DE102017009559B4

DE102017009559B4 - Messvorrichtung zum Überwachen, System zum Bearbeiten und Überwachen sowie Verfahren zum Überwachen

Info

Publication number: DE102017009559B4
Application number: DE102017009559.0A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Lessmüller; Christian Truckenbrodt
Original assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Current assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2037-10-14
Also published as: DE102017009559A1

Abstract

Messvorrichtung (10, 110) zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses, wobei die Messvorrichtung (10, 110) über einen Strahlteiler (14) mit einer Bearbeitungsvorrichtung (12) zum Bearbeiten eines Werkstücks (W) in einem Bearbeitungsbereich (56) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (32) verbunden oder verbindbar ist, wobei die Messvorrichtung (10, 110) umfasst:eine Beleuchtungseinrichtung (20) mit wenigstens einer Beleuchtungsquelle zum Beleuchten eines den Bearbeitungsbereich (32) umfassenden Überwachungsbereichs (50) auf dem Werkstück (W) mit Messlicht (22), undeinen optischen Detektor (16) zum Erfassen von von dem Werkstück (W) in dem Überwachungsbereich (50) reflektiertem Licht (18),wobei die Messvorrichtung (10, 110) wenigstens ein optisches Element (24, 124) umfasst, das in einem optischen Weg zwischen dem optischen Detektor (16) und dem Strahlteiler (14) angeordnet und so einstellbar oder eingestellt ist, dass das von dem Werkstück (W) in dem Überwachungsbereich (50) reflektierte Licht über das wenigstens eine optische Element (24, 124) zu dem optischen Detektor (16) gelangt, wobei das wenigstens eine optische Element (24, 124) von Komponenten (14, 36, 40, 42) der Bearbeitungsvorrichtung (12) reflektiertes Messlicht (R) an einer Zuführung zu dem optischen Detektor (16) hindert, undwobei das wenigstens eine optische Element (124) von dem Werkstück (W) in dem Überwachungsbereich (50) reflektiertes Licht (18) in Richtung des optischen Detektors (16) reflektiert und von den Komponenten (14, 36, 40, 42) der Bearbeitungsvorrichtung (12) reflektiertes Messlicht (R) transmittiert oder absorbiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses, insbesondere eines Laserschweißprozesses. Ferner betrifft die Erfindung ein System zum Bearbeiten und Überwachen eines Werkstücks, das eine Messvorrichtung und eine Bearbeitungsvorrichtung umfasst. Die Messvorrichtung ist über einen Strahlteiler mit einer Bearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks in einem Bearbeitungsbereich mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls verbunden oder verbindbar. Die Messvorrichtung umfasst eine Beleuchtungseinrichtung mit wenigstens einer Beleuchtungsquelle zum Beleuchten eines den Bearbeitungsbereich umfassenden Überwachungsbereichs auf dem Werkstück mit Messlicht und einen optischen Detektor zum Erfassen von von dem Werkstück in dem Überwachungsbereich reflektiertem Licht.
Das von dem Werkstück in dem Überwachungsbereich reflektierte Licht setzt sich aus reflektiertem Messlicht der Beleuchtungseinrichtung und aus reflektiertem Prozesslicht zusammen, welches durch den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl erzeugt wird.
Das Überwachen des Bearbeitungsprozesses kann im Sinne der Erfindung als ein Erfassen und anschließendes Weiterverarbeiten bzw. Auswerten von Messdaten oder auch als ein reines Visualisieren des erfassten Überwachungsbereichs ohne nachfolgende Auswertung verstanden werden.
Die Messvorrichtung kann bekanntermaßen mit der Bearbeitungsvorrichtung gekoppelt und 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. Durch bewegbare Optiken, wie beispielsweise eine bewegbare Ablenkeinrichtung, kann der Bearbeitungsstrahl zusätzlich oder alternativ zu der Roboterbewegung auf dem Werkstück verlagert werden. Hierbei kann beispielsweise eine Oszillationsbewegung des optischen Messstrahls und/oder des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls erzeugt werden.
Derartige Messvorrichtungen mit einem Kamerasystem und einer Fremdbeleuchtungseinrichtung, die während eines Bearbeitens eines Werkstücks gleichzeitig ein optisches Überwachen des Bearbeitungsprozesses ermöglichen, sind aus dem Stand der Technik bekannt und finden beispielsweise bei Laserschweißprozessen Anwendung. Hierbei wird ein hochenergetischer Bearbeitungsstrahl in Form eines Laserbearbeitungsstrahls verwendet, um zwei oder mehrere Werkstücke oder Werkstückteile im Bereich eines Überlappstoßes, einer Nahtfuge und/oder einer Fügekante miteinander zu verbinden. Auch kann das Laserschweißen beispielsweise mit taktiler Nahtführung durch Zuführen von Zusatzdraht ausgeführt werden. Im Wesentlichen zeitgleich zu der Bearbeitung werden anhand des erfassten, reflektierten Lichts (Messlichts und Prozesslichts) Messinformationen bezüglich der Position der Nahtfuge, der Lage und Geometrie des Schmelzbades, der Qualität der unmittelbar erkalteten Schweißnaht, etc. ausgewertet.
