DE102017218494A1

DE102017218494A1 - Bearbeitungsvorrichtung und Verfahren zur insbesondere schweißenden Bearbeitung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102017218494A1
Application number: DE102017218494.9A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dorsch; Holger Braun; Steffen Kessler; Jan-Patrick Hermani
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2019-04-18
Anticipated expiration: 2037-10-18
Also published as: DE102017218494B4; KR20200066702A; CN111225763A; CN111225763B; US20200238436A1; WO2019076701A1; US11925999B2; KR102578526B1

Abstract

Die Erfindung betrifft Bearbeitungsvorrichtung (1) zur insbesondere schweißenden Bearbeitung eines Werkstücks (2), umfassend: einen Bearbeitungskopf (3) zur Bereitstellung eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls (4), für die Bearbeitung des Werkstücks (2), ein optisches Interferometer, insbesondere einen optischen Kohärenztomographen (7), umfassend: eine Strahlquelle (8) zur Erzeugung von Strahlung (9) mit einer Quellenleistung (P_Q), eine Strahlteilereinrichtung (12) zur Aufteilung der Quellenleistung (P_Q) der Strahlquelle (8) auf einen Referenzpfad (13), in dem ein Retroreflektor (17) angeordnet ist, und auf einen Messpfad (14), in dem das Werkstück (2) angeordnet ist, sowie einen Detektor (22) zur Detektion einer Gesamtleistung (P_R + P_M) der Strahlung (9), die von dem Werkstück (2) in dem Messpfad (14) und von dem Retroreflektor (17) in dem Referenzpfad (13) zum Detektor (22) reflektiert und/oder gestreut wird, eine Stelleinrichtung (27, 27a) zur Veränderung eines Leistungsanteils (P_R) der von dem Retroreflektor (17) zum Detektor (22) reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (9) an der Gesamtleistung (P_R + P_M), sowie eine Regeleinrichtung (26) zur Ansteuerung der Stelleinrichtung (27, 27a) für die Regelung eines Verhältnisses (P_M / P_R) zwischen einem Leistungsanteil (P_M) der vom Werkstück (2) zum Detektor (22) reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (9) und dem Leistungsanteil (P_R) der vom Retroreflektor (17) zum Detektor (22) reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (9) auf ein Soll-Verhältnis (P_MS / P_RS). Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Verfahren zum insbesondere schweißenden Bearbeiten eines Werkstücks (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bearbeitungsvorrichtung zur insbesondere schweißenden Bearbeitung eines Werkstücks, umfassend: einen Bearbeitungskopf zur Bereitstellung eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, für die insbesondere schweißende Bearbeitung des Werkstücks, sowie ein optisches Interferometer, insbesondere einen optischen Kohärenztomographen, umfassend: eine Strahlquelle zur Erzeugung von Strahlung mit einer Quellenleistung, eine Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung der Quellenleistung der Strahlquelle auf einen Referenzpfad, in dem ein Retroreflektor angeordnet ist, und auf einen Messpfad, in dem das Werkstück angeordnet ist, sowie einen Detektor zur Detektion einer Gesamtleistung der (interferierenden) Strahlung, die von dem Werkstück in dem Messpfad und von dem Retroreflektor in dem Referenzpfad zum Detektor reflektiert und/oder gestreut wird. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Verfahren zum insbesondere schweißenden Bearbeiten eines Werkstücks, das insbesondere mittels einer solchen Bearbeitungsvorrichtung durchgeführt werden kann.
Aus der EP 1 977 850 B1 ist eine Bearbeitungseinrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mit lichtundurchlässiger Oberfläche bekannt geworden, die einen Bearbeitungskopf zur Bereitstellung eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Elektronen- oder Laserstrahls, aufweist. Dem Bearbeitungskopf ist eine als optischer Kohärenztomograph ausgebildete Abtasteinrichtung zugeordnet, die für eine Oberflächenabtastung vorgesehen ist.
In der DE 10 2013 008 269 A1 ist ein Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsvorrichtung beschrieben, der einen optischen Kohärenztomographen aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, einen Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück zu messen, wobei in dem optischen Kohärenztomographen von einer Messlichtquelle erzeugtes Messlicht, das von dem Werkstück reflektiert wurde, mit Messlicht interferiert, das in einem Referenzarm eine optische Weglänge zurückgelegt hat. In dem Referenzarm ist ein Weglängenmodulator angeordnet, der synchron zu und in Abhängigkeit von einer Veränderung der Brennweite einer Fokussieroptik des Bearbeitungskopfs die optische Weglänge in dem Referenzarm nachführt.
