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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines Belichtungsvorgangs
für ein
Werkstück,
mit einer Laserquelle zur Aussendung eines Laserstrahls, einer Ablenkeinrichtung
zur Beeinflussung einer Strahlrichtung des Laserstrahls, einer Steuereinrichtung
zur Ansteuerung der Laserquelle und der Ablenkeinrichtung und einer
Werkstückaufnahme
für ein
zu belichtendes Werkstück
sowie eine zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
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Aus
dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zur Belichtung
von Werkstücken bekannt,
bei denen eine auf dem Werkstück
aufgetragene, lichtdichte Beschichtung abschnittsweise durch einen
Laserstahl abgetragen wird. Zur Bewirkung des Materialabtrags wird
der Laserstrahl einer Laserquelle mittels einer Ablenkeinrichtung
derart auf die Oberfläche
des Werkstücks
gerichtet, dass dort eine lokal begrenzte Verdampfung der lichtdichten
Beschichtung auftritt. Durch eine kontinuierliche oder punktweise
Belichtung der Werkstückoberfläche und
eine damit einhergehende Ablenkung des Laserstrahls kann der transparent
oder durchscheinend ausgeführte
Grundkörper
des Werkstücks
abschnittsweise freigelegt werden. Durch die Freilegung von lichtdurchlässigen Bereichen
in der Beschichtung des Werkstücks
können
Symbole, Dekors und Beschriftungen an dem Werkstück erzeugt werden, die bei
einer Beleuchtung des Werkstücks
von innen leuchtend hervortreten. Das Werkstück kann beispielsweise als
Bedienhebel oder Bedienelement für
Kraftfahrzeuge oder sonstige Bedieneinrichtungen ausgebildet sein.
Problematisch bei derartigen Belichtungsvorgängen ist die Sicherstellung
von Form und Lagetoleranzen der aufzubringenden Symbole. Aus dem
Stand der Technik ist es bekannt, eine Überprüfung der Form- und Lagetoleranzen
der aufzubringenden Symbole und Beschriftungen mittels eines Messmikroskops
durchzuführen.
Mit Hilfe des Messmikroskops kann an dem belichteten Werkstück die Lage
und Ausdehnung der belichteten Bereiche und damit eine Abweichung
von vorgegebenen Sollwerten ermittelt werden. Abweichungen in Lage und/oder
Ausdehnung der erzeugten Symbole und Beschriftungen, wie sie insbesondere
nach Arbeiten an der Laserquelle, z.B. nach Auswechseln des Belichtungsobjektivs
oder anderen Einstellarbeiten auftreten können, müssen dann durch manuelle Eingabe
von korrigierten Steuerparametern in die Steuereinrichtung vorgenommen
werden. Abweichungen in der Lage und Ausdehnung der Belichtungen
können auch
durch innere und äußere Einflüsse auf
die Laserquelle, beispielsweise durch Schwankungen der Umgebungstemperatur
oder Luftfeuchtigkeit, auftreten und müssen ebenfalls manuell kompensiert
werden.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die
eine automatisierte Kompensation von Form- und Lagetoleranzen ermöglichen.
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Diese
Ausgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch eine
Vorrichtung gemäß Anspruch
9 gelöst.
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Für das Verfahren
ist vorgesehen, eine Vermessung eines durch Belichtung an dem Werkstück erzielten
Arbeitsergebnisses mit einer Kameraeinrichtung vorzunehmen. Das
von der Kamera ermittelte Werkstückbild
kann in Überdeckung
mit einem vorgebbaren Referenzbild oder vorgebbaren Referenzpunkten
gebracht werden. Damit kann ein Bediener eine Abweichung der erzeugten
Belichtung von einem Sollzustand erkennen und eine entsprechende Korrektur
der Steuerparameter der Steuereinrichtung vornehmen. Die Kameraeinrichtung
ermöglicht
eine berührungslose
Inspektion der belichteten Werkstücke, ein unmittelbarer optischer
und mechanischer Zugriff auf das zu überprüfende Werkstück ist nicht notwendig.
