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Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prägevorrichtung mit einem gesteuerten Prägekopf nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Prägekopf ein Prägewerkzeug, eine parallel zum Prägewerkzeug ausgerichtete Laserlichtquelle und eine Kamera umfasst, um damit den Prägekopf bzw. das Prägewerkzeug sicher und präzise auf einem Werkstück positionieren zu können.
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Hintergrund der Erfindung
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Um eine Prägung an dem Werkstück, das beispielsweise ein Füller, ein Ring oder ein sonstiges, beliebiges Produkt oder ein Teil davon sein kann, präzise positioniert vornehmen zu können, wird das Werkstück üblicherweise in der Prägevorrichtung fest eingespannt, worauf der Prägekopf mit dem Prägewerkzeug in eine definierte Anfangsposition am Werkstück herangefahren wird. Das Prägewerkzeug kann beispielsweise eine Nadel, ein Fräser, ein Typenrad, ein Stempel oder ein Laser sein, welches als herausstehendes Teil über dem Werkstück visuell positioniert werden kann. Die Prägung kann dabei beispielsweise ein Name, ein Schriftzug, ein Logo oder eine sonstige Gravur sein.
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Bevorzugt weist das Werkstück an einer Stelle eine Markierung auf, die einen Referenzpunkt zu der anschließend durchgeführten oder eingravierten Prägung darstellt, wie beispielsweise ein Eckpunkt unten links einer Prägung bzw. eines Prägezugs oder ein anderer der Prägung zugeordneter Anfangspunkt, Mittelpunkt oder Rechteckbereich. In einem solchen Falle wird üblicherweise der Prägekopf mit dem Prägewerkzeug über der Markierung bis zu einem beinahe Berühren exakt herangefahren bzw. positioniert, um dann den Prägeprozess zu starten bzw. auszuführen. Das Heranfahren und so exakt wie mögliches Positionieren erfolgt üblicherweise unter einer rein visuellen Kontrolle eines Bedieners der Prägevorrichtung. Üblicherweise wird dann testweise eine Prägung an einem ersten Werkstück vorgenommen, um die Positionierung der Prägung in dem ersten Werkstück überprüfen und ggf. für weitere Werkstücke korrigieren zu können. Bekannte Prägevorrichtungen weisen Anschläge und/oder entsprechende Halterungen, die teilweise eine Negativform des Werkstücks aufweisen, auf, um jedes Werkstück immer an einer gleichen Position in der Prägevorrichtung einzuspannen bzw. festzuspannen. Bei einem gleichen Ablauf des Prägeprozesses und bei gleicher Trajektorie des Prägewerkzeugs in der Prägevorrichtung erfolgt die Prägung jeweils an der gleichen Stelle am jeweiligen Werkstück.
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Die Druckschrift
CH 697 657 B1 offenbart eine Vorrichtung zum CNC gesteuerten Gravieren eines Werkstücks, wobei optional entweder ein Laser oder eine CCD Kamera zur Positionierung des Fräsers auf dem Werkstück eingesetzt werden, um die Fräsmaschine dann entsprechend anzusteuern. Entsprechend kann der der Laserpunkt auf dem Werkstück mit dem Auge platziert werden, oder der Fräser per CCD Kamera eingestellt werden.
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Die Druckschrift
DE 199 30 272 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Kennzeichnen des Werkstücks mit einer Graviernadel, wobei die Nadel auf dem Werkstück, das auf einen Tisch gespannt ist, verschoben wird. Dabei sind Mittel vorhanden, um mindestens eine Materialeigenschaft des Werkstücks zu erfassen und die Graviernadel so anzusteuern, um dabei reproduzierbar eine möglichst immer gleiche Graviertiefe zu erhalten. Eine möglichst genaue Positionierung der Gravur in Bezug zum Werkstück ist hierbei nicht von wesentlicher Bedeutung.
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Die erste Positionierung, die unter visueller Kontrolle erfolgt, kann jedoch schwierig sein, wenn die Prägung beispielsweise in einer Mulde oder in einer Vertiefung erfolgt, die aufgrund einer räumlichen Enge schlecht einsehbar ist. Auch unter einer Bedingung, dass das Prägewerkzeug nicht weit aus dem Prägekopf hervorsteht, ist die Positionierung des Prägewerkzeugs in der Anfangsposition oder auf der Markierung am Werkstück problematisch. Ebenso ist die Einstellung auf die Anfangsposition oder auf die Markierung abhängig von dem individuellen Vermögen und einem visuellen Sehvermögen des Bedieners. Auch unter Berücksichtigung, dass eigentlich gleiche Werkstücke etwas abweichende Außenabmaße aufweisen können, ist ein Bereich, wo eine exakte Prägung erfolgen soll, etwas verschieden auf dem Spanntisch bzw. in der Prägevorrichtung positioniert, so dass eine Nachjustierung nötig werden kann. Auch in Anbetracht, dass sehr kleine Prägungen durchgeführt werden und die Anforderungen an eine präzise Ausrichtung steigen, kann die Positionierung ohne Vergrößerungsglas problematisch sein.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung einer Prägevorrichtung, die die Nachteile aus dem Stand der Technik beseitigt und es erlaubt, einen Prägekopf bzw. ein Prägewerkzeug mittels einer Positionierungshilfe sicher und präzise auf einem Werkstück zu positionieren.