In der WO 2014/138939 A1 ist eine Vorrichtung zur Überwachung und Charakterisierung der Dynamik einer Phasenveränderungsregion (PCR) mittels interferometrischer Methoden beschrieben, wobei die PCR beim Laserschweißen, speziell beim Keyhole-Schweißen, erzeugt wird. Durch das Ausrichten eines Messstrahls an mehrere Orte innerhalb und überlappend zu der PCR kann die Vorrichtung dazu verwendet werden, um in Echtzeit räumliche und zeitliche Charakteristika der Schweißung wie z.B. Tiefe, Länge, Breite und Geometrie des Keyholes sowie Informationen darüber zu ermitteln, ob das Keyhole instabil ist, sich schließt oder kollabiert. Ein Teil eines Referenzarms kann angepasst werden, um den gewünschten Betrag der Leistung eines Referenzsignals bei der interferometrischen Messung zu konfigurieren.
Aus der US 2012/0138586 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zur Verwendung von optischer Interferometrie im Kontext von Materialveränderungsprozessen, speziell im Kontext von Schweißprozessen, bekannt geworden. Ein Regler regelt mindestens einen Bearbeitungsparameter des Materialveränderungsprozesses in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal eines optischen Interferometers.
Aus der US 2016/0183801 A1 ist ein polarisiertes interferometrisches optisches System, insbesondere ein optisches Kohärenztomographie-System, bekannt geworden, das ein verbessertes Signal-zu-Rauschverhältnis aufweist. Die Winkelausrichtung eines Polarisators, der in einem optischen Strahl vor einem Polarisations-Strahlteiler angeordnet ist, bestimmt die Aufteilung der Leistung des optischen Strahls in Referenzstrahlung und Prüfstrahlung (Leistungsverhältnis), wodurch das Signal-zu-Rauschverhältnis beeinflusst wird, das u.a. auch von den Streueigenschaften der Probe abhängt.
In der EP 2 062 674 A1 ist ein Verfahren zu Vorbereiten und zum Durchführen eines Laserschweißprozesses beschrieben. Für eine Nahtlageregelung wird in einem ersten Messbereich vorlaufend zur Laserstrahlposition (Pre-Prozess) die Position einer Fügestelle, in einem zweiten Messbereich (In-Prozess) die Laserstrahlposition und in einem dritten Messbereich nachlaufend zur Laserstrahlposition (Post-Prozess) eine Schweißnaht erfasst. Die Erfassung kann beispielsweise mittels eines Lichtschnitt-Verfahrens erfolgen.
Bei der Erfassung des Pre-, In-, und Post-Prozesses bei einem Schweißprozess treten am Werkstück typischerweise unterschiedliche Lichtverhältnisse auf, die zu einer schlechten Signalqualität (Signal-zu-Rauschverhältnis) von an unterschiedlichen Positionen detektierten Messsignalen führen können. Beispielsweise unterscheidet sich die Reflektivität bzw. der Reflexionsgrad im Keyhole (in der Kapillare) typischerweise stark vom Reflexionsgrad an der Oberseite des Werkstücks.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bearbeitungsvorrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen, welche die Signalqualität bzw. das Signal-zu-Rauschverhältnis bei der interferometrischen Messung an dem Werkstück erhöhen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, umfassend: eine Stelleinrichtung zur Veränderung eines Leistungsanteils der vom Retroreflektor zum Detektor reflektierten und/oder gestreuten Strahlung an der Gesamtleistung der auf den Detektor treffenden Strahlung, sowie eine Regeleinrichtung zur Einwirkung auf die Stelleinrichtung zur Regelung eines Verhältnisses zwischen einem Leistungsanteil der vom Werkstück zum Detektor reflektierten und/oder gestreuten Strahlung und dem Leistungsanteil der vom Retroreflektor zum Detektor reflektierten und/oder gestreuten Strahlung auf ein (vorgebbares) Soll-Verhältnis.
Bei der Vermessung eines Werkstücks, genauer gesagt bei der Vermessung der Oberfläche eines Werkstücks, welches z.B. schweißend bearbeitet wird, treten typischerweise unterschiedliche Lichtverhältnisse auf, je nachdem, ob das Werkstück vorlaufend zu einer Position des Bearbeitungsstrahls auf dem Werkstück, nachlaufend zu der Position des Bearbeitungsstrahls oder an der Position des Bearbeitungsstrahls selbst vermessen wird. Erfolgt die Vermessung bzw. die Abtastung des Werkstücks z.B. mit Hilfe eines Lichtschnitt-Verfahrens, wie dies in der eingangs zitierten EP 2 062 674 A1 beschrieben ist, so kann durch eine Veränderung der Belichtungszeit die Lichtmenge der detektierten Strahlung angepasst werden, um auf diese Weise den Kontrastbereich des verwendeten Sensors bzw. Detektors optimal auszunutzen.
