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Die Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung zum Fügen von Werkstücken mittels eines Laserstrahls entlang eines Fügestoßes, wobei die Fügevorrichtung eine Nahtführungssensorik aufweist.
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Beim Fügen von Werkstücken mittels eines Laserstrahls kann der Laserstrahl mittels einer Strahlführungseinrichtung auf den Werkstücken positioniert werden. Die Strahlführungseinrichtung kann eine oder mehrere Umlenkeinheiten zum Führen des Laserstrahls aufweisen, wobei insbesondere eine oder mehrere aktive bzw. verstellbare Umlenkeinheiten zum Positionieren des Laserstrahls vorgesehen sein können. Eine solche aktive Umlenkeinheit kann z.B. durch einen angetrieben schwenkbaren Spiegel gegeben sein. Beim Fügen von Werkstücken entlang eines Fügestoßes muss die Positionierung der Strahlführungseinrichtung und/oder die Stellung der Umlenkeinheiten an die Position und den Verlauf des Fügestoßes angepasst bzw. demselben nachgeführt werden, sodass zum Erzeugen einer hochqualitativen Fügenaht die exakte Kenntnis des räumlichen Fügestoßverlaufs erforderlich ist. Der Fügestoßverlauf kann z.B. mittels einer Nahtführungssensorik erfasst werden, indem der Fügestoß mit Messlicht beleuchtet wird und das von dem Fügestoß reflektierte Messlicht mittels einer Kamera erfasst und ausgewertet wird.
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Dabei kann vorgesehen sein, die Messlichtbeleuchtung und die Kamera derart außerhalb des Strahlengangs des Laserstrahls zu positionieren, dass das Messlicht nicht von den zum Positionieren des Laserstrahls dienenden aktiven Umlenkeinheiten beeinflusst wird. In diesem Fall können jedoch Positionierfehler, die beim Positionieren des Laserstrahls durch diese Umlenkeinheiten erzeugt werden, von der Nahtführungssensorik nicht erfasst und bei der Nahtführung berücksichtigt werden, wodurch Ungenauigkeiten bei der Nahtführung hervorgerufen werden können.
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Alternativ kann vorgesehen sein, die Messlichtbeleuchtung und/oder die Kamera derart (z.B. innerhalb des Strahlengangs des Laserstrahls) zu positionieren, dass das Messlicht von einer oder mehreren der zum Positionieren des Laserstrahls dienenden aktiven Umlenkeinheiten umgelenkt wird. In diesem Fall folgt jedoch das Messlicht den Bewegungen dieser Umlenkeinheit, wodurch das von der Kamera erfasste Bild unscharf sein und/oder mit der Stellung der Umlenkeinheit variieren kann, wodurch ebenfalls Ungenauigkeiten bei der Nahtführung resultieren können.
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DE 10 2010 005 896 A1 beschreibt einen Laserschweißroboter, der zur Vermeidung von Ungenauigkeiten die Vorgänge „Schweißen“ und „Messen“ wechselweise, d. h. zeitlich getrennt, durchführt. Somit wird der Schweißvorgang stets für die Kontrolle der Nahtführung unterbrochen.
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Eine Fügevorrichtung mit Nahtführungssensorik, mittels derer die Positionierung des Fügestoßes basierend auf der bei einer Bildaufnahme mittels einer Kamera vorliegenden Oszillationsstellung der zum Positionieren des Laserstrahles auf die Oberflächen der zu fügenden Werkstücke verwendeten Umlenkeinheit ermittelbar ist, wird in
DE 10 2010 029 477 A1 offenbart.
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Durch die Erfindung wird eine zum Fügen von Werkstücken mittels eines Laserstrahls ausgebildete Fügevorrichtung mit einer Nahtführungssensorik bereitgestellt, mittels derer eine hohe Nahtführungsgenauigkeit und ein Positionieren des Laserstrahls mit einer hohen Positioniergenauigkeit ermöglicht ist.
