs 36, 46 um einen Korrekturverstellweg Adu linear zu verschieben. The laser processing head 10 according to the invention has an actuator system by means of which the position of the laser processing head 10 relative to the processing surface 22 of the workpiece 12 or moving parts of the optical system 18, 32 can be adjusted so that a focus shift of the working laser beam 14 relative to the workpiece surface 20 is compensated or compensated can be. In the case of a constant distance of the laser processing head 10 to the surface 22 of the workpiece 12, a focal point shift Δζπ of the focusing optical system 18 at the wavelength of the working laser beam 14 X L and a focal point shift ΔZf 2 is decisive for a focus shift of the working laser beam 14 relative to the workpiece surface 20 beam shaping optics 32 at the wavelength X L of the working laser beam 14. for this purpose, one first actuator 54 to linear displacement of the laser processing head 10 relative to the workpiece surface 20 of the workpiece 12 to an adjustment Δζ 1? a second actuator 56 for the linear displacement of the focusing optics 18 in the direction of the beam path 15 of the working laser beam 14 by an adjustment Δζ 2 and a third actuator 58 for linear displacement of the beam shaping optics 32 along the beam path 15 of the working laser beam 14 by an adjustment Δζ 3 be provided. In order to be able to image an image of the workpiece surface 20 or of the beam-shaping optical imaging region 30 on the first sensor region 42 or second sensor region 44 of the camera 38, a fourth actuator 60 is furthermore provided in order to surround the imaging optical system 40 along the observation beam path 36, 46 Correction adjustment path Adu linear shift.
Mittels des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes 10 kann eine Fokuslagenkompensation der Fokuslage des Arbeitslaserstrahls 14 relativ zur Werkstückoberfläche 20 bei einer Erwärmung der Strahlformungsoptik 32 und/oder der Fokussieroptik 18 durchgeführt werden, wie im Folgenden beschrieben wird. Der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf 10 oder die erfindungsgemäße Laserbear- beitungsvorrichtung 10 mit einem Laserbearbeitungskopf weist eine Auswerteeinheit 62 auf, welche Bilddaten von der Kamera 38 verarbeitet, den vierten Aktuator 60 der Abbildungsoptik 40 ansteuert und dessen Stellposition ausliest, um durch Ansteuerung des ersten, zweiten oder dritten Aktuators 54, 56, 58 eine Fokuslagenkompensation durchführen zu können. Hierbei ist die Auswerteeinheit 62 einerseits dazu ausgebildet, mittels eines Verstellwegs Ädki der Abbildungsoptik 40 in Richtung der optischen Achse, der dazu nötig ist, bei einer Verschiebung Azf2 des Brennpunkts der Strahlformungsoptik 32 das Kamerabild des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 wieder scharf einzustellen, die Brennpunktverschiebung ÄZf2 der Strahlformungsoptik 32 im Wellenlängenbereich λ\_ des Arbeitslaserstrahls 14 zu berechnen. Ferner ist die Auswerteeinheit 62 dazu ausgebildet, mittels eines Verstellwegs Ädki der Abbildungsoptik 40 in Richtung der optischen Achse, der dazu nötig ist, bei einer Verschiebung Δζπ des Brennpunkts der Fokussieroptik 18 das Kamerabild des Bearbeitungsbereichs 22 des Werkstücks 12 wieder scharf einzustellen, eine Brennpunktverschiebung Δζπ der Fokussieroptik 18 im Wellenlängenbereich λι, des Arbeitslaserstrahls 14 zu berechnen. Sobald beide Brennpunktverschiebungen der Strahlformungsoptik 32 ÄZß nd der Fokussieroptik 18 Az bekannt sind, kann mittels der Aktu- atoren 54, 56 und 58 der Arbeitslaserstrahl 14 wieder auf die Werkstückoberfläche 20 oder auf eine relativ zur Werkstückoberfläche 20 definierte Lage fokussiert werden. By means of the laser processing head 10 according to the invention, a focus position compensation of the focus position of the working laser beam 14 relative to the workpiece surface 20 can be performed with heating of the beam shaping optics 32 and / or the focusing optics 18, as will be described below. The laser processing head 10 according to the invention or the laser processing apparatus 10 according to the invention with a laser processing head has an evaluation unit 62 which processes image data from the camera 38, drives the fourth actuator 60 of the imaging optics 40 and reads out its actuating position to control the first, second or third Actuators 54, 56, 58 to be able to perform a focus position compensation. In this case, the evaluation unit 62 is designed, on the one hand, to set the camera image of the beam shaping optical imaging area 30 again sharply by means of an adjustment path Δdki of the imaging optics 40 in the direction of the optical axis, which is necessary for sharply adjusting the camera image of the beam shaping optical imaging area 30, the focus shift ΔZf2 of the beam shaping optics 32 in the wavelength range λ \ _ of the working laser beam 14 to calculate. Furthermore, the evaluation unit 62 is configured to adjust the camera image of the processing region 22 of the workpiece 12 again by means of a displacement path Δd k i of the imaging optics 40 in the direction of the optical axis, which is necessary for a displacement Δζπ of the focus of the focusing optics 18 Focus shift Δζπ the focusing optics 18 in the wavelength range λι to calculate the working laser beam 14. Once both focus shifts of the beam shaping optics ß 32 AEZ nd of the focusing optics 18 Az are known, by means of the Aktu- atoren 54, 56 and 58 of the working laser beam 14 is focused again on the workpiece surface 20, or to a defined relative to the workpiece surface 20 position.
