DE102007027377A1

DE102007027377A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102007027377A1
Application number: DE102007027377A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dr.-Ing. Walter; Leo H.J.F. Prof. Dr. Beckmann
Original assignee: SCANSONIC GmbH
Current assignee: Scansonic MI GmbH
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2027-06-12
Also published as: DE102007027377B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels Laserstrahl. Die Vorrichtung umfasst eine Bearbeitungsoptik (1) mit mindestens einem den Laserstrahl ablenkenden und/oder fokussierenden Element (11, 12), ein optisches Messsystem (3) zur Erfassung eines Fügestoßes, eine Signalverarbeitungseinrichtung, die eine räumliche Abweichung des Bearbeitungspunktes (22) des Laserstrahls zum Fügestoß ermittelt, und eine Steuerung (6), die in Abhängigkeit einer Abweichung des Bearbeitungspunktes (22) zum Fügestoß auf das strahlablenkende und/oder strahlfokussierende Element der Bearbeitungsoptik einwirkt, um einen räumlichen Abstand zwischen Bearbeitungspunkt und Fügestoß zu minimieren, wobei das optische Messsystem durch die Bearbeitungsoptik hindurch unter Mitnutzung des strahlablenkenden und/oder strahlfokussierenden Elements (11, 12) die Topographie des Werkstücks in der Umgebung des Bearbeitungspunktes entlang von mindestens zwei voneinander beabstandeten Messbereichsgrenzen (43, 44) und/oder den Bereich zwischen den Messbereichsgrenzen mittels mindestens zweier Lichtstrahlen (37a, 37b) oder mindestens einem ringförmigen Lichtbild abtastet. Hierdurch wird eine Nahtführung unabhängig von der Orientierung der Bearbeitungsoptik und der Positionsgenauigkeit einer ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung mit einem Sensorsystem zur autonomen Führung des Bearbeitungspunktes einer Bearbeitungsoptik entlang einer Werkstückkontur, vorzugsweise zur Nahtführung.
Laser werden in der Fertigungstechnik häufig zum thermischen Fügen, sowohl zum Schweißen als auch zum Löten eingesetzt. Metallische und nichtmetallische Werkstoffe lassen sich dadurch stoffschlüssig verbinden. Dazu werden Bauteile (Werkstücke) in geeigneter Form, meist in Spannvorrichtungen aneinander gebracht. Der Fügeprozess findet dann häufig entlang eines durch Teile des zu bearbeitenden Bauteils (Werkstücks) definierten Fügestoßes statt. Dazu wird ein Laserstrahl mittels entsprechender Strahlführung entsprechend der Stoß- und Nahtgeometrie entlang dieses Fügestoßes mittels einer geeigneten Führungsmaschine bewegt. Bei sehr gleichmäßigen Bauteilen und toleranten Fügeprozessen ist eine fest programmierte Bahn entlang des Fügestoßes ausreichend. Infolge Bauteilschwankungen und zum Ausgleichen von Bahnungenauigkeiten der Führungsmaschinen sind häufig automatisch wirkende Nahtführungssysteme zur Sicherstellung der Fügequalität erforderlich. Diese Nahtführungssysteme können die Fügestoßlage zum Beispiel mechanisch oder optisch abtasten und entsprechend eine Nachführung der Laserstrahls durch geeignete Aktoren ermöglichen.
In der DE 100 06 852 C5 ist ein Laserbearbeitungsverfahren dargestellt, bei dem die Nahtlage mittels Zusatzdraht im Bearbeitungspunkt mechanisch abgetastet und der Laserfokus automatisch nachgeführt wird. Dieses bekannte Verfahren gleicht sowohl Toleranzen der Bauteile, als auch Bahnungenauigkeiten der Führungsmaschine, beispielsweise eines Industrieroboters, aus. Das Verfahren setzt jedoch die Verwendung von Zusatzwerkstoff voraus.
Andere bekannte Laserschweißverfahren verwenden einen vorlaufenden mechanischen Taster zur Führung des Lasers mit dem Nachteil des Vorlaufs und der damit verbundenen Bahnungenauigkeit (siehe z.B. DE 198 47 867 A1 ). Aus der EP 1 219 380 A3 ist ein Laserschweißverfahren mit einer optischen Abtastung des Fügestoßes bekannt, bei dem die Abtastung ebenfalls vorlaufend zum Bearbeitungspunkt des Laserstrahls erfolgt. Diese Verfahren haben alle den Nachteil, dass sie orientierungsabhängig sind. Bearbeitungskopf und Orientierung des Sensors zur Nahterkennung müssen bei diesen Verfahren immer in einer bestimmten Richtung zu dem zu verfolgenden Fügestoß liegen.
Im Zusammenhang mit sogenannten Remote-Laser-Systemen, die mit relativ großen Arbeitsabständen, schneller Strahlablenkung und kurzer Positionierzeit die Wirtschaftlichkeit der Lasermaterialbearbeitung erhöhen, sind diese optischen orientierungsabhängigen oder auch die taktilen Systeme zur Nahtverfolgung nicht mehr geeignet.
In der DE 10 2004 001 168 A1 ist ein Verfahren zur Nahtführung beschrieben, welches auch zur orientierungsunabhängigen Nahtführung bei Remote-Laser-Systemen geeignet ist. Das dort beschriebene Verfahren wertet mittels Bildverarbeitung den auf einen Flächendetektor projizierten Bereich um die spätere Bearbeitungsstelle entlang der programmierten Bahn aus und führt einen Soll-Ist-Vergleich von programmierter Bahn und Stoßverlauf durch, um im eigentlichen Bearbeitungsablauf die ermittelte Abweichung zu korrigieren. Dazu wird in Teilen die gleiche Optik benutzt, wie für die Laserstrahlung. Da diese Korrektur vor dem Bearbeitungsprozess durchgeführt wird, können Abweichungen, z.B. durch Wärmeverzug oder Schwingungen bzw. Bahnungenauigkeiten der Führungsmaschine während des Bearbeitungsprozesses nicht ausgeglichen werden. Zudem ist der zusätzliche Messarbeitsgang erforderlich, was die Auslastung des Lasers wiederum herabsetzt. Prinzipbedingt ist bei dem durchgeführten Soll-Ist-Verleich maximal eine Korrektur der Lagefehler in der Größenordnung der Bahnwiederholgenauigkeit von Strahlablenksystem und Führungsmaschine möglich. Temperaturgang oder andere Einflüsse auf die Positionsgenauigkeit des Scanners und der Führungsmaschine können nicht kompensiert werden.
Ähnlich funktioniert eine in der DE 103 35 501 B4 beschriebene Vorrichtung, bei der ebenfalls mittels Bildverarbeitung die Umgebung der Bearbeitungsstelle erfasst wird, um die Lage des Fügestoßes zu ermitteln und die Fokusposition zu korrigieren, wobei durch eine positionierbare Blende vor dem Bildsensor das Prozessleuchten ausgeblendet und mit einem zusätzlichen Abstandssensor die Fokuslage auch in Abstandsrichtung korrigiert werden kann. Mit dieser Vorrichtung ist auch eine Nahtverfolgung während des Fügeprozesses möglich.
