DE102014113283A1

DE102014113283A1 - Vorrichtung zur Remote-Laserbearbeitung mit Sensor-Scannereinrichtung

Info

Publication number: DE102014113283A1
Application number: DE102014113283.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Vogl; Uwe Megerle; Ulrich Munzert
Original assignee: Blackbird Robotersysteme GmbH
Current assignee: Blackbird Robotersysteme GmbH
Priority date: 2014-09-15
Filing date: 2014-09-15
Publication date: 2016-03-17
Anticipated expiration: 2034-09-16
Also published as: WO2016041768A1; DE102014113283B4; CN106573338B; CN106573338A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Remote-Laserbearbeitung von zumindest einem Werkstück (2) mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (3) mit einer Laserleiteinheit (4) und zumindest einer von der Laserleiteinheit (4) optisch entkoppelten Sensoreinheit (14), die gemeinsam von einem Manipulator (5), insbesondere um und/oder entlang mehrerer Manipulatorachsen, bewegbar sind und/oder zu denen das Werkstück (2) mittels eines Manipulators, insbesondere um und/oder entlang mehrerer Manipulatorachsen, relativ bewegbar ist, wobei der Bearbeitungslaserstrahl (3) mittels der Laserleiteinheit (4) zu einem Prozessort (8) auf dem Werkstück (2) leitbar ist und die Sensoreinheit (14) einen optischen Sensor (19) zum Erfassen eines Analysebereiches (17) auf dem Werkstück (2) und Mittel zum Bewegen des Analysebereiches (17) relativ zur Bewegung des Manipulators (5) und/oder Werkstücks (2) aufweist. Erfindungsgemäß weist die Sensoreinheit (14) als Mittel zum Bewegen des Analysebereiches zumindest ein optisches, insbesondere zumindest teilweise reflektierendes, Führungselement (20) auf, das im Strahlengang (21) zwischen dem Analysebereich (17) und dem Sensor (19) angeordnet ist und das derart beweglich ausgebildet ist, dass die Position des Analysebereiches (17) auf dem Werkstück (2) durch eine der Manipulator- und/oder Werkstückbewegung überlagerte Relativbewegung veränderbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Remote-Laserbearbeitung von zumindest einem Werkstück mittels eines Bearbeitungslaserstrahls, die eine Laserleiteinheit und zumindest eine von der Laserleiteinheit optisch entkoppelte Sensoreinheit aufweist, die gemeinsam von einem Manipulator, insbesondere um und/oder entlang mehrere Manipulatorachsen, bewegbar sind und/oder zu denen das Werkstück mittels eines Manipulators, insbesondere um und/oder entlang mehrere Manipulatorachsen und/oder mittels einer bewegbaren Werkstückhalterung relativ bewegbar ist, wobei der Bearbeitungslaserstrahl mittels der Laserleiteinheit zu einem Prozessort auf dem Werkstück leitbar ist und die Sensoreinheit einen optischen Sensor zum Erfassen eines Analysebereiches auf dem Werkstück und Mittel zum Bewegen des Analysebereiches relativ zur Bewegung des Manipulators aufweist.
Die Steuerung und Überwachung des Laserstrahlbearbeitungsprozesses gestaltet sich bei langbrennweitigen Lasereinrichtungen, so genannten Remotelasersysteme, aufgrund des großen Arbeitsabstandes von ca. 300 mm bis 2000 mm zum Werkstück als schwierig. Aus der DE 20 2006 005 91 U1 ist eine Überwachungseinrichtung für Strahleinrichtungen, insbesondere Remotelaser, zur Bearbeitung von Werkstücken bekannt, die sich für verschiedene Strahleinrichtungen, auch für solche mit längeren Brennweiten, einsetzen lässt. Die Strahleinrichtung weist einen beweglichen Laserkopf auf. Die Überwachungseinrichtung umfasst mindestens eine am Strahlkopf anbaubare Sensoreinrichtung, die eine steuerbare Stelleinrichtung für einen Bildaufnehmer und eine Projektionseinrichtung der Überwachungseinrichtung aufweist, so dass diese geschwenkt werden können. Die Stelleinrichtung weist einen Stellmotor und eine auf die Verstellung wirkende Stellmechanik auf, die wiederum eine Stellspindel und einen angelenkten Drehbügel umfasst. Die Stelleinrichtung ist in Abhängigkeit der Brennweitenänderung des Strahlkopfes steuerbar. Nachteilig hierbei ist, dass der Analysebereich der Sensoreinrichtung so groß ist, dass die zu analysierenden Daten lediglich in einer schlechten Qualität erfasst werden können. Des Weiteren kann der Analysebereich lediglich eindimensional zur Brennweitenregelung bewegt werden. Auch sind die Stellmittel nicht dazu geeignet, den Analysebereich schnell an unterschiedliche Bereiche des Werkstücks zu verfahren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit eine Vorrichtung zur Remote-Laserbearbeitung bereitzustellen, die eine Sensoreinheit umfasst, mittels der online, d.h. während des Bearbeitungsprozesses, Analysedaten in hoher Qualität und/oder schnell, insbesondere in Echtzeit, an unterschiedlichen Stellen des Werkstücks erfassbar sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Remote-Laserbearbeitung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Remote-Laserbearbeitung von zumindest einem Werkstück mittels eines Bearbeitungslaserstrahls. Unter der Begrifflichkeit „Remote-Laserbearbeitung“ ist insbesondere das Schneiden, Schweißen und/oder Markieren eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls zu verstehen, bei dem der Laserkopf zum zu bearbeitenden Werkstück beabstandet ist. Dieser Abstand beträgt insbesondere ca. 300 mm bis 2000 mm. Die Vorrichtung umfasst eine Laserleiteinheit. Mittels dieser kann der Laserstrahl auf das Werkstück gelenkt werden. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Sensoreinheit. Diese wird insbesondere zur Genauigkeitsverbesserung der Schnitt- oder Schweißnahtlage, zur Prozessüberwachung und/oder zur Qualitätsüberprüfung eingesetzt. Die Laserleiteinheit und die Sensoreinheit sind gemeinsam von einem dafür vorgesehenen Manipulator, insbesondere um und/oder entlang mehrerer Manipulatorachsen, bewegbar. Der Manipulator ist hierbei vorzugsweise ein mehrachsiger Industrieroboter. Zusätzlich oder alternativ ist ferner das Werkstück selbst, insbesondere mittels eines bewegbaren Manipulators, insbesondere mittels einer mehrachsigen Werkstückhalterung (die vorzugsweise von einer Steuerung ansteuerbar ist), relativ zu der Laserleiteinheit und der Sensoreinheit bewegbar ausgebildet. In vorstehendem alternativem Fall sind die Laserleiteinheit und die Sensoreinheit vorzugsweise ortsfest ausgebildet. Unter der Begrifflichkeit „bewegbar“ ist ferner vorzugsweise eine zumindest einen rotatorischen Freiheitsgrad aufweisende Bewegbarkeit, insbesondere um zumindest eine Dreh-/Kippachse, zu verstehen.