Um dies zu erreichen, wird das optische System des Laserbearbeitungskopfes 10 in einem Anfangszustand zunächst so eingestellt, dass der Laserstrahl 14 durch die Strahlformungsoptik 32 optimal kollimiert wird und als paralleles Strahlenbündel in Richtung der Fokussieroptik 18 läuft. Dieser Anfangszustand kann dadurch eingestellt werden, dass die Abbildungsoptik 40 in eine vorbestimmte Position gefahren wird, in welcher der kollimier- te Laserstrahl 14 scharf auf die zweite Sensorfläche 44 der Kamera 38 abgebildet wird. Die Fokussierlinse 18 wird durch den zweiten Aktuator 56 ebenfalls in eine vorbestimmte Position gefahren, in welcher der Brennpunkt der Fokussierlinse 18 einen vorbestimmten Abstand zur Unterseite des Laserbearbeitungskopfes 10 aufweist. Die Abbildungsoptik 40 wird nach der Kollimierung des Arbeitslaserstrahls 14 so eingestellt, dass eine scharfe Abbildung der Werkstückoberfläche 20 des zu bearbeitenden Werkstücks 12 bei der Beleuchtungswellenlänge λ erfolgt. Bei der Bearbeitung des Werkstücks 12 mittels des Laserbearbeitungskopfes 10 kommt es aufgrund der nicht vollständigen Transmissivität des optischen Systems zur einer Erwärmung der Fokussieroptik 18 und der Strahlformungsoptik 32, verbunden mit einer aufgrund der Erwärmung der Linsen der Fokussieroptik 18 und der Strahlformungsoptik 32 veränderten Brechkraft und einer damit verbundenen Brennpunktverschiebung Δζπ der Fokussieroptik 18 und ÄZf2 der Strahlformungsoptik 32. Somit verschiebt sich einerseits der Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls 14 relativ zur Werkstückoberfläche 20, verbunden mit einem in der Regel verschlechterten Arbeitsergebnis. Gleichzeitig mit der Verschiebung des Brennpunkts des Arbeitslaserstrahls 14 wird das von dem ersten Sensorbereich 42 der Kamera 38 aufgenommene Kamerabild der Werkstückoberfläche 20 unscharf. Durch Verstellen des optischen Systems, insbesondere durch ein Durchfahren der Abbildungsoptik 40 um einen Korrekturverstellweg Ädki mittels des vierten Aktuators 60 wird das Kamerabild der Werkstückoberfläche 20 durch Steuerung der Auswerteeinheit 62 wieder scharf gestellt und der hierfür benötigte Korrekturverstellweg Ädki abgespeichert. Durch Einberechnung des Abbildungsverhältnisses von Abbildungsoptik 40 und Fokussieroptik 18 sowie durch Einbeziehung der Fokussierungsunterschiede aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen des Beobachtungssystems λκ und der verwendeten Bearbei- tungslaserlichtwellenlänge XL aufgrund der chromatischen Aberration oder anderer wellenlängenabhängiger Effekte kann durch wieder scharf Stellen des Kamerabilds der Werkstückoberfläche 20 und Ermitteln des Korrekturverstellwegs Ädki die Brennpunktverschiebung ÄZfi der Fokussieroptik 18 im Wellenlängenbereich λ!^ε8 Arbeitslaserstrahls 14 ermittelt werden. In order to achieve this, the optical system of the laser processing head 10 is initially adjusted in an initial state such that the laser beam 14 is optimally collimated by the beam shaping optics 32 and runs in the direction of the focusing optics 18 as a parallel beam. This initial state can be set by moving the imaging optics 40 into a predetermined position, in which the collimated laser beam 14 is sharply imaged onto the second sensor surface 44 of the camera 38. The focusing lens 18 is also driven by the second actuator 56 to a predetermined position, in which the focal point of the focusing lens 18 has a predetermined distance from the bottom of the laser processing head 10. The imaging optics 40 is set after the collimation of the working laser beam 14 so that a sharp image of the workpiece surface 20 of the workpiece to be machined 12 takes place at the illumination wavelength λ. During processing of the workpiece 12 by means of the laser processing head 10, due to the incomplete transmissivity of the optical system, the focusing optics 18 and the beam shaping optics 32 are heated, combined with a refractive power which has changed due to the heating of the lenses of the focusing optics 18 and the beam shaping optics 32 associated focus shift Δζπ the focusing optics 18 and ÄZf2 the beam-forming optical system 32. Thus, on the one hand shifts the focus of the working laser beam 14 relative to the workpiece surface 20, associated with a generally deteriorated work result. Simultaneously with the shift of the focal point of the working laser beam 14, the camera image of the workpiece surface 20 picked up by the first sensor region 42 of the camera 38 is blurred. By adjusting the optical system, in particular by passing through the imaging optics 40 by a correction displacement Aki by means of the fourth actuator 60, the camera image of the workpiece surface 20 is again focused by control of the evaluation unit 62 and stores the required correction displacement Aki. By incorporating the imaging ratio of imaging optics 40 and focusing optics 18 and by including the focusing differences due to the different wavelengths of the observation system λκ and the processing laser wavelength XL used due to the chromatic aberration or other wavelength-dependent effects can by sharpening the camera image of the workpiece surface 20 and determining the Korrekturverstellwegs Ädki the focus shift ÄZfi the focusing optics 18 in the wavelength range λ! ^ Ε8 working laser beam 14 are determined.
Nach der Ermittlung der Brennpunktverschiebung Δζπ der Fokussieroptik 18 wird die Abbildungsoptik 40 in die voreingestellte Position des oben beschriebenen Anfangszustands zur Kollimierang des Arbeitslaserstrahls 14 eingestellt, um danach durch Verstellen der Abbildungsoptik 40 um einen Korrekturverstellwert Ädki eine scharfe Abbildung des Arbeitslaserstrahls 14 und des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 auf dem zweiten Sensorbereich 42 zu erzeugen. Da bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Arbeitslaserstrahl 14 direkt auf die zweite Sensorfläche 42 abgebildet wird, müssen in die- sem Fall keine Wellenlängeneffekte aufgrund von chromatischer Aberration berücksichtigt werden. After detecting the focus shift Δζπ of the focusing optical system 18, the imaging optical system 40 is set to the preset position of the above-described initial state for collimating the working laser beam 14, and then sharply imaging the working laser beam 14 and the beam forming optical imaging section 30 by adjusting the imaging optical system 40 by a correction displacement value Δdki the second sensor region 42 to produce. Since, in the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the working laser beam 14 is imaged directly onto the second sensor surface 42, In this case, no wavelength effects due to chromatic aberration are taken into account.
Die Erfindung schließt alle gängigen Verfahren zur Fokussierung- bzw. Bildschärfefin- dung ein, einige wichtige sollen explizit genannt werden: The invention includes all common methods for focusing and image definition, some important should be explicitly mentioned:
Varianz: Quadrierte Differenz der Bildwerte um den Mittelwert mit anschließender Auf- summierung. Bei einem Bild i(x, z) und S als Anzahl der Pixel kann diese folgendermaßen berechnet werden: m g Variance: Squared difference of the image values around the mean with subsequent summation. For an image i (x, z) and S as the number of pixels, this can be calculated as follows: mg
als auch as well as
Eine hohe Varianz, bzw. breites Histogramm bedeutet guter Kontrast. A high variance or wide histogram means good contrast.
Sum Modulus Difference (SMD): Maß basierend auf Bildgradienten, Sum Modulus Difference (SMD): measure based on image gradients,
sowie dessen Betragand its amount
SMD wird bestimmt mit SMD is determined with
SMD = -Y V V,.: bei scharfen Bildern ist der Unterschied von Bildpunkt x zu x +1 sehr groß. Signalleistung (SL): Das Maximum von SMD = -YVV ,. : with sharp pictures the difference from picture point x to x +1 is very big. Signal Power (SL): The maximum of
ergibt den besten Bildzustand, gilt auch für die nach Liao veränderte Schwellwertmethode. Fourier- Analyse: Die Diskrete-Fourier-Transformation so wie die schneller zu berechnende Fast-Fourier-Transformation wird unter Verwendung von gives the best image state, also applies to the Liao modified threshold value method. Fourier Analysis: The Discrete Fourier Transform like the faster-to-calculate fast Fourier transform, using
Zeilen und Spaltenweise ermittelt. Im defokalen Bild nimmt der hohe Frequenzbereich, zu berechnen durch aufsummieren der Leistungsspektren, gegenüber dem fokalen Bild signifikant ab. Determines rows and columns. In the defocal image, the high frequency range, calculated by summing the power spectra, decreases significantly compared to the focal image.
Laplace-Operator oder Laplace-Fokussierungsfunktion: stellt das zweite statistische Moment, der Fourierspektren dar und steht im Zusammenhang mit hohen Frequenzen. Durch Operatoridentität und Formelerweiterung kann diese in den Zeitbereich umgeformt werden. Die darin enthaltenen einzelnen Komponenten müssen durch Approximationen der 2. Ableitung bestimmt werden wodurch wir Laplace operator or Laplace focus function: represents the second statistical moment, the Fourier spectra and is associated with high frequencies. Through operator identity and formula expansion, this can be transformed into the time domain. The individual components contained in it must be determined by approximations of the second derivative, whereby we
L + y)+ *(* ~ y)+ Kx,y + 1) + x,y - 1) - 4i(x,y)] erhalten und direkt bestimmen können. L + y) + * (* ~ y) + Kx, y + 1) + x, y - 1) - 4i (x, y)] receive and determine directly.