Bei einem interferometrischen Verfahren, beispielsweise bei der optischen Kohärenztomographie, ist eine einfache Anpassung der Licht- bzw. der Strahlungsmenge, welche auf den Detektor trifft, jedoch nicht zielführend, da die Quellenleistung der Strahlquelle auf den Messpfad und auf den Referenzpfad aufgeteilt wird und die jeweils reflektierte Strahlung interferiert und gemeinsam - ggf. über ein Spektrometer - auf den Detektor geführt wird. Eine Erhöhung der Licht- bzw. Strahlungsmenge auf dem Detektor durch eine längere Belichtungszeit oder durch eine Erhöhung der Quellenleistung ändert daher immer auch die Lichtmenge bzw. den Leistungsanteil der Strahlung im Referenzpfad. Die Erfinder haben erkannt, dass für eine bestmögliche Signalqualität eine Einstellung bzw. eine Veränderung des Leistungsanteils der vom Retroreflektor zum Detektor reflektierten Strahlung an der detektierten Gesamtleistung erforderlich ist. Es versteht sich, dass zusätzlich auch die auf den Detektor treffende bzw. von diesem detektierte Lichtmenge eingestellt werden kann.
Bei der Regeleinrichtung kann es sich um einen geschlossenen Regelkreis handeln, der ggf. nicht nur einen, sondern zwei oder mehr Regler umfasst. Für die Regelung des Verhältnisses zwischen dem Leistungsanteil des Messpfads und dem Leistungsanteil des Referenzpfads kann zunächst der Leistungsanteil P_R der Strahlung des Referenzpfads, die zum Detektor reflektiert wird, rechnerisch ermittelt werden. Aus der (bekannten) auf den Detektor treffenden Gesamtleistung P_S, welche die Summe aus dem Leistungsanteil P_R des Referenzpfads und des Leistungsanteils P_M der zum Detektor reflektierten Strahlung des Messpfads darstellt (P_S = P_R + P_M), kann der Leistungsanteil P_M des Messpfads bestimmt werden: $P_{M} = P_{S} - P_{R} .$
Auf diese Weise kann das (Ist-)Verhältnis P_M / P_R zwischen dem Leistungsanteil P_M der vom Werkstück zum Detektor reflektierten Strahlung und des Leistungsanteils P_R der vom Retroreflektor zum Detektor reflektierten Strahlung bestimmt werden. Durch das Einwirken auf die Stelleinrichtung kann der Leistungsanteil P_R in dem Referenzarm verändert werden, um das (Ist-)Verhältnis P_M / P_R auf ein Soll-Verhältnis P_MS / P_RS zu regeln. Das vorgebbare Soll-Verhältnis kann empirisch bestimmt werden und im einfachsten Fall einen konstanten Wert annehmen, der bevorzugt zwischen ca. 0,01 und ca. 100, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 10 und idealer Weise bei P_MS / P_RS = 1,0 liegt. Es ist darüber hinaus weder sinnvoll, wenn der Leistungsanteil P_M in dem Messarm gegen Null geht, noch wenn der Leistungsanteil P_R in dem Referenzarm gegen Unendlich geht. Es ist aber möglich, das Soll-Verhältnis während der Bearbeitung des Werkstücks anzupassen, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Grundsätzlich setzt sich die detektierte Gesamtleistung bzw. der zu dieser proportionale Strom, der bei der (ggf. spektralen, s.u.) optischen Kohärenztomographie am Detektor gemessen wird, aus drei Anteilen zusammen, einem DC-Anteil, einem Cross-Correlation-Anteil und einem Auto-Correlation-Anteil. Beim DC-Anteil handelt es sich um einen konstanten Anteil, der z.B. mittels eines Dunkelabgleichs vor dem Beginn der Detektion bzw. Messung bestimmt wird und der während der Messung aus dem vom Detektor erzeugten, typischerweise zur Gesamtleistung proportionalen Messsignal (z.B. einem Messstrom) herausgefiltert wird. Der DC-Anteil reduziert den Kontrastbereich des Detektors und sollte daher möglichst klein ausfallen. Der Cross-Correlation-Anteil enthält die eigentliche Tiefeninformation, d.h. den relevanten interferometrischen Signalanteil. Die Reflektion aus dem Messpfad und aus dem Referenzpfad geht als Quadratwurzel der Einzel-Reflexionsgrade in diesen Anteil ein. Der Auto-Correlation-Anteil enthält Interferenzanteile zwischen verschiedenen Messebenen (verschiedenen Tiefen), an denen vom Werkstück Strahlung reflektiert wird. Es handelt sich bei dem Auto-Correlation-Anteil um Artefakte, die das tatsächliche Messergebnis verfälschen.
