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Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur kontrollierten Laserbearbeitung wenigstens eines Werkstücks.
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Ein Verfahren zum Überwachen der Bearbeitung sowie eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl ist durch die Druckschrift
DE 10 2011 103 282 A1 bekannt. Das Verfahren enthält dabei die Schritte: Aufnehmen eines elektronisch auswertbaren Bildes, Erzeugen von Ist-Bilddaten, Vergleichen der Ist-Bilddaten mit Soll-Bilddaten, Erzeugen eines Bildfehlersignals bei einer Abweichung und Auslösen von Maßnahmen bei Vorhandensein eines Bildfehlersignals. Die Bilddaten werden bei Bearbeitung des Werkstücks gewonnen, so dass die Belichtung durch die Laserstrahlen zu berücksichtigen ist. Das erfordert Filter oder Abdunkelungen, die wiederum zu Verfälschungen der Bildaufnahme führen können.
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Durch die Druckschrift
DE 10 2005 024 085 A1 ist eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs und ein Laserbearbeitungskopf bekannt. Die Vorrichtung umfasst wenigstens einen strahlungsempfindlichen Empfänger und eine Kamera auf, die mit einer Auswerteschaltung für den Verlauf und damit der Charakterisierung des Laserbearbeitungsvorgangs zusammengeschaltet sind. Diese Vorrichtung umfasst die mindestens zwei Bestandteile in Form des wenigstens einen Empfängers und der Kamera. Die Empfänger weisen unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten auf. Der oder die Empfänger sind an den jeweiligen Laserbearbeitungsvorgang angepasste Empfänger.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bearbeitung mit Laserstrahlen während deren Durchführung einfach zu kontrollieren und gegebenenfalls zu korrigieren.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Einrichtungen zur kontrollierten Laserbearbeitung wenigstens eines Werkstücks zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Bearbeitung mit Laserstrahlen während deren Durchführung einfach zu kontrollieren und gegebenenfalls zu korrigieren ist.
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Dazu weist die Einrichtung
- – eine Lichtquelle zur Beleuchtung wenigstens eines Bereichs der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks,
- – eine einen Bereich der Bearbeitungsstelle aufnehmenden Digitalkamera,
- – einen Laser,
- – eine zur Bearbeitung des Werkstücks die Laserstrahlung über das Werkstück führenden Optik nach dem Laser mit einem ersten Antrieb für den Bearbeitungsvorschub und einem zweiten zum Bearbeitungsvorschub oszillierenden Antrieb, wobei die Optik zwischen durch die Laserstrahlung bearbeiteter Stelle und mit der Digitalkamera aufzunehmender zu bearbeitender Stelle oszilliert, und
- – ein mit dem Laser, den Antrieben und der Digitalkamera verbundenen Datenverarbeitungssystem
auf.
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Die Digitalkamera nimmt einen Bereich mit der der bearbeiteten Stelle folgenden zu bearbeitenden Stelle bei schwacher Bestrahlung oder bei nicht strahlendem Laser auf und wandelt das daraus resultierende Abbild gleichzeitig in digitale Daten. Das Datenverarbeitungssystem ermittelt aus dem Abbild jeweils wenigstens eine Kante und/oder einen Kantenbereich und/oder eine Fläche und steuert den ersten Antrieb und den Laser entsprechend dem Verlauf und/oder der Größe der Kante und/oder des Kantenbereichs und/oder der Fläche.
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Vorteilhafterweise wird mittels der Digitalkamera der Einrichtung die der momentan bearbeiteten Bearbeitungsstelle folgende und damit die zukünftig zu bearbeitende Stelle abgebildet. Das kann auch so erfolgen, dass ein Endenbereich der bearbeiteten Stelle und ein Bereich der folgend also zukünftig zu bearbeiteten Stelle aufgenommen, abgebildet und in digitale Daten des Abbilds gewandelt wird. Damit ist neben einer genauen auch eine gleichmäßige Bearbeitung des Werkstücks gewährleistbar.
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Das erfolgt bei schwacher Bestrahlung des Lasers oder bei nicht strahlendem Laser, wobei im Wesentlichen die Beleuchtung durch die Lichtquelle sichergestellt ist. Eine störende Belichtung durch die Laserstrahlen ist nicht vorhanden, so dass die Objekte des Werkstücks im aufzunehmenden Bereich ohne Überbelichtung durch die Digitalkamera in Echtzeit unverfälscht abgebildet werden. Verfälschungen können insbesondere durch ansonsten notwendige Filter oder Abdunkelungen auftreten. Die Abbildungen der Kanten, Kantenbereiche und/oder Flächen basieren dabei auf davon reflektierter, gestreuter und/oder transmittierter elektromagnetischer Strahlung der Lichtquelle als eine Quelle elektromagnetischer Strahlung. Dazu wird die Optik mittels des zweiten Antriebs oszillierend bewegt. Oszillierend bedeutet eine hin- und hergehende Bewegung auch schwingende Bewegung.
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Die Abbildungen der Kanten, Kantenbereiche und/oder Flächen dienen der Steuerung der Laserstrahlen, so dass eine sichere und genaue Bearbeitung mittels der Laserstrahlen sichergestellt ist. Auftretende Toleranzen am Werkstück oder Positionsveränderungen des Werkstücks während dessen Bearbeitung führen nicht zu Fehlern in der Bearbeitung.
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Die Aufnahmen der Bereiche und die Bearbeitungen der Bearbeitungsstellen erfolgen zyklisch, so dass auch für lange Werkstücke eine sichere und genaue Bearbeitung gewährleistet ist.
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Damit eignet sich die Einrichtung vorteilhafterweise für Verbindungs- und Auftragstechnologien. Das ist insbesondere das Laserschweißen und das Laserauftragschweißen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 11 angegeben.
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Die Digitalkamera ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 mit wenigstens einem Antriebsmechanismus versehen, so dass diese schwenk- und/oder verfahrbar angeordnet ist.
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Die zur Bearbeitung des Werkstücks die Laserstrahlung über das Werkstück führenden Optik nach dem Laser weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 vorteilhafterweise die Lichtquelle zur Beleuchtung wenigstens eines Bereichs der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks und die den Bereich aufnehmende Digitalkamera auf.
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Die zur Bearbeitung des Werkstücks die Laserstrahlung über das Werkstück führende Optik weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 einen Schwenkspiegel für die Laserstrahlung zur Bearbeitung und die vom Werkstück reflektierte elektromagnetische Strahlung der Lichtquelle für das Abbild der bearbeiteten Stelle folgenden zu bearbeitenden Stelle bei schwacher Bestrahlung oder bei nicht strahlendem Laser auf. Darüber hinaus ist der Schwenkspiegel an den zweiten Antrieb gekoppelt. Das ist eine ökonomisch günstige und einfach zu realisierende Optik.
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Das Datenverarbeitungssystem ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 ein Daten bestimmter Grau- oder Farbwerte wenigstens einer Kante, eines Kantenbereichs und/oder einer Fläche zuordnendes Datenverarbeitungssystem.
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Der erste Antrieb und das Datenverarbeitungssystem sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 so miteinander verbunden, dass der erste Antrieb die Optik korrespondierend zu wenigstens einer ermittelten Kante, einem ermittelten Kantenbereich und/oder Fläche bewegender Antrieb ist.
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Die Optik ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 an einen dritten die Optik zur Korrektur der zu bearbeiteten Stelle quer zum Bearbeitungsvorschub bewegenden Antrieb gekoppelt, der weiterhin zur Steuerung mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden ist. Damit können auch leicht bogenförmig verlaufende Bearbeitungen vorgenommen werden.
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Der Schwenkspiegel ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 vorteilhafterweise ein kardanisch aufgehängter Schwenkspiegel, der weiterhin an den zweiten Antrieb und den dritten Antrieb gekoppelt ist. Damit kann der Spiegel oszillierend im Bearbeitungsvorschub und quer zu dieser Bewegung bewegt werden. Neben der Beobachtung kann damit auch die Korrektur des Bearbeitungsvorschubs erfolgen.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 ist eine der Bearbeitungsstelle Hilfsmittel zuführende Vorrichtung ein Bestandteil der Einrichtung zur kontrollierten Laserbearbeitung. Diese ist weiterhin mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden, so dass die Zufuhr des Hilfsmittels korrespondierend zu wenigstens einer ermittelten Kante und/oder einem ermittelten Kantenbereich erfolgt.
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Das Datenverarbeitungssystem ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 ein wenigstens die Breite einer Kante, einem Kantenbereich und/oder Fläche berechnendes Datenverarbeitungssystem. Weiterhin sind das Datenverarbeitungssystem und die Vorrichtung für Hilfsmittel so miteinander verbunden, dass die Zufuhr des Hilfsmittels in Abhängigkeit der Breite der Kante, des Kantenbereichs und/oder der Fläche erfolgt.
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Die durch das Datenverarbeitungssystem gesteuerte Vorrichtung für Hilfsmittel ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 eine Hilfsmittel entsprechend der Breite der Kante, des Kantenbereichs und/oder der Fläche zuführende Vorrichtung ist, so dass der Werkstoffauftrag zu einer kontinuierlichen Schweißraupe führt.
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Die Breite der Schweißraupe ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 eine bestimmte und vorgegebene Breite. Der Laser, die Optik und die Vorrichtung für Hilfsmittel sind weiterhin so miteinander verbunden, dass die Bewegung der Optik und die Zufuhr des Hilfsmittels in Abhängigkeit der ermittelten Kante und/oder Fläche und der vorgegebenen Breite der Schweißraupe erfolgt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Einrichtung zur kontrollierten Laserbearbeitung wenigstens eines Werkstücks und
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2 eine oszillierende und die Laserstrahlung über das Werkstück führende Optik.
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Eine Einrichtung zur kontrollierten Laserbearbeitung wenigstens eines Werkstücks besteht im Wesentlichen aus einer Lichtquelle 2 zur Beleuchtung wenigstens eines Bereichs der zu bearbeitenden Stelle des Werkstücks 3, einer einen Bereich der Bearbeitungsstelle aufnehmenden Digitalkamera 4, einem Laser 5, einer zur Bearbeitung des Werkstücks 3 die Laserstrahlung 6 über das Werkstück 3 führenden Optik 1 nach dem Laser 5 mit einem ersten Antrieb 7 für den Bearbeitungsvorschub und einem zweiten zum Bearbeitungsvorschub oszillierenden Antrieb 8 und einem mit dem Laser 5, den Antrieben 7, 8 und der Digitalkamera 4 verbundenen Datenverarbeitungssystem 9.
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Die 1 zeigt eine Einrichtung zur kontrollierten Laserbearbeitung wenigstens eines Werkstücks 3 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die zur Bearbeitung des Werkstücks 3 die Laserstrahlung 6 über das Werkstück 3 führenden Optik 1 nach dem Laser 9 ist im Strahlengang nach einem halbdurchlässigen Spiegel 10 zur Reflexion einer gepulsten Laserstrahlung 6 des Lasers 5 auf die Bearbeitungsstelle 13 des Werkstücks 3 angeordnet. Der halbdurchlässige Spiegel 10 reflektiert die Laserstrahlung 6 und transmittiert die vom Werkstück 3 reflektierte elektromagnetische Strahlung der Lichtquelle 2. Im Strahlengang dieser Strahlung ist die Digitalkamera 4 angeordnet.
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Die Optik 1 ist an den ersten Antrieb 7 zum Bearbeitungsvorschub gekoppelt. Weiterhin weist im einfachsten Fall die Optik 1 den zweiten oszillierenden Antrieb 8 auf, an den ein Schwenkspiegel 11 gekoppelt ist. Dieser reflektiert zum Einen in einer ersten Position die Laserstrahlung 6 auf den Bereich 13 zur Bearbeitung und zum Anderen in einer zweiten Position die vom Bereich 14 der zukünftigen Bearbeitung reflektierte Strahlung der Lichtquelle 2 zur Gewinnung des Abbilds dieses Bereichs. Der Schwenkspiegel 11 oszilliert damit zwischen durch die Laserstrahlung 6 bearbeitetem Bereich 13 und mit der Digitalkamera 4 aufzunehmenden zu bearbeitenden Bereich 14. Die Digitalkamera 4 nimmt damit einen Bereich 14 mit der dem bearbeiteten Bereich 13 folgenden zu bearbeitenden Bereich 14 bei schwacher Bestrahlung oder bei nicht strahlendem Laser nach der Vorwärtsbewegung mittels erstem Antrieb 7 auf. Nach der Rückbewegung des Schwenkspiegels 11 erfolgt die Bearbeitung des vorher abgebildeten Bereichs 13. Die Beleuchtung des abzubildenden Bereichs 14 zukünftiger Bearbeitung ist durch die Lichtquelle 2 gewährleistet. Das Abbild der reflektierten Lichtstrahlen der Lichtquelle 2 wird dabei mittels der Digitalkamera 4 gleichzeitig in digitale Daten gewandelt.
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Der halbdurchlässige Spiegel 10 und die Digitalkamera 4 können auch Bestandteile der Optik 1 sein.
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In einer Ausführungsform ist die Optik 1 mit einem dritten Antrieb versehen oder gekoppelt, wobei die Laserstrahlung 6 zur Korrektur quer zum Bearbeitungsvorschub bewegt wird. Dazu kann der Schwenkspiegel 11 ein kardanisch aufgehängter Schwenkspiegel 11 sein, der an den zweiten Antrieb 8 und den dritten Antrieb gekoppelt ist.
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Die 2 zeigt eine weitere oszillierende und die Laserstrahlung über das Werkstück führende Optik in einer prinzipiellen Darstellung.
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In einer Ausführungsform der Optik 1 ist wenigstens der Spiegel 11 an einen Antrieb 8 für eine schwingende und damit oszillierende Bewegung gekoppelt. Der Spiegel 11 wird dazu linear hin- und herbewegt. Das kann mit einem Linearantrieb 8 erfolgen. Dabei kann der Spiegel 11 auch ein halbdurchlässiger Spiegel 11 sein, so dass die Digitalkamera 4 nach der Bewegung des Antriebs 8 in Bearbeitungsrichtung direkt über den zukünftig zu bearbeitenden Bereich 14 platziert ist.
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Die Antriebe 7, 8 und der Laser 5 sind zur Steuerung des Bearbeitungsprozesses mit dem Datenverarbeitungssystem 9 verbunden.
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Weiterhin ist die den Bereich 14 zur zukünftigen Bearbeitung aufnehmende Digitalkamera 4 mit dem Datenverarbeitungssystem 9 zusammengeschaltet. Die Digitalkamera 4 nimmt den Bereich 14 mit der der bearbeiteten Stelle folgenden zu bearbeitenden Stelle/Bereich 14 bei schwacher Bestrahlung oder bei nicht strahlendem Laser 5 auf. Das daraus resultierende Abbild wird gleichzeitig in digitale Daten gewandelt. Das Datenverarbeitungssystem 9 ermittelt aus den digitalen Daten des Abbildes jeweils wenigstens eine Kante und/oder einen Kantenbereich und/oder eine Fläche und steuert wenigstens den ersten Antrieb 7 und den Laser 5 entsprechend dem Verlauf und/oder der Größe der Kante und/oder des Kantenbereichs und/oder der Fläche.
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Das Datenverarbeitungssystem 9 ordnet Daten bestimmter Grau- oder Farbwerte aus dem Abbild wenigstens einer Kante, eines Kantenbereichs und/oder einer Fläche zu. Der erste Antrieb 7 oder der erste Antrieb 7 und der dritte Antrieb wird oder werden mittels dem Datenverarbeitungssystem 9 so gesteuert, dass die Optik 1 korrespondierend zu wenigstens einer ermittelten Kante, einem ermittelten Kantenbereich und/oder einer Fläche des Werkstücks 3 bewegt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine dem Bereich 13 der Bearbeitung Hilfsmittel zuführende Vorrichtung ein Bestandteil der Einrichtung zur kontrollierten Laserbearbeitung wenigstens eines Werkstücks 3. Weiterhin ist diese Vorrichtung mit dem Datenverarbeitungssystem 9 verbunden, so dass die Zufuhr des Hilfsmittels korrespondierend zu wenigstens einer ermittelten Kante und/oder einem ermittelten Kantenbereich erfolgt.
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Dazu ist das Datenverarbeitungssystem 9 in einer weiteren Ausführungsform ein wenigstens die Breite einer Kante, eines Kantenbereichs und/oder einer Fläche berechnendes Datenverarbeitungssystem 9. Dieses und die Vorrichtung für Hilfsmittel sind so miteinander verbunden, dass die Zufuhr des Hilfsmittels in Abhängigkeit der Breite der Kante, des Kantenbereichs und/oder der Fläche erfolgt. Dabei kann vorteilhafterweise ein Spalt mit einer gleichmäßigen Schweißraupe überbrückt werden. Darüber hinaus kann eine gleichmäßige Schweißraupe auf das Werkstück 3 aufgetragen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011103282 A1 [0002]
- DE 102005024085 A1 [0003]