Alle für die Anwendung in Remote-Laser-Systemen bekannten Nahtverfolgungsverfahren, die auch während des Fügeprozesses die Bahn des Bearbeitungspunktes korrigieren können, erfordern jedoch eine Roboterkopplung, um die Orientierung des Bearbeitungskopfes zum Fügestoß zu ermitteln und damit die Ausgleichsbewegung in der Richtung quer zur Vorschubrichtung durchführen zu können. Diese Roboterkopplung ist aufwendig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls anzugeben, die den Bearbeitungspunkt des Laserstrahls unabhängig von der Orientierung der Laserbearbeitungsoptik und der Positioniergenauigkeit einer die Laserbearbeitungsoptik führenden Führungsmaschine entlang eines Fügestoßes unmittelbar während des Bearbeitungsprozesses führen, wobei die Vorrichtung bzw. das Verfahren insbesondere für eine Anwendung als Remote-Laser-System geeignet sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst:
eine Bearbeitungsoptik mit mindestens einem den Laserstrahl ablenkenden und/oder fokussierenden Element,
ein optisches Messsystem zur Erfassung eines durch Teile des zu bearbeitenden Werkstücks definierten Fügestoßes,
eine Signalverarbeitungseinrichtung, die durch das optische Messsystem erzeugte Messsignale verarbeitet und eine räumliche Abweichung des Bearbeitungspunktes des Laserstrahls zum Fügestoß ermittelt, und
eine Steuerung, die in Abhängigkeit einer räumlichen Abweichung des Bearbeitungspunktes des Laserstrahls zum Fügestoß auf das mindestens eine strahlablenkende und/oder strahlfokussierende Element der Bearbeitungsoptik einwirkt, um einen räumlichen Abstand zwischen Bearbeitungspunkt und Fügestoß zu minimieren,
wobei das optische Messsystem durch die Bearbeitungsoptik hindurch, unter Mitnutzung des mindestens einen strahlablenkenden und/oder strahlfokussierenden Elements die Topographie des Werkstückes in der Umgebung des Bearbeitungspunktes des Laserstrahls entlang von mindestens zwei voneinander beabstandeten, vorzugsweise koaxialen Messbereichsgrenzen und/oder den Bereich zwischen den Messbereichsgrenzen mittels mindestens zweier Lichtstrahlen oder mindestens einem ringförmigen Lichtbild abtastet.
Dementsprechend ist das erfindungsgemäße Verfahren im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass ein durch Teile des zu bearbeitenden Werkstücks definierter Fügestoß optisch erfasst wird, dass eine räumliche Abweichung des Bearbeitungspunktes des Laserstrahls zum Fügestoß ermittelt wird, und dass in Abhängigkeit einer räumlichen Abweichung des Bearbeitungspunktes des Laserstrahls zum Fügestoß auf mindestens ein strahlablenkendes und/oder strahlfokussierendes Element der Bearbeitungsoptik so eingewirkt wird, dass ein räumlicher Abstand zwischen Bearbeitungspunkt und Fügestoß minimiert oder ausgeglichen wird, wobei durch die Bearbeitungsoptik hindurch, unter Mitnutzung des mindestens einen strahlablenkenden und/oder strahlfokussierenden Elements der Bearbeitungsoptik die Topographie des Werkstückes in der Umgebung des Bearbeitungspunktes des Laserstrahls entlang von mindestens zwei voneinander beabstandeten, vorzugsweise koaxialen Messbereichsgrenzen und/oder der Bereich zwischen den Mess bereichsgrenzen mittels mindestens zweier Lichtstrahlen oder mindestens einem ringförmigen Lichtbild abgetastet wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst somit ein Sensorsystem zur autonomen Führung des Bearbeitungspunktes (Arbeitspunktes) einer Laserbearbeitungsoptik entlang einer Kontur, vorzugsweise zur Nahtführung, wobei der Sensor (Nahtführungssensor) zur Ermittlung der Fügestoßlage in die Optik integriert ist.
Das optische Messsystem der erfindungsgemäßen Vorrichtung tastet über eine zumindest in den strahlablenkenden und fokussierenden Teilen gemeinsam mit dem Arbeitslaserstrahl genutzte Optik die Umgebung des Laserarbeitspunktes und damit die Topographie der Werkstückoberfläche innerhalb von zwei, vorzugsweise koaxialen Messbereichsgrenzen ab und ermittelt die räumliche Abweichung des Laserarbeitspunktes senkrecht zum Fügestoß. Von einer Recheneinheit (Signalverarbeitungseinrichtung) wird dieser räumliche Abstand weiterverarbeitet und das Strahlablenkungs- und Fokussiersystem so angesteuert, dass der räumliche Abstand minimiert wird und so eine autonome Nahtverfolgung erfolgt. Dazu ist lediglich eine relativ grobe Programmierung des Roboters oder einer anderen Führungsmaschine erforderlich, sofern der Arbeitsbereich des Laserbearbeitungskopfes diese auftretenden Abweichungen zulässt.
Die Abtastung erfolgt dabei entlang der Messbereichsgrenzen und/oder dazwischen. Die Messbereichsgrenzen und/oder der Bereich dazwischen werden in geeigneter Weise auf einem oder vorzugsweise mehreren Detektoren innerhalb des optischen Messsystems (Sensorsystems) abgebildet.
Durch die erfindungsgemäße Abtastung von mindestens zwei voneinander beabstandeten Messbereichsgrenzen und/oder des Bereichs zwischen den Messbereichsgrenzen mittels mindestens zweier Lichtstrahlen oder mindestens einem ringförmigen Lichtbild ist die Ermittlung der relativen Orientierung des die Laserbearbeitungsoptik beinhaltenden Bearbeitungskopfes zum Fügestoß autonom und ohne Robotersteuerung möglich. Die Ermittlung der Lage und der Richtung des Fügestoßes relativ zum Arbeitspunkt der Laserbearbeitungsoptik ermöglicht es, die Ausgleichsbewegung im Raum zur Kompensation aller Bahnungenauigkeiten senkrecht zum Bahnverlauf durchzuführen.
Bezüglich der Ausführungsform, in welcher die erfindungsgemäße Vorrichtung die mindestens zwei voneinander beabstandeten Messbereichsgrenzen mittels mindestens zweier Lichtstrahlen abtastet, besitzen die vom optischen Messsystem erzeugten Lichtstrahlen vorzugsweise unterschiedliche Wellenlängen. Durch die Verwendung von Messlicht unterschiedlicher Wellenlänge lässt sich bei kompakter Ausführung des optischen Messsystems eine klare Trennung und zuverlässige Unterscheidung von mindestens zwei Messspuren erzielen.
Dementsprechend sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter vor, dass das optische Messsystem mindestens zwei Detektoren umfasst, die je einen der Messstrahlen, die durch Rückprojektion der mindestens zwei Lichtstrahlen von der Werkstückoberfläche ausgehen, erfassen.
Um die mindestens zwei Lichtstrahlen auf die Werkstückoberfläche zu richten und als Messspuren entlang der mindestens zwei voneinander beabstandeten Messbereichsgrenzen zu bewegen, ist das optische Messsystem mit einem geeigneten Ablenkelement, beispielsweise einem drehbaren Taumelspiegel, vorzugsweise einem Keiltaumelspiegel versehen.