Fokussierung durch Feature Point bzw. Objekt Tracking: Feature Points sind Pixel mit markantem Umfeld, so dass sie in einem anderen Bild der gleichen Bildsequenz wiedergefunden werden können. Dadurch können Bewegungstendenzen in Bildsequenzen festgestellt und die Fokussierung kann so gleich in die richtige Richtung arbeiten. Außerdem ist es möglich per Objekterkennungsalgorithmen in bekannten Bildsequenzen ein Fokusfenster für die Fokussierungsfunktion zu erstellen und damit eine optimale Schärfeeinstellung des Zielobjekts zu ermöglichen. Dazu können viele Verfahren eingesetzt werden, es soll aber der Harris Eckendetektor, die Aufteilung des Bildes in bestimmte Untergrößen, Bildgradient und Schwellwertberechnung, Sum of Square Difference, Fuzzy Logic zur Autofo- kussierung, Support Vektor Klassifikation, Hauptkomponenten Analyse u.v.m. eingesetzt werden. Focus Point or Object Tracking Focusing: Feature points are pixels with a prominent environment so that they can be rediscovered in a different image of the same image sequence. As a result, movement tendencies can be detected in image sequences and the focus can thus work in the right direction. In addition, it is possible to create a focus window for the focusing function by means of object recognition algorithms in known image sequences and thus to enable optimum focus adjustment of the target object. Many methods can be used for this purpose, but it is the Harris corner detector, the division of the image into specific sub-sizes, image gradient and threshold calculation, sum of square difference, fuzzy logic for autofocus, support vector classification, main components analysis and so on. be used.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem Einstellprozess des Systems zunächst ein scharf abgebildetes Referenzbild von dem Bearbeitungsbereich 22 oder dem Strahlformungsoptikabbildungsbereich 26 aufgenommen, um als Referenz für die Bildschärfe im Vergleich zu einem später aufgenommenen Kamerabild, wenn sich die entsprechenden Brennpunktlagen der Fokussieroptik 18 oder der Strahlformungsoptik 32 verschoben haben, zu dienen. Dieses kann während oder vor einem Bearbeitungsprozess erstellt werden. In the method according to the invention, in a setting process of the system, first of all a sharply imaged reference image is taken from the processing region 22 or the beamforming optical imaging region 26 to reference the image sharpness compared to a later captured camera image when the respective focus positions of the focusing optics 18 or the beamforming optics 32 have served to serve. This can be created during or before a machining process.
In Figur 2 ist eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes 10 gezeigt, welcher zum Laserschneiden eines Werkstücks 12 eingesetzt wird. Der in Figur 2 gezeigte Laserbearbeitungskopf 10 entspricht dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, wobei lediglich eine Düse 64 zum Ausblasen des aufgeschmolzenen Werkstückmaterials vorgesehen ist. Da die Leuchtintensität des vom Werkstück 12 kommenden Prozesslichts im Vergleich zu einem Laserschweißprozess relativ gering ist, eignet sich das in Figur 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des Laserbearbeitungskopfes 10, bei welchem keine Filtervorrichtungen für die Kamera 38 vorgesehen werden müssen, besonders gut. In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Laserbearbeitungskopfes 10 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch und stark vereinfacht gezeigt. Der Laserbearbeitungskopf 10 aus Figur 3 unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten Laserbearbeitungskopf 10 dadurch, dass im Strahlformungsoptikabbildungsbereich 30 neben dem Faserende 26 ein Musterelement 66 vorgesehen ist, welches auf den zweiten Sensorbereich 44 der Kamera 38 abgebildet wird, um eine Brennpunktverschiebung ΔΖΕ der Strahlformungsoptik 32 durch Verstellen der Abbildungsoptik 40 um einen Korrekturverstellwert Ädki ermitteln zu können. Das Musterelement 66 kann eine in der Innenwand des Gehäuses 16 in der Nähe der Faserhalterung 28 eingeprägte Struktur sein, es ist jedoch auch möglich, eine Struktur entweder auf die Innenwand aufzudrucken oder einen das Musterelement 66 beinhaltenden Aufkleber vorzusehen. FIG. 2 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head 10 which is used for laser cutting a workpiece 12. The laser processing head 10 shown in Figure 2 corresponds to the embodiment shown in Figure 1, wherein only one nozzle 64 is provided for blowing out the molten workpiece material. Since the luminous intensity of the process light coming from the workpiece 12 is relatively small compared to a laser welding process, the embodiment of the laser processing head 10 shown in FIG. 1, in which no filter devices have to be provided for the camera 38, is particularly well suited. FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a laser processing head 10 according to the present invention schematically and greatly simplified. The laser processing head 10 from FIG. 3 differs from the laser processing head 10 shown in FIG. 1 in that a pattern element 66 is provided in the beam shaping optical imaging region 30, which is imaged onto the second sensor region 44 of the camera 38, by a focal point displacement Δθ of the beam shaping optics 32 by adjusting the imaging optics 40 to determine a Korrekturverstellwert Äd k i can. The pattern member 66 may be a structure embossed in the inner wall of the housing 16 in the vicinity of the fiber holder 28, but it is also possible to print a structure either on the inner wall or to provide a sticker including the pattern member 66.
Die Beleuchtung des Musterelements 66 erfolgt durch eine erste Beleuchtungsvorrichtung 68, deren Licht zunächst mittels einer Optik 70 kollimiert oder geformt wird, und dann koaxial in den ersten Beobachtungsstrahlengang 36 über einen zweiten Strahlteiler 72 zwischen Abbildungsoptik 40 und erstem Strahlteiler 34 eingekoppelt wird, um gleichzeitig den Bearbeitungsbereich 22 des Werkstücks 12 sowie den Strahlformungsoptikabbil- dungsbereich 30, in welchem das Musterelement 66 angeordnet ist, zu beleuchten. Bei der Anbringung des Musterelements 66 ist darauf zu achten, dass dieses im Strahlformungsop- tikabbildungsbereich 30 oder in einem definierten Abstand in Richtung der optischen Achse zu dem Faserende 26 der Lichtleitfaser 24, aus welcher der Arbeitslaserstrahl 14 austritt, angeordnet ist. The illumination of the pattern element 66 is effected by a first illumination device 68 whose light is first collimated or shaped by means of optics 70 and then coaxially coupled into the first observation beam path 36 via a second beam splitter 72 between the imaging optics 40 and the first beam splitter 34 in order to simultaneously Processing area 22 of the workpiece 12 and the Strahlformungsoptikabbil- training area 30, in which the pattern element 66 is arranged to illuminate. When attaching the pattern element 66, care must be taken that it is arranged in the beam-forming optical imaging region 30 or at a defined distance in the direction of the optical axis to the fiber end 26 of the optical fiber 24 from which the working laser beam 14 exits.