Somit ist auch eine Überprüfung des
Arbeitsergebnisses aus größerer Distanz
möglich,
beispielsweise von einem zentralen Qualitätskontrollplatz.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird ein von der Kameraeinrichtung ermitteltes Werkstückbild des
belichteten Werkstücks
von einer Bildverarbeitungseinrichtung ausgewertet und für eine Ermittlung
einer Sollwertabweichung gegenüber
einem vorgebbaren Referenzbild benutzt. Die Bildverarbeitungseinrichtung,
die der Kameraeinrichtung nachgeschaltet ist, kann die durch die
Strukturierung der Werkstückoberfläche entstandenen Strukturen
anhand von vorgebbaren Kontrastwerten auswerten und auf elektronischem
Wege einen Umriss der jeweils freigelegten Struktur ermitteln. Dieser Umriss
kann mit dem vorgebbaren Referenzbild elektronisch in Überdeckung
gebracht werden, um Sollwertabweichungen zu ermitteln. Damit ist
eine benutzerunabhängige
Feststellung von Abweichungen zwischen der belichteten Oberfläche des
Werkstücks und
dem Referenzbild möglich.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ermittelt die Steuereinrichtung Stellwerte,
die zur Beeinflussung der Laserquelle anhand der Sollwertabweichung
eingesetzt werden. Die durch Auswertung des Werkstückbildes
in der Bildverarbeitungseinrichtung ermittelten Sollwertabweichungen
können
in Stellwerte für die Steuereinrichtung
umgesetzt und an die Steuereinrichtung übertragen werden. Damit kann
in einfacher Weise eine Annäherung
der Belichtung des Werkstücks
an das Referenzbild erzielt werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden für eine Einrichtung der Laserquelle
eine große Anzahl
von Messpunkten des Referenzbildes mit dem Werkstückbild und/oder
zwei- bzw. dreidimensionalen Messdaten abgeglichen. Eine Einrichtung
der Laserquelle ist insbesondere nach Wartungs- oder Reparaturarbeiten
an der Laserquelle oder zu Beginn einer Bearbeitung eines neuen
Werkstücks
bzw. von geänderten
Symbolen, Dekors oder Beschriftungen erforderlich. Bei derartigen Änderungen
ist ein Abgleich des Werkstückbildes
mit einer großen
Anzahl von Messpunkten des Referenzbildes vorteilhaft, damit die
Belichtung des Werkstücks
in allen Bereichen der zu erstellenden Symbole, Dekors oder Beschriftungen
gleichmäßig und
getreu der Vorlage erfolgt. Da es bedingt durch die üblicherweise
gekrümmte Oberflächekontur
des Werkstücks
zu Verzerrungen der Belichtung kommen kann, ist eine Kontrolle des Arbeitsergebnisses
anhand einer Vielzahl von Messpunkten vorteilhaft, um in wenigen
Näherungsschritten
zu einem im wesentlichen optimal an das Referenzbild angepassten
Werkstückbild
zu gelangen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird für einen Produktionsbetrieb
eine geringe Anzahl von Messpunkten des Referenzbildes mit dem Werkstückbild abgeglichen.
Nach der Einrichtung der Laserquelle auf das Werkstück sind
die möglichen
Ursachen von Abweichungen eng eingegrenzt und insbesondere im Bereich
einer fehlerhaften Werkstückpositionierung
und/oder Drifterscheinungen der Laserquelle, wie sie durch Temperatur-
oder Luftfeuchtigkeitsunterschiede oder andere äußeren Einflüsse wie Schwingungen auftreten
können,
beschränkt. Um
einen schnellen Ablauf des Verfahren gewährleisten zu können, werden
daher während
des Produktionsbetriebes, wo hohe Stückzahlen von Werkstücken zu
belichten sind, nur wenige, besonders charakteristische Messpunkte
an den belichteten Werkstücken
ermittelt. Diese charakteristischen Messpunkte sind so an den Symbolen
und Beschriftungen angeordnet, dass sie zur Ermittlung maximaler
Abweichungen des Werkstückes
gegenüber
dem Referenzbild geeignet sind. Damit kann auch bei einer geringen
Auflösung
der Bildverarbeitungseinrichtung eine hohe Aussagekraft der Sollwertabweichungen
sichergestellt werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung sind mehrere, unterschiedliche Referenzbilder für unterschiedliche
Werkstückbelichtungen
in der Bildverarbeitungseinrichtung gespeichert, die einer oder
mehreren Laserquellen zugeordnet werden können. Dadurch können mehrere
Laserquellen, die für
eine Bearbeitung gleicher oder unterschiedlicher Werkstücke vorgesehen
sind, durch eine gemeinsam genutzte Kameraeinrichtung mit Bildverarbeitungseinrichtung
korrigiert werden und dadurch hinsichtlich der Abweichungen von
Form und Lage der Belichtung optimiert werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird durch eine Ermittlung
von Sollwertabweichungen aufeinanderfolgender Belichtungsvorgänge eine
zumindest näherungsweise
Kompensation äußerer und/oder
innerer, auf die Laserquelle einwirkender Einflussfaktoren vorgenommen.