Für den Fall, dass der Reflexionsgrad des Werkstücks R_S (in einer Messebene) deutlich größer ist der Reflexionsgrad R_R des Retroreflektors bzw. des Gesamt-Reflexionsgrads des Referenzpfads (R_S >> R_R), sollte der Leistungsanteil P_R der am Retroreflektor zum Detektor reflektierten Strahlung erhöht werden, da ansonsten der Auto-Correlation-Anteil zu groß wird. Für den Fall, dass der Reflexionsgrad R_S des Werkstücks deutlich kleiner ist als der Reflexionsgrad R_R des Retroreflektors, sollte der Leistungsanteil P_R reduziert werden, da ansonsten der DC-Anteil des Messsignals zu groß wird.
Für die optische Kohärenztomographie wird eine Strahlquelle verwendet, die kohärente Strahlung erzeugt, beispielsweise eine Strahlquelle in Form einer Superlumineszensdiode. Als Detektor wird in der Regel ein nicht ortsauflösender Detektor verwendet, welcher die auftreffende Gesamtleistung in ein in der Regel proportionales Messsignal, beispielsweise in einen Messstrom, umwandelt. Bei der spektral aufgelösten optischen Kohärenztomographie kann die reflektierte Strahlung an einem Spektrometer, beispielsweise in Form eines Gitters, in Spektralanteile zerlegt werden, wobei die Spektralanteile an mehreren Detektorflächen des Detektors (z.B. in einer Sensor- bzw. Dioden-Zeile) in der Regel jeweils nicht ortsaufgelöst detektiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann bei der spektral aufgelösten optischen Kohärenztomographie die Wellenlänge der von der Strahlquelle erzeugten Strahlung durchgestimmt werden, wenn es sich um eine in der Wellenlänge durchstimmbare Strahlquelle handelt. Die Strahlteilereinrichtung kann auch dazu dienen, die vom Werkstück und vom Retroreflektor reflektierte Strahlung zusammenzuführen, so dass diese gemeinsam den Detektor erreicht. Es kann aber ggf. eine andere optische Einrichtung, beispielsweise eine weitere Strahlteilereinrichtung, dazu verwendet werden, die reflektierte Strahlung aus dem Messpfad und aus dem Referenzpfad zusammenzuführen.
Für die Realisierung der Stelleinrichtung bestehen mehrere Möglichkeiten:
Bei einer Ausführungsform ist die Stelleinrichtung zur Veränderung der Aufteilung der Quellenleistung der Strahlung der Strahlquelle auf den Referenzpfad und auf den Messpfad ausgebildet. Zu diesem Zweck kann bei der Verwendung von polarisierter Strahlung beispielsweise die Strahlteilereinrichtung, z.B. in Form eines Polarisationsstrahlteilers, um die Strahlachse der von der Strahlquelle erzeugten Strahlung gedreht werden. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise ein Polarisationsfilter, der im Strahlweg von der Strahlquelle zur Strahlteilereinrichtung angeordnet ist, geeignet eingestellt werden, beispielsweise indem dieser ebenfalls um die Strahlachse der von der Strahlquelle zur Strahlteilereinrichtung propagierenden Strahlung gedreht wird, um die Aufteilung der Quellenleistung auf den Referenzpfad und auf den Messpfad zu verändern. Auch kann die Strahlteilereinrichtung ausgebildet sein, die Aufteilung der Quellenleistung auf andere Weise vorzunehmen, beispielsweise wenn die Strahlteilereinrichtung als schnell schaltender Strahlteiler (z.B. in Form eines drehbaren Prismas oder einer elektrisch angesteuerten Einrichtung) ausgebildet ist. Es versteht sich, dass die Aufteilung der Quellenleistung mit Hilfe der Strahlteilereinrichtung nicht zwingend durch eine Polarisationsstrahlteilung erfolgen muss, sondern dass die Aufteilung der Quellenleistung auch auf andere Weise, z.B. durch eine geometrische Strahlteilung, erfolgen kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Stelleinrichtung zur Veränderung des Leistungsanteils der Strahlung in dem Referenzpfad oder des Leistungsanteils in dem Messpfad ausgebildet. Die Stelleinrichtung ist in diesem Fall in der Regel als einstellbarer Attenuator ausgebildet, d.h. ein Teil des in den Referenzpfad oder in den Messpfad eingekoppelten Leistungsanteils geht verloren. Im Gegensatz zu der weiter oben beschriebenen Ausführungsform ist es in diesem Fall nicht erforderlich, einen Polarisator vor der Strahlteilereinrichtung zu verwenden, welcher die Leistung in dem Messsystem insgesamt reduzieren würde. Zudem kann das optische Interferometer bzw. der optische Kohärenztomograph gegebenenfalls mit unpolarisierter Strahlung betrieben werden. Die Stelleinrichtung kann dauerhaft in dem Referenzpfad oder in dem Messpfad angeordnet sein oder für die Abschwächung des Leistungsanteils beispielsweise mit Hilfe eines Aktuators in den Referenzpfad oder in den Messpfad eingebracht werden. Es versteht sich, dass eine Stelleinrichtung für den Referenzpfad und eine weitere Stelleinrichtung für den Messpfad vorgesehen sein können, die eine unterschiedliche (d.h. nicht zueinander proportionale) Veränderung des jeweiligen Leistungsanteils bewirken, um das Verhältnis zwischen den beiden Leistungsanteilen auf das Soll-Verhältnis zu regeln.