Die Oberseite und Unterseite – bzw. Vorderseite und Rückseite – des Taumelspiegels weisen dabei ein wellenlängenspezifisches Reflektionsvermögen auf, derart, dass die Oberseite Licht einer anderen Wellenlänge als die Unterseite reflektiert. Der so ausgebildete Taumelspiegel ermöglicht bei relativ geringem Platzbedarf sowohl eine Trennung als auch eine Zusammenführung von Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen.
Die Abtastung der Topographie entlang der Messbereichsgrenzen und/oder dazwischen kann durch verschiedene Messprinzipien erfolgen, z.B. durch punktuelle Triangulation oder durch Lichtschnitt. Die Messverfahren sind dabei so abzuwandeln, dass die koaxiale Abtastung um den Laserstrahl und den Arbeitspunkt des Bearbeitungslasers selbst erfolgen kann.
Die Abtastung mittels der punktuellen Triangulation hat den Vorteil, dass die gesamte Leistung der Messlaserstrahlen auf jeweils einen Fleck fokussiert wird. Dadurch steht mehr Messlicht zur sicheren Oberflächenabtastung zur Verfügung als bei der Lichtschnittmethode. Ein gemeinsames Ablenksystem für den Empfangstrahlengang und Beleuchtungsstrahlengang (Sendestrahlengang) ermöglicht die Rückprojektion des Beleuchtungsflecks auf einen Liniendetektor, was eine besonders hohe Messrate ermöglicht.
Durch die Nutzung eines rotierenden Keilspiegels, bei dem Ober- und Unterseite unterschiedliche Wellenlängen reflektieren, als gemeinsames Ablenksystem für Beleuchtungs- und Messstrahlengang sowie die Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen für die Punktbeleuchtung ist nur ein minimaler technischer Aufwand für die Realisierung von zwei konzentrischen oder im wesentlichen konzentrischen Messspuren erforderlich. Diese Ausführung mit unterschiedlichen Wellenlängen und nur einem Taumelspiegel in der besonderen Keilform hat gegenüber einer simplen Verdopplung der Triangulationssysteme den Vorteil, dass nur ein Detektor und auch nur eine Auswerteeinrichtung erforderlich sind, sich auf einfache Weise eine optimale Synchronisation beider Abtastungen ergibt und damit sowohl Aufwand als auch Bauraum eingespart werden kann. Vorzugsweise werden in der erfindungsgemäßen Vorrichtung jedoch zwei Sender und zwei Detektoren (Empfänger) verwendet.
Bei der Lichtschnittmethode wird üblicherweise eine Linie auf das Objekt projiziert und das entstandene Leuchtmuster unter einem Winkel auf einen Flächendetektor, z.B. eine CCD-Kamera, abgebildet. Eine örtliche Abweichung des Bildes ist dann ein Maß für den Abstand. Der Vorteil liegt dabei in dem einfacheren mechanischen Aufbau ohne bewegte Teile. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung kann der Sensor zur Nahtverfolgung die Lichtschnittmethode verwenden, wenn um den Bearbeitungspunkt mindestens zwei Kreise, jeweils entlang eines Kegelmantels, projiziert werden und dabei die Kegelachsen sowie die optische Achse der Bearbeitungsoptik zusammenfallen. Die Radien der Kreisbilder sind ein Maß für den Abstand des jeweiligen Messpunktes. Sprünge im ermittelten Abstand lassen eine Identifizierung des Fügestoßes zu. Wegen der Verwendung von mindestens zwei Kreisprojektionen kann auf die Auswertung des nachlaufenden, bereits verbundenen Fügestoßes verzichtet und dadurch die Genauigkeit erhöht werden.
Für die erfindungsgemäße Vorrichtung kann der Sensor zur Nahtverfolgung innerhalb der koaxialen Messbereichsgrenzen auch eine Graubildauswertung mittels Bildverarbeitung mit lediglich einem projizieren Kreis zur Abstandsermittlung umfassen. Damit ist dann ebenfalls vorlaufend und orientierungsunabhängig eine Ermittlung des weiteren Fügestoßverlaufs auch ohne Höhenunterschied am Fügestoß möglich.
Mit beiden Methoden kann die senkrechte Distanz zwischen der bekannten Position des Laserarbeitspunktes und dem Fügestoß gemessen und kompensiert werden. Eine bahnkorrigierende Kopplung von Robotersteuerung und der Bearbeitungsoptik ist nicht nötig, lediglich einige einfache Steuersignale sind erforderlich.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Form und Abmessungen des auf das Werkstück projizierten Lichtbildes erfasst werden und anhand der erfassten Form und Abmessungen der räumliche Abstand des Bearbeitungspunktes und/oder die Orientierung des Laserstrahls zur Werkstückoberfläche ermittelt wird.
Insbesondere sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass ein räumlicher Abstand zwischen Bearbeitungspunkt und Fügestoß oder einer anderen geometrisch auswertbaren Kante durch eine Ausgleichsbewegung senkrecht zur Tangente vom Verlauf des Fügestoßes oder der anderen geometrisch auswertbaren Kante minimiert oder auf einen Sollwert ausgeglichen wird.
Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Bearbeitungskopf ist vorzugsweise ein Remote-Laser-Bearbeitungskopf.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Geschwindigkeit des Bearbeitungspunktes entlang des Fügestoßes relativ zum Werkstück erfasst und die Bahngeschwindigkeit des Bearbeitungspunktes mittels des mindestens einen strahlablenkenden und/oder strahlfokussierenden Elements der Bearbeitungsoptik geregelt wird.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsoptik, eines Sensormessraumes, eines Bearbeitungspunktes und eines Bearbeitungsraumes und ihrer Lage zueinander;
2 eine schematische Darstellung des Messablaufs zur Ermittlung der Lage eines Fügestoßes;
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen, nach dem Prinzip der punktuellen Triangulation arbeitenden Vorrichtung mit einem Objektiv und einem im Strahlengang hinter dem Objektiv angeordneten Scannerspiegel;
4 eine schematische Darstellung eines in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Keiltaumelspiegels;
5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mittels Lichtschnittmethode und doppelter Kegelmantelprojektion eine Abstands- und Nahtlagemessung ausführt;
6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mittels Bildverarbeitung und einfacher Kegelmantelprojektion eine Abstands- und Nahtlagemessung ausführt;
7 eine schematische Darstellung des Bearbeitungsbereichs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht zur Veranschaulichung der Funktionsweise einer Geschwindigkeitsmessung am Beispiel einer Messspur; und
8 eine schematische Darstellung des Bearbeitungsbereichs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht zur Veranschaulichung einer nachlaufenden Nahterfassung, welche eine verbesserte Ermittlung des realen Bahnverlaufs ermöglicht und der Nahtkontrolle dient.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfassend eine Bearbeitungsoptik 1, ein optisches Messsystem 3 und eine Steuerung 6. Die Bearbeitungsoptik 1 beinhaltet eine Zuführung eines Laserstrahls 2 sowie einen teildurchlässigen Spiegel 13, der die Kopplung der Strahlengänge von Bearbeitungsoptik 1 und optischem Messsystem 3 ermöglicht. Die Steuerung 6 besteht im wesentlichen aus einer Auswerteelektronik 61 zur Aufbereitung von Sensordaten des optischem Messsystems 3 und eine Achsansteuerung 62 zur Ansteuerung von Strahlpositionierelementen (11, 12). Zum Verstellen des Bearbeitungspunkts 22 des abgelenkten Arbeitslaserstrahls 21 in Z-Richtung dient ein motorisch verschiebbares Objektiv 12, während ein sogenannter 2D-Scanner 11 der Bewegung des Bearbeitungspunkts 22 in X- bzw. Y-Richtung dient. Mittels dieser Komponenten wird bei der Bewegung des Bearbeitungspunkts 22 innerhalb des Bearbeitungsraums 4 ein Sensormessraum 45 synchron mitbewegt. Die Messung des räumlichen Abstands des Bearbeitungspunkts 22 zum Fügestoß 51 erfolgt deshalb immer relativ zum Bearbeitungspunkt, der als Bezugspunkt bei der Kalibrierung des optischen Messsystems 3 festgelegt wird (vgl. 2). Sowohl Bearbeitungsraum 4 als auch Sensormessraum 45 können von der dargestellten Zylinderform abweichen, je nach dem wie die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgeführt ist. Anstelle des Begriffs „Bearbeitungspunkt" kann ebenso auch der Begriff „Arbeitspunkt" verwendet werden.