Da bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des Laserbearbeitungskopfes 10 nun die Beobachtung sowohl der Werkstückoberfläche 20 als auch des Strahlformungsoptikab- bildungsbereichs 30 mit dem Musterelement 66 unter einer Beleuchtung mit der gleichen Wellenlänge λκ erfolgt, muss bei der Berechnung der Brennpunktverschiebung ÄZf2 der Strahlformungsoptik 32 aufgrund eines Korrekturverstellwegs Ädu der Abbildungsoptik 40 zum Scharfstellen eines Kamerabildes der Kamera 38 nun auch bei der Strahlformungsoptik 32 die chromatische Aberration aufgrund der zu der Beleuchtungswellenlänge λκ unterschiedlichen Arbeitslaserstrahlenwellenlänge berücksichtigt werden. Die chromatische Aberration wird jedoch in besonders bevorzugter Weise erfindungsgemäß durch einen entsprechenden Versatz oder Verschiebung des Musterelements 66 in Richtung des Strahlengangs 15 des Arbeitslaserstrahls 14 zu der Position des Faserendes 26 der Lichtleitfaser 24, aus welcher der Arbeitslaserstrahl 14 austritt, kompensiert oder ausgeglichen. Hierbei ist das Musterelement 66 so angeordnet, dass bei einer scharfen Abbildung des Musterelements 66 auf die zweite Sensorfläche 44 bei der Beleuchtungswellenlänge λκ gleichzeitig eine vollständige Kollimierung des aus dem Faserende 26 austretenden Arbeitslaserstrahls 14 durch die Strahlformungsoptik 32 bei der Wellenlänge XL des Arbeitslaserstrahls 14 erfolgt. Since, in the embodiment of the laser processing head 10 shown in FIG. 3, the observation of both the workpiece surface 20 and the beam shaping optical imaging region 30 with the pattern element 66 takes place under illumination with the same wavelength .lambda..sub.k, the calculation of the focal point shift .DELTA.Zf2 of the beamforming optical system 32 must take place a Korrekturverstellwegs Ädu the imaging optics 40 for focusing a camera image of the camera 38 now also in the beam shaping optics 32, the chromatic aberration due to the different to the illumination wavelength λκ working laser beam wavelength are taken into account. The chromatic aberration is, however, in a particularly preferred manner according to the invention by a corresponding offset or displacement of the pattern member 66 in the direction of the beam path 15 of the working laser beam 14 to the position of the fiber end 26 of the optical fiber 24, from which the working laser beam 14 exits, compensated or compensated. Here, the pattern element 66 is arranged so that at a sharp imaging of the pattern element 66 on the second sensor surface 44 at the illumination wavelength λκ simultaneously complete collimation of emerging from the fiber end 26 working laser beam 14 by the beam shaping optical system 32 at the wavelength X L of the working laser beam 14 ,
Die Reflexionsvorrichtung 48 ist bei dem in Figur 3 gezeigten Laserbearbeitungskopf 10 vorzugsweise eine planparallele Platte mit einer hohen Reflektionsrate, um eine möglichst hohe Lichtintensität der Beleuchtung durch die erste Beleuchtungsvorrichtung 68 auf das Musterelement 66 und eine darauf folgende möglichst lichtstarke Abbildung des Musterelements 66 auf die zweite Sensorfläche 44 der Kamera 38 zu erreichen. Vor der Kamera 38 zwischen zweitem Strahlteiler 72 und Abbildungsoptik 40 ist weiter ein optischer Bandpassfilter 74 vorgesehen, welcher auf die Beleuchtungswellenlänge λ der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 abgestimmt ist, um Störstrahlung aus dem Bereich des Werkstücks 12 auszublenden. Der in Figur 3 gezeigte Laserbearbeitungskopf 10 ist besonders geeignet für den Einsatz bei einem Laserschweißprozess, da aufgrund der Prozessemissionen des erzeugten Schweißbads im Bearbeitungsbereich 22 des Werkstücks 12 eine Beleuchtung des Werkstücks 12 mit einer vorbestimmten Beleuchtungswellenlänge λκ verbunden mit einer Beobachtung mittels eines auf die Beleuchtungswellenlänge λ abgestimmten Bandpassfilters 74 besonders vorteilhaft ist. In the case of the laser processing head 10 shown in FIG. 3, the reflection device 48 is preferably a plane-parallel plate with a high reflection rate, the highest possible light intensity of the illumination by the first illumination device 68 on the pattern element 66 and a subsequent high-light image of the pattern element 66 on the second Sensor surface 44 of the camera 38 to reach. In front of the camera 38 between the second beam splitter 72 and the imaging optics 40, an optical bandpass filter 74 is further provided, which is tuned to the illumination wavelength λ of the first illumination device 68 in order to block out interfering radiation from the region of the workpiece 12. The laser processing head 10 shown in FIG. 3 is particularly suitable for use in a laser welding process because, due to the process emissions of the generated weld pool in the processing area 22 of the workpiece 12, illumination of the workpiece 12 with a predetermined illumination wavelength λ k associated with observation at the illumination wavelength λ tuned bandpass filter 74 is particularly advantageous.
In Figur 4 ist ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines Laserbearbeitungskopfes 10 stark vereinfacht und schematisch dargestellt, wobei sich der Laserbearbeitungskopf 10 aus Figur 4 von dem in Figur 3 gezeigten Laserbearbeitungskopf 10 darin unterscheidet, dass zusätzlich zu der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 eine zweite Beleuchtungsvorrichtung 76 vorgesehen ist, welche das Musterelement 66 gleichmäßig ausleuchtet. Diese zweite Beleuchtungsvorrichtung 76 kann vorgesehen werden, falls eine Beleuchtung des Musterelements 66 durch die erste Beleuchtungsvorrichtung 68 mit nicht hinreichender Intensi- tät erfolgen kann. Darüber hinaus ist es vorstellbar, die erste Beleuchtungsvorrichtung 68 an einer Außenseite des Laserbearbeitungskopfes 10 anzubringen, wie beispielsweise in Figur 6 gezeigt ist. Die Beleuchtung mittels der zweiten Beleuchtungsvorrichtung 76 erfolgt vorzugsweise im gleichen Wellenlängenbereich λκ wie die der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 und ist darüber hinaus auf die Durchlasswellenlänge des optischen Bandpassfilters 74 abgestimmt. FIG. 4 greatly simplifies and diagrammatically illustrates another exemplary embodiment of a laser processing head 10, wherein the laser processing head 10 of FIG. 4 differs from the laser processing head 10 shown in FIG. 3 in that a second illumination device 76 is provided in addition to the first illumination device 68 the pattern element 66 evenly illuminates. This second illumination device 76 can be provided if illumination of the pattern element 66 by the first illumination device 68 has insufficient intensity. can be done. Moreover, it is conceivable to mount the first illumination device 68 on an outer side of the laser processing head 10, as shown for example in FIG. The illumination by means of the second illumination device 76 preferably takes place in the same wavelength range λκ as that of the first illumination device 68 and is also tuned to the transmission wavelength of the optical bandpass filter 74.
