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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND COMPUTER PROGRAM PRODUCT FOR OCT MEASUREMENT BEAM ADJUSTMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/094709
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a method for ascertaining translational deviations between the measuring coordinate system (15) of a measuring mirror scanner (13), which can be tilted about two axes (C, D) and deflects a measuring beam (12) in two dimensions, and the processing coordinate system (10) of a processing mirror scanner (7), which can be tilted about two axes (A, B) and deflects both the measuring beam (12) deflected by the measuring mirror scanner (13) and a processing beam (3) in two dimensions onto a workpiece (2). The measuring beam (12') reflected on the workpiece (2) travels back on the path of the incident measuring beam (12) and is captured by a high-resolution measuring sensor (17) in order to determine high-resolution information about the workpiece (2). In a zero position of the measuring mirror scanner (13), the reflected measuring beam (12') is imaged in the sensor image (18) of the measuring sensor (17) onto a previously known image position (19). The method comprises the following method steps: - determining the x-y focal position deviation of the processing beam (3) relative to the pinhole diaphragm center (20) of a pinhole diaphragm detector (21) arranged on a workpiece support plane (8) by scanning the pinhole diaphragm (22) with a processing beam (3) deflected by the processing mirror scanner (7) in an x-y raster, and by evaluating the laser power detected in each of the raster dots (24) and by fixing the processing mirror scanner (7) in the scan position which has been corrected based on the determined x-y focal position deviation, in which scan position the focus position of the processing beam (3) is in a predetermined position, in particular in the pinhole diaphragm center (20); - with the processing mirror scanner (7) fixed in the corrected scan position, capturing high-resolution height information of the pinhole diaphragm (22) by means of the measuring sensor (17) by scanning the pinhole diaphragm (22) with the measuring beam (12) deflected by the measuring mirror scanner (13); and - ascertaining a translational deviation (Δχ, Ay) between the processing coordinate system and the measuring coordinate system (10, 15) based on the deviation, present in the sensor image (18) of the measuring sensor (17), between the previously known image position (19) corresponding to the focus position of the processing beam (3) and the pinhole diaphragm center (20') determined from the height information.

Inventors:
STAMBKE MARTIN (DE)
HERMANI JAN-PATRICK (DE)
NOTHEIS THOMAS (DE)
SAUTER ALEXANDER (DE)
Application Number:
PCT/EP2019/080378
Publication Date:
May 14, 2020
Filing Date:
November 06, 2019
Export Citation:
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Assignee:
TRUMPF LASER & SYSTEMTECHNIK GMBH (DE)
TRUMPF LASER GMBH (DE)
International Classes:
B23K26/03; B23K26/044; B23K26/082; B23K26/21; G01B11/03; G01B11/14; G01B11/24; G01B11/26; G01C1/00; G01C3/00
Foreign References:
DE102015012565B32016-10-27
DE102011006553A12012-10-04
Attorney, Agent or Firm:
TRUMPF PATENTABTEILUNG (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Bestimmen von translatorischen und/oder rotatorischen Abweichungen zwischen dem Messkoordinatensystem (15) eines um zwei Achsen (C, D) verkippbaren Messspiegelscanners (13), der einen Mess- strahl (12) zweidimensional ablenkt, und dem Bearbeitungskoordinaten- system (10) eines um zwei Achsen (A, B) verkippbaren Bearbeitungsspie- gelscanners (7), der sowohl den vom Messspiegelscanner (13) abgelenk- ten Messstrahl (12) als auch einen Bearbeitungsstrahl (3) zweidimensional auf ein Werkstück (2) ablenkt, wobei der am Werkstück (2) reflektierte Messstrahl (12‘) den Pfad des einfallenden Messstrahls (12) zurückläuft und von einem ortsauflösenden Messsensor (17) erfasst wird, um ortsauf- lösende Informationen des Werkstücks (2) zu ermitteln, und wobei in einer Nullstellung des Messspiegelscanners (13) der reflektierte Messstrahl (12‘) im Sensorbild (18) des Messsensors (17) auf eine vorbekannte Bild- position (19) abgebildet wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens- schritte:

(a) - Ermitteln der x-y-Fokuslagenabweichung des Bearbeitungsstrahls (3) relativ zur Lochblendenmitte (20) eines auf der Werkstückauflage- ebene (8) angeordneten Lochblendendetektors (21 ) durch Abscan- nen der Lochblende (22) mit dem vom Bearbeitungsspiegelscanner (7) abgelenkten Bearbeitungsstrahl (3) in einem x-y-Raster und durch Auswerten der in jedem der Rasterpunkte (24) detektierten La- serleistung, sowie Fixieren des Bearbeitungsspiegelscanners (7) in der anhand der ermittelten x-y-Fokuslagenabweichung korrigierten Scanstellung, in der sich die Fokuslage des Bearbeitungsstrahls (3) in einer vorbestimmten Position, insbesondere in der Lochblenden- mitte (20), befindet;

- bei in der korrigierten Scanstellung fixiertem Bearbeitungsspiegel- scanner (7) Erfassen von ortsauflösenden Höheninformationen der Lochblende (22) mittels des Messsensors (17) durch Abscannen der Lochblende (22) mit dem vom Messspiegelscanner (13) abgelenkten Messstrahl (12); und

- Bestimmen einer translatorischen Abweichung (Dc, Ay) zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem (10, 15) an- hand der im Sensorbild (18) des Messsensors (17) vorhandenen Ab- weichung zwischen der der Fokuslage des Bearbeitungsstrahls (3) entsprechenden vorbekannten Bildposition (19) und der aus den Hö- heninformationen erfassten Lochblendenmitte (20‘);

und/oder

(b) - Ablenken des Messstrahls (12) jeweils um einen positiven und einen negativen Festbetrag (+dy, -dy) in der Werkstückauflageebene (8) durch Verkippen des Bearbeitungsspiegelscanners (7) um seine eine, erste Kippachse (A) und bei in diesen verkippten Scanstellun- gen jeweils fixiertem Bearbeitungsspiegelscanner (7) Erfassen einer an der Werkstückauflageebene (8) angeordneten linearen Höhen- kante (26) mittels des Messsensors (17) jeweils durch einen Linien- scan (28a, 28b) des Messstrahls (12) durch Auslenken des Mess- spiegelscanners (13) um seine eine, zweite Kippachse (D), sowie Er- mitteln einer Achse (yBKs) des Bearbeitungskoordinatensystems (10) anhand der erfassten Schnittpunkte (29a, 29b) der beiden Linien- scans (28a, 28b) mit der Höhenkante (26);

- Ablenken des Messstrahls (12) jeweils um einen positiven und einen negativen Festbetrag (+dy, -dy) in der Werkstückauflageebene (8) durch Verkippen des Messspiegelscanners (13) um seine andere, erste Kippachse (C) und bei in diesen verkippten Scanstellungen je- weils fixiertem Messspiegelscanner (13) Erfassen der Höhenkante (26) mittels des Messsensors (17) jeweils durch einen Linienscan (30a, 30b) des Messstrahls (12) durch Auslenken des Bearbeitungs- spiegelscanners (7) um seine zweite Kippachse (B), sowie Ermitteln einer Achse (yMKs) des Messkoordinatensystems (15) anhand der er- fassten Schnittpunkte (31 a, 31 b) der beiden Linienscans (30a, 30b) mit der Höhenkante (26); und - Bestimmen einer rotatorischen Abweichung (Da) zwischen dem Be- arbeitungs- und dem Messkoordinatensystem (10, 15) anhand der ermittelten Achsen (YBKS, YMKS) des Bearbeitungs- und des Messko- ordinatensystems (10, 15).

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbei- tungsspiegelscanner (7) und der Messspiegelscanner (13) jeweils einen um zwei Kippachsen (A, B; C, D) verkippbaren Spiegel (9; 14) oder zwei jeweils um eine Kippachse verkippbare Spiegel aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Ver- fahrensschritt (a) der Lochblendendetektor (21 ) auf der Werkstückauflage- ebene (8) dort angeordnet wird, wo der Bearbeitungsstrahl (3) rechtwinklig auf die Werkstückauflageebene (8) auftrifft.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass im Verfahrensschritt (a) die vorbekannte Bildposition (19) im Bildzentrum des Sensorbildes (18) liegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass im Verfahrensschritt (b) der positive und der negative Fest- betrag jeweils gleich groß sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass vor dem Verfahrensschritt (b) ein Bauteil (25), das die Hö- henkante (26) aufweist, auf der Werkstückauflageebene (8) angeordnet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verfahrensschritt (b) die Höhenkante (26) an einem auf der Werkstückauflageebene (8) angeordnetem Werkstück (2) durch Material- abtragen mittels des Bearbeitungsstrahls (3) erzeugt wird. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass im Verfahrensschritt (b) der am Werkstück (2) reflektierte Messstrahl (12‘) zwischen dem Messspiegelscanner (13) und einem den Messstrahl (12) aussendenden Laserstrahlerzeuger (11 ), insbesondere Kohärenztomograph, in Richtung auf den Messsensor (17) abgelenkt wird

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die bestimmte translatorische und/oder rotatorische Abwei- chung (Dc, Ay, Da) durch eine Positionsregelung des Bearbeitungsspie- gelscanners (7) und/oder des Messspiegelscanners (13) ausgeglichen wird.

10. Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durch- führen aller Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden An- sprüche angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung einer Laserbearbeitungsmaschine (1 ) abläuft.

Description:
Verfahren und Com puterproq ramm Produkt zur OCT-Messstrahliustierunq

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von translatorischen und/oder rotatorischen Abweichungen zwischen dem Messkoordinatensystem eines um zwei Achsen verkippbaren Messspiegelscanners, der einen z.B. von einem Kohä- renztomographen erzeugten Messstrahl zweidimensional ablenkt, und dem Bearbeitungskoordinatensystem eines um zwei Achsen verkippbaren Bearbei- tungsspiegelscanners, der sowohl den vom Messspiegelscanner abgelenkten Messstrahl als auch einen Bearbeitungsstrahl zweidimensional auf ein Werkstück ablenkt, wobei der am Werkstück reflektierte Messstrahl den Pfad des einfallen- den Messstrahls zurückläuft und von einem ortauflösenden Messsensor erfasst wird, um ortauflösende Informationen des Werkstücks zu ermitteln, und wobei in einer Nullstellung des Messspiegelscanners der reflektierte Messstrahl im Sensor- bild des Messsensors auf eine vorbekannte Bildposition abgebildet wird.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise durch die DE 10 2015 012 565 B3 be- kannt geworden.

Beispielsweise zum Schweißen von Kehlnähten ist es erforderlich, die Relativposi- tion zwischen Laserbrennfleck und Werkstück zu regeln. Diese Nahtlageregelung kann mittels der sogenannten optischen Kohärenztomographie (engl.: Optical Co- herence Tomography, OCT) erfolgen. Dieses Verfahren basiert auf dem Grund- prinzip der Interferenz von Lichtwellen und ermöglicht es, Höhenunterschiede ent- lang einer Messstrahlachse im Mikrometerbereich zu erfassen. Dazu wird von ei- nem Kohärenztomographen ein Laserstrahl erzeugt und mittels eines Strahlteilers in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgetrennt. Der Messstrahl wird an einen Messarm weitergeleitet und trifft auf eine Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks. An dieser Oberfläche wird der Messstrahl zumindest teilweise reflek- tiert und an den Strahlteiler zurückgeführt. Der Referenzstrahl wird an einen Refe- renzarm weitergeleitet und am Ende des Referenzarms reflektiert. Der reflektierte Referenzstrahl wird ebenfalls an den Strahlteiler zurückgeführt. Die Überlagerung der beiden reflektierten Strahlen wird schließlich detektiert, um unter Berücksichti- gung der Länge des Referenzarms Höheninformationen über die Oberfläche und/oder die aktuelle Eindringtiefe eines Bearbeitungsstrahls in ein Werkstück zu ermitteln.

Sowohl der Bearbeitungsstrahl als auch der Messstrahl durchlaufen vor einer Ein- kopplung in einen gemeinsamen Bearbeitungsscanner, über den eine Auslenkung von Messstrahl und Bearbeitungsstrahl auf verschiedene Bearbeitungspositionen erfolgen kann, diverse optische Elemente innerhalb der Bearbeitungsstrahloptik sowie der Messstrahloptik. Typischerweise werden zwar in einem anfänglichen Kalibriervorgang die Elemente der jeweiligen Optiken für Messstrahl und Bearbei- tungsstrahl derart eingestellt, dass bei einer vorgegebenen Nullstellung dieser op- tischen Elemente und deren zugeordneten Ablenkvorrichtungen innerhalb dieser Optiken eine Deckungsgleichheit des Bearbeitungsstrahls und des Messstrahls auf dem Werkstück vorliegt. Wird dann aber nach dem Kalibriervorgang während des Bearbeitungsprozesses ein gewünschter Soll-Versatz von Messstrahlposition und Bearbeitungsposition eingestellt, so müssen die der Messstrahloptik und der Bearbeitungsstrahloptik zugeordneten Ablenkvorrichtungen, also der Bearbei- tungsscanner zum gemeinsamen Ablenken von Bearbeitungsstrahl und Mess- strahl sowie ein vorgeordneter Messscanner zum Ablenken des Messstrahls, ent- sprechend verstellt werden, wobei sie die ursprüngliche Nullstellung verlassen. Dies führt dazu, dass sich im Bearbeitungsprozess trotz vorangehender Kalibrier- vorgänge nach Verlassen der Nullstellung unerwünschte Abweichungen von ei- nem Soll-Strahlenverlauf ergeben, sodass keine Deckungsgleichheit mehr zwi- schen dem Bearbeitungsstrahl und dem Messstrahl vorliegt. Ursache für diese Ab- weichungen in der Relativposition zwischen beiden Scannern können fertigungs- bedingte Ungenauigkeiten, Montage und verschiedene Einflüsse, wie z.B. Tempe- raturschwankungen während der Bearbeitung, sein. Diese Abweichungen müssen erfasst und korrigiert werden.

Bei dem aus der eingangs genannten DE 10 2015 012 565 B3 bekannten Verfah- ren wird die Messstrahlposition auf dem Werkstück bei Einnahme der Nullstellun- gen der Bearbeitungs- und Messscanner in einem vorangehenden Kalibrierungs- verfahren durch eine Langzeitbelichtung ermittelt, bei der die Messstrahlposition auf dem Werkstück durch einen vom Messsensor erfassbaren optischen Marker auf dem Werkstück hervorgehoben und die Bildposition dieser optischen Markie- rung im Sensorbild des Messsensors bestimmt und gespeichert wird. Die Mess- strahlposition kann während des Kalibrierungsvorgangs beispielsweise exakt auf das Bildzentrum justiert werden. Alternativ kann ein bei der Nullstellung ermittelter Versatz der Messstrahlposition zum Bildzentrum hinterlegt und bei weiteren Be- rechnungs- oder Regelungsvorgängen als entsprechender Fehlerwert berücksich- tigt werden. Wird in der Folge die Bearbeitungsstrahlposition auf dem Werkstück koordinatenmäßig erfasst, so stellt eine Abweichung vom Bildzentrum einen unerwünschten Relativversatz der Bearbeitungsstrahlposition zu der Messstrahl- position dar, wobei dieser Versatz über bekannte Bildauswertalgorithmen ermittel- bar ist und durch eine Positionsregelung des Messscanners ausgeglichen wird. Al ternativ zum Kalibrierungsverfahren kann der reflektierte Messstrahl zurück in Richtung des Messsensors umgelenkt werden, sodass die tatsächliche Mess- strahlposition in dem erfassten Sensorbild erkennbar ist und auch hier ein Versatz durch eine Positionsregelung des Messscanners ausgeglichen wird.

Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, bei dem eingangs genannten Verfahren translatorische und/oder rotatorische Abweichungen zwischen dem Be- arbeitungskoordinatensystem des Bearbeitungsscanners und dem Messkoordina- tensystem des Messspiegelscanners auf andere Art und Weise zu bestimmen.

Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß bzgl. einer translatorischen Abweichung durch folgende Verfahrensschritte (a) gelöst:

- Ermitteln der x-y-Fokuslagenabweichung des Bearbeitungsstrahls relativ zur Lochblendenmitte eines auf der Werkstückauflageebene angeordneten Loch- blendendetektors durch Abscannen der Lochblende mit dem vom Bearbeitungs- spiegelscanner abgelenkten Bearbeitungsstrahl in einem x-y-Raster und durch Auswerten der in jedem der Rasterpunkte detektierten Laserleistung gemäß dem in der DE 10 2011 006 553 A1 geschildeten Verfahrens, dessen gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird, sowie Fixieren des Bearbei- tungsspiegelscanners in der anhand der ermittelten x-y-Fokuslagenabweichung korrigierten Scanstellung, in der sich die Fokuslage des Bearbeitungsstrahls in einer vorbestimmten Position, insbesondere in der Lochblendenmitte, befindet;

- bei in der korrigierten Scanstellung fixiertem Bearbeitungsspiegelscanner Erfas- sen von ortsauflösenden Höheninformationen der Lochblende mittels des Mess- sensors durch Abscannen der Lochblende mit dem vom Messspiegelscanner abgelenkten Messstrahl; und

- Bestimmen einer translatorischen Abweichung zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem anhand der im Sensorbild des Messsensors vorhandenen Abweichung zwischen der der Fokuslage des Bearbeitungsstrahls entsprechenden vorbekannten Bildposition und der aus den Höheninformatio- nen erfassten Lochblendenmitte. Erfindungsgemäß wird der Bearbeitungsstrahl exakt auf die Lochblendenmitte ausgerichtet und anschließend die Lochblende mittels des vom Messspiegelscan- ner abgelenkten Messstrahls abgescannt. Der Relativversatz im Sensorbild zwi- schen der vorbekannten Bildposition und der höhenmäßig erfassten Lochblenden- mitte ergibt die translatorische Abweichung der beiden Scannerkoordinatensys- teme, die dann beispielsweise durch eine Positionsregelung des Messscanners ausgeglichen werden kann.

Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß bzgl. einer rotatorischen Abweichung durch folgende Verfahrensschritte (b) gelöst:

- Ablenken des Messstrahls jeweils um einen positiven und einen negativen Fest- betrag in der Werkstückauflageebene durch Verkippen des Bearbeitungsspie- gelscanners um seine eine, erste Kippachse und bei in diesen verkippten Scan- stellungen jeweils fixiertem Bearbeitungsspiegelscanner Erfassen einer an der Werkstückauflageebene angeordneten linearen Höhenkante mittels des Mess- sensors jeweils durch einen Linienscan des Messstrahls durch Auslenken des Messspiegelscanners um seine eine, zweite Kippachse, sowie Ermitteln einer Achse des Bearbeitungskoordinatensystems anhand der erfassten Schnitt- punkte der beiden Linienscans mit der Höhenkante;

- Ablenken des Messstrahls jeweils um einen positiven und einen negativen Fest- betrag in der Werkstückauflageebene durch Verkippen des Messspiegelscan- ners um seine andere, erste Kippachse und bei in diesen verkippten Scanstel- lungen jeweils fixiertem Messspiegelscanner Erfassen der Höhenkante mittels des Messsensors jeweils durch einen Linienscan des Messstrahls durch Aus- lenken des Bearbeitungsspiegelscanners um seine zweite Kippachse, sowie Er- mitteln einer Achse des Messkoordinatensystems anhand der erfassten Schnitt- punkte der beiden Linienscans mit der Höhenkante; und

- Bestimmen einer rotatorischen Abweichung zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem anhand der ermittelten Achsen des Bearbeitungs- und des Messkoordinatensystems.

Erfindungsgemäß wird durch einen Linienscan einer auf der Werkstückauflage- ebene vorgesehenen linearen Höhenkante, also eines dreidimensionalen Oberflächenmerkmals, und der gleichzeitigen Auslenkung des Mess- und des Be- arbeitungsspiegelscanners jeweils um eine Kippachse die rotatorische Abwei- chung der beiden Scannerkoordinatensysteme bestimmt, die dann beispielsweise durch eine Positionsregelung des Messscanners ausgeglichen werden kann

Der Bearbeitungs- und der Messspiegelscanner können jeweils einen um zwei Kippachsen verkippbaren, zweiachsigen Spiegel oder zwei jeweils um eine Kipp- achse verkippbare, einachsige Spiegel aufweisen.

Besonders bevorzugt wird im Verfahrensschritt (a) der Lochblendendetektor auf der Werkstückauflageebene in derjenigen Position angeordnet, in der der Bearbei- tungsstrahl möglichst rechtwinklig auf die Werkstückauflageebene auftrifft.

Weiterhin bevorzugt liegt im Verfahrensschritt (a) die vorbekannte Bildposition im Bildzentrum des Sensorbilds des Messsensors. Dazu kann die vorbekannte Bild- position - z.B. während eines vorangegangenen Kalibrierungsvorgangs - exakt auf das Bildzentrum justiert worden sein.

Vorteilhaft sind im Verfahrensschritt (b) der positive und der negative Festbetrag jeweils gleich groß.

Ganz besonders bevorzugt ist im Verfahrensschritt (b) die Höhenkante eine Kante, die entweder ein auf der Werkstückauflageebene angeordnetes Bauteil aufweist oder zuvor an einem auf der Werkstückauflageebene angeordneten Werkstück durch Materialabtragen mittels des Bearbeitungsstrahls erzeugt worden ist.

Vorzugsweise wird der am Werkstück reflektierte Messstrahl zwischen dem Mess- spiegelscanner und einem den Messstrahl aussendenden Laserstrahlerzeuger, insbesondere Kohärenztomograph, in Richtung auf den Messsensor abgelenkt.

Eine erfindungsgemäß bestimmte translatorische und/oder rotatorische Abwei- chung zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem kann durch eine Positionsregelung des Messscanners, z.B. von einer Maschinensteuerung, entsprechend korrigiert werden. Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des oben beschriebenen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung einer Laserbearbei- tungsmaschine abläuft.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen.

Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merk- male je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung fin den . Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie- ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Laserbearbeitungsmaschine, die zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von translatori- schen und/oder rotatorischen Abweichungen zwischen den Koordi- natensystemen eines Bearbeitungsspiegelscanners und eines Mess- spiegelscanners geeignet ist;

Fign. 2a, 2b einen auf einer Werkstückauflageebene angeordneten Lochblenden- detektor zum Ermitteln einer x-y-Fokuslagenabweichung eines Bear- beitungsstrahls in einer perspektivischen Ansicht (Fig. 2a) und in ei- ner Draufsicht (Fig. 2b);

Fig. 3 das Sensorbild eines ortsauflösenden Messsensors zur Bestimmung einer translatorischen Abweichung zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem;

Fign. 4a, 4b eine auf einer Werkstückauflageebene angeordnete Flöhenkante zum Ermitteln der y-Achse eines Bearbeitungskoordinatensystems (Fig. 4a) und zum Ermitteln der y-Achse eines Messkoordinatensys- tems (Fig. 4b); und

Fig. 5 das Sensorbild eines ortsauflösenden Messsensors zur Bestimmung einer rotatorischen Abweichung zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem. Die in Fig. 1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 dient zur Bearbeitung von Werkstücken 2 mittels eines (Laser)Bearbeitungsstrahls 3.

Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst einen Laserstrahlerzeuger 4 zum Er- zeugen des Bearbeitungsstrahls 3, einen ersten Umlenkspiegel 5, der den Bear- beitungsstrahl 3 um z.B. 90° umlenkt, einen optionalen zweiten Umlenkspiegel 6, der den Bearbeitungsstrahl 3 erneut um z.B. 90° umlenkt, sowie einen Bearbei- tungsspiegelscanner 7 zum zweidimensionalen Ablenken des Bearbeitungsstrahls 3 in Richtung auf ein auf einer Werkstückauflageebene 8 angeordnetes Werkstück 2. Der Bearbeitungsspiegelscanner 7 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als ein um zwei Kippachsen A, B verkippbarer, also zweiachsiger Spiegel 9 ausgeführt, aber kann alternativ auch durch zwei jeweils um nur eine Kippachse A, B verkipp- bare, also einachsige Spiegel gebildet sein. Das von den beiden Kippachsen A, B definierte Bearbeitungskoordinatensystem ist mit 10 bezeichnet.

Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst weiterhin einen Kohärenztomographen als Messstrahlerzeuger 11 zum Erzeugen eines gestrichelt dargestellten OCT- (Laser)Messstrahls 12 sowie einen Messspiegelscanner 13 zum zweidimensiona- len Ablenken des Messstrahls 12 auf den für den Messstrahl 12 beidseitig durch- lässigen ersten Umlenkspiegel 5. Der Messspiegelscanner 13 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als ein um zwei Kippachsen C, D verkippbarer, also zweiach- siger Spiegel 14 ausgeführt, aber kann alternativ auch durch zwei jeweils um nur eine Kippachse C, D verkippbare, also einachsige Spiegel gebildet sein. Das von den beiden Kippachsen C, D definierte Messkoordinatensystem ist mit 15 bezeich- net. Die Kippachsen A und C verlaufen parallel zueinander, im gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel in der X-Richtung, und die Kippachsen B und D verlaufen parallel zueinander, im gezeigten Ausführungsbeispiel in der Y-Richtung.

In Fig. 1 sind sowohl der Bearbeitungsscanner 7 als auch der Messscanner 13 in ihrer sogenannten Nullstellung gezeigt. Das heißt, die beiden Achsen A, B und C, D der jeweiligen Scanner 7, 13 nehmen jeweils eine in Fig. 1 gezeigte neutrale Referenzstellung (Nulllage) ein, in der sie keine gezielten Strahlauslenkungen be- wirken. In der Nulllage des Messscanners 13 wird der Messstrahl 12 am ersten Umlenkspiegel 5 kollinear in den Bearbeitungsstrahl 3 eingekoppelt. Am Bearbei- tungsspiegelscanner 7 werden dann sowohl der Bearbeitungsstrahl 3 als auch der Messstrahl 12 zweidimensional in Richtung auf das Werkstück 2 abgelenkt.

Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst ferner einen zwischen Messstrahler- zeuger 11 und Messspiegelscanner 13 angeordneten Umlenkspiegel 16, der für den vom Messstrahlerzeuger 11 kommenden Messstrahl 12 durchlässig ist. Der am Werkstück 2 reflektierte Messstrahl 12‘ läuft den Pfad des einfallenden Mess- strahls 12 zurück und wird von dem in dieser Richtung undurchlässigen oder teil- durchlässigen Umlenkspiegel 16 auf einen ortauflösenden Messsensor 17 umge- lenkt. In der Nullstellung des Messspiegelscanners 13 wird der reflektierte Mess- strahl 12‘ im Sensorbild 18 (Fig. 3) des Messsensors 17 auf eine vorbekannte Bild- position 19, in Fig. 3 lediglich beispielhaft die Bildmitte, abgebildet.

Zur Bestimmung einer translatorischen Abweichung zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem 10, 15 wird wie folgt vorgegangen:

Wie in Fig. 2a, 2b gezeigt, wird zunächst nach dem aus DE 10 2011 006 553 A1 bekannten Verfahren eine x-y-Fokuslagenabweichung des Bearbeitungsstrahls 3 relativ zur Lochblendenmitte 20 eines auf der Werkstückauflageebene 8 angeord- neten Lochblendendetektors 21 ermittelt. Dies erfolgt durch Abscannen der Loch- blende 22 mit dem vom Bearbeitungsspiegelscanner 7 abgelenkten Bearbeitungs- strahl 3 in einem x-y-Raster und durch Auswerten der in jedem der Rasterpunkte 23 von einer der Lochblende 20 nachgeordneten Detektorfläche 24 detektierten Laserleistung. Der Bearbeitungsspiegelscanner 7 wird dann in der anhand der er- mittelten x-y-Fokuslagenabweichung korrigierten Scanstellung fixiert, in der sich die Fokuslage des Bearbeitungsstrahls 3 exakt in der Lochblendenmitte 18 befin- det.

Bei so fixiertem Bearbeitungsspiegelscanner 7 wird durch Abscannen der Loch- blende 22 mit dem vom Messspiegelscanner 13 abgelenkten Messstrahl 12 die Höhe der Lochblende 22 mittels des Messsensors 17 ortsauflösend erfasst.

Wie in Fig. 3 gezeigt, kann anhand der im Sensorbild 18 des Messsensors 17 vor- handenen Abweichung zwischen der der Fokuslage des Bearbeitungsstrahls 3 entsprechenden vorbekannten Bildposition 19 und der Lochblendenmitte 20’ der höhenmäßig erfassten Lochblende 22‘ eine translatorische Abweichung Dc, Ay zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem 10, 15 bestimmt werden.

Vorzugsweise wird der Lochblendendetektor 21 auf der Werkstückauflageebene 8 dort angeordnet, wo der Bearbeitungsstrahl 3 möglichst rechtwinklig auf die Werk- stückauflageebene 8 auftrifft.

Zur Bestimmung einer rotatorischen Abweichung um die Z-Achse zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem 10, 15 wird wie folgt vorgegan- gen:

Wie in Fig. 4a gezeigt, wird zunächst ein Bauteil 25 mit einer linearen Höhenkante 26 auf der Werkstückauflageebene 8 aufgelegt, und zwar bei 27, wo in den Nullla gen des Bearbeitungs- und des Messspiegelscanners 7, 13 der Messstrahl 12 auf die Werkstückauflageebene 8 auftrifft. Statt an einem separaten Bauteil 25 kann die Höhenkante 26 auch an dem Lochblendendetektor 21 ausgebildet sein.

In einem ersten Schritt wird, wie in Fig. 4a weiter gezeigt ist, der Messstrahl 12 je- weils um einen positiven und einen negativen Festbetrag +dy, -dy in der Werk- stückauflageebene 8 durch Verkippen des Bearbeitungsspiegelscanners 7 um die Kippachse A abgelenkt und bei in diesen verkippten Scanstellungen jeweils fixier tem Bearbeitungsspiegelscanner 7 die Höhenkante 26 mittels des Messsensors 17 jeweils durch einen Linienscan 28a, 28b des Messstrahls 12 durch Auslenken des Messspiegelscanners 13 um die Kippachse D erfasst. Wie in Fig. 5 gezeigt, kann dann im Sensorbild 18 des Messsensors 17 anhand der dort abgebildeten Schnittpunkte 29a, 29b der beiden Linienscans 28a, 28b mit der Höhenkante 26 die yßKs-Achse des Bearbeitungskoordinatensystems 10 ermittelt werden.

In einem zweiten Schritt wird, wie in Fig. 4b gezeigt ist, der Messstrahl 12 jeweils um einen positiven und einen negativen Festbetrag +dy, -dy in der Werkstückauf- lageebene 8 durch Verkippen des Messspiegelscanners 13 um die Kippachse C abgelenkt und bei in diesen verkippten Scanstellungen jeweils fixiertem Messspie- gelscanner 13 Erfassen die Höhenkante 26 mittels des Messsensors 17 jeweils durch einen Linienscan 30a, 30b des Messstrahls 12 durch Auslenken des Bear- beitungsspiegelscanners 7 um die Kippachse B erfasst. Wie ebenfalls in Fig. 5 ge- zeigt, kann dann im Sensorbild 18 des Messsensors 17 anhand der dort abgebildeten Schnittpunkte 31a, 31b der beiden Linienscans 30a, 30b mit der Hö- henkante 26 die yivisK-Achse des Messkoordinatensystems 15 ermittelt werden.

In einem dritten Schritt wird, wie in Fig. 5 gezeigt, eine rotatorische Abweichung Da zwischen dem Bearbeitungs- und dem Messkoordinatensystem 10, 15 anhand des Schnittwinkels der ermittelten Achsen yBKs, yMKs des Bearbeitungs- und des Messkoordinatensystems 10, 15 bestimmt.

Die so bestimmten translatorischen und rotatorischen Abweichungen Dc, Ay, Da können beispielsweise von einer Maschinensteuerung der Laserbearbeitungsma- schine 1 durch eine Verschiebung und Verdrehung des Messspiegelscanners 13 korrigiert werden.

Statt die Höhenkante 26 am Bauteil 25 oder am Lochblendendetektor 21 vorzuse- hen, kann die lineare Höhenkante 26 auch direkt durch einen Laserabtragprozess an einem auf der Werkstückauflageebene 8 befindlichen Werkstück 2 generiert werden, beispielsweise parallel zu den B, D-Achsen.

Der Bearbeitungs- und der Messspiegelscanner 7, 13 können, statt wie oben be- schrieben als 2D-Scanner, auch als 3D-Scanner ausgeführt sein, so dass der je- weilige Laserfokus auch entlang des Bearbeitungs- bzw. Messstrahls 3, 12, also in Z-Richtung, verstellt werden kann. Dazu ist im Strahlengang des Bearbeitungs- strahls 3 zwischen dem Laserstrahlerzeuger 4 und dem Bearbeitungsspiegelscan- ner 7, hier lediglich beispielhaft zwischen dem Laserstrahlerzeuger 4 und dem ers- ten Umlenkspiegel 5, eine Kollimationslinse 32 angeordnet, die mittels einer ge- steuerten Achse 33 entlang des Bearbeitungsstrahls 3 verschiebbar ist. Im Strah- lengang des Messstrahls 12 ist zwischen dem Messstrahlerzeuger 11 und dem Messspiegelscanner 13, hier lediglich beispielhaft zwischen dem Umlenkspiegel 16 und dem Messspiegelscanner 13, eine Kollimationslinse 34 angeordnet, die mittels einer gesteuerten Achse 35 entlang des Messstrahls 12 verschiebbar ist.