In 2 ist der Messablauf zur Ermittlung der Fügestoßlage am Beispiel des Nahtanfanges vor Prozessbegin dargestellt. Der Bearbeitungspunkt 22 liegt hier zunächst nicht auf dem Fügestoß 51. Dieser Fall liegt vor, wenn für den programmierten Startpunkt der Bearbeitungspunkt (Arbeitspunkt) 22 nicht genau auf dem Fügestoß 51 liegt. Das optische Messsystem 3 misst die Stoßlage an einer inneren Messspur 41 und an einer äußeren Messspur 42 räumlich, relativ zum Bearbeitungspunkt 22. Aus innerem Messpunktvektor 47 und äußerem Messpunktvektor 46 lässt sich der Verlauf des Fügestoßes 51 linear extrapolieren sowie der kürzeste Abstand zwischen Arbeitspunkt 22 und Fügestoß 51 als Fehlervektor 48 mittels der Auswerteelektronik 61 ermitteln. Die Achsansteuerung 62 steuert die Strahlpositionierelemente 11 und 12 der Bearbeitungsoptik 1 so, dass dieser Fehlervektor minimiert oder eliminiert wird. Ist der Fehlervektor 48 ausgeregelt, signalisiert die Steuerung 6 dem Roboter, dass der Bearbeitungsprozess gestartet werden kann. Während des Prozesses wird der Fehlervektor ständig weiter ausgeregelt. Infolge des koaxial um den Arbeitslaserstrahl 21 und den Arbeitspunkt 22 umlaufenden Messbereichs 45 spielt die Orientierung des Bearbeitungskopfes zum Fügestoß 51 keine Rolle, da die Ermittlung und Ausregelung des Fehlervektors 48 immer im wesentlichen senkrecht zum Fügestoß erfolgt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, während des Fügeprozesses die Lage des Arbeitspunktes 22 relativ zur Lage des Fügestoßes 51 ausschließlich auf der Basis von gegenüber dem Arbeitspunkt 22 vorlaufenden Messpunktvektoren zu ermitteln. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, zusätzlich die fertige Fügenaht im nachlaufenden Bereich zwischen innerer Messbereichsgrenze 43 und äußerer Messbereichsgrenze 44 zu erfassen, wie mit Bezug auf 8 noch erläutert werden wird.
3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst wiederum eine Bearbeitungsoptik 1, der ein Laserstrahl 2 als Arbeitslaserstrahl zugeführt wird. Die Bearbeitungsoptik 1 ist mit einem strahlablenkenden Element in Form eines sogenannten 2D-Scanners (Scannerspiegel) 11 ausgestattet. Ferner umfasst die Vorrichtung ein mit der Bearbeitungsoptik 1 verbundenes optisches Messsystem 3, das auch als Nahtführungssensor bezeichnet werden kann.
Die Zuführung des Laserstrahls 2 von einer Laserquelle erfolgt im Freistrahl oder mittels eines Lichtleitkabels (nicht gezeigt) und anschließender Kollimation. Eine Linse bzw. ein Objektiv 12 dient als strahlfokussierendes Element und befindet sich im Strahlengang des Laserstrahls vor dem 2D-Scanner 11. Durch die axiale Beweglichkeit des strahlfokussierenden Elements 12 kann der gesamte Bearbeitungsraum überstrichen werden. Das hat den Vorteil, dass bei Fokusverstellung in Abstandsrichtung die Strahlengänge des Nahtführungssensors 3 ebenfalls nachgeführt werden und ein aufwendiges, kostenintensives Planfeldobjektiv vermieden werden kann. Alternativ ist eine Ausführung möglich, bei der der Scanner 11 vor einem Planfeldobjektiv angeordnet ist. Im Strahlengang des Arbeitslasers sind dann jedoch zusätzliche Maßnahmen zur Verstellung der Fokuslage in Abstandsrichtung notwendig. Unter Umständen kann auch auf die axiale Fokusnachführung verzichtet werden, wenn nur ein kleiner axialer Bereich überstrichen werden soll. Der strahlablenkende 2D-Scanner 11 ist beispielsweise aus einem Spiegel gebildet, der in zwei Rotationsfreiheitsgraden beweglich ist. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Scannerspiegel 11 um eine erste Drehachse (X-Achse) und eine zweite, dazu querverlaufende Drehachse (Y-Achse) beweglich gelagert. Die Bewegung des Scannerspiegels 11 um die jeweilige Drehachse erfolgt mittels eines Antriebes (nicht gezeigt), der durch die Achsansteuerung 62 angesteuert wird. Alternativ kann der 2D-Scanner 11 auch aus zwei Spiegeln mit jeweils einem Freiheitsgrad gebildet sein. Zur Ankopplung des Nahtführungssensors 3 an die Bearbeitungsoptik ist ein teildurchlässiger Spiegel 13 vorgesehen, der die Arbeitswellenlängen reflektiert und für die verwendeten Sensorwellenlängen durchlässig ist.
Das optische Messsystem 3 weist folgende Komponenten auf: einen rotierenden Keiltaumelspiegel 31, eine Sendeeinrichtung mit einem ersten Lichtsender 33a und einem zweiten Lichtsender 33b, die Messlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen aussenden, einen wellenlängenselektiven Strahlteiler 34, um den Lichtstrahl 37a des ersten Lichtsenders und den Lichtstrahl 37b des zweiten Lichtsenders bis zum Keiltaumelspiegel 31 entlang eines gemeinsamen koaxialen Sendestrahlengangs 36 zu führen, und eine jeweils den Farben zugeordnete Detektoreinrichtung mit einer Empfangsoptik, umfassend einen ersten Detektor 35a und einen zweiten Detektor 35b. Prinzipiell ist ein gemeinsamer Detektor denkbar, sofern die Auftrefforte der Farben, z.B. durch ein Prisma getrennt werden. Der Keiltaumelspiegel 31 ist mit einem motorischen Antrieb (nicht gezeigt) versehen, mittels dem der Spiegel 31 um eine Drehachse 32 rotierbar ist.
