DE4124162C1

DE4124162C1 - Optimising laser beam process quality, esp. ceramic cutting - includes measuring the intensity of e.g. UV and comparing against threshold value, increasing threshold value and measuring again when penetration occurs

Info

Publication number: DE4124162C1
Application number: DE19914124162
Authority: DE
Inventors: Ludger Dipl.-Ing. Overmeyer; Ferdinand Von Dipl.-Ing. Alvensleben; Claus Dipl.-Ing. 3000 Hannover De Emmelmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-07-20
Filing date: 1991-07-20
Publication date: 1992-12-03
Anticipated expiration: 2011-07-21

Abstract

Optimising the quality of a laser beam process, esp. during cutting ceramics, includes measuring the intensity of a UV- and UR plasma jet, determining the mean plasma jet intensity, and comparing the intensity with a threshold value. The threshold value of the mean plasma jet intensity is increased and the intensity of the plasma jet on the surface of the material to be washed is measured. The penetration of the laser beam through the material is determined, and the intensity of the plasma jet when the laser beam penetrates, is used as the threshold value. ADVANTAGE - The process is simple and ensures optimum quality.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätsoptimierung bei der Laserstrahl-Material bearbeitung, insbesondere beim Schneiden von Kera mikwerkstücken.The invention relates to a method and a Device for quality optimization in the laser beam material machining, especially when cutting kera micro workpieces.

Aus der Veröffentlichung "Laser und Optoelektro nik", 21(3), 1989, Seite 69 ff. ist eine Meßvorrichtung bekannt, die eine optische Anordnung zur selektiven UR- und UV-Signalerfassung, einen akustischen Sensor, einen Mehrka nal-Transientenrecorder und einen Rechner aufweist. Mit Hilfe der Meßvorrichtung wurde versucht, den Zusammenhang zwischen den optischen und akustischen Signalparametern und den Phasen des Laserschweißprozesses zu ermitteln. Es konnte eine Korrelation zwischen den optischen Meßgrößen (reflek tierte Strahlungsintensität) und der Leistungsdichte des Laserstrahles ermittelt werden. Die prinzipielle Verwendung dieser Korrelation zur On-Line-Überwachung des Schweißpro zesses wird in der Veröffentlichung angesprochen. Vorschläge zur Realisierung einer Qualitätskontrolle und -optimierung werden nicht gemacht. From the publication "Laser and Optoelektro nik ", 21 (3), 1989, page 69 ff. is a measuring device known, which is an optical arrangement for selective UR and UV signal detection, an acoustic sensor, a Mehrka nal transient recorder and a computer. With Help of the measuring device was tried to determine the connection between the optical and acoustic signal parameters and to determine the phases of the laser welding process. It could a correlation between the optical parameters (reflec radiated intensity) and the power density of the Laser beam can be determined. The principle use this correlation to the on-line monitoring of the welding pro zesses is addressed in the publication. proposals to implement quality control and optimization are not made.

Aus "OPTO ELEKTRONIK MAGAZIN", Vol. 5, Nr. 6, 1989, Seite 548 ff. sind experimentelle Grundlagenuntersuchungen zum Lasertrennen bekannt. Mit Hilfe eines Endoskops und einer CCD-Kamera werden die von der Laserstrahlung beauf schlagte Wirkstelle und die Düsenbohrung beim Laserschneiden beobachtet, um so Daten für eine On-Line-Qualitätskontrolle zu ermitteln. Eine Integration dieses Meßverfahrens zur Prozeßregelung ist aufgrund zu geringer Bildverarbeitungsge schwindigkeit ineffektiv.From "OPTO ELEKTRONIK MAGAZIN", Vol. 5, No. 6, 1989, Page 548 ff. Are basic experimental investigations known for laser cutting. With the help of an endoscope and a CCD camera is used by the laser radiation struck the point of action and the nozzle bore when laser cutting observed, so data for on-line quality control to determine. An integration of this measurement procedure for Process control is due to insufficient image processing speed ineffective.

Durch die DE-OS 35 07 299 ist es bekannt, zur Steuerung von Schweißprozessen die Intensität des beim Schweißen erzeugten Lichtes zu messen und mit einem vorgege benen Sollwert zu vergleichen. Bei Abweichung vom Sollwert erfolgt eine Nachregelung von den Schweißprozeß steuernden Parametern. Nachteilig ist, daß der Sollwert einmal vorgege ben wird, so daß Sollwertänderungen nicht berücksichtigt werden können.From DE-OS 35 07 299 it is known for Control of welding processes the intensity of the Welding generated light to measure and with a pre to compare the specified setpoint. If there is a deviation from the target value the welding process is readjusted Parameters. It is disadvantageous that the setpoint is given once ben, so that setpoint changes are not taken into account can be.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein geeignetes Verfahren zur weiteren Qualitätsopti mierung bei der Laserstrahl-Materialbearbeitung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.The object of the present invention is a suitable process for further quality optimization lubrication in laser beam material processing and a Specify device for performing the method.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Eine Weiterbildung dieser Aufgabenlösung ist im Anspruch 2 angegeben.This task is procedurally by the in Claim 1 specified measures solved. A further education this task solution is specified in claim 2.

Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt: Durch die Erfindung wird eine adaptive Regelung vorgeschla gen, wodurch die Laserstrahl-Materialbearbeitungsgüte quali tativ erhöht werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Laserstrahlfertigungsprozesse von verschiedenen Werkstoffen integriert werden, beispielsweise beim Schwei ßen, Schneiden, Abtragen etc. Beim Laserstrahlschneiden von keramischen Werkstoffen entstehen regelmäßig Risse. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Rißdichte und die Rißlänge erheblich verringert. Üblicherweise entstehen beim Laserstrahlabtragungsprozeß Oberflächenrauhheiten; auch diese Oberflächenrauhheiten werden durch das erfindungsgemä ße Verfahren reduziert. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht reproduzierbare Bearbeitungsergebnisse und trägt somit zur Qualitätssicherung des Produktes bei. Die Erfin dung ermöglicht eine Automatisierung des Bearbeitungsprozes ses, wodurch die Produktivität erhöht werden kann.The following advantages are achieved with the invention: The invention proposes an adaptive control gene, whereby the laser beam material processing quality can be increased. The method according to the invention can be used in various laser beam manufacturing processes Materials are integrated, for example during welding Eating, cutting, removing, etc. When laser cutting ceramic materials regularly develop cracks. By the inventive method is the crack density and the Crack length significantly reduced. Usually arise during Laser ablation process surface roughness; also these surface roughnesses are caused by the process reduced. The method according to the invention enables reproducible processing results and contributes thus contributing to the quality assurance of the product. The Erfin tion enables automation of the machining process ses, which can increase productivity.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beige fügten Zeichnungen näher erläutert werden, die eine schema tische Darstellung einer Vorrichtung zur Laserstrahl-Materi albearbeitung mit Meßeinrichtungen zur Erfassung von opti schen Signalen während des Bearbeitungsprozesses zeigt.The invention is based on the beige added drawings are explained in more detail, which is a schematic table representation of a device for laser beam materi album processing with measuring devices for recording opti signals during the machining process.

Die Zeichnung zeigt einen CO₂-Laser 2, dessen Laserstrahl 4 auf ein zu schneidendes Keramikwerkstück 6 gerichtet ist. Das Keramikwerkstück befindet sich auf einem rechnergesteuerten XY-Tisch 8.The drawing shows a CO ₂ laser 2 , the laser beam 4 of which is directed onto a ceramic workpiece 6 to be cut. The ceramic workpiece is located on a computer-controlled XY table 8 .

Die Laserbetriebsparameter sind ebenfalls rechner gesteuert.The laser operating parameters are also calculated controlled.

Die vom Keramikwerkstück 6, d. h. von der Laser wirkstelle aus dem Plasma 9 stammenden UV- und UR-Lichtsi gnale werden von einer UV-Fotodiode 10 und einer UR-Fotodio de 12 erfaßt. Beide optischen Fotodiodenmeßeinrichtungen sind verschiebbar, so daß sie stets mit ihren optischen Achsen bzw. mit dem Brennpunkt ihrer vordersten Linse 14 in der Wirkstelle 16 des Laserstrahles 4 liegen.The UV and UR-Lichtsi signals originating from the ceramic workpiece 6 , ie from the laser active site from the plasma 9 , are detected by a UV-photodiode 10 and a UR-Fotodio de 12 . Both optical photodiode measuring devices are displaceable, so that they always lie with their optical axes or with the focal point of their foremost lens 14 in the active point 16 of the laser beam 4 .

Die Meßsignale der Fotodioden gelangen über eine Signalaufbereitungseinrichtung 18 mit Signalaufteilung und Tiefpaß zu einem Prozeßrechner 20.The measurement signals of the photodiodes reach a process computer 20 via a signal conditioning device 18 with signal division and low-pass filter.

Mit Hilfe der Fotodioden 10 und 12 wird die UV- und UR-Plasmastrahlungsintensität erfaßt, um zu einer quali tativen Beurteilung des Bearbeitungsergebnisses während des Bearbeitungsprozesses zu gelangen.With the help of the photodiodes 10 and 12 , the UV and UR plasma radiation intensity is detected in order to arrive at a qualitative assessment of the machining result during the machining process.

