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Die Erfindung betrifft ein Laserbearbeitungsverfahren zum Betreiben einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein aus dem Stand der Technik bekannter Liniengenerator wird zur optischen Oberflächenabtastung von Werkstücken eingesetzt und weist eine Lichtquelle auf, die einen Lichtstrahl aussendet, der mit Hilfe eines optischen Systems, insbesondere unter Verwendung eines rotierenden Prismas, in wenigstens einer Abstrahlebene und bezogen auf eine Mittellängsachse des Liniengenerators mit zyklisch variierendem Abstrahlwinkel ausgestrahlt wird. Der Lichtstrahl überstreicht bei Auftreffen auf ein Werkstück dessen Werkstückoberfläche. Da der Lichtstrahl mit einer hohen Winkelgeschwindigkeit abgelenkt wird, stellt sich der die Werkstückoberfläche überstreichende Lichtstrahl für einen menschlichen Beobachter als geschlossener Linienzug dar. Bei einer anderen Ausführungsform eines Liniengenerators kann auch vorgesehen sein, den Lichtstrahl mittels des optischen Systems derart aufzufächern, dass er tatsachlich als statische Linie auf die Werkstückoberfläche abgebildet wird. Sowohl der zyklisch abgelenkte als auch der aufgefächerte Lichtstrahl erzeugen beim Auftreffen auf eine ebene Werkstückoberfläche einen gerade verlaufenden Linienzug. Beim Auftreffen des Lichtstrahls auf eine unebene Werk stückoberfläche folgt der Lichtstrahl der Oberflächenkontur des Werkstücks und wird dabei aus Sicht der Kameraeinrichtung entsprechend der Oberflächenkontur deformiert, so dass durch Auswertung des Kamerabilds des entsprechend verzerrten Linienzugs ein Abbild der Oberflächenkontur in Form eines Höhenprofils gewonnen werden kann. Dieses Verfahren wird auch als Lichtschnittverfahren bezeichnet.
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Ein solches Lichtschnittverfahren wird in der
DE 196 04 075 A1 zur Inspektion von Holzoberflächen beschrieben. Die dazu verwendete Vorrichtung weist innerhalb ihres Gehäuses ein Gebläse auf, welches im Gehäuse einen Überdruck erzeugt, der durch entsprechend angeordnete Auslassschlitze verhindert, dass sich Holzstaub auf den optischen Systemen absetzt.
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Ferner zeigt die
DE 198 28 236 C1 eine Messeinrichtung zum Bestimmen der Spaltbreite zwischen den Stoßkanten zweier Bleche, bei der Druckluftströme verwendet werden, um Schmutzpartikel von der Strahlungsquelle und dem Strahlungsempfänger der Messeinrichtung fern zu halten.
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Ein Liniengenerator kann insbesondere zur optischen Prozesskontrolle von Bearbeitungsprozessen, insbesondere von Laserschweiss- oder Laserbohrprozessen, eingesetzt werden.
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So zeigt die
DE 195 45 713 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stumpfschweißen zweier Bleche mit Hilfe eines Schweißstrahls einer Strahlungsquelle. Die entstehende Schweißnaht wird mit einer nach dem Lichtschnittverfahren arbeitenden Nahtvermessungseinrichtung vermessen, wobei der beim Schweißvorgang entstehende Dampf/Rauch durch eine Luftspülung von der Optik der Nahtvermessungseinrichtung ferngehalten wird.
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Durch die Weiterentwicklung der Laserlichtquellen, die immer größere Fokuslängen ermöglichen, konnte der Abstand zwischen dem Werkstück und einem Bearbeitungskopf, aus dem der Laserstrahl in Richtung des Werkstücks austritt, vergrößert werden. Dadurch konnte auch die Anwendung des Lichtschnittverfahrens vereinfacht werden, da sich die räumlichen Bedingungen zur Anbringung des Liniengenerators und der zugeordneten Kameraeinrichtung verbessert haben.