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Die vorstehenden Aufgaben sowie weitere der Beschreibung zu entnehmende Aufgaben werden von einer Prägevorrichtung und von einem Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 bzw. 12 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist die Prägevorrichtung zum Prägen einer Prägung in einem Werkstück Folgendes auf:
- - einen Prägekopf mit einem Prägewerkzeug, der in der Prägevorrichtung in Bezug zum Werkstück steuerbar verfahrbar angeordnet ist,
- - eine Laserlichtquelle, die in einer bekannten räumlichen Lage relativ zum Prägekopf angeordnet ist, wobei die Laserlichtquelle einen Laserstrahl aussendet, der parallel zur Längsachse des Prägewerkzeugs ausgerichtet ist, so dass der Laserstrahl in einem definierten Abstand zu dem Prägewerkzeug auf das Werkstück auftrifft und einen Laserlichtpunkt erzeugt;
- - eine erste Kamera mit einem Kamerabildbereich, wobei die erste Kamera so ausgerichtet und eingestellt ist, dass der Kamerabildbereich den Laserlichtpunkt und mindestens eine Markierung auf dem Werkstück umfasst;
- - einen Bildschirm, der mindestens einen Bildteil des Kamerabildbereichs darstellt und auf dem ein Teil des Werkstücks, der Laserlichtpunkt und die mindestens eine Markierung darstellbar sind;
- - eine Steuereinheit und damit verbundene Aktuatoren, die so ausgebildet sind, dass sie ein definiertes Verfahren des Prägekopfes in Bezug zum Werkstück in Übereinstimmung mit vorgegebenen Vorlagedaten für die Prägung bewirkt, um dadurch das Werkstück gemäß den Vorlagedaten der Prägung zu prägen, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um durch die Aktuatoren den Laserlichtpunkt auf dem Werkstück unter Verwendung von Bilddaten der Kamera an die mindestens eine Markierung auf dem Werkstück manuell oder automatisch zu verfahren, um die Position des Laserlichtpunkts an der mindestens einen Markierung als Referenzpunkt abzuspeichern, und um den Referenzpunkt für die Steuerung der Prägung zu verwenden, und
- - eine zweite Kamera, die mit der Steuereinheit verbunden ist, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um von dem Laserlichtpunkt eine Raumposition zu bestimmen und demgemäß einen Abstand zwischen dem Prägewerkzeug und dem Werkstück zu errechnen.
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Bevorzugt ist die Kamera in dem Prägekopf angeordnet.
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Bevorzugt ist die Prägevorrichtung so ausgestaltet, dass der Laserlichtpunkt auf dem Werkstück entweder per Steuertasten manuell oder automatisch positionierbar ist.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Prägekopf bzw. das Prägewerkzeug und das Werkstück sicher, präzise und komfortabel zueinander ausgerichtet werden können, ohne dabei einen direkten Blick zwischen das Werkstück und den Prägekopf lenken zu müssen Der Laserlichtpunkt auf dem Werkstück kann am Bildschirm leicht verfolgt werden, um damit den Prägekopf oder einen Spanntisch, auf dem das Werkstück festgeklemmt ist, entsprechend zu positionieren. Darüber hinaus, ermöglicht die Erfindung eine bereits bestehende Prägung am Werkstück präzise zu ergänzen oder eine bereits bestehende, den Erfordernissen nicht entsprechende Prägung komplett oder zum Teil nachzuprägen, indem der Laserlichtpunkt auf einem Anfangspunkt der neuen Prägung positioniert wird, der einem Punkt der bereits bestehenden Prägung entspricht. Bevorzugt kann die Positionierung des Laserlichtpunkts auf einem Anfangspunkt und/oder einem Endpunkt der Prägung und/oder einem beliebigen vorbestimmten Punkt der Prägeebene erfolgen. Bevorzugt kann damit auch eine vollautomatische Positionierung des Prägekopfs in Bezug auf das Werkstück oder umgekehrt erfolgen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist in nachfolgenden Zeichnungen und in einer detaillierten Beschreibung dargestellt, soll aber die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einer Seitenansicht von vorne eine Prägevorrichtung, umfassend ein unteres Gehäuseteil mit Spanntisch, auf dem ein Werkstück festgeklemmt ist, ein mittleres Gehäuseteil und ein oberes Gehäuseteil, an dem ein Prägekopf mit Prägewerkzeug, mit Laserstrahl und Kamera angeordnet ist, und einen Bildschirm.
- 1 b zeigt in einer Seitenansicht von vorne ein weiteres Ausführungsbeispiel der Prägevorrichtung, umfassend ein unteres Gehäuseteil an dem über einen Roboterarm der Prägekopf mit dem Prägewerkzeug, dem Laserstrahl und der Kamera angeordnet ist. Über dem oberen Gehäuseteil ist ein Bildschirm angeordnet.
- 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht von schräg unten den Prägekopf mit dem Prägewerkzeug, mit dem Laserstrahl, mit einer Kamera, mit vier LEDs und mit einem Abstandssensor;
- 3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht von vorne den Prägekopf mit dem Prägewerkzeug, dem Laserstrahl und der Kamera, die auf das darunter angeordnete Werkstück ausgerichtet sind;
- Fig, 4 zeigt in der perspektivischen Ansicht von vorne einen Teil des Werkstücks mit einer Prägung, mit einer Umrißlinie der Prägung und mit einem äußeren Rand einer Führung des Prägewerkzeugs;
- 5 zeigt in der perspektivischen Ansicht von vorne den Teil des Werkstücks mit einer Markierung;
- 6 zeigt in der perspektivischen Ansicht von vorne den Teil des Werkstücks mit Markierungslinien;
- 7 zeigt in der perspektivischen Ansicht von vorne den Teil des Werkstücks mit dem äußeren Rand des Überstreichungsbereichs der Führung, wobei das Werkstück einen Konturabsatz aufweist;
- 8 zeigt in einer seitlichen perspektivischen Ansicht ein rundes Werkstück mit der Prägung;
- 9 zeigt ein Bild auf einen Bildschirm, das aus Bildern verschiedener Kamerabildbereiche bzw. verschiedener Kamerapositionen zusammengesetzt wurde.