Um den Überwachungsbereich auf dem Werkstück mittels Messlicht auszuleuchten, wird die Beleuchtungseinrichtung der Messvorrichtung im Stand der Technik häufig an einer dem zu bearbeitenden Werkstück zugewandten Seite der Bearbeitungsvorrichtung angebracht, d.h. insbesondere zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück und einer Fokussieroptik der Bearbeitungsvorrichtung bzw. einer dem Werkstück am nächsten liegenden Komponente der Bearbeitungsvorrichtung.
Eine derartige Anordnung der Beleuchtungseinrichtung an einer Bearbeitungsvorrichtung ist beispielsweise aus dem Dokument DE 10 2015 201 140 A1 bekannt. Dieses offenbart ferner eine Kamera einer Messvorrichtung zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses, die an einer dem Werkstück und somit der Beleuchtungseinrichtung abgewandten Seite der Bearbeitungsvorrichtung angeordnet ist. Mit anderen Worten sind gemäß dem Dokument DE 10 2015 201 140 A1 die Kamera und die Beleuchtungseinrichtung als separate Module ausgebildet, die jeweils mit der Bearbeitungsvorrichtung verbunden und durch diese voneinander beabstandet sind.
Ein Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, dass das die Beleuchtungseinrichtung umfassende Modul den freien Arbeitsbereich zwischen der Fokussieroptik der Bearbeitungsvorrichtung und einem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück beschränkt. In diesen freien Arbeitsbereich hinein erstrecken sich während des Bearbeitungsprozesses häufig erforderliche Hilfswerkzeuge, wie beispielsweise Werkstückspanner. Aufgrund des durch die Beleuchtungseinrichtung beschränkten freien Arbeitsbereichs besteht die Gefahr, dass die Hilfswerkzeuge während des Bearbeitungsprozesses mit dem die Beleuchtungseinrichtung umfassenden Modul kollidieren.
Eine alternative Anordnung einer Beleuchtungseinrichtung und einer Kamera an einer Bearbeitungsvorrichtung ist in dem Dokument DE 10 2013 022 085 A1 offenbart. Dieses Dokument schlägt eine Anordnung einer Kamera und einer Beleuchtungseinrichtung auf einer von einem zu bearbeitenden Werkstück abgewandten Seite einer Bearbeitungsvorrichtung vor. Um das Messlicht der Beleuchtungseinrichtung koaxial in die Optik einer Bearbeitungsvorrichtung einzukoppeln und auf das Werkstück zu projizieren und ferner eine koaxiale Prozessbeobachtung mittels der Kamera zu erreichen, sieht das Dokument DE 10 2013 022 085 A1 einen Polarisationsstrahlteiler vor, der zwischen der Kamera und der Beleuchtungseinrichtung angeordnet ist. Eine zusätzliche λ/4-Platte beeinflusst das Messlicht derart, dass es in dem optischen Weg von der Beleuchtungseinrichtung zu dem Werkstück von dem Polarisationsstrahlteiler reflektiert und in dem optischen (Rück-)Weg von dem Werkstück zu der Kamera von demselben Polarisationsstrahlteiler transmittiert wird.
Der in dem Dokument DE 10 2013 022 085 A1 beschriebene Aufbau des Gesamtsystems ist durch das Bereitstellen des Polarisationsstrahlteilers und der λ/4-Platte jedoch sehr komplex und kostenintensiv. Zudem müssen die optischen Komponenten, die von dem Messlicht durchlaufen werden, mit einer speziell auf das verwendete Messlicht angepassten Beschichtung versehen sein, um störende Reflexionen des Messlichts an diesen optischen Komponenten zu verhindern.
Es wird auch auf den Inhalt des nachveröffentlichten Dokuments DE 10 2016 219 927 A1 hingewiesen, das eine Vorrichtung zur Überwachung eines thermischen Schneidprozesses an einem Werkstück betrifft. Die Vorrichtung umfasst eine Fokussierlinse für einen Bearbeitungslaser, in die auch ein Beobachtungslichtstrahl einkoppelbar ist. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Abbildungsoptik mit einer Blende, die lediglich einen Teil eines Beobachtungsstrahlengangs durchlässt, der einen Randbereich der Fokussierlinse durchläuft.
Des Weiteren offenbart auch das Dokument DE 11 2015 001 163 T5 einen Aufbau, bei dem eine Prozessbeobachtung vorgesehen ist, die eine koaxiale Einkopplung von Messlicht einer Beleuchtungseinrichtung in die Optik einer Bearbeitungsvorrichtung nutzt. Hierzu wird Messlicht zweier seitlich einer Kamera angeordneter Beleuchtungsdioden über Faserkopplungen in eine Bearbeitungsvorrichtung eingekoppelt und auf ein zu bearbeitendes Werkstück projiziert wird.
Jedoch müssen auch bei diesem Aufbau die von dem Messlicht durchlaufenen optischen Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung mit einer speziell auf das verwendete Messlicht angepassten Beschichtung versehen sein, um störende Reflexionen des Messlichts an diesen optischen Komponenten zu verhindern, was das Gesamtsystem unflexibel und teuer macht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messvorrichtung, ein System mit einer Messvorrichtung und einer Bearbeitungsvorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine sichere Verwendung während des Bearbeitungsprozesses und eine hohe Messqualität sicherstellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein System mit einer Messvorrichtung und einer Bearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Bevorzugte Ausführungsformen werden aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.