Bei einer Weiterbildung ist die Stelleinrichtung zur Veränderung einer Reflektivität des in dem Referenzpfad angeordneten Retroreflektors ausgebildet, insbesondere kann der Retroreflektor die Stelleinrichtung bilden. Der Retroreflektor, der in diesem Fall beispielsweise als Endspiegel ausgebildet sein kann, kann bei der Verwendung von polarisierter Strahlung beispielsweise selbst als Polarisator dienen bzw. eine vom Polarisationszustand der auftreffenden Strahlung abhängige Reflektivität aufweisen. Es versteht sich, dass auch andere reflektierende Elemente, beispielsweise in Form von Umlenkspiegeln, im Referenzpfad angeordnet sein können, deren Reflexionsgrad ggf. verändert werden kann, beispielsweise durch eine Drehung des jeweiligen Umlenkspiegels um seine Achse.
Bei einer Weiterbildung ist die Stelleinrichtung ausgebildet, zur Veränderung einer Fokusposition der Strahlung in dem Referenzpfad auf eine Fokussiereinrichtung einzuwirken. Die Fokussiereinrichtung kann beispielsweise dazu dienen, um die Strahlung, die divergent aus einer optischen Faser austritt, zu kollimieren. In diesem Fall ist typischerweise die Fokussiereinrichtung in einer Ruheposition bzw. in einer nominellen Position derart angeordnet, dass die Fokusposition in der Ebene am austrittsseitigen Ende der optischen Faser liegt. Wird die Brennweite der Fokussiereinrichtung verändert oder wird der Abstand zwischen der Fokussiereinrichtung und dem austrittsseitigen Ende der optischen Faser verändert, so führt dies zu einer Defokussierung der an dem Retroreflektor zurück reflektierten Strahlung, d.h. diese wird nicht mehr vollständig in die optische Faser eingekoppelt, sodass der Leistungsanteil der zum Detektor reflektierten Strahlung abnimmt. Der gleiche Effekt tritt auf, wenn eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung der Strahlung in dem Referenzpfad auf den Retroreflektor vorhanden ist und die Brennweite der Fokussiereinrichtung und/oder der Abstand zwischen der Fokussiereinrichtung und dem Retroreflektor verändert wird/werden.
Bei einer Weiterbildung umfasst die Fokussiereinrichtung eine bewegbare, insbesondere entlang einer Strahlachse des Referenzpfads verschiebbare Linse. Eine solche Linse z.B. in Form einer Kollimationslinse kann ohnehin im Referenzpfad vorhanden sein, um die aus einer optischen Faser ausgekoppelte, divergente Strahlung zu kollimieren, bevor diese auf den Retroreflektor trifft. Durch die Verschiebung einer solchen Linse entlang der Strahlachse kann der Leistungsanteil in dem Referenzpfad auf besonders einfache Weise verändert werden. Gleiches gilt für an anderen Orten im Referenzpfad angeordnete Linsen oder andere fokussierende optische Elemente, die ebenfalls entlang der Strahlachse des Referenzpfads verschoben werden können und bei denen die Verschiebung eine Defokussierung und somit eine Abschwächung der Leistung der aus dem Referenzpfad zurück reflektierten Strahlung bewirken. Alternativ oder zusätzlich kann ggf. auch eine (geringfügige) Verkippung der Linse bezüglich der Strahlachse erfolgen, die bewirkt, dass ein Anteil der Strahlungsleistung den Strahlweg des Referenzpfads verlässt.