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Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert, die vorzugsweise eine Spannvorrichtung oder einen Spanntisch 21 umfassen. Es ist jedoch keineswegs beabsichtigt, die Erfindung auf Ausführungsformen mit einem Spanntisch einzuschränken, die ein zu prägendes Werkstück 10 festhalten. Vielmehr ist die Erfindung darauf gerichtet, eine Prägevorrichtung mit einem gesteuerten Prägekopf 1 und ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen, die in der Lage sind, jegliche Werkstücke 10 zu prägen, sofern ein Werkstück irgendwie für die beabsichtigte Prägung ausreichend fest gehalten wird oder durch ein eigenes Gewicht ausreichend fest steht.
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In 1 ist schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Prägevorrichtung dargestellt, umfassend ein unteres Gehäuseteil 20, in dem der Spanntisch 21 angeordnet ist, auf dem das Werkstück 10 zu einer Bearbeitung bzw, Prägung festgeklemmt ist, ein mittleres Gehäuseteil 22, das mit dem unteren Gehäuseteil 20 fest verbunden ist, ein oberes Gehäuseteil 23, das mit dem mittleren Gehäuseteil 22 fest verbunden ist und der Prägekopf 1, der in dem oberen und/oder in dem mittleren Gehäuseteil 23 bzw. 22 und in Bezug zu dem Spanntisch 21 in x/y/z-Richtung steuerbar verfahrbar ist. Im Weiteren wird von dieser Anordnung mit dem verfahrbaren Prägekopf 1 ausgegangen, es ist dabei aber immer ebenso vorstellbar, dass anstelle des Prägekopfs 1 auch der Spanntisch 21 in x/y/z-Richtung in der Prägevorrichtung und in Bezug zu den Prägekopf 1 steuerbar verfahrbar ist Je nach verhältnismäßiger Schwere des Prägekopfs 1 und des Spanntisches 21 zusammen mit dem Werkstück 10 wird bevorzugter Maßen der Spanntisch 21 oder der Prägekopf 1 verfahrbar gestaltet. Dabei ist ebenso vorstellbar, dass auch das mittlere Gehäuseteil 21, mit dem der Prägekopf 1 fest verbunden ist, steuerbar verfahrbar gestaltet wird. Ein definiertes Verfahren bzw. Bewegen des Prägekopfs 1 bzw. des Spanntisches 21 wird durch entsprechende Aktuatoren bewirkt, die durch die Steuereinheit angesteuert werden. Selbstverständlich ist nur der Prägekopf 1 bzw. ein Roboterarm, mit dessen einem Ende der Prägekopf 1 fest verbunden ist, durch Aktuatoren bewegbar, wenn der Spanntisch weggelassen wird.
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Der Prägekopf 1 umfasst erfindungsgemäß ein Prägewerkzeug 3 und eine Laserlichtquelle, die einen Laserstrahl 2 erzeugt, die beide parallel zueinander und zum Werkstück 10 hin ausgerichtet sind. Indem der Laserstrahl 2 auf das Werkstück 10 ausgesendet wird, wird darauf ein Laserlichtpunkt 14 erzeugt, der visuell gut erkannt und zur Positionierung des Prägekopfs 1 in Bezug auf das Werkstück 10 als ein Referenzpunkt verwendet werden kann.
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Ferner umfasst die Prägevorrichtung erfindungsgemäß eine Kamera, die durch ein Objektiv 7 auf das Werkstück 10 hin ausgerichtet ist, so dass ein Kamerabildbereich 11 einen Teil des Werkstücks 10 mit dem darauf applizierten Laserlichtpunkt 14 und mit dem Prägewerkzeugs 3, wenn dieses an das Werkstück 10 herangefahren ist, umfasst. Die Kamera, die beispielsweise als CCD-Kameramodul ausgeführt ist, ist an eine Prozessoreinheit angeschlossen, die eine Bildverarbeitung ermöglicht und ein Bild an einen Bildschirm 24 weiterleitet. So können der Kamerabildbereich 11 oder mehrere versetzte Kamerabildbereiche als ein zusammengesetztes Bild, sowie auch andere Informationen einem Bediener dargestellt werden, dabei verschiedenartig gefiltert, gezoomt oder verkleinert werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Kamera mit dem Objektiv 7 in oder an dem Prägekopf 1 angeordnet, was den Vorteil mit sich bringt, dass die Kamera immer mit dem Laserlichtpunkt 14 und danach beim Prägen mit dem Prägewerkzeug 3 mitgeführt wird. Dadurch wird eine immer gleichbleibend gute Bildauflösung im Bereich des Laserlichtpunkts 14 und des Prägewerkzeugs 3 auf dem Werkstück 10 ermöglicht. Durch eine Anordnung der Kamera in/an dem Prägekopf 1 werden auch andernfalls sich verändernde Parallaxenfehler und sich verändernde Kissenverzerrungen vermieden. Jedoch soll eine andere Anordnung der Kamera an sonstigen Stellen im/am Gehäuse der Prägevorrichtung erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen werden, wobei dann aber bevorzugt eine der Position des Prägekopfes 1 sich anpassende Verzerrungskorrektur des Kamerabildes durchgeführt wird. Die Kamera weist bevorzugt einen Kamerabildbereich 11 auf, der den gesamten Arbeitsbereich der Prägevorrichtung umfasst Als Arbeitsbereich ist dabei der Bereich zu verstehen, in dem eine Prägung an dem Werkstück 10 vorgenommen werden kann Im Falle, dass die Kamera im oder am Prägekopf 1 integriert bzw./befestigt ist, verschiebt sich demgemäß der Kamerabildbereich 11 zusammen mit dem Prägewerkzeug 3 und mit dem Laserlichtpunkt 14 entlang dem Werkstück 10.