Damit kann eine schrittweise Annäherung
der auf das Werkstück
belichteten Ist-Kontur an das Referenzbild erreicht werden und auch
zeitabhängige
Faktoren wie beispielsweise eine Temperaturabhängigkeit der Laserquelle und/oder
der Werkzeugaufnahme ausgeglichen werden. Für die Ermittlung der Stellwerte
aus den Sollwertabweichungen können
eine Vielzahl unterschiedlicher Algorithmen eingesetzt werden, die
eine besonders effektive Annäherung
der Ist-Kontur an das Referenzbild ermöglichen.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung
gelöst,
die eine Laserquelle zur Aussendung eines ablenkbaren Laserstrahls,
eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Laserquelle und eine
Werkstückaufnahme
für ein zu
belichtendes Werkstück
aufweist, wobei eine Kameraeinrichtung mit nachgeschalteter Bildverarbeitungseinrichtung
für eine
Beeinflussung der Steuereinrichtung vorgesehen ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist für die Kameraeinrichtung und
die Bildverarbeitungseinrichtung eine Auflösung der Werkstückoberfläche kleiner
0,05 mm, bevorzugt kleiner 0,01 mm, besonders bevorzugt kleiner
0,005 mm vorgesehen. Mit einer derartigen Auflösung der Kameraeinrichtung
und der Bildverarbeitung kann eine ausreichende Genauigkeit für die Ermittlung
der Form- und Lagetoleranzen der auf die Werkstücke belichteten Konturen sichergestellt
werden. Die Anforderungen hinsichtlich der Form- und Lagetoleranzen
bewegen sich bis in Bereiche unterhalb von 0,01 mm, so dass für eine sichere
Abtastung der Werkstückoberfläche und
eine eindeutige Ermittlung der Stellwerte für die Steuervorrichtung eine
Auflösung
kleiner 0,005 mm sinnvoll ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die anhand
der Zeichnungen dargestellt sind.
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Dabei
zeigen:
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1 in
ebener Darstellung eine Draufsicht auf eine automatisierte Belichtungsvorrichtung;
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2 in
ebener Darstellung eine Draufsicht auf eine Anordnung von Handarbeitsplätzen mit
zugeordneter Kameraeinrichtung; und
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3 in
schematischer Darstellung eine Ansicht der Bildverarbeitungseinrichtung
mit unterschiedlicher Auflösung
der zu erfassenden Belichtung für
die Einrichtung und den Produktionsbetrieb der Laserquelle.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung 1 zur Durchführung eines
Belichtungsvorgangs an Werkstücken 2 weist
eine Laserquelle 3 zur Aussendung eines Laserstrahls 4,
eine Ablenkeinrichtung 5 zur Beeinflussung einer Strahlrichtung
des Laserstrahls 4, eine Steuereinrichtung 6 zur
Ansteuerung der Laserquelle 3 und der Ablenkeinrichtung 5 und
eine Werkstückaufnahme 7 für ein zu
belichtendes Werkstück 2 auf,
wobei eine Vermessung eines durch Belichtung an dem Werkstück 2 erzielten
Arbeitsergebnisses mit einer Kameraeinrichtung 8 vorgenommen wird.