Bei einer weiteren Weiterbildung weist die Stelleinrichtung eine optische Filtereinrichtung auf. Bei der optischen Filtereinrichtung kann es sich um eine optische Filtereinrichtung mit einstellbarer Transmission bzw. Attenuation handeln, die dauerhaft in dem Referenzpfad angeordnet ist. Die optische Filtereinrichtung kann aber auch einen oder mehrere optische Filter umfassen, die mit Hilfe von mindestens einem Aktuator in den Messpfad eingebracht werden, um die Leistung der Strahlung in dem Referenzpfad zu reduzieren bzw. zu verändern.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsvorrichtung eine weitere Stelleinrichtung zur Veränderung der Quellenleistung der Strahlquelle, wobei die Regeleinrichtung zur Einwirkung auf die weitere Stelleinrichtung für die Regelung der zum Detektor reflektierten und/oder gestreuten Gesamtleistung unter einen Gesamtleistungs-Schwellwert ausgebildet ist. Bei der weiteren Stelleinrichtung kann es sich beispielsweise um eine steuerbare Stromquelle handeln, welche den der Strahlquelle zugeführten Strom bereitstellt. Auf diese Weise kann beispielsweise bei der Verwendung einer Superlumineszensdiode als Strahlquelle der Diodenstrom und somit die Quellenleistung eingestellt werden. Der Schwellwert der Gesamtleistung, der nicht überschritten werden sollte, entspricht typischerweise der oberen Leistungsgrenze des Detektors. Bei einer hohen Reflektivität des Werkstücks sollte die Quellenleistung reduziert werden, um den Kontrastumfang nicht zu überschreiten und eine Sättigung des Detektors zu vermeiden. Bei einer niedrigen Reflektivität des Werkstücks sollte die Quellenleistung erhöht werden, um den Kontrastumfang größtmöglich auszunutzen. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die Regeleinrichtung einen geschlossenen Regelkreis bilden. Auf diese Weise kann ggf. bei einer Veränderung der Prozessparameter, beispielsweise des Werkstoffs, des Winkels, unter dem die Strahlung in dem Messpfad auf das Werkstück auftrifft, etc. auf eine Justage des Detektors verzichtet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der optische Kohärenztomograph zur spektral aufgelösten Detektion, d.h. zur Aufnahme (mindestens) eines Spektrums, der zum Detektor zurück reflektierten Gesamtleistung ausgebildet. Zu diesem Zweck kann der optische Kohärenztomograph ein Spektrometer zur spektralen Zerlegung der aus dem Messpfad und aus dem Referenzpfad zurück reflektierten Strahlung auf mehrere Messkanäle aufweisen, in denen jeweils eine in der Regel nicht ortsauflösende Detektorfläche angeordnet ist, die einer bestimmten Wellenlänge bzw. einem vorgegebenen Wellenlängenband entspricht. Das Spektrometer kann für die spektrale Zerlegung beispielsweise ein Beugungsgitter, ein Prisma etc. aufweisen. Der Detektor kann beispielsweise als Zeilendetektor ausgebildet sein, an dem mehrere Detektorflächen gebildet sind, auf die jeweils Strahlung bei einer Wellenlänge bzw. in einem (schmalen) Wellenlängenband trifft. Alternativ zur Verwendung eines Spektrometers, welches die simultane Detektion von mehreren Wellenlängen ermöglicht, kann eine in der Wellenlänge durchstimmbare Strahlquelle verwendet werden, um Strahlung bei unterschiedlichen Wellenlängen zeitlich aufeinander folgend zu detektieren. An Stelle einer spektral aufgelösten Messung kann auch eine zeitaufgelöste Messung erfolgen, bei welcher während der Messung die Länge des Referenzarms variiert wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Bearbeitungsvorrichtung eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung mindestens einer Kenngröße der spektral aufgelösten Gesamtleistung bzw. eines aus diesem erzeugten spektral aufgelösten Messsignals (Spektrum) auf, wobei die Regeleinrichtung ausgebildet ist, das Soll-Verhältnis und/oder die (über das gesamte gemessene Spektrum summierte) Gesamtleistung in Abhängigkeit von der mindestens einen Kenngröße anzupassen.