In Figur 5 ist eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes 10 gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Der in Figur 5 gezeigte Laserbearbeitungskopf 10 unterscheidet sich von dem in Figur 4 gezeigten Laserbearbeitungskopf 10 darin, dass statt des Musterelements 66 und der zweiten Beleuchtungsvorrichtung 76 eine Leuchtvorrichtung 78 im Strahlformungsoptikabbildungsbereich 30 neben dem Faserende 26 angeordnet ist, wobei das emittierte Licht der Leuchtvorrichtung 78 auf den zweiten Sensorbereich 44 der Kamera 38 abgebildet wird, um eine Brennpunktverschiebung AZQ der Strahlformungsoptik 32 durch Verstellen der Abbildungsoptik 40 um einen Korrekturverstellweg Adki bestimmen zu können. Die Leuchtvorrichtung 78 kann wie das Musterelement 66 so in Richtung der optischen Achse der Strahlformungsoptik 32 zu dem Faserende 26 versetzt sein, dass eine chromatische Aberration hinsichtlich der Emissionslichtwellenlänge λκ der Leuchtvorrichtung 78 und der Wellenlänge XL des Arbeitslaserstrahls 14 von der Strahlformungsoptik 32 so ausgeglichen wird, dass der Arbeitslaserstrahl 14 von der Strahlformungsoptik 32 kollimiert wird, wenn eine scharfe Abbildung bei der Beobachtungswellenlänge λκ des von der Leuchtvorrichtung 78 emittierten Lichts auf die zweite Sensorfläche 44 erfolgt. FIG. 5 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head 10 according to yet another exemplary embodiment of the invention. The laser processing head 10 shown in FIG. 5 differs from the laser processing head 10 shown in FIG. 4 in that, instead of the pattern element 66 and the second illumination device 76, a lighting device 78 is arranged in the beam shaping optical imaging region 30 next to the fiber end 26, the emitted light of the lighting device 78 the second sensor region 44 of the camera 38 is imaged in order to be able to determine a focus shift AZQ of the beam shaping optical system 32 by adjusting the imaging optical system 40 by a correction displacement path Adki. The lighting device 78, like the pattern element 66, may be offset in the direction of the optical axis of the beam shaping optics 32 to the fiber end 26, so that a chromatic aberration with respect to the emission light wavelength λκ of the lighting device 78 and the wavelength X L of the working laser beam 14 is compensated by the beam shaping optics 32 in that the working laser beam 14 is collimated by the beam shaping optical system 32 when a sharp imaging at the observation wavelength λ κ of the light emitted by the lighting device 78 takes place on the second sensor surface 44.
In Figur 6 ist eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes 10 gezeigt, bei welchem die erste Beleuchtungsvorrichtung 68 an einer Außenseite des Gehäuses 16 angebracht ist. FIG. 6 shows a greatly simplified schematic view of a laser processing head 10 in which the first illumination device 68 is attached to an outer side of the housing 16.
Es soll betont werden, dass die in den Figuren 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele des Laserbearbeitungskopfes 10 hinsichtlich der gezeigten Bauteile frei kombinierbar sind, die in den Figuren 1 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiele zeigen also lediglich besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und sollen nicht beschränkend für die Erfindung ausgelegt wer- den. Obwohl das in Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel einen Laserschneidkopf 10 zeigt, kann dieser Laserbearbeitungskopf 10 auch zum Laserschweißen eingesetzt werden. In gleicher Weise sind die in den Figuren 3 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiele der Laserbearbeitungsköpfe 10 dazu geeignet, für einen Laserschneidprozess eingesetzt zu werden. Darüber hinaus kann die erste Beleuchtungsvorrichtung 68, wie in Figur 3 gezeigt, bei dem in Figur 2 gezeigten Laserbearbeitungskopf 10 eingesetzt werden, um die Werkstückoberfläche zu beleuchten. Ferner kann die in Figur 6 gezeigte erste Beleuchtungsvorrichtung 68 in gleicher Weise dazu verwendet werden, zur Beleuchtung des Werkstücks bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Laserbearbeitungskopf 10 eingesetzt zu werden. It should be emphasized that the embodiments of the laser processing head 10 shown in Figures 1 to 5 are freely combinable with respect to the components shown, so the embodiments shown in Figures 1 to 6 show only particularly advantageous embodiments and are not designed to limit the invention - the. Although the embodiment shown in Figure 2 shows a laser cutting head 10, this laser processing head 10 can also be used for laser welding. Likewise, the embodiments of the laser processing heads 10 shown in FIGS. 3 to 6 are suitable for use in a laser cutting process. Moreover, as shown in FIG. 3, the first illumination device 68 may be used in the laser processing head 10 shown in FIG. 2 to illuminate the workpiece surface. Furthermore, the first illumination device 68 shown in FIG. 6 can likewise be used to illuminate the workpiece in the case of the laser processing head 10 shown in FIGS. 1 and 2.
Als Lichtquelle für die erste Beleuchtungsvorrichtung 68 eignet sich aufgrund der hohen Intensität eine Laserlichtquelle, wobei diese eine Halbleiterlaserdiode sein kann. Hierfür können AlGalnP-Laserdioden mit Multi-Quantum-Well-Strukturen verwendet werden, welche ein Abstrahlmaximum in einem Wellenlängenbereich zwischen 635nm und 670nm aufweisen. So kann beispielsweise eine Laserdiode mit einer Abstrahlwellenlänge von 658nm und einer Abstrahlleistung von 60 Milliwatt eingesetzt werden. As a light source for the first illumination device 68 is due to the high intensity, a laser light source, which may be a semiconductor laser diode. For this purpose, AlGalnP laser diodes with multi-quantum-well structures can be used, which have a radiation maximum in a wavelength range between 635nm and 670nm. For example, a laser diode with a radiation wavelength of 658 nm and a radiation power of 60 milliwatts can be used.
Als Lichtquelle der zweiten Beleuchtungsvorrichtung 76 und/oder der Leuchtvorrichtung 78 kann beispielsweise eine Halbleiterleuchtdiode oder eine LED eingesetzt werden, welche mit einem optischen Resonator versehen ist, wodurch die spontane Emission der Leuchtdiode durch den optischen Resonator verstärkt wird. Diese sogenannten RC-LEDs (resonant cavity light emitting diodes) weisen im Unterschied zu normalen Halbleiterleuchtdioden ein stark verengtes Emissionsspektrum mit einer Halbwertsbreite oder FWHM (füll width of half maximum) von etwa 5 bis 1 Onm auf. Bei Verwendung einer Laserdiode als erste Beleuchtungsvorrichtung 68 ist es hierbei von Vorteil, wenn aufgrund der Verwendung eines ähnlichen Materialsystems die Abstrahlcharakteristik der zweiten Beleuchtungsvorrichtung 76 oder der Leuchtvorrichtung 78 auf die Abstrahlcharakteristik der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 abgestimmt wird. As a light source of the second lighting device 76 and / or the lighting device 78, for example, a semiconductor light emitting diode or an LED can be used, which is provided with an optical resonator, whereby the spontaneous emission of the light emitting diode is amplified by the optical resonator. These so-called RC-LEDs (resonant cavity light emitting diodes) have, in contrast to normal semiconductor light-emitting diodes, a strongly narrowed emission spectrum with a half width or FWHM (filling width of half maximum) of about 5 to 1 onm. When using a laser diode as the first illumination device 68, it is advantageous if, due to the use of a similar material system, the emission characteristic of the second illumination device 76 or the illumination device 78 is matched to the emission characteristic of the first illumination device 68.