4 veranschaulicht den Aufbau des Keiltaumelspiegels 31. Vorderseite und Rückseite des Keiltaumelspiegels 31 sind wellenlängenselektiv reflektierend, wobei das Substrat des Spiegels 31 transparent ausgebildet ist. Die Vorderseite des Keiltaumelspiegels 31 ist gegenüber dessen Rückseite um einige zehntel Grad geneigt, wobei Vorderseite und Rückseite des Keiltaumelspiegels 31 jeweils um einen geeigneten Winkel gegenüber der Drehachse 32 geneigt sind. Der koaxiale Sendestrahlengang 36, der Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen enthält, trifft auf die Spiegelflächen des Keiltaumelspiegels 31. Die jeweils reflektierende Schicht an der Vorderseite bzw. Rückseite des Keiltaumelspiegels 31 lenkt den jeweiligen Lichtstrahl (Sendestrahl) in den Lichtstrahl 37a bzw. den Lichtstrahl 37b um. In umgekehrter Richtung funktioniert der Keiltaumelspiegel 31 analog dazu, also ebenfalls wellenlängenselektiv für die beiden Empfangsstrahlen. Der Empfangsstrahl 39a und der Empfangsstrahl 39b werden durch den Keiltaumelspiegel 31 in den gemeinsamen Empfangsstrahlengang 38 zusammengeführt.
In dem Empfangsstrahlengang 38 sind eine Linse und wiederum ein wellenlängenselektiver Strahlteiler 34 angeordnet. Der Strahlteiler 34 trennt die im Empfangsstrahlengang 38 zusammengeführten Empfangsstrahlen 39a und 39b und führt diese dem jeweils zugeordneten Detektor 35a bzw. 35b zu (vgl. 3). Die Ablenkwinkel sind für die Sende- und Empfangsstrahlen für die jeweilige Farbe gleich groß.
5 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem das optische Messsystem 3 mittels Lichtschnittverfahren die Lage des Fügestoßes 51 ermittelt.
Das optische Messsystem 3 weist einen Ringprojektor 71, einen Lochspiegel 7 und einen Flächendetektor 74 auf. Der Ringprojektor 71 erzeugt mindestens ein ringförmiges Lichtbild (Ringbild). Er nutzt den Lochspiegel 7, um eine äußere Kegel mantelprojektion 72b und eine innere Kegelmantelprojektion 72a koaxial zu einem Beobachtungsstrahlengang 75 einzukoppeln und durch die Bearbeitungsoptik 1 zu leiten. Über den teildurchlässigen Spiegel 13 werden die Projektionsstrahlengänge 72a und 72b in den Strahlengang des Laserstrahls 2 eingekoppelt. Zudem dient der teildurchlässige Spiegel 13 der Auskopplung des Beobachtungsstrahlengangs 75 in Richtung des Flächendetektors 74. Der Beobachtungsstrahlengang 75 verläuft dabei durch das Loch des Lochspiegels 7.
Der Ringprojektor 71 kann unterschiedlich aufgebaut sein. Mögliche Anordnungen zur Projektion geeigneter Ringbilder können bestehen z.B. aus mindestens einem Axikon und einer oder mehren Linsen oder aus einem oder mehreren diffraktiven optischen Elementen in Verbindung mit einer oder mehren Linsen. Die Projektion von zwei Ringbildern kann durch Verdopplung von einfachen Projektoren erfolgen oder z.B. durch Verwendung von Projektoren mit mindestens einem zonal unterschiedlich ablenkenden Axikon. Diffraktive Elemente ermöglichen bei entsprechender Auslegung von Hause aus eine Projektion mehrerer Ringbilder.
Der auszuwertende Bereich, der durch eine äußere Messbereichsgrenze 44 und eine innere Messbereichsgrenze 43 begrenzt ist, wird auf den Flächendetektor 74 abgebildet. Durch die kegelmantelförmige Projektion von zwei ringförmigen Lichtbildern lassen sich hierbei ein äußerer Messpunktvektor 46, ein innerer Messpunktvektor 47 und daraus ein Fehlervektor 48 ermitteln. Eine Auswerteelektronik 61 wertet das aufgenommene Bild aus und übermittelt die notwendigen Korrekturwerte an eine Achsansteuerung 62. Die Achsansteuerung 62 korrigiert den Fehlervektor 48 mittels eines 2D-Scanners 11 und/oder des beweglichen Objektivs 12.
Die in 5 dargestellte Vorrichtung kann bei entsprechender Auslegung von Flächendetektor 74 und Beobachtungsstrahlgang 75 auch zur Graubildauswertung im Bereich zwischen der äußeren Messbereichsgrenze 44 und der inneren Messbereichsgrenze 43 genutzt werden. Dabei ist es dann ausreichend, wenn nur eine einzelne Kegelmantelprojektion 72 zur Ermittlung der Abstandsinformation verwendet wird. Eine in dieser abgewandelten Weise arbeitende Vorrichtung ist in 6 dargestellt.
Die Graubildauswertung ermöglicht die Ermittlung der Lage des Fügestoßes 51 in der Ebene senkrecht zum Laserstrahl. Die Vermessung der Winkellage des Fügestoßes zu dieser Ebene erfolgt durch die Auswertung des Lichtschnittprofils der Kegelmantelprojektion 72. Dargestellt ist in 6 nur die eine Messspur 42, die jetzt an beiden Schnittpunkten mit dem Fügestoß 51 – und/oder deren Nähe – ausgewertet werden muss. Zwei äußere Messpunktvektoren 46 werden in diesem Fall genutzt, um die dazwischen liegende Stoßlage räumlich zu interpolieren und einen Fehlervektor 48, der dem räumlichen Abstand zwischen Fügestoß 51 und Arbeitspunkt 22 entspricht, über die Achsansteuerung 62 mittels 2D-Scanner 11 und beweglichem Objektiv 12 zu minimieren.
Die Verteilung der Beleuchtungsintensität der Kegelmantelprojektion kann dabei in den Ausführungsformen mit Graubildauswertung gezielt so ausgeführt werden, dass nahe dem Ringbild mit sehr hoher Intensität gleichzeitig eine relativ homogene Zusatzbeleuchtung für die Bauteiloberfläche zwischen innerer Messbereichsgrenze 43 und äußerer Messbereichsgrenze 44 mit geringer Intensität erreicht wird. Die Graubildauswertung ist mit einer Zusatzbeleuchtung störunempfindlicher gegenüber Fremd- und Prozesslicht.