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Ein Festklemmen des Werkstücks 10 auf dem Spanntisch 21 geschieht bevorzugt mit Spannklemmen oder anderen Arten von Klemmvorrichtungen bzw. Halterungen, die auch eine dem Werkstück 10 angepasste Negativform aufweisen können.
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Bevorzugt ist die Prozessoreinheit so ausgestaltet, dass Abweichungen der SollPosition von der Ist-Position des Werkstücks 10 in Bezug auf den Prägekopf, was durch eine etwas verschobene Einspannung des Werkstücks 10 auf dem Spanntisch 21 verursacht sein kann, detektiert wird, so dass der Steuereinheit korrigierte Daten oder Korrekturdaten für eine Ansteuerung des Prägekopfes 1 für den Prägeprozess zugeleitet werden. Dadurch wird eine ungenaue Positionierung des Werkstücks 10 auf dem Spanntisch 21 kompensiert. Entsprechende Mustererkennungsalgorithmen sind in der Prozessoreinheit implementiert.
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In dem vorliegenden Beispiel in 1 zeigt der Bildschirm 24 ein Bild, das aus verschiedenen Kamerabildern der jeweiligen Kamerabildbereiche 11 zusammengesetzt ist (Stitching) und das demgemäß größer ist als der Kamerabildbereich 11. Bevorzugt kann hierbei auch gezoomt (vergrößert) oder verkleinert, kontrast- und helligkeitsgefiltert werden, es können Randbereiche bzw. eine Umrißlinie der Prägung oder eine Markierung auf dem Werkstück dargestellt oder hervorgehoben werden.
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Der Klarheit wegen wird an dieser Stelle vermerkt, dass die Prägung beispielsweise eine Fräsgravur, eine Nadelgravur, eine Druckprägung, eine Laserung, eine Ätzung, eine Erodierung, eine Stempelung oder dergleichen sein kann. Die Form der Prägung kann beispielsweise ein Schriftzug, ein Logo, eine Nummer, ein 1D- oder 2D-Barcode (Data Matrix Code), eine rechteckige, runde oder sonstige Form sein oder eine Kombination daraus. Als Markierung kann auch eine farbige Markierung dienen oder ein Merkmal auf dem Werkstück /Bauteil (z.B eine Bohrung, eine Schraube oder dergleichen). Das Prägewerkzeug ist dabei beispielsweise ein Fräser, ein Bohrer, eine Nadel, ein Druckbolzen, ein Laserstrahl, ein Wasserstrahl, ein Sandstrahl, eine Druckschablone, ein Druckrad, ein Prägezeichenrad oder dergleichen.
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1b zeigt in einer Seitenansicht von vorne ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Prägevorrichtung, umfassend ein anderes unteres Gehäuseteil 20, mit dem über einen Roboterarm 27 der Prägekopf 1 verbunden ist Der Prägekopf 1 mit dem Prägewerkzeug 3, dem Laserstrahl 2 und der Kamera kann über den Roboterarm 27 in einem bestimmten Raumbereich durch die Steuereinheit gezielt positioniert werden. Vor dem unteren Teil 20 der Prägevorrichtung in der schematischen Ansicht der 1b ist eine Fließbandanlage 25 angeordnet, die ein Fließband mit beispielsweise aneinandergereihten Klemmschlitten 26 aufweist, auf denen Werkstücke 10 festgeklemmt sind und die in X-Richtung vor der Prägevorrichtung entlang bewegt werden. Indem die Werkstücke 10 vor der Prägevorrichtung entlang bewegt werden, wird nun jeweils das Werkstück 10 geprägt, das sich gerade im Arbeitsbereich der Prägevorrichtung befindet. Die Steuereinheit ist hierbei bevorzugt so programmiert, dass die Kamerabilder der Kamera durch Mustererkennungsalgorithmen so ausgewertet werden, dass die Werkstücke 10 vor der Prägevorrichtung erkannt werden, eine Markierung auf dem jeweiligen Werkstück 10 erkannt wird, der Laserstrahl auf die Markierung des Werkstücks durch entsprechende Bewegung der Prägekopfeinheit hingelenkt wird und schließlich der Prägeprozess gestartet wird. Ähnliche Szenarien sind ebenso vorstellbar, dass beispielsweise die Prägevorrichtung vor einer Automobil-Fließband- oder Förderanlage aufgestellt ist, die markierten Stellen auf dem jeweiligen Automobil oder Blech durch die Kamera mit Steuereinheit erkannt werden und dann jeweils der Prägeprozess gestartet wird. Dabei ist es denkbar, dass der untere Teil 20 der Prägevorrichtung fest mit einer Einheit, die das Werkzeug spannt oder festhält, verbunden ist oder, dass der untere Teil 20 auf einem Boden befestigt ist, der eine Basis für eine andere, entsprechend schwere und standfeste Anlage, die das Werkstück 10 hält, bildet. Auch denkbar ist dabei, dass das Werkstück beim Prägeprozess fortbewegt wird und die Steuereinheit der Prägevorrichtung den Prägekopf 1 Kamera- und Bildverarbeitungs-gestützt entsprechend mit bewegt.
