DE10297255B4

DE10297255B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen und Einstellen eines Laserschweißprozesses

Info

Publication number: DE10297255B4
Application number: DE10297255T
Authority: DE
Inventors: Bodo Plymouth Ehlers; Stefan Ann Arbor Heinemann
Original assignee: Fraunhofer USA Inc
Current assignee: Fraunhofer USA Inc
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: AU2002335734A8; US6596961B2; WO2003022509A9; AU2002335734A1; US20030047542A1; DE10297255T5; WO2003022509A1

Abstract

Vorrichtung zum Überwachen und Einstellen eines Laserschweißprozesses, welche aufwest:
einen Materialbearbeitungs-Laserkopf (12);
eine Laserquelle (26), die in dem Materialbearbeitungs-Laserkopf (12) angeordnet ist, um einen Laserstrahl zum Laserschweißen eines Werkstückes (16) vorzusehen;
einen Positionssensor (18), der an dem Materialbearbeitungs-Laserkopf (12) angekoppelt ist, zur Messung der aktuellen Position des Werkstücks (16) relativ zu einer vorbestimmten theoretischen Position des Werkstücks (16); und
Mittel zum Einstellen der Position des Laserstrahls, die in dem Laserkopf (12) angeordnet sind;
einen Regler (22) mit geschlossener Regelschleife, der mit dem Materialbearbeitungs-Laserkopf (12) gekoppelt ist, zur Bildung einer Schnittstelle zwischen dem Positionssensor (18) und den Einstellmitteln, um den Einstellmitteln eine genaue Positionierung des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Position des Werkstückes (16) zu ermöglichen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Überwachen und Einstellen eines Laserschweißprozesses und insbesondere auf eine Vorrichtung mit einem Regelkreissystem in einem Materialbearbeitungs-Laserkopf zum Überwachen und Einstellen eines Laserschweißprozesses.
Hintergrund der Erfindung
In den meisten industriellen Laserschweißprozessen kann ein zweidimensionales oder dreidimensionales Werkstück geschweißt, geschnitten oder anderweitig verarbeitet werden. Die Vorrichtungen, die das Laserschweißen ausführen, können programmierbar sein, wobei die Kontur einer Schweißnaht entsprechend idealer Werkstückabmessungen und -positionen vorprogrammiert werden können. Da allerdings das Laserschweißgerät der vorprogrammierten Kontur der Schweißnaht folgt, berücksichtigt die Laserschweißvorrichtung nicht die Abweichungen, die zwischen der idealen Positionierung und Dimensionierung des Werkstückes und der aktuellen Position und Abmessungsmessungen des Werkstückes auftreten. Abweichungen von der theoretischen Positionierung und Dimensionierung des Werkstückes fließen über die Grenzen und Genauigkeit der Bearbeitungssysteme, durch Toleranzen in den Abmessungen des Werkstückes und Toleranzen in der Befestigung des Werkstückes ein.
Die Kosten für den Versuch der Reduzierung oder Eliminierung der Toleranzen, die bei der Dimensionierung und Positionierung des Werkstückes auftreten, sind merkbar, wenn nicht sogar untragbar. Solche Abweichungen in den Toleranzen des Werkstückes können durch Verändern der Position des Laserstrahls kompensiert werden. Bekannte Systeme haben Sensoren verwendet, die den Offset bzw. die Versetzung zwischen der aktuellen Position des Laserstrahls und einer vorbestimmten Zielposition gemessen haben. Ein Signal von einem Sensor wurde an eine Steuer- oder Regelvorrichtung eines Bearbeitungssystems geschickt, in dem die relative Position zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück eingestellt wurde. Allerdings ist die Kommunikation zwischen dem Sensor und der geeigneten Steuer-/Regelvorrichtung des Bearbeitungssystems aufwendig und schwierig dahingehend, dass keine standardisierten Schnittstellen zwischen den in einen Laserstrahlkopf integrierten Sensoren und einer Steuer-/Regelvorrichtung eines Bearbeitungssystems existieren. Wenn daher der Laserstrahlkopf von dem Bearbeitungssystem entfernt wurde und an einem anderen Bearbeitungssystem angeordnet wurde, oder umgedreht, musste die Schnittstelle zwischen dem Laserschweißkopf und dem Bearbeitungssystem rekonfiguriert und wieder ausgeklügelt werden. In einer kommerziellen Umgebung ist dies ein ineffektiver und teurer Prozess.