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Die
Laserquelle 3 weist eine Ablenkeinrichtung 5 und
eine Laseroptik 9 auf, die für eine Strahlführung des
Laserstrahls 4 vorgesehen sind. Die Ablenkeinrichtung 5 kann
insbesondere als nicht näher dargestelltes,
von der Steuereinrichtung 6 ansteuerbares Spiegelsystem
ausgeführt
sein und ermöglicht eine
Ablenkung des Laserstrahls 4 in zwei orthogonal zueinander
ausgerichteten Ebenen. Damit ist eine dreidimensionale Belichtung
des Werkstücks 2 möglich.
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Das
Werkstück 2,
das beispielsweise aus einem transparenten oder durchscheinenden
Werkstoff, insbesondere als Hohlkörper im Kunststoffspritzguss
gefertigt ist und mit einer lichtundurchlässigen Beschichtung versehen
ist, wird in einem unbelichteten Zustand von einem nicht dargestellten Werkstückmagazin über eine
Fördereinrichtung 10 an
einen Rundschalttisch 11 gefördert und dort durch nicht
dargestellte Handhabungsmittel in die Werkstückaufnahmen 7 eingelegt.
Der Rundschalttisch kann eine Bewegung im Uhrzeigersinn durchführen und
ermöglicht
es somit, das Werkstück 2 in
einem ersten Arbeitstakt in einen Erfassungsbereich des Laserstrahls 4 zu
transportieren. Dort findet die Belichtung des Werkstücks 2 statt,
bei der die lichtundurchlässige
Beschichtung des Werkstücks 2 lokal abgetragen
wird. Dies geschieht, indem der Laserstrahl 4 zur lokalen
Verdampfung der Beschichtung eingesetzt wird. Bei einigen Werkstoffen
ist anstelle des Abtrags einer Beschichtung auch eine lokale Entfärbung möglich.
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Durch
einen weiteren Arbeitstakt des Rundschalttisches 11 wird
das belichtete Werkstück
in den Erfassungsbereich der Kameraeinrichtung 8 gefördert. Dort
wird eine Aufnahme des belichteten Werkstücks 2 erzeugt und
in eine mit der Kameraeinrichtung 8 gekoppelte Bildverarbeitungseinrichtung 12 eingespeist,
die als Monitor dargestellt ist. Der Monitor ist lediglich für eine Visualisierung
der von der Bildverarbeitungseinrichtung 12 durchgeführten Auswertung
des von der Kameraeinrichtung 8 aufgenommenen Werkstückbilds
vorgesehen und nicht zwingend für
die Vorrichtung und die Durchführung
des Verfahrens notwendig. In der Bildverarbeitungseinrichtung 12 findet,
wie in 3 näher
dargestellt und nachstehend näher
erläutert,
eine Auswertung des von der Kameraeinrichtung 8 erfassten
Werkstückbildes
statt. Nachdem die Umrisse der belichteten Kontur des Werkstücks 2 durch
die Bildverarbeitungseinrichtung 12 gemäß der 1 erfasst
wurde, findet ein Soll-Istwertvergleich mit einem in der Bildverarbeitungseinrichtung 12 gespeicherten,
nicht dargestellten Referenzbild statt. Dabei werden Sollwertabweichungen
des Ist-Umrisses des Werkstückbildes vom
Soll-Umriss des Referenzbildes ermittelt und in Stellwerte für die Steuereinrichtung 6 umgesetzt. Diese
Stellwerte werden in einem nachfolgenden Schritt an die Steuereinrichtung 6 weitergeleitet
und können
dort für
den nächsten
Belichtungsvorgang der Laserquelle 3 herangezogen werden.
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Das
von der Kameraeinrichtung 8 abgetastete, belichtete Werkstück 2 wird
mit einem nächsten Arbeitstakt
des Rundschalttisches 11 der Transporteinrichtung 13 zugeführt und
kann dann für
eine weitere Verarbeitung abtransportiert werden.
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Bei
einer in 2 dargestellten Ausführungsform
der Erfindung sind mehrere Handarbeitsplätze 14 dargestellt,
die jeweils mit einer Laserquelle 3 ausgerüstet sind.