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In 2 ist eine erfindungsgemäße, bevorzugte Ausführungsform des Prägekopfes 1 schematisch perspektivisch von schräg unten dargestellt Der bevorzugte Prägekopf 1 umfasst an seinem unteren Ende eine Führung 5, durch die das Prägewerkzeug 3 bis knapp vor dem Werkstück 10 stabil geführt wird, einen eingebauten Laser, der aus einer Austrittsöffnung 4 einen Laserstrahl 2 bevorzugt parallel zu dem Prägewerkzeug 3 in Richtung Werkstück 10 aussendet, eine Kamera, deren Kameraobjektiv 7 in Richtung Werkstück 10 gerichtet ist und vorzugsweise eine Beleuchtung, die durch LEDs 8 realisiert sein kann
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Die Kamera bzw. das Kameraobjektiv 7 sind bevorzugt nicht parallel zu dem Laserstrahl 2 und zu dem Prägewerkzeug 3 angeordnet, sondern weisen dazu bevorzugt einen Winkel auf. Der Winkel zwischen der optischen Achse des Kameraobjektivs 7 und der Ebene des Laserstrahls 2 mit dem Prägewerkzeug 3 ist dabei bevorzugt 15-30 Grad oder 30-60 Grad oder kann auch kleiner oder größer sein. Der Winkel ist dabei so gewählt, dass der Kamerabildbereich 11 sowohl den Laserlichtpunkt 14 als auch das Prägewerkzeug 3 auf dem Werkstück 10 umfasst und darum herum noch einen genügend großen Randbereich mit umfasst, so dass der Laserlichtpunkt 14 durch das am Bildschirm 24 dargestellte Bild gut positioniert werden kann. Die Kamera bzw. das Kameraobjektiv 7 ist bevorzugt mittig zwischen der Austrittsöffnung 4 des Laserstrahls 2 und dem Prägewerkzeug 3 angeordnet und weist bevorzugt darum herum mindestens eine LED 8 zur Beleuchtung einer Werkstückoberfläche auf. Je nach natürlicher Beleuchtung kann die Beleuchtung durch die LEDs 8 an- oder ausgeschaltet oder nachgeregelt werden. Als Kamera wird beispielsweise ein handelsübliches CCD Kameramodul verwendet, das bevorzugt auch das Kameraobjektiv und eine Fokussiereinheit enthält. In diesem Falle ist das hier dargestellte Kameraobjektiv 7 als ein Glasfenster oder ähnliches auszuführen. Die gesamte optische Einheit aus Kamera, Kameraobjektiv 7 und LEDs 8 ist bevorzugt spritzwasser- und staubgeschützt aufgebaut.
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Bevorzugt weist der Prägekopf 1 an einer oder auch an mehreren Seiten mindestens einen Abstandssensor 9 auf, um rechtzeitig vor einem Anstoßen des Prägekopfes 1 an einem möglicherweise herausstehenden Teil des Werkstücks 10 zu warnen bzw den Prägekopf 1 vor einem zu nahen Heranfahren abzustoppen. Als Abstandssensor 9 kann beispielsweise ein Ultraschallsensor oder ein Triangulationssensor verwendet werden.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht von vorne des Prägekopfs 1 über dem Werkstück 10, das von dem Laserstrahl 2 angestrahlt wird, wodurch ein Laserlichtpunkt 14 auf dem Werkstück 10 appliziert wird Deutlich ist auch das Prägewerkzeug 3, das aus der Führung 5 heraussteht, und das Kameraobjektiv 7 der Kamera zu erkennen, das einen Kamerabildbereich 11 auf dem Werkstück 10 umfasst. Indem der Prägekopf 1 in x/y-Richtung verfahren wird, wird der Laserstrahl 2 bzw. der Laserlichtpunkt 14 gleichfalls auf dem Werkstück verfahren. Dadurch kann der Prägekopf 1 bevorzugt zur Einrichtung auf das Werkstück 10 bzw. in die Anfangsposition so verfahren werden, dass der Laserlichtpunkt 14 auf dem Werkstück präzise auf eine dort vorhandene Markierung, die beispielsweise punktartig oder kreuzartig sein kann, fällt. Eine Erkennung der Markierung und ein entsprechendes Verfahren des Prägekopfes 1, so dass der Laserlichtpunkt 14 mit der Markierung zusammenfällt, wird bevorzugt entweder manuell steuernd unter Betrachtung der Position des Laserlichtpunkts 14 auf dem Werkstück 10 am Bildschirm 24 oder aber automatisch durch eine Mustererkennung in der Prozessoreinheit vorgenommen. Der Laserstrahl 2 ist bevorzugt so beschaffen, dass er einen Durchmesser von 0,2-0,5mm hat, er kann aber auch kleiner oder größer sein, oder er kann auch beispielsweise rechteckig so groß sein, dass er die Prägung 13 umschließt. Als Lichtwellenlänge der Laserlichtquelle wird bevorzugt eine rote Wellenlänge von 650-850 nm verwendet, andere Wellenlängen vom ultravioletten bis zum Infraroten Wellenlängenbereich sind ebenso denkbar. Die Kamera und/oder das Kameraobjektiv 7 kann dafür auch entsprechende Filter, wie beispielsweise Polarisationsfilter enthalten, um unerwünschte Streu- bzw. Reflektionsstrahlungen auszublenden.
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Ferner ist in 3 die zu prägende Prägung 13 punktiert angedeutet, deren linker unterer Eckpunkt mit dem Laserlichtpunkt 14 zur Übereinstimmung gebracht wurde. Nach einer Freigabe bzw. nach Bestätigung durch den Bediener, dass die Grund- bzw. die Anfangsposition des Prägekopfes auf dem Werkstück richtig ausgerichtet und positioniert ist, wird der Prägeprozess gestartet und die Prägung, wie punktiert angedeutet, auf dem Werkstück 10 ausgeführt Dabei werden bevorzugt die x/y-Koordinatenposition des Laserlichtpunktes 14 im Koordinatensystem bestimmt und das Prägewerkzeug 3, dessen x/y-Koordinatenabstand zum Laserstrahl 2 bekannt ist, auf die zuvor bestimmte x/y-Koordinatenposition verfahren. Zusätzlich kann das Verfahren des Prägekopfes 1 optisch überprüft werden, indem eine Bestimmung einer Übereinstimmung bzw. Abweichung der zuvor bestimmten x/y-Koordinatenposition des Laserlichtpunktes 14 mit einer Position des Prägewerkzeugs 3 auf dem Werkstück 10 vorgenommen wird. Falls eine Abweichung bestimmt worden ist, kann automatisch eine Korrektur durch Koordinatentransformation durchgeführt werden. Auch kann, indem ein Maßstab auf dem Werkstück 10 oder in der Nähe im Kamerabildbereich 11 angeordnet ist, der Verfahrweg des Prägekopfes 1 gemessen und ggf. korrigiert bzw. rekalibriert werden Zusätzlich ist es denkbar, dass auch die Höhe des Prägekopfes bzw. des Prägewerkzeugs in z-Richtung zum Werkstück 10 bestimmt und geregelt wird, was durch eine weitere Kamera und durch eine entsprechende Stereo-Vision-Auswertung des Kamerabildes und des weiteren Kamerabildes erfolgen kann. Der Abstand des Prägekopfes 1 zum Werkstück 10 kann aber auch durch einen Abstandssensor oder visuell geschehen. Als Abstandssensor kann beispielsweise ein Sensor, der nach dem Triangulationsprinzip arbeitet, oder ein Ultraschallsensor verwendet werden Vorzugsweise ist für die Stereo-Vision zur 3D-Koordinatenbestimmung von Bildpunkten die weitere Kamera an/in dem Prägekopf so angeordnet, dass die Abstände zwischen dem Prägewerkzeug 3 und dem Werkstück 10 genau genug bestimmt werden können. Wenn der Prägekopf bzw. das Prägewerkzeug 3 an das Werkstück 10 herangefahren wird, wird bevorzugt der Abstand zwischen dem Prägewerkzeug 3 und dem Werkstück 10 in z-Richtung optisch kontrolliert und entsprechend geregelt.
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4 zeigt in der perspektivischen Ansicht von vorne einen Teil des Werkstücks 10 mit einer Umrißlinie 12 der Prägung 13 bzw, der Gravur. Nachdem der Laserlichtpunkt 14 auf dem Werkstück 10 in der Anfangsposition positioniert wurde, kann am Bildschirm 24 die Prägung 13 und deren die Umrißlinie 12 angezeigt werden, Es kann aber auch der Laserstrahl 2 auf dem Werkstück durch den Prägekopf 1 so verfahren werden, dass er beispielsweise der Umrißlinie 12 entlang fährt und diese somit visuell betrachtbar macht. Vorzugsweise kann mit dem Laserstrahl 2 auch die gesamte Prägung 13 als Testlauf auf dem Werkstück 10 abgefahren werden. Vorzugsweise kann auch ein äußerer Rand 17 eines Überstreichungsbereichs der seitlich etwas ausladenden Führung 5 auf dem Bildschirm 24 angezeigt werden und/oder durch den Laserstrahl 2 auf dem Werkstück 10 angezeigt werden. Somit kann erkannt oder detektiert werden, ob die seitlich am Prägewerkzeug etas herausstehende Führung 5 möglicherweise gegen eine Erhöhung des Werkstücks 10 stößt, die nahe genug an der Prägung 13 liegen kann. Eine solche Kontrolle kann visuell am Bildschirm 24, auf dem Werkstück 10 oder automatisch per Mustererkennung durchgeführt werden.
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5 zeigt in der perspektivischen Ansicht von vorne das Teil des Werkstücks 10 mit einer Markierung 15, die auf dem Werkstück 10 zu Positionierzwecken angebracht ist. Die Markierung 15 kann beispielsweise die Form eines Kreuzes, eines Punktes, eines Kreises, eines Dreiecks oder eine sonstige signifikante Form aufweisen, die sicher erkannt werden kann und bevorzugt auch eine verdrehsichere, nicht rotationssymmetrische Form aufweist. Bevorzugt ist die Markierung 15 mit dem Laserstrahl 2 entweder manuell über den Bildschirm 24 unter entsprechenden Steuereingaben oder aber automatisch durch die Prozessor- und Steuereinheit anfahrbar, so dass der Laserlichtpunkt 14 genau auf die Markierung 15 trifft. Für eine automatisierte Erkennung und genaue Bestimmung der Koordinaten der Markierung 15 auf dem Werkstück 10 wird bevorzugt die Prozessoreinheit mit entsprechenden Mustererkennungsalgorithmen eingesetzt, die die Bilddaten der Kamera auswerten und verarbeiten. Die Mustererkennungsalgorithmen sind dabei so ausgebildet, dass die Markierung 15, aber auch Markierungslinien 16 (6) oder sonstige signifikante Konturen 18 auf dem Werkstück 10 (7) erkannt und zur Ausrichtung des Prägekopfes 1 herangezogen werden. Als Markierung kann beispielsweise auch ein Merkmal auf einem Bauteil dienen, wie beispielsweise eine Bohrung, eine Rille eine Schraube, ein Schriftzug und dergleichen. Bevorzugt werden dabei auch Farben unterschieden, so dass auch farbige Markierungen erkannt werden können, die beispielsweise vorher mit einem dafür vorgesehenen Markierstift aufgebracht worden sind. Ebenso kann durch die Mustererkennungsalgorithmen bevorzugt auch eine vorherige Prägung 13 und deren Position auf dem Werkstück 10 erkannt werden, um den Prägekopf 1 bzw das Werkstück 10 entsprechend zu positionieren und eine nochmalige Prägung 13 oder eine andere Prägung 13 optimiert präzise über der vorherigen Prägung 13 durchzuführen bzw. diese zu korrigieren. Dabei ist es vorstellbar, dass die vorherige Prägung 13 auf dem Werkstück 10 als die Markierung 15 detektiert wird und als Referenzposition für die nochmalige oder eine andere Prägung dient.