7 veranschaulicht bezüglich des Ausführungsbeispiels gemäß 6 das Prinzip der Ermittlung des Geschwindigkeitsvektors und zeigt schematisch einen Bearbeitungsbereich des Laserstrahls, den Arbeitspunkt 22 des Laserstrahls und den Fügestoß 51 aus Sicht des Arbeitslaserstrahls, wie er durch den Flächendetektor 74 aufgenommen wird. Dabei ist unerheblich, ob der Fügestoß im Bildfeld vorhanden ist oder nicht. Die Lage des Arbeitspunktes 22 innerhalb des Bildfeldes liegt fest. Das Bezugssystem der aus dem Flächendetektor 74 kommenden Bilddaten ist bekannt und liegt ebenfalls fest. Durch die Kegelmantelprojektion 72 liegt eine Beleuchtung der Werkstückoberfläche vor, die das Messverfahren unempfindlich gegen Fremdlicht und Prozesslicht aus der Lasermaterialbearbeitung macht. Deshalb sind insbesondere die Bereiche der Werkstückoberfläche auswertbar, die auf der Messspur 42 liegen und/oder dessen Nähe. Für die Ermittlung der Geschwindigkeit des Arbeitspunktes 22 in der Ebene senkrecht zum Laserstrahl kann das bekannte Verfahren der Autokorrelation angewendet werden. Dieses Verfahren wertet Signale aus, indem kontinuierliche oder zeitdiskrete, ein- oder mehrdimensionale Messdaten mit sich selbst korreliert werden. Dabei ist es möglich, die Verschiebung der Signale von einem zum nächsten Messzeitpunkt zu ermitteln. Ist das ausgewertete Signal ortsabhängig, kann aus Verschiebung und Zeit die Geschwindigkeit ermittelt werden. Die Auswertung der Signale erfolgt kontinuierlich oder mindestens abschnittsweise, um gegebenenfalls Unstetigkeiten im Signalverlauf oder in der Ortzuordnung zu behandeln, zu denen es zum Beispiel an Höhen- oder Helligkeitssprüngen entlang des Fügestoßes 51 kommen kann. Das auszuwertende Signal sollte möglichst Merkmale mit hoher Ausprägung, sogenannte charakteristische Merkmale, wiedergeben. Für die die Graubildauswertung umfassende Ausführungsvariante wäre das auszuwertende Signal beispielweise die zeitdiskrete Intensität des Messlichtes über dem Messort. Beim Verfahren der punktuellen Triangulation – z.B. nach 3 – könnte zeitdiskret neben der Intensität des Messlichtes auch der gemessene Abstand über dem Messort autokorreliert werden. Das Bezugssystem kann beliebig, aber fest bezüglich des Arbeitspunktes 22 gewählt werden. Die Verwendung eines Polarkoordinatensystems hat jedoch den Vorteil, dass für beide Sensorsysteme identische Algorithmen verwendet werden können. Winkel φ und Radius r repräsentieren für jedes Bild zum Zeitpunkt t den Ort für aufzufindende charakteristischen Merkmale 80. Diese Merkmale lassen sich bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung insbesondere in den Überlappungsbereichen der Messspuren 42 auffinden. Prinzipiell ließe sich die Autokorrelation auch über das gesamte Bild durchführen. Die vorzugsweise Auswertung der Messspuren 42 verringert jedoch die Datenmenge und die erforderliche Rechenleistung der Auswerteelektronik 61. Die Überlappungsbereiche der Messspuren 42 sind mögliche Autokorrelationsbereiche, in denen die Auswertung der charakteristischen Merkmale 80 die Geschwindigkeitsmessung in diesem Bereich ermöglicht.
In 7 ist beispielhaft für einen Autokorrelationsbereich der Signalverlauf der Intensität I der Bildpunkte entlang der Umfangsrichtung x der Messspur 42 für die Zeitpunkte t₁ und t₂ dargestellt. Für beide Zeitpunkte t₁ und t₂ wird die Lage der charakteristischen Merkmale 80 im Bezugskoordinatensystem ermittelt. Absolute Winkellagen φ(t₁) und φ(t₂) der charakteristischen Merkmale 80 im Bezugskoordinatensystem werden genutzt, um die Komponente des Geschwindigkeitsvektors der charakteristischen Merkmale 80 in der Ebene senkrecht zum Laserstrahl zu ermitteln. Die Abstände r(t₁) und r(t₂) der charakteristischen Merkmale 80 ermöglichen die Berechnung der Komponente des Geschwindigkeitsvektors in Abstandsrichtung. Für beide Richtungen, sowohl in r als auch in φ, muss die Überlappung genügend groß sein, damit eine Autokorrelation möglich ist. Dies erfordert hohe Abtastraten, was wiederum die messbaren Geschwindigkeiten reduziert. Durch die Auswertung von mindestens zwei, möglichst diametral gelegenen charakteristischen Merkmalen 80 lassen sich Rotation und Translation des Arbeitspunkts 22 und damit auch die Geschwindigkeit des Arbeitspunktes im Raum, relativ zum Bauteil berechnen. Die Geschwindigkeitsmessung am Arbeitspunkt 22 relativ zum Bauteil ermöglicht es, die Bahngeschwindigkeit autonom innerhalb des Bearbeitungsraums 4 zu regeln, ohne dass eine Kopplung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der Führungsmaschine zum Austausch von Bahn- oder Geschwindigkeitsdaten erforderlich wäre. Die Geschwindigkeitsmessung und die Ausregelung auf die Sollgeschwindigkeit ermöglichen es, gegenüber einer reinen Nahtverfolgung, Vibrationen oder andere Bahnfehler nicht nur quer zum Fügestoß auszugleichen, sondern auch tangential zum Fügestoß, also in Vorschubrichtung. Der Vorteil liegt dabei darin, dass bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung Führungsmaschinen mit deutlich geringerer Dynamik und Führungsqualität ohne Verlust von Fügequalität eingesetzt werden können.
8 zeigt die zusätzliche Möglichkeit einer Online-Nahterfassung im nachlaufenden Bereich zwischen innerer Messbereichsgrenze 43 und äußerer Messbereichsgrenze 44 am Beispiel der Ausführungsvariante gemäß 5. Wegen der Orientierungsunempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bei beliebiger Nahtlage die gefügte Naht optisch, dem Prozess nachlaufend online untersucht werden. Während des Bearbeitungsprozesses kann die Lage des Fügestoßes 51 nicht nur an den vorlaufenden Messpunkten 82, sondern auch an einem oder mehreren nachlaufenden Messpunkten 83 ausgewertet werden. Diese liegen im geschweißten Bereich und sind aufgrund der ungleichmäßigen Ausbildung der Schweißnaht nur mit geringerer Genauigkeit auswertbar. Aus vorlaufenden und nachlaufenden Messpunktvektoren lassen sich jedoch die Verläufe variabel gekrümmter Fügestöße mit höherer Genauigkeit interpolieren und die Nahtführungsqualität in diesem Spezialfall verbessern. Mit der Nahterfassung im nachlaufenden Bereich kann ohne Mehraufwand an Sensoren ein genauerer Stoßverlauf zum Zwecke der Nahtführung ermittelt und/oder die Naht kontrolliert werden. Dazu wird lediglich das Oberflächenprofil im nachlaufenden Nahtbereich abgetastet und analysiert. Prinzipiell ist es damit auch möglich, ermittelte Nahtfehler, wie zum Beispiel Anbindungsfehler, solange Sie innerhalb des Bearbeitungsraums 4 liegen, nachzuarbeiten. 8 zeigt beispielhaft an der inneren Messspur 41 eine optisch einwandfreie Naht, an der äußeren Messspur 42 eine Fehlerstelle. Wahlweise kann bei diesem Ausführungsbeispiel das Lichtschnittverfahren zur Ermittlung des Oberflächenprofils oder die Grauwertanalyse des Bildes herangezogen werden. Beides ist prinzipiell auch bei der punktuellen Triangulation entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach 3 möglich und liefert vergleichbare Ergebnisse.
Werden Arbeitsabstände wie bei derzeit üblichen festen Bearbeitungsoptiken und relativ kleine Arbeitsräume realisiert, funktioniert die vorliegende Erfindung sinngemäß. Die Bearbeitungsoptik kann dann als adaptive Bearbeitungsoptik bezeichnet werden, die weitgehend autonom die Fehlerkorrektur in der Bahnführung durchführt.
Für den Bearbeitungsprozess kann es unter Umständen erforderlich sein, den Arbeitspunkt 22 quer zum Fügestoß 51 und/oder in Richtung des Laserstrahls 2 gezielt in einem Abstand zum Fügestoß 51 zu führen. Dazu ist durch die Auswerteelektronik 61 der entsprechende Offset als vorgegebener räumlicher Sollabstand des Arbeitspunktes 22 vom Fügestoß 51 für die Verwertung in der Achsansteuerung 62 zu berücksichtigen. Der Fehlervektor 48 wird dann auf den räumlichen Sollabstand minimiert.
Neben dem Fügen von Fügestößen, die unmittelbar aus der Strahlrichtung einsehbar sind, wie zum Beispiel Kehlnähten oder I-Nähten am Stumpfstoß ist auch das geführte Fügen von sogenannten Blindnähten wie I-Nähten am Überlappstoß möglich. Entlang einer Blechkante oder einer anderen detektierbaren Geometrie, wie zum Beispiel einer Sicke, kann ein Bearbeitungsprozess in definiertem räumlichen Abstand entlang eines nicht direkt sichtbaren Fügestosses geführt werden, sofern die detektierbare Geometrie durch den Sensormessraum 45 erfassbar ist. Erfindungsgemäß kann auch der Abstand zum nicht direkt sichtbaren, aber in einer definierten Entfernung von der detektierbaren Geometrie befindlichen Fügestoß analog zu dem direkt sichtbaren Fügestoß 51 minimiert werden.

1: Bearbeitungsoptik (Laserbearbeitungsoptik)
11: 2D-Scanner (strahlablenkendes Element)
12: Objektiv (strahlfokussierendes Element)
13: teildurchlässiger Spiegel
2: Laserstrahl
21: abgelenkter/ablenkbarer Arbeitslaserstrahl
22: Bearbeitungspunkt (Arbeitspunkt)
3: optisches Messsystem (Nahtführungssensor)
31: Keiltaumelspiegel
32: Drehachse des Keiltaumelspiegels
33a: erster Lichtsender
33b: zweite Lichtsender
34: Strahlteiler
35a: erster Empfänger
35b: zweiter Empfänger
36: Sendestrahlengang
37a: erster Lichtstrahl (Sendestrahl)
37b: zweiter Lichtstrahl (Sendestrahl)
38: Empfangsstrahlengang
38a: erster Empfangsstrahl
38b: zweiter Empfangsstrahl
4: Bearbeitungsraum
41: innere Messspur
42: äußere Messspur
43: innere Messbereichsgrenze
44: äußere Messbereichsgrenze
45: Sensormessraum
46: äußerer Messpunktvektor
47: innerer Messpunktvektor
48: Fehlervektor
5: Werkstück (Bauteil)
51: Fügestoß
6: Steuerung
61: Auswerteelektronik
62: Achsansteuerung
7: Lochspiegel
71: Ringprojektor
72: Kegelmantelprojektion
72a: innere Kegelmantelprojektion
72b: äußere Kegelmantelprojektion
73: Abbildungssystem
74: Flächendetektor
75: Beobachtungsstrahlengang
80: charakteristische Merkmale
81: Bearbeitungsrichtung
82: vorlaufende Messpunkte
83: nachlaufende Messpunkte
t₁: Zeitpunkt 1
t₂: Zeitpunkt 2
φ: Winkelkoordinate
r: radiale Koordinate
x: Freiheitsgrad (Drehwinkel)
y: Freiheitsgrad (Drehwinkel)
z: Freiheitsgrad (Verschiebeweg)

Claims

Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (5) mittels eines Laserstrahls, umfassend eine Bearbeitungsoptik (1) mit mindestens einem den Laserstrahl (2) ablenkenden und/oder fokussierenden Element (11, 12), ein optisches Messsystem (3) zur Erfassung eines durch Teile des zu bearbeitenden Werkstücks definierten Fügestoßes (51), eine Signalverarbeitungseinrichtung, die durch das optische Messsystem (3) erzeugte Messsignale verarbeitet und eine räumliche Abweichung des Bearbeitungspunktes (22) des Laserstrahls zum Fügestoß (51) ermittelt, und eine Steuerung (6), die in Abhängigkeit einer räumlichen Abweichung des Bearbeitungspunktes (22) des Laserstrahls zum Fügestoß (51) auf das mindestens eine strahlablenkende und/oder strahlfokussierende Element (11, 12) der Bearbeitungsoptik (1) einwirkt, um einen räumlichen Abstand zwischen Bearbeitungspunkt und Fügestoß zu minimieren, wobei das optische Messsystem (3) durch die Bearbeitungsoptik (1) hindurch, unter Mitnutzung des mindestens einen strahlablenkenden und/oder strahlfokussierenden Elements (11, 12) die Topographie des Werkstückes (5) in der Umgebung des Bearbeitungspunktes des Laserstrahls (21) entlang von mindestens zwei voneinander beabstandeten Messbereichsgrenzen (43, 44) und/oder den Bereich zwischen den Messbereichsgrenzen (43, 44) mittels mindestens zweier Lichtstrahlen (37a, 37b) oder mindestens einem ringförmigen Lichtbild abtastet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei vom optischen Messsystem (3) erzeugten Lichtstrahlen (37a, 37b) unterschiedliche Wellenlängen besitzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Messsystem (3) ein Ablenkelement (31) aufweist, das die mindestens zwei Lichtstrahlen (37a, 37b) auf die Werkstückoberfläche richtet und als Messspuren (41, 42) entlang der mindestens zwei voneinander beabstandeten Messbereichsgrenzen (43, 44) bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkelement (31) als rotierender Taumelspiegel, vorzugsweise als rotierender Keiltaumelspiegel ausgeführt ist, der die mindestens zwei Lichtstrahlen (37a, 37b) als konzentrische Messspuren (41, 42) entlang der mindestens zwei voneinander beabstandeten Messbereichsgrenzen (43, 44) bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Taumelspiegel (31) derart ausgebildet ist, dass seine Oberseite und Unterseite Licht unterschiedlicher Wellenlängen reflektieren, so dass die Oberseite Licht einer anderen Wellenlänge als die Unterseite reflektiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Messsystem (3) Detektoren (35a, 35b) umfasst, die je einen der Messstrahlen, die durch Rückprojektion der mindestens zwei Lichtstrahlen (37a, 37b) von der Werkstückoberfläche ausgehen, erfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Messsystem (3) einen Detektor umfasst, der die Messstrahlen, die durch Rückprojektion der mindestens zwei Lichtstrahlen (37a, 37b) von der Werkstückoberfläche ausgehen, erfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsoptik (1) einen teildurchlässigen Spiegel (13) aufweist, der den Laserstrahl (2) umlenkt und die mindestens zwei Lichtstrahlen (37a, 37b) hindurch lässt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Messsystem (3) einen wellenlängenselektiven Strahlteiler (34) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Messsystem (3) um den Bearbeitungspunkt (22) des Laserstrahls (21) herum ein oder mehrere kreisförmige Lichtbilder projiziert, wobei das jeweilige kreisförmige Lichtbild entlang eines Kegelmantels auf die Oberfläche des Werkstücks (5) als Kegelmantelprojektion (72, 72a, 72b) projiziert wird, und wobei die Kegelachse und die optische Achse der Bearbeitungsoptik (1) zusammenfallen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Messsystem (3) mindestens einen Flächendetektor (74) umfasst, welcher das mindestens eine kreisförmige Lichtbild erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Flächendetektor (74) an der Signalverarbeitungseinrichtung angeschlossen ist, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung als Bildverarbeitungseinrichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Messsystem (3) einen Ringprojektor (71) und einen Lochspiegel (7) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Messsystem (3) eine Einrichtung zur Graubildauswertung mittels Bildverarbeitung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsoptik (1) einen Umlenkspiegel (11) aufweist, der in zwei Freiheitsgraden (x; y) beweglich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsoptik (1) zwei Umlenkspiegel aufweist, die jeweils in einem zueinander unterschiedlichen Freiheitsgrad beweglich sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Laserstrahls (2) ein Objektiv (12) und/oder mindestens eine Linse angeordnet sind, wobei das Objektiv (12) und/oder die Linse in Richtung des Strahlengangs des Laserstrahls (2) axial beweglich sind/ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsoptik (1) als Remote-Laser-Bearbeitungsoptik ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine den Laserstrahl (2) ablenkende und/oder fokussierende Element (11, 12) Freiheitsgrade (x, y, z) aufweist, die mittels externer Bewegungsachsen umgesetzt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine projizierte ringförmige Lichtbild eine Intensitätsverteilung aufweist, die eine Grauwertauswertung der Oberfläche des Werkstücks (5) im und/oder nahe des mindestens einen ringförmigen Lichtbildes durch Auflichtbeleuchtung ermöglicht.
Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (5) mittels eines Laserstrahls (2) unter Verwendung einer Bearbeitungsoptik (1), bei dem ein durch Teile des zu bearbeitenden Werkstücks definierter Fügestoß (51) optisch erfasst wird, bei dem eine räumliche Abweichung des Bearbeitungspunktes (22) des Laserstrahls zum Fügestoß (51) ermittelt wird, und bei dem in Abhängigkeit einer räumlichen Abweichung des Bearbeitungspunktes (22) des Laserstrahls zum Fügestoß (51) auf mindestens ein strahlablenkendes und/oder strahlfokussierendes Element (11, 12) der Bearbeitungsoptik (1) so eingewirkt wird, dass ein räumlicher Abstand zwischen Bearbeitungspunkt und Fügestoß minimiert oder ausgeglichen wird, wobei durch die Bearbeitungsoptik (1) hindurch, unter Mitnutzung des mindestens einen strahlablenkenden und/oder strahlfokussierenden Elements (11, 12) der Laserbearbeitungsoptik die Topographie des Werkstückes (5) in der Umgebung des Bearbeitungspunktes (22) des Laserstrahls entlang von mindestens zwei voneinander beabstandeten Messbereichsgrenzen (43, 44) und/oder der Bereich zwischen den Messbereichsgrenzen (43, 44) mittels mindestens zweier Lichtstrahlen (37a, 37b) oder mindestens einem ringförmigen Lichtbild abgetastet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei verwendeten Lichtstrahlen (37a, 37b) unterschiedliche Wellenlängen besitzen.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich zwischen den Messbereichsgrenzen (43, 44) mittels mindestens zweier ringförmiger Lichtbilder einer Kegelmanteiprojektion (72a, 72b) abgetastet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in den durch die Messbereichsgrenzen (43, 44) definierten Bereich ein einzelnes ringförmiges Lichtbild einer Kegelmantelprojektion (72) auf das Werkstück (5) projiziert und innerhalb der Messbereichsgrenzen (43, 44) mittels Bildverarbeitung eine Graubildauswertung des von der Werkstückoberfläche rückprojizierten Lichtbildes einer Kegelmantelprojektion (72) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Graubildauswertung der Verlauf des Fügestoßes (51) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Form und Abmessungen des auf das Werkstück (5) projizierten Lichtbildes erfasst werden und anhand der erfassten Form und Abmessungen der räumliche Abstand des Bearbeitungspunktes (22) und/oder die Orientierung des Laserstrahls (2) zur Werkstückoberfläche ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein räumlicher Abstand zwischen Bearbeitungspunkt (22) und Fügestoß (51) oder einer anderen geometrisch auswertbaren Kante durch eine Ausgleichsbewegung senkrecht zur Tangente vom Verlauf des Fügestoßes (51) oder der anderen geometrisch auswertbaren Kante minimiert oder auf einen Sollwert ausgeglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass als Bearbeitungsoptik (1) eine Remote-Laser-Bearbeitungsoptik verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Bearbeitungspunktes (22) entlang des Fügestoßes (51) relativ zum Werkstück (5) erfasst und die Bahngeschwindigkeit des Bearbeitungspunktes (22) mittels des mindestens einen strahlablenkenden und/oder strahlfokussierenden Elements (11, 12) der Bearbeitungsoptik geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei auswertbare Messpunkte entlang und/oder zwischen den voneinander Messbereichsgrenzen (43, 44) verwendet werden, um den räumlichen Verlauf des Fügestoßes (51) zu ermitteln und einen etwaigen räumlichen Abstand zwischen Bearbeitungspunkt (22) und Fügestoß (51) zu minimieren oder auszugleichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimierung oder der Ausgleich eines räumlichen Abstandes zwischen Bearbeitungspunkt (22) und Fügestoß (51) autonom zu einer die Bearbeitungsoptik (1) führenden Führungsmaschine erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine ringförmige Lichtbild mit einer Intensitätsverteilung projiziert wird, die eine Grauwertauswertung der Oberfläche des Werkstücks (5) im und/oder nahe des mindestens einen ringförmigen Lichtbildes durch Auflichtbeleuchtung ermöglicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiheitsgrade (x, y, z) des mindestens einen den Laserstrahl (2) ablenkenden und/oder fokussierenden Elements (11, 12) mittels externer Bewegungsachsen umgesetzt werden.