DE102011016519B4 - Device for processing a workpiece by means of a high-energy machining beam - Google Patents
Device for processing a workpiece by means of a high-energy machining beam Download PDFInfo
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Abstract
Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (20) mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl (14), enthaltend
eine Bearbeitungsstrahlquelle (10, 12),
eine Überwachungskamera (24) zur Erzeugung eines elektronisch auswertbaren Bildes,
eine Auswerteinheit (36) zur Auswertung des Bildes,
eine Fokuslinse (18) zum Fokussieren des Bearbeitungsstrahls (14) auf eine Auftreffstelle (A) auf der Oberfläche des Werkstücks (20) und zum Fokussieren der Überwachungskamera (24) auf die Auftreffstelle (A),
eine Antriebsvorrichtung (32) zum Verschieben der Fokuslinse (18) senkrecht zu ihrer optischen Achse,
eine ortsauflösende Sensoreinrichtung zur Erzeugung von die Position einer Soll-Auftreffstelle (N) des Werkstücks (20) enthaltenden Daten, und
eine Einrichtung zum Zusammenführen dieser Daten mit dem von der Überwachungskamera (24) aufgenommenen, elektronisch auswertbaren Bild.
Device for processing a workpiece (20) with a high-energy machining beam (14), comprising
a machining 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 machining beam (14) on an impact location (A) on the surface of the workpiece (20) and for focusing the surveillance camera (24) on the impact location (A),
a drive device (32) for displacing the focus lens (18) perpendicular to its optical axis,
a spatially resolving sensor device for generating the position of a target impact point (N) of the workpiece (20) containing data, and
a device for merging this data with the electronically evaluable image recorded by the surveillance camera (24).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls.The invention relates to a device for machining 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 target 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
Aus der
Aus der
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls zu schaffen, die bei einfacher Durchführung gute Voraussetzungen für eine Qualitätskontrolle der Bearbeitung des Werkstücks ermöglicht.The invention has for its object to provide a device for machining a workpiece by means of a high-energy machining beam, which allows good conditions for quality control of the machining of the workpiece with simple implementation.
Eine Lösung der vorgenannten Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 erzielt.A solution of the above object is achieved with a device according to claim 1.
Die Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 wird mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 6 in vorteilhafter Weise weitergebildet.The device according to claim 1 is further developed with the features of the
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 by the movement of a lens irradiated by the processing beam or the illumination beam a controlled displacement of the point of impact of the processing beam on the workpiece or the illuminated spot of the workpiece along the surface of the workpiece, whereby an online tracking of the processing beam according to a predetermined Machining path on the surface of the workpiece or a tracking of the illumination beam such that the point of impact is illuminated, is possible. The control of the movement is preferably carried out by electronic evaluation of 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:
-
1 eine Prinzipansicht einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, -
2 eine abgeänderte Ausführungsform einer Bearbeitungsvorrichtung, und -
3 eine weitere Ausführungsform einer Bearbeitungsvorrichtung, die nicht alle beanspruchten Merkmale zeigt.
-
1 a schematic view of an apparatus for machining a workpiece by means of a high-energy machining beam, -
2 a modified embodiment of a processing device, and -
3 a further embodiment of a processing apparatus, which does not show all the claimed features.
Im dargestellten Beispiel wird aus einer Lichtleiterfaser
Auf der von der Fokuslinse
Die Fokuslinse
An der Halterung
Zur Auswertung und Steuerung der verschiedenen Vorrichtungen dient eine elektronische Auswert- und Steuereinheit
Die Funktion der Vorrichtung ist beispielsweise wie folgt:The function of the device is for example as follows:
Sei zunächst angenommen, die Fokuslinse
Vor Beginn einer Bearbeitung wird von der Einheit
Mittels der erläuterten Verschiebbarkeit der Fokuslinse
Die Qualität der Bearbeitung, beispielsweise einer Laserschweißung oder eines Laserschnitts, kann durch Auswertung des von der Überwachungskamera
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
Bei Vorhandensein einer solchen relativ starken Beleuchtungsquelle, die am Ort der Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls ein Beleuchtungsfeld erzeugt, kann die Zielführungskamera
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
Wenn die Länge der Bearbeitungslinie
Die Antriebsvorrichtung
In der dargestellten Ausführungsform ist die einzige Fokuslinse
Für eine genaue Erkennung etwaiger Strukturen auf der Oberfläche des Werkstücks
Die Position einer zu bearbeitenden Fügekante oder sonstigen Bearbeitungslinie an dem Werkstück
Die Lichtquelle
Eine lichtstarke Beleuchtungslichtquelle, die zur Erzeugung eines Bildes der Bearbeitungsstelle bzw. Auftreffstelle
In
Alternativ kann die Vorrichtung gemäß
Wie bereits erläutert, ist für eine Online-Qualitätsauswertung beispielsweise einer Schweißung vorteilhaft, die Auftreffstelle
Damit das Beleuchtungsfeld
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 a radiation passing through it 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.
Weitere Aspekte der vorliegenden Offenbarung:
- 1. Verfahren zum Steuern der Bearbeitung eines Werkstücks (
20 ) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (14 ), dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (14 ) und/oder ein Beleuchtungsstrahl (61 ) durch eine Linse (18 ;64 ) hindurchtritt, die zum Verschieben einer Auftreffstelle (A ) des Bearbeitungsstrahls (14 ) auf das Werkstück (20 ) und/oder eines vom Beleuchtungsstrahl (61 ) auf dem Werkstück (20 ) erzeugten Beleuchtungsfeldes (B ) senkrecht zu ihrer optischen Achse (O ) bewegt wird. - 2. Verfahren nach Aspekt
1 , wobei die Linse (18 ;64 ) aufgrund von Steuersignalen bewegt wird, die aus einer elektronischen Auswertung eines Bildes der Werkstückoberfläche erzeugt werden, das die Orte wenigstens von zwei der folgenden Elemente enthält: Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls (A ), Soll-Auftreffstelle (N ), Beleuchtungsfeld (B ). - 3. Verfahren nach Aspekt
1 oder 2 , wobei die Linse (18 ;64 ) aufgrund von Steuersignalen bewegt wird, die durch Auswertung von Signalen erzeugt werden, die von einem Eigenschaften der Werkstückoberfläche erfassenden Sensor erzeugt werden. - 4..
Verfahren nach Aspekt 2 oder 3 , wobei durch Bewegen der Linse (18 ) die Auftreffstelle (A ) zur Deckung mit der Soll-Auftreffstelle (N ) gebracht wird. - 5. Verfahren nach einem der Aspekte
2 bis4 , wobei durch Bewegen der Linse (18 ) das Beleuchtungsfeld (B ) in Überdeckung mit der Auftreffstelle (N ) gebracht wird. - 6. Verfahren nach einem der Aspekte
1 bis5 , wobei eine Überwachungskamera (24 ) durch die bewegbare Linse (18 ) hindurch ein Bild der Auftreffstelle (A ) aufnimmt, das zur Überwachung der Qualität der an der Auftreffstelle (A ) erfolgenden Werkstückbearbeitung elektronisch ausgewertet wird. - 7. Verfahren nach einem der Aspekte
1 bis6 , wobei der Bearbeitungsstrahl ein Elektronenstrahl für eine Schweißbearbeitung des Werkstücks ist. - 8. Verfahren nach einem der Aspekte
1 bis6 , wobei der Bearbeitungsstrahl (14 ) ein Laserstrahl ist. - 9. Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (
20 ) mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl (14 ), enthaltend eine Bearbeitungsstrahlquelle (10 ,12 ), eine Überwachungskamera (24 ) zur Erzeugung eines elektronisch auswertbaren Bildes, eine Auswerteinheit (36 ) zur Auswertung des Bildes, eine Fokuslinse (18 ) zum Fokussieren des Bearbeitungsstrahls (14 ) auf eine Auftreffstelle (A ) auf der Oberfläche des Werkstücks (20 ) und zum Fokussieren der Überwachungskamera auf die Auftreffstelle (A ) und eine Antriebsvorrichtung (32 ) zum Verschieben der Fokuslinse (18 ) senkrecht zu ihrer optischen Achse. - 10. Vorrichtung nach Aspekt
9 , enthaltend einen dichroitischen Spiegel (16 ), der den Bearbeitungsstrahl (14 ) auf die Fokuslinse (18 ) umlenkt, wobei die Überwachungskamera (24 ) auf der von der Fokuslinse (18 ) abgewandten Seite des dichroitischen Spiegels (16 ) in der Verlängerung der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls angeordnet ist. - 11. Vorrichtung zum Steuern der Bearbeitung eines Werkstücks (
20 ) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, enthaltend eine Bearbeitungsstrahlquelle (10 ,12 ), eine Remoteoptik (52 ,54 ,56 ), mit der eine Auftreffstelle (A ) des Bearbeitungsstrahls (14 ) längs der Oberfläche des Werkstücks (20 ) bewegbar ist, eine Beleuchtungsstrahlquelle (60 ,62 ) zum Erzeugen eines Beleuchtungsstrahls, der zur Erzeugung eines Beleuchtungsfeldes (B ) mittels einer Fokuslinse (64 ) auf die Oberfläche des Werkstücks (20 ) fokussierbar ist und eine Antriebseinheit (32 ) zum Verschieben der Fokuslinse (64 ) senkrecht zu ihrer optischen Achse, so dass das Beleuchtungsfeld (B ) zur Deckung mit der Auftreffstelle (A ) bringbar ist. - 12. Vorrichtung zum Steuern der Bearbeitung eines Werkstücks (
20 ) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, enthaltend eine Bearbeitungsstrahlquelle (10 ,12 ), eine Optik mit einer Linse (18 ), die senkrecht zu ihrer optischen Achse bewegbar ist, so dass eine Auftreffstelle (A ) des Bearbeitungsstrahls (14 ) längs der Oberfläche des Werkstücks (20 ) bewegbar ist, eine Beleuchtungsstrahlquelle (60 ,62 ) zum Erzeugen eines Beleuchtungsstrahls, der zur Erzeugung eines Beleuchtungsfeldes (B ) mittels einer Fokuslinse (64 ) auf die Oberfläche des Werkstücks (20 ) fokussierbar ist und eine Antriebseinheit (32 ) zum Verschieben der Fokuslinse (64 ) senkrecht zu ihrer optischen Achse, so dass das Beleuchtungsfeld (B ) zur Deckung mit der Auftreffstelle (A ) bringbar ist. - 13. Vorrichtung nach einem der Aspekte
6 bis11 , enthaltend eine Zielführungskamera (34 ) zur Aufnahme eines elektronisch auswertbaren Bildes, das wenigstens zwei der Elemente Auftreffstelle (A ), Soll-Auftreffstelle (N ) und Beleuchtungsfeld (B ) enthält, und eine Bildauswerteinrichtung (70 ,36 ) zum Erzeugen eines Steuersignals bei einer Abweichung zwischen den wenigstens zwei Elementen, wobei das Steuersignal die Antriebseinrichtung (32 ) derart steuert, dass die Abweichung abnimmt. - 14. Vorrichtung nach Aspekt
13 , enthaltend eine Lichtquelle (35 ) zum Beleuchten des Werkstücks (20 ) mit strukturiertem Licht. - 15. Vorrichtung nach einem der
Aspekte 9 ,10 oder13 , wobei eine Soll-Auftreffstelle durch eine vorbestimmte Position an einem für die Bearbeitung erforderlichen Zusatzelement (44 ) bestimmt ist.
- 1. 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 a point of impact (A ) of the processing beam (14 ) on the workpiece (20 ) and / or one of the illumination beam (61 ) on the workpiece (20 ) generated illumination field (B ) perpendicular to its optical axis (O ) is moved. - 2. Method according to aspect
1 , where the lens (18 ;64 ) is moved on the basis of control signals which are generated from an electronic evaluation of an image of the workpiece surface containing the locations of at least two of the following elements: impact location of the machining beam (A ), Target impact point (N ), Illumination field (B ). - 3. Method according to
aspect 1 or2 , where the lens (18 ;64 ) is moved based on control signals generated by evaluating signals generated by a sensor of the workpiece surface sensing. - 4 .. Process by
aspect 2 or3 , whereby by moving the lens (18 ) the impact site (A ) to coincide with the target impingement point (N ) is brought. - 5. Method according to one of the
aspects 2 to4 , whereby by moving the lens (18 ) the illumination field (B ) in overlap with the point of impact (N ) is brought. - 6. Method according to one of the aspects
1 to5 , wherein a surveillance camera (24 ) by the movable lens (18 ) through an image of the impact site (A ), which is used to monitor the quality of the impact (A ) occurring workpiece machining is evaluated electronically. - 7. Method according to one of the aspects
1 to6 wherein the processing beam is an electron beam for a welding treatment of the workpiece. - 8. Method according to one of the aspects
1 to6 , wherein the processing beam (14 ) is a laser beam. - 9. Apparatus 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 ) to a point of impact (A ) on the surface of the workpiece (20 ) and to focus the surveillance camera on the impact site (A ) and a drive device (32 ) for moving the focus lens (18 ) perpendicular to its optical axis. - 10. Device according to aspect
9 containing 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. - 11. 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 a point of impact (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 ) to coincide with the point of impact (A ) can be brought. - 12. 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 a point of impact (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 ) to coincide with the point of impact (A ) can be brought. - 13. Device according to one of the aspects
6 to11 comprising a guidance camera (34 ) for receiving an electronically evaluable image, the at least two of the elements impingement (A ), Target impact 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. - 14. Device according to aspect
13 containing a light source (35 ) for illuminating the workpiece (20 ) with structured light. - 15. Device according to one of the aspects
9 .10 or13 in which a desired point of impact through a predetermined position on an additional element (44 ) is determined.
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
- 7070
- ZielführungskameraNavigation camera
- OO
- optische Achse der Fokuslinseoptical axis of the focus lens
- MM
- Mittellinie des BearbeitungsstrahlsCenterline of the machining beam
- AA
- Auftreffstelleimpingement
- NN
- Soll-AuftreffstelleTarget impact point
- BB
- Beleuchtungsfeldillumination field
Claims (6)
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Publications (2)
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