Erfindungsgemäß ist eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, die wenigstens ein optisches Element umfasst, das in einem optischen Weg zwischen dem optischen Detektor und dem Strahlteiler angeordnet und so einstellbar oder eingestellt ist, dass das von dem Werkstück in dem Überwachungsbereich reflektierte Licht über das wenigstens eine optische Element zu dem optischen Detektor gelangt, wobei das wenigstens eine optische Element von Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung reflektiertes Messlicht und vorzugsweise von dem Werkstück außerhalb des Überwachungsbereichs reflektiertes Messlicht an einer Zuführung zu dem optischen Detektor hindert. Insbesondere kann das wenigstens eine optische Element zusätzlich auch von dem Werkstück außerhalb des Überwachungsbereichs reflektiertes Messlicht an einer Zuführung zu dem optischen Detektor hindern, wenn dies nach Maßgabe des jeweiligen Anwendungsfalls erforderlich und/oder möglich ist.
Da die den optischen Detektor und die Beleuchtungseinrichtung umfassende Messvorrichtung erfindungsgemäß über denselben Strahlteiler der Bearbeitungsvorrichtung mit der Bearbeitungsvorrichtung verbunden oder verbindbar ist, durchtritt das von der Beleuchtungseinrichtung erzeugte Messlicht die optischen Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung. Dies führt zu Reflexionen des Messlichts an den optischen Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung, wie beispielsweise dem Strahlteiler, den Oberflächen einer Fokuslinse und den Oberflächen von Schutzgläsern, sowie an den weiteren Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung, wie beispielsweise Gehäusekomponenten. Würde dieses von den Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung und somit nicht von dem Werkstück in dem Überwachungsbereich reflektierte Messlicht dem optischen Detektor der Messvorrichtung zugeführt und von diesem erfasst werden, würde dies zu fehlerhaften Messinformationen führen, weshalb dieses von den Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung reflektierte Messlicht für die Prozessüberwachung störend ist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass das von unterschiedlichen Bereichen des Werkstücks und das von den Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung reflektierte Licht unterschiedliche Eigenschaften und/oder Zustände hat und dass dieser Umstand dazu genutzt werden kann, das reflektierte Licht und Messlicht nach Maßgabe bestimmter Eigenschaften und/oder Zustände mittels des wenigstens einen optischen Elements selektiv dem optischen Detektor zuzuführen oder an einer Zuführung zu dem optischen Detektor zu hindern. Somit müssen im Unterschied zum Stand der Technik nicht sämtliche der optischen Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung mit einer speziellen Beschichtung versehen werden, um bereits eine Reflexion des Messlichts an diesen zu verhindern. Vielmehr wird mittels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sichergestellt, dass dieses störende reflektierte Messlicht (sowie reflektiertes Messlicht auch nicht zu überwachenden Bereichen) nicht an den optischen Detektor gelangen kann.
Mit anderen Worten selektiert bzw. filtert das wenigstens eine optische Element das für eine Auswertung von Messinformationen relevante reflektierte Licht und stellt sicher, dass nur dieses von dem Werkstück vorzugsweise in dem für die Überwachung relevanten Überwachungsbereich reflektierte Licht, welches sowohl reflektiertes Messlicht als auch durch den Bearbeitungsstrahl erzeugtes reflektiertes Prozesslicht umfasst, von dem optischen Detektor erfassbar ist. Genauer gesagt ist nur dieses selektierte, reflektierte Licht in der erfindungsgemäßen Messvorrichtung mittels des wenigstens einen optischen Elements zu dem optischen Detektor zuführbar.
Dagegen wird das die Auswertung von Messinformationen störende von den Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung reflektierte Messlicht mittels des wenigstens einen optischen Elements an einer Zuführung zu dem optischen Detektor gehindert und ist somit von dem optischen Detektor nicht erfassbar. Gleichermaßen kann auch das für die Auswertung der Messinformationen nicht relevante von dem Werkstück außerhalb des Überwachungsbereichs reflektierte Messlicht mittels des wenigstens einen optischen Elements an einer Zuführung zu dem optischen Detektor gehindert werden und ist in diesem Fall von dem optischen Detektor ebenfalls nicht erfassbar. Demnach kann nur relevante Messinformationen umfassendes Licht von dem optischen Detektor der erfindungsgemäßen Messvorrichtung erfasst und ausgewertet werden. Hierdurch kann eine hohe Messqualität sichergestellt werden.
Das Selektieren bzw. Filtern des dem optischen Detektor zuzuführenden oder nicht zuzuführenden reflektierten Lichts wird durch ein Einstellen des wenigstens einen optischen Elements in Bezug auf die mit der Messvorrichtung verbundene oder zu verbindende Bearbeitungsvorrichtung erreicht. Das Einstellen kann beispielsweise einmalig vor oder nach der Kopplung der Messvorrichtung mit der Bearbeitungsvorrichtung vorgenommen werden.
Durch das selektive Zuführen von reflektiertem Licht zu dem optischen Detektor ist es möglich, die Beleuchtungseinrichtung und den optischen Detektor in einem gemeinsamen Modul zu integrieren und/oder die Beleuchtungseinrichtung und den optischen Detektor zumindest auf einer dem zu bearbeitenden Werkstück abgewandten Seite der Bearbeitungsvorrichtung anzuordnen. Somit kann ein freier Arbeitsbereich zwischen der Fokussieroptik der Bearbeitungsvorrichtung und einem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück im Vergleich zu herkömmlichen eine Messvorrichtung und eine Bearbeitungsvorrichtung umfassenden Systemen vergrößert werden. Dies ermöglicht einen sicheren Betrieb des Systems, da der freie Arbeitsbereich optimal genutzt werden kann und Kollisionen von Bauteilen des Systems mit Hilfswerkzeugen während des Bearbeitungsprozesses verhindert werden können.