Die Meßsignale werden einem Prozeßrechner 20 zu geführt, der hieraus die jeweilige mittlere Plasmastrah lungsintensität ermittelt. Der Prozeßrechner 20 vergleicht diese mittlere Plasmastrahlungsintensität mit einem Sollwert und erzeugt in Abhängigkeit von der Abweichung vom Sollwert Steuersignale für eine Steuereinrichtung 34 zur Steuerung des Vorschubs des Werkstückes 6 und Steuersignale für eine Steuereinrichtung 32 zur Änderung der Tastfrequenz des Lasers oder zur Änderung der Laserleistung, um die Abwei chungen der gemessenen mittleren Plasmastrahlungsintensität vom Sollwert zu minimieren.The measurement signals are fed to a process computer 20 , which determines the respective mean plasma radiation intensity. The process computer 20 compares this mean plasma radiation intensity with a desired value and, depending on the deviation from the desired value, generates control signals for a control device 34 for controlling the feed of the workpiece 6 and control signals for a control device 32 for changing the scanning frequency of the laser or for changing the laser power to minimize the deviations of the measured mean plasma radiation intensity from the target value.

Die Abtastrate des Prozeßrechners wird hierzu gleich der Pulsfrequenz des Lasers gewählt.The sampling rate of the process computer becomes this chosen equal to the pulse frequency of the laser.

Die Soll-Plasmastrahlungsintensität wird wie folgt ermittelt: Die Laserleistung wird allmählich hochge fahren, beispielsweise über das Tastverhältnis, und es wird dabei die Intensität der Plasmastrahlung auf der Oberseite des Werkstückes, d. h. auf der Laserstrahleintrittsseite, mit Hilfe der UV-/UR-Fotodiodenanordnung 10, 12 gemessen. Auf der Unterseite des Werkstückes, d. h. auf der Laser strahlaustrittsseite des Werkstückes, ermittelt eine weitere Fotodiode 30 den Durchtritt des Laserstrahles durch das Werkstück. Die bei vollständiger Durchtrennung des Werk stückes gleichzeitig über die Meßsignale der Fotodiode 10 und/oder Fotodiode 12 im Rechner 20 ermittelte mittlere Plasmastrahlungsintensität wird als Sollwert für den Ver gleich mit den laufenden Meßergebnissen und für die Regelung im Rechner bereitgestellt. Anhand dieses Sollwertes werden die für eine optimale Bearbeitung erforderlichen Bearbei tungsparameter (Schneidparameter) errechnet. Der Sollwert kann bei jedem Bearbeitungsvorgang (Schneidvorgang) neu ermittelt werden zur automatischen Nachregelung der für die optimale Bearbeitung erforderlichen Bearbeitungsparameter.The target plasma radiation intensity is determined as follows: The laser power is gradually increased, for example via the duty cycle, and the intensity of the plasma radiation on the upper side of the workpiece, ie on the laser beam entry side, with the aid of the UV / UR photodiode arrangement 10 , 12 measured. On the underside of the workpiece, ie on the laser beam exit side of the workpiece, a further photodiode 30 determines the passage of the laser beam through the workpiece. When the workpiece is completely severed, the mean plasma radiation intensity determined simultaneously via the measurement signals of the photodiode 10 and / or photodiode 12 in the computer 20 is provided as a setpoint for the comparison with the current measurement results and for the control in the computer. The machining parameters (cutting parameters) required for optimal machining are calculated on the basis of this setpoint. The setpoint can be determined anew for each machining operation (cutting operation) for automatic readjustment of the machining parameters required for optimal machining.

Durch das beschriebene Verfahren werden die pro zeßbedingten Schwankungen der Plasmastrahlungsintensität verringert und wird damit die Bearbeitungsqualität, bei spielsweise die Schneidqualität bei Keramikwerkstücken, wesentlich erhöht.Through the described method, the pro fluctuations in plasma radiation intensity due to reduced and thus the processing quality, at for example the cutting quality of ceramic workpieces, significantly increased.

Claims

1.Procedure for quality optimization in laser beam material processing, in particular when cutting ceramics using a laser beam, in which the intensity of the UV and UR plasma radiation of the laser beam / material interaction point is measured, the mean plasma radiation intensity is determined from the measured intensities and with a target value of the mean plasma radiation intensity is compared and from the determined deviation control values for readjusting process parameters are determined to minimize the deviation of the measured mean plasma radiation intensity from the target value, characterized in that to determine the target value of the mean plasma radiation intensity the mean laser beam power gradually increases and Intensity of the plasma radiation is measured on the top of the processed material, and that the passage of the laser beam through the material is measured and that existing when it passes The intensity of the plasma radiation is measured and made available as a setpoint.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the setpoint is constantly new at certain time intervals is determined.

3. Device for performing the method according to one of claims 1 and 2 with a laser for material processing, with at least one photodiode for measuring the intensity of the UV and / or UR plasma radiation of the laser beam / material interaction point and with a process computer to evaluate the measurement signals of the photodiodes to determine an average plasma radiation intensity from the measured values, to determine a deviation of the measured average plasma radiation intensity from a predetermined target value required for optimum material processing quality, and to generate control signals for controlling the laser power and / or the scanning frequency of the laser and / or the feed speed of the workpiece to be machined as a function of the deviation of the measured mean plasma radiation intensity from the target value to minimize this deviation, characterized in that for me technical rule detection of the passage of the laser beam by the workpiece on to the laser beam / material interaction point (16) opposite side of the workpiece (6) comprises a further photodiode (30) is arranged.