Die US 6 040 550 A offenbart eine Vorrichtung zum Überwachen und Einstellen eines Laserschweißprozesses, mit einem Materialbearbeitungs-Laserkopf, einer Laserstrahlenquelle, einem Positionssensor zum Erfassen der Position eines Werkstücks, Mitteln zum Einstellen der Position eines Laserstrahls sowie einem mit dem Laserkopf gekoppelten Regler, der eine genaue Positionierung des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Position des Werkstücks ermöglicht. Der Laserkopf und der Positionssensor sind räumlich getrennt derart angeordnet, dass sich der Laserstrahl und der Lichtstrahl des Positionssensors unter einem Winkel von etwa 90° kreuzen. Der Lichtstrahl des Positionssensors verläuft tangential zur bearbeiteten Werkstückoberfläche, so dass eine Abweichung des Laserstrahls in tangentialer Richtung nicht erfasst werden kann.

Die EP 0 707 920 A2 beschreibt einen Laserkopf zur Materialbearbeitung mit einem Sensor zur Geometrieerfassung und/oder Konturverfolgung, dessen Daten zum Zwecke der Qualitätskontrolle und Beeinflussung des Bearbeitungsvorgangs ausgewertet werden. Der Sensor ist konstruktiv vollständig in dem Laserkopf integriert.

Schließlich ist aus der DE 198 39 482 A1 ein Materialbearbeitungssystem mit einem Hochleistungs-Diodenlaser bekannt, bei dem ein handgeführter Bearbeitungskopf die Laserquelle enthält.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Materialbearbeitungs-Laserkopf herzustellen, der ein Regelungs-Überwachungssystem in dem Materialbearbeitungs-Laserkopf einschließt, um die notwendigen Einstellungen an dem Laserschweißprozess vorzunehmen.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen und Einstellen eines Laserschweißprozesses. Ein Materialbearbeitungs-Laserkopf umfasst eine Laserquelle, die einen Laserstrahl zum Laserschweißen eines Werkstückes vorsieht. Ein Positionssensor, der mit dem Materialbearbeitungs-Laserkopf gekoppelt ist, misst die Differenz zwischen der aktuellen Position des Werkstücks und einer vorbestimmten theoretischen Position des Werkstücks. Ein Einstellmittel, das in dem Kopf angeordnet ist, positioniert den Laserstrahl in Antwort auf ein Signal vorn Positionssensor. Ein mit dem Materialbearbeitungs-Laserkopf gekoppelter Regler sieht die Schnittstelle des Positionssensors mit dem Einstellmittel vor, um dem Einstellmittel zu ermöglichen, die Position des Laserstrahls in Bezug auf das Werkstück genau einzustellen. Ein Prozesssensor, der mit dem Materialbearbeitungs-Laserkopf gekoppelt ist, kann auch vorgesehen sein, um die Qualität der durch den Laserschweißprozess erzeugten Schweißnaht anzugeben. Der Regler kann die Schnittstelle zwischen dem Prozesssensor und dem Einstellmittel bilden, um den Laserstrahl genau ein zustellen, indem der Leistungspegel der Laserquelle eingestellt wird. Der Prozesssensor kann auch mit dem Bearbeitungssystem kommunizieren, das getrennt von dem Materialbearbeitungs-Laserkopf angeordnet ist, um die Position des Werkstücks relativ zu dem Laserkopf einzustellen.

Das Einstellmittel kann ein Mittel zum Reflektieren des Laserstrahls zu dem Werkstück vorsehen. Das Reflektionsmittel kann mindestens einen Spiegel vorsehen, der an mindestens einer Schwenkachse befestigt ist. Zusätzlich kann der Spiegel auch eine konkave Oberfläche zum Reflektieren des Laserstrahls vorsehen.

Das Einstellmittel kann auch ein transparentes Mittel zum Richten des Laserstrahls auf das Werkstück umfassen. Das oder die transparenten Mittel können mindestens ein Prisma vorsehen, das auf einer Schwenkachse befestigt ist, um das Prisma um mindestens eine Achse zu schwenken. Die transparenten Mittel können auch im wesentlichen flache parallele Glasplatten zum Ablenken des Laserstrahls zu dem Werkstück umfassen.

Schließlich können die Einstellmittel eine optische Linse zum Fokussieren des Laserstrahls auf das Werkstück vorsehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf ähnliche oder gleiche Elemente über die verschiedenen Ansichten gesehen.

1 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Spiegeln, die den Laserstrahl zu dem Werkstück reflektieren.

2 ist eine schematische Ansicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von transparenten Elementen, um den Laserstrahl auf das Werkstück zu richten.

3 ist eine schematische Ansicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, bei denen ein konkaver Spiegel verwendet wird, um den Laserstrahl auf das Werkstück zu reflektieren.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Die vorliegende Erfindung wird nun genauer bezüglich des bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in den 1 bis 3 dargestellt ist, sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung 10 zum Überwachen und Einstellen eines Laserschweißprozesses vor. Die vorliegende Erfindung weist einen Materialbearbeitungs-Laserkopf 12 auf, der einen Laserstrahl 14 zum Laserschweißen eines Werkstückes 16 vorsieht. Der Materialbearbeitungs-Laserkopf 12 weist auch Positionssensoren 18 zum Messen der aktuellen Position des Werkstückes 16 relativ zu einer vorbestimmten theoretischen Position des Werkstückes 16 auf. Prozesssensoren 20 können auch mit dem Materialbearbeitungs-Laserkopf 12 gekoppelt sein, um die Qualität der Schweißung bzw. der Schweißnaht (nicht gezeigt), die an dem Werkstück 16 durch den Laserstrahl 14 erzeugt wird, zu überwachen. Der Materialbearbeitungs-Laserkopf 12 sieht auch Mittel 31 zum Einstellen des Laserstrahls 14 abhängig von dem Positionssensor 18 und dem Prozesssensor 20 vor. Ein Regler 22 sieht eine Schnittstelle zwischen dem Positionssensor 18 sowie dem Prozesssensor 20 und den Einstellmitteln vor. Der Positionssensor 18 und der Prozesssensor 20 können auch mit einem Bearbeitungssystem 24 kommunizieren, um die Einstellung des Laserkopfes 12 in Bezug auf das Werkstück 16 vorzusehen.
Wie in 1 zu erkennen ist, umfasst der Materialbearbeitungs-Laserkopf 12 eine Laserquelle 26 zum Erzeugen eines Strahls einer Hochenergiestrahlung, wie einen Laserstrahl 14. Die Laserquelle 26 kann den Strahl der Hochenergiestrahlung über eine optische Faser oder als freistrahlendes Bündel der Hochenergiestrahlung übertragen.
Um den Laserstrahl 14 zu richten und zu steuern, sieht die vorliegende Erfindung die Einstellmittel vor, die den Laserstrahl relativ zu dem Werkstück 16 einstellen. Die Einstellmittel können Reflektionsmittel zum Reflektieren des Laserstrahls 14 zu dem Werkstück 16 umfassen. Die Reflektionsmittel können mindestens einen beweglichen Spiegel 28 zum Reflektieren des Laserstrahls 14 zu dem Werkstück 16 aufweisen. Wenn nur ein Spiegel 28 verwendet wird, dann ist der Spiegel 28 auf einer Schwenkachse befestigt, um eine Drehung des Spiegels 28 sowohl in die X-Achse als auch die Y-Achse zu erlauben. Durch Schwenken des Spiegels 28 in die X-Achsen und Y-Achsen kann der entlang der X- und Y-Achsen längs des Werkstückes 16 gerichtet werden. Alternativ kann ein Paar von Spiegeln 28 verwendet werden. Wenn ein Spiegelpaar 28 verwendet wird, wird jeder Spiegel 28 an einer Schwenkachse befestigt, wobei einer der Spiegel 28 sich in den X-Achsen und der andere Spiegel 28 sich in den Y-Achsen bewegt. Diese Anordnung ermöglicht die X- und Y-Achsen-Einstellung des Laserstrahls 14 auf dem Werkstück 16, wenn der Laserstrahl von einem ersten Spiegel 28, einem zweiten Spiegel 28 reflektiert wird und dann zu dem Werkstück 16. Das Schwenken der Spiegel 28 kann durch einen kleinen elektrischen Antrieb (nicht dargestellt) vorgenommen werden.
Um das Werkstück 16 zu erzeugen oder zu schweißen, wird der Laserstrahl 14 durch ein Wellenlängenfilter 30 nach dem Reflektieren von den Spiegeln 28 geschickt. Das Wellenlängenfilter 30 ermöglicht der Laserstrahlung durch das Filter 30 hindurch zu kommen, während die anderen Lichtwellenlängen abgelenkt werden. Der Laserstrahl 14 wird durch eine Fokussieroptik 32 gerichtet, die in dem Materialbearbeitungs-Laserkopf 12 angeordnet ist oder mit ihnen gekoppelt ist. Die Fokussieroptik 32 fokussiert den Laserstrahl 14 auf das Werkstück 16, um die Schweißung durchzuführen. Die Fokussieroptik 32 kann zu dem Werkstück 16 oder weg von diesem durch die Einstellmittel bewegt werden. Die Einstellmittel können übliche Mittel verwenden, wie einen elektrischen Antrieb.
Um die Qualität der Schweißung abzutasten, arbeitet das Filter 30 für bestimmte Wellenlängen als Spiegel. Dieser Strahl von unterschiedlichen Wellenlängen wird zu dem Spiegel 34 reflektiert, worauf der Strahl durch die Linse 36 fokussiert und durch das Filter 38 gefiltert wird. Der Prozesssensor 20 empfängt den Strahl von Filter 38 und schickt ein Signal entweder zu dem Regler 22 oder direkt zu dem Bearbeitungssystem 24. Der Regler 22 kann die Einstellmittel anweisen, den Leistungspegel der Laserquelle 26 abhängig von der Qualität der Schweißung bzw. der Schweißnaht einzustellen. Zusätzlich kann ein Signal von dem Pro zesssensor zu dem Materialbearbeitungssystem 24 das Materialbearbeitungssystem veranlassen, den relativen Abstand zwischen dem Lasermaterial-Bearbeitungskopf 12 und dem Werkstück 16 einzustellen. Der Prozesssensor 20 kann einen Plasmadetektor verwenden, um die Qualität der Schweißung zu bestimmen oder ein Bild- oder Sichtsystem, um einen zweidimensionalen Strahl des Werkstückes 16 auszuwerten.
Damit die Positionssensoren 18 genau die Position des Werkstückes 16 abtasten, können die Positionssensoren 18 in dem Materialbearbeitungs-Laserkopf 12 montiert sein. Der Positionssensor 18 kann eine CCD-Kamera, einen Laserstrahl niedriger Leistungen, getrennt vom Laserstrahl 14 oder eine federvorgespannte mechanische Sonde vorsehen. Der Positionssensor 18 tastet die aktuelle Position des Werkstückes 16 ab und vergleicht die aktuelle Position des Werkstückes 16 mit der vorprogrammierten theoretischen Position des Werkstückes 16. Der Positionssensor 18 kann dann ein Signal zu dem Regler 22 in Bezug auf die Position des Werkstückes 16 senden.
Damit die Einstellmittel auf den Positionssensor 20 antworten können, verbindet der Regler 22 als Schnittstelle den Positionssensor 18 mit den Einstellmitteln. Der Regler 22 kann eine zentrale Verarbeitungseinheit oder einen Hochgeschwindigkeitscomputer umfassen, der das Signal von dem Positionssensor 18 empfängt und interpretiert und dann ein entsprechendes Signal an die Einstellmittel liefert. Die Einstellmittel bewegen die Spiegel 28, um den Laserstrahl 14 sauber und genau auf dem Werkstück 16 zu positionieren.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sehen die Einstellmittel transparente Mittel zum Ablenken des Laserstrahls 14 zu dem Werkstück 16 vor, wie in 2 gezeigt wird. Die transparenten Mittel 29 können mindestens ein Prisma oder ein Paar von im wesentlichen parallelen Glasplatten einschließen. In beiden Fällen sind die transparenten Mittel an einer Schwenkachse befestigt, um die transparenten Mittel um eine X- und eine Y-Achse zu schwenken. Durch Bewegen der transparenten Mittel und Ablenken des Laserstrahls 14 kann der Laserstrahl 14 genau in Bezug auf das Werkstück 16 positioniert werden.
In noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann die vorliegende Erfindung Infrarot- oder CO₂-Laser als Laserquelle 26 verwenden. Wie in 3 gezeigt wird, emittiert der Infrarot- oder CO₂-Laser 40 einen Strahl auf zwei Flächen eines Spiegels 42. Die erste Fläche 44 ist eine im wesentlichen flache Winkelfläche, die den Strahl zu einer zweiten Fläche 46 des Spiegels 42 reflektiert, wobei die zweite Fläche im wesentlichen konkav ist. Der Laserstrahl 14 wird von der zweiten Fläche 46 des Spiegels 42 reflektiert und wird auf das Werkstück 16 gerichtet. Eine Apertur 48 ist in einem Mittelbereich der zweiten Fläche 46 des Spiegels 42 vorgesehen, wodurch der Positionssensor 18 auf das Werkstück 16 durch die Apertur oder Öffnung 48 sehen kann. Zusätzlich erlaubt die Öffnung 48, dass mehrere Lichtwellenlängen durch die Linse 36 und das Filter 38 hindurch gehen können. Die Wellenlänge vom Filter 38 wird durch den Prozesssensor 20 abgetastet, und ein Signal wird von dem Prozesssensor 20 entweder zu dem Regler 22 oder der Materialbearbeitungsvorrichtung 24 gesendet.
Im Betrieb wird die vorliegende Erfindung in der Weise verwendet, dass die Laserquelle 26 einen Laserstrahl 14 über die Einstellmittel emittiert. Die Einstellmittel reflektieren oder lenken ab und fokussieren den Laserstrahl 14 auf das Werkstück 16. Die Positionssensoren 18 tasten die Position des Werkstückes 16 ab und vergleichen die Position des Werkstückes 16 mit der vorbestimmten theoretischen Position des Werkstückes 16. Der Positionssensor liefert ein Signal an den Regler 22, der das Signal interpretiert und den Einstellmitteln antwortet. Die Einstellmittel stellen dann die Reflexion oder Ablenkung und Fokussierung des Laserstrahls 14 ein, um den Laserstrahl 14 sauber und genau in Bezug auf das Werkstück 16 einzustellen. Der Prozesssensor 20 verarbeitet auch die von dem Werkstück 16 empfangenen Wellenlängen. Der Prozesssensor 20 interpretiert das Signal und kann ein Signal zu dem Regler 22 oder der Materialbearbeitungsvorrichtung 24 liefern. Wenn der Regler oder Regelkreis 22 ein Signal von dem Prozesssensor 20 empfängt, dann können die Einstellmittel das Leistungsniveau der Laserquelle 26 einstellen. Wenn das Signal vom Prozesssensor 20 an das Materialbearbeitungssystem 24 gesandt wird, kann das Materialbearbeitungssystem 24 die Position des Lasermaterial-Bearbeitungskopfes 12 relativ zu dem Werkstück 16 einstellen.

Claims

Vorrichtung zum Überwachen und Einstellen eines Laserschweißprozesses, welche aufwest: einen Materialbearbeitungs-Laserkopf (12); eine Laserquelle (26), die in dem Materialbearbeitungs-Laserkopf (12) angeordnet ist, um einen Laserstrahl zum Laserschweißen eines Werkstückes (16) vorzusehen; einen Positionssensor (18), der an dem Materialbearbeitungs-Laserkopf (12) angekoppelt ist, zur Messung der aktuellen Position des Werkstücks (16) relativ zu einer vorbestimmten theoretischen Position des Werkstücks (16); und Mittel zum Einstellen der Position des Laserstrahls, die in dem Laserkopf (12) angeordnet sind; einen Regler (22) mit geschlossener Regelschleife, der mit dem Materialbearbeitungs-Laserkopf (12) gekoppelt ist, zur Bildung einer Schnittstelle zwischen dem Positionssensor (18) und den Einstellmitteln, um den Einstellmitteln eine genaue Positionierung des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Position des Werkstückes (16) zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welcher weiterhin aufweist: einen Prozesssensor (20), der mit dem Materialbearbeitungs-Laserkopf (12) gekoppelt ist, um die Qualität der Laserschweißung des Werkstückes (16) zu überwachen, wobei der Regler (22) die Schnittstelle des Prozesssensors (20) mit den Einstellmitteln bildet, um genau das Leistungsniveau der Laserquelle (26) einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, welche weiterhin aufweist: ein Bearbeitungssystem (24), das getrennt von dem Materialbearbeitungs-Laserkopf (12) ist, zum Einstellen der Position des Werkstückes (16) relativ zu dem Materialbearbeitungs-Laserkopf (12), wobei der Regler (22) die Schnittstelle zwischen dem Prozesssensor (20) und dem Bearbeitungssystem (24) bildet, um dem Bearbeitungssystem (24) zu ermöglichen, die relative Position des Werkstückes (16) relativ zu dem Materialbearbeitungs-Laserkopf (12) in Abhängigkeit zu dem Prozesssensor (20) einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einstellmittel weiterhin aufweisen: Mittel (28) zum Reflektieren des Laserstrahls zu dem Werkstück (16).
Vorrichtung nach Anspruch 4, welche weiterhin aufweist: mindestens einen Spiegel (28), der an einer Schwenkachse für eine Bewegung in mindestens einer Achse befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Spiegel (28) eine konkave Oberfläche zum Reflektieren des Laserstrahls aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einstellmittel weiterhin umfassen: transparente Mittel (29) zum Richten des Laserstrahls auf das Werkstück (16).
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die transparenten Mittel (29) zum Richten weiter umfassen: mindestens ein Prisma, das an einer Schwenkachse für eine Bewegung in mindestens einer Achse befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die transparenten Mittel (29) zum Richten weiter umfassen: mehrere im Wesentlichen flache parallelen Glasplatten, die an einer Schwenkachse für eine Bewegung in mindestens einer Achse befestigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einstellmittel weiterhin umfassen: eine optische Linse (32) zum Fokussieren des Laserstrahls auf das Werkstück (16).