Im weiteren Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten eine Beleuchtungseinrichtung und einen optischen Detektor umfassenden Messvorrichtungen ermöglicht die erfindungsgemäße Messvorrichtung ein nachträgliches Anbringen an einer gewünschten Bearbeitungsvorrichtung. Dazu müssen die optischen Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung keine speziell an das Messlicht der erfindungsgemäßen Messvorrichtung angepasste Beschichtung aufweisen, da eine Reflexion des Messlichts an den Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung nicht verhindert werden muss. Durch das selektive Hindern eines Zuführens des an den Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung reflektierten und somit störenden Messlichts mittels der einstellbaren oder eingestellten optischen Komponente, wird dieses bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung nicht von dem optischen Detektor erfasst. Somit ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung flexibel mit verschiedenen Bearbeitungsvorrichtungen verwendbar.
Der Strahlteiler der Bearbeitungsvorrichtung, über den die erfindungsgemäße Messvorrichtung mit einer Bearbeitungsvorrichtung verbunden oder verbindbar ist, kann ein dichroitischer Spiegel sein.
Gemäß der Erfindung reflektiert das wenigstens eine optische Element das von dem Werkstück in dem Überwachungsbereich reflektierte Licht, das reflektiertes Messlicht und Prozesslicht umfasst, in Richtung des optischen Detektors und führt es diesem somit zu. In diesem Fall transmittiert oder absorbiert das wenigstens eine optische Element das von den Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung reflektierte Messlicht sowie vorzugsweise das von dem Werkstück außerhalb des Überwachungsbereichs reflektierte Messlicht und hindert dieses somit an der Zuführung zu dem optischen Detektor.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das wenigstens eine optische Element ein Polarisationsfilter sein, der das reflektierte Licht (welches Prozesslicht und Messlicht umfasst) und das reflektierte Messlicht in Abhängigkeit von dessen Polarisationszustand transmittiert, reflektiert oder absorbiert, um die Zuführung zu dem optischen Detektor zu ermöglichen oder zu verhindern. Insbesondere kann der Polarisationszustand des reflektierten Lichts und/oder Messlichts dessen Polarisationsrichtung sein.
Der Polarisationsfilter kann durch Drehen um eine Rotationsachse einstellbar sein. So kann beispielsweise nach einer Kopplung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit einer Bearbeitungsvorrichtung eine Testmessung durchgeführt werden, während der der Polarisationsfilter so lange gedreht wird, bis ein optimales Messbild des Überwachungsbereichs auf einer Anzeigeeinheit der Messvorrichtung wiedergegeben wird, d.h. bis kein störendes, an den optischen Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung reflektiertes Messlicht und kein von außerhalb des Überwachungsbereichs reflektiertes Messlicht mehr auf der Anzeigeeinheit wiedergegeben wird. Das Einstellen des Polarisationsfilters kann manuell oder automatisch erfolgen.
Ferner kann die Beleuchtungseinrichtung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung linear polarisiertes Messlicht emittieren. Die Beleuchtungseinrichtung kann insbesondere eine oder mehrere Laserdioden umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung können der optische Detektor und die Beleuchtungseinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse der Messvorrichtung angeordnet sein. Dies ermöglicht eine besonders einfache Kopplung der Messvorrichtung mit der Bearbeitungsvorrichtung über den in einem optischen Weg zwischen diesen angeordneten Strahlteiler der Bearbeitungsvorrichtung. Auch kann die Messvorrichtung durch ein gemeinsames Gehäuse des optischen Detektors und der Beleuchtungseinrichtung möglichst geringe Dimensionen aufweisen.
Auch kann das wenigstens eine optische Element in dem gemeinsamen Gehäuse des optischen Detektors und der Beleuchtungseinrichtung angeordnet sein.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Messvorrichtung ferner einen in einem optischen Weg zwischen dem wenigstens einen optischen Element und dem Strahlteiler angeordneten Bandpassfilter umfassen. Der Bandpassfilter kann ebenfalls in dem gemeinsamen Gehäuse des optischen Detektors und der Beleuchtungseinrichtung angeordnet sein. Hierbei kann ein herkömmlicher Bandpassfilter verwendet werden, der dazu eingerichtet ist, Teile des Prozesslichts herauszufiltern.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann der optische Detektor eine Kameraoptik, einen Bildsensor oder Ähnliches umfassen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System zum Bearbeiten und Überwachen eines Werkstücks, das eine Messvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art und eine Bearbeitungsvorrichtung umfasst. Die Messvorrichtung ist über einen Strahlteiler der Bearbeitungsvorrichtung mit der Bearbeitungsvorrichtung verbunden. Die Bearbeitungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, das Werkstück in einem Bearbeitungsbereich mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls zu bearbeiten.
Obgleich einige Aspekte und Merkmale lediglich in Bezug auf die erfindungsgemäße Messvorrichtung beschrieben worden sind, können diese entsprechend für Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Systems gelten.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls einer Bearbeitungsvorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere mittels einer Messvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art ausgeführt und umfasst die Schritte:

- Beleuchten eines einen Bearbeitungsbereich umfassenden Überwachungsbereichs auf dem Werkstück mittels einer Beleuchtungseinrichtung mit Messlicht; und
- Erfassen von von dem Werkstück in dem Überwachungsbereich reflektiertem Licht mittels eines optischen Detektors.