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Entsprechende Mustererkennungs- und Bildverarbeitungsalgorithmen sind so ausgebildet, dass auch verschiedenartige aber bekannte Umrißlinien 12, Flächenteile auf dem Werkstück 10, Trajektorien des Prägewerkzeugs 3 und der äußere Rand 17 bestimmt, angezeigt und zu Zwecken einer Positionierung des Prägekopfes 1 verwendet werden können. Am Bildschirm 24 werden entsprechende Linien bevorzugt als farbige oder hervorgehobene Linien oder Flächen dargestellt, die dem Kamerabild überlagert sein können.
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6 zeigt in der perspektivischen Ansicht von vorne den Teil des Werkstücks 10 mit den Markierungslinien 16, die bevorzugt von den Mustererkennungsalgorithmen erkannt werden, um dadurch die Position des Werkstücks 10 in der Prägevorrichtung bzw die Anfangsposition zu bestimmen Gegebenenfalls kann der Laserstrahl 2 zu einer visuellen Kontrolle oder zu einer Kontrolle am Bildschirm 24 den Markierungslinien 16 entlang oder der zu prägenden Prägung 13 oder entlang der Umrißlinie 12 oder entlang des äußeren Randes 17 fahren, bevor der Prägungsprozess erfolgt. Eine Erkennung von Markierungslinien 16, die farblich sein können, ist hierbei ebenso vorstellbar. Dabei ist auch vorstellbar, dass per Mustererkennung der Bereich zwischen den Markierungslinien 16 bestimmt wird, um in diesen Bereich optimal die Prägung 13 hineinzulegen.
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7 zeigt in der perspektivischen Ansicht von vorne den Teil des Werkstücks 10 mit dem äußeren Rand 17 der Führung 5 und mit einer Konturlinie 18 auf dem Werkstück 10 Die Konturlinie 18 kann beispielsweise eine kleine Vertiefung, eine Rille, ein Übergang von einem Teil zu einem anderen Teil des Werkstücks 10 oder ein Konturabsatz, wie in 7 dargestellt, sein. Im Falle, dass das Werkstück 10 einen solchen Konturabsatz aufweist, wird dieser bevorzugt durch die Mustererkennungsalgorithmen erkannt, und es wird geprüft, ob das Prägewerkzeug 3 oder die Führung 5 daran anstoßen würde, was zu verhindern ist. Bei einer weniger hohen oder tiefen Konturlinie 18 wird diese bevorzugt ebenso erkannt und das Prägewerkzeug 3 entsprechend vorsichtiger darüber gefahren, um das Prägewerkzeug nicht zu beschädigen.
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8 zeigt in einer seitlichen perspektivischen Ansicht ein rundes Werkstück 10 mit der Umrißlinie 12 der Prägung 13 und mit dem Kamerabildbereich 11. Es ist für den Fachmann unschwer zu erkennen, dass das Prägewerkzeug 3 sich der runden Kontur des Werkstücks 10 anpassen muß bzw. daran angepasst in x/y/z-Richtung verfahren werden muß. Dies macht auch einen Vorteil einer Meßvorrichtung aus zwei Kameras für eine Stereo-Vision deutlich.
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9 zeigt das Bild des Bildschirms 24, das bevorzugt aus dem Kamerabild 11 und weiteren, anderen Kamerabildern 11b, die gestrichelt dargestellt sind, zusammengesetzt wurde (Stitching). Dafür sind entsprechende Bildverarbeitungsalgorithmen bevorzugt in der Prozessoreinheit implementiert. Dieses Verfahren ermöglicht es, sowohl einen größeren Ausschnitt des Werkstücks 10 darzustellen, um einen Überblick zu bekommen, als auch in definierten Grenzen zu vergrößern bzw. zu zoomen Die Eingabe von Steuerbefehlen zur Ein-/Ausblendung, zu Darstellungsmodi, zur Skalierung, zur Kontrastierung und zur Filterung des Kamerabildes des Werkstücks 10, der Prägung 13, der Umrißlinie 12, des äußeren Randes 17, des Laserlichtpunktes und zur Ein-/Ausblendung eines Fadenkreuzes für die Positionierung des Prägewerkzeugs kann bevorzugt über Steuertasten, Steuerknüppel und/oder per einem Touch-Screen erfolgen.
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Desweiteren sind die Mustererkennungs- und Steueralgorithmen so ausgebildet, dass störende Oberflächenkonturen auf dem Werkstück 10 erkannt werden und das Prägewerkzeug automatisch entsprechend vorsichtig und langsam und in der Bewegungstrajektorie angepasst über diese Oberflächenkontur hinweg bewegt wird.
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Insbesondere ist auch denkbar, dass die Mustererkennungsalgorithmen so ausgebildet sind, dass die Position des Werkstücks durch Konturen oder durch Oberflächenmuster erkannt wird und der Anfangspunkt für den Prägekopf 1 entsprechend bestimmt werden kann, um die Trajektorie des Prägekopfes 1 bzw. des Prägewerkzeugs 3 entsprechend angepasst anzusteuern.
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Der Anfangspunkt der Prägung ist ein Punkt, an dem das Prägewerkzeug 3 auf dem Werkstück zur Prägung aufsetzt und angreift, um in einem weiteren Verlauf die Prägung 13 einzuprägen. Die Markierung 15 kann entweder mit dem Anfangspunkt der Prägung übereinstimmen oder von diesem abgesetzt sein. Zur Verbesserung der Präzision ist es denkbar, eine Vielzahl von Markierungen 15 vorzusehen, beispielsweise zwei Markierungen, wobei eine erste Markierung mit dem Anfangspunkt der Prägung übereinstimmt und eine zweite Markierung mit einem Endpunkt der Prägung übereinstimmt. Auch im letzteren Fall ist es denkbar, die erste und/oder die zweite Markierung vom Anfangspunkt bzw. Endpunkt der Prägung zu versetzten.
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Auch ist es denkbar, dass eine auf dem Werkstück 10 aufgebrachte Markierung 15 und/oder Markierlinien 16 erkannt werden und eine Größe der Prägung 13 so berechnet wird, dass sie zwischen Markierungen 15 und/oder die Markierlinien 16 passt und entsprechend geprägt wird. Es ist dabei auch denkbar, dass die Markierung 15 und/oder die Markierlinien 16 nicht physisch auf dem Werkstück 10 vorhanden sind, sondern per manueller Steuerung des Laserstrahls 2 am Bildschirm eingegeben und abgespeichert werden, um als Markierpositionen für die Prägung 13 zu dienen.
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Weiterhin ist es denkbar, dass der Prägekopf 1 oder der Spanntisch 21 in der Prägevorrichtung ausschließlich oder zu einem Teil über die Bilddaten der Kamera, die Informationen zur jeweiligen Position des Prägekopfs 1 in Bezug auf das Werkstück 10 gibt, verfahren wird. Die Prozessoreinheit wertet die Bilddaten dabei entsprechend aus und leitet entsprechende Steuerdaten an die Steuereinheit weiter Aus den Bilddaten kann bei entsprechender Bild- und Datenverarbeitung bzw. Mustererkennung sowohl die Position des Prägekopfs 1 in Bezug auf das Werkstück 10 als auch eine Bewegungsrichtung und eine Bewegungsgeschwindigkeit abgeleitet und bestimmt werden. Diese Daten können bevorzugt zur Steuerung der Steuereinheit zur Steuerung des Prägekopfs 1 oder des Spanntisches 21 verwendet werden.
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Die Laserlichtquelle enthält bevorzugt eine Optik, die beispielsweise mindestens eine Linse und/oder eine Blende umfassen kann, um einen möglichst dünnen Laserstrahl 2 zu erzeugen. Die Optik ist bevorzugt so ausgestaltet, dass der aus der Austrittsöffnung 4 austretende Laserstrahl 2 einen Querschnitt aufweist, der beispielsweise rund, strichförmig, kreuzförmig, sternförmig oder dreiecksförmig ist. Andere Querschnittsformen sind ebenso denkbar. Bevorzugt wird als die Querschnittsform eine Form gewählt, die durch Mustererkennungsalgorithmen gut detektierbar ist. Die Laserlichtquelle kann auch durch eine andere Lichtquelle ersetzt werden, wie beispielsweise durch eine Halogen Lichtquelle und steht auch für eine solche Lichtquelle.
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Falls der Prägekopf 1 nur eine Kamera umfasst und dadurch keine Stereo-Vision möglich ist, kann das Verfahren des Prägekopfes 1 in z-Richtung beispielsweise auch unter Zuhilfenahme eines anderen Abstandssensors oder eines Berührungssensors bzw. Kraftsensors geschehen, der detektiert, wann das Prägewerkzeug 3 auf dem Werkstück 10 auftrifft und angreift.
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Desweiteren wird zur Klarheit mitgeteilt, dass die Bildverarbeitungsalgorithmen, die Mustererkennung und eine sonstige Datenverarbeitung zur Bildverarbeitung, Stereo-Vision-Datenauswertung, Bilddatenauswertung und zur Bilddarstellung sowohl auf verschiedenen Prozessoren als auch in der Prozessor- bzw. in der Steuereinheit implementiert sein können. Wenn teils von einer Prozessoreinheit, einer Steuereinheit oder von einer Bildverarbeitungseinheit die Sprache ist, so soll das nur die Funktion unterstreichen und nicht die genaue Einheit spezifizieren bzw. unterscheiden. Die Datenverarbeitung kann, wie oben bemerkt, in einer Einheit stattfinden oder auf mehrere Einheiten verteilt sein.
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Zur Klarheit sei desweiteren mitgeteilt, dass die zu prägende Prägung bzw. die Prägung als Prägedaten bzw. als Vorlagedaten bevorzugt in der Steuereinheit der Prägevorrichtung abgespeichert vorliegen. Denkbar ist aber auch, dass die Vorlagedaten bzw. Prägedaten durch einen PC zugeführt werden.
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Weitere mögliche Ausbildungsformen sind in den folgenden Ansprüchen beschrieben.
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Die In den Ansprüchen genannten Bezugszeichen dienen der besseren Verständlichkeit, beschränken aber die Ansprüche nicht auf die in den Figuren dargestellten Formen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Prägekopf
- 2
- Laserstrahl
- 3
- Prägewerkzeug
- 4
- Austrittsöffnung
- 5
- Führung
- 7
- Kameraobjektiv
- 8
- LED
- 9
- Abstandssensor
- 10
- Werkstück
- 11
- Kamerabildbereich
- 11b
- anderer Kamerabildbereich
- 12
- Umrißlinie
- 13
- Prägung bzw. Gravur
- 14
- Laserlichtpunkt
- 15
- Markierung
- 16
- Markierungslinie
- 17
- äußerer Rand des Überstreichungsbereichs der Führung 5
- 18
- Konturlinie
- 20
- unteres Gehäuseteil
- 21
- Spanntisch
- 22
- mittleres Gehäuseteil
- 23
- oberes Gehäuseteil
- 24
- Bildschirm
- 25
- Fließbandanlage
- 26
- Klemmschlitten
- 27
- Roboterarm
- x, y, z
- Richtungen