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Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Fügen (im Folgenden auch als „Fügevorrichtung“ bezeichnet), z.B. Löten oder Schweißen, von Werkstücken mittels eines Laserstrahls bereitgestellt. Die Fügevorrichtung weist eine oder mehrere Umlenkeinheiten zum Führen des Laserstrahls auf, wobei die Umlenkeinheiten z.B. als Bestandteil einer Strahlführungseinrichtung vorgesehen sein können, die zum Führen des Laserstrahls vorgesehen ist. Der Laserstrahl kann von außerhalb in die Strahlführungseinrichtung eingekoppelt oder mittels einer in der Strahlführungseinrichtung angeordneten Laserquelle erzeugt werden.
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Die Fügevorrichtung weist mindestens eine aktive Umlenkeinheit auf, die derart angeordnet und zum Durchführen einer Oszillationsbewegung ausgebildet ist, dass auch der mittels der Umlenkeinheit umgelenkte Laserstrahl eine entsprechende Oszillationsbewegung vollführt (wobei eine solche oszillierende Umlenkeinheit im Folgenden auch als „Oszillations-Umlenkeinheit“ bezeichnet wird). Eine solche Oszillations-Umlenkeinheit kann z.B. durch einen mittels eines Aktors angetrieben oszillatorisch bewegbaren Spiegel gegeben sein, z.B. einen angetrieben oszillatorisch um eine Schwenkachse herum schwenkbaren Spiegel. Die Oszillationsbewegung kann insbesondere einer harmonischen und/oder periodischen Oszillation entsprechen.
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Die Fügevorrichtung weist zudem eine Nahtführungssensorik mit einer Kamera auf. Die Nahtführungssensorik kann zum Erfassen der Positionierung des Fügestoßes bzw. des vorgesehenen Fügenahtverlaufs (z.B. mittels eines Lasertriangulations- oder Graubild-Mustererkennungsverfahrens) und/oder zum Erfassen der Auftreffposition des Laserstrahls relativ zu dem Fügestoß ausgebildet sein; wobei die zu erzeugende Fügenaht entlang des Fügestoßes verläuft. Die Kamera ist insbesondere zum optischen Erfassen des Fügestoßes vorgesehen, wobei von dem Fügestoß (bzw. von dem Fügebereich der Werkstücke) ausgehendes Messlicht von der Kamera erfasst wird. Das Messlicht kann z.B. Umgebungslicht oder mittels einer Beleuchtungseinrichtung, die zum Beleuchten der Fügestelle mit Messlicht vorgesehen ist, bereitgestelltes Licht sein.
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Die Kamera ist derart angeordnet, dass das von dem Fügestoß ausgehende Messlicht mittels mindestens einer Oszillations-Umlenkeinheit (d.h. einer zum oszillierenden Bewegen des Laserstrahls dienenden aktiven Umlenkeinheit) der Fügevorrichtung in Richtung zu der Kamera hin umgelenkt, z.B. reflektiert, wird. Das von den Werkstücken kommende Messlicht wird somit, bevor es von der Kamera erfasst wird, von zumindest einer zur Oszillation ausgebildeten aktiven Umlenkeinheit umgelenkt, z.B. indem es von bzw. an derselben reflektiert wird.
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Das zu der Kamera hin verlaufende und von der Kamera erfasste Messlicht kann z.B. über eine passive oder aktive Umlenkeinheit der Strahlführungseinrichtung aus dem Strahlengang der Strahlführungseinrichtung ausgekoppelt werden, z.B. indem diese Umlenkeinheit als (wellenlängenselektiv teildurchlässiger) Spiegel ausgebildet ist, der im Wellenlängenbereich des verwendeten Messlichts (zumindest teilweise) transparent ist und im Wellenlängenbereich des Lichts des Laserstrahls (zumindest teilweise) reflektierend ist.
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Die Nahtführungssensorik ist derart ausgebildet, dass von ihr die Positionierung des Fügestoßes ermittelbar ist, indem mittels der Kamera Bilder des Fügestoßes bzw. des Fügebereichs aufgenommen werden und die aufgenommenen Bilder von der Nahtführungssensorik hinsichtlich der Positionierung des Fügestoßes ausgewertet werden. Gemäß der Erfindung wird von der Nahtführungssensorik die Positionierung des Fügestoßes basierend auf der Oszillationsstellung der das Messlicht umlenkenden Oszillations-Umlenkeinheit(en), die bei der Aufnahme eines jeweiligen Bildes mittels der Kamera vorlag, ermittelt (wobei im Folgenden unter Verwendung des Singulars von einer Oszillations-Umlenkeinheit die Rede ist, die entsprechenden Erläuterungen jedoch analog für den Fall gelten, dass das Messlicht von mehreren zur Führung des Laserstrahls dienenden Oszillations-Umlenkeinheiten umgelenkt wird). Das heißt, die Positionierung des Fügestoßes wird anhand der Auswertung von mittels der Kamera erfassten Bildern ermittelt, wobei die zum Aufnahmezeitpunkt eines jeweiligen Bildes vorliegende Oszillationsstellung der das Messlicht umlenkenden Oszillations-Umlenkeinheit berücksichtigt wird. Bei Ausführung der Oszillations-Umlenkeinheit als oszillatorisch um eine Achse schwenkbarer Spiegel ist die Oszillationsstellung z.B. durch die Winkelstellung bzw. den Rotationswinkel des Spiegels bezüglich der Achse gegeben.
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Die Ermittlung der Lage des Fügestoßes erfolgt basierend auf der bei einer Bildaufnahme vorliegenden Oszillationsstellung der Oszillations-Umlenkeinheit, d.h. z.B. unter Einbeziehung der Oszillationsstellung oder in Abhängigkeit von der Oszillationsstellung; wobei die Oszillationsstellung z.B. durch die Oszillationsphase gegeben sein kann.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Ermittlung der Fügestoßpositionierung basierend auf der Oszillationsstellung, indem bei der Bildauswertung die Auswertung eines jeden Bildes unter Einbeziehung der bei der Aufnahme dieses Bildes vorliegenden Oszillationsstellung der Oszillations-Umlenkeinheit erfolgt. Demgemäß kann also die Bildauswertung in Abhängigkeit von der bei der Bildaufnahme vorliegenden Oszillationsstellung erfolgen, wobei die Oszillationsstellung (z.B. in Form eines Oszillationswinkels oder einer Oszillationsphase) z.B. als variabler Parameter in die Bildauswertung einbezogen wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Ermittlung der Fügestoßpositionierung basierend auf der Oszillationsstellung, indem die Nahtführungssensorik derart ausgebildet ist, dass die Bildaufnahme mittels der Kamera in Abhängigkeit von der Oszillationsstellung der Oszillations-Umlenkeinheit erfolgt; wobei z.B. eine Bildaufnahme immer nur bei Vorliegen einer vorgegebenen Oszillationsstellung der Oszillations-Umlenkeinheit erfolgt bzw. ausgelöst wird.
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Indem das Messlicht über zumindest eine der zum Führen des Laserstrahls vorgesehenen Oszillations-Umlenkeinheiten geführt ist, erfährt das Messlicht dieselbe Ablenkcharakteristik wie der zum Fügen verwendete Laserstrahl, wodurch z.B. von der Oszillations-Umlenkeinheit hervorgerufene Positionierungenauigkeiten bei der Erfassung des Fügestoßverlaufs durch die Nahtführungssensorik einbezogen und kompensiert werden können.
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Indem die Ermittlung der Lage des Fügestoßes basierend auf der Oszillationsstellung der das Messlicht umlenkenden Oszillations-Umlenkeinheit erfolgt – z.B. indem bei der Bildauswertung die bei der Bildaufnahme vorliegende Oszillationsstellung einbezogen wird, insbesondere indem eine Bildaufnahme stets nur bei Vorliegen einer definiert vorgegebenen Oszillationsstellung erfolgt – kann die bei der Bildaufnahme vorliegende Reflexionsgeometrie in die Ermittlung der Lage des Fügestoßes einbezogen werden, wodurch die Lage mit hoher Genauigkeit ermittelbar ist.
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Unter einer Umlenkeinheit wird vorliegend eine Einrichtung zum Umlenken von Licht, z.B. mittels eines Spiegels, verstanden. Eine aktive Umlenkeinheit ist mittels eines Aktors bzw. Antriebs derart verstellbar, dass die mittels der Umlenkeinheit bewirkte Umlenkung bzw. Richtungsänderung des Laserstrahls mit der Einstellung der Umlenkeinheit variiert. Eine aktive Umlenkeinheit kann z.B. durch einen mittels eines Aktors angetrieben bewegbaren Spiegel gegeben sein. Im Unterschied zu aktiven Umlenkeineinheiten ermöglichen passive Umlenkeinheiten keine Verstellung der von ihnen bewirkten Umlenkung des Laserstrahls; eine passive Umlenkeineinheit kann z.B. durch einen positionsfixierten, unbewegbaren Umlenkspiegel gegeben sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Nahtführungssensorik derart ausgebildet, dass die Bildaufnahme mittels der Kamera derart erfolgt bzw. derart zeitlich getaktet ist, dass bei der Aufnahme eines Bildes immer ein und dieselbe vorgegebene Oszillationsstellung (im Folgenden auch als „Bildaufnahme-Oszillationsstellung“ bezeichnet) der das Messlicht umlenkenden Oszillations-Umlenkeinheit vorliegt. Demgemäß ist die mittels der Kamera erfolgende Bildaufnahme derart zeitlich auf die Oszillationsbewegung der Oszillations-Umlenkeinheit abgestimmt bzw. mit derselben synchronisiert; dass die Bildaufnahme immer nur bei Vorliegen ein und derselben Oszillationsstellung der Oszillations-Umlenkeinheit erfolgt (wobei jedoch nicht bei jedem Durchlaufen dieser Oszillationsstellung eine Bildaufnahme erfolgen muss). Es kann z.B. vorgesehen sein, dass die Bildaufnahme-Oszillationsstellung der Oszillations-Neutralstellung der Oszillations-Umlenkeinheit entspricht, d.h. eine Bildaufnahme immer nur bei Vorliegen der Neutralstellung der Oszillations-Umlenkeinheit erfolgt (d.h. dann, wenn die Oszillations-Umlenkeinheit ihre Neutralstellung bzw. Mittellage durchläuft).
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Die Bildaufnahme erfolgt bevorzugt bei Vorliegen von Oszillationsstellungen, an welchen eine geringe Bewegungsgeschwindigkeit der Oszillations-Umlenkeinheit bzw. des Laserstrahls gegeben ist. Gemäß einer Ausführungsform entspricht die Bildaufnahme-Oszillationsstellung einem der beiden Umkehrpunkte der Oszillationsbewegung der Oszillations-Umlenkeinheit, sodass eine Bildaufnahme immer nur bei Vorliegen der entsprechenden Oszillations-Umkehrstellung erfolgt. An den Oszillations-Umkehrpunkten weist die Oszillations-Umlenkeinheit zumindest kurzzeitig eine Bewegungsgeschwindigkeit von Null bzw. nahe Null auf, sodass bei einer Bildaufnahme zu diesem Zeitpunkt ein Bild mit einer hohen Schärfe erfasst werden kann.
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Die Bildaufnahme erfolgt mit einer Bildaufnahmefrequenz, die die Anzahl von aufgenommenen Bildern pro Zeit angibt. Gemäß einer Ausführungsform ist die Nahtführungssensorik derart ausgebildet, dass die Bildaufnahmefrequenz derart an die Oszillationsfrequenz der das Messlicht umlenkenden Oszillations-Umlenkeinheit angepasst ist, dass die Oszillationsfrequenz einem ganzzahligen Vielfachen der Bildaufnahmefrequenz entspricht oder identisch mit der Bildaufnahmefrequenz ist. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass bei Variation der Oszillationsfrequenz die Bildaufnahmefrequenz entsprechend angepasst wird (z.B. derart, dass das Verhältnis zwischen der Oszillationsfrequenz und der Bildaufnahmefrequenz konstant bleibt).
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Hinsichtlich der Bildaufnahme kann vorgesehen sein, dass die Belichtungsdauer bzw. die Verschlusszeit der Kamera bei der Aufnahme eines Bildes kleiner ist als die Periodendauer, die der Oszillationsfrequenz der das Messlicht umlenkenden Oszillations-Umlenkeinheit entspricht (z.B. kleiner als 1/5 oder kleiner als 1/10 dieser Periodendauer), wodurch insbesondere die von der Kamera erfassten Bilder mit einer großen Schärfe erfasst werden können.
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Die Positionierung des Fügestoßes wird basierend auf der bei einer Bildaufnahme vorliegenden Oszillationsstellung der das Messlicht umlenkenden Oszillations-Umlenkeinheit ermittelt. Zu diesem Zweck wird die Bildaufnahme mittels eines Lichtstrahls (im Folgenden auch als „Referenz-Lichtstrahl“ bezeichnet) ausgelöst, wobei die Fügevorrichtung derart ausgebildet ist, dass der Referenz-Lichtstrahl genau dann, wenn die Oszillations-Umlenkeinheit sich in der für die Bildaufnahme vorgesehenen Bildaufnahme-Oszillationsstellung befindet, auf einen Lichtdetektor trifft und damit die Bildaufnahme auslöst. Gemäß dieser Ausführung weist die Fügevorrichtung eine Lichtquelle zum Erzeugen des Referenz-Lichtstrahls und einen Lichtdetektor zum Erfassen des Referenz-Lichtstrahls auf. Die Lichtquelle ist derart angeordnet, dass der von ihr emittierte Referenz-Lichtstrahl von der Lichtquelle zu der das Messlicht umlenkenden Oszillations-Umlenkeinheit verläuft und von derselben umgelenkt (z.B. reflektiert) wird. Der Lichtdetektor ist derart ausgebildet und angeordnet, dass der an der Oszillations-Umlenkeinheit umgelenkte Referenz-Lichtstrahl genau dann auf den Lichtdetektor auftrifft, wenn sich die Oszillations-Umlenkeinheit in der Bildaufnahme-Oszillationsstellung befindet. Der umgelenkte Referenz-Lichtstrahl trifft somit ausschließlich bei Vorliegen der Bildaufnahme-Oszillationsstellung der Oszillations-Umlenkeinheit auf den Lichtdetektor auf. Des Weiteren ist gemäß der vorliegenden Ausführung die Nahtführungssensorik derart ausgebildet, dass bei Auftreffen des Referenz-Lichtstrahls auf den Lichtdetektor eine Bildaufnahme erfolgt bzw. ausgelöst wird.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Fügevorrichtung eine Beleuchtungseinrichtung auf, die zum Beleuchten des Fügestoßes bzw. des Erfassungsfeldes der Kamera mit Messlicht ausgebildet ist. Es kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungseinrichtung zum permanenten Beleuchten des Fügestoßes mit dem Messlicht ausgebildet ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Beleuchtungseinrichtung derart mit der Kamera synchronisiert ist, dass die Messlicht-Beleuchtung ausschließlich während der Belichtungsdauer bzw. Verschlusszeit der Kamera erfolgt (und ansonsten von der Beleuchtungseinrichtung kein Messlicht ausgestrahlt wird). Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungseinrichtung derart mit der das Messlicht umlenkenden Oszillations-Umlenkeinheit synchronisiert ist, dass die Messlicht-Beleuchtung ausschließlich bei Vorliegen der Bildaufnahme-Oszillationsstellung der Oszillations-Umlenkeinheit erfolgt (und ansonsten von der Beleuchtungseinrichtung kein Messlicht ausgestrahlt wird).
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Fügevorrichtung derart ausgebildet (z.B. mittels entsprechender Anordnung und Ausbildung der Kamera und/oder der Beleuchtungseinrichtung), dass nur dann Messlicht in die Kamera bzw. die Kameraapertur eintreten kann, wenn die Oszillationsstellung der Oszillations-Umlenkeinheit der Bildaufnahme-Oszillationsstellung entspricht.
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Dies kann z.B. realisiert sein, indem die Fügevorrichtung eine oder mehrere Blenden aufweist, mittels derer die Ausbreitungsrichtung bzw. der Ausbreitungswinkel des Messlichts dementsprechend eingeschränkt wird. Zum Beispiel kann zwischen der Beleuchtungseinrichtung und den Werkstücken (d.h. im Lichtweg des zu den Werkstücken hin verlaufenden Messlichts) eine Blende angeordnet sein, die derart ausgebildet ist, dass von ihr der Ausbreitungswinkel des Messlichts auf einen derart kleinen Wert eingeschränkt wird, dass das von den Werkstücken reflektierte und an der Oszillations-Umlenkeinheit umgelenkte Messlicht ausschließlich bei Vorliegen der Bildaufnahme-Oszillationsstellung in die Kamera eintritt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegende Figur veranschaulicht, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigt die Figur schematisch: eine Fügevorrichtung mit einer Nahtführungssensorik gemäß einer Ausführungsform.
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Die Figur veranschaulicht eine Strahlführungseinrichtung 1 einer Fügevorrichtung gemäß einer Ausführungsform zum thermischen, stoffschlüssigen Fügen (hier: Schweißen) zweier nicht näher dargestellter Werkstücke 3 mittels eines Laserstrahls 5; wobei die Strahlführungseinrichtung 1 an eine Vorschubeinrichtung (nicht dargestellt) angebunden ist, mittels derer sie entlang einer Vorschubrichtung bewegt wird (in der Figur veranschaulicht durch den in Vorschubrichtung weisenden Pfeil 7). Der Vorschub erfolgt entlang der x-Richtung des gezeigten xyz-Koordinatensystems, wobei die x-Richtung der Längsrichtung des zwischen den beiden Werkstücken 3 ausgebildeten Fügestoßes entspricht, die y-Richtung der Querrichtung des Fügestoßes entspricht, und die z-Richtung der Vertikalrichtung entspricht.
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Die Strahlführungseinrichtung 1 weist vier aktive Umlenkeinheiten 9, 11, 13, 15 auf, die jeweils zum Durchführen einer Oszillationsbewegung ausgebildet sind, sodass der von diesen Umlenkeinheiten umgelenkte Laserstrahl 5 ebenfalls entsprechende Oszillationsbewegungen vollführt. Die Strahlführungseinrichtung 1 weist insbesondere zwei niederfrequente Oszillations-Umlenkeinheiten 9, 11 und zwei hochfrequente Oszillations-Umlenkeinheiten 13, 15 auf, wobei jede der Umlenkeinheiten 9, 11, 13, 15 als angetrieben oszillatorisch schwenkbarer Spiegel bzw. Umlenkspiegel ausgebildet ist. Mittels oszillatorischer Schwenkbewegungen der Spiegel 9, 11, 13, 15 kann der Laserstrahl 5 bzw. die Auftreffposition 17 des Laserstrahls auf den Werkstücken 3 oszillierend bewegt werden; wobei die Oszillationsfrequenz der beiden niederfrequenten Oszillations-Umlenkeinheiten 9, 11 geringer ist als die Oszillationsfrequenz der beiden hochfrequenten Oszillations-Umlenkeinheiten 13, 15. Die Strahlführungseinrichtung 1 weist zudem eine Kollimationsoptik 19 und eine Fokussieroptik 21 auf.
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Der Umlenkspiegel 9 ist oszillatorisch um eine parallel zur y-Richtung verlaufende Schwenkachse schwenkbar und somit zum Oszillieren des Laserstrahl-Auftreffpunktes 17 entlang der Längsrichtung des Fügestoßes (x-Richtung) ausgebildet, er wird daher auch als Niederfrequenz-Längsumlenkspiegel 9 bezeichnet. Der Umlenkspiegel 11 ist derart angeordnet und oszillatorisch um eine senkrecht zur y-Richtung verlaufende Schwenkachse schwenkbar, dass von ihm der Laserstrahl-Auftreffpunkt 17 oszillierend entlang der Querrichtung des Fügestoßes (y-Richtung) bewegt werden kann, er wird daher auch als Niederfrequenz-Querumlenkspiegel 11 bezeichnet. Der Umlenkspiegel 13 ist oszillatorisch um eine parallel zur y-Richtung verlaufende Schwenkachse schwenkbar und somit zum Oszillieren des Laserstrahl-Auftreffpunktes 17 entlang der Längsrichtung des Fügestoßes (x-Richtung) ausgebildet, er wird daher auch als Hochfrequenz-Längsumlenkspiegel 13 bezeichnet. Der Umlenkspiegel 15 ist derart angeordnet und oszillatorisch um eine senkrecht zur y-Richtung verlaufende Schwenkachse schwenkbar, dass von ihm der Laserstrahl-Auftreffpunkt 17 oszillierend entlang der Querrichtung des Fügestoßes (y-Richtung) bewegt werden kann, er wird daher auch als Hochfrequenz-Querumlenkspiegel 15 bezeichnet. Die oszillatorischen Schwenkbewegungen der Spiegel 9, 11, 13, 15 sind in der Figur mittels des an dem jeweiligen Spiegel dargestellten Doppelpfeils veranschaulicht.
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Die Fügevorrichtung weist eine Nahtführungssensorik mit einer Kamera 23 zum optischen Erfassen des Fügestoßes auf. Die Fügevorrichtung weist zudem eine Beleuchtungseinrichtung 25 zum Beleuchten des Fügebereichs des Fügestoßes mit Messlicht 27 auf.
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Der Niederfrequenz-Querumlenkspiegel 11 ist als wellenlängenselektiv teildurchlässiger Spiegel ausgebildet, der im Wellenlängenbereich des Messlichts 27 zumindest teilweise transparent ist und im Wellenlängenbereich des Laserstrahls 5 zumindest teilweise (oder vollständig) reflektierend ist, sodass mittels des Niederfrequenz-Querumlenkspiegels 11 zumindest ein Teil des von den Werkstücken 3 her kommenden Messlichts 27 ausgekoppelt und zu der Kamera 23 geleitet werden kann. Die Kamera 23 ist an der dem Strahlengang des Laserstrahls 5 abgewandten Seite des Niederfrequenz-Querumlenkspiegels 11 angeordnet. Bei Anordnung der Kamera an der Kameraposition 23 wird somit das von den Werkstücken 3 reflektierte Messlicht 27 mittels des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 in Richtung zu dem Niederfrequenz-Querumlenkspiegel 11 reflektiert, verläuft (zumindest teilweise) durch denselben hindurch und wird von der Kamera 23 erfasst.
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Die Nahtführungssensorik ist derart ausgebildet, dass von ihr die Positionierung des Fügestoßes basierend auf der Oszillationsstellung des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 (d.h. basierend auf der Winkelstellung des Spiegels 9 bezüglich seiner parallel zur y-Achse verlaufenden Schwenkachse), die bei der Aufnahme eines Bildes durch die Kamera 23 vorliegt, ermittelt wird.
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Dies ist realisiert, indem die Bildaufnahme mittels der Kamera 23 in Abhängigkeit von der Oszillationsstellung des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 derart erfolgt, dass eine Bildaufnahme immer nur bei Vorliegen ein und derselben vorgegebenen Bildaufnahme-Oszillationsstellung des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 erfolgt. Das heißt, die Oszillationsbewegung des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 und die Bildaufnahme mittels der Kamera 23 sind derart zeitlich aufeinander abgestimmt, dass der Niederfrequenz-Längsumlenkspiegel 9 sich bei der Aufnahme eines Bildes immer in der vorgegebenen Bildaufnahme-Oszillationsstellung befindet. Als Beispiel entspricht die Bildaufnahme-Oszillationsstellung einer der beiden Oszillations-Umkehrstellungen des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9, d.h. einem der beiden Umkehrpunkte der Oszillationsbewegung des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9.
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Die Bildaufnahme erfolgt mit einer Bildaufnahmefrequenz. Die Bildaufnahmefrequenz kann derart eingestellt sein, dass die Oszillationsfrequenz des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 einem ganzzahligen Vielfachen der Bildaufnahmefrequenz entspricht; in diesem Fall wird nicht bei jedem Durchlaufen der Oszillationsphase, die der Bildaufnahme-Oszillationsstellung entspricht, ein Bild aufgenommen, sondern lediglich bei jedem n-ten – z.B. bei jedem zweiten oder dritten – Durchlaufen dieser Oszillationsphase. Alternativ kann die Bildaufnahmefrequenz derart eingestellt sein, dass sie identisch mit der Oszillationsfrequenz des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 ist; in diesem Fall wird bei jedem Durchlaufen der Oszillationsphase, die der Bildaufnahme-Oszillationsstellung entspricht, ein Bild aufgenommen.
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Die Fügevorrichtung weist eine Lichtquelle 33 zum Erzeugen eines Referenz-Lichtstrahls 34 sowie einen Lichtdetektor 35 zum Erfassen des Referenz-Lichtstrahls 34 auf. Gemäß der Ausführungsform ist die Rückseite des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 ebenfalls als Spiegel ausgebildet. Der Referenz-Lichtstrahl 34 ist auf die Rückseite des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 gerichtet und wird von derselben reflektiert und somit umgelenkt. Die Lichtquelle 33 und der Lichtdetektor 35 sind derart angeordnet und ausgebildet, dass der an dem Niederfrequenz-Längsumlenkspiegel 9 reflektierte Referenz-Lichtstrahl 34 ausschließlich bei Vorliegen der Bildaufnahme-Oszillationsstellung des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 auf den Lichtdetektor 35 trifft und ansonsten von der Blende 37 abgeschirmt wird. Gemäß dieser Ausführung ist die Nahtführungssensorik derart ausgebildet, dass das Auftreffen des Referenz-Lichtstrahls 35 die Aufnahme eines Bildes mittels der Kamera 23 auslöst.
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Die Beleuchtungseinrichtung 25 kann optional mit der Kamera 23 und/oder dem Niederfrequenz-Längsumlenkspiegel 9 (bzw. dessen Antrieb) verbunden sein und derart mit der Kamera 23 bzw. dem Niederfrequenz-Längsumlenkspiegel 9 synchronisiert sein, dass die Messlicht-Beleuchtung ausschließlich während der Belichtungsdauer der Kamera 23 bzw. bei Vorliegen der Bildaufnahme-Oszillationsstellung des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 erfolgt (und ansonsten keine Messlicht-Beleuchtung erfolgt).
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Gemäß der bisher beschriebenen Ausgestaltung ist die Nahtführungssensorik derart ausgebildet, dass die Bildaufnahme in Abhängigkeit von der Oszillationsstellung des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 stets bei Vorliegen ein und derselben Bildaufnahme-Oszillationsstellung des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 erfolgt, sodass bei der Auswertung der aufgenommenen Bilder stets ein und dieselbe definierte Reflexionsgeometrie zugrunde gelegt werden kann und die Oszillationsstellung bzw. Oszillationsphase als konstant vorgegebener Parameter in die Bildauswertung einbezogen werden kann.
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Alternativ dazu kann vorgesehen sein, die Bildaufnahme unabhängig von der Oszillationsbewegung des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 zu gestalten, z.B. indem die Bildaufnahmefrequenz der Kamera 23 unabhängig von der Oszillationsfrequenz des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 gewählt wird. In diesem Fall kann die Nahtführungssensorik derart ausgebildet sein, dass die Auswertung eines jeden Bildes unter Einbeziehung der bei der Aufnahme dieses Bildes vorliegenden Oszillationsstellung bzw. Oszillationsphase des Niederfrequenz-Längsumlenkspiegels 9 erfolgt, wobei zur Ermittlung der Positionierung des Fügestoßes die Oszillationsstellung bzw. die Oszillationsphase als variabler Parameter in die Bildauswertung einbezogen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strahlführungseinrichtung
- 3
- Werkstücke
- 5
- Laserstrahl
- 7
- Vorschubrichtung / Vorschubbewegung
- 9
- Niederfrequenz-Längsumlenkeinheit / -Längsumlenkspiegel
- 11
- Niederfrequenz-Querumlenkeinheit / -Querumlenkspiegel
- 13
- Hochfrequenz-Längsumlenkeinheit / -Längsumlenkspiegel
- 15
- Hochfrequenz-Querumlenkeinheit / -Querumlenkspiegel
- 17
- Laserstrahl-Auftreffposition
- 19
- Kollimationsoptik
- 21
- Fokussieroptik
- 23
- Kamera der Nahtführungssensorik
- 25
- Beleuchtungseinrichtung für Nahtführungskamera
- 27
- Messlicht
- 33
- Lichtquelle
- 34
- Referenz-Lichtstrahl
- 35
- Lichtdetektor
- 37
- Blende