Zudem wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens ein optisches Element der Messvorrichtung, das in einem optischen Weg zwischen dem optischen Detektor und einem Strahlteiler der Bearbeitungsvorrichtung angeordnet ist, so eingestellt, dass das von dem Werkstück in dem Überwachungsbereich reflektierte Licht über das wenigstens eine optische Element zu dem optischen Detektor gelangt, wobei von Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung reflektiertes Messlicht und vorzugsweise von dem Werkstück außerhalb des Überwachungsbereichs reflektiertes Messlicht mittels des wenigstens einen optischen Elements an einer Zuführung zu dem optischen Detektor gehindert wird. Insbesondere kann zusätzlich auch von dem Werkstück außerhalb des Überwachungsbereichs reflektiertes Messlicht mittels des wenigstens einen optischen Elements an einer Zuführung zu dem optischen Detektor gehindert werden, wenn dies nach Maßgabe des jeweiligen Anwendungsfalls erforderlich und/oder möglich ist.
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.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:

1 eine Übersichtsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Systems mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung und einer Bearbeitungsvorrichtung;
2 eine Draufsicht auf einen Überwachungsbereich eines teilweise bearbeiteten Werkstücks; und
3 eine Übersichtsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Systems mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung und einer Bearbeitungsvorrichtung.

1 zeigt eine Gesamtanordnung eines ersten, dem Verständnis der Erfindung dienenden Ausführungsbeispiels mit einer Messvorrichtung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Messvorrichtung 10 ist in dem gezeigten Beispiel mit einer Bearbeitungsvorrichtung 12 verbunden. Genauer gesagt ist die Messvorrichtung 10 über einen Strahlteiler 14 der Bearbeitungsvorrichtung 12 mit der Bearbeitungsvorrichtung 12 verbunden. Der Strahlteiler 14 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiels ein dichroitischer Spiegel.
Gemeinsam bilden die Messvorrichtung 10 und die Bearbeitungsvorrichtung 12 ein erfindungsgemäßes Gesamtsystem 100 zum Bearbeiten und Überwachen eines Werkstücks W.
Die Messvorrichtung 10 umfasst einen optischen Detektor 16, der ein Kameraobjektiv 16a und einen Bildsensor 16b umfasst und dazu eingerichtet ist, von dem Werkstück W reflektiertes Licht 18 zu erfassen und zu verarbeiten, was nachstehend näher erläutert ist. Die Messvorrichtung 10 umfasst ferner eine Beleuchtungseinrichtung 20 in Form einer Laserdiode, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel linear polarisiertes Messlicht 22 emittieren, um das Werkstück W zumindest abschnittsweise mit Fremdmesslicht zu beleuchten.
Des Weiteren umfasst die Messvorrichtung 10 ein einstellbares optisches Element 24. Das einstellbare optische Element 24 ist hier ein Polarisationsfilter, der zum Ändern seiner Einstellung um eine Rotationsachse drehbar ist, was durch den Pfeil 26 angedeutet ist. Das optische Element 24 ist in einem optischen Weg zwischen dem Strahlteiler 14 und dem optischen Detektor 16 angeordnet und ist dazu eingerichtet, eine Zuführung von Licht zu dem optischen Detektor 16 zu ermöglichen oder zu hindern. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der optische Detektor 16 und das einstellbare optische Element 24 derart angeordnet, dass diese in einer optischen Linie mit dem Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück W liegen. Mit anderen Worten ist der optische Detektor 16 bzw. dessen Kameraobjektiv 16a direkt auf den zu überwachenden Bereich des Werkstücks W ausgerichtet.
Die Messvorrichtung 10 weist ferner einen Bandpassfilter 28 auf, der in einem optischen Weg zwischen dem optischen Element 24 und dem Strahlteiler 14 angeordnet ist. Der Bandpassfilter 28 filtert Bestandteile von von dem Werkstück W reflektiertem Prozesslicht heraus, sodass diese Bestandteile nicht zu dem optischen Detektor 16 gelangen. Die Funktionsweise eines Bandpassfilters ist im Stand der Technik hinlänglich bekannt und ist daher nicht im Detail erläutert.
Sämtliche vorstehend beschriebenen Komponenten der Messvorrichtung 10 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einem gemeinsamen Gehäuse 30 der Messvorrichtung 10 angeordnet. Die Messvorrichtung 10 kann dadurch als ein einzelnes, kompaktes Modul bereitgestellt und mit einer gewünschten Bearbeitungsvorrichtung gekoppelt werden.
Die Bearbeitungsvorrichtung 12 umfasst den Strahlteiler 14, der dazu ausgebildet ist, einen hochenergetischen Laserstrahl 32 zum Bearbeiten des Werkstücks W in Richtung des Werkstücks W umzulenken. Dazu ist der Strahlteiler 14 für den von einem Bearbeitungslaser (hier nicht gezeigt) emittierten Laserstrahl 32 undurchlässig. Gleichzeitig ist der Strahlteiler 14 durchlässig für das von dem Werkstück W reflektierte Licht 18, das sich aus durch den hochenergetischen Laserstrahl 32 erzeugtem und von dem Werkstück W reflektiertem Prozesslicht und aus von dem Werkstück reflektiertem Messlicht zusammensetzt.