Bei der mindestens einen Kenngröße kann es sich beispielsweise um das Produkt aus der Reflektivität R_R des Retroreflektors und der Reflektivität R_Sn des Werkstücks, genauer gesagt um die Quadratwurzel aus diesem Produkt $\sqrt{R_{R} R_{S n}}$
handeln, wobei der Index n für unterschiedliche Messebenen des Messobjekts bzw. des Werkstücks steht, die unterschiedlichen Längen des Messpfads entsprechen, wobei n = 1 den Messpfad mit der kleinsten Länge bezeichnet. n = 1 bezeichnet typischerweise das reflektierte Signal der Oberfläche des Werkstücks. Auch Auswertungen von Reflexionen aus tieferen Ebenen sind möglich (n > 1). Das genannte Produkt bzw. dessen Quadratwurzel geht in den Cross-Correlation-Anteil ein, der möglichst groß sein sollte. Es versteht sich aber, dass auch andere Kenngrößen der spektral aufgelösten Gesamtleistung ermittelt werden können, die für die Vorgabe bzw. für die Anpassung des Soll-Verhältnisses bzw. der Gesamtleistung oder zu anderen Zwecken verwendet werden können.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsvorrichtung zusätzlich eine Ablenkeinrichtung zur Ablenkung der Strahlung in dem Messpfad an unterschiedliche Positionen an dem Werkstück. Bei der Ablenkeinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Scannereinrichtung handeln, welche es ermöglicht, die Strahlung in dem Messpfad an unterschiedliche Positionen auf dem Werkstück abzulenken bzw. auf unterschiedliche Positionen an dem Werkstück auszurichten. Eine solche Scannereinrichtung weist typischerweise einen oder ggf. mehrere Scannerspiegel auf, die drehbar bzw. verkippbar angeordnet sind. Die Ablenkeinrichtung kann insbesondere derart ausgebildet bzw. derart angeordnet sein, dass diese lediglich die von der Strahlquelle erzeugte Strahlung in dem Messpfad an unterschiedliche Positionen auf dem Werkstück ausrichtet, aber den Bearbeitungsstrahl nicht beeinflusst. Auf diese Weise kann die Position der Strahlung aus dem Messpfad auf dem Werkstück unabhängig von der Position des Bearbeitungsstrahls auf dem Werkstück festgelegt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Ablenkeinrichtung ausgebildet, bei der insbesondere schweißenden Bearbeitung des Werkstücks die Strahlung in dem Messpfad an (mindestens) eine erste Position vorlaufend zu einer Position des Bearbeitungsstrahls auf dem Werkstück, an die Position des Bearbeitungsstrahls auf dem Werkstück sowie an (mindestens) eine zweite Position nachlaufend zur Position des Bearbeitungsstrahls auf dem Werkstück abzulenken. Wie in der eingangs zitierten EP 2 062 674 A1 beschrieben ist, kann bei einem Schweißprozess bzw. bei einer schweißenden Bearbeitung an der vorlaufenden ersten Position die Lage der Fügestelle bzw. des zu schweißenden Bauteils, an der Position des Bearbeitungsstrahls das Keyhole, beispielsweise die Einschweißtiefe, und an der nachlaufenden zweiten Position die Nahtgeometrie der beim Schweißen gebildeten Schweißnaht erfasst werden.
Um trotz der unterschiedlichen Lichtverhältnisse bzw. Reflexionsgrade im Keyhole und vorlaufend sowie nachlaufend zur Position des Bearbeitungsstrahls eine möglichst gute Signalqualität sicherzustellen, wird die weiter oben beschriebene Regeleinrichtung verwendet, welche das Verhältnis zwischen den Leistungsanteilen im Messpfad und im Referenzpfad auf ein vorgegebenes Soll-Verhältnis regelt bzw. (automatisch) an die Reflexionsverhältnisse im Keyhole bzw. auf der Werkstückoberfläche anpasst. Das Soll-Verhältnis zwischen den Leistungsanteilen im Messpfad und im Referenzpfad kann bei einer vorausgehenden Messung empirisch bestimmt werden und für alle drei Positionen einen konstanten Wert annehmen. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es aber auch möglich, das Soll-Verhältnis zwischen den Leistungsanteilen dynamisch anzupassen.