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Durch die vergrößerten optischen Weglängen zwischen Liniengenerator, Werkstück und Kameraeinrichtung spielen die optischen Eigenschaften des Raumvolumens, durch das der Lichtstrahl zwischen Liniengenerator, Werkstück und Kameraeinrichtung im Freistrahl hindurchtreten muss, eine größere Rolle als bisher. Als Einflussfaktoren sind insbesondere Streuungseffekte für den Lichtstrahl durch verdampfte Materialpartikel und thermisch induzierte, lokale Brechungsindexschwankungen im Raumvolumen, das vorzugsweise mit Gas oder Luft ausgefüllt ist, zu nennen. Diese Einflussfaktoren haben einen maßgeblichen Einfluss sowohl auf die Qualität des Bearbeitungsprozesses als auch auf die Qualität des mit Hilfe des Liniengenerators durchzuführenden Lichtschnittverfahrens.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Laserbearbeitungsverfahren zu schaffen, das eine verbesserte Qualität des Bearbeitungsprozesses und des damit verknüpften Messverfahrens ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Laserbearbeitungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dabei ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Arbeitslaserquelle zur Bereitstellung eines Arbeitslaserstrahls und einem optischen System zur Beeinflussung des Arbeitslaserstrahls, einem Liniengenerator, einer Kameraeinrichtung zur Detektion von Linien auf einer Werkstückoberfläche und einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Arbeitslaserquelle, des Liniengenerators und der Kameraeinrichtung vorgesehen.
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Der Liniengenerator weist in dem Gehäuse eine Luftleiteinrichtung zur Ausgabe eines Gasstroms auf, die wenigstens eine Auslassöffnung umfasst. Der dem Liniengenerator von einer Druckluftquelle, insbesondere einem Kompressor, an die Luftleiteinrichtung bereitgestellte Gasstrom strömt durch die Auslassöffnung in das Raumvolumen zwischen dem Liniengenerator, dem Werkstück und der Kameraeinrichtung. Dabei sorgt der Gasstrom dafür, dass Materialpartikel, die durch die thermische Wirkung des Arbeitslaserstrahls von dem Werkstück freigesetzt werden, möglichst rasch aus dem Strahlengang zwischen Liniengenerator und Kameraeinrichtung beseitigt werden, um die Streuwirkung dieser Materialpartikel zu minimieren. Zudem verdrängt der Gasstrom das durch die Wechselwirkung des Arbeitslaserstrahls mit dem Werkstück erhitzte Gas (Prozessgas, Inertgas, Luft) im Bereich des Bearbeitungsorts und reduziert dadurch thermisch induzierte, lokale Brechungsindexunterschiede. Dadurch werden optische Beeinträchtigungen sowohl für den Arbeitslaserstrahl als auch für den vom Liniengenerator ausgesendeten Lichtstrahl vermindert und es können verbesserte Arbeits- und Messergebnisse erzielt werden. Bei einer Ausführungsform der Erfindung findet die Bearbeitung des Werkstücks in einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere unter Verwendung eines Inertgases, statt. Durch die Luftleiteinrichtung und die Auslassöffnung kann ebenfalls ein Schutzgas, insbesondere ein Inertgas, in Richtung auf das Werkstück geleitet werden. Nachfolgend wird für die durch den Liniengenerator bereitgestellte Luft bzw. das entsprechende Schutzgas, das insbesondere ein Inertgas sein kann, der einheitliche Begriff ”Gasstrom” benutzt.
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Die Steuereinrichtung ist für eine Zu- und Abschaltung des vom Liniengenerator bereitstellbaren Lichtstrahls und/oder Gasstroms, insbesondere in Abhängigkeit von einer Aktivierung oder Deaktivierung der Arbeitslaserquelle, eingerichtet. Die Steuereinrichtung hat die Aufgabe, die Arbeitslaserquelle, den Liniengenerator und die Kameraeinrichtung zu koordinieren, um während der Bearbeitung des Werkstücks mit dem von der Arbeitslaserquelle bereitgestellten Arbeitslaserstrahl eine Vermessung der Werkstückoberfläche zu ermöglichen. Um einen vorteilhaften Wirkungsgrad des Laserbearbeitungsverfahrens zu gewährleisten, beeinflusst die Steuereinrichtung insbesondere den Gasstrom, der vom Liniengenerator bereitgestellt wird. Vorzugsweise wird der Gasstrom freigegeben, sobald der Arbeitslaserstrahl aktiviert wird. Eine Abschaltung des Gasstroms wird vorgenommen, sobald der Arbeitslaserstrahl deaktviert wird.
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Schließlich ist bei dem Verfahren zum Betreiben einer Laserbearbeitungsvorrichtung eine Einflussnahme der Steuereinrichtung auf den Volumenstrom des Gasstroms und/oder auf die Leistung des Arbeitslaserstrahls und/oder des Lichtstrahls vorgesehen. Dabei wird erfindungsgemäß der von dem Liniengenerator auf das Werkstück gerichtete und von der Werkstückoberfläche reflektierte Lichtstrahl von der Kameraeinrichtung nicht nur im Hinblick auf seine durch die Kontur der Werkstückoberfläche bedingte Verzerrung hin untersucht. Vielmehr wird auch eine Intensitätsmessung für die von der Werkstückoberfläche reflektierten und von der Kameraeinrichtung detektierten Anteile des Lichtstrahls vorgenommen. Anhand der ermittelten Intensität kann, insbesondere nach einer vorausgegangenen Kalibrierung des den Liniengenerator und die Kameraeinrichtung umfassenden Oberflächenabtastsystems auf das zu bearbeitende Werkstück, auf die Konzentration der von der Werkstückoberfläche verdampften Werkstückpartikel und/oder der Störeinflüsse durch thermisch induzierte, lokale Brechungsindexschwankungen im Auftreffbereich des Arbeitslaserstrahls geschlossen werden. Überschreiten die Konzentration und/oder die Störeinflüsse einen vorgebbaren Wert, so kann die Steuereinrichtung durch Erhöhen des Volumenstroms des Gasstroms und/oder durch Reduzieren der Leistung des Arbeitslaserstrahls den Wirkungsgrad des Bearbeitungsverfahrens verbessern.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann die Leistung des Arbeitslaserstrahls erhöht und/oder der Volumenstrom des Gasstroms reduziert werden, wenn die Konzentration der verdampften Werkstückpartikel unter einen vorgebbaren Wert absinkt. Somit kann der Bearbeitungsprozess durch die Steuereinrichtung optimiert werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Arbeitslaserquelle als Faserlaser oder Scheibenlaser ausgebildet ist. Derartige Arbeitslaserquellen ermöglichen Fokuslängen von 300 mm bis über 1000 mm und erlauben somit die Laserbearbeitung von Werkstücken in großen Arbeitsabständen.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei dem Liniengenerator eine Mittelachse der Auslassöffnung parallel zu einer Abstrahlebene des Lichtstrahls ausgerichtet ist. Durch diese Auslassöffnung tritt zumindest ein Teil des Gasstroms im Wesentlichen parallel zu Abstrahlebene des wenigstens einen Lichtstrahls in Richtung auf das Werkstück aus. Damit kann eine besonders effektive Verdrängung der vom Arbeitslaserstrahl erhitzten und mit Materialpartikeln beladenen Luft von der Auftreffstelle des Arbeitslaserstrahls auf das Werkstück bewirkt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei dem Liniengenerator die Auslassöffnung als Auslassschlitz ausgebildet ist. Da der Liniengenerator Lichtstrahlen in wenigstens einer Abstrahlebene aussendet, ist das Raumvolumen, durch das die Lichtstrahl hindurchtreten müssen, im Wesentlichen quaderförmig oder kreisringsegmentförmig. In einer ersten Raumrichtung orthogonal zur Strahlrichtung weist dieses Raumvolumen eine erheblich größere Ausdehnung als in einer zweiten Raumrichtung orthogonal zur Strahlrichtung. Die erfindungsgemäß als Auslassschlitz ausgeführte Auslassöffnung ist auf diesen Querschnitt des Raumvolumens angepasst, indem die größte Ausdehnung des Auslassschlitzes mit der größeren Ausdehnung des Lichtstrahls übereinstimmt. Somit kommt es zumindest im Wesentlichen zu einer Überdeckung des Raumvolumens, durch das der Lichtstrahl hindurchtritt, mit dem Raumvolumen, durch das der Gasstrom in Richtung des Werkstücks ausströmt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist bei dem Liniengenerator die Auslassöffnung für den Gasstrom an der gleichen Stirnfläche des Gehäuses wie die Austrittsöffnung für den wenigstens einen Lichtstrahl angeordnet. Dies ermöglicht eine kompakte Gestaltung des Liniengenerators. Zudem kann somit in einfacher Weise gewährleistet werden, dass der Gasstrom und der Lichtstrahl zumindest im Wesentlichen in der gleichen Raumrichtung austreten, so dass der gewünschte Verdrängungseffekt für störende Materialdämpfe und erhitzte Luft durch den Gasstrom gewährleistet werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung dient bei dem Liniengenerator die Austrittsöffnung für den wenigstens einen Lichtstrahl als Auslassöffnung für den Gasstrom. Damit treten der Lichtstrahl und der Gasstrom zumindest nahezu koaxial aus dem Liniengenerator aus, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad des Gasstroms im Hinblick auf die Verbesserung der Streuungsbedingungen und der Reduzierung der thermisch induzierten, lokalen Brechungsindexschwankungen im Bereich der Auftreffstelle des Arbeitslaserstrahls auf das Werkstück gewährleistet werden kann. Zudem kann durch eine derartige Gestaltung der Liniengenerator in einem dem Werkstück zugewandten vorderen Bereich besonders kompakt gestaltet werden und kann vorteilhaft in die Laserbearbeitungsvorrichtung integriert werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei dem Liniengenerator die Auslassöffnung als Aperturblende für den wenigstens einen Lichtstrahl dient. Die Aperturblende begrenzt bei einem optischen System die Größe des Strahlenbündels und wird beim Liniengenerator dazu eingesetzt, eine scharfe Abbildung der wenigstens einen Linie auf die Werkstückoberfläche zu gewährleisten. Erfindungsgemäß erfüllt die Auslasssöffnung somit eine Doppelfunktion, sie begrenzt sowohl den vom Liniengenerator ausgesendeten Lichtstrahl als auch den aus dem Liniengenerator austretenden Gasstrom.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei dem Liniengenerator die Luftleiteinrichtung derart eingerichtet ist, dass die Lichtquelle und/oder das optische System zumindest bereichsweise vom Gasstrom umspülbar sind. Damit erfüllt der Gasstrom die zusätzliche Aufgabe einer Temperierung, insbesondere Kühlung, der Lichtquelle und/oder des optischen Systems. Damit kann gegebenenfalls auf eine anderweitige Kühleinrichtung verzichtet werden, wodurch der mechanische Aufbau des Liniengenerators vereinfacht wird. Vorzugsweise wird der Gasstrom in einem koaxial um die Lichtquelle und/oder um das optische System ausgebildeten Ringspalt in Richtung der, insbesondere als Auslassschlitz geformten, Auslassöffnung geführt und kann dabei überschüssige Wärme von der Lichtquelle und/oder dem optischen System abführen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei dem Liniengenerator die Luftleiteinrichtung wenigstens eine Druckluftkupplung umfasst. Die Druckluftkupplung ermöglicht ein rasches An- und Abkoppeln einer Zuleitung für Druckluft, die vorzugsweise als flexibler Schlauch ausgebildet sein kann, so dass im Servicefall ein einfacher Austausch des Liniengenerators vorgenommen werden kann.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung, die anhand der Zeichnungen dargestellt ist. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Arbeitslaserquelle, einem Liniengenerator, einer Kameraeinrichtung und einer Steuereinrichtung,
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2 eine schematische Schnittdarstellung des Liniengenerators gemäß der 1,
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3 eine perspektivische Ansicht des Liniengenerators gemäß der 1 und 2.
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Eine in der 1 schematisch dargestellte Laserbearbeitungsvorrichtung 10 umfasst eine Arbeitslaserquelle 12 zur Bereitstellung eines Arbeitslaserstrahls 14 und einen Liniengenerator 16 zur Bereitstellung eines Abtaststrahls 18. Zudem ist eine Kameraeinrichtung 20 zur Detektion eines als Reflexionsstrahl 32 bezeichneten Anteils des von dem Werkstück 22 in Richtung der Kameraeinrichtung 20 reflektierten Abtaststrahls 18 vorgesehen.
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Der von der, insbesondere als Scheibenlaser oder Faserlaser ausgebildeten, Arbeitslaserquelle 12 erzeugte Arbeitslaserstrahl 14 wird mit Hilfe eines nicht näher bezeichneten optischen Systems auf die Oberfläche des Werkstücks 22 fokussiert. Das Werkstück 22 wird in einem Auftreffbereich des Arbeitslaserstrahls 14 lokal erwärmt und gegebenenfalls verdampft, vorzugsweise um einen Schweißvorgang oder einen Materialabtrag zu bewirken. Die Arbeitslaserquelle 12 ist gegenüber dem Werkstück 22 derart ausgerichtet, dass der Arbeitslaserstrahl 14 im Wesentlichen senkrecht auf die Werkstückoberfläche auftrifft.
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Der von dem schräg zur Werkstückoberfläche ausgerichteten Liniengenerator 16 ausgesendete Abtaststrahl 18 schneidet den Arbeitslaserstrahl 14 für eine Prozesskontrolle des Laserbearbeitungsvorgangs im Auftreffbereich des Arbeitslaserstrahls 14 auf der Werkstückoberfläche. Ein Anteil des Abtaststrahls 18 wird von der Werkstückoberfläche als Reflexionsstrahl 32 parallel zum Arbeitslaserstrahl 14 in Richtung der Arbeitslaserquelle 12 abgestrahlt. Der Reflexionsstrahl wird unter Zuhilfenahme eines Strahlteilers 28 und eines Umlenkspiegels 30 in die optisch koaxial zum Arbeitslaserstrahl 14 angeordnete Kameraeinrichtung 20 eingekoppelt und dort zur Analyse der Oberflächengeometrie der Werkstückoberfläche ausgewertet.
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Durch die lokale Erwärmung des Werkstücks 22 werden auf der Oberfläche des Werkstücks 22 angelagerte Schmutzpartikel und bei entsprechender Leistungsdichte des Arbeitslaserstrahls 14 auch Materialpartikel des Werkstücks 22 verdampft und bilden eine schematisch dargestellte Dampfwolke 34, in der bedingt durch die verdampften Partikel verschlechterte optische Transmissionseigenschaften vorliegen. Zudem treten im Bereich der Dampfwolke 34 thermisch induzierte, lokale Brechungsindexschwankungen auf, die ebenfalls einen negativen Einfluss auf die Transmissionseigenschaften für den Arbeitslaserstrahl 14, den Abtaststrahl 18 sowie den Reflexionsstrahl 32 haben.
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Um den Einfluss der Dampfwolke 34 auf das Bearbeitungsergebnis zu reduzieren, ist der Liniengenerator 16 mit einer in der 2 näher dargestellten Luftleiteinrichtung 50 und einer zugeordneten Auslassöffnung 54 versehen. zudem ist der Liniengenerator mit einer Druckluftquelle 36 zur Bereitstellung eines Gasstroms gekoppelt. Die Druckluftquelle 36 ist, wie auch die Arbeitslaserquelle 12, der Liniengenerator 16 und die Kameraeinrichtung 20, mit einer Steuereinrichtung 24 verbunden, die die Aktivierung und die Aktivierung der vorstehend genannten Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 koordiniert. Bei Aktivierung der Arbeitslaserquelle 12 zur Abgabe eines Arbeitslaserstrahls 14 wird durch die Steuereinrichtung 24 der Gasstrom von der Druckluftquelle 36 zum Liniengenerator 16 freigegeben und tritt, wie dies in den 2 und 3 näher dargestellt ist, durch einen stirnseitigen Auslassschlitz 54 in Richtung des Werkstücks 22 aus. Der schematisch dargestellte, mit dem Bezugszeichen 38 bezeichnete Gasstrom verdrängt die Dampfwolke 34, die dann als Dampfwolke 34' gemäß der Darstellung der 1 nach rechts vorliegt. Der Gasstrom 38 gewährleistet somit, dass Beeinträchtigungen des Arbeitslaserstrahls 14, des Abtaststrahls 18 und des Reflexionsstrahls 32 durch erhitzte Luft, verdampfende Schmutzpartikel und gegebenenfalls verdampftes Material des Werkstücks 22 reduziert werden.
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Der in der 2 schematisch dargestellte Liniengenerator 16 umfasst ein hohlzylindrisches Gehäuse 40, in dem eine zylindrische Laserlichtquelle 42 und ein optisches System 44 angeordnet sind. Die Laserlichtquelle 42 erzeugt den Abtaststrahl 18, der mittels des optischen Systems 44, das insbesondere einen nicht näher dargestellten, schwenkbaren Umlenkspiegel aufweist, in einer von den Achsen X und Y aufgespannten Ebene aufgefächert beziehungsweise abgelenkt wird. Trifft der Abtaststrahl 18 auf eine im Wesentlichen senkrecht zur Mittellängsachse 46 ausgerichtete, ebene Oberfläche eines Werkstücks 22, so beschreibt er dort eine gerade Linie. Weist die Werkstückoberfläche eine Konturierung auf, so wird aus der geraden Linie eine gekrümmte Linie, die von der Kameraeinrichtung 20 detektiert werden kann.
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Die Laserlichtquelle 42 ist über Verbindungsstege 48 mit der Innenfläche des Gehäuses 40 verbunden, so dass sich zwischen der Laserlichtquelle 42 und dem Gehäuse 40 ein Ringspalt 50 ausbildet. Durch den Ringspalt 50 kann ein mittels der Druckluftkupplung 52 zugeführter Gasstrom 38 entlang der Laserlichtquelle 42 und dem optischen System 44 in Richtung des stirnseitig am Gehäuse 40 vorgesehenen Auslassschlitzes 54 strömen, um von dort aus in die Umgebung des Liniengenerators 16 auszutreten. Die Ausrichtung des Auslassschlitzes 54 ist dabei so gewählt, dass der ausströmende Gasstrom 38 in Richtung der X-Achse und somit im Wesentlichen parallel zum Abtaststrahl 18 austritt und sich geringfügig in Richtung der Y-Achse und nahezu nicht in Richtung der Z-Achse auffächert. Dadurch kann gewährleistet werden, dass der Gasstrom 38 ungefähr an der gleichen Stelle auf das Werkstück 22 auftrifft wie der Abtaststrahl 18.
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Der Auslassschlitz 54 hat neben der Begrenzung des für den Gasstrom 38 zur Verfügung stehenden Querschnitts zusätzlich die Aufgabe, für den Abtaststrahl 18 als Aperturblende zu dienen, wie dies in der 2 schematisch dargestellt ist. Das optische System 44 des Liniengenerators 16 stellt den Abtaststrahl 18 in einem Winkelbereich zur Verfügung, der geringfügig größer als der gewünschte Winkelbereich ist. Da der Abtaststrahl 18 wieder Gasstrom 38 den Auslassschlitz 54 passieren muss, wird der Abtaststrahl 18 bei zu starker Auslenkung von der Mittellängsachse 46 durch den Auslassschlitz 54 in seiner Funktion als Aperturblende zurückgehalten, so dass die auf dem Werkstück abgebildete Linie eindeutig definiert ist.
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Wie in der 3 dargestellt, weist der Auslassschlitz 54 einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit einer Haupterstreckungsrichtung längs der Y-Achse und einer demgegenüber deutlich kleineren Erstreckung in Richtung der Z-Achse auf.
