DE102011016519A1

DE102011016519A1 - Method for controlling machining of workpiece, involves allowing passage of energy machining beam and/or light beam through lens, to move incidence point of working beam and illumination beam on workpiece

Info

Publication number: DE102011016519A1
Application number: DE102011016519A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Lessmüller; Christian Truckenbrodt
Original assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Current assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2031-04-09
Also published as: DE102011016519B4

Abstract

The method involves allowing passage of energy machining beam (14) and/or a light beam through a lens (18), to move a point (A) of incidence of the working beam and illumination beam on the workpiece, so that the illumination field is moved perpendicular to optical axis (O). An independent claim is included for device for machining workpiece with high energy machining beam.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls.The invention relates to a method and a device for controlling the machining of a workpiece by means of a high-energy machining beam.

Schweiß-, Schneid-, oder Trennbearbeitungen lassen sich mit auf eine Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks fokussierten hochenergetischen Bearbeitungsstrahlen, wie Elektronenstrahlen oder Laserstrahlen präzise durchführen. Dabei ist eine Online-Qualitätskontrolle der jeweiligen Bearbeitung durch elektronische Auswertung eines Bildes der Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück möglich. Voraussetzung für eine gute Qualitätskontrolle ist ein aussagekräftiges Bild der Auftreffstelle, wobei in vielen Anwendungsfällen die Ist-Auftreffstelle mit einer Soll-Auftreffstelle, beispielsweise einer Fuge zwischen zwei Werkstücken, übereinstimmen muss. Weiter besteht häufig die Notwendigkeit, für eine einwandfreie Qualitätskontrolle zusätzlich ein Bild der Auftreffstelle zu haben, das nicht durch Rückstreuung des Bearbeitungsstrahls erzeugt wird, sondern das durch Beleuchtung der Auftreffstelle mit einem auf die Auftreffstelle fokussierten Beleuchtungsstrahl erzeugt wird.Welding, cutting or cutting operations can be carried out precisely with focused on a surface of a workpiece to be machined high-energy processing beams, such as electron beams or laser beams. In this case, an online quality control of the respective processing by electronic evaluation of an image of the point of impact of the machining beam on the workpiece is possible. Prerequisite for a good quality control is a meaningful image of the point of impact, whereby in many cases of application the actual point of impact must coincide with a desired point of impact, for example a joint between two workpieces. Further, there is often the need to additionally have an image of the point of impact for a perfect quality control, which is not generated by backscattering of the processing beam, but which is produced by illuminating the point of impact with a focused on the point of incidence illumination beam.

Aus der DE 20 2007 018 689 U1 ist ein System zur aktiven Nachregelung der Fokusposition bei Optiken für Hochleistungs-Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung bekannt, das einen Sensor zur Ermittlung der Fokusposition und einen Steuerrechner enthält, der die Sensordaten verarbeitet und daraus Korrekturdaten ermittelt, entsprechend denen zumindest Teile der Optik zur Veränderung der Fokusposition parallel zur optischen Achse verschoben werden.From the DE 20 2007 018 689 U1 is a system for active readjustment of the focus position in optics for high-power laser radiation for laser material processing is known, which includes a sensor for detecting the focus position and a control computer, which processes the sensor data and determines correction data corresponding to which at least parts of the optics for changing the focus position in parallel be moved to the optical axis.

Aus der WO 2011/009594 A1 ist ein Laserbearbeitungskopf mit einer Kamera mit einer vor der Kamera im Strahlengang angeordneten Abbildungsoptik zur Beobachtung eines Bearbeitungsbereiches eines mittels des Laserstrahls zu bearbeitenden Werkstückstücks bekannt. Eine Fokussieroptik dient zur Fokussierung des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche und eine Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, die Abbildungsoptik bei einer Veränderung ihrer Brennweite in Richtung ihrer optischen Achse zu verstellen, um das Kamerabild wieder scharf einzustellen. Eine Veränderung der Brennweite kann durch eine Erwärmung der Fokussieroptik verursacht werden.From the WO 2011/009594 A1 is a laser processing head with a camera with an arranged in front of the camera in the beam path imaging optics for observing a processing region of a workpiece to be machined by means of the laser beam workpiece known. Focusing optics serve to focus the laser beam on the workpiece surface, and an evaluation unit is designed to adjust the imaging optics with a change in their focal length in the direction of their optical axis in order to focus the camera image again. A change in the focal length can be caused by a warming of the focusing optics.

Aus der DE 10 2009 057 209 A1 ist eine mit einer Scanner-Optik ausgestattete Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laser, insbesondere zum Laserschweißen, bekannt. Die Vorrichtung enthält einen mit der Scanner-Optik mitbeweglichen Bildsensor, der optisch in einen mit der Bearbeitungsposition auf dem Werkstück beginnenden Teilbereich des Strahlengangs der Scanner-Optik eingebunden ist, und mindestens einen mit der Scanner-Optik mitbeweglichen Projektor, der dazu dient, Messlicht in Form von Messstrukturen auf das zu bearbeitende Werkstück zu projizieren. Der Bildsensor ist empfindlich im Wellenlängenbereich des vom Projektor abgestrahlten Messlichts und auf der dem Strahlengang abgewandten Seite einer Ablenkungseinheit, die für den Wellenlängenbereich des vom Projektor abgestrahlten Lichts durchlässig ist und Licht des Wellenlängenbereiches des vom Bearbeitungslaser ausgestrahlten Lichts reflektiert, angeordnet.From the DE 10 2009 057 209 A1 is a equipped with a scanner optics device for material processing by laser, in particular for laser welding, known. The device includes an image sensor which is movable with the scanner optics and which is optically integrated into a partial region of the beam path of the scanner optical system beginning with the processing position on the workpiece, and at least one projector which is movable with the scanner optics and serves to generate measurement light Form of measuring structures to project on the workpiece to be machined. The image sensor is sensitive in the wavelength range of the measuring light radiated from the projector and on the side remote from the beam path of a deflection unit which is transparent to the wavelength range of the light emitted from the projector and reflects light of the wavelength range of the light emitted from the processing laser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls zu schaffen, das bzw. die bei einfacher Durchführung bzw. kompaktem Aufbau gute Voraussetzungen für eine Qualitätskontrolle der Bearbeitung des Werkstücks mit dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl ermöglicht.The invention has for its object to provide a method and apparatus for controlling the machining of a workpiece by means of a high-energy machining beam that allows good or simple construction or compact design good conditions for quality control of the machining of the workpiece with the high-energy machining beam ,