Die Bearbeitungsvorrichtung 12 umfasst ferner eine Fokussieroptik 34 mit einer Fokuslinse 36 zum Fokussieren des hochenergetischen Laserstrahls 32. Des Weiteren weist die Bearbeitungsvorrichtung 12 eine Schutzglasanordnung 38 auf, die ein inneres Schutzglas 40 sowie ein austauschbares Schutzglas 42 umfasst.
Als die dem Werkstück W am nächsten liegende Komponente der Bearbeitungsvorrichtung 12 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ferner eine sogenannte Crossjet-Vorrichtung 44 vorgesehen, die über eine Düse 46 einen Druckluftstrom 48 erzeugt, der während Bearbeitungsprozesses auftretende Materialpartikel und Dämpfe von der Schutzglasanordnung 38 weglenkt.
Hier stellt die Crossjet-Vorrichtung 44 die dem Werkstück W am nächsten liegende Komponente der Bearbeitungsvorrichtung 12 dar, sodass ein Abstand A zwischen der Düse 46 und der Oberfläche des Werkstücks W somit einen freien Arbeitsbereich definiert. Es ist wünschenswert, dass dieser freie Arbeitsbereich möglichst groß ist, da dieser während des Bearbeitungsprozesses beispielsweise zur Anbringung von Hilfswerkzeugen an dem zu bearbeitenden Werkstück W genutzt wird. Wie aus 1 zu erkennen ist, ist die Messvorrichtung 10 als ein abgeschlossenes Modul auf einer dem Werkstück W abgewandten Seite der Bearbeitungsvorrichtung 12 angeordnet. Da die Messvorrichtung 10 des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels sowohl den optischen Detektor 16 als auch die Beleuchtungseinrichtung 20 umfasst, ist es nicht erforderlich, ein zusätzliches Fremdbeleuchtungsmodul unterhalb der Fokussieroptik 34 anzuordnen, was den Abstand A reduzieren und somit den freien Arbeitsbereich verringern würde. Die erfindungsgemäße Ausführung der Messevorrichtung 10 ermöglicht somit eine Vergrößerung des freien Arbeitsbereichs.
Durch die Anordnung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 auf einer dem Werkstück W abgewandten Seite der Bearbeitungsvorrichtung 12 muss das von der Beleuchtungseinrichtung 20 in Richtung des Werkstücks W emittierte Messlicht 22 jedoch die optischen Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung 12 durchtreten, d.h. hier den Strahlteiler 14, die Fokuslinse 36 und die Schutzgläser 40, 42, um zu dem Werkstück W zu gelangen.
Da die optischen Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung 12 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel keine speziell an das emittierte Messlicht 22 angepasste Beschichtung aufweisen, kommt es an jeder dieser optischen Komponenten zu einer Reflexion des Messlichts 22, was in 1 durch Pfeile angedeutet ist. Aus Übersichtsgründen ist nur einer der Pfeile beispielhaft mit dem Bezugszeichen R versehen. Wie in 1 ferner zu erkennen ist, führen diese unerwünschten Reflexionen zu dem zu weiteren Reflexionen an sonstigen Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung 12, wie beispielsweise Gehäuseabschnitten.
Um zu vermeiden, dass die unerwünschten Reflexionen von dem optischen Detektor 16 erfasst und bei der Auswertung der Messinformationen berücksichtigt werden, ist das optische Element 24 derart einstellbar oder eingestellt, dass es das an den Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung 12 reflektiertem Messlicht R an einer Zuführung zu dem optischen Detektor 16 hindert. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung absorbiert oder reflektiert das optische Element 24 das von den Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung 12 reflektierte Messlicht R, sodass dieses nicht an den im optischen Weg hinter dem optischen Element 24 liegenden optischen Detektor 16 gelangt.
Gleichzeigt ist das optische Element in dem in 1 gezeigten Beispiel derart einstellbar oder eingestellt, dass es das von dem Werkstück W in einem Überwachungsbereich 50 (siehe 2) reflektierte Licht 18 transmittiert. Das von dem Werkstück W reflektierte Licht umfasst sowohl reflektiertes Prozesslicht als auch reflektiertes Messlicht. Durch das Transmittieren dieses reflektierten Lichts 18, gelangt dieses über das optische Element 24 zu dem optischen Detektor 16 und wird von diesem erfasst.
In 2 ist eine Draufsicht auf Werkstück W dargestellt, dessen Nahtfuge 52 bereits teilweise bearbeitet wurde, was durch die bereits erkaltete Schweißnaht 54 angedeutet ist. Beispielhaft ist hier ein Laserschweißprozess mit taktiler Nahtführung dargestellt, bei dem über eine Drahtdüse 54 ein Zusatzdraht 55 zugeführt wird. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf taktiles Laserschweißen beschränkt ist. Das Gesamtsystem 100 wird zum Bearbeiten des Werkstücks W in Richtung des Pfeils BR (Bearbeitungsrichtung) relativ zu dem Werkstück W bewegt.
Ferner ist in 2 der Überwachungsbereich 50 zu erkennen, der einen aktuellen Bearbeitungsbereich 56 und ein darin durch den hochenergetischen Laserstrahl erzeugtes Schmelzbad 58 umfasst. Ferner umfasst der Überwachungsbereich 50 auch zumindest einen Teil der bereits erkalteten Schweißnaht 54 sowie einen Abschnitt der noch zu bearbeitenden Nahtfuge (hier von der Drahtdüse 54 und dem Zusatzdraht 55 verdeckt). Aus diesem Überwachungsbereich 50 erhaltene Messinformationen stellen die für das Überwachen des Bearbeitungsprozesses relevanten Informationen dar.
Entsprechend sollen Bereiche außerhalb des Überwachungsbereichs 50 nicht von dem optischen Detektor 16 erfasst werden, da diese hinsichtlich einer Bearbeitungsprozessüberwachung von keiner oder nur geringer Relevanz sind. Um zu vermeiden, dass Messlichtreflexionen außerhalb des Überwachungsbereichs 50 von dem optischen Detektor 16 erfasst und bei der Auswertung der Messinformationen berücksichtigt werden, ist das optische Element 24 zudem derart einstellbar oder eingestellt, dass es außerhalb des Überwachungsbereichs 50 von dem Werkstück W reflektiertes Messlicht an einer Zuführung zu dem optischen Detektor 16 hindert. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung absorbiert oder reflektiert das optische Element 24 das von dem Werkstück W außerhalb des Überwachungsbereichs 50 reflektierte Messlicht, sodass dieses nicht an den im optischen Weg hinter dem optischen Element 24 liegenden optischen Detektor 16 gelangt.
Das optische Element 24, das in dem Ausführungsbeispiel ein Polarisationsfilter ist, ist durch Drehen um eine Rotationsachse einstellbar. Das von unterschiedlichen Bereichen des Werkstücks W sowie von Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung 12 reflektierte Licht weist verschiedene Polarisationszustände auf. Je nach Drehausrichtung des Polarisationsfilters 24 wird somit Licht Abhängigkeit dessen Polarisationszustands transmittiert, reflektiert oder absorbiert.
Praktisch kann das Einstellen des optischen Elements 24 beispielsweise durch Drehen des optischen Elements 24 während einer Testmessung erfolgen, d.h. es kann zeitgleich zum Drehen des optischen Elements 24 auf einer Anzeigeeinheit (nicht gezeigt) beobachtet werden, welche Messinformationen bei welcher Stellung bzw. Drehausrichtung des optischen Elements 24 erfasst werden. Sobald eine optimale Einstellung erreicht ist, muss das optische Element 24 für weitere Messungen nicht mehr eingestellt werden, da sich die Eigenschaften der Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung 12 nicht ändern und somit das an diesen reflektierte Messlicht R stets dieselben Eigenschaften bzw. Polarisationszustände aufweist.
Durch das vorstehend erläuterte Einstellen des optischen Elements 24 kann auch der zu erfassende Überwachungsbereich 50 festgelegt werden. So kann ebenfalls durch Drehen des optischen Elements 24 während einer Testmessung beobachtet werden, welche Bereiche des Werkstücks W auf der Anzeigeeinheit angezeigt werden, was damit den Überwachungsbereich 50 festlegt, bzw. welche Bereiche nicht angezeigt werden und somit außerhalb des festgelegten Überwachungsbereich 50 liegen.
3 zeigt eine Übersichtsansicht eines erfindungsgemäßen Systems 200, das eine Messvorrichtung 110 gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel und die vorstehend beschriebene Bearbeitungsvorrichtung 12 umfasst.
Die in 3 gezeigte Messvorrichtung 110 entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten Messvorrichtung 10, weshalb im Nachstehenden lediglich die Unterschiede zwischen der Messvorrichtung 110 des zweiten Ausführungsbeispiels und der Messvorrichtung 10 des ersten Ausführungsbeispiels diskutiert werden. Gleiche und gleichwirkende Komponenten und Merkmale sind in den 1 und 3 mit denselben Bezugszeichen versehen.
Im Unterschied zu der Messvorrichtung 10 aus 1 ist der optische Detektor 16 bzw. dessen Kameraobjektiv 16a in der Messvorrichtung 110 der 3 nicht direkt auf den zu überwachenden Bereich des Werkstücks W ausgerichtet. Somit sind der optische Detektor 16 und das einstellbare optische Element 124 der Messvorrichtung 110 nicht in einer optischen Linie mit dem Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück W liegend angeordnet. Vielmehr liegt der optische Detektor 16 in 3 seitlich des optischen Elements 124, sodass das von dem Werkstück W in dem Überwachungsbereich reflektierte Licht 18, das von dem optischen Detektor 16 zu erfassen ist, umgelenkt werden muss. Dies erfolgt hier mittels des einstellbaren optischen Elements 124.
Demnach ist das optische Element 124 der Messvorrichtung 110 derart in dem optischen Weg des von dem Werkstück W in dem Überwachungsbereich 50 (siehe 2) reflektierten Lichts 18 angeordnet und so einstellbar oder eingestellt, dass es dieses reflektierte Licht 18, das sowohl Prozesslicht als auch Messlicht umfasst, reflektiert und somit zu dem optischen Detektor 16 umlenkt.
Demnach ist das optische Element 124 derart angeordnet und einstellbar oder eingestellt, dass es das an den Komponenten der Bearbeitungsvorrichtung 12 reflektierte Messlicht R sowie das von dem Werkstück W außerhalb des Überwachungsbereichs 50 reflektierte Messlicht absorbiert oder transmittiert, um es an einer Zuführung zu dem optischen Detektor 16 zu hindern.
Das Einstellen des optischen Elements 124 des zweiten Ausführungsbeispiels erfolgt nach demselben Prinzip wie das Einstellen des optischen Elements 24 des ersten Ausführungsbeispiels.
Es versteht sich, dass die in dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigte Anordnung des optischen Detektors seitlich versetzt zu und nicht in direkter Ausrichtung auf den Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück W auch in der Messvorrichtung 10 des ersten Ausführungsbeispiels vorgesehen sein kann. In diesem Fall kann beispielsweise ein zusätzlicher Umlenkspiegel in einem optischen Weg zwischen dem optischen Element und dem optischen Detektor vorgesehen sein. Alternativ dazu kann ein zusätzlicher Umlenkspiegel in einem optischen Weg vor dem optischen Element und dem optischen Detektor angeordnet sein, wobei in dieser Alternative auch das optische Element eine dem optischen Detektor entsprechende andere Anordnung in der Messvorrichtung aufweist.

Claims

Messvorrichtung (10, 110) zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses, wobei die Messvorrichtung (10, 110) über einen Strahlteiler (14) mit einer Bearbeitungsvorrichtung (12) zum Bearbeiten eines Werkstücks (W) in einem Bearbeitungsbereich (56) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (32) verbunden oder verbindbar ist, wobei die Messvorrichtung (10, 110) umfasst: eine Beleuchtungseinrichtung (20) mit wenigstens einer Beleuchtungsquelle zum Beleuchten eines den Bearbeitungsbereich (32) umfassenden Überwachungsbereichs (50) auf dem Werkstück (W) mit Messlicht (22), und einen optischen Detektor (16) zum Erfassen von von dem Werkstück (W) in dem Überwachungsbereich (50) reflektiertem Licht (18), wobei die Messvorrichtung (10, 110) wenigstens ein optisches Element (24, 124) umfasst, das in einem optischen Weg zwischen dem optischen Detektor (16) und dem Strahlteiler (14) angeordnet und so einstellbar oder eingestellt ist, dass das von dem Werkstück (W) in dem Überwachungsbereich (50) reflektierte Licht über das wenigstens eine optische Element (24, 124) zu dem optischen Detektor (16) gelangt, wobei das wenigstens eine optische Element (24, 124) von Komponenten (14, 36, 40, 42) der Bearbeitungsvorrichtung (12) reflektiertes Messlicht (R) an einer Zuführung zu dem optischen Detektor (16) hindert, und wobei das wenigstens eine optische Element (124) von dem Werkstück (W) in dem Überwachungsbereich (50) reflektiertes Licht (18) in Richtung des optischen Detektors (16) reflektiert und von den Komponenten (14, 36, 40, 42) der Bearbeitungsvorrichtung (12) reflektiertes Messlicht (R) transmittiert oder absorbiert.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Element (124) von dem Werkstück (W) außerhalb des Überwachungsbereichs (50) reflektiertes Messlicht transmittiert oder absorbiert.
Messvorrichtung (10, 110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Detektor (16) und das wenigstens eine optische Element (24, 124) in einem gemeinsamen Gehäuse (30) der Messvorrichtung (10, 110) angeordnet sind.
Messvorrichtung (10, 110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (20) linear polarisiertes Messlicht (22) emittiert.
Messvorrichtung (10, 110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Element (24, 124) ein Polarisationsfilter ist, der das reflektierte Licht in Abhängigkeit von dessen Polarisationszustand transmittiert, reflektiert oder absorbiert.
Messvorrichtung (10, 110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10, 110) ferner einen in einem optischen Weg zwischen dem wenigstens einen optischen Element (24, 124) und dem Strahlteiler (14) angeordneten Bandpassfilter (28) umfasst.
Messvorrichtung (10, 110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Detektor (16) eine Kameraoptik (16a) und/oder einen Bildsensor (16b) umfasst.
System (100, 200) zum Bearbeiten und Überwachen eines Werkstücks (W), das eine Messvorrichtung (10, 110) nach einem der vorangehenden Ansprüche und eine Bearbeitungsvorrichtung (12) umfasst, wobei die Messvorrichtung (10, 110) über einen Strahlteiler (14) der Bearbeitungsvorrichtung (12) mit der Bearbeitungsvorrichtung (12) verbunden ist, und wobei die Bearbeitungsvorrichtung (12) dazu eingerichtet ist, das Werkstück (W) in einem Bearbeitungsbereich (56) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (32) zu bearbeiten.
Verfahren zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks (W) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (32) einer Bearbeitungsvorrichtung (12), das mittels einer Messvorrichtung (10, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Beleuchten eines den Bearbeitungsbereich (56) umfassenden Überwachungsbereichs (50) auf dem Werkstück (W) mittels einer Beleuchtungseinrichtung (20) mit Messlicht (22); und - Erfassen von von dem Werkstück (W) in dem Überwachungsbereich (50) reflektiertem Licht (18) mittels eines optischen Detektors (16); wobei das wenigstens eine optische Element (24, 124) der Messvorrichtung (10, 110), das in einem optischen Weg zwischen dem optischen Detektor (16) und einem Strahlteiler (14) der Bearbeitungsvorrichtung (12) angeordnet ist, so eingestellt wird, dass das von dem Werkstück (W) in dem Überwachungsbereich (50) reflektierte Licht (18) über das wenigstens eine optische Element (24, 124) zu dem optischen Detektor (16) gelangt, wobei von Komponenten (14, 36, 40, 42) der Bearbeitungsvorrichtung (12) reflektiertes Messlicht (R) mittels des wenigstens einen optischen Elements (24, 124) an einer Zuführung zu dem optischen Detektor (16) gehindert wird.