Wie weiter oben beschrieben wurde, kann zusätzlich die Quellenleistung der Strahlquelle und/oder die Belichtungszeit des Detektors angepasst werden, beispielsweise indem die auf den Detektor auftreffende Gesamtleistung geregelt wird. Auf diese Weise kann für alle Messaufgaben eine bestmögliche Signalqualität erzielt werden, was zu einem genaueren Messergebnis führt und die Prozessstabilität bei der Bearbeitung erhöht, da anhand des genaueren Messergebnisses präziser und schneller in den Bearbeitungsprozess eingegriffen werden kann, falls dies notwendig sein sollte, um für die Optimierung des Bearbeitungsergebnisses einen oder mehrere Bearbeitungsparameter zu verändern bzw. anzupassen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere an einer Bearbeitungsvorrichtung wie weiter oben beschrieben, umfassend: Erzeugen von Strahlung mit einer Quellenleistung, Aufteilen der Quellenleistung der Strahlung auf einen Referenzpfad, in dem ein Retroreflektor angeordnet ist, und auf einen Messpfad, in dem das Werkstück angeordnet ist, Detektieren einer Gesamtleistung der Strahlung, die von dem Werkstück in dem Messpfad und von dem Retroreflektor in dem Referenzpfad reflektiert und/oder gestreut wird und miteinander interferiert, sowie Regeln eines Verhältnisses zwischen einem Leistungsanteil der vom Werkstück reflektierten und/oder gestreuten detektierten Strahlung und einem Leistungsanteil der vom Retroreflektor reflektierten und/oder gestreuten detektierten Strahlung auf ein Soll-Verhältnis durch Verändern des Leistungsanteils der von dem Retroreflektor zum Detektor reflektierten und/oder gestreuten Strahlung an der Gesamtleistung, wobei die oben genannten Verfahrensschritte, d.h. das Erzeugen, Aufteilen, Detektieren und das Regeln, während des insbesondere schweißenden Bearbeitens des Werkstücks mit einem Bearbeitungsstrahl, insbesondere mit einem Laserstrahl durchgeführt werden. Bei dem Verfahren ergeben sich die weiter oben im Zusammenhang mit der Bearbeitungsvorrichtung beschriebenen Vorteile.
Für das Verändern des Leistungsanteils der vom Retroreflektor reflektierten Strahlung an der Gesamtleistung bestehen verschiedene Möglichkeiten:
Bei einer Variante umfasst das Verändern des Leistungsanteils der vom Retroreflektor reflektierten und/oder gestreuten Strahlung an der Gesamtleistung ein Verändern der Aufteilung der Quellenleistung der Strahlung auf den Referenzpfad und auf den Messpfad. Eine solche Veränderung kann beispielsweise durch einen geeignet ausgebildeten Strahlteiler, insbesondere einen Polarisations-Strahlteiler, oder auf andere Weise erfolgen.
Bei einer weiteren Variante umfasst das Verändern des Leistungsanteils der von dem Retroreflektor reflektierten Strahlung an der Gesamtleistung ein Verändern, insbesondere ein Abschwächen, des Leistungsanteils der Strahlung in dem Referenzpfad und/oder ein Verändern, insbesondere ein Abschwächen, des Leistungsanteils der Strahlung in dem Messpfad. Das Abschwächen des Leistungsanteils kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.
Bei einer Weiterbildung wird zum Abschwächen des Leistungsanteils der Strahlung in dem Referenzpfad eine Fokusposition der Strahlung in dem Referenzpfad verändert, und zwar bevorzugt durch Einwirken auf eine auf eine Fokussiereinrichtung in dem Referenzpfad, besonders bevorzugt durch Bewegen, insbesondere durch Verschieben, mindestens einer Linse in dem Referenzpfad. Alternativ oder zusätzlich kann ggf. ein durchstimmbarer optischer Filter in dem Referenzpfad angeordnet werden oder es können einer oder ggf. mehrere optische Filtereinrichtungen gesteuert in den Referenzpfad hinein und aus diesem heraus bewegt werden.
Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die Attenuation des Leistungsanteils in dem Referenzpfad auch auf andere Weise, beispielsweise durch eine Veränderung der Reflektivität des Retroreflektors, erfolgen.
Bei einer weiteren Variante umfasst das Verfahren zusätzlich: Verändern der Quellenleistung zum Regeln der detektierten Gesamtleistung unter einen Gesamtleistungs-Schwellwert. Der Gesamtleistungs-Schwellwert ist abhängig von der oberen Leistungsgrenze des Detektors und wird typischerweise derart gewählt, dass der Detektor den Kontrastumfang nicht überschreitet, d.h. nicht in die Sättigung gerät.
Bei einer weiteren Variante wird die zurück reflektierte und/oder gestreute Gesamtleistung der Strahlung spektral aufgelöst detektiert und das Verfahren umfasst zusätzlich: Ermitteln mindestens einer Kenngröße der spektral aufgelösten Gesamtleistung, sowie Anpassen des Soll-Verhältnisses und/oder der Gesamtