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Die Erfindung betrifft eine Bearbeitungsvorrichtung, die mit einer Vorrichtung zum Überwachen gekoppelt ist, und ein Verfahren zum Überwachen eines mit der Bearbeitungsvorrichtung ausgeführten Bearbeitungsprozesses. Die Bearbeitungsvorrichtung weist eine Bearbeitungsstrahlquelle und eine Bearbeitungsstrahloptik auf, wobei die Bearbeitungsstrahloptik eine bewegbare erste Ablenkvorrichtung umfasst. Der Bearbeitungsprozess wird entlang eines vorbestimmten Hauptbearbeitungspfades auf einem Werkstück mittels eines von der Bearbeitungsstrahlquelle ausgesandten hochenergetischen Bearbeitungsstrahls ausgeführt, der in einer Bearbeitungsrichtung relativ zu dem Werkstück bewegbar ist. Dabei umfasst die Vorrichtung eine mit der Bearbeitungsvorrichtung verbindbare oder verbundene Messvorrichtung zum Durchführen von Positionsmessungen, respektive Geometriemessungen, mittels eines OCT-Messstrahls (Englisch: optical coherence tomography, OCT) auf dem Werkstück, die einen optischen Kohärenztomographen mit einer Messstrahlquelle aufweist.
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Derartige Vorrichtungen, die während eines Bearbeitens eines Werkstücks ein gleichzeitiges Überwachen der Bearbeitung ermöglichen, sind aus dem Stand der Technik bekannt und finden insbesondere bei Laserschweißprozessen Anwendung. Hierbei wird ein hochenergetischer Bearbeitungsstrahl in Form eines Laserbearbeitungsstrahls verwendet, um beispielsweise zwei Werkstücke oder Werkstückteile im Bereich eines Überlappstoßes, einer Nahtfuge und/oder Fügekante miteinander zu verbinden.
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Dabei ist die Vorrichtung mit der Bearbeitungsvorrichtung gekoppelt und kann an einem Roboter angebracht sein, sodass diese gemeinsam mittels des Roboters in der Bearbeitungsrichtung entlang des Hauptbearbeitungspfads bewegt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungsstrahl auch durch ein Verlagern des Bearbeitungsstrahls und/oder ein Bewegen des Werkstücks realisiert werden.
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Beispielsweise wird bei dem sogenannten Remote-Laserstrahlschweißen der Bearbeitungsstrahl durch bewegbare Optiken, wie beispielsweise Galvanometerscanner, zusätzlich zu der Roboterbewegung auf der Werkstückoberfläche verlagert. Insbesondere können hierbei Oszillationsbewegungen des Laserstrahls entlang des Bearbeitungspfads erzeugt werden. Eine derartige Prozessführung wird im Fachbereich des Laserschweißens als „Wobbeln“ bezeichnet und kann zum Erzielen einer hohen Schweißnahtgüte sowie zum Überbrücken großer Spaltweiten zwischen Werkstücken verwendet werden. Allerdings ist ein präzises Führen und Positionieren des Bearbeitungsstrahls entlang des Hauptbearbeitungspfads trotz der schnellen Wobbelbewegung in der Praxis häufig problematisch, weshalb eine gleichzeitige Prozessüberwachung bzw. -regelung erforderlich ist.
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Der Artikel „Nahtgeführtes Laserstrahl-Remoteschweißen mit Strahloszillation“, Müller et al., Firma Scansonic Holding SE, beschreibt ein System, das eine optische Nahtführung mit einer Laserstrahloszillation mittels hochdynamischen Galvanometerscannern kombiniert. Durch dieses System soll ein genaues Bearbeiten miteinander zu verschweißender Werkstücke im Bereich von Kehlnähten an einem Überlappstoß sowie I-Nähten realisierbar sein. Das System umfasst eine Lichtschnittsensorik, die den Fügestoß während des Bearbeitungsprozesses erfasst. Dazu werden drei dem Laserbearbeitungsstrahl in Bearbeitungsrichtung konstant vorlaufende Lichtlinien zum Detektieren des Fügestoßes erzeugt, um den nachlaufenden oszillierenden Laserbearbeitungsstrahl in Abhängigkeit davon zu führen.
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Ferner offenbart das Dokument
DE 10 2014 008 265 B3 der Anmelderin eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks, die eine Bearbeitungsstrahloptik und eine Visualisierungsstrahloptik mit einer gemeinsamen Ablenkvorrichtung umfasst. Die Ablenkvorrichtung ist dazu eingerichtet, einen Bearbeitungsstrahl und einen Visualisierungsstrahl in oszillierender Weise abzulenken. Der Visualisierungsstrahl wird von dem Werkstück über die Ablenkvorrichtung zu einer Visualisierungsvorrichtung geführt. Die als Kamera ausgebildete Visualisierungsvorrichtung erfasst einen Gesamtbildbereich um die aktuelle Bearbeitungsposition herum. Aus dem jeweils erfassten Gesamtbildbereich wird in Abhängigkeit einer aktuellen Verlagerung des Visualisierungsstrahls jeweils ein Teilerfassungsbereich zur Prozessüberwachung herangezogen. Dieser ist derart gewählt, dass der Hauptbearbeitungspfad trotz der Oszillationsbewegung stets mittig in dem Teilerfassungsbereich liegt.
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Dokument
DE 10 2013 110 524 A1 beschreibt eine weitere Vorrichtung, bei der ein Bearbeitungsstrahl zum Fügen von Werkstücken in oszillierender Weise entlang eines Fügestoßes bewegt wird. Während des Bearbeitens werden dabei mittels einer Kamera Bilder des Fügebereichs aufgenommen.
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Des Weiteren ist aus dem Dokument
DE 20 2014 105 648 U1 eine Fügevorichtung zum Fügen eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück an einem Überlappungsstoß mittels eines oszillierenden Bearbeitungsstrahls bekannt.
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Obgleich mit diesen Wobbelbearbeitungsprozessen gemäß dem Stand der Technik die Vorteile einer verbesserten Schweißnahtgüte und eines Überbrückens großer Spaltweiten ermöglicht werden, weist die dabei eingesetzte Prozessüberwachung Nachteile auf. Insbesondere sind die mittels eines bekannten Visualisierungsstrahls erfassbaren Messinformationen begrenzt und es können keine präzisen Aussagen über Höheninformationen der Werkstückoberfläche und/oder Eindringtiefe des Bearbeitungsstrahls getroffen werden. Dies wirkt sich negativ auf die erreichbare Qualität der Prozessüberwachung aus und beschränkt das Regeln des Bearbeitungsprozesses.
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Bei herkömmlichen Laserbearbeitungsvorrichtungen wird daher anstelle von Visualisierungsvorrichtungen zum Überwachen des Bearbeitungsbereichs vermehrt die optische Kohärenztomographie eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird ein durch eine Messstrahlquelle eines optischen Kohärenztomographen erzeugter OCT-Messstrahl dazu verwendet, Höhenunterschiede entlang einer Messstrahlachse zu erfassen. Dadurch ermöglicht dieses Verfahren eine verbesserte und dreidimensionale Prozessüberwachung.
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Vor diesem Hintergrund versteht sich, dass das Durchführen von Positionsmessungen mittels eines OCT-Messstrahls im Sinne der Erfindung als ein Erfassen von Messinformationen an einer aktuellen Messposition auf dem Werkstück zu verstehen ist. Diese Messinformationen können Höheninformationen der jeweiligen Messposition umfassen, d.h. topographische Informationen der Werkstückoberfläche und/oder Informationen bezüglich der Eindringtiefe des Bearbeitungsstrahls. Ferner können die Messinformationen weitere Informationen umfassen, beispielsweise über die Lage der aktuellen Messposition auf dem Werkstück, die mit den Höheninformationen verknüpft werden können.
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Ein Überwachen des Bearbeitens durch die erfindungsgemäße Messvorrichtung ermöglicht eine umfassende Qualitätssicherung des Bearbeitungsprozesses. Darüber hinaus kann das Durchführen von Positionsmessungen im Sinne der Erfindung auch zum Regeln des Bearbeitungsprozesses verwendet werden, indem Prozessparameter nach Maßgabe der erfassten Messinformationen während des Bearbeitens angepasst werden. Der grundlegende Aufbau eines optischen Kohärenztomographen der beschriebenen Messvorrichtung, mit einem Strahlteiler, Referenzarm, Messarm, etc., sowie das Prinzip der Nutzung von Interferenzeffekten von Lichtwellen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
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Ein derartiges Überwachen eines Bearbeitungsprozesses mittels einer OCT-Abtastvorrichtung ist beispielsweise aus dem Dokument
EP 1 977 850 B1 bekannt. Die darin beschriebene Abtastvorrichtung umfasst eine Ablenkeinrichtung mit einem beweglich aufgehängten Schwenkspiegel. Dieser ist dazu eingerichtet, einen Messstrahl sowie Reflexionsstrahlen zum Abtasten der Werkstückoberfläche abzulenken. Des Weiteren beschreibt das Dokument
DE 10 2013 015 656 A1 ein Verfahren zum Messen der Eindringtiefe eines Laserstrahls in ein Werkstück sowie eine zugehörige Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst einen optischen Kohärenztomographen, der dazu eingerichtet ist, zwei Messstrahlen zu erzeugen. Wenigstens einer der beiden Messstrahlen wird mittels einer bewegbaren Ablenkvorrichtung abgelenkt, um einen Bereich um eine Bearbeitungsposition eines Bearbeitungsstrahls auf dem Werkstück zu erfassen.
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Ein Nachteil dieser beiden zuvor beschriebenen Vorrichtungen besteht darin, dass der Messstrahl jeweils entkoppelt von dem Bearbeitungsstrahl abgelenkt wird. Insbesondere ist bei diesen Vorrichtungen kein dynamisches Ablenken des Bearbeitungsstrahls möglich.
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Eine Weiterbildung dieses Standes der Technik ist in dem Dokument
DE 10 2013 008 269 A1 beschrieben, welches als der nächstliegende Stand der Technik der vorliegenden Erfindung angesehen wird. Dieses Dokument offenbart eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Laserstrahlquelle und einem Bearbeitungskopf. Der Bearbeitungskopf umfasst einen optischen Kohärenztomographen sowie eine bewegbare Scaneinrichtung. Diese Scaneinrichtung ist dazu eingerichtet, einen erzeugten Laserstrahl und einen OCT-Messstrahl gemeinsam abzulenken und auf der Werkstückoberfläche zu verlagern.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die ein präzises Überwachen eines Bearbeitungsprozesses ermöglichen, der zum Erreichen einer verbesserten Bearbeitungsgüte eingesetzt wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen werden aus den Unteransprüchen 2 bis 11 sowie der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.
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Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, wobei die bewegbare erste Ablenkvorrichtung ferner dazu eingerichtet ist, beim Bearbeiten entlang des Hauptbearbeitungspfads den Bearbeitungsstrahl in oszillierender Weise relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad abzulenken. Die bewegbare erste Ablenkvorrichtung ist zudem dazu eingerichtet, den OCT-Messstrahl abzulenken. Dabei führt die Messvorrichtung die Positionsmessungen mittels des OCT-Messstrahls unter Berücksichtigung der Ablenkbewegung des OCT-Messstrahls durch die erste Ablenkvorrichtung durch. Da die erste Ablenkvorrichtung erfindungsgemäß dazu ausgebildet ist, sowohl den Bearbeitungsstrahl als auch den OCT-Messstrahl abzulenken, kann die Messvorrichtung die Positionsmessungen mittels des OCT-Messstrahls auch unter Berücksichtigung der Ablenkbewegung des OCT-Messstrahls und des Bearbeitungsstrahls durch die erste Ablenkvorrichtung durchführen. Mit anderen Worten können die Positionsmessungen nach Maßgabe der Ablenkbewegung der ersten Ablenkvorrichtung durchgeführt werden.
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Gegenüber dem Stand der Technik verknüpft die vorliegende Erfindung auf konstruktive Weise eine präzise Prozessüberwachung durch Anwendung der optischen Kohärenztomographie mit einer Bearbeitung des Werkstücks mittels eines wobbelnden bzw. oszillierenden Bearbeitungsstrahls. Der eingangs diskutierte Stand der Technik zieht ein Verlagern des Bearbeitungsstrahls in oszillierender Weise bei einer Prozessüberwachung mittels optischer Kohärenztomographie nicht in Betracht. Demgegenüber hebt sich gemäß der vorliegenden Erfindung ein Ablenken des OCT-Messstrahls mit derselben ersten Ablenkvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Bearbeitungsstrahl in oszillierender Weise relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad abzulenken, vom Stand der Technik ab. Bekannte Vorrichtungen sehen im Hinblick auf Wobbelbearbeitungsprozesse ein vollständiges Entkoppeln eines überwachenden Visualisierungsstrahls von dem oszillierenden Bearbeitungsstrahl vor oder verwenden eine Kompensation der Oszillationsbewegung bei der Auswertung des Visualisierungsstrahls im Falle eines gekoppelten Ablenkens. Diese vorgeschlagenen Lösungen würden in Verbindung mit einem OCT-Messsystem, bei dem der OCT-Messstrahl im Wesentlichen koaxial zum Bearbeitungsstrahl eingekoppelt wird, zu einer komplexen Auswertung führen. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die zu übertragende große Informations- bzw. Datenmenge und den Umgang mit den Einflüssen durch die Latenzzeit.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben hingegen erkannt, dass ein Verknüpfen eines Überwachens mittels eines OCT-Messstrahls mit einem Wobbelbearbeitungsprozesses vorteilhaft ist. Hierzu wird gerade die Ablenkbewegung des OCT-Messstrahls, oder des OCT-Messstrahls und des Bearbeitungsstrahls, durch ein und dieselbe erste Ablenkvorrichtung genutzt, um die Positionsmessungen durchzuführen. Durch diese Verknüpfung und die vorgeschlagene Lösung kann die zum Überwachen und Regeln des Bearbeitungsprozesses erforderliche Informationsmenge reduziert werden. Zudem wird eine Vorrichtung bereitgestellt, mit der ein dreidimensional überwachtes Bearbeiten von Kehlnähten ermöglicht wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die bewegbare erste Ablenkvorrichtung auch den OCT-Messstrahl in oszillierender Weise relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad auf der Werkstückoberfläche ablenken. Dabei beschreibt die oszillierende Relativbewegung in Bezug auf den OCT-Messstrahl, wie auch in Bezug auf den Bearbeitungsstrahl, insbesondere eine Oszillation um den Hauptbearbeitungspfad herum, wobei der Hauptbearbeitungspfad eine Referenzlage der Oszillationsbewegung definiert. Die Oszillation kann in Form einer pendelnden, sinusförmigen, sägezahnförmigen, kreis- bzw. helixförmigen oder sonstigen Oszillationsbewegung erfolgen. In der Gesamtbetrachtung folgt diese Oszillationsbewegung im Wesentlichen der beschriebenen Bearbeitungsrichtung relativ zu dem Werkstück, wobei diese Bearbeitungsrichtung die grundsätzliche Gesamtrichtung der Bearbeitung vorgibt und nicht die wechselnden Richtungen auf der oszillierenden Kurve beschreibt.
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In der zuvor genannten Weiterbildung kann die Vorrichtung ferner eine Auswerteeinheit umfassen, die optional als Teil der Messvorrichtung oder als separate Komponente ausgebildet sein kann. Die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, durch den optischen Kohärenztomographen erfasste Messinformationen, insbesondere Höheninformationen, der Positionsmessungen in Zusammenhang mit der Ablenkbewegung des OCT-Messstrahls durch die erste Ablenkvorrichtung zu setzen. Dabei kann die Auswerteeinheit eine Zeitverteilung der Messinformationen ermitteln. Hierzu wird die Oszillationsbewegung des OCT-Messstrahls genutzt, durch welche der Messstrahl zyklisch über den Hauptbearbeitungspfad hinweg und damit zwischen miteinander zu verbindenden Werkstücken bzw. Werkstückteilen verlagert wird.
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Auch wenn man Toleranzen und minimale Höhenunterschiede innerhalb einer Fläche desselben Werkstücks bzw. Werkstückteils unberücksichtigt lässt, können sich die erfassten Höheninformationen bei der zuvor genannten Verlagerung innerhalb eines Zeitintervalls dennoch deutlich voneinander unterscheiden. Genauer gesagt, kann die Positionsmessung Sprünge in den erfassten Höheninformationen anzeigen. Diese Sprünge können darauf zurückzuführen sein, dass der Messstrahl von unterschiedlich hohen oder unterschiedlich hoch angeordneten Werkstücken überspringt, oder dass der Messstrahl zwischen einem Werkstück und einem Fügespalt zwischen den miteinander zu verbindenden Werkstücken geführt wird. An der Stelle des Übergangs ergibt sich dann ein Sprung in den erfassten Messinformationen.
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Im Beispiel eines Bearbeitens einander überlappender Werkstücke kann die Auswerteeinheit mittels der Höheninformationen demnach erkennen, ob sich der OCT-Messstrahl aktuell auf dem oberen oder auf dem unteren Werkstück befindet. Aus diesen Informationen kann die Auswerteeinheit schließlich eine Zeitverteilung ermitteln, sodass festgestellt werden kann, wie lange sich der oszillierende Messstrahl während des vorbestimmten Zeitintervalls auf dem oberen Werkstück bzw. auf dem unteren Werkstück befindet. Entsprechend kann die Auswerteeinheit bei miteinander zu verbindenden Werkstücken, die im Wesentlichen die gleiche Höhe aufweisen, über den dazwischenliegenden Fügespalt eine Zeitverteilung ermitteln, die angibt, wie lange die Positionsmessung während eines Zeitintervalls auf den unterschiedlichen Werkstücken durchgeführt wird. Da die Ablenkbewegung des OCT-Messstrahls und des Bearbeitungsstrahls durch dieselbe erste Ablenkvorrichtung erzeugt werden, kann aus den erfassten Messinformationen Rückschluss darauf gezogen werden, wie lange sich der Bearbeitungsstrahl auf welchem Werkstück bzw. auf welcher Seite des Hauptbearbeitungspfads befindet. Ferner kann aus der Zeitverteilung der Messinformationen der Verlauf der Fügekante ermittelt werden. Es versteht sich, dass die Auswerteeinheit dabei auch eine zugrundeliegende geometrische Bearbeitungsfigur der Oszillationsbewegung berücksichtigen kann. Die geometrische Bearbeitungsfigur kann die Bahn oder Fläche bezeichnen, entlang der die Positionsmessungen oder die Bearbeitung durchgeführt werden. Wie beschrieben kann die Bahn beispielsweise sinusförmig, sägezahnförmig, kreis- bzw. helixförmig, etc. sein und eine definierte Frequenz und Amplitude aufweisen.
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Auf Grundlage der ermittelten Zeitverteilung der Messinformationen kann die Ablenkung durch die erste Ablenkvorrichtung angepasst werden, um eine vorgesehene Sollzeitverteilung herzustellen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Bearbeitungsstrahl zu gleichen Zeitverhältnissen während eines Zeitintervalls auf jedem der zu verbindenden Werkstücke auftreffen soll. Alternativ dazu kann jedoch beispielsweise vorgesehen sein, dass der Bearbeitungsstrahl während eines vorbestimmten Zeitintervalls länger auf dem oberen zweier überlappender Werkstücke geführt werden soll, um ein stärkeres Aufschmelzen des oberen Werkstücks zum Bilden der Schweißnaht vorzusehen. Je nach vorliegender geometrischer Figur der Oszillationsbewegung, kann über die Sollzeitverteilung bestimmt werden, wie weit der Bearbeitungsstrahl ausgehend von dem Hauptbearbeitungspfad in die Flächen der zu bearbeitenden Werkstücke hinein verlagert wird.
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Bei den zuvor genannten Ausführungsformen kann der OCT-Messstrahl den Bearbeitungsstrahl exakt überlagern, sodass der OCT-Messstrahl und der Bearbeitungsstrahl auf dieselbe Position auf dem Werkstück treffen. Diese Variante kann insbesondere im Zusammenhang mit einem Aluminiumschweißprozess vorteilhaft sein, bei dem der Bearbeitungsstrahl in dem Aluminiumwerkstück ein Keyhole mit einer lediglich geringen Tiefe erzeugt, das ein korrektes Erfassen von Höheninformationen mittels des OCT-Messstrahls nicht negativ beeinflusst.
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Alternativ dazu kann der OCT-Messstrahl, beispielsweise bei Stahlschweißprozessen, auf der Werkstückoberfläche einen Versatz zu dem Bearbeitungsstrahl aufweisen. Hierzu kann die Messvorrichtung eine zusätzliche optische Komponente im Strahlengang des OCT-Messstrahls zwischen der Messstrahlquelle und der ersten Ablenkvorrichtung umfassen, die den OCT-Messstrahl zusätzlich zur ersten Ablenkvorrichtung ablenkt und dadurch den Versatz erzeugt. Dieser Versatz kann beispielsweise ein nicht einstellbarer fester Versatz durch eine einmalig ausgerichtete optische Komponente sein. Ferner kann der OCT-Messstrahl hierbei auf dem Werkstück relativ zu dem Bearbeitungsstrahl in Bearbeitungsrichtung betrachtet auf eine Position vor einer aktuellen Bearbeitungsposition verlagert sein. Da der OCT-Messstrahl jedoch weiterhin in oszillierender Weise relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad durch die erste Ablenkvorrichtung abgelenkt wird, kann die zuvor genannte Zeitverteilung der Messinformationen durch die Auswerteeinheit ermittelt werden. Die Verlagerung stellt dabei sicher, dass keine Positionsmessungen innerhalb eines von dem Bearbeitungsstrahl auf dem Werkstück erzeugten Keyholes durchgeführt werden.
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Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung haben den Vorteil, dass die durch die erste Ablenkvorrichtung erzeugte Wobbelbewegung des OCT-Messstrahls direkt genutzt wird, um ein Höhenprofil zu ermitteln und die beschriebenen Sprünge zu erfassen. Hierdurch ist eine Kantenerkennung des Hauptbearbeitungspfads möglich, wobei lediglich ein verhältnismäßig geringer Umfang von zu übertragenden und auszuwertenden Informationen erforderlich ist.
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Die Erfindung sieht vor, dass die Messvorrichtung wenigstens eine bewegbare zweite Ablenkvorrichtung umfasst, die dazu eingerichtet sein kann, den OCT-Messstrahl separat vom Bearbeitungsstrahl abzulenken. Genauer gesagt kann die bewegbare zweite Ablenkvorrichtung in dem Strahlengang des OCT-Messstrahls zwischen der Messstrahlquelle und der ersten Ablenkvorrichtung angeordnet sein, sodass die bewegbare zweite Ablenkvorrichtung nur den OCT-Messstrahl und nicht den Bearbeitungsstrahl ablenkt. Eine derartige zweite Ablenkvorrichtung kann anstelle oder zusätzlich zu der zuvor genannten zusätzlichen optischen Komponente zum Verlagern des OCT-Messstrahls relativ zum Bearbeitungsstrahl vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäß lenkt die bewegbare zweite Ablenkvorrichtung den OCT-Messstrahl nach Maßgabe der Bearbeitungsrichtung des Bearbeitungsstrahls und/oder nach Maßgabe von Bewegungsinformationen der bewegbaren ersten Ablenkvorrichtung ab. Dabei können die Bewegungsinformationen der bewegbaren ersten Ablenkvorrichtung wenigstens eine Bewegungsinformation aus den Folgenden umfassen: wenigstens ein Triggersignal, das einen Umkehrpunkt oder einen Nulldurchgang der Oszillationsbewegung des Bearbeitungsstrahls kennzeichnet; eine aktuelle Ist-Bearbeitungsposition des Bearbeitungsstrahls auf dem Werkstück; eine geometrische Bearbeitungsfigur, die durch die Oszillationsbewegung des Bearbeitungsstrahls ausgeführt wird. Umkehrpunkte der Oszillationsbewegung kennzeichnen Punkte, an denen der Bearbeitungsstrahl oder der OCT-Messstrahl auf seiner jeweiligen vorgesehenen Bahn einen Richtungswechsel vollzieht, also einen Richtungswechsel zwischen einer Bewegung von dem Hauptbearbeitungspfad weg und zu dem Hauptbearbeitungspfad hin. Der Richtungswechsel bezieht sich hierbei nicht auf die grundsätzliche Bearbeitungsrichtung. Ein Nulldurchgang kann dabei einen Schnittpunkt mit dem Hauptbearbeitungspfad oder einem sonstigen Referenzpfad der Oszillationsbewegung darstellen.
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Die bewegbare zweite Ablenkvorrichtung kann gemäß einer Variante der Erfindung nach Maßgabe eines Vergleichs zwischen der aktuellen Ist-Bearbeitungsposition des Bearbeitungsstrahls und einer aktuellen Soll-Messposition des OCT-Messstrahls bewegbar sein, um den OCT-Messstrahl an die aktuelle Soll-Messposition auf dem Werkstück zu verlagern. Alternativ dazu kann die bewegbare zweite Ablenkvorrichtung in einer weiteren Variante der Erfindung nach Maßgabe von Informationen zu der Bearbeitungsrichtung, der geometrischen Bearbeitungsfigur und dem wenigstens einen Triggersignal bewegbar sein, um den OCT-Messstrahl an eine aktuelle Soll-Messposition auf dem Werkstück zu verlagern. Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann die bewegbare zweite Ablenkvorrichtung nach Maßgabe von Informationen lediglich zu der Bearbeitungsrichtung und dem wenigstens einen Triggersignal bewegbar sein, um den OCT-Messstrahl an eine aktuelle Soll-Messposition auf dem Werkstück zu verlagern.
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Die letzten beiden Varianten sind gegenüber der ersten Variante, die auf einem Vergleich der Ist-Bearbeitungsposition und der Soll-Messposition basiert, dahingehend vorteilhaft, dass eine wesentlich geringere Informationsmenge zum Ansteuern bzw. Bewegen der zweiten Ablenkvorrichtung notwendig ist. Dabei können die Informationen zu der Bearbeitungsrichtung, der geometrischen Bearbeitungsfigur und/oder dem wenigstens einen Triggersignal je nach Anwendung erfindungsgemäß wenigstens einmal, regelmäßig oder kontinuierlich übermittelt werden.
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Sofern der OCT-Messstrahl nicht in oszillierender Weise relativ zum Hauptbearbeitungspfad auf dem Werkstück verlagert werden soll, kann die bewegbare zweite Ablenkvorrichtung in einer Weiterbildung der Erfindung relativ zu der ersten Ablenkvorrichtung derart bewegbar sein, dass das Ablenken des OCT-Messstrahls mittels der zweiten Ablenkvorrichtung das oszillierende Ablenken mittels der ersten Ablenkvorrichtung im Wesentlichen vollständig oder vollständig subtraktiv überlagert. Das bedeutet, dass in diesem Fall der OCT-Messstrahl trotz der erfahrenen Ablenkung durch die erste Ablenkvorrichtung, die den Bearbeitungsstrahl in oszillierender Weise ablenkt, keine Oszillationsbewegung auf der Werkstückoberfläche ausführt, weil diese Oszillationsbewegung durch die hierzu gegengleiche Ablenkbewegung kompensiert wird. Das hierzu erforderliche Bewegen der zweiten Ablenkvorrichtung kann insbesondere nach Maßgabe von Informationen gemäß der zuvor genannten ersten oder zweiten Variante realisiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der OCT-Messstrahl mittels der bewegbaren zweiten Ablenkvorrichtung oder einer weiteren optischen Komponente der Messvorrichtung in wenigstens eine Messposition auf dem Werkstück verlagerbar sein. Die Messposition kann in Bearbeitungsrichtung betrachtet wahlweise vor einer vorgesehenen aktuellen Bearbeitungsposition liegen, oder/und in Bearbeitungsrichtung betrachtet im Bereich der vorgesehenen aktuellen Bearbeitungsposition liegen, oder/und in Bearbeitungsrichtung betrachtet hinter der vorgesehenen aktuellen Bearbeitungsposition liegen. Ein derartiges Verlagern des Messstrahls in die genannten Messpositionen ist in der Praxis auch als ein Verlagern des Messstrahls in die Positionen „Pre“, „In“ und „Post“ bekannt. Dieses Verlagern in die Positionen Pre, In und/oder Post kann dabei auf der Werkstückoberfläche einer Oszillationsbewegung des OCT-Messstrahls überlagert sein, d. h. zusätzlich zu dieser vorgesehen sein, oder es kann bei einer vollständigen subtraktiven Kompensation als die einzige Verlagerung des OCT-Messstrahls auf dem Werkstück vorgesehen sein.
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Ferner kann der OCT-Messstrahl in einer Weiterbildung der Erfindung mittels der bewegbaren zweiten Ablenkvorrichtung im Bereich der Messposition vor der Bearbeitungsposition und/oder der Messposition nach der Bearbeitungsposition auf eine Vielzahl von Messpunkten quer zur Richtung des Hauptbearbeitungspfads verlagerbar sein und/oder im Bereich der Messposition in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf eine Vielzahl von Messpunkten in Richtung des Hauptbearbeitungspfads verlagerbar sein.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Überwachen eines mit einer Bearbeitungsvorrichtung ausgeführten Bearbeitungsprozesses, bei dem mittels einer Bearbeitungsstrahlquelle der Bearbeitungsvorrichtung ein hochenergetischer Bearbeitungsstrahl erzeugt wird. Dieser Bearbeitungsstrahl wird entlang eines Hauptbearbeitungspfades auf einem Werkstück in einer Bearbeitungsrichtung relativ zu dem Werkstück bewegt, wobei der Bearbeitungsstrahl mittels einer bewegbaren ersten Ablenkvorrichtung der Bearbeitungsvorrichtung abgelenkt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die Schritte:
- - Erzeugen eines OCT-Messstrahls mittels einer Messstrahlquelle eines optischen Kohärenztomographen einer Messvorrichtung; und
- - Durchführen von Positionsmessungen mittels des OCT-Messstrahls.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass der Bearbeitungsstrahl mittels der bewegbaren ersten Ablenkvorrichtung in oszillierender Weise relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad abgelenkt wird, und dass der OCT-Messstrahl mittels der bewegbaren ersten Ablenkvorrichtung abgelenkt wird. Dabei können die Positionsmessungen mittels des OCT-Messstrahls unter Verwendung der Ablenkbewegung des OCT-Messstrahls durch die erste Ablenkvorrichtung durchgeführt werden.
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In einer Weiterbildung dieses Verfahrens kann der OCT-Messstrahl erfindungsgemäß in oszillierender Weise relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad abgelenkt werden, wobei ferner die Schritte vorgesehen sein können: Ermitteln einer Zeitverteilung aus Messinformationen der Positionsmessungen; und Anpassen des Ablenkens des Bearbeitungsstrahls mittels der bewegbaren ersten Ablenkvorrichtung, nach Maßgabe eines Auswertens der ermittelten Zeitverteilung aus den Messinformationen der Positionsmessungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht außerdem den Schritt vor: Ablenken des OCT-Messstrahls mittels einer bewegbaren zweiten Ablenkvorrichtung der Messvorrichtung.
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Wird der OCT-Messstrahl, genauer gesagt nur der OCT-Messstrahl, zusätzlich durch die zweite bewegbare Ablenkvorrichtung abgelenkt, können erfindungsgemäß ferner die Schritte vorgesehen sein: Übermitteln der aktuellen Bearbeitungsrichtung des Bearbeitungsstrahls; und/oder Übermitteln von Bewegungsinformationen der ersten bewegbaren Ablenkvorrichtung; und Ansteuern der bewegbaren zweiten Ablenkvorrichtung zum Ablenken des OCT-Messstrahls nach Maßgabe der aktuellen Bearbeitungsrichtung und/oder der Bewegungsinformationen. Dabei können die Bewegungsinformationen erfindungsgemäß wenigstens eine Bewegungsinformation aus den Folgenden umfassen: wenigstens ein Triggersignal, das einen Umkehrpunkt der Oszillationsbewegung des Bearbeitungsstrahls kennzeichnet; eine aktuelle Ist-Bearbeitungsposition des Bearbeitungsstrahls auf dem Werkstück; eine geometrische Bearbeitungsfigur, die durch die Oszillationsbewegung des Bearbeitungsstrahls ausgeführt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die bewegbare zweite Ablenkvorrichtung nach Maßgabe eines Vergleichs zwischen der aktuellen Ist-Bearbeitungsposition des Bearbeitungsstrahls und einer aktuellen Soll-Messposition des OCT-Messstrahls angesteuert wird, um den OCT-Messstrahl an die aktuelle Soll-Messposition auf dem Werkstück zu verlagern.
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Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, die bewegbare zweite Ablenkvorrichtung nach Maßgabe der übermittelten Bearbeitungsrichtung, der übermittelten geometrischen Bearbeitungsfigur und des wenigstens einen übermittelten Triggersignals angesteuert wird, um den OCT-Messstrahl an eine aktuelle Soll-Messposition auf dem Werkstück zu verlagern.
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Gemäß einer weiteren Alternative kann die bewegbare zweite Ablenkvorrichtung nach Maßgabe der übermittelten Bearbeitungsrichtung und des wenigstens einen übermittelten Triggersignals angesteuert werden, um den OCT-Messstrahl an eine aktuelle Soll-Messposition auf dem Werkstück zu verlagern.
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Die Bearbeitungsrichtung, die geometrische Bearbeitungsfigur und/oder das wenigstens eine Triggersignal kann dabei erfindungsgemäß wenigstens einmal oder kontinuierlich übermittelt werden.
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In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die bewegbare zweite Ablenkvorrichtung relativ zu der ersten Ablenkvorrichtung erfindungsgemäß derart bewegt werden, dass das Ablenken des OCT-Messstrahls mittels der zweiten Ablenkvorrichtung das oszillierende Ablenken mittels der ersten Ablenkvorrichtung im Wesentlichen vollständig oder vollständig subtraktiv überlagert.
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Ferner kann der OCT-Messstrahl in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der bewegbaren zweiten Ablenkvorrichtung oder einer weiteren optischen Komponente in wenigstens eine Messposition auf dem Werkstück verlagert werden, wobei die Messposition wahlweise in Bearbeitungsrichtung betrachtet vor einer vorgesehenen aktuellen Bearbeitungsposition liegt, oder/und wobei die Messposition in Bearbeitungsrichtung betrachtet im Bereich der vorgesehenen aktuellen Bearbeitungsposition liegt, oder/und wobei die Messposition in Bearbeitungsrichtung betrachtet hinter der vorgesehenen aktuellen Bearbeitungsposition liegt. In den jeweiligen Messpositionen kann der OCT-Messstrahl ferner mittels der zweiten Ablenkvorrichtung oder der weiteren optischen Komponente auf eine Vielzahl von Messpunkten quer zur Richtung des Hauptbearbeitungspfads und/oder in Richtung des Hauptbearbeitungspfads verlagert werden.
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Es versteht sich, dass der Gegenstand der Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale können vom Fachmann beliebig kombiniert werden, ohne dabei vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:
- 1 eine Übersichtsansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 2 eine Darstellung zur Erläuterung eines ersten Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung an einem Überlappstoß;
- 3 eine Darstellung zur Erläuterung des ersten Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung an einem Fügespalt;
- 4 eine Darstellung zur Erläuterung eines zweiten Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine Darstellung zur Erläuterung eines dritten Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung; und
- 6 eine Darstellung zur Erläuterung eines vierten Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine Gesamtanordnung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Diese ist mit einer Bearbeitungsvorrichtung 12 gekoppelt und umfasst eine Messvorrichtung 14.
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Die Bearbeitungsvorrichtung 12 weist eine Bearbeitungsoptik 13 mit einer Schnittstelle 16 auf, in die über eine optische Faser ein Laserstrahl, im Folgenden Bearbeitungsstrahl 18 genannt, zum Bearbeiten eines Werkstücks W von einer nicht gezeigten Laserstrahlquelle eingekoppelt wird. Das zu bearbeitende Werkstück W besteht in dem gezeigten Beispiel aus einem ersten Werkstückteil W' und einem zweiten separaten Werkstückteil W'', die miteinander zu verbinden sind. In dem in 1 gezeigten Beispiel sind die beiden Werkstückteile W', W'' in überlappender Weise angeordnet, sodass eine Fügestelle in Form eines Überlappstoßes dargestellt ist. Dieser bildet hier den vorgesehenen Hauptbearbeitungspfad. Es versteht sich, dass alternativ dazu auch ein Überwachen eines Bearbeitens zweier nebeneinander angeordneter Werkstückteile mit einem dazwischenliegenden Fügespalt mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 möglich ist.
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Der Bearbeitungsstrahl 18 durchläuft eine Kollimationslinse 20, die gemäß Pfeil 22 in ihrer Lage verstellbar ist. In der Folge trifft der Bearbeitungsstrahl 18 auf einen halbdurchlässigen Spiegel 24 und wird zu einer bewegbaren ersten Ablenkvorrichtung 26 reflektiert. Die bewegbare erste Ablenkvorrichtung 26 ist in 1 in Form eines Galvanometerscanners ausgebildet, der sich in Richtung der beiden Pfeile 28, 30 verlagern lässt, um den Bearbeitungsstrahl 18 in gewünschter Weise abzulenken. Anstelle des gezeigten Galvanometerscanners 26 ist es möglich, die bewegbare erste Ablenkvorrichtung 26 in Form einer sonstigen verlagerbaren optischen Komponente auszubilden, wie beispielsweise einem Taumelspiegel, einer rotierbaren Keilplatte oder ähnlichem.
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Der ersten bewegbaren Ablenkvorrichtung 26 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Fokuslinse 32 nachgelagert, die von dem Bearbeitungsstrahl 18 durchtreten wird und diesen zum Bearbeiten auf das Werkstück W fokussiert. Es versteht sich, dass alternativ auch eine vorgelagerte Anordnung der Fokuslinse 32 zu der Ablenkvorrichtung möglich ist, um diesen zu fokussieren.
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Die Messvorrichtung 14 umfasst einen optischen Kohärenztomographen 34 (OCT) mit einem OCT-Messgerät 36, das über einen Strahlteiler 38 mit einem Messarm 40 und einem Referenzarm 42 verbunden ist.
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Das OCT-Messgerät 36 ist mit einer Messstrahlquelle 44 zum Erzeugen eines OCT-Messstrahls 46 sowie einem Spektrometer 48 zum Detektieren einer überlagerten Messstrahlung ausgebildet. Des Weiteren kann das OCT-Messgerät 36 einen in 1 gezeigten Zirkulator 50 umfassen, der den Strahlteiler 38 über eine Transportfaser bzw. einen Lichtleiter 52 wahlweise mit der Messstrahlquelle 44 oder dem Spektrometer 48 verbindet.
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Der Messarm 40 des optischen Kohärenztomographen 34 ist mit einer Messoptik 54 der Messvorrichtung 14 verbunden. Über eine Schnittstelle 56 der Messoptik 54 wird der OCT-Messstrahl 46 in die Messoptik 54 eingekoppelt und durchtritt eine verlagerbare Kollimationslinse 58, die in Richtung des Pfeils 60 verstellbar ist. In der Messoptik 54 trifft der OCT-Messstrahl 46 auf eine weitere Ablenkvorrichtung, die in der in 1 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung 10 als eine bewegbare zweite Ablenkvorrichtung 62 ausgebildet ist. Alternativ dazu kann die zweite Ablenkvorrichtung in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung jedoch auch als eine nicht bewegbare oder lediglich um eine Achse schwenkbare Ablenkvorrichtung ausgebildet sein.
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Die bewegbare zweite Ablenkvorrichtung 62 der in 1 gezeigten Ausführungsform ist in Richtung der Pfeile 64, 66 verlagerbar, um den OCT-Messstrahl 46 in gewünschter Weise abzulenken. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zweite Ablenkvorrichtung 62 ebenfalls in Form eines verlagerbaren Galvanometerscanners ausgebildet, wobei auch hier alternativ dazu eine Ausbildung in Form einer sonstigen verlagerbaren optischen Komponente möglich ist, wie beispielsweise einem Taumelspiegel, einer rotierbaren Keilplatte oder ähnlichem.
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Die Bearbeitungsoptik 13 der Bearbeitungsvorrichtung 12 und die Messoptik 54 der Messvorrichtung 14 sind in einer Weise miteinander gekoppelt, dass sie eine gemeinsame Schnittstelle 68 aufweisen. Über diese gemeinsame Schnittstelle 68 wird der OCT-Messstrahl 46 nach dem Ablenken durch die zweite Ablenkvorrichtung 62 in die Bearbeitungsvorrichtung 12 eingekoppelt. Genauer gesagt trifft der OCT-Messstrahl 46 auf den halbdurchlässigen Spiegel 24 und durchtritt diesen, wodurch der OCT-Messstrahl 46 den Bearbeitungsstrahl 18 im Wesentlichen koaxial überlagert. Somit trifft der OCT-Messstrahl 46 ebenfalls auf die bewegbare erste Ablenkvorrichtung 26 und durchtritt anschließend die Fokuslinse 32, nachdem er von der bewegbaren ersten Ablenkvorrichtung 26 abgelenkt worden ist.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine exakte Überlagerung des OCT-Messstrahls 46 mit dem Bearbeitungsstrahl 18 gezeigt, sodass zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel 24 und der Werkstückoberfläche lediglich ein gemeinsamer Strahlengang S gezeigt ist. Wie im Nachfolgenden in Bezug auf verschiedene erfindungsgemäße Funktionsprinzipien beschrieben ist, kann der Strahlengang des OCT-Messstrahls 46 jedoch auch von dem Strahlengang des Bearbeitungsstrahls 18 abweichen, sodass diese auf unterschiedlichen Positionen auf der Werkstückoberfläche auftreffen.
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Die bewegbare erste Ablenkvorrichtung 26 ist dazu eingerichtet, den Bearbeitungsstrahl 18 sowie den koaxial überlagerten OCT-Messstrahl 46 in oszillierender Weise relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad abzulenken. Die Verlagerung der Strahlen ist in 1 exemplarisch durch S, S' und S'' wiedergegeben. Die dadurch ausgeführte Oszillationsbewegung stellt eine sinusförmige Bearbeitungsfigur 70 dar, die entlang des Hauptbearbeitungspfads, d. h. entlang der Fügekante zwischen den Werkstückteilen W', W'', verläuft. Genauer gesagt werden der Bearbeitungsstrahl 18 sowie der OCT-Messstrahl 46 entlang der Fügekante zwischen den zu verbindenden Werkstückteilen W', W'' in der x-y-Ebene hin und her bewegt. Dabei folgen die Strahlen grundsätzlich der Bearbeitungsrichtung BR, der die Oszillationsbewegung überlagert wird. In der gezeigten Ausführungsform ist die Bearbeitungsfigur 70 durch die Ablenkbewegung durch die ersten Ablenkvorrichtung 26 derart eingestellt, dass die Fügekante keine exakte Mittellinie der sinusförmigen Bearbeitungsfigur 70 darstellt. Vielmehr ist die Bearbeitungsfigur 70 in 1 nach links in Richtung des oberen Werkstückteils W' versetzt, sodass zum Bilden der Schweißnaht ein stärkeres Aufschmelzen des oberen Werkstückteils W' stattfindet.
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In den im Folgenden beschriebenen Figuren sind vergleichbare bzw. gleiche und gleichwirkende Komponenten und Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie in 1 versehen. Die Komponenten und Merkmale, die in Bezug auf die weiteren Figuren nicht erneut beschrieben sind, ähneln in ihrer Ausbildung und Funktion den entsprechenden Komponenten und Merkmalen gemäß 1.
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2 zeigt einen Ausschnitt zweier übereinander angeordneter Werkstückteile W', W'' in einer Draufsicht, wobei das Werkstückteil W' weiterhin das obere Werkstückteil darstellt. Diese beiden Werkstückteile W', W'' sind zum besseren Verständnis zusätzlich in einer Seitenansicht im noch nicht miteinander verbundenen Zustand dargestellt.
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Ferner ist in 2 die sinusförmige Verlagerung des OCT-Messstrahls 46 in Form der 70 entlang des Überlappstoßes zwischen den Werkstückteilen W', W'' zu erkennen. Auch hier ist zu sehen, dass der überwiegende Teil der Sinuskurve der Verlagerung des Messstrahls auf dem oberen Werkstückteil W' liegt.
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Des Weiteren zeigt 2 die zur Auswertung herangezogenen mittels des OCT-Messstrahls 46 erfassten Höheninformationen bei der Bearbeitung des gezeigten Überlappstoßes. Der hierzu dargestellte untere Graph lässt erkennen, dass sich durch die Höhenunterschiede der Werkstückteile W', W'' innerhalb eines Zeitintervalls Sprünge in den erfassten Messinformationen ergeben. Diese Sprünge treten auf, wenn der OCT-Messstrahl 46 auf die Fügekante trifft und damit von dem einen Werkstückteil auf das andere Werkstückteil übergeht. Diese Übergangspunkte sind in 2 durch die Punkte P1, P2 und P3 angedeutet.
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Aus dem gezeigten Graphen wird ersichtlich, dass eine nicht dargestellte Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die mittels des OCT-Messstrahls 46 erfassten Höheninformationen in Relation zur Zeit setzt, um eine Zeitverteilung der Messinformationen zu ermitteln. Hieraus kann das Zeitverhältnis bestimmt werden, das aussagt, wie lange sich der OCT-Messstrahl 46 beim Ausführen der Oszillationsbewegung auf welchem der beiden Werkstücke W', W'' befindet. Dies lässt wiederum Rückschlüsse auf die Fügekante und die Verlagerung des OCT-Messstrahls 46 sowie des Bearbeitungsstrahls 18 relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad bzw. der Fügekante zu. Entsprechend wird die ermittelte Zeitverteilung der erfassten Messinformationen dazu verwendet, die bewegbare erste Ablenkvorrichtung 26 (in 2 nicht gezeigt) in gewünschter Weise einzustellen, sodass eine vorgesehene Relativlage zwischen der Bearbeitungsfigur, und somit auch der Messfigur, und dem Hauptbearbeitungspfad erreicht wird.
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Bei dem in 2 gezeigten ersten Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung wird die Wobbelbewegung durch die erste Ablenkvorrichtung 26 direkt zum Durchführen der Positionsmessungen mittels des OCT-Messstrahls 46 verwendet. Ein zusätzliches dynamisches Verlagern nur des OCT-Messstrahls 46 mittels einer weiteren bewegbaren Ablenkvorrichtung, wie der zweiten Ablenkvorrichtung 62 gemäß 1, ist dabei nicht zwingend erforderlich. Somit kann die weitere Ablenkvorrichtung bei diesem ersten Funktionsprinzip als nicht verlagerbare Ablenkvorrichtung vorgesehen sein, sodass der OCT-Messstrahl den Bearbeitungsstrahl exakt koaxial überlagert (in 2 gezeigt) oder in einer festen Weise zu diesem versetzt ist. Das erfindungsgemäße erste Funktionsprinzip hat den Vorteil, dass zum Überwachen und Regeln des Bearbeitungsprozesses eine sehr geringe Informationsmenge erforderlich ist.
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3 zeigt eine Draufsicht zweier miteinander zu verbindender Werkstückteile W''', W'''' zur weiteren Erläuterung des in Bezug auf 2 beschriebenen ersten Funktionsprinzips der Erfindung. Im Gegensatz zu 2 sind die beiden Werkstückteile W''', W'''' in derselben Ebene angeordnet, wobei ein Fügespalt zwischen den beiden Werkstückteilen vorgesehen ist. Auch hier ist zur besseren Veranschaulichung zusätzlich zu der gezeigten Draufsicht auch eine Seitenansicht der Werkstückteile W''', W'''' dargestellt.
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Gegenüber dem Graphen in 2 zeigt der Graph in 3, dass sich die Sprünge in den erfassten Höheninformationen hier nicht bei einem Übergang zwischen zwei Werkstückteilen mit unterschiedlichen Höhen ergeben, sondern durch einen Übergang des OCT-Messstrahls von einem der Werkstückteile W''', W'''' zu dem Bereich des Fügespalts bzw. durch einen Übergang von dem Bereich des Fügespalts zu einem der beiden Werkstückteile. Mit anderen Worten geben die erfassten Messinformationen in Form von Höheninformationen an, ob sich der OCT-Messstrahl aktuell im Bereich des Fügespalts oder im Bereich eines der beiden Werkstückteile W''', W'''' befindet. Da bekannt ist, dass der OCT-Messstrahl beim Übergang über den Fügespalt von einem Werkstückteil auf das andere Werkstückteil wechselt, kann die nicht gezeigte Auswerteeinheit aus dem gezeigten zeitlichen Verlauf der Messinformationen das Verhältnis ermitteln, wie lange sich der OCT-Messstrahl während eines Zeitintervalls auf dem einen und wie lange auf dem anderen Werkstückteil befindet.
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In dem in 3 gezeigten Beispiel befindet sich der OCT-Messstrahl 46 in dem Zeitintervall zwischen den Punkten P4 und P5 der 70 in etwa zu 60 % auf dem Werkstückteil W''' und in etwa zu 40 % auf dem Werkstückteil W'''' (unter Außerachtlassung der Zeit zu der sich der OCT-Messstrahl in dem Bereich des Fügespalts befindet). Ist beispielsweise ein Verhältnis gewünscht, bei dem sich der OCT-Messstrahl bzw. der Bearbeitungsstrahl jeweils zu etwa 50 % während des Zeitintervalls auf jedem der beiden Werkstückteile W''', W'''' befindet, muss die erste Ablenkvorrichtung 26 derart eingestellt werden, dass eine entsprechende Verlagerung der Bearbeitungsfigur in Richtung des Werkstückteils W'''' ausgeführt wird. Es versteht sich, dass beliebige andere Verhältnisse der Zeitverteilung der Messinformationen vorgesehen sein können. Auch kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit die erfassten Messinformationen den individuellen Werkstückteilen zuordnen kann, indem der Auswerteeinheit zumindest einmal mitgeteilt wird, ob sich der OCT-Messstrahl bei einer Erfassung von Höheninformationen aktuell auf dem Werkstückteil W''' oder auf dem Werkstückteil W'''' befindet.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung. Es ist zu erkennen, dass der Bearbeitungsstrahl 18 gemäß der Bearbeitungsfigur 70 sinusförmig auf einer Werkstückoberfläche oszillierend verlagert wird, d.h. zwischen den Werkstückoberflächen der in einer Draufsicht dargestellten Werkstückteile W', W''. Die Bewegung des OCT-Messstrahls 46 ist dabei in 4 durch die strichlierte 70' dargestellt und ist relativ zu der Bearbeitungsfigur 70 versetzt. Trotz des Versatzes ist zu erkennen, dass auch der OCT-Messstrahl 46 eine im Wesentlichen sinusförmige Oszillationsbewegung ausführt. Hierzu wird bei dem zweiten Funktionsprinzip der Erfindung der OCT-Messstrahl 46 gemeinsam mit dem Bearbeitungsstrahl 18 durch die bewegbare erste Ablenkvorrichtung 26 verlagert. Der relative Versatz des OCT-Messstrahls 46 gegenüber dem Bearbeitungsstrahl 18 wird mittels einer bewegbaren weiteren Ablenkvorrichtung, wie beispielsweise der in 1 gezeigten bewegbaren zweiten Ablenkvorrichtung 62, erzeugt.
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Die bewegbare zweite Ablenkvorrichtung 62 verlagert den OCT-Messstrahl 46 dabei zusätzlich zu der Wobbelbewegung durch die erste Ablenkvorrichtung 26 wahlweise auf eine Messposition, die in Bearbeitungsrichtung betrachtet in einem Bereich vor der aktuellen Bearbeitungsposition (Pre), in einem Bereich der aktuellen Bearbeitungsposition (In) und/oder in einem Bereich hinter der aktuellen Bearbeitungsposition liegt (Post). Dabei dient ein Durchführen von Positionsmessungen in dem Bereich vor der aktuellen Bearbeitungsposition (Pre) dazu, Aussagen bezüglich einer Fügekante bzw. dem Hauptbearbeitungspfad zu tätigen und diese weiterzuverarbeiten, um den Prozess zu regeln. Das Durchführen von Positionsmessungen in dem Bereich hinter einer aktuellen Bearbeitungsposition (Post) dient dagegen einer Überwachung und Beurteilung der erkalteten Schweißnaht zur Qualitätssicherung. Das Durchführen von Positionsmessungen im Bereich einer aktuellen Bearbeitungsposition (In) wird genutzt, um beispielsweise Messinformationen bezüglich der Eindringtiefe des Bearbeitungsstrahls zu erhalten.