Der Bearbeitungslaserstrahl ist mittels der Laserleiteinheit zu einem Prozessort auf dem Werkstück leitbar. Des Weiteren weist die Sensoreinheit einen optischen Sensor zum Erfassen eines Analysebereiches auf dem Werkstück auf. Die Sensoreinheit ist von der Laserleiteinheit optisch entkoppelt. Ferner umfasst die Sensoreinheit Mittel zum Bewegen des Analysebereiches relativ zur Bewegung des dafür vorgesehenen Manipulators. Diese Mittel sind vorliegend als zumindest ein optisches, insbesondere zumindest teilweise reflektierendes, Führungselement ausgebildet, das von der Sensoreinheit umfasst ist. Das Führungselement ist vorzugsweise ein zumindest teilweise reflektierender Spiegel. Das Führungselement ist im Strahlengang, nämlich im Sensorstrahlengang der Sensoreinheit, angeordnet. Der Strahlengang erstreckt sich vom Analysebereich ausgehend bis zum optischen Sensor. Das Führungselement ist somit zwischen dem Analysebereich und dem Sensor angeordnet und/oder dem Sensor in Richtung des dafür vorgesehenen Werkstücks nachgeschalten. Der Strahlengang kann vorzugsweise durch das zumindest eine Führungselement und/oder durch zumindest einen zusätzlichen Sensorumlenkspiegel gefaltet bzw. geknickt sein, so dass das Bauvolumen der Sensoreinheit möglichst klein gehalten werden kann. Des Weiteren ist das Führungselement, insbesondere um zumindest eine Drehachse, beweglich ausgebildet und/oder ansteuerbar. Hierdurch kann die Position des Analysebereiches auf dem Werkstück durch eine der Manipulatorbewegung überlagerbare Relativbewegung verändert werden. Die Laserleiteinheit und die Sensoreinheit, insbesondere mit ihrem Sensor, bilden demnach eine mechanisch und/oder starr miteinander gekoppelte Einheit, die durch den Manipulator, insbesondere durch den mehrachsigen Industrieroboter, relativ zum Werkstück verfahrbar ist. Der Analysebereich bzw. Erfassungsbereich des Sensors kann aufgrund der optischen Entkopplung von der Laserleiteinheit (d.h. sowohl die Laserleiteinheit als auch die Sensoreinheit weisen jeweils eine separate, voneinander getrennte bzw. entkoppelte Optik auf) zusätzlich relativ zum Manipulator bewegt werden. Diese der Manipulatorbewegung überlagerte Relativbewegung erfolgt durch eine entsprechende Bewegung des in den Strahlengang der Sensoreinheit eingekoppelten Führungselementes. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen beweglich gelagerten Spiegel, mittels dessen Bewegung die Position des Analysebereiches auf dem Werkstück veränderbar ist.
Dadurch, dass zum Bewegen des Analysebereiches im Gegensatz zum Stand der Technik nicht der gesamte optische Sensor, sondern lediglich das im Strahlengang angeordnete Führungselement bewegt wird, kann der Analysebereich um ein Vielfaches schneller zwischen zumindest zwei unterschiedlichen Bereichen des Werkstücks hin und her verfahren werden. Hierdurch kann vorteilhafterweise der Analysebereich sehr klein gewählt werden, wodurch dessen Auflösung und infolgedessen die Auswertegenauigkeit erhöht werden kann. Des Weiteren kann die Sensoreinheit trotz des reduzierten, hochauflösenden Analysebereiches – mit dem zu einem Zeitpunkt nur ein Teilausschnitt des gesamten abfahrbaren Erfassungsbereiches erfassbar ist – mittels des sehr schnell bewegbaren Führungselementes für mehrere Überwachungs- und Verbesserungsanwendungen verwendet werden, insbesondere zur Genauigkeitsverbesserung, zur Prozessüberwachung und/oder zur Qualitätsüberprüfung. Des Weiteren kann der Analysebereich der Sensoreinheit aufgrund der Entkopplung von der Lasereinheit auch an einen im Vergleich zum Prozessort anderen Bereich des Werkstücks bewegt werden. Dadurch kann der Analysebereich des Sensors ein vom Prozessort beabstandetes geometrisches Merkmal, beispielsweise eine Ecke, Kante und/oder eine Schraube, des Werkstücks und/oder einen darauf oder in der Umgebung angeordneten Marker erfassen und/oder diesem bzw. dessen Verlauf folgen. In Abhängigkeit dieser sensorisch erfassten Daten kann dann – im konkreten räumlichen Bezug – der Prozessort des Bearbeitungslaserstrahls entlang seiner Soll-Bahn geführt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Position des Analysebereiches innerhalb eines maximalen Bewegungsbereiches veränderbar ist. Dieser Bewegungsbereich kann zweidimensional und/oder dreidimensional ausgebildet sein. Des Weiteren ist der maximale Bewegungsbereich des Analysebereiches insbesondere durch die maximale Auslenkbarkeit des zumindest einen Führungselementes festgelegt. Vorzugsweise ist der Bewegungsbereich, in dem der Analysebereich verfahren werden kann, derart ausgebildet, dass der Prozessort stets im Inneren von diesem liegt. Hierdurch kann der Analysebereich für unterschiedliche Analyse- und Verbesserungsaufgaben beispielsweise direkt in den Prozessort oder aber auch von diesem beabstandet in den Bereich der Soll-Bahn und/oder Schweißnaht bewegt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Sensoreinheit und die Laserleiteinheit starr miteinander gekoppelt. Diese Kopplung ist vorzugsweise mechanisch ausgebildet. Infolgedessen sind die Sensoreinheit und die Lasereinheit derart mechanisch miteinander gekoppelt, dass diese als eine Einheit vom Manipulator bewegbar sind. Zugleich sind diese optisch voneinander entkoppelt, so dass der Analysebereich gegenüber dem Prozessort auf dem Werkstück frei bewegbar ist. Die Sensoreinheit und die Laserleiteinheit bilden vorzugsweise eine gemeinsame Manipulatoreinheit, die insbesondere an einem beweglichen Ende eines Industrieroboters angeordnet ist.
Die Sensoreinheit und die Lasereinheit weisen vorzugsweise ein gemeinsames Gehäuse auf, in dem sie angeordnet sind. Alternativ kann die Laserleiteinheit aber auch ein separates Laserleitgehäuse und/oder die Sensoreinheit ein separates Sensorgehäuse aufweisen. Vorzugsweise ist die Laserleiteinheit über das Laserleitgehäuse starr oder beweglich mit dem Manipulator, insbesondere mit dem beweglichen freien Ende des Industrieroboters, verbunden. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Sensorgehäuse mit dem Laserleitgehäuse, insbesondere an dessen Unterseite und/oder an einer Seitenfläche des Laserleitgehäuses angeordnet und/oder mit diesem lösbar verbunden ist. Hierdurch muss vorteilhafterweise nicht die gesamte Vorrichtung ausgetauscht werden, wenn nur eine der beiden Einheiten defekt ist. Stattdessen muss lediglich die jeweils defekte Einheit, d.h. entweder die Laserleiteinheit oder die Sensoreinheit, ausgetauscht werden. Des Weiteren kann durch einen modularen Aufbau der Vorrichtung die Laserleiteinheit auch mit mehreren Sensoreinheiten verbunden sein. Ein weiterer Vorteil eines derart modularen Aufbaus besteht darin, dass die Anzahl des zumindest einen Laserleitgehäuses, insbesondere Laserleitmoduls, und/oder des zumindest einen Sensorgehäuses, insbesondere Sensormoduls, und/oder deren relative Anordnung zueinander individuell und schnell an die jeweilige Applikation angepasst werden kann.
Demnach ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung mehrere Sensoreinheiten aufweist, die vorzugsweise lösbar an der Laserleiteinheit, insbesondere an unterschiedlichen Seitenflächen des Laserleitgehäuses, angeordnet sind. Hierdurch können vorzugsweise über die beiden voneinander getrennten Analysebereiche der zumindest zwei Sensoreinheiten zeitgleich unterschiedliche Bereiche des zu bearbeitenden Werkstücks erfasst werden. Des Weiteren können besonders relevante Bereiche des Werkstücks redundant mit mehreren Analysebereichen unterschiedlicher Sensoreinheiten erfasst werden, um die Datengenauigkeit zu erhöhen.
Eine sehr schnelle Bewegung des Analysebereiches kann dadurch sichergestellt werden, wenn das optische Führungselement als beweglicher Spiegel ausgebildet ist. Dieser ist vorzugsweise um zumindest eine Drehachse drehbar gelagert. Um mit einem einzigen Spiegel einen zweidimensionalen Bewegungsbereich realisieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn der bewegliche Spiegel zwei zueinander lotrecht stehende Drehachsen aufweist. Diesbezüglich ist es ferner vorteilhaft, wenn der Spiegel kardanisch gelagert ist.
Ebenso ist es aber auch denkbar, dass die Sensoreinheit zumindest einen ersten Spiegel aufweist, der insbesondere um eine erste Drehachse drehbar gelagert ist, und einen zweiten beweglichen Spiegel aufweist, der um eine zweite Drehachse drehbar gelagert ist, wobei die beiden Drehachsen zueinander vorzugsweise einen Winkel aufweisen und/oder sich schneiden. Alternativ können diese aber auch windschief zueinander ausgerichtet sein. Vorzugsweise ist hierbei jeweils einer der Spiegel zum Bewegen des Analysebereiches in einer Dimension zuständig.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Sensoreinheit zumindest einen Aktuator zum Bewegen des Führungselementes aufweist. Wenn die Sensoreinheit mehrere Führungselemente aufweist, ist es vorteilhaft, wenn jedes dieser Führungselemente einen eigenen Aktuator umfasst, so dass deren Bewegung voneinander entkoppelt ist und infolgedessen die jeweiligen Führungselemente einzeln angesteuert werden können.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn es sich bei dem Aktuator um einen galvanometrischen, akustooptischen, piezoelektrischen und/oder elektromotorischen Aktuator handelt. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend genannten Beispiele eingeschränkt ist, sondern ebenso auch hier nicht genannte Aktuatorarten Anwendung finden können, die die nötigen Schnelligkeitsvoraussetzungen erfüllen.
Die Sensoreinheit kann konstruktiv einfach umgesetzt werden, wenn der Sensor unmittelbar auf das Führungselement, insbesondere auf dessen Zentrum, ausgerichtet ist. Zur Reduktion des Bauvolumens ist es aber auch ebenso vorteilhaft, wenn der Sensor mittelbar, insbesondere unter Zwischenschaltung eines Sensorumlenkspiegels, auf das Führungselement, insbesondere dessen Zentrum, ausgerichtet ist. Der Sensorumlenkspiegel ist hierbei unbeweglich ausgebildet.
Insbesondere zur Realisierung eines dreidimensionalen Bewegungsbereiches ist es vorteilhaft, wenn der Sensor mittelbar über zumindest eine Linse auf das Führungselement ausgerichtet ist, so dass mittels dieser eine Höhenfokussierung erfolgen kann.
Vorteilhaft ist es, wenn der Sensor eine Kamera und/oder ein Abstandssensor, insbesondere ein Punkt-Abstandssensor ist. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um einen Punkt-Abstandssensor für ein koaxiales Messverfahren, insbesondere zur optischen Kohärenztomographie, konoskopischen Holographie, chromatisch-konfokalen Abstandsmessung und/oder Laufzeitmessung. Bei der optischen Kohärenztomographie wird Licht geringerer Kohärenzlänge mithilfe eines Interferometers zur Entfernungsmessung eingesetzt. Hierbei wird das Untersuchungsobjekt, d.h. das Werkstück, punktweise abgetastet. Die konoskopische Holographie dient ebenso zur berührungslosen Messung von Form- und Gestaltabweichungen. Das Prinzip basiert auf den Interferenzen zweier Lichtwellen. Voraussetzung für die Interferenzen ist kohärentes Licht, das über einen Sensorlaser erzeugt wird. Bei der chromatisch-konfokalen Abstandsmessung wird die Dispersion von weißem Licht, also polychromatischem Licht, in einer Fokussierlinse ausgenutzt, um den Abstand einer reflektierenden Oberfläche zum Sensor zu bestimmen. Hierbei wird die chromatische Aberration ausgenutzt.
Um die Laserbearbeitung zu beschleunigen, ist es vorteilhaft, wenn der Bearbeitungslaserstrahl mittels der Laserleiteinheit relativ zur Bewegung des Manipulators, d.h. durch eine der Manipulatorbewegung überlagerten Relativbewegung, derart bewegbar ist, dass der Prozessort auf dem Werkstück entlang einer Soll-Bahn führbar ist. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, wenn die Laserleiteinheit als eine Laser-Scannereinrichtung mit zumindest einem beweglichen Laser-Scannerspiegel ausgebildet ist. Der Laser-Scannerspiegel weist eine oder mehrere Bewegungsachsen zum zusätzlichen relativen Ablenken des Laserstrahls auf. Die Position des Prozessorts auf dem Werkstück kann somit sowohl durch die Manipulatorbewegung als auch zusätzlich durch die der Manipulatorbewegung überlagerte relative Scannerspiegelbewegung beeinflusst werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Sensoreinheit zumindest eine Sensor-Scannereinrichtung umfasst oder als solche ausgebildet ist. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Sensor-Scannereinrichtung zumindest einen Sensor-Scannerspiegel umfasst, der das bewegliche Führungselement bildet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Sensor-Scannerspiegel kleiner als der Laser-Scannerspiegel ausgebildet. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Sensor-Scannereinrichtung dynamischer – d.h. eine schnellere Spiegelbeweglichkeit aufweisend – ausgebildet ist. Hierdurch können während des Schweißprozesses sehr schnell sowohl in Bewegungsrichtung vor als auch hinter dem Prozessort liegende Bereiche des Werkstücks erfasst werden. Die Sensor-Scannereinrichtung ist demnach im Vergleich zur Laser-Scannereinrichtung dynamischer d.h. schneller ausgebildet. Ferner ist es zusätzlich oder alternativ vorteilhaft, wenn der Sensor-Scannerspiegel eine Beschichtung aufweist, die sich von der des Laser-Scannerspiegels unterscheidet. Auch ist es vorteilhaft, wenn der Sensor-Scannerspiegel und der Laser-Scannerspiegel zusätzlich oder alternativ zueinander unterschiedliche Beschichtungen aufweisen, die vorzugsweise an die Wellenlänge des jeweiligen Sensors und/oder Lasers angepasst sind.
Zur Verbesserung der Qualität der erfassten Daten ist es vorteilhaft, wenn die Sensoreinheit eine Beleuchtungsquelle zum zumindest bereichsweise Beleuchten des Werkstücks aufweist. Vorteilhaft ist es, wenn die Beleuchtungsquelle ortsfest in der Umgebung aufstellbar ist. Zusätzlich oder alternativ ist es ebenso vorteilhaft, wenn die Beleuchtungsquelle mit dem Manipulator mitbewegbar ist, wobei die Beleuchtungsquelle vorzugsweise an dem gemeinsamen Gehäuse, dem Laserleitgehäuse und/oder dem Sensorgehäuse, befestigt ist. Diesbezüglich ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Befestigung an der Außenseite und/oder lösbar ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es ferner vorteilhaft, wenn die Beleuchtungsquelle in den Strahlengang der Laser-Scannereinrichtung oder der Sensor-Scannereinrichtung eingekoppelt ist, so dass diese mittels des Laser-Scannerspiegels mit dem Prozessort und/oder mittels des Führungselementes mit dem Analysebereich mitbewegbar ist. Außerdem ist es zusätzlich oder alternativ vorteilhaft, wenn die Beleuchtungsquelle mittels einer separaten Beleuchtungs-Scannereinrichtung von der Laser-Scannereinrichtung und der Sensor-Scannereinrichtung optisch entkoppelt relativ zum Manipulator bewegbar ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Steuereinheit auf, die insbesondere eine Manipulatorsteuerung und/oder eine Scannersteuerung umfasst. Die Steuereinheit, insbesondere die Manipulatorsteuerung, ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass mittels dieser die, vorzugsweise offline vorbestimmte und/oder abgespeicherte, Bewegung des Manipulators steuerbar ist. Zusätzlich oder alternativ ist die Steuereinheit, insbesondere die zumindest eine Scannersteuerung, derart ausgebildet, dass die Relativbewegung des zumindest einen Laser-Scannerspiegels, die Relativbewegung des zumindest einen Führungselementes der Sensoreinheit und/oder die Relativbewegung zumindest eines Beleuchtungs-Scannerspiegels steuerbar ist. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Manipulatorsteuerung und die zumindest eine Scannersteuerung derart miteinander kommunizieren, dass der Bewegungsablauf des Manipulators und des zumindest einen Scannerspiegels zueinander koordinierbar ist.
Vorteilhaft ist es, wenn die Steuereinheit, insbesondere die Scannersteuerung, derart ausgebildet ist, dass das zumindest eine Führungselement der Sensoreinheit derart ansteuerbar ist, dass der Analysebereich zumindest während eines Zeitfensters zur Genauigkeitsverbesserung dem Prozessort in Bearbeitungsrichtung vorgelagert und/oder im Bereich der zu bearbeitenden Soll-Bahn positionierbar ist. Zusätzlich oder alternativ ist es ferner vorteilhaft, wenn der Analysebereich zur Genauigkeitsverbesserung zumindest während eines Zeitfensters dem Prozessort in einem, insbesondere konstanten und/oder variablen, Abstand vorausführbar ist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit, insbesondere die Scannersteuerung, derart ausgebildet ist, dass das zumindest eine Führungselement der Sensoreinheit derart ansteuerbar ist, dass der Analysebereich zur Prozessüberwachung zumindest während eines Zeitfensters im Prozessort positionierbar ist und/oder mit diesem mitführbar ist.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das zumindest eine bewegliche Führungselement der Sensoreinheit mittels der Steuereinheit derart ansteuerbar ist, dass der Analysebereich zur Qualitätsüberprüfung, insbesondere einer Schweißnaht oder Schnittkante, dem Prozessort in Bearbeitungsrichtung nachgelagert und/oder im Bereich der bearbeiteten Ist-Bahn positionierbar ist und/oder dem Prozessort in einem, insbesondere konstanten und/oder variablen, Abstand nachführbar ist.
Um den Analysebereich möglichst schnell von zumindest einem ersten in einen davon beabstandeten zweiten auswerterelevanten Bereich des Werkstücks Verfahren zu können, ist es vorteilhaft, wenn das zumindest eine Führungselement der Sensoreinheit mittels der Steuereinheit derart ansteuerbar ist, dass der Analysebereich auf einer geschlossenen und/oder gebogenen, insbesondere kreis- oder ellipsenförmigen, Analysebahn, insbesondere zyklisch, um den Prozessort führbar ist. Hierdurch kann eine ruckartige Bewegung des Führungselementes vermieden werden, so dass der Analysebereich sehr schnell von einem beispielsweise in Schweißrichtung vor dem Prozessort liegenden ersten Bereich in einen hinter dem Prozessort liegenden zweiten Bereich bewegbar ist.
Insbesondere wenn die Vorrichtung mehrere Sensor-Scannereinrichtungen aufweist, ist es vorteilhaft, wenn der Analysebereich zumindest einer Sensor-Scannereinrichtung auf einer offenen, insbesondere linearen oder gebogenen, Analysebahn, insbesondere zwischen zwei Endpunkten der Analysebahn, pendelnd und/oder zur Genauigkeitsverbesserung in Bearbeitungsrichtung vor oder zur Qualitätsüberprüfung hinter dem Prozessort (8) führbar ist.
Bei einer zyklischen Bewegung des Analysebereiches auf einer Analysebahn, insbesondere um den Prozessort herum, ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass sie die vom Sensor erfassten Sensordaten nicht vollständig sondern zeitlich beschränkt nur in zumindest einem Analyseintervall auswertet. Demnach ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit die Sensordaten zur Genauigkeitsverbesserung in einem ersten Analyseintervall auswertet, nämlich insbesondere dann, wenn sich der Analysebereich auf der Analysebahn im Schnittbereich mit der Soll-Bahn befindet, und/oder zur Qualitätsüberprüfung in einem zweiten Analyseintervall auswertet, nämlich insbesondere dann, wenn sich der Analysebereich auf der Analysebahn im Schnittbereich mit der Ist-Bahn bzw. insbesondere der Schweißnaht befindet. Hierdurch können die für die Genauigkeitsverbesserung und/oder Qualitätsüberprüfung irrelevanten Bereiche der Analysebahn ausgeblendet werden, wodurch sich die auszuwertende Datenmenge reduziert und infolgedessen die Auswertegeschwindigkeit erhöht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vermag die Steuereinheit die Position des Analysebereiches und/oder die Position und/oder Orientierung der Analysebahn relativ zum Prozessort in Abhängigkeit von Online- und/oder Offlineparametern zu bestimmen. Diesbezüglich ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Steuereinheit als Parameter die offline ermittelten und/oder abgespeicherten Geometriedaten eines Referenzwerkstücks, die, insbesondere offline festgelegten, abgespeicherten und/oder online erfassten, Bewegungsdaten des Manipulators, die, insbesondere offline festgelegten und/oder abgespeicherten und/oder online ermittelten, Bewegungsdaten des zumindest einen Laser-Scannerspiegels, die offline festgelegte und/oder abgespeicherte Näherungsposition der Soll-Bahn, die online genauigkeitsverbesserte Soll-Position der Soll-Bahn und/oder die online ermittelten Ist-Position der Ist-Bahn heranzieht.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit, insbesondere die Scannersteuerung, derart ausgebildet ist, dass mittels dieser die zumindest eine Sensoreinheit kalibrierbar ist. Hierfür vermag die Steuereinheit vorzugsweise einen Sensorarbeitsraum der Sensoreinheit mit einem Laserarbeitsraum der Lasereinheit abzugleichen. Zusätzlich oder alternativ ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass zumindest zwei Sensoreinheiten zueinander kalibrierbar sind. Hierfür ist die Sensoreinheit vorzugsweise in der Lage die Sensorarbeitsräume dieser zumindest zwei separaten Sensoreinheiten zueinander abzugleichen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Laserleiteinheit und die Sensoreinheit jeweils ein im jeweiligen Strahlengang angeordnetes und/oder axialverschiebbares optisches Element, insbesondere eine Linse, aufweisen, die mittels einer gemeinsamen Verschiebungseinrichtung als Einheit, insbesondere zueinander parallel, verfahrbar sind. Hierfür umfasst die Verschiebungseinrichtung vorzugsweise einen axial verschiebbaren Trägerschlitten, der beide optischen Elemente starr zueinander aufnimmt.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Remote-Laserbearbeitung mit einer optisch voneinander entkoppelten Laserleit- sowie Sensoreinheit,
2 eine schematische Detailansicht des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels im Bereich des Laserkopfes und
3 eine Detailansicht des Werkstücks im Bereich des Prozessortes mit einem um den Prozessort auf einer Analysebahn bewegbaren Analysebereich.
1 zeigt eine Vorrichtung zur Remote-Laserbearbeitung. Hierbei wird zumindest ein Werkstück 2 mit einem Bearbeitungslaserstrahl 3 bearbeitet, d.h. entweder markiert, geschnitten oder geschweißt. Eine Laserleiteinheit 4 der Vorrichtung 1 wird hierbei mittels eines Manipulators 5 vom Werkstück 2 beabstandet über dieses hinwegbewegt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Manipulator 5 ein mehrachsiger Industrieroboter, an dessen freien Ende die Laserleiteinheit 4 angeordnet ist.
Des Weiteren ist die Laserleiteinheit 4 gemäß 2 als Laser-Scannereinrichtung 6 ausgebildet, die zumindest einen um zumindest eine Drehachse drehbar gelagerten und ansteuerbaren Laser-Scannerspiegel 7 umfasst. Mittels dieses Laser-Scannerspiegels 7 kann der Bearbeitungslaserstrahl 3 zusätzlich relativ zur Manipulatorbewegung abgelenkt werden. Die Position des Prozessortes 8 auf dem Werkstück 2 kann somit durch die Bewegung des Manipulators 5 als auch durch die Bewegung des zumindest einen Laser-Scannerspiegels 7 beeinflusst werden.
Nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Laser-Scannereinrichtung 6 gemäß 2 einen Laserumlenkspiegel 9 und ein optisches Element 10, insbesondere eine Linse, die dem Laser-Scannerspiegel 7 im Bearbeitungslaserstrahlengang vorgeschalten sind. Das optische Element 10 ist in Axialrichtung verschiebbar. Die Verschiebung des optischen Elementes 10 bewirkt eine Verschiebung der Fokusposition in axialer Richtung. Des Weiteren umfasst die Laser-Scannereinrichtung 6 ein Objektiv 26 zum Fokussieren des Bearbeitungsstrahls 3. Es versteht sich von selbst, dass der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellte schematische Aufbau der Laser-Scannereinrichtung 6 auch mehrere Laserumlenkspiegel 9 sowie weitere optische Elemente aufweisen kann. Auch kann die Anordnung dieser Elemente zueinander von dem dargestellten Ausführungsbeispiel abweichen. So ist beispielsweise denkbar, dass das Objektiv 26 auch vor dem Laser-Scannerspiegel 7 angeordnet ist. Des Weiteren kann die Laser-Scannereinrichtung 6 auch mehrere Laser-Scannerspiegel 7 aufweisen, die jeweils um zumindest eine Achse beweglich gelagert sind. Die Drehachsen der beiden beweglichen Scannerspiegel 7 können zueinander unterschiedlich ausgerichtet sein, insbesondere derart, dass jeder der Scannerspiegel 7 vorzugsweise für eine einzige Bewegungsdimension des Analysebereiches 17 zuständig ist. Auch ist es denkbar, dass zumindest einer der Laser-Scannerspiegel 7 um nicht nur eine sondern um mehrere, insbesondere zwei, Drehachsen drehbar gelagert ist.
Gemäß dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Bearbeitungslaserstrahl 3 bzw. dessen Prozessort 8 an einer Soll-Bahn 11 entlanggeführt. Hierbei wird eine der Soll-Bahn 11 nachgelagerte Schweißnaht 12 ausgebildet. Alternativ hierzu kann die Schweißnaht 12 aber auch ebenso ein Schnittverlauf sein. Gemäß 1 umfasst die Vorrichtung 1 zur Remote-Laserbearbeitung des Weiteren eine Steuereinheit 13 mittels der die Bewegung des Manipulators 5 und des Laser-Scannerspiegel 7 zum Führen des Prozessortes 8 entlang der Soll-Bahn 11 steuerbar ist.
Zur Genauigkeitsverbesserung, Prozessüberwachung und/oder Qualitätsüberprüfung weist die Vorrichtung 1 gemäß 1 und 2 eine Sensoreinheit 14 auf. Diese ist mit der Laserleiteinheit 4 mechanisch gekoppelt. Dies bedeutet, dass beide als fest miteinander verbundene Einheit gemeinsam vom Manipulator 5 bewegt werden. Hierfür können die Sensoreinheit 14 und die Laserleiteinheit 4 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Alternativ dazu kann aber auch jede dieser Einheiten 4, 14 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein separates Gehäuse umfassen. Demnach weist die Laserleiteinheit 4 gemäß 2 ein Laserleitgehäuse 15 und die Sensoreinheit 14 ein Sensorgehäuse 16 auf. Die beiden Gehäuseteile 15, 16 sind vorliegend starr und/oder lösbar miteinander verbunden. Hierdurch muss vorteilhafterweise bei Beschädigung einer der beiden Einheiten 4, 14 nicht die gesamte Sensor-/Laserkopfeinheit ausgetauscht werden. Stattdessen kann das jeweils beschädigte Modul entfernt und durch ein instandgesetztes oder neues Modul ersetzt werden. Ein weiterer Vorteil eines derart modularen Aufbaus besteht darin, dass die Anzahl des zumindest einen Laserleitgehäuses 15, insbesondere Laserleitmoduls, und/oder des zumindest einen Sensorgehäuses 16, insbesondere Sensormoduls, und/oder deren relative Anordnung zueinander individuell und schnell an die jeweilige Applikation angepasst werden kann.
Die lösbare Verbindung zwischen dem Laserleitgehäuse 15 und dem Sensorgehäuse 16 kann beispielsweise eine Schraube- und/oder Clips-Verbindung sein. Des Weiteren ist die Sensor-/Laserkopfeinheit, welche sowohl die Laserleiteinheit 4 als auch die Sensoreinheit 14 umfasst, über zumindest eines der beiden Gehäuseteile 15, 16 mit dem Manipulator 5 starr oder beweglich verbunden. Vorzugsweise ist die Laserleit-/Sensoreinheit 4, 14 jedoch über das Laserleitgehäuse 16 mit dem Manipulator 5 verbunden. Hierdurch kann die Sensoreinheit 14 modular nachrüstbar, insbesondere an einer Seitenfläche des Laserleitgehäuses 15, befestigt sein. Des Weiteren ist bei einem derartigen modularen Aufbau ferner vorstellbar, dass nicht nur eine einzige Sensoreinheit 14, sondern mehrere derartige Sensoreinheiten 14, insbesondere an unterschiedlichen Seitenflächen des Laserleitgehäuses 15 angeordnet sind.
Über die vom Manipulator 5 mit der Laserleiteinheit 4 starr mitbewegte Sensoreinheit 14 können innerhalb eines über das Werkstück 2 bewegbaren Analysebereiches 17 Daten erfasst werden, mittels denen die Positionsgenauigkeit des Prozessortes 8 relativ zur Soll-Bahn 11 verbessert werden kann. Neben dieser Genauigkeitsverbesserung kann ferner der Prozessort 8 selbst überwacht werden, um eine möglichst gute Schweißnahtqualität gewährleisten zu können. Auch kann der Analysebereich 17 dazu genutzt werden, um die Qualität der Schweißnaht 12 zu überprüfen. Um die Sensoreinheit 14 bzw. dessen Analysebereich 17 für zumindest zwei der vorstehend genannten Anwendungen nutzen zu können, ist die Sensoreinheit 14 von der Laserleiteinheit 4 optisch entkoppelt. Infolgedessen wird bei einer Bewegung des Laser-Scannerspiegels 7, über die der Prozessort 8 relativ zum Manipulator 5 abgelenkt wird, der Analysebereich 17 nicht mitbewegt. Der Analysebereich 17 kann somit relativ zum Prozessort 8 frei bewegt werden, wobei dessen Steuerung über die Steuereinheit 13 erfolgt und natürlich auch derart ausgebildet sein kann, dass der Analysebereich zur Prozessortüberwachung auch in den Prozessort 8 positionierbar und mit diesem mitbewegbar ist. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit 14 gemäß 2 als Sensor-Scannereinrichtung 18 ausgebildet. Demnach umfasst die Sensoreinheit 14 einen optischen Sensor 19. Dieser ist im inneren des Sensorgehäuses 16 angeordnet und kann über den Analysebereich 17 Daten des Werkstücks 2 erfassen, mittels denen eine Genauigkeitsverbesserung, Prozessüberwachung und/oder Qualitätsüberprüfung erfolgen kann. Der optische Sensor 19 kann eine Kamera oder aber auch wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Punkt-Abstandssensor sein. Mittels diesem kann punktuell die Oberfläche des Werkstücks 2 zur Datenerfassung abgetastet werden. Das physikalische Wirkprinzip des Punkt-Abstandssensors kann hierbei beispielsweise auf optischer Kohärenztomographie, konoskopischer Holographie und/oder chromatisch-konfokaler Abstandsmessung basieren. Auch ist eine Triangulationsbasierte Abstandsmessung vorstellbar.
Wie in 2 gezeigt umfasst die Sensoreinheit 14 neben dem optischen Sensor 19 ferner zumindest ein optisches Führungselement 20. Mittels diesem ist der Analysebereich 17 des optischen Sensors 19 durch eine der Manipulatorbewegung überlagerte Relativbewegung zusätzlich bewegbar bzw. ablenkbar. Hierfür ist das optische Führungselement 20, das vorliegend insbesondere als Spiegel ausgebildet ist, im Sensorstrahlengang 21 angeordnet, nämlich vorzugsweise zwischen dem Analysebereich 17 und dem Sensor 19. Der Sensorstrahlengang 17 ist somit aufgrund des darin angeordneten Führungselementes 20, insbesondere Spiegels, gefaltet. Des Weiteren ist das Führungselement 20 beweglich ausgebildet. Die Beweglichkeit des Führungselementes 20 kann um eine oder aber auch, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, um mehrere Drehachsen ausgebildet sein. Demnach können beispielsweise zwei zueinander lotrecht ausgerichtete Drehachsen vorliegen, so dass das Führungselement 20 bzw. der bewegliche Spiegel kardanisch gelagert ist.
Je nachdem, um wie viel Drehachsen das Führungselement 20 drehbar gelagert ist, kann mittels diesem entweder eine eindimensionale (in diesem Fall wäre das Führungselement 20 um eine einzige Drehachse drehbar) oder aber auch eine mehrdimensionale Relativbewegung (in diesem Fall wäre das Führungselement 20 um mehrere Drehachsen drehbar) des Analysebereiches 17 bewirkt werden. Wenn die Sensoreinheit 14 ein um eine einzige Drehachse drehbares Führungselement 20 aufweist, muss die Sensoreinheit 14 zur Realisierung einer mehrdimensionalen Relativablenkbarkeit des Analysebereiches 17, in einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, zumindest ein zweites Führungselement 20 umfassen. Hierbei ist vorzugsweise jedes der beiden Führungselemente für eine andere Verschiebungsrichtung zuständig, nämlich beispielsweise das erste Führungselement für eine Relativverschiebung in x-Richtung und das zweite Führungselement für eine Relativverschiebung in y-Richtung.
Gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbespiel wird der Analysebereich 17 bei Auslenkung des mehrachsig bewegbaren Führungselementes 20 durch eine dem Manipulator 5 überlagerte zusätzliche Relativbewegung auf der Oberfläche des Werkstücks 2 innerhalb eines zweidimensionalen Bewegungsbereiches bewegt. Wie bereits vorstehend erwähnt, kann für eine zweidimensionale Bewegbarkeit des Analysebereiches 17 ein einziges bewegliches Führungselement 20 bzw. ein einziger Sensor-Scannerspiegel verwendet werden, der um zumindest zwei Drehachsen drehbar gelagert ist. Es ist aber auch vorstellbar mehrere Sensor-Scannerspiegel bzw. optische Führungselemente 20 zu koppeln, die entsprechend hintereinander im Sensorstrahlengang 21 angeordnet sind. Hierbei können die zumindest zwei beweglichen Führungselemente 20 um jeweils eine einzige Drehachse drehbar gelagert sein, wobei diese beiden Drehachsen zueinander vorzugsweise nicht parallel, sondern winklig und/oder windschief ausgerichtet sind.
Alternativ ist es aber auch ebenso denkbar, dass mehrere um mehrere Drehachsen bewegliche Führungselemente 20 bzw. insbesondere Sensor-Scannerspiegel hintereinander angeordnet sind. Auch ist eine Kombination von zumindest einem einachsigen und zumindest einem mehrachsigen Führungselement 20 bzw. insbesondere Sensor-Scannerspiegel denkbar.
Wie in 2 ersichtlich, weist die Sensor-Scannereinrichtung 18 zur zusätzlichen Faltung des Strahlengangs 21 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zumindest einen Sensorumlenkspiegel 22 auf. Dieser ist im Gegensatz zum Führungselement 20 unbeweglich ausgebildet. Er dient demnach ausschließlich zum Knicken bzw. Falten des Sensorstrahlengangs 21, so dass das Bauvolumen der Sensor-Scannereinrichtung 18 reduziert werden kann. Des Weiteren umfasst die Sensor-Scannereinrichtung 18 ein axial bewegliches optisches Element 27. Die Verschiebung des optischen Elementes 27 bewirkt eine Verschiebung der Fokusposition in axialer Richtung. Ferner weist die Sensor-Scannereinrichtung 18 ein Objektiv 28 auf. Die Anordnung des optischen Elements 27 sowie des Objektivs 28 entspricht derjenigen der Laser-Scannereinrichtung 6. Es versteht sich von selbst, dass der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellte schematische Aufbau der Sensor-Scannereinrichtung 6 auch mehrere Sensorumlenkspiegel 22 sowie weitere optische Elemente aufweisen kann. Auch kann die Anordnung dieser Elemente zueinander von dem dargestellten Ausführungsbeispiel abweichen. So ist beispielsweise denkbar, dass das Objektiv 26 auch vor dem Führungselement 20 bzw. Sensor-Scannerspiegel angeordnet ist. Des Weiteren kann die Sensor-Scannereinrichtung 18 in einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel auch kein optisches Element 27 und/oder kein Objektiv 28 umfassen.
In einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die beiden optischen Elemente 10, 27 der jeweiligen Scannereinrichtung 6, 18 miteinander mechanisch gekoppelt sein, so dass diese als Einheit in Axialrichtung verfahrbar sind. In diesem Fall wären die beiden Scannereinrichtungen 6, 18 in x- und y-Richtung entkoppelt und in z-richtung mechanisch gekoppelt. Das optische Führungselement 20 bzw. der Sensor-Scannerspiegel der Sensoreinheit 14 kann über zumindest einen in den Figuren nicht dargestellten Aktuator um zumindest eine Drehachse bewegt werden. Gleiches trifft auf den Laser-Scannerspiegel 7 zu. Bei diesen Aktuatoren kann es sich beispielsweise um galvanometrische, akustooptische, piezoelektrische und/oder elektromotorische Aktuatoren handeln.
Diese Aktuatoren können über die Steuereinheit 13 angesteuert werden (vgl. 1). Die Steuereinheit 13 kann optional mehrere Steuerungen umfassen, mittels denen jeweils der Manipulator 5, der zumindest eine Laser-Scannerspiegel 7 und/oder das zumindest eine optische Führungselement 20 ansteuerbar sind. Hierfür umfasst die Steuereinheit 13 vorzugsweise eine in den Figuren nicht näher dargestellte Manipulatorsteuerung und/oder zumindest eine Scannersteuerung, mittels der der zumindest eine Laser-Scannerspiegel 7 der Laserleiteinheit 4 und/oder der zumindest eine Sensor-Scannerspiegel 20 der Sensoreinheit 14 ansteuerbar ist. Alternativ kann die Laserleiteinheit 4 und die Sensoreinheit 14 auch jeweils eine separate Scannersteuerung aufweisen. Die Steuerungen sind miteinander elektrisch verbunden, so dass zwischen diesen eine Kommunikation erfolgen kann, insbesondere zur gewünschten Positionierung des Prozessortes 8 und des Analysebereiches 17 auf dem Werkstück 2.
Abweichend zu dem in 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist es vorteilhaft, wenn der Sensor-Scannerspiegel bzw. das optische Führungselement 20 im Vergleich zum Laser-Scannerspiegel 7 kleiner, d.h. eine kleinere Fläche aufweisend, ausgebildet ist. Hierdurch ist die Sensor-Scannereinrichtung 18 im Vergleich zur Laser-Scannereinrichtung 6 dynamischer, so dass der Analysebereich 17 im Vergleich zum Prozessort 8 schneller auf der Oberfläche des Werkstücks 2 bewegt werden kann.
Aufgrund der optischen Entkopplung von Sensoreinheit 14 und Laserleiteinheit 4 kann, wie bereits vorstehend ausgeführt, der Analysebereich 17 losgelöst vom Prozessort 8 bewegt werden. Wie insbesondere in der in 3 dargestellten Detailansicht der Prozessortumgebung ist es demnach insbesondere zur Genauigkeitsverbesserung und zur Qualitätsüberprüfung möglich, sowohl in Bearbeitungsrichtung vor als auch hinter dem Prozessort 8 Daten zu erfassen. Zur Begünstigung einer schnellen Bewegbarkeit des Analysebereiches 17 zwischen zwei zu analysierenden Orten und zur Begünstigung einer damit einhergehenden schnellen Datenerfassung wird eine ruckartige bzw. abgehakte Bewegung des optischen Führungselementes 20 vermieden. Infolgedessen wird der Analysebereich 17 gemäß 3 von der Steuereinheit 13 auf einer geschlossenen und/oder gekrümmten Analysebahn 23 zyklisch um den Prozessort 8 bewegt. Hierdurch kann eine fließende Bewegung des optischen Führungselementes 20 bzw. des Sensor-Scannerspiegels sichergestellt werden. Im Vergleich zu einer geradlinigen und folglich ruckartigen Bewegung des Analysebereiches 17 – bei der die Bewegung des Führungselementes 20 stets auf null abgebremst und der Analysebereich 17 wieder in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt werden müsste – kann der Analysebereich 17 bei einer kontinuierlichen zyklischen Bewegung des Führungselementes 20 schneller zwischen zwei zu analysierenden Orten des Werkstücks 2 verfahren werden.
In dem in den Figuren abgebildeten Beispiel wird die Sensoreinheit 14 sowohl zur Genauigkeitsverbesserung als auch zur Qualitätsüberprüfung eingesetzt. Hierfür wird der Analysebereich 17 gemäß 3 zyklisch auf der vorliegend elliptischen Analysebahn 23 um den Prozessort 8 bewegt. Zur Erhöhung der Auswertegeschwindigkeit ist die Sensoreinheit 14 bzw. deren Steuerung derart ausgebildet, dass die vom Sensor 19 im Analysebereich 17 erfassten Sensordaten zur Genauigkeitsverbesserung ausschließlich in einem ersten Analyseintervall 24 ausgewertet werden. Das erste Analyseintervall 24 der Analysebahn 23 ist hierbei im Schnittbereich der Analysebahn 23 mit der Soll-Bahn 11 angeordnet. Des Weiteren ist die Sensoreinheit 14 zur Qualitätsüberprüfung derart ausgebildet, dass die im Analysebereich 17 punktuell erfassten Sensordaten in einem zweiten Analyseintervall 25 der Analysebahn 23 ausgewertet werden. Dieses zweite Analyseintervall 25 befindet sich im Schnittbereich zwischen der Analysebahn 23 und der Schweißnaht 12. Hierdurch kann die zur Genauigkeitsverbesserung und Qualitätsüberprüfung erforderliche Datenmenge reduziert werden, da nur die relevanten Bereiche ausgewertet werden. Vorteilhafterweise kann somit die Auswertegeschwindigkeit erhöht werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Remote-Laserbearbeitung
2: Werkstück
3: Bearbeitungslaser
4: Laserleiteinheit
5: Manipulator
6: Laser-Scannereinrichtung
7: Laser-Scannerspiegel
8: Prozessort
9: Laserumlenkspiegel
10: erstes optisches Element
11: Soll-Bahn
12: Schweißnaht
13: Steuereinheit
14: Sensoreinheit
15: Laserleitgehäuse
16: Sensorgehäuse
17: Analysebereich
18: Sensor-Scannereinrichtung
19: optischer Sensor
20: optisches Führungselement
21: Sensorstrahlengang
22: Sensorumlenkspiegel
23: Analysebahn
24: erstes Analyseintervall
25: zweites Analyseintervall
26: erstes Objektiv
27: zweites optisches Element
28: zweites Objektiv

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20200600591 U1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Remote-Laserbearbeitung von zumindest einem Werkstück (2) mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (3) mit einer Laserleiteinheit (4) und zumindest einer von der Laserleiteinheit (4) optisch entkoppelten Sensoreinheit (14), die gemeinsam von einem Manipulator (5), insbesondere um und/oder entlang mehrerer Manipulatorachsen, bewegbar sind und/oder zu denen das Werkstück (2) mittels eines Manipulators, insbesondere um und/oder entlang mehrerer Manipulatorachsen, relativ bewegbar ist, wobei der Bearbeitungslaserstrahl (3) mittels der Laserleiteinheit (4) zu einem Prozessort (8) auf dem Werkstück (2) leitbar ist und die Sensoreinheit (14) einen optischen Sensor (19) zum Erfassen eines Analysebereiches (17) auf dem Werkstück (2) und Mittel zum Bewegen des Analysebereiches (17) relativ zur Bewegung des Manipulators (5) und/oder Werkstücks (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (14) als Mittel zum Bewegen des Analysebereiches zumindest ein optisches, insbesondere zumindest teilweise reflektierendes, Führungselement (20) aufweist, das im Strahlengang (21) zwischen dem Analysebereich (17) und dem Sensor (19) angeordnet ist und das derart beweglich ausgebildet ist, dass die Position des Analysebereiches (17) auf dem Werkstück (2) durch eine der Manipulator- und/oder Werkstückbewegung überlagerte Relativbewegung veränderbar ist.
Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Analysebereiches (17) innerhalb eines, insbesondere zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen, Bewegungsbereiches veränderbar ist, wobei der maximale Bewegungsbereich vorzugsweise durch die maximale Auslenkbarkeit des zumindest einen Führungselementes (20) bestimmt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (14) und die Laserleiteinheit (4) mechanisch und/oder starr miteinander gekoppelt sind, wobei vorzugsweise die Sensoreinheit (14) und die Laserleiteinheit (4) als gemeinsame Manipulationseinheit, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse, ausgebildet sind oder die Laserleiteinheit (4) ein, insbesondere mit dem Manipulator (5) verbundenes, Laserleitgehäuse (15) und/oder die Sensoreinheit (14) ein Sensorgehäuse (16) aufweist, das mit dem Laserleitgehäuse (15), insbesondere an einer Unterseite und/oder einer Seitenfläche des Laserleitgehäuses (15) und/oder lösbar, verbunden ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Führungselement (20) als beweglicher Spiegel ausgebildet ist und/oder um zumindest eine Drehachse drehbar ist, insbesondere kardanisch gelagerter ist und/oder dass die Sensoreinheit (14) zumindest einen, insbesondere galvanometrischen, akustooptischen, piezoelektrischen und/oder elektromotorischen, Aktuator zum Bewegen des Führungselementes (20) aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (19) unmittelbar oder mittelbar, insbesondere unter Zwischenschaltung eines Umlenkspiegels (22) und/oder einer Linse, auf das Führungselement (20), insbesondere dessen Zentrum, ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (19) eine Kamera und/oder ein Abstandssensor, insbesondere ein Punkt-Abstandssensor für ein koaxiales Messverfahren, vorzugsweise zur optischen Kohärenztomographie, konoskopischen Holographie, chromatisch-konfokalen Abstandsmessung und/oder Laufzeitmessung, ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungslaserstrahl (3) mittels der Laserleiteinheit (4) relativ zur Bewegung des Manipulators (5) derart bewegbar ist, dass der Prozessort (8) auf dem Werkstück (2) entlang einer Soll-Bahn (11) führbar ist, wobei die Laserleiteinheit (4) vorzugsweise als eine Laser-Scannereinrichtung (6) mit zumindest einem beweglichen Laser-Scannerspiegel (7) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (14) eine Sensor-Scannereinrichtung (18), vorzugsweise mit zumindest einem das Führungselement (20) bildenden Sensor-Scannerspiegel, umfasst, dass der Sensor-Scannerspiegel kleiner als der Laser-Scannerspiegel (7) ausgebildet ist und/oder dass der Sensor-Scannerspiegel eine Beschichtung aufweist, die sich von der des Laser-Scannerspiegels (7) unterscheidet.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (14) eine Beleuchtungsquelle zum zumindest bereichsweise Beleuchten des Werkstücks (2) aufweist, die mit dem Manipulator (5) mitbewegbar ist, wobei die Beleuchtungsquelle vorzugsweise an dem gemeinsamen Gehäuse, dem Laserleitgehäuses (15) und/oder dem Sensorgehäuses (16), insbesondere an einer Außenseite und/oder lösbar, befestigt ist, die in den Strahlengang (21) der Laser-Scannereinrichtung (6) oder der Sensor-Scannereinrichtung (18) eingekoppelt ist, so dass diese mittels des Laser-Scannerspiegels (7) mit dem Prozessort (8) und/oder mittels des Führungselementes (20) mit dem Analysebereich (17) mitbewegbar ist, und/oder die mittels einer separaten Beleuchtungs-Scannereinrichtung von der Laser-Scannereinrichtung (6) und der Sensor-Scannereinrichtung (18) optisch entkoppelt relativ zum Manipulator (5) bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuereinheit (13), insbesondere mit einer Manipulatorsteuerung und/oder einer Scannersteuerung, aufweist, mittels der die, vorzugsweise offline vorbestimmte und/oder abgespeicherte, Bewegung des Manipulators (5), die Relativbewegung des zumindest einen Laser-Scannerspiegels (7), die Relativbewegung des zumindest einen Führungselementes (20) der Sensoreinheit (14) und/oder die Relativbewegung zumindest eines Beleuchtungs-Scannerspiegels steuerbar ist, wobei vorzugsweise die Manipulatorsteuerung und die zumindest eine Scannersteuerung derart miteinander kommunizieren, dass der Bewegungsablauf des Manipulators und des Scannerspiegels zueinander koordinierbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13), insbesondere die Scannersteuerung, derart ausgebildet ist, dass das zumindest eine Führungselement (20) der Sensoreinheit (14) derart ansteuerbar ist, dass der Analysebereich (17) zur Genauigkeitsverbesserung dem Prozessort (8) in Bearbeitungsrichtung vorgelagert und/oder im Bereich der zu bearbeitenden Soll-Bahn (11) positionierbar ist und/oder dem Prozessort (8) in einem, insbesondere konstanten und/oder variablen, Abstand vorausführbar ist, dass der Analysebereich (17) zur Prozessüberwachung im Prozessort (8) positionierbar ist und/oder mit diesem mitführbar ist und/oder dass der Analysebereich (17) zur Qualitätsüberprüfung, insbesondere einer Schweißnaht (12) oder Schnittkante, dem Prozessort (8) in Bearbeitungsrichtung nachgelagert und/oder im Bereich der bearbeiteten Ist-Bahn positionierbar ist und/oder dem Prozessort (8) in einem, insbesondere konstanten und/oder variablen, Abstand nachführbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Führungselement (20) der Sensoreinheit (14) mittels der Steuereinheit (13) derart ansteuerbar ist, dass der Analysebereich (17) auf einer geschlossenen und/oder gebogenen, insbesondere kreis- oder ellipsenförmigen, Analysebahn (23), insbesondere zyklisch, um den Prozessort (8) führbar ist oder dass der Analysebereich (17) auf einer offenen, insbesondere linearen oder gebogenen, Analysebahn, insbesondere zwischen zwei Endpunkten der Analysebahn, pendelnd und/oder in Bearbeitungsrichtung vor oder hinter dem Prozessort (8) führbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) derart ausgebildet ist, dass die vom Sensor (19) erfassten Sensordaten zur Genauigkeitsverbesserung in einem ersten Analyseintervall (24), insbesondere wenn sich der Analysebereich (17) auf der Analysebahn (23) im Schnittbereich mit der Soll-Bahn (11) befindet, und/oder zur Qualitätsüberprüfung in einem zweiten Analyseintervall (25), insbesondere wenn sich der Analysebereich (17) auf der Analysebahn (23) im Schnittbereich mit der Ist-Bahn, insbesondere der Schweißnaht (12), befindet, auswertbar sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) die Position des Analysebereiches (17) und/oder die Position und/oder Orientierung der Analysebahn relativ zum Prozessort (8) in Abhängigkeit der offline ermittelten und/oder abgespeicherten Geometriedaten eines Referenzwerkstücks, der, insbesondere offline festgelegten, abgespeicherten und/oder online erfassten Bewegungsdaten des Manipulators (5), der, insbesondere offline festgelegten und/oder abgespeicherten und/oder online ermittelten, Bewegungsdaten des zumindest einen Laser-Scannerspiegels (7), der offline festgelegten und/oder abgespeicherten Nährungsposition der Soll-Bahn (11), der online genauigkeitsverbesserten Soll-Position der Soll-Bahn (11) und/oder der online ermittelten Ist-Position der Ist-Bahn zu bestimmen vermag.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13), insbesondere die Scannersteuerung, derart ausgebildet ist, dass mittels dieser die Sensoreinheit (14) kalibrierbar ist, wobei die Steuereinheit (13) vorzugsweise einen Sensorarbeitsraum zumindest einer Sensoreinheit (14) mit einem Laserarbeitsraum der Lasereinheit oder die Sensorarbeitsräume zumindest zweier separaten Sensoreinheiten zueinander abzugleichen vermag.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleiteinheit (4) und die Sensoreinheit (14) jeweils ein im jeweiligen Strahlengang angeordnetes und/oder axialverschiebbares optisches Element, insbesondere eine Linse, aufweisen, die mittels einer gemeinsamen Verschiebungseinrichtung als Einheit, insbesondere zueinander parallel, verfahrbar sind.