Die Laserquellen 3 werden von einer zentralen Steuereinrichtung 6 angesteuert
und ermöglichen
die Belichtung unterschiedlicher Werkstücke mit unterschiedlichen Symbolen,
Dekors oder Buchstaben. Die zentrale Steuereinrichtung 6 ist
mit einer Bildverarbeitungseinrichtung 12 verbunden, an die
ihrerseits eine Kameraeinrichtung 8 angekoppelt ist. Mittels
der Kameraeinrichtung 8 kann ein belichtetes Werkstück 2,
das von einem Bediener in den Erfassungsbereich der Kameraeinrichtung 8 gelegt wurde,
aufgenommen werden. In der Bildverarbeitungseinrichtung 12 findet
dann in gleicher Weise wie bei der Vorrichtung gemäß 1 eine
Auswertung des Werkstückbildes
und ein Abgleich mit dem Referenzbild statt. Die durch den Soll-Istwertvergleich
ermittelten Sollwertabweichungen werden unmittelbar als Stellwerte
an die Steuereinrichtung 6 weitergeleitet und der entsprechenden
Laserquelle 3 für
den nachfolgenden Belichtungsvorgang zur Verfügung gestellt. Um eine Identifikation
der von der Bildverarbeitung zu ermittelnden Ist-Kontur zu erleichtern, kann
der Bediener manuelle Eingaben über
eine nicht dargestellte Tastatur der Bildverarbeitungseinrichtung 12 vornehmen
und damit die zu überprüfende Kontur
vorgeben. Es ist ebenfalls denkbar, dass anhand des Werkstückbildes
eine automatische Ermittlung und Zuordnung des Referenzbildes durchgeführt wird.
Sowohl für
die manuelle als auch für
die automatische Eingabe findet eine automatische Übertragung
der Stellwerte an die entsprechende Laserquelle statt.
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In
einer nicht dargestellten Ausführungsform kann
auch ein diskreter Messplatz mit Kameraeinrichtung und Bildverarbeitung
vorgesehen sein. Die bei der Ermittlung der Sollwertabweichungen
erzeugten Stellwerte werden dann auf einen mobilen Datenträger wie
beispielsweise eine Diskette übertragen und
dann in die jeweilige Steuereinrichtung der entsprechenden Laserquelle 3 eingespeist.
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Die
Vermessung des Arbeitsergebnisses kann, wie in der 3 näher dargestellt,
mit unterschiedlichen Auflösungen
und Geschwindigkeiten durchgeführt
werden. Die Bildverarbeitungseinrichtung 12, die der Kameraeinrichtung 8 nachgeschaltet ist,
ermöglicht
je nach Bedarf eine höhere
oder geringere Anzahl von Messpunkten 16, die für den Vergleich
des Werkstückbildes
mit dem Referenzbild vorgesehen sind. Die Anzahl der Messpunkte 16 kann
entweder vom Benutzer vorgegeben werden oder anhand der zu überprüfenden Kontur
automatisch mit Hilfe eines entsprechenden Algorithmus festgelegt
werden. Die Bildverarbeitungsvorrichtung 12 ermittelt anhand
der im Werkstückbild
vorliegenden Kontraste einen durch Messpunkte 16 dargestellten
Umriss der durch die Belichtung erzeugten Symbole, Dekors oder Buchstaben.
Wie im linken Bereich der 3 dargestellt,
kann für
eine Einrichtung der Laserquelle 3 eine größere Anzahl
von Messpunkten 16 vorgesehen sein, um den Umriss der belichteten
Kontur möglichst
genau wiedergeben zu können.
Dagegen ist im rechten Bereich der 3 eine geringe
Zahl von charakteristischen Messpunkten 16 dargestellt,
wie sie bei einem Einsatz der Bildverarbeitungseinrichtung 12 unter
Produktionsbedingungen ermittelt werden. Dadurch ist eine besonders schnelle
Vermessung der erzeugten Belichtung des Werkstücks 2 möglich. Die
charakteristischen Messpunkte 16 werden so an der Kontur
angeordnet, dass sie bei geringen Veränderungen an der Laserquelle 3,
wie sie beispielsweise durch Temperaturunterschiede auftreten können, bereits
zu großen
Sollwertabweichungen führen,
so dass eine effektive Korrektur der aufgetretenen Veränderungen
mit wenigen Iterationsschritten möglich ist.