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Da der OCT-Messstrahl 46 gemäß dem gezeigten zweiten Funktionsprinzip die durch die erste Ablenkvorrichtung 26 vorgegebene und für den Bearbeitungsstrahl vorgesehene Ablenkbewegung mit nutzt, benötigt die zweite Ablenkvorrichtung 62 lediglich eine einmalige Information bezüglich der Bearbeitungsrichtung BR sowie kontinuierliche Triggersignale, die jeweils einen Umkehrpunkt 72 der Oszillationsbewegung des Bearbeitungsstrahls 18 kennzeichnen. Sobald die zweite Ablenkvorrichtung 62 ein Triggersignal 72 von der ersten Ablenkvorrichtung 26 erhält, verlagert sie den OCT-Messstrahl 46 beispielsweise von der Messposition Post über die Messposition In in die Messposition Pre. Anschließend befindet sich der OCT-Messstrahl 46 solange in der Position Pre, bis die zweite Ablenkvorrichtung 62 das nächste Triggersignal erhält und den OCT-Messstrahl 46 entsprechend von der Position Pre über die Position In in die Position Post verlagert. Dabei führt die Messvorrichtung 14 währenddessen in den Positionen Post, In und Pre fortlaufend Positionsmessungen durch. Die exakte Reihenfolge der Verlagerung des OCT-Messstrahls 46 zwischen den Positionen Post, In und Pre wird dabei anhand der einmal übertragenen Bearbeitungsrichtung BR festgelegt.
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Auch bei dem zweiten Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung ist lediglich eine sehr geringe Informationsmenge erforderlich, um trotz der Wobbelbewegung, oder gerade durch die Wobbelbewegung, eine effektive Überwachung und Regelung des Prozesses mittels eines OCT-Messstrahls zu ermöglichen.
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5 zeigt ein drittes Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung. In dem gezeigten Beispiel wird der Bearbeitungsstrahl 18 in einer sinusförmigen Oszillationsbewegung gemäß der Bearbeitungsfigur 70 in der Bearbeitungsrichtung BR entlang eines Hauptbearbeitungspfads verlagert. Der strichliert dargestellten Positionen des OCT-Messstrahls 46 zeigen, dass dieser in 5 im Gegensatz zu den vorherigen Figuren keiner Oszillationsbewegung folgt. Vielmehr wird der OCT-Messstrahl 46 in den Messpositionen Pre und Post auf eine Vielzahl von Messpunkten quer zum Hauptbearbeitungspfad verlagert. In der Messposition In wird der OCT-Messstrahl 46 dagegen auf eine Vielzahl von Messpunkten entlang des Hauptbearbeitungspfads verlagert. Die angedeutete Bewegung des OCT-Messstrahls 46 scheint dabei von der Bewegung des Bearbeitungsstrahls 18 unabhängig zu sein, obwohl der OCT-Messstrahl 46 auch hierbei gemäß der Vorrichtung 10 nach 1 gemeinsam mit dem Bearbeitungsstrahl 18 von der ersten Ablenkvorrichtung 26 abgelenkt wird.
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Diese scheinbar unabhängige Verlagerung des Messstrahls 46 wird mittels der bewegbaren zweiten Ablenkvorrichtung 62 erreicht, die derart bewegt wird, dass das Ablenken des OCT-Messstrahls 46 mittels der zweiten Ablenkvorrichtung 62 das oszillierende Ablenken mittels der ersten Ablenkvorrichtung 26 im Wesentlichen vollständig subtraktiv überlagert. Die Ablenkbewegung der ersten Ablenkvorrichtung 26 wird also durch eine im Wesentlichen gegengleiche Ablenkbewegung der zweiten Ablenkvorrichtung 62 kompensiert. Zusätzlich zu dieser vollständigen subtraktiven Überlagerung führt die zweite Ablenkvorrichtung 62 zusätzliche Bewegungen durch, die den OCT-Messstrahl 46 darüber hinaus in die Messpositionen Pre, In und/oder Post ablenken, genauer gesagt auf die zuvor beschriebenen einzelnen Messpunkte in den jeweiligen Messpositionen. Da die gesamte Vorrichtung 10 mit der Bearbeitungsvorrichtung 12 zudem beispielsweise durch einen Roboter geführt wird, folgt der OCT-Messstrahl 46 gemeinsam mit dem Bearbeitungsstrahl 18 der grundsätzlichen Bearbeitungsrichtung BR entlang des Hauptbearbeitungspfads.
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Bei dem beschriebenen dritten Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls eine vergleichsweise geringe Informationsmenge notwendig, um die zweite Ablenkvorrichtung 62 anzusteuern, sodass diese den OCT-Messstrahl 46 in der zuvor beschriebenen Weise verlagert. Hierzu sind lediglich die geometrische Bearbeitungsfigur 70 (hier die Sinuskurve mit der gezeigten Frequenz und Amplitude), die Bearbeitungsrichtung BR sowie die Triggersignale an den Umkehrpunkten 72 der Oszillationsbewegung des Bearbeitungsstrahls an die zweite Ablenkvorrichtung 62 bzw. deren Steuerung (nicht gezeigt) zu übermitteln. Lediglich die genannten Triggersignale werden dabei kontinuierlich während des Bearbeitens übermittelt, während die geometrische Bearbeitungsfigur 70 lediglich einmal zu Beginn, bzw. bei jeder Änderung der Wobbelbewegung, übertragen wird und die Bearbeitungsrichtung BR ebenfalls nur einmal zu Beginn sowie im Falle einer Richtungsänderung übertragen wird.
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Somit kann eine effiziente Überwachung, Qualitätssicherung und Regelung des Bearbeitungsprozesses realisiert werden, wobei Positionsmessungen mittels des OCT-Messstrahls 46 in den Positionen Pre, In und/oder Post durchgeführt werden können, wobei gleichzeitig eine effiziente Bearbeitung des Werkstücks W durch eine oszillierende Verlagerung des Bearbeitungsstrahls 18 entlang des Hauptbearbeitungspfads ausgeführt wird.
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6 zeigt einen Ausschnitt eines Werkstücks W in einer Draufsicht mit einer Bearbeitungsfigur 70 entlang eines Fügestoßes.
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Das in 6 gezeigte erfindungsgemäße vierte Funktionsprinzip sieht ebenfalls vor, dass ein Ablenken des OCT-Messstrahls 46 mittels der zweiten Ablenkvorrichtung 62 das oszillierende Ablenken mittels der ersten Ablenkvorrichtung 26 vollständig subtraktiv überlagert. Zusätzlich zu dieser subtraktiven Überlagerung wird der OCT-Messstrahl 46 gemäß dem vierten Funktionsprinzip mittels der zweiten Ablenkvorrichtung 62 an eine beliebige Messposition auf dem Werkstück W, beispielsweise in eine der Messpositionen Pre, In und/oder Post verlagert. Das Ablenken durch die zweite Ablenkvorrichtung 62 wird dabei über einen Ist-/Sollvergleich einer aktuellen Ist-Bearbeitungsposition und einer vorgesehenen Soll-Messposition realisiert. Aus diesem Ist-/Sollvergleich berechnet die Messvorrichtung 14 bzw. eine Steuereinheit einen Verlagerungsvektor V zum Verlagern des OCT-Messstrahls 46. Die aktuelle Ist-Bearbeitungsposition ist dabei aus der Stellung der bewegbaren ersten Ablenkvorrichtung 26 bekannt.
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Auf diese Weise kann bei dem vierten Funktionsprinzip der Erfindung ebenfalls unter Verwendung der Wobbelbewegung des Bearbeitungsstrahls 18 eine beliebige Verlagerung des OCT-Messstrahls 46 und damit eine flexible Positionsmessung auf dem Werkstück W durchgeführt werden.