Für eine Minimierung eines Speckle-Effekts aufgrund der Beleuchtung durch eine Laserdiode bei der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 kann entweder die Kohärenz des Laserlichts aufgelöst oder durch eine schnelle zeitliche Variation der Speckle-Interferenzen in- nerhalb der Integrationszeit des Auges der Speckle-Kontrast verringert werden. Hierbei kann beispielsweise das Laserlicht der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 durch einen rotierenden Diffusor (nicht gezeigt) geleitet werden. Als Diffusor eignet sich beispielsweise eine Glasplatte mit einer rauen Oberfläche. In order to minimize a speckle effect due to illumination by a laser diode in the first illumination device 68, either the coherence of the laser light can be resolved or by rapid temporal variation of the speckle interferences. be reduced within the integration time of the eye, the speckle contrast. Here, for example, the laser light of the first illumination device 68 may be passed through a rotating diffuser (not shown). As a diffuser, for example, a glass plate with a rough surface is suitable.
Die bevorzugte Abstrahlwellenlänge des Lichts der ersten Beleuchtungsvorrichtung 68 liegt in einem Wellenlängenbereich zwischen 630nm und 670nm, wobei beispielsweise ein Intensitätsmaximum bei 640nm zweckmäßig ist. Die aus dem Faserende austretende Strahlung kann auch direkt betrachtet werden, das kann neben der Laserstrahlung auch die Strahlung der Pumpwellenlänge sein. The preferred emission wavelength of the light of the first illumination device 68 is in a wavelength range between 630 nm and 670 nm, with an intensity maximum at 640 nm, for example, being expedient. The radiation emerging from the fiber end can also be viewed directly, this can be in addition to the laser radiation and the radiation of the pump wavelength.
Der vor der Kamera 38, welche beispielsweise eine CMOS- oder CCD-Kamera ist, angeordnete Bandpassfilter 74 weist einen Wellenlängendurchlassbereich auf, der auf die zumindest lokalen Abstrahlmaxima des Lichts der ersten Beleuchtungs Vorrichtung 68 und/oder des Lichts der zweiten Beleuchtungsvorrichtung 76 und/oder des Lichts der Leuchtvorrichtung 78 angepasst ist. Hierbei ist die Halbwertsbreite oder FWHM (füll width at half maximum) des Wellenlängendurchlassbereichs des Filters 74 so zu wählen, dass gerade die Maxima der ersten und zweiten Beleuchtungsvorrichtung 68, 76 und/oder der Leuchtvorrichtung 78 innerhalb des Durchlassbereichs des optischen Bandpassfilters liegen. Hierbei ist die Halbwertsbreite vorzugsweise kleiner lOOnm, besonders bevorzugt kleiner 50nm und insbesondere kleiner 20nm. Der optische Bandpassfilter 78 ist vorzugsweise ein Fabry-Perot-Filter oder ein 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 78 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 12 mittels des Arbeitslaserstrahls 14 durch Schmelzen des Werkstückmaterials entsteht. Die Kamera 38 kann hierbei zur Erhöhung der Dynamik der aufgenommenen Kamerabilder ein HDR- Verfahren anwenden. Weiter ist es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn das emittierte Licht der zweiten Beleuchtungsvorrichtung 76 oder der Leuchtvorrichtung 78 in ihre Intensität relativ zur Beleuchtungsstärke, beispielsweise durch die erste Beleuchtungsvorrichtung 68 des Werkstücks 12 zeitlich variiert wird, um mittels eines Lock-in- Verfahrens die Abbildungen des Strahlfor- mungsoptikabbildungsbereichs 30 und der Werkstückoberfläche 20 auf den Sensorbereich 42, 44 der Kamera 38 trennen zu können. In diesem Falle können die Abbildungen der Werkstückoberfläche 20 und des Strahlformungsoptikabbildungsbereichs 30 auf den gleichen örtlichen Sensorbereich erfolgen, da die Abbildungen aufgrund der zeitlichen Varianz getrennt werden können. The bandpass filter 74 arranged in front of the camera 38, which is, for example, a CMOS or CCD camera, has a wavelength transmission range which points to the at least local emission maxima of the light of the first illumination device 68 and / or the light of the second illumination device 76 and / or the light of the lighting device 78 is adjusted. Here, the half width or FWHM (fill width at half maximum) of the wavelength passage range of the filter 74 is to be selected such that the maxima of the first and second illumination devices 68, 76 and / or the illumination device 78 are within the passband of the optical bandpass filter. In this case, the half-width is preferably less than 100 nm, particularly preferably less than 50 nm and in particular less than 20 nm. The optical bandpass filter 78 is preferably a Fabry-Perot filter or a Fabry-Perot etalon, this type of filter transmitting electromagnetic waves of a certain frequency range and extinguishing the remaining frequency components by interference. With regard to the half-value width of the optical bandpass filter 78, it is advantageous if this region is as narrow as possible in order to produce the least possible disruption of the camera image by process lights during operation of the laser processing head 10, which by machining the workpiece 12 by means of the working laser beam 14th produced by melting the workpiece material. In this case, the camera 38 can use an HDR method to increase the dynamics of the recorded camera images. Furthermore, it is inventively preferred if the emitted light of the second illumination device 76 or the lighting device 78 is varied in its intensity relative to the illuminance, for example by the first illumination device 68 of the workpiece 12 in time to lock images by means of a lock-in process - Mung optics imaging area 30 and the workpiece surface 20 to the sensor area 42, 44 of the camera 38 to be able to separate. In this case, the images of the workpiece surface 20 and the beam-forming optical imaging region 30 can be made to the same local sensor region because the images can be separated due to the temporal variance.
Durch den erfindungs gemäßen Laserbearbeitungskopf 10 wird also ein Laserschweißkopf oder Laserschneidkopf oder ein Laserbearbeitungskopf für weitere Bearbeitungsmöglichkeiten eines Werkstücks mittels eines Lasers bereitgestellt, bei welchem in einfacher Weise durch Verwendung lediglich eines Prozessbeobachtungssensors wie einer Kamera gleichzeitig eine Brennpunktverschiebung der Fokussieroptik sowie der Strahlformungsoptik bestimmt und durch ein Aktuatorsystem eine Fokusverschiebung des Arbeitslaserstrahls relativ zur Werkstückoberfläche kompensiert werden kann. By fiction, contemporary laser processing head 10 so a laser welding head or laser cutting head or a laser processing head is provided for further processing options of a workpiece by means of a laser in which in a simple manner by using only a process observation sensor such as a camera simultaneously determined a focus shift of the focusing optics and the beam shaping optics and by a Actuator system, a focus shift of the working laser beam relative to the workpiece surface can be compensated.
Claims
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102012001609.3 | 2012-01-26 | ||
| DE102012001609A DE102012001609B3 (en) | 2012-01-26 | 2012-01-26 | Laser processing head |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2013110467A1 true WO2013110467A1 (en) | 2013-08-01 |
Family
ID=47625434
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/EP2013/000228 Ceased WO2013110467A1 (en) | 2012-01-26 | 2013-01-25 | Laser machining head with focus control |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102012001609B3 (en) |
| WO (1) | WO2013110467A1 (en) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015131313A (en) * | 2014-01-10 | 2015-07-23 | 株式会社ジャパンユニックス | Laser soldering head |
| EP3095549A4 (en) * | 2015-03-20 | 2017-03-29 | Technology Research Association For Future Additive Manufacturing | Optical machining head, optical machining device, optical machining device control method, and optical machining device control program |
| CN108262567A (en) * | 2018-01-31 | 2018-07-10 | 河南机电职业学院 | Laser cutting machine control system |
| JP2020020045A (en) * | 2017-08-25 | 2020-02-06 | ツェーエル・シュッツレヒツフェアヴァルトゥングス・ゲゼルシャフト・ミト・べシュレンクテル・ハフツング | Device for additionally producing three-dimensional article |
| CN111246961A (en) * | 2017-11-07 | 2020-06-05 | 村田机械株式会社 | Laser processing machine and focus adjusting method |
| CN111992873A (en) * | 2014-11-19 | 2020-11-27 | 通快激光与系统工程有限公司 | Optical system for beam shaping |
| CN112162396A (en) * | 2020-10-22 | 2021-01-01 | 清华大学 | A laser manufacturing automatic focusing system |
| WO2021032387A1 (en) * | 2019-08-16 | 2021-02-25 | Precitec Gmbh & Co. Kg | Alignment unit, sensor module comprising same, and laser working system comprising the sensor module |
| CN113015594A (en) * | 2018-10-26 | 2021-06-22 | 百超激光有限公司 | Machining device for laser machining a workpiece and method for laser machining a workpiece |
| CN115008011A (en) * | 2022-07-12 | 2022-09-06 | 浙江大学 | A laser welding device with integrated adaptive OCT |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013008645B3 (en) | 2013-05-21 | 2014-08-21 | Alsitec S.A.R.L. | Machining head for laser processing apparatus used for processing workpiece, has light sensors to detect emerged measurement light that is partially incident on areas of optical surfaces of focusing lens and impinged on laser radiation |
| US11440141B2 (en) | 2013-09-13 | 2022-09-13 | Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg | Devices and methods for monitoring, in particular for regulating, a cutting process |
| DE102013218421A1 (en) * | 2013-09-13 | 2015-04-02 | Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg | Apparatus and method for monitoring, in particular for controlling, a cutting process |
| DE102013017795C5 (en) * | 2013-10-25 | 2018-01-04 | Lessmüller Lasertechnik GmbH | Process monitoring method and apparatus |
| DE102014000330B3 (en) | 2014-01-14 | 2015-03-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for monitoring and controlling the focus position of a laser beam during laser cutting |
| US11198193B2 (en) * | 2018-02-16 | 2021-12-14 | Universal Laser Systems, Inc. | Laser processing systems and associated methods of use and manufacture |
| RU2751404C1 (en) * | 2020-10-22 | 2021-07-13 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Laser apparatus for thermal treatment of bulk getters |
| DE102021101658B4 (en) | 2021-01-26 | 2022-10-06 | Precitec Gmbh & Co. Kg | Laser processing head with chromatic compensation device |
| US12479049B2 (en) | 2021-10-26 | 2025-11-25 | Ii-Vi Delaware, Inc. | System and method to measure and calibrate laser processing machine using low-power beam profiler |
| DE102021133670A1 (en) | 2021-12-17 | 2023-06-22 | Jenoptik Optical Systems Gmbh | Method for detecting a deviation of an optical axis of a beam expander to the direction of a working laser beam incident on the beam expander in a laser processing head, method and monitoring device for monitoring an alignment of an optical axis of a beam expander to the direction of a working laser beam incident on the beam expander in a laser processing head and laser system with a monitoring device |
| EP4494801A1 (en) | 2023-07-19 | 2025-01-22 | Bystronic Laser AG | Control of an optical system of a laser cutting machine for compensating thermal drift |
| DE102023121905A1 (en) * | 2023-08-16 | 2025-02-20 | TRUMPF Laser- und Systemtechnik SE | Device and method for cutting a workpiece by means of a laser beam |
| DE102024106057A1 (en) * | 2024-03-01 | 2025-09-04 | TRUMPF Laser SE | Method for correcting the image field plane of a scanner optics of a laser system |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01122688A (en) | 1987-11-05 | 1989-05-15 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Automatic focal distance adjusting device for lens for laser beam machining |
| DE9403822U1 (en) | 1994-03-08 | 1995-07-06 | Berkenhoff & Drebes GmbH, 35614 Aßlar | Monitoring device for laser radiation |
| DE19516376A1 (en) | 1995-05-04 | 1996-11-14 | Blz Gmbh | Method and device for checking and regulating the focal spot position during laser material processing |
| DE19925413A1 (en) | 1998-06-03 | 1999-12-16 | Suzuki Motor Co | Focal position detector of welding laser |
| DE19927803A1 (en) | 1999-06-11 | 2000-12-28 | Matthias Negendanck | Device for checking the focus position during laser beam welding |
| DE102007039878A1 (en) | 2006-08-18 | 2008-05-08 | Highyag Lasertechnologie Gmbh | Device for focusing a laser beam used during the modification of workpieces comprises a lens group which is mounted so that it can be moved in the axial direction and a further lens group fixed in relation to the other lens group |
| DE102007036556A1 (en) | 2007-08-03 | 2009-02-05 | Siemens Ag | Method for monitoring the focus position in laser beam machining processes |
| DE202010006047U1 (en) * | 2010-04-22 | 2010-07-22 | Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg | Beam shaping unit for focusing a laser beam |
| DE102009007769A1 (en) | 2009-02-05 | 2010-08-12 | BIAS - Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH | Laser processing head with integrated sensor device for focus position monitoring |
| WO2011009594A1 (en) | 2009-07-20 | 2011-01-27 | Precitec Kg | Laser machining head and method of compensating for the change in focal position of a laser machining head |
| DE102010020183A1 (en) * | 2010-05-11 | 2011-11-17 | Precitec Kg | Laser cutting head and method for cutting a workpiece by means of a laser cutting head |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1716963B1 (en) * | 2005-04-26 | 2008-10-22 | Highyag Lasertechnologie GmbH | Optical arrangement for remote laser machining which creates a 3D working area |
| JP4141485B2 (en) * | 2006-07-19 | 2008-08-27 | トヨタ自動車株式会社 | Laser processing system and laser processing method |
-
2012
- 2012-01-26 DE DE102012001609A patent/DE102012001609B3/en active Active
-
2013
- 2013-01-25 WO PCT/EP2013/000228 patent/WO2013110467A1/en not_active Ceased
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01122688A (en) | 1987-11-05 | 1989-05-15 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Automatic focal distance adjusting device for lens for laser beam machining |
| DE9403822U1 (en) | 1994-03-08 | 1995-07-06 | Berkenhoff & Drebes GmbH, 35614 Aßlar | Monitoring device for laser radiation |
| DE19516376A1 (en) | 1995-05-04 | 1996-11-14 | Blz Gmbh | Method and device for checking and regulating the focal spot position during laser material processing |
| DE19925413A1 (en) | 1998-06-03 | 1999-12-16 | Suzuki Motor Co | Focal position detector of welding laser |
| DE19927803A1 (en) | 1999-06-11 | 2000-12-28 | Matthias Negendanck | Device for checking the focus position during laser beam welding |
| DE102007039878A1 (en) | 2006-08-18 | 2008-05-08 | Highyag Lasertechnologie Gmbh | Device for focusing a laser beam used during the modification of workpieces comprises a lens group which is mounted so that it can be moved in the axial direction and a further lens group fixed in relation to the other lens group |
| DE102007036556A1 (en) | 2007-08-03 | 2009-02-05 | Siemens Ag | Method for monitoring the focus position in laser beam machining processes |
| DE102009007769A1 (en) | 2009-02-05 | 2010-08-12 | BIAS - Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH | Laser processing head with integrated sensor device for focus position monitoring |
| WO2011009594A1 (en) | 2009-07-20 | 2011-01-27 | Precitec Kg | Laser machining head and method of compensating for the change in focal position of a laser machining head |
| DE202010006047U1 (en) * | 2010-04-22 | 2010-07-22 | Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg | Beam shaping unit for focusing a laser beam |
| DE102010020183A1 (en) * | 2010-05-11 | 2011-11-17 | Precitec Kg | Laser cutting head and method for cutting a workpiece by means of a laser cutting head |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| F. HARAN; D. HAND; C. PETERS; J. JONES: "Real-time focus control in laser welding", MEAS. SCI. TECHNOL., 1996, pages 1095 - 1098, XP000631796, DOI: doi:10.1088/0957-0233/7/8/001 |
| G. HUI; O. FLEMMING OVE, AUTOMATIC OPTIMIZATION OF FOCAL POINT POSITION IN C02 LASER WELDING WITH NEURAL NETWORKS IN FOCUS CONTROL SYSTEM, 1997 |
Cited By (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015131313A (en) * | 2014-01-10 | 2015-07-23 | 株式会社ジャパンユニックス | Laser soldering head |
| CN111992873A (en) * | 2014-11-19 | 2020-11-27 | 通快激光与系统工程有限公司 | Optical system for beam shaping |
| CN111992873B (en) * | 2014-11-19 | 2022-08-02 | 通快激光与系统工程有限公司 | Optical system for beam shaping |
| EP3095549A4 (en) * | 2015-03-20 | 2017-03-29 | Technology Research Association For Future Additive Manufacturing | Optical machining head, optical machining device, optical machining device control method, and optical machining device control program |
| US9959613B2 (en) | 2015-03-20 | 2018-05-01 | Technology Research Association For Future Additive Manufacturing | Optical Processing head, optical processing apparatus, and control method and control program of optical processing apparatus |
| US11383441B2 (en) | 2017-08-25 | 2022-07-12 | Concept Laser Gmbh | Apparatus for additively manufacturing of three-dimensional objects |
| JP2020020045A (en) * | 2017-08-25 | 2020-02-06 | ツェーエル・シュッツレヒツフェアヴァルトゥングス・ゲゼルシャフト・ミト・べシュレンクテル・ハフツング | Device for additionally producing three-dimensional article |
| CN120461818A (en) * | 2017-08-25 | 2025-08-12 | 概念激光有限责任公司 | Device for additive manufacturing of three-dimensional objects |
| CN111246961A (en) * | 2017-11-07 | 2020-06-05 | 村田机械株式会社 | Laser processing machine and focus adjusting method |
| CN108262567B (en) * | 2018-01-31 | 2019-09-13 | 河南机电职业学院 | It is cut by laser machine control system |
| CN108262567A (en) * | 2018-01-31 | 2018-07-10 | 河南机电职业学院 | Laser cutting machine control system |
| CN113015594B (en) * | 2018-10-26 | 2022-09-23 | 百超激光有限公司 | Machining device for laser machining a workpiece and method for laser machining a workpiece |
| CN113015594A (en) * | 2018-10-26 | 2021-06-22 | 百超激光有限公司 | Machining device for laser machining a workpiece and method for laser machining a workpiece |
| JP2021536370A (en) * | 2018-10-26 | 2021-12-27 | バイストロニック レーザー アクチェンゲゼルシャフト | Machining equipment for laser machining the workpiece and method for laser machining the workpiece |
| JP6992214B2 (en) | 2018-10-26 | 2022-01-13 | バイストロニック レーザー アクチェンゲゼルシャフト | Machining equipment for laser machining the workpiece and method for laser machining the workpiece |
| CN112703079A (en) * | 2019-08-16 | 2021-04-23 | 普雷茨特两合公司 | Orientation unit, sensor module comprising an orientation unit and laser processing system comprising a sensor module |
| US20220297228A1 (en) * | 2019-08-16 | 2022-09-22 | Precitec Gmbh & Co. Kg | Alignment unit, sensor module comprising same, and laser working system comprising the sensor module |
| WO2021032387A1 (en) * | 2019-08-16 | 2021-02-25 | Precitec Gmbh & Co. Kg | Alignment unit, sensor module comprising same, and laser working system comprising the sensor module |
| DE102019122047B4 (en) | 2019-08-16 | 2024-06-13 | Precitec Gmbh & Co. Kg | Alignment unit, sensor module comprising the same and laser processing system comprising the sensor module |
| CN112162396B (en) * | 2020-10-22 | 2021-07-06 | 清华大学 | Laser manufacturing automatic focusing system |
| CN112162396A (en) * | 2020-10-22 | 2021-01-01 | 清华大学 | A laser manufacturing automatic focusing system |
| CN115008011A (en) * | 2022-07-12 | 2022-09-06 | 浙江大学 | A laser welding device with integrated adaptive OCT |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102012001609B3 (en) | 2013-02-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE102012001609B3 (en) | Laser processing head | |
| EP3924134B1 (en) | Laser machining system for machining a workpiece by means of a laser beam, and method for controlling a laser machining system | |
| EP2569122B1 (en) | Laser cutting head and method of cutting a workpiece using the laser cutting head | |
| DE102009007769B4 (en) | Laser processing head with integrated sensor device for focus position monitoring | |
| DE102009059245B4 (en) | Method and device for detecting and adjusting the focus of a laser beam in the laser machining of workpieces | |
| EP3003633B1 (en) | Device and method for determining the focus position of a high energy beam | |
| DE202019005861U1 (en) | Device for the controlled machining of a workpiece | |
| DE102017218494B4 (en) | Processing device and method for processing a workpiece, in particular by welding | |
| WO2015039741A1 (en) | Method for measuring the depth of penetration of a laser beam into a workpiece, and laser machining device | |
| DE102010015023B4 (en) | Method and device for quality assurance and process control in the laser machining of workpieces | |
| DE102013008645B3 (en) | Machining head for laser processing apparatus used for processing workpiece, has light sensors to detect emerged measurement light that is partially incident on areas of optical surfaces of focusing lens and impinged on laser radiation | |
| DE69721378T2 (en) | Laser focus control in processing operations of materials | |
| EP3525975A1 (en) | Method and device for determining and regulating a focal position of a machining beam | |
| DE102021101658B4 (en) | Laser processing head with chromatic compensation device | |
| DE102010027720A1 (en) | Methods and devices for position and force detection | |
| EP4087701A1 (en) | Method and device for the controlled machining of a workpiece by means of confocal distance measurement | |
| EP4088854A1 (en) | Method for comparing laser processing systems and method for monitoring a laser processing process and associated laser processing system | |
| DE10160623B4 (en) | Apparatus and method for monitoring a laser processing operation, in particular a laser welding operation | |
| DE102008056695B4 (en) | Laser processing head for processing a workpiece using a laser beam | |
| DE202009014893U1 (en) | Device for detecting and adjusting the focus of a laser beam in the laser machining of workpieces | |
| WO1991012923A1 (en) | Device for monitoring workpieces machined by laser beam | |
| DE102018126846A1 (en) | Machining device for laser machining a workpiece and method for laser machining a workpiece | |
| DE202010005013U1 (en) | Device for quality assurance and process control in the laser machining of workpieces | |
| DE102023116103B4 (en) | Laser processing head | |
| WO2024256223A1 (en) | Device for determining the focal position of a processing laser beam |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 13701919 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 13701919 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |