Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
LASER BEAM POSITIONING SYSTEM, LASER PROCESSING DEVICE AND CONTROL METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/197227
Kind Code:
A1
Abstract:
A method for controlling a laser processing device having at least one laser comprises: adjusting a beam path of the laser processing device by means of at least one deflecting element, in particular at least one rotatable mirror, such that a path point which can be generated by a laser beam following the beam path lies on a desired path or in an object; initially triggering the laser at a first time to generate a first laser spot; in particular continuously adjusting the beam path of the laser processing device by means of the at least one deflecting element, in particular the at least one rotatable mirror, such that a path point which can be generated by a laser beam following the beam path lies on the desired path; triggering the laser for the second time at a second time to generate a second laser spot, wherein the method comprises the following step prior to the second triggering: determining the second time on the basis of a target position and/or a first or later time derivative from this and/or a first or later time derivative of the actual position of the path point of the beam path along the path such that the position of the second laser spot has a desired distance from the position of the first laser spot along the path. The invention further relates to a corresponding laser processing device.

Inventors:
SCHMID, Gerald (Siemensstr. 2a, Puchheim, 82178, DE)
Application Number:
EP2019/058338
Publication Date:
October 17, 2019
Filing Date:
April 03, 2019
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SCANLAB GMBH (Siemensstr. 2a, Puchheim, 82178, DE)
International Classes:
B23K26/04; B23K26/06; B23K26/0622; B23K26/082; G02B26/10; G05B19/23
Foreign References:
US20080223837A12008-09-18
US20090206066A12009-08-20
DE112014005916T52016-09-08
DE102011078825A12013-01-10
DE102005039833A12007-03-01
DE102006012442A12007-04-05
US8426768B22013-04-23
Attorney, Agent or Firm:
WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UND RECHTSANWÄLTE PARTNERSCHAFT MBB (Schlotter, AlexanderZweibrückenstraße 5-7, München, 80331, DE)
Download PDF:
Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zum Steuern einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit mindestens einem Laser, aufweisend:

Einstellen eines Strahlengangs der Laserbearbeitungsvorrichtung mittels mindes tens eines Ablenkelements, insbesondere mindestens eines drehbaren Spiegels, so dass ein durch einen dem Strahlengang folgender Laserstrahl erzeugbarer Bahnpunkt auf einer gewünschten Bahn auf oder in einem Objekt liegt;

ein erstes Triggern des Lasers zu einem ersten Zeitpunkt, um einen ersten Laser spot zu erzeugen;

insbesondere kontinuierliches, Verstellen des Strahlengangs der Laserbearbei tungsvorrichtung mittels des mindestens einen Ablenkelements, insbesondere des mindestens einen drehbaren Spiegels, so dass ein durch den dem Strahlengang folgender Laserstrahl erzeugbarer Bahnpunkt auf der gewünschten Bahn liegt; ein zweites Triggern des Lasers zu einem zweiten Zeitpunkt, um einen zweiten Laserspot zu erzeugen;

wobei das Verfahren vor dem zweiten Triggern den folgenden Schritt aufweist:

Ermitteln des zweiten Zeitpunkts basierend auf einer Soll-Position und/oder einer ersten oder höheren Zeitableitung hiervon und/oder einer ersten oder höheren Zei tableitung der Ist-Position des Bahnpunktes des Strahlengangs entlang der Bahn, so dass die Position des zweiten Laserspots einen gewünschten Abstand zu der Position des ersten Laserspots entlang der Bahn hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zeitpunkt ein Zeitpunkt ist, zu dem der Bahnpunkt des Strahlengangs einen gewünschten Mindestabstand zu der Position des ersten Laserspots entlang der Bahn erreicht oder überschritten hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch: a) mindestens ein drittes Triggern des Lasers; und

b) Sicherstellen, dass die durch den Laserstrahl auf das Objekt abgegebene Energie pro Länge der Bahn im Wesentlichen einer gewünschten Verteilung entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Vertei lung vorgibt, dass die Energie pro Länge der Bahn im Wesentlichen konstant ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Vertei- lung vorgibt, dass die Energie pro Länge der Bahn auf Kurven der Bahn geringer ist als auf im Wesentlichen geraden Strecken der Bahn.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand von aufeinanderfolgenden Laserspots variiert wird, damit die Energie pro Länge der Bahn im Wesentlichen der gewünschten Verteilung entspricht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Laserstrahl auf das Objekt abgegebene Energie, um einen Laserspot zu erzeugen, für verschiedene Laserspots variiert wird, damit die Energie pro Länge der Bahn im Wesentlichen der gewünschten Verteilung entspricht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserspots eine Ausdehnung haben und die gewünschte Verteilung vorgibt, dass sich aufeinanderfolgende Laserspots nur bis zu einem maximalen vorgegebenen Maß überschneiden, vorzugsweise im Wesentlichen nicht überschneiden.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zeitpunkt basierend auf der ersten oder höheren Zeitableitung der Soll-Position oder der Ist- Position folgendermaßen ermittelt wird: Wiederholen der folgenden Schritte:

a) Aufintegrieren der ersten oder höheren Zeitableitung der Soll- oder Ist-Position über ein Zeitintervall, um einen ersten Abstand entlang der Bahn zu ermitteln; und

b) Vergleichen des ersten Abstands mit dem gewünschten Mindestabstand entlang der Bahn,

bis der erste Abstand dem gewünschten Mindestabstand entspricht oder den ge wünschten Mindestabstand entlang der Bahn überschritten hat; und

Bestimmen des zweiten Zeitpunkts im Wesentlichen aus der Summe der Zeitinter valle.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass weitere, auf den zwei ten Zeitpunkt folgende Zeitpunkte entsprechend der Ermittlung des zweiten Zeit punkts ermittelt werden, zusätzlich aber berücksichtigt wird, inwieweit der ge wünschte Mindestabstand bei der Ermittlung des vorangehenden Zeitpunkts über- schritten wurde.

1 1. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass weitere, auf den zwei ten Zeitpunkt folgende Zeitpunkte entsprechend der Ermittlung des zweiten Zeit punkts ermittelt werden, ohne zu berücksichtigen, inwieweit der gewünschte Min- destabstand bei der Ermittlung des vorangehenden Zeitpunkts überschritten wurde.

12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zeitpunkt basierend auf der Soll-Position folgendermaßen ermittelt wird: für einen gegebenen Zeitpunkt, Ermitteln, ob die Soll-Position, die dem gegebenen Zeitpunkt zugeordnet ist, einem Abstand entlang der Bahn entspricht, der dem ge wünschten Mindestabstand entspricht oder den gewünschten Mindestabstand ent lang der Bahn überschritten hat;

wenn ja, Verwenden des gegebenen Zeitpunkts als zweiten Zeitpunkt;

wenn nein, Hinzufügen eines Zeitintervalls zu dem gegebenen Zeitpunkt; und

Wiederholen der vorangehenden Schritte.

13. Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

14. Laserstrahlpositioniersystem, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.

15. Laserstrahlpositioniersystem zum Steuern einer Laserbearbeitungsvorrichtung, aufweisend:

mindestens ein Ablenkelement, insbesondere mindestens einen drehbaren Spie gel,

Mittel zum Ein- bzw. Verstellen, insbesondere zum kontinuierlichen Verstellen, des mindestens einen Ablenkelements, insbesondere des mindestens einen drehbaren Spiegels, um einen Strahlengang des Laserstrahlpositioniersystems so einzustellen bzw. zu verstellen, dass ein durch einen dem Strahlengang folgender Laserstrahl erzeugbarer Bahnpunkt auf einer gewünschten Bahn auf oder in einem Objekt liegt; Mittel zum Triggern eines mit dem Laserstrahlpositioniersystem zu benutzenden Lasers zu einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt, um einen ersten und einen zweiten Laserspot zu erzeugen; und

Mittel zum Ermitteln des zweiten Zeitpunkts basierend auf einer Soll-Position und/oder einer ersten oder höheren Zeitableitung hiervon und/oder einer ersten oder höheren Zeitableitung der Ist-Position des Bahnpunktes des Strahlengangs entlang der Bahn, so dass die Position des zweiten Laserspots einen gewünschten Abstand zu der Position des ersten Laserspots entlang der Bahn hat.

16. Laserbearbeitungsvorrichtung aufweisend:

ein Laserstrahlpositioniersystem nach Anspruch 14 oder 15; und

einen Laser.

Description:
Laserstrahlpositioniersystem, Laserbearbeitungsvorrichtung und Steuerungsverfahren

Die Erfindung betrifft ein Laserstrahlpositioniersystem, eine Laserbearbeitungsvorrich tung und ein Steuerungsverfahren.

Die US 8,426,768 B2 offenbart ein System zum Steuern eines Laserstrahls entlang einer gewünschten Bahn auf einem Werkstück. Der Laser kann zu gewünschten Zeitpunkten getriggert werden, damit entlang der Bahn in gewünschten Abständen Laserspots er zeugt werden. Der Strahlengang des Lasers wird dabei durch drehbare Spiegel abge lenkt, damit die Laserspots auf der gewünschten Bahn liegen. Hierbei wird die Ist- Position der Achsen der drehbaren Spiegel durch Messung ermittelt, woraus die Position des Strahlengangs des Lasers entlang der Bahn errechnet werden kann. Die so ermittel te Position des Strahlengangs entlang der Bahn bzw. der momentane Abstand zu einem zuvor erzeugten Laserspot wird anschließend mit einem gewünschten Abstand vergli chen. Wenn der aufgrund der Ist-Positionen ermittelte Abstand größer oder gleich dem gewünschten Abstand ist, wird der gepulste Laser getriggert, um einen Laserspot auf einem Werkstück zu erzeugen.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass das oben beschriebene Verfahren zumindest für manche Anwendungen unzureichend ist. Beispielsweise gibt es in der verarbeitenden Industrie das Bestreben, die Taktfrequenz des gepulsten Lasers zu erhöhen, also die zeitlichen Pulsabstände zu verkürzen, um die gesamte Bearbeitungs zeit eines Werkstücks zu verkürzen.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass bei dem oben beschriebe nen Verfahren relativ aufwändige, insbesondere zeitaufwändige, Berechnungen nötig sind, um den Abstand zwischen einem zuvor erzeugten Laserspot und der momentanen Position des Strahlengangs zu ermitteln. Hierzu ist es nämlich nötig, die momentanen Achspositionen der Spiegel, die X- und Y-Koordinaten darstellen, zu ermitteln und an schließend daraus die X- und Y-Koordinaten des Strahlengangs entlang der Bahn auf dem Werkstück zu berechnen. Daraus wird dann der Versatz in X- und Y-Richtung er rechnet. Anschließend werden die Quadrate dieser Versätze gebildet und aufsummiert. Die Summe der Quadrate wird schließlich mit dem Quadrat des gewünschten Abstands verglichen. Diese Berechnungen und der anschließende Vergleich werden durchgeführt, bis die Summe der Quadrate der momentanen Versätze in X- und Y-Richtung das Quad rat des gewünschten Abstands erreicht oder übertroffen haben. Der Laser wird dann ge triggert, um einen neuen Laserspot auf dem Werkstück zu erzeugen.

Obwohl ein moderner Prozessor die zuvor beschriebenen Berechnungen und den an schließenden Vergleich in relativ kurzer Zeit durchführen kann, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannt, dass das beschriebene Verfahren bei einer Verringe rung des Pulsabstandes, beispielsweise unter 10 ps und unter Umständen deutlich unter 10 ps, an seine Grenzen stößt.

Auch ist zu beachten, dass der Laser bei vielen Anwendungen nicht einfach mit einer gleichbleibenden Taktfrequenz getriggert werden kann. Bei vielen Anwendungen wird es z.B. gewünscht sein, dass Laserspots mit einem konstanten Abstand entlang der Bahn erzeugt werden. Ein mit einer gleichbleibenden Taktfrequenz getriggerter Laser würde aber im Allgemeinen nicht (bzw. nicht notwendigerweise) äquidistante Laserspots erzeu gen, wie später im Detail erläutert wird. Aus diesem Grund ist es in vielen Anwendungen nötig, die Zeitpunkte individuell zu ermitteln (berechnen), zu denen der Laser getriggert werden soll.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Steuern einer Laserbearbeitungsvorrichtung bereitzustellen. Insbesondere soll ermög licht werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einer höheren Taktfre quenz anwendbar ist als dies nach dem Stand der Technik möglich ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 , ein Computerprogrammprodukt ge mäß Anspruch 13 und ein Laserstrahlpositioniersystem gemäß Anspruch 14 und 15. Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Laserbearbei tungsvorrichtung mit mindestens einem Laser, aufweisend:

Einstellen eines Strahlengangs der Laserbearbeitungsvorrichtung mittels mindestens eines Ablenkelements, insbesondere mindestens eines drehbaren Spiegels, so dass ein durch einen dem Strahlengang folgender Laserstrahl erzeugbarer Bahnpunkt auf einer gewünschten Bahn auf oder in einem Objekt liegt; ein erstes Triggern des Lasers zu einem ersten Zeitpunkt, um einen ersten Laserspot zu erzeugen; insbesondere kontinuierliches Verstellen des Strahlengangs der Laserbearbeitungsvor richtung mittels des mindestens einen Ablenkelements, insbesondere des mindestens einen drehbaren Spiegels, so dass ein durch den dem Strahlengang folgender Laser strahl erzeugbarer Bahnpunkt auf der gewünschten Bahn liegt; ein zweites Triggern des Lasers zu einem zweiten Zeitpunkt, um einen zweiten Laser spot zu erzeugen; wobei das Verfahren vor dem zweiten Triggern den folgenden Schritt aufweist:

Ermitteln des zweiten Zeitpunkts basierend auf einer Soll-Position und/oder einer ersten oder höheren Zeitableitung hiervon und/oder einer ersten oder höheren Zeitableitung der Ist-Position des Bahnpunktes des Strahlengangs entlang der Bahn, so dass die Position des zweiten Laserspots einen gewünschten Abstand zu der Position des ersten Laser spots entlang der Bahn hat.

Im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Verfahren aus dem Stand der Technik wird für das Ermitteln des zweiten Triggerzeitpunkts eine Soll-Position und/oder eine erste oder höhere Zeitableitung hiervon (Soll-Geschwindigkeit, Soll-Beschleunigung etc.) und/oder eine erste oder höhere Zeitableitung der Ist-Position (Ist-Geschwindigkeit, Ist- Beschleunigung etc.) des Bahnpunktes des Strahlengangs entlang der Bahn benutzt. Insbesondere die Soll-Position und/oder eine Zeitableitung hiervon kann im Voraus be- kannt sein oder im Voraus ermittelt werden, so dass auch der zweite Triggerzeitpunkt im Voraus ermittelt werden kann; d.h. das Ermitteln des zweiten Triggerzeitpunkts kann be gonnen/durchgeführt werden, bevor der Bahnpunkt des Strahlengangs der Vorrichtung eine Position erreicht hat, an der ein Laserspot erzeugt werden soll. Dadurch kann das Erzeugen des zweiten Laserspots präziser werden (und somit die Verarbeitungsqualität eines Werkstücks erhöht werden) als es nach dem zuvor beschriebenen Verfahren aus dem Stand der Technik möglich ist und/oder die Taktfrequenz des Lasers erhöht werden. Weil beim Verfahren nach dem Stand der Technik gemessene Ist-Positionswerte der Berechnung zugrunde liegen, hat sich der Laserspot bei hohen Spotgeschwindigkeiten bzw. kurzen Pulsabständen während des Verarbeitens dieser Ist-Werte schon weiterbe wegt, so dass der tatsächliche Bahnpunkt des Strahlengangs zum Zeitpunkt des Trig- gerns des Lasers sich nicht mehr an der gewünschten Position befindet. Dieses Problem kann erfindungsgemäß reduziert oder eliminiert werden.

Das erfindungsgemäße Ermitteln des zweiten Zeitpunkts kann sogar noch vor dem ers ten Einstellen des Strahlengangs erfolgen.

Dennoch sieht der erste Aspekt der Erfindung auch vor, dass Ist-Werte für die Ermittlung des zweiten Triggerzeitpunkts herangezogen werden können. Allerdings wird hier nicht, wie im Stand der Technik, die Ist-Position des Bahnpunktes des Strahlengangs benutzt, sondern eine erste oder höhere Zeitableitung der Ist-Position des Bahnpunktes des Strahlengangs entlang der Bahn. Insbesondere bei der Verwendung der ersten Zeitablei tung der Ist-Position, also der Ist-Geschwindigkeit, kann sich der Rechenaufwand deut lich vereinfachen gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, so dass auch hier das Ermitteln des zweiten Triggerzeitpunkts zeitnah erfolgen kann. Es ergeben sich ähnliche Vorteile hinsichtlich einer erhöhten Taktfrequenz und/oder einem präziseren Positionieren der Laserspots wie bei der Verwendung der Soll-Position bzw. einer Zeitableitung hiervon.

Die Verwendung einer ersten oder höheren Zeitableitung der Soll-Position, insbesondere die Verwendung der Soll-Geschwindigkeit, vereint die Vorteile der Verwendung von Soll- Werten (Berechnung kann im Voraus erfolgen) und von Geschwindigkeitswerten (die für das Ermitteln des zweiten (Trigger-)Zeitpunkts nötigen Berechnungen vereinfachen sich).

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der zweite Zeitpunkt ein Zeitpunkt, zu dem der Bahnpunkt des Strahlengangs einen gewünschten Mindestabstand zu der Position des ersten Laserspots entlang der Bahn erreicht oder überschritten hat.

So kann vorteilhafterweise ein Mindestabstand vorgegeben werden, den die Laserspots einhalten sollen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Verfahren mindestens ein drittes Triggern des Lasers auf, und es wird sichergestellt, dass die durch den Laserstrahl auf das Objekt abgegebene Energie pro Länge der Bahn im Wesentlichen einer gewünschten Vertei lung entspricht.

Vorteilhafterweise kann also eine gewünschte Verteilung der abzugebenden Energie pro Länge der Bahn bei dem Triggern des Lasers berücksichtigt werden, was bei vielen Her stellungsprozessen von Bedeutung ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung gibt die gewünschte Verteilung vor, dass die Energie pro Länge der Bahn im Wesentlichen konstant ist.

So kann beispielsweise eine gleichmäßige Verarbeitung erreicht werden.

Die gewünschte Verteilung kann aber auch vorgeben, dass die Energie pro Länge der Bahn auf Kurven der Bahn geringer ist als auf im Wesentlichen geraden Strecken der Bahn.

Eine solche Energieverteilung kann bei verschiedenen Anwendungen gewünscht sein, beispielsweise um zu berücksichtigen, dass sich die durch die Laserspots auf ein Werk stück aufgebrachte Energie bei konstantem Abstand der Laserspots und konstanter Energie pro Laserspot in Kurven auf eine kleinere Fläche des Werkstücks konzentrieren würde als es bei vergleichsweise geraden Abschnitten der Bahn der Fall wäre. Entspre chend kann die Energie pro Länge der Bahn angepasst werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Abstand von aufeinanderfolgenden Laser spots variiert, damit die Energie pro Länge der Bahn im Wesentlichen der gewünschten Verteilung entspricht.

Beispielsweise kann durch ein Vergrößern des Abstandes erreicht werden, dass die Energie pro Länge der Bahn verringert wird.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die durch den Laserstrahl auf das Objekt abge gebene Energie, um einen Laserspot zu erzeugen, für verschiedene Laserspots zu vari ieren, damit die Energie pro Länge der Bahn im Wesentlichen der gewünschten Vertei lung entspricht.

Beispielsweise wird durch eine niedrigere Energie pro Laserspot die Energie pro Länge der Bahn reduziert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung haben die Laserspots eine Ausdehnung und die ge wünschte Verteilung gibt vor, dass sich aufeinanderfolgende Laserspots nur bis zu ei nem maximalen vorgegebenen Maß überschneiden, vorzugsweise im Wesentlichen nicht überschneiden.

Dies kann wiederum in Kurven von besonderem Vorteil sein. Angenommen die Laser spots haben einen konstanten Durchmesser D und die Zentren der Laserspots haben einen Abstand, der auch D entspricht. In diesem Fall sind auf geraden Bahnabschnitten die Laserspots so nahe wie möglich aneinander, ohne sich zu überschneiden. Soll dies auch für Kurvenabschnitte gelten, d.h. die Laserspots sollen so nahe wie möglich anei nander liegen, ohne sich zu überschneiden, dann müsste der Abstand der Zentren der Laserspots entlang der Bahn in Kurvenabschnitten vergrößert werden. Anderenfalls wür den sich Randbereiche der Laserspots aufgrund der Krümmung der Bahn überschnei den. Erfindungsgemäß kann dies bei der Beabstandung der Laserspots berücksichtigt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der zweite Zeitpunkt basierend auf der ersten oder höheren Zeitableitung der Soll-Position oder der Ist-Position folgendermaßen ermit telt:

Wiederholen der folgenden Schritte: a) Aufintegrieren der ersten oder höheren Zeitableitung der Soll- oder Ist-Position über ein Zeitintervall, um einen ersten Abstand entlang der Bahn zu ermitteln; und b) Vergleichen des ersten Abstands mit dem gewünschten Mindestabstand entlang der Bahn, bis der erste Abstand dem gewünschten Mindestabstand entspricht oder den ge wünschten Mindestabstand entlang der Bahn überschritten hat; und

Bestimmen des zweiten Zeitpunkts im Wesentlichen aus der Summe der Zeitinter valle.

Gemäß dieser Ausgestaltung kann das Bestimmen des zweiten Zeitpunkts gegenüber dem oben beschriebenen Verfahren aus dem Stand der Technik vereinfacht werden. Während im Stand der Technik das Addieren von Quadraten der X- und Y-Koordinaten nötig ist, kann erfindungsgemäß eine erste oder höhere Zeitableitung aufintegriert wer den, was im Allgemeinen weniger Rechenaufwand darstellt als im Stand der Technik.

In dieser Ausgestaltung werden die Schritte des Aufintegrierens und des Vergleichens so lange wiederholt, bis der errechnete Abstand entlang der Bahn dem gewünschten Min destabstand entspricht. Dieser Mindestabstand ist sozusagen der Abstand, den die La serspots im Idealfall haben. Je nach Größe des gewählten Zeitintervalls, das für die In tegration benutzt wird, ist es aber eher wahrscheinlich, dass der aus dem iterativen Auf integrieren und Vergleichen resultierende erste Abstand etwas größer als der gewünsch te Mindestabstand sein wird. Entsprechend wird der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Laserspot (geringfügig) größer sein als der gewünschte Mindestabstand. Durch ein geeignet kurzes Zeitintervall, das für die Integration benutzt wird, kann diese Abwei chung aber sehr gering gehalten werden, so dass sich der geringfügig vergrößerte Ab stand nicht negativ auf das Gesamtergebnis auswirkt.

Gleichwohl kann die Abweichung, die bei der Ermittlung eines Triggerzeitpunkts entstan den ist, bei der Ermittlung des darauffolgenden Triggerzeitpunkts berücksichtigt werden. Dies bedeutet, dass bei der Ermittlung des darauffolgenden Zeitpunkts das Aufintegrie ren nicht wieder bei Null anfängt, sondern bei einem Wert, der der Abweichung aus dem Ermitteln des vorangehenden Zeitpunkts entspricht. Auf diese Weise kann erreicht wer den, dass die durchschnittliche Abweichung, also der Betrag, um den die ermittelten Ab stände den gewünschten Mindestabstand übertreffen, gering gehalten wird.

Als Alternative hierzu können weitere, auf den zweiten Zeitpunkt folgende, Zeitpunkte entsprechend der Ermittlung des zweiten Zeitpunkts ermittelt werden, ohne zu berück sichtigen, inwieweit der gewünschte Mindestabstand bei der Ermittlung des vorangehen den Zeitpunkts überschritten wurde.

Hierdurch kann der Rechenaufwand besonders gering gehalten werden. Diese Variante kann insbesondere dann gewählt werden, wenn höchste Präzision, also ein genauest- mögliches Angleichen der tatsächlichen Abstände der Laserspots an den gewünschten Mindestabstand, nicht nötig ist und die Minimierung des Rechenaufwands Vorrang hat.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der zweite Zeitpunkt basierend auf der Soll- Position folgendermaßen ermittelt: für einen gegebenen Zeitpunkt, Ermitteln, ob die Soll-Position, die dem gegebenen Zeit punkt zugeordnet ist, einem Abstand entlang der Bahn entspricht, der dem gewünschten Mindestabstand entspricht oder den gewünschten Mindestabstand entlang der Bahn überschritten hat; wenn ja, Verwenden des gegebenen Zeitpunkts als zweiten Zeitpunkt; wenn nein, Hinzufügen eines Zeitintervalls zu dem gegebenen Zeitpunkt; und Wiederholen der vorangehenden Schritte.

Obwohl nach dieser Ausgestaltung Positionswerte bei der Ermittlung des zweiten Trig gerzeitpunkts benutzt werden, hat diese Ausgestaltung dennoch Vorteile über den oben beschriebenen Stand der Technik, weil das Verfahren auf Soll-Werten und nicht auf ge messenen Ist-Werten beruht. Somit kann der zweite Triggerzeitpunkt im Voraus ermittelt werden, also noch (deutlich) vor einem Zeitpunkt, zu dem die Achsen der Drehspiegel Positionen entsprechend dieser Soll-Positionen annehmen. Im Stand der Technik wird der zweite Triggerzeitpunkt erst dann ermittelt, wenn die Achsen der Drehspiegel bereits solche Positionen angenommen haben.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit einem Pro grammcode, der auf einem von einem computerlesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren.

Dies kann beispielsweise bei der Nachrüstung eines bereits existierenden Laserstrahl positioniersystems zum Einsatz kommen.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Laserstrahlpositioniersystem, welches dazu eingerichtet ist, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass der eigentliche Laser einen Teil des Laserstrahlpositi oniersystems darstellen kann, dass sich die Erfindung aber auch auf Laserstrahlpositio niersysteme erstreckt, die selbst keinen Laser aufweisen. Ein solches Laserstrahlpositio niersystem kann als im Wesentlichen selbständiges System, also ohne Laser, hergestellt werden. Der zu steuernde Laser kann separat bereitgestellt werden. Ein solches Laser strahlpositioniersystem würde aber geeignete Mittel aufweisen, um einen mit dem Laser strahlpositioniersystem zu verwendenden Laser zu geeigneten Zeitpunkten zu triggern.

Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Laserstrahlpositioniersystem zum Steuern einer Laserbearbeitungsvorrichtung, aufweisend:

mindestens ein Ablenkelement, insbesondere mindestens einen drehbaren Spiegel, Mittel zum Ein- bzw. Verstellen, insbesondere zum kontinuierlichen Verstellen, des min destens einen Ablenkelements, insbesondere des mindestens einen drehbaren Spiegels, um einen Strahlengang des Laserstrahlpositioniersystems so einzustellen bzw. zu ver stellen, dass ein durch einen dem Strahlengang folgender Laserstrahl erzeugbarer Bahnpunkt auf einer gewünschten Bahn auf oder in einem Objekt liegt;

Mittel zum Triggern eines mit dem Laserstrahlpositioniersystem zu benutzenden Lasers zu einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt, um einen ersten und einen zweiten La serspot zu erzeugen; und

Mittel zum Ermitteln des zweiten Zeitpunkts basierend auf einer Soll-Position und/oder einer ersten oder höheren Zeitableitung hiervon und/oder einer ersten oder höheren Zei tableitung der Ist-Position des Bahnpunktes des Strahlengangs entlang der Bahn, so dass die Position des zweiten Laserspots einen gewünschten Abstand zu der Position des ersten Laserspots entlang der Bahn hat.

Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die einen Laser und eines der oben beschriebenen Laserstrahlpositioniersysteme aufweist.

Die in Bezug auf bevorzugte Ausgestaltungen eines der Aspekte der Erfindung erläuter ten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für andere Aspekte der Erfindung.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:

Fig. 1 eine Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung;

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung bzw. Variante der Laserbearbeitungsvorrich tung der Fig. 1 ;

Fig. 3 die Berechnung eines Triggerzeitpunkts nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 4 ein Geschwindigkeitsprofil nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 einen Positionsverlauf nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung;

Fig. 6 eine Bahn mit Laserspots nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden

Erfindung;

Fig. 7 eine Bahn mit Laserspots nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden

Erfindung; und

Fig. 8 einen Verfahrensablauf nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden

Erfindung.

Die in Fig. 1 gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 10 weist einen gepulsten Laser 2 auf. Dieser kann, wenn er getriggert wird, einen Laserstrahl 3 erzeugen. Je nach Imple mentierung kann der Laserstrahl optional, wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt, durch einen Strahlaufweiter 15 geleitet werden, der den Laserstrahl 3 aufweitet. In dem gezeig ten Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl anschließend durch eine Fokussiereinrich tung 4b geleitet, die den Laserstrahl 3 fokussieren kann. Auch diese Fokussiereinrich tung ist optional. In Fig. 1 ist die Fokussiereinrichtung 4b durch eine Linse dargestellt, sie kann aber auch z.B. mehrere Linsen aufweisen. Gegebenenfalls kann eine Linse der Fokussiereinrichtung 4b entlang der Achse des Laserstrahls verschiebbar sein, wie durch den Doppelpfeil angedeutet. Dadurch kann die Position des Fokuspunktes des Laserstrahls gewählt bzw. verändert werden.

Der Laserstrahl 3 trifft anschließend auf einen drehbaren Spiegel 4a, der den Laserstrahl 3 ablenkt. Nach dem Ablenken durch den drehbaren Spiegel 4a trifft der Laserstrahl 3 auf einen weiteren, drehbaren Ablenkspiegel 4, der ihn in Richtung eines Objekts 6 ab lenkt. Die drehbaren Spiegel 4, 4a sind Teil eines Laserstrahlpositioniersystems 1 , zu dem un ter anderem auch ein Objektiv 30 gehören kann, wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. In dem dargestellten Beispiel sind die Ablenkspiegel 4, 4a so angeordnet, dass sie sich um Achsen drehen können, die einen 90° Winkel einschließen. Andere Winkel wären auch denkbar, aber die Wahl eines 90° Winkels kann es vereinfachen, die Position des Fokuspunktes aus den Achspositionen der Spiegel zu berechnen. Die dreh baren Ablenkspiegel 4, 4a können beispielsweise mittels Galvanometerantrieben gedreht werden.

Der durch die Spiegel 4, 4a abgelenkte Laserstrahl trifft anschließend auf ein Objekt 6. In Fig. 1 ist der Teil des Laserstrahls 3, der durch die Spiegel 4, 4a abgelenkt wurde, mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet.

In Fig. 1 ist für den abgelenkten Teil 5 des Laserstrahls ein Fokuspunkt 8 eingetragen. Auf diesen Punkt wird der Laserstrahl 5 durch die Fokussiereinrichtung 4b fokussiert. Wie in Fig. 1 gezeigt, kann dieser Fokuspunkt, wie dargestellt, auf der Oberfläche des Objekts 6 liegen, also auf dem Objekt 6. Es ist aber auch möglich, dass der Laserstrahl 5 so durch die Fokussiereinrichtung 4b fokussiert werden kann, dass der Fokuspunkt in dem Objekt 6 liegt. Letzteres kann beispielsweise bei einem Objekt 6 angewendet wer den, welches für die elektromagnetische Strahlung, die der Laser 2 erzeugen kann, zu mindest teilweise durchlässig ist.

Wenn der Laser 2 getriggert wird, erzeugt der Laser 2 bzw. der Laserstrahl 3, 5 einen Laserspot an der Stelle des Fokuspunktes 8. Wird der Laser 2 mehrmals hintereinander getriggert, entsteht eine Reihe von Laserspots in oder auf dem Objekt 6. Zur Vereinfa chung wird im Folgenden auch für den oder die Laserspots das Bezugszeichen 8 be nutzt.

Durch die Ablenkspiegel 4, 4a und, falls vorhanden, die Fokussiereinrichtung 4b wird ein Strahlengang für den Laser 2 definiert. Für den Strahlengang wird im Folgenden das Bezugszeichen 40 benutzt, obwohl dieses nicht in den Zeichnungen gezeigt ist. Der Strahlengang 40 entspricht einer Linie, entlang welcher der Laserstrahl 3, 5, ausgehend von dem Laser 2, propagieren würde, wenn der Laser 2 getriggert wäre. Der Strahlen- gang ist also auch zu solchen Zeiten definiert, zu denen der Laser 2 nicht getriggert wird. Ebenso kann man den Strahlengang 40 als definiert ansehen, wenn der Laser 2 nicht vorhanden ist, weil der Strahlengang insbesondere durch die Ablenkspiegel 4, 4a und gegebenenfalls die Fokussiereinrichtung 4b festgelegt wird.

Wenn die Spiegel 4, 4a und gegebenenfalls die Fokussiereinrichtung 4b verstellt werden, ändert sich der Strahlengang 40 und somit die Position des Fokuspunktes 8. Der Strah lengang 40 bzw. der Fokuspunkt 8 beschreibt somit eine Bahn, die zumindest teilweise, insbesondere komplett, in oder auf dem Objekt 6 liegt. Entlang dieser Bahn befinden sich einzelne Bahnpunkte, die nachfolgend beschrieben werden und für die auch das Be zugszeichen 8 verwendet wird.

Das Laserstrahlpositioniersystem 1 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Steuerung 20 auf. Durch diese können insbesondere die Ablenkspiegel 4 bzw. 4a und die Fokussiereinrichtung 4b gesteuert und/oder deren (Achs-)positionen ermittelt wer den. Die Steuerung 20 kann, wie in Fig. 1 gezeigt, mit dem Laser 2 verbunden werden, insbesondere sein. Auf diese Weise kann der Laser 2 zu geeigneten Zeitpunkten getrig gert werden.

Die Erfindung ist nicht auf die in Fig.1 gezeigte Implementierung beschränkt. Insbeson dere kann die gesamte Steuerung 20 für die Spiegel 4, 4a, die Fokussiereinrichtung 4b und den Laser 2 in das Gehäuse integriert sein, in dem sich die Spiegel 4, 4a befinden, oder die Steuerung 20 der Spiegel 4, 4a, der Fokussiereinrichtung 4b und des Lasers 2 kann, wie in Fig. 1 gezeigt, zumindest teilweise außerhalb eines solchen Gehäuses lie gen.

Unabhängig von der Implementierung können die Spiegel 4, 4a, und die Steuerung 20, gegebenenfalls mit anderen optischen Elementen, als Laserstrahlpositioniersystem an gesehen werden. Es sei nochmals betont, dass der Laser 2 nicht oder zumindest nicht notwendigerweise ein Teil dieses Systems ist. Das Laserstrahlpositioniersystem 1 kann separat zur Verfügung gestellt werden, zur Verwendung mit einem Laser 2. Die Kombi nation von Laserstrahlpositioniersystem 1 und Laser 2 kann als Laserbearbeitungsvor richtung 10 angesehen werden. Nach einer Variante der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wäre es möglich, dass das La serstrahlpositioniersystem nur einen der Ablenkspiegel 4, 4a aufweist, der nur um eine Achse drehbar ist. In diesem Fall hätte der Strahlengang einen Freiheitsgrad weniger.

Wie in Fig. 1 gezeigt kann das Objekt 6 optional auf einem, insbesondere verfahrbaren, Tisch 9 positioniert sein, wodurch sich das Objekt 6 beispielsweise in einer oder mehre ren der in Fig. 1 durch die Pfeile X, Y (und gegebenenfalls Z) angedeuteten Richtungen bewegen lässt. Geeignete verfahrbare Tische oder ähnliches sind dem Fachmann be kannt.

Als weitere Variante ist es möglich, statt Ablenkspiegel 4, 4a andere Ablenkelemente einzusetzen. Hierfür kämen insbesondere Lichtwellenleiter oder Prismen in Betracht. Ebenso wäre es möglich, verschiedene Arten von Ablenkelementen miteinander zu kombinieren, zum Beispiel einen Spiegel mit einem Lichtwellenleiter. Mindestens eines der Ablenkelemente muss aber hinsichtlich seiner Position, Orientierung oder Form (ins besondere im Falle eines Lichtleiters) verstellbar/veränderbar sein, so dass der Strah lengang der Laserbearbeitungsvorrichtung entsprechend verstellt werden kann.

Fig. 2 kann als Variante der Fig. 1 angesehen werden bzw. als vereinfachte Darstellung der Fig. 1. In Fig. 2 ist wiederum ein gepulster Laser 2 dargestellt, von dem ein Laser strahl ausgehen kann, der durch ein Ablenkelement 4, beispielsweise einen Spiegel, in Richtung eines Objekts 6 abgelenkt werden kann. Der Spiegel ist Teil des Laserstrahlpo sitioniersystems 1 , welches auch eine Steuerung 20 aufweist. Diese kann über eine ge eignete Steuerleitung 21 den Laser triggern.

Der Ablenkspiegel 4 steht hier stellvertretend für ein oder mehrere Ablenkelemente.

Der durch den Ablenkspiegel 4 abgelenkte Laserstrahl ist wiederum mit dem Bezugszei chen 5 gekennzeichnet. Dort, wo der Laserstrahl 5 auf das Objekt 6 trifft, entsteht ein Laserspot 8. Der Strahlengang der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 wird durch geeigne te Steuerung des Ablenkspiegels 4 so verstellt, dass er eine Bahn 7 auf dem Objekt 6 beschreibt. Durch kontinuierliches Verstellen des mindestens einen Ablenkspiegels 4 entsteht eine kontinuierliche Bahn 7, wie in Fig. 2 gezeigt. Weil der Laser 2 aber nur zu bestimmten Zeitpunkten getriggert wird, bilden die so erzeugten Laserspots eine Reihe von beab- standeten Punkten, die aber in Realität eine gewisse Ausdehnung haben werden. Auf grund dieser Ausdehnung kann es - je nach Implementierung - durchaus Vorkommen, dass sich die Laserspots überschneiden.

Es wird nun beschrieben, wie die Zeitpunkte ermittelt werden, zu denen der Laser 2 ge triggert wird. In diesem Zusammenhang sind vorzugsweise die Zentren der Laserspots gemeint, wenn es um die Position der Laserspots bzw. den Abstand zwischen zwei be nachbarten Laserspots geht.

Es werden nun drei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei allen wird angenommen, dass die Ablenkelemente 4 so eingestellt bzw. verstellt werden, dass ein durch einen dem Strahlengang 40 folgender Laserstrahl 3, 5 erzeugbarer Bahnpunkt 8 auf einer gewünschten Bahn 7 auf oder in dem Objekt 6 liegt.

Ausführunqsbeispiel 1 : Soll-Geschwindigkeit

Die Ablenkspiegel 4 werden so gesteuert, dass der Strahlengang die gewünschte Bahn 7 beschreibt. Insbesondere bei der Verwendung von schleppfehlerfreien Positionsreglern für die Ablenkspiegel 4 kann aus der Steuerung der Ablenkspiegel 4 die Position be stimmt werden, die der Strahlengang auf der gewünschten Bahn 7 zu verschiedenen Zeitpunkten einnehmen wird. Es handelt sich hier also nicht um eine (gemessene) Ist- Position entweder der Ablenkspiegel 4 oder des Strahlengangs 40 entlang der ge wünschten Bahn. Vielmehr kann aus der Steuerung die Soll-Position des Strahlengangs auf der gewünschten Bahn ermittelt werden, insbesondere noch bevor die Positionsreg ler der Ablenkspiegel 4 angesteuert werden. In an sich bekannter Weise kann daraus auch die Soll-Geschwindigkeit Vs 0 n entlang der Bahn ermittelt werden. Diese Soll- Geschwindigkeit kann durch einen Skalar dargestellt werden, weil die Bewegungsrich tung ohnehin durch die Vorgabe der gewünschten Bahn vorgegeben ist. Das Verfahren nach diesem Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Soll- Geschwindigkeit in kleinen Zeitintervallen aufintegriert wird. Die Integrationsschritte kön nen beispielsweise 10 ns betragen. In jedem Fall ist es wünschenswert, dass das Integ rationszeitintervall wesentlich kürzer ist als der zu erwartende zeitliche Abstand der Trig gerpulse.

Das Aufintegrieren der Soll-Geschwindigkeit entlang der Bahn wird durch Fig. 3 veran schaulicht. Auf der horizontalen Achse ist die Zeit seit dem letzten Triggerzeitpunkt auf getragen. Auf der vertikalen Achse ist die Position entlang der Bahn bzw. der Abstand zum vorangehenden Laserspot entlang der Bahn aufgetragen.

Je nach Anwendung wäre ein bestimmter gewünschter (streckenmäßiger) Abstand ent lang der Bahn zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserspots, die erzeugt werden sol len, vorgegeben. Dieser Abstand ist mit A gekennzeichnet. Die Soll-Geschwindigkeit ent lang der Bahn wird nun (insbesondere numerisch) über ein erstes Zeitintervall t1 inte griert, um daraus einen ersten Abstand A1 zu ermitteln. Dieser Abstand A1 wird mit dem gewünschten Abstand A verglichen. Flat der Abstand A1 den gewünschten Abstand A noch nicht erreicht, wird das Verfahren fortgesetzt bzw. wiederholt, d.h. die Integration der Soll-Geschwindigkeit entlang der Bahn wird in einem zweiten Zeitintervall t2 fortge setzt und das Ergebnis wiederum mit dem gewünschten Abstand A verglichen. Die zeitli chen Integrationsintervalle t1 bis tn können dabei alle gleich oder auch verschieden groß sein. Die Integration wird so lange fortgesetzt, bis der durch die Integration ermittelte Abstand entlang der Bahn den gewünschten Abstand A erreicht bzw. überschritten hat. Dies ist in Fig. 3 nach dem Integrationsintervall t7 der Fall.

In vielen Fällen wird die durch die Integration ermittelte Strecke entlang der Bahn den gewünschten Abstand A nicht exakt erreichen, sondern - je nach Wahl des Integrations intervalls - geringfügig übertreffen. Sobald die durch die Integration ermittelte Strecke entlang der Bahn den gewünschten Abstand A erreicht oder überschritten hat (A7), kann durch Aufsummieren der bei der Integration verwendeten Zeitintervalle t1 bis t7 der Zeit punkt für das Triggern des Lasers 2 ermittelt werden bzw. der zeitliche Abstand zwi schen einem ersten Triggern des Lasers 2 und einem darauffolgenden, zweiten Triggern des Lasers 2. Die zwei durch das erste und zweite Triggern erzeugten Laserspots wer- den dann den gewünschten Abstand A haben bzw. einen Abstand A‘ (A7 in Fig. 3), der den gewünschten Abstand A um eine Abstandsdifferenz dA (geringfügig) übertreffen wird.

Wenn das Verfahren fortgesetzt wird, um den Triggerzeitpunkt für einen dritten Laser spot zu ermitteln, kann die Abstandsdifferenz dA berücksichtigt werden. So kann die In tegration bzw. das Aufsummieren mit einem von Null verschiedenen Anfangswert begin nen, wobei dieser Anfangswert dem Differenzabstand dA entspricht. Dies hat zur Folge, dass der gewünschte Abstand A schneller erreicht wird als es allein aufgrund des Aufin- tegrierens der Soll-Geschwindigkeit entlang der Bahn über die Integrationszeitintervalle der Fall wäre. Dies wiederum bedeutet, dass das Zeitintervall bis zum dritten Triggerzeit punkt des Lasers 2 und somit auch der (streckenmäßige) Abstand entlang der Bahn zwi schen den zweiten und dritten Laserspots etwas verkleinert wird. Insbesondere kann der streckenmäßige Abstand zwischen den zweiten und dritten Laserspots dann unter Um ständen (geringfügig) kleiner als der gewünschte Abstand A sein. Es ist zu erwarten, dass sich die Abweichungen der Abstände von dem gewünschten Abstand A im Mittel ausgleichen, so dass der durchschnittliche Abstand näherungsweise dem gewünschten Abstand entspricht.

Das Verfahren kann für weitere Triggerzeitpunkte bzw. Laserspots entsprechend fortge führt werden.

Dieses Ausführungsbeispiel sieht auch vor, dass das Verfahren entsprechend angepasst werden kann, wenn die gewünschten Abstände entlang der Bahn zwischen zwei aufei nanderfolgenden Laserspots nicht konstant sind.

Ausführunqsbeispiel 2: Ist-Geschwindigkeit

Das Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist dem des ersten sehr ähnlich. Der Flauptunterschied ist, dass der Integration nicht die Soll-Geschwindigkeit zugrunde liegt, sondern die Ist-Geschwindigkeit V |St . Die Ist-Geschwindigkeit entlang der Bahn kann durch Messung der momentanen Achspositionen der Ablenkspiegel 4 ermittelt werden. Variante: Höhere Zeitableitunqen

Als Variante zu den Ausführungsbeispielen 1 und 2 können statt der Soll- Geschwindigkeit bzw. Ist-Geschwindigkeit entlang der Bahn auch höhere Zeitableitungen der Soll-Position bzw. der Ist-Position entlang der Bahn bei der Integration benutzt wer den. Entsprechend müsste in einem solchen Fall mehrmals integriert werden, damit das Resultat der Integration der Strecke entlang der Bahn entspricht.

Ausführunqsbeispiel 3: Soll-Position

Das dritte Ausführungsbeispiel ist dem ersten dahingehend ähnlich, dass wiederum Soll- Werte, die sich aus der Steuerung der Ablenkelemente 4 ergeben, benutzt werden und nicht (gemessene) Ist-Werte. Allerdings wird im dritten Ausführungsbeispiel nicht die Soll-Geschwindigkeit benutzt, sondern die Soll-Position. Das Aufintegrieren entfällt in diesem Fall. Stattdessen wird nach einem ausreichend kleinen Zeitintervall, welches vor zugsweise wiederum deutlich kleiner ist als der zu erwartende zeitliche Pulsabstand, geprüft, ob die Soll-Position entlang der Bahn einem Abstand (in Bezug auf einen voran gehenden Laserspot) entlang der Bahn entspricht, der dem gewünschten Abstand der Laserspots entspricht oder den gewünschten Abstand entlang der Bahn überschritten hat. Sobald dies der Fall ist, kann daraus der zu benutzende Triggerzeitpunkt ermittelt werden. Ansonsten wird ein Zeitintervall hinzugefügt und wieder verglichen.

Wie bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel kann auch bei dem dritten Ausfüh rungsbeispiel berücksichtigt werden, inwieweit der gewünschte Abstand zwischen zwei Laserspots überschritten wurde, d.h. es kann wiederum ein Differenzabstand dA ermittelt werden. Dies hat wiederum zur Folge, dass beim Ermitteln des darauffolgenden Trigger zeitpunkts der gewünschte Abstand A schneller erreicht wird, als dies nur aufgrund der Soll-Positionen entlang der Bahn der Fall wäre. Dadurch kann sich wiederum der tat sächliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Laserspots den gewünschten Ab ständen zwischen diesen Laserspots im Mittel angleichen.

Varianten In einer ersten Variante zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wäre es möglich, aufeinanderfolgende Triggerzeitpunkte zu ermitteln, ohne zu berücksichtigen, inwieweit ein vorangehender Laserspot den gewünschten Abstand überschritten hat. Dies kann den Rechenaufwand vereinfachen, weil kein„Übertrag“ von der Berechnung eines vorangehenden Triggerzeitpunkts für das Ermitteln eines nachfolgenden Trigger zeitpunkts berücksichtigt werden muss. Die Berechnung fängt sozusagen jedes Mal bei „Null“ an. Dabei ist allerdings zu erwarten, dass die ermittelten Abstände zwischen den Laserspots (geringfügig) größer sein werden als die gewünschten Abstände zwischen diesen.

Nach einer zweiten Variante zu den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen werden die für die Integration benutzten Soll- oder Ist-Geschwindigkeitswerte interpoliert, insbe sondere linear interpoliert. Dabei kann ein zeitlicher Abstand zwischen zwei solchen In terpolationszeitpunkten deutlich größer sein als die Dauer eines der Integrationsinterval le. Die Zeitpunkte, zwischen welchen interpoliert wird, können beispielsweise durch eine Taktfrequenz einer Steuerkarte des Laserstrahlpositioniersystems vorgegeben sein. In einer Ausführungsform kann diese Taktfrequenz beispielsweise wenige Mikrosekunden, beispielsweise 10 ps, betragen, während ein Integrationsintervall beispielsweise wenige Nanosekunden, beispielsweise 5 bis 20 ns, betragen kann. Für jedes Integrationszeitin tervall kann somit auf relativ einfache Weise ein Geschwindigkeitswert näherungsweise berechnet werden. Die Erfinder haben erkannt, dass eine solche Interpolation in der Re gel deutlich weniger Rechenkapazität beansprucht als beispielsweise eine analytische Ermittlung der Geschwindigkeit für jedes Integrationsintervall. Zumindest bei geeigneter Wahl der Zeitpunkte, zwischen denen interpoliert wird, liefert dieses Interpolationsverfah ren für die meisten Anwendungen Ergebnisse mit völlig ausreichender Genauigkeit.

Weitere Erläuterungen / Ausführunqsbeispiele

Bei vielen Anwendungen wird es gewünscht sein, hunderte von Laserspots zu erzeugen, möglicherweise tausende von Laserspots oder weitaus mehr. Dabei kann es gewünscht sein, dass die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Laserspots eine gewünschte Verteilung haben, beispielsweise dass die Abstände im Wesentlichen konstant sind. Es wurde bereits erwähnt, dass ein mit einer gleichbleibenden Taktfrequenz getriggerter Laser im Allgemeinen keine (bzw. nicht notwendigerweise) äquidistante Laserspots er zeugt. Hierzu muss nämlich insbesondere die Geschwindigkeit des Strahlengangs ent lang der Bahn berücksichtigt werden. Dies wird anhand der Fig. 4 und 5 erläutert.

Fig. 4 zeigt beispielhaft ein Geschwindigkeitsprofil (willkürliche Einheiten) eines Strah lengangs entlang einer Bahn (Spotgeschwindigkeit). Zunächst ist die Spotgeschwindig keit konstant (bis zum Zeitpunkt 0,5) und wird anschließend auf Null reduziert (Zeitpunkt 0,9). Danach steigt die Spotgeschwindigkeit wieder. Nachdem sie einen Maximalwert erreicht hat (Zeitpunkt 1 ,5), bleibt sie konstant. Ein solches Geschwindigkeitsprofil könn te beispielsweise benutzt werden, wenn die gewünschte Bahn eine enge Kurve oder Ecke aufweist. Aufgrund von Dynamikgrenzen (max. Geschwindigkeit, max. Beschleuni gung, max. Ruck) kann ein solches Abbremsen und wieder Beschleunigen nötig sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung berücksichtigen das Profil der Spotgeschwindigkeit bei der Ermittlung der Triggerzeitpunkte, wie in Fig. 5 dargestellt ist. In dem Beispiel (Geschwindigkeitsprofil wie in Fig. 4, äquidistante Abstände entlang der Bahn er wünscht), wird der zeitliche Abstand zwischen zwei Triggerzeitpunkten an die sich än dernde Spotgeschwindigkeit angepasst. Während in der Anfangsphase (konstante Ge schwindigkeit bis Zeitpunkt 0,5) der zeitliche Abstand zwischen zwei Triggerzeitpunkten gleich bleibt, werden die zeitlichen Abstände danach länger (am längsten um den Zeit punkt 0,9). Danach werden sie wieder kürzer und bleiben ab dem Zeitpunkt 1 ,5 gleich. Trotz der sich deutlich ändernden Spotgeschwindigkeit erhält man durch das Triggern des Lasers zu den erfindungsgemäß ermittelten Zeitpunkten Laserspots mit äquidistan ten Abständen entlang der Bahn.

In weiteren Ausführungsbeispielen kann es aber auch gewünscht sein, dass der Ener gieeintrag pro Länge der Bahn einer gewünschten Verteilung entspricht, beispielsweise konstant bleibt. Der Energieeintrag pro Länge der Bahn kann nach Ausführungsbeispie len der vorliegenden Erfindung durch geeignete Wahl des Abstands zwischen aufeinan derfolgenden Laserspots oder durch geeignete Wahl der Energie pro Laserspot (Pulse nergie) variiert werden. Auch ist es möglich, sowohl den Abstand zwischen aufeinander- folgenden Laserspots als auch die Energie pro Laserspot zu variieren, um den Energie eintrag pro Länge der Bahn zu beeinflussen.

Bei der Wahl des Abstands zwischen aufeinanderfolgenden Laserspots und/oder der Wahl der Energie pro Laserspot kann gegebenenfalls auch berücksichtigt werden, dass die Form der Laserspots in Abhängigkeit von der Position im Bearbeitungsfeld variiert.

In Fig. 6 sind drei aufeinanderfolgende Laserspots dargestellt. Diese stehen stellvertre tend für eine Serie von deutlich mehr als drei Laserspots. Die Zentren der Laserspots sind durch die Bezugszeichen Z1 , Z2 und Z3 gekennzeichnet. Jeder der drei Laserspots hat eine gewisse Ausdehnung, die durch Kreise veranschaulicht ist.

Der Abstand zwischen den Laserspots 1 und 2 entlang der Bahn 7 ist mit A12 gekenn zeichnet und der Abstand entlang der Bahn zwischen den Laserspots 2 und 3 mit A23. Die Bahn 7 ist gekrümmt, wobei die Krümmung in Fig. 6 stark übertrieben ist. Bei gleich bleibendem Abstand entlang der Bahn, d.h. A12 = A23, liegen die Zentren Z2 und Z3 entlang einer Geraden G (also nicht entlang der Bahn) näher aneinander als die Zentren Z1 und Z2. Während sich die Laserspots 1 und 2 nicht überschneiden, überschneiden sich die Laserspots 2 und 3 aufgrund der Krümmung der Bahn teilweise. Dies ist in man chen Anwendungen nicht erwünscht. Nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann dies bei dem Ermitteln der aufeinanderfolgenden Triggerzeitpunkte des Lasers 2 berücksichtigt werden, d.h. der gewünschte Abstand A (Fig. 3) kann für die La serspots 2 und 3, also auf Kurven, größer gewählt werden als zwischen den Laserspots 1 und 2, also auf im Wesentlichen geraden Abschnitten der Bahn. Dies ist in Fig. 7 dar gestellt, wo der Abstand A23 entlang der Bahn größer ist als der Abstand A12 entlang der Bahn. Insbesondere könnte der Abstand A23 so gewählt werden, dass die Laser spots an der äußeren oder der inneren Kontur der gekrümmten Bahn einen gewünschten Abstand zueinander aufweisen.

Alternativ wäre es unter Umständen möglich, die Ausdehnung der Laserspots entspre chend anzupassen, also auf Kurven kleiner als auf im Wesentlichen geraden Strecken, oder die Energie pro Laserspot (Pulsenergie) könnte entsprechend angepasst werden, so dass trotz des Überlappens der Laserspots der Energieeintrag pro Länge der Bahn der gewünschten Verteilung entspricht, beispielsweise konstant bleibt.

Als konkrete Umsetzung eines Ausführungsbeispiels sehen die Erfinder Folgendes vor. Ausgehend von der Sollbahn und den Dynamikgrenzen (max. Geschwindigkeit, max. Beschleunigung, max. Ruck) des zu verwendenden Systems wird eine fahrbare Trajekto- rie für alle Achsen in diskreten Schritten (beispielsweise 10ps) vorberechnet. Die Ausga be kann für die Achsen zeitlich geschiftet werden, um Laufzeitunterschiede etc. auszu gleichen. Für alle Achsen werden schleppfehlerfreie Positionsregler verwendet, so dass die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Bahn vernachlässigt werden kann. Im gleichen Takt (in diesem Beispiel im 10ps Takt) wird die Fokus-Geschwindigkeit (oder Spotge schwindigkeit oder Geschwindigkeit des Strahlengangs entlang der Bahn) berechnet. Die Laserleistung und der Punktabstand (Abstand der Laserspots) können, wenn nötig, im 10ps Takt geändert werden. Die Laserleistung kann abhängig von Geschwindigkeit, La serfrequenz, Position, Auftreffwinkel, Bahnkrümmung etc. vorberechnet werden. Alterna tiv können diese Werte auch als Korrektur mit in eine„Pseudo-Geschwindigkeit“ mit ein gerechnet werden. Eine minimale Laserfrequenz kann ebenfalls in der „Pseudo- Geschwindigkeit“ berücksichtigt werden.

Zur Generierung des Laser Trigger Signals wird das Geschwindigkeitssignal innerhalb des 10ps Intervalls linear interpoliert und aufintegriert, die Aufsummierung erfolgt bei spielsweise im Takt von wenigen ns. Bei Überschreitung des gewünschten Punktabstan des wird ein definierter Puls ausgelöst und der Zählerstand um den Punktabstand redu ziert.

Zusammenfassende Beschreibung eines erfindunqsqemäßen Verfahrensablaufs

Fig. 8 zeigt zusammenfassend einen Verfahrensablauf gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Nach dem Start 100 des Verfahrensablaufs wird der zuvor beschriebene Strahlengang eingestellt (Schritt 1 10). Der gewünschte Anfangszustand des Strahlen gangs kann auch schon zu Beginn des Verfahrens vorliegen. In einem nächsten Schritt 120 wird der Laser 2 zu einem ersten Zeitpunkt getriggert, um einen ersten Laserspot auf der Bahn 7 zu erzeugen.

Der Strahlengang wird in einem nächsten Schritt 130 verstellt. Hierbei sei angemerkt, dass das anfängliche Einstellen (1 10) und das anschließende Verstellen (130) in vielen Ausführungen als ein kontinuierlicher Vorgang angesehen werden kann.

In einem weiteren Schritt 140 wird ein zweiter Zeitpunkt ermittelt, zu dem der Laser 2 ein zweites Mal getriggert werden soll.

In einem nächsten Schritt 150 wird der Laser 2 zu dem zuvor ermittelten zweiten Zeit punkt getriggert, um einen zweiten Laserspot auf der Bahn 7 zu erzeugen.

In einem weiteren Schritt 160 wird abgefragt, ob noch weitere Laserspots erzeugt wer den sollen. Wenn Ja, wiederholt sich der Verfahrensablauf ab dem Schritt 130. Wenn Nein, wird der Verfahrensablauf beendet (Schritt 170).

Obwohl in Fig. 8 der Schritt 140 nach dem Schritt 130 dargestellt ist, sei angemerkt, dass der Schritt 140 gegebenenfalls bereits vor dem Schritt 130, unter Umständen auch schon vor den Schritten 120 oder 110 stattfinden kann, zumindest wenn Soll-Werte wie z.B. die Soll-Geschwindigkeit bei der Ermittlung des zweiten Triggerzeitpunkts (und weiterer Triggerzeitpunkte) benutzt werden.

Mögliche Anwendungsgebiete

Die vorliegende Erfindung kann zur Lasermaterialbearbeitung benutzt werden. Dies kann beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Prozesse umfassen: Markieren, Be schriften, abtragende und/oder strukturierende Bearbeitung, Schneiden, Bohren, Additive Manufacturing und Schweißen.

Die vorliegende Erfindung kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn der Laser eine Taktfrequenz von 100kHz oder mehr hat, insbesondere mehrere 100kHz oder im MHz Bereich. Typische Geschwindigkeiten des Laserstrahls auf einem Objekt/Werkstück sind bei spielsweise ca. 0,5 bis ca. 10m/s, können aber auch (deutlich) größer sein. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Auf bau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vo rausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere im Hin- blick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.

Bezuqszeichenliste

1 Laserstrahlpositioniersystem

2 Laser

3 Laserstrahl

4, 4a, 4b Ablenkelemente, beispielsweise Spiegel

5 Laserstrahl

6 Objekt

7 Bahn

8 Bahnpunkt / Fokuspunkt / Laserspot

9 Tisch

10 Laserbearbeitungsvorrichtung

15 Strahlaufweiter

20 Steuerung

30 Objektiv

40 Strahlengang (3 und 5)

t1 bis t7 Zeitintervalle

A1 bis A7 Position / Abstand zu einem vorangehenden Laserspot 100 bis 170 Verfahrensschritte

Z1 bis Z3 Zentren von Laserspots

A12, A23 Abstand entlang der Bahn

G Gerade