Der Anspruch 1 ist auf ein Merkmal zur Lösung der das Verfahren betreffenden Erfindungsaufgabe gerichtet. Der Einsatz einer senkrecht zu ihrer optischen Achse beweglichen Linse ermöglicht in einfacher Weise Einstellungen von bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Strahlen. Dabei erfolgt die Bewegung der Linse vorteilhaft in einer senkrecht zu ihrer optischen Achse geneigten Ebene. Die Bewegungsrichtung kann aber auch schräg zur optischen Achse erfolgen.The claim 1 is directed to a feature for solving the invention related to the method task. The use of a lens movable perpendicularly to its optical axis makes it possible to easily adjust the settings of beams used in the method according to the invention. The movement of the lens is advantageously carried out in a plane inclined perpendicular to its optical axis. The direction of movement can also be made obliquely to the optical axis.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit den Merkmalen der auf den Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche in vorteilhafter Weise weitergebildet.The method according to the invention is further developed with the features of the subclaims referring back to claim 1 in an advantageous manner.

Der Anspruch 9 ist auf eine Vorrichtung zur Lösung des diesbezüglichen Teils der Erfindungsaufgabe gerichtet.The claim 9 is directed to an apparatus for solving the relevant part of the invention task.

Die Vorrichtung gemäß dem Anspruch 9 wird mit den Merkmalen des Anspruchs 10 in vorteilhafterweise weitergebildet.The device according to claim 9 is further developed with the features of claim 10 in an advantageous manner.

Die Ansprüche 11 und 12 kennzeichnen weitere Ausführungsformen von Vorrichtungen zur Lösung des diesbezüglichen Teils der Erfindungsaufgabe.Claims 11 and 12 indicate further embodiments of devices for solving the relevant part of the invention task.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen werden mit den Merkmalen der Ansprüche 13 bis 15 weiter gebildet.The devices according to the invention are further formed with the features of claims 13 to 15.

Die Erfindung ermöglicht durch die Bewegung einer von dem Bearbeitungsstrahl oder dem Beleuchtungsstrahl durchstrahlten Linse eine gesteuerte Verschiebung der Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück bzw. der vom Beleuchtungsstrahl beleuchteten Stelle des Werkstücks längs der Oberfläche des Werkstücks, wodurch eine Online-Nachführung des Bearbeitungsstrahls entsprechend einem vorgegebenen Bearbeitungsweg auf der Oberfläche des Werkstücks bzw. eine Nachführung des Beleuchtungsstrahls derart, dass die Auftreffstelle beleuchtet wird, möglich ist. Die Steuerung der Bewegung erfolgt bevorzugt durch elektronische Auswertung eines ortsauflösenden Bildes eines Bereiches der Werkstückoberfläche, der die Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls sowie ggfs. zusätzlich das Beleuchtungsfeld eines Beleuchtungsstrahls und/oder eine Soll-Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls als zu bearbeitende Stelle des Werkstücks enthält. Zusätzlich ermöglicht die Erfindung eine Überwachung der Qualität der Bearbeitung des Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl.The invention enables a controlled displacement of the point of impingement of the lens by the movement of a lens irradiated by the processing beam or the illumination beam Processing beam on the workpiece or illuminated by the illumination beam point of the workpiece along the surface of the workpiece, whereby an online tracking of the processing beam according to a predetermined processing path on the surface of the workpiece or a tracking of the illumination beam such that the point of impact is illuminated, possible is. The control of the movement is preferably carried out by electronically evaluating a spatially resolving image of a region of the workpiece surface, which contains the point of impact of the machining beam and optionally additionally the illumination field of an illumination beam and / or a target impact point of the machining beam as the workpiece to be machined. In addition, the invention makes it possible to monitor the quality of the machining of the workpiece with the machining beam.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.The invention is explained below with reference to schematic drawings, for example, and with further details.

In den Figuren stellen dar:In the figures represent:

1 eine Prinzipansicht einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, 1 a schematic view of an apparatus for machining a workpiece by means of a high-energy machining beam,

2 eine abgeänderte Ausführungsform einer Bearbeitungsvorrichtung, und 2 a modified embodiment of a processing device, and

3 eine weitere Ausführungsform einer Bearbeitungsvorrichtung. 3 another embodiment of a processing device.

1 zeigt schematisch in Seitenansicht eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls. 1 shows schematically in side view a first embodiment of an apparatus for processing a workpiece by means of a high-energy machining beam.

Im dargestellten Beispiel wird aus einer Lichtleiterfaser 10 austretendes hochenergetisches Laserlicht von einem Kollimator, beispielsweise einer Kollimatorlinse, in einen vorzugsweise zumindest annähernd parallelen Bearbeitungsstrahl 14 umgewandelt. Der Bearbeitungsstrahl 14 wird von einem vorzugsweise dichroitischen Spiegel 16 vorzugsweise parallel zur optischen Achse O einer Fokuslinse 18 reflektiert. In der Brennebene der Fokuslinse 18 befindet sich ein mit dem Bearbeitungsstrahl 14 zu bearbeitendes Werkstück 20. Nach Durchtritt durch die Fokuslinse 18 wird der Bearbeitungsstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks 20 fokussiert bzw. gebündelt und trifft in einer Auftreffstelle A auf das Werkstück auf.In the example shown is made of an optical fiber 10 emerging high-energy laser light from a collimator, such as a collimator lens, in a preferably at least approximately parallel processing beam 14 transformed. The processing beam 14 is from a preferably dichroic mirror 16 preferably parallel to the optical axis O of a focus lens 18 reflected. In the focal plane of the focus lens 18 is one with the processing beam 14 workpiece to be machined 20 , After passing through the focus lens 18 the machining beam is applied to the surface of the workpiece 20 focussed and impinges on the workpiece in an impact point A.

Auf der von der Fokuslinse 18 abgewandten Seite des Spiegels 16 befindet sich eine Optik 22 einer insgesamt mit 24 bezeichneten Überwachungskamera mit einem Sensorfeld 26 zur Aufnahme eines elektronisch speicherbaren und auswertbaren Bildes. Die Kamera 24 ist derart ausgerichtet, dass ihre optische Achse O mit der Mittellinie M des vom Spiegel 16 zur Fokuslinse 18 hin gespiegelten Bearbeitungsstrahls zusammenfallt. Die Optik 22 ist derart eingestellt, dass paralleles einfallendes Licht auf das Sensorfeld 26 fokussiert wird.On the of the focus lens 18 opposite side of the mirror 16 there is an optic 22 a total of 24 designated surveillance camera with a sensor field 26 for recording an electronically storable and evaluable image. The camera 24 is aligned so that its optical axis O with the center line M of the mirror 16 to the focus lens 18 mirrored processing beam coincides. The optics 22 is set so that parallel incident light on the sensor field 26 is focused.

Die Fokuslinse 18 ist innerhalb einer ortsfesten Halterung 30 mittels einer Antriebsvorrichtung 32 senkrecht zur Mittellinie M bzw. optischen Achse O bewegbar.The focus lens 18 is inside a stationary bracket 30 by means of a drive device 32 perpendicular to the center line M or optical axis O movable.

An der Halterung 30 ist eine Zielführungskamera 34 mit integrierter Lichtquelle zum Beleuchten der Oberfläche des Werkstücks 20 montiert. Die Zielführungskamera 34 enthält eine Bildplatte bzw. ein Sensorfeld zum Aufnehmen eines elektronisch auswertbaren, ortsauflösenden Bildes der Werkstückoberfläche.On the bracket 30 is a route guidance camera 34 with integrated light source for illuminating the surface of the workpiece 20 assembled. The destination guide camera 34 contains an image plate or a sensor field for receiving an electronically evaluable, spatially resolving image of the workpiece surface.

Zur Auswertung und Steuerung der verschiedenen Vorrichtungen dient eine elektronische Aus wert- und Steuereinheit 36, deren Eingänge 38 mit dem Sensorfeld 26 der Überwachungskamera 24 und dem Sensorfeld der Zielführungskamera 34 verbunden sind und deren Ausgänge 40 mit der Antriebsvorrichtung 32 und der Lichtquelle 35 verbunden sind.For evaluation and control of the various devices is an electronic value from and control unit 36 whose entrances 38 with the sensor field 26 the security camera 24 and the sensor field of the guidance camera 34 are connected and their outputs 40 with the drive device 32 and the light source 35 are connected.

Die Funktion der Vorrichtung ist beispielsweise wie folgt:
Sei zunächst angenommen, die Fokuslinse 18 befinde sich in einer Stellung, in der ihre optische Achse O mit der Mittellinie M des Bearbeitungsstrahls 14 zusammenfallt. Der Bearbeitungsstrahl 14 wird dann auf eine Auftreffstelle A auf der Oberfläche des Werkstücks 20 fokussiert, die nicht einer erwünschten Auftreff- bzw. Bearbeitungsstelle entspricht, beispielsweise einer am Werkstück 20 vorhandenen Naht oder Fuge, die im Folgenden als Bearbeitungslinie N bezeichnet wird und die mit dem Bearbeitungsstrahl, beispielsweise einem hochenergetischen Laserstrahl, verschweißt bzw. bearbeitet werden soll. Die Bearbeitungslinie N kann auch eine Linie sein, längs der die Werkstückoberfläche umgeschmolzen oder gehärtet werden soll.The function of the device is for example as follows:
First, assume the focus lens 18 is in a position in which its optical axis O with the center line M of the processing beam 14 coincides. The processing beam 14 is then at a point of impact A on the surface of the workpiece 20 focussed, which does not correspond to a desired point of impact or processing, for example one on the workpiece 20 existing seam or joint, which is referred to below as the processing line N and which is to be welded or processed with the processing beam, such as a high-energy laser beam. The processing line N can also be a line along which the workpiece surface is to be remelted or hardened.

Vor Beginn einer Bearbeitung wird von der Einheit 36 gesteuert die Lichtquelle 35 eingeschaltet und der Laser (nicht dargestellt) zur Erzeugung des Bearbeitungsstrahls kurzzeitig mit verminderter Leistung aktiviert. Die Zielführungskamera 34 nimmt somit ein Bild der Oberfläche des Werkstücks 20 auf, auf dem die Bearbeitungslinie N und die Auftreffstelle A des mit verminderter Leistung abgestrahlten Bearbeitungsstrahls 14 sichtbar sind. In der Auswert- und Steuereinheit 36 werden der Abstand zwischen den Stellen A und N sowie die Richtung des Abstandes ermittelt und ein Steuersignal erzeugt, mit dem die Antriebsvorrichtung 32 derart betätigt wird, dass die Fokuslinse 18 gemäß 1 um die Strecke a, die dem Abstand zwischen der Auftreffstelle A bei mit der Mittellinie M zusammenfallender optischen Achse O und der Bearbeitungslinie N entspricht, bewegt wird. Im dargestellten Beispiel liegen A und N in der Papierebene. Bei 2-dimensionaler Verstellbarkeit der Fokuslinse 18 kann der Abstand jedwelche Richtung in der Ebene senkrecht zur optischen Achse O haben. In der dargestellten Position der Fokuslinse 18 fallt die Auftreffstelle A mit der Bearbeitungslinie N zusammen, so dass von der Einheit 36 der nicht dargestellte Laser mit voller Leistung aktiviert werden kann und die Bearbeitung der Bearbeitungslinie N mit Hilfe des Bearbeitungsstrahls 14 erfolgen kann.Before the start of processing is by the unit 36 controls the light source 35 switched on and the laser (not shown) for generating the processing beam briefly activated with reduced power. The destination guide camera 34 thus takes an image of the surface of the workpiece 20 on which the processing line N and the impact point A of the reduced-power machining beam 14 are visible. In the evaluation and control unit 36 The distance between the points A and N and the direction of the distance are determined and generates a control signal, with which the drive device 32 is actuated such that the focus lens 18 according to 1 by the distance a, which corresponds to the distance between the impact point A at coinciding with the center line M optical axis O and the processing line N is moved. In the example shown, A and N are in the plane of the paper. With 2-dimensional adjustability of the focus lens 18 For example, the distance may have any direction in the plane perpendicular to the optical axis O. In the illustrated position of the focus lens 18 falls the impact point A with the processing line N together so that of the unit 36 the unillustrated laser can be activated at full power and the processing of the processing line N by means of the processing beam 14 can be done.

Mittels der erläuterten Verschiebbarkeit der Fokuslinse 18 senkrecht zur Richtung des Bearbeitungsstrahls können somit Fehlausrichtungen zwischen dem Werkstück 20 und der Bearbeitungsvorrichtung ausgeglichen werden und ohne eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 20 und der Bearbeitungsvorrichtung, die die Kameras 24 und 34, den Spiegel 16, den Kollimator 12, die Halterung 30 mit Antriebsvorrichtung 32 und die Fokuslinse 18 enthält, kann eine Verstellung der Auftreffstelle A über einen Bereich erfolgen, der durch die Verschiebbarkeit der Fokuslinse 18 innerhalb der Halterung 30 begrenzt sind.By means of the explained displaceability of the focus lens 18 perpendicular to the direction of the machining beam can thus misalignments between the workpiece 20 and the machining device are balanced and without a relative movement between the workpiece 20 and the processing device, the cameras 24 and 34 , the mirror 16 , the collimator 12 , the holder 30 with drive device 32 and the focus lens 18 contains an adjustment of the impact point A can be made over a range caused by the displaceability of the focus lens 18 inside the holder 30 are limited.

Die Qualität der Bearbeitung, beispielsweise einer Laserschweißung oder eines Laserschnitts, kann durch Auswertung des von der Überwachungskamera 24 aufgenommenen Bildes der Auftreffstelle A online erfolgen, wobei die geometrische Größe der Auftreffstelle A, die Farbe der Auftreffstelle A, die Helligkeit ohne und mit zusätzlicher Beleuchtung, das Reflexionsprofil des in Richtung der Kamera reflektierten Lichts und ggfs. weitere Größen Schlüsse über die Schweißqualität und die Lage der Auftreffstelle relativ zu der Sollbearbeitungsstelle, beispielsweise der Bearbeitungslinie N, zulassen.The quality of the processing, for example a laser welding or a laser cut, can be achieved by evaluating the data from the surveillance camera 24 taken online, wherein the geometric size of the impact point A, the color of the impact point A, the brightness without and with additional illumination, the reflection profile of the light reflected in the direction of the camera and possibly other sizes conclusions about the quality of welding and the Location of the point of impact relative to the desired processing point, for example, the processing line N, allow.

Die beschriebene Vorrichtung kann in vielfältiger Weise abgeändert werden. Beispielsweise kann eine fest mit der Linse verbundene, nicht dargestellte Beleuchtungsquelle vorgesehen sein, die in den Brennpunkt der Linse und damit die jeweilige Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls ein Beleuchtungsfeld erzeugt, so dass auf dem Sensorfeld 26 der Überwachungskamera 24 Bilder der jeweiligen Bearbeitungsstelle erzeugt werden können, die von der reflektierten bzw. rückgestreuten Strahlung des Bearbeitungsstrahls und/oder von der durch die Bearbeitung entstehende Sekundärstrahlung erzeugt werden und, aus anderem Winkel, von dem Beleuchtungsstrahl erzeugt werden. Die Auswertung dieser Bilder lässt besonders gute Rückschlüsse auf die Bearbeitungsqualität zu.The device described can be modified in many ways. For example, an illumination source (not shown) connected to the lens can be provided, which generates an illumination field in the focal point of the lens and thus the respective point of impingement of the processing beam, so that on the sensor field 26 the security camera 24 Images of the respective processing point can be generated, which are generated by the reflected or backscattered radiation of the processing beam and / or from the secondary radiation resulting from the processing and, from another angle, are generated by the illumination beam. The evaluation of these images allows particularly good conclusions about the quality of the processing.

Bei Vorhandensein einer solchen relativ starken Beleuchtungsquelle, die am Ort der Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls ein Beleuchtungsfeld erzeugt, kann die Zielführungskamera 34 entfallen, wenn von der Überwachungskamera 26 ein Bild aufgenommen wird, das das Beleuchtungsfeld, in dessen Mitte die Auftreffstelle liegt, und die Bearbeitungslinie N zeigt. Durch Auswertung dieses Bildes kann die Auftreffstelle zur Deckung mit der Bearbeitungslinie N gebracht werden. Des Weiteren erlaubt ein solches Bild den Einsatz der Überwachungskamera 24 auch als Zielführungskamera, da auf dem Bild nicht nur die Auftreffstelle A sondern auch ein Bereich der Bearbeitungslinie N sichtbar ist, längs der die Auftreffstelle geführt werden soll.In the presence of such a relatively strong illumination source, which generates a lighting field at the point of impact of the processing beam, the guidance camera can 34 omitted when from the surveillance camera 26 an image is taken showing the illumination field in the center of which is the point of impact, and the processing line N. By evaluating this image, the point of impact can be brought to coincide with the processing line N. Furthermore, such an image allows the use of the surveillance camera 24 Also as a guidance camera, as not only the impact point A but also an area of the processing line N is visible on the picture along which the point of impact is to be guided.

Eine Beleuchtungsquelle kann vollständig entfallen, wenn die Bildauswertung der Überwachungskamera nicht nur die Qualitätsüberwachung der Bearbeitung sondern auch eine örtliche Übereinstimmung der Bearbeitungsstelle mit einer Sollbearbeitungsstelle, wie der Bearbeitungslinie, ermöglicht. Die Fokuslinie 18 wird bei nicht vorhandener Übereinstimmung entsprechend verstellt.An illumination source can be completely eliminated if the image analysis of the surveillance camera not only allows the quality control of the processing but also a local match of the processing point with a target processing point, such as the processing line. The focus line 18 is adjusted accordingly if there is no match.

Wenn die Länge der Bearbeitungslinie N, längs der eine Bearbeitung erfolgen soll, den Verstellbereich der Fokuslinse 18 übersteigt, kann die Auswertung des Bildes der Überwachungskamera 24 zur Steuerung einer nicht dargestellten Antriebsvorrichtung eingesetzt werden, mit der die Bearbeitungsvorrichtung insgesamt relativ zum Werkstück 20 bewegt werden kann.If the length of the processing line N, along which a processing is to take place, the adjustment of the focus lens 18 may exceed the evaluation of the image of the surveillance camera 24 be used to control a drive device, not shown, with the machining device as a whole relative to the workpiece 20 can be moved.

Die Antriebsvorrichtung 32 kann derart ausgebildet sein, dass die Fokuslinse 18 relativ zur Halterung 30 lediglich linear verschiebbar ist, oder dass sie in der gesamten zur optischen Achse O senkrechten Ebene verschiebbar ist. Zusätzlich kann die Fokuslinse 18 parallel zur optischen Achse O beweglich sein, um Abstandstoleranzen zur Oberfläche des Werkstücks 20 auszugleichen.The drive device 32 may be formed such that the focus lens 18 relative to the bracket 30 is only linearly displaceable, or that it is displaceable in the entire plane perpendicular to the optical axis O level. In addition, the focus lens 18 be movable parallel to the optical axis O, to distance tolerances to the surface of the workpiece 20 compensate.

In der dargestellten Ausführungsform ist die einzige Fokuslinse 18 beweglich. Es versteht sich, dass auch optische Systeme mit mehreren Linsen verwendet werden können, von denen wenigstens eine in Querrichtung der optischen Achse des Linsensystems verschiebbar ist.In the illustrated embodiment, the only focus lens is 18 movable. It goes without saying that it is also possible to use optical systems with a plurality of lenses, of which at least one is displaceable in the transverse direction of the optical axis of the lens system.

Für eine genaue Erkennung etwaiger Strukturen auf der Oberfläche des Werkstücks 20 kann die Lichtquelle 35 die Oberfläche des Werkstücks 20 in an sich bekannter Weise mit strukturiertem Licht, beispielsweise einem Liniengitter, beleuchten. Eine Naht, Stufe oder Kante an dem Werkstück 20 kann dann durch elektronische Bildauswertung einfacher bestimmt werden.For accurate recognition of any structures on the surface of the workpiece 20 can the light source 35 the surface of the workpiece 20 in a conventional manner with structured light, such as a line grid, illuminate. A seam, step or edge on the workpiece 20 can then be determined more easily by electronic image analysis.

Die Position einer zu bearbeitenden Fügekante oder sonstigen Bearbeitungslinie an dem Werkstück 20 muss nicht zwangsläufig mittels optischer Bildauswertung ermittelt werden, sondern kann beispielsweise mit einem ortsauflösenden Wirbelstromsensor erfasst werden und elektronisch dem von der Sensorplatte 26 aufgenommenen Bild überlagert werden. Auch andere Sensoren, wie kapazitive Sensoren, Ultraschallsensoren usw. sowie mit Berührung arbeitende Sensoren sind möglich. The position of a joining edge or other processing line to be machined on the workpiece 20 does not necessarily have to be determined by means of optical image evaluation, but can be detected for example with a spatially resolving eddy current sensor and electronically from the sensor plate 26 superimposed on the captured image. Other sensors, such as capacitive sensors, ultrasonic sensors, etc. as well as contact sensors are possible.

Die Lichtquelle 35 und deren Anordnung können vielfältig variiert werden. Beispielsweise können um die Fokuslinse 18 herum mehrere Lichtquellen angeordnet werden.The light source 35 and their arrangement can be varied in many ways. For example, around the focus lens 18 several light sources are arranged around.

Eine lichtstarke Beleuchtungslichtquelle, die zur Erzeugung eines Bildes der Bearbeitungsstelle A in der Überwachungskamera dient, kann derart ausgebildet sein, dass ihr Licht beispielsweise über einen halbdurchlässigen Spiegel in den Bearbeitungsstrahl 14 eingekoppelt wird, wobei das Beleuchtungslicht nicht parallel sein muss, sondern der eingekoppelte Beleuchtungsstrahl eine leichte Divergenz haben kann, so dass auf der Werkstückoberfläche 20 ein im Vergleich zur Auftreffstelle A des Bearbeitungsstrahls größeres Beleuchtungsfeld entsteht, das bei Verschiebung der Fokuslinse 18 mitwandert.A high-intensity illumination light source, which serves to generate an image of the processing point A in the surveillance camera, can be designed such that its light is transmitted, for example, via a semitransparent mirror into the processing beam 14 is coupled, wherein the illumination light need not be parallel, but the coupled illumination beam can have a slight divergence, so that on the workpiece surface 20 a larger compared to the impact point A of the processing beam illumination field is formed, the displacement of the focus lens 18 migrates.

2 zeigt eine gegenüber 1 abgeänderte Ausführungsform der Vorrichtung, die sich von der der 1 dadurch unterscheidet, dass der dichroitische Spiegel 16 fehlt und ein in die Überwachungskamera 24 gelangender Abbildungsstrahlengang 42 parallel zum Bearbeitungsstrahl 14 ist und entsprechend dem Abstand vom Bearbeitungsstrahl 14 durch die Fokuslinse 18 hindurchtritt. Der Einfachheit halber fehlen in 2 die Auswert- und Steuereinheit 36, die Zielführungskamera 34 und die Halterung 30. Für denen der 1 entsprechende Bauteile sind in 2 dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Die Funktionalität der Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 2 entspricht der der 1. 2 shows one opposite 1 modified embodiment of the device, which differs from that of the 1 this distinguishes the dichroic mirror 16 missing and one in the security camera 24 reaching imaging beam path 42 parallel to the processing beam 14 is and according to the distance from the machining beam 14 through the focus lens 18 passes. For the sake of simplicity missing in 2 the evaluation and control unit 36 , the route guidance camera 34 and the holder 30 , For those of 1 corresponding components are in 2 the same reference numerals as in 1 used. The functionality of the embodiment of the device according to 2 corresponds to the 1 ,

In 2 ist ein Zusatzelement 44 eingezeichnet, beispielsweise ein Schweißdraht, dessen vorderes Ende an die Bearbeitungslinie N herangeführt wird und von der Zielführungskamera 34 (1) und/oder Überwachungskamera 24 als Soll-Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls erfasst wird.In 2 is an additional element 44 drawn, for example, a welding wire whose front end is brought to the processing line N and the destination guide camera 34 ( 1 ) and / or security camera 24 is detected as a target impact point of the machining beam.

3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Bearbeitungsvorrichtung. Für denen der 1 entsprechende Bauteile sind in 3 die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Im Unterschied zu 1 enthält die Ausführungsform gemäß 3 eine Remotebearbeitungsvorrichtung, beispielsweise Laserschweißvorrichtung 50, bei der an einem gemeinsamen Rahmen der an eine Lichtleiterfaser 10 bzw. einen Lichtwellenleiter anschließbare Kollimator 12, der dichroitische Spiegel 16, die Kamera 24 und die Fokuslinse 18 angeordnet sind. Im Unterseined zur Ausführungsform gemäß 1 wird der Bearbeitungsstrahl 14 von dem dichroitischen Spiegel 16 nicht unmittelbar auf die Fokuslinse 18 reflektiert, sondern gelangt über zwei weitere Spiegel 52 und 54, die um zwei vorzugsweise senkrecht aufeinander stehende Achsen von einer Schwenkvorrichtung 56 verschwenkbar sind, durch die bei diesem Ausfühnungsbeispiel ortsfeste Fokuslinse 18 hindurch auf die Oberfläche des Werkstücks 20. Durch gesteuertes Verschwenken der Spiegel 52 und 54 kann die Auftreffstelle A, an der der auf die Oberfläche des Werkstücks 20 fokussierte Bearbeitungsstrahl 14 auf die Oberfläche des Werkstücks 20 auftrifft, längs einer vorbestimmten Bahn über die Oberfläche des Werkstücks 20 bewegt werden. Das von der Auftreffstelle A rückgestreute oder reflektierte Licht gelangt auf das Sensorfeld 26 der Überwachungskamera 24. 3 shows a further embodiment of a processing device. For those of 1 corresponding components are in 3 the same reference numerals as in 1 used. In contrast to 1 contains the embodiment according to 3 a remote processing device, such as a laser welding device 50 in which at a common frame to an optical fiber 10 or an optical waveguide connectable collimator 12 , the dichroic mirror 16 , the camera 24 and the focus lens 18 are arranged. In the lower part of the embodiment according to FIG 1 becomes the processing beam 14 from the dichroic mirror 16 not directly on the focus lens 18 reflected, but passes through two more mirrors 52 and 54 , which are two axes preferably perpendicular to each other from a pivoting device 56 are pivotable, by the fixed in this exemplary embodiment focus lens 18 through to the surface of the workpiece 20 , By controlled pivoting of the mirror 52 and 54 can be the impact point A, at which the on the surface of the workpiece 20 focused machining beam 14 on the surface of the workpiece 20 impinges along a predetermined path across the surface of the workpiece 20 to be moved. The backscattered or reflected light from the impact point A reaches the sensor field 26 the security camera 24 ,

Alternativ kann die Vorrichtung gemäß 3 derart aufgebaut sein, dass der Bearbeitungsstrahl 14 nicht durch Verschwenken der Spiegel sondern durch Bewegen der Fokuslinie 18 senkrecht zu ihrer optischen Achse, ähnlich wie gemäß 1, längs der Oberfläche des Werkstücks 20 bewegt wird.Alternatively, the device according to 3 be constructed such that the processing beam 14 not by pivoting the mirrors but by moving the focus line 18 perpendicular to its optical axis, similar to 1 , along the surface of the workpiece 20 is moved.

Wie bereits erläutert, ist für eine Online-Qualitätsauswertung beispielsweise einer Schweißung vorteilhaft, die Auftreffstelle A nicht nur durch Auswerten der in Folge des Auftreffen des Bearbeitungsstrahls 14 auf das Werkstück erzeugten Strahlung zu analysieren, sondern zusätzlich mit dem von einer Beleuchtungslichtquelle 60 erzeugten Beleuchtungsstrahl 61 einer zweckmäßigen Wellenlänge. Das Licht der Beleuchtungslichtquelle 60 gelangt durch eine Kollimatorlinse 62 und eine Fokuslinse 64, von der es auf die Oberfläche des Werkstücks 20 derart fokussiert wird, dass ein Beleuchtungsfeld B entsteht, das etwas größer sein kann als die Auftreffstelle A des Bearbeitungsstrahls 14. Das Beleuchtungsfeld B ist durch Verschieben der Fokuslinse 64 senkrecht zu ihrer optischen Achse bewegbar. Dazu ist die Fokuslinse 64 in einer Halterung 30 aufgenommen, in der sie mittels der Antriebsvorrichtung 32 in einer senkrecht zu der optischen Achse der Fokuslinse 64 gerichteten Ebene verschiebbar ist. Die Beleuchtungslichtquelle 60, die Kollimatorlinse 62, die Halterung 30 und die Antriebsvorrichtung 32 sind vorteilhafterweise starr mit dem Rahmen der Remotebearbeitungsvorrichtung 50 verbunden. Mit der Remotebearbeitungsvorrichtung 50 ist weiter eine Zielführungskamera 34 verbunden, die ein elektronisches Bild der Oberfläche des Werkstücks 20 aufnehmen kann mit der Auswert- und Steuereinheit 36 verbunden ist.As already explained, for an on-line quality evaluation of, for example, a weld, the impact point A is advantageous not only by evaluating the result of the impact of the machining beam 14 to analyze radiation generated on the workpiece, but in addition to that of a lighting light source 60 generated illumination beam 61 an appropriate wavelength. The light of the illumination light source 60 passes through a collimator lens 62 and a focus lens 64 from which it touches the surface of the workpiece 20 is focused such that an illumination field B is formed, which may be slightly larger than the impact point A of the processing beam 14 , The illumination field B is by moving the focus lens 64 movable perpendicular to its optical axis. This is the focus lens 64 in a holder 30 recorded in which they by means of the drive device 32 in a direction perpendicular to the optical axis of the focus lens 64 directed plane is displaceable. The illumination light source 60 , the collimator lens 62 , the holder 30 and the drive device 32 are advantageously rigid with the frame of the remote processing device 50 connected. With the remote processing device 50 is still a guidance camera 34 Connected to an electronic image of the surface of the workpiece 20 can record with the evaluation and control unit 36 connected is.

Damit das Beleuchtungsfeld B der über die Oberfläche des Werkstücks 20 bewegbaren Auftreffstelle A folgt, nimmt die Zielführungskamera 70 ein Bild der Werkstückoberfläche auf, das die Auftreffstelle A und das Beleuchtungsfeld B enthält. Die Auswert- und Steuereinheit 36 wertet dieses Bild im Hinblick auf die jeweilige Lage der Auftreffstelle und des Beleuchtungsfeldes aus und errechnet Steuersignale für die Antriebsvorrichtung 32, die die Fokuslinse 64 derart verschiebt, dass das Beleuchtungsfeld B die Auftreffstelle A überdeckt. Somit folgt das Beleuchtungsfeld B der Auftreffstelle A online, so dass eine Online-Qualitätsüberwachung der Schweißung möglich ist, indem sowohl das vom Bearbeitungsstrahl erzeugte Bild als auch das von der Beleuchtungslichtquelle 60 erzeugte Bild, die jeweils von der Überwachungskamera 24 aufgenommen und gegebenenfalls unmittelbar überlagert werden, ausgewertet werden.So that the illumination field B of the over the surface of the workpiece 20 movable Impact site A follows, takes the destination guide camera 70 an image of the workpiece surface containing the impact point A and the illumination field B. The evaluation and control unit 36 evaluates this image with regard to the respective location of the point of impact and the illumination field and calculates control signals for the drive device 32 that the focus lens 64 displaces so that the illumination field B covers the impact point A. Thus, the illumination field B of the impact site A follows online, so that on-line quality monitoring of the weld is possible by both the image generated by the processing beam and that of the illumination light source 60 generated image, each from the surveillance camera 24 recorded and, if appropriate, superimposed immediately.

Mit den vorstehend beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen, deren Merkmale in unterschiedlicher Weise miteinander kombiniert werden können, wurde erläutert, wie eine senkrecht zu ihrer optischen Achse verschiebbaren Linse in unterschiedlichster Weise für Verschiebungen einer Auftreffstelle einer durch sich hindurchgehenden Strahlung auf eine Werkstückoberfläche verwendet werden kann. Dies kann zum Zweck eines Toleranzausgleiches, zum Zweck einer Wegverfolgung oder für sonst welche Zwecke erfolgen.With the embodiments described above by way of example, the features of which can be combined in different ways, it has been explained how a lens displaceable perpendicularly to its optical axis can be used in a variety of ways for displacements of a point of incidence of radiation passing through onto a workpiece surface. This can be done for the purpose of tolerance compensation, tracking purposes or otherwise.

Bei den geschilderten Beispielen ist der Bearbeitungsstrahl ein Laserstrahl. Auch bei Elektronenstrahlbearbeitungen kann die Auftreffstelle eines Elektronenstrahls auf eine Werkstückoberfläche durch Verschieben einer Elektronenstrahllinse senkrecht zu ihrer Achse verschoben werden.In the described examples, the processing beam is a laser beam. Even in electron beam processing, the point of impact of an electron beam on a workpiece surface can be shifted by moving an electron beam lens perpendicular to its axis.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: LichtleiterfaserOptical fiber
1212: Kollimatorcollimator
1414: Bearbeitungsstrahlprocessing beam
1616: Spiegelmirror
1818: Fokuslinsefocus lens
2020: Werkstückworkpiece
2222: Optikoptics
2424: ÜberwachungskameraSecurity Camera
2626: Sensorfeldsensor field
3030: Halterungbracket
3232: Antriebsvorrichtungdriving device
3434: ZielführungskameraNavigation camera
3535: Lichtquellelight source
3636: Auswert- und SteuereinheitEvaluation and control unit
3838: Eingängeinputs
4040: Ausgängeoutputs
4242: AbbildungsstrahlengangImaging beam path
4444: Zusatzelementadditional element
5050: RemotebearbeitungsvorrichtungRemote processing device
5252: Spiegelmirror
5454: Spiegelmirror
5656: Schwenkvorrichtungswivel device
6060: BeleuchtungslichtquelleIllumination light source
6161: Beleuchtungsstrahlillumination beam
6262: Kollimatorlinsecollimator lens
6464: Fokuslinsefocus lens
OO: optische Achse der Fokuslinseoptical axis of the focus lens
MM: Mittellinie des BearbeitungsstrahlsCenterline of the machining beam
AA: Auftreffstelleimpingement
NN: Nahtseam
BB: Beleuchtungsfeldillumination field

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 202007018689 U1 [0003]
WO 2011/009594 A1 [0004]
DE 102009057209 A1 [0005]

Claims

Method for controlling the machining of a workpiece ( 20 ) by means of a high-energy machining beam ( 14 ), characterized in that the processing beam ( 14 ) and / or an illumination beam ( 61 ) through a lens ( 18 ; 64 ), which is used to move an impact point (A) of the machining beam ( 14 ) on the workpiece ( 20 ) and / or one of the illumination beam ( 61 ) on the workpiece ( 20 ) is moved perpendicular to its optical axis (O).

Method according to claim 1, wherein the lens ( 18 ; 64 ) is moved based on control signals generated from an electronic evaluation of an image of the workpiece surface containing the locations of at least two of the following: impact location of the processing beam (A), target impact location (N), illumination field (B).

Method according to claim 1 or 2, wherein the lens ( 18 ; 64 ) is moved based on control signals generated by evaluating signals generated by a sensor of a workpiece surface sensing feature.

Method according to claim 2 or 3, wherein by moving the lens ( 18 ) the impact point (A) is brought to coincide with the desired impact point (N).

Method according to one of claims 2 to 4, wherein by moving the lens ( 18 ) the illumination field (B) is brought into coincidence with the point of impact (N).

Method according to one of claims 1 to 5, wherein a surveillance camera ( 24 ) by the movable lens ( 18 ) receives an image of the point of impact (A) through which is electronically evaluated to monitor the quality of workpiece machining occurring at the point of impact (A).

Method according to one of claims 1 to 6, wherein the processing beam is an electron beam for a welding treatment of the workpiece.

Method according to one of claims 1 to 6, wherein the processing beam ( 14 ) is a laser beam.

Device for processing a workpiece ( 20 ) with a high-energy machining beam ( 14 ) containing a processing beam source ( 10 . 12 ), a surveillance camera ( 24 ) for generating an electronically evaluable image, an evaluation unit ( 36 ) for evaluating the image, a focus lens ( 18 ) for focusing the processing beam ( 14 ) on a point of impact (A) on the surface of the workpiece ( 20 ) and for focusing the surveillance camera on the point of impact (A) and a drive device ( 32 ) for moving the focus lens ( 18 ) perpendicular to its optical axis.

Apparatus according to claim 9, comprising a dichroic mirror ( 16 ), the processing beam ( 14 ) on the focus lens ( 18 ), whereby the surveillance camera ( 24 ) on the of the focus lens ( 18 ) facing away from the dichroic mirror ( 16 ) is arranged in the extension of the optical axis of the machining beam.

Device for controlling the machining of a workpiece ( 20 ) by means of a high energy machining beam containing a machining beam source ( 10 . 12 ), a remote optics ( 52 . 54 . 56 ), with which an impact point (A) of the processing beam (A) 14 ) along the surface of the workpiece ( 20 ), an illumination beam source ( 60 . 62 ) for generating an illumination beam which is used to generate a lighting field (B) by means of a focus lens ( 64 ) on the surface of the workpiece ( 20 ) is focusable and a drive unit ( 32 ) for moving the focus lens ( 64 ) perpendicular to its optical axis so that the illumination field (B) can be brought to coincide with the point of impact (A).

Device for controlling the machining of a workpiece ( 20 ) by means of a high energy machining beam containing a machining beam source ( 10 . 12 ), an optic with a lens ( 18 ), which is movable perpendicular to its optical axis, so that an impact point (A) of the processing beam ( 14 ) along the surface of the workpiece ( 20 ), an illumination beam source ( 60 . 62 ) for generating an illumination beam which is used to generate a lighting field (B) by means of a focus lens ( 64 ) on the surface of the workpiece ( 20 ) is focusable and a drive unit ( 32 ) for moving the focus lens ( 64 ) perpendicular to its optical axis so that the illumination field (B) can be brought to coincide with the point of impact (A).

Device according to one of Claims 6 to 11, comprising a guidance camera ( 34 ) for receiving an electronically evaluable image, which contains at least two of the elements impingement point (A), target impingement point (N) and illumination field (B), and an image evaluation device ( 70 . 36 ) for generating a control signal at a deviation between the at least two elements, wherein the control signal is the drive device ( 32 ) controls so that the deviation decreases.

Apparatus according to claim 13, comprising a light source ( 35 ) for illuminating the workpiece ( 20 ) with structured light.

Device according to one of claims 9, 10 or 13, wherein a desired impact point by a predetermined position on an additional element required for processing ( 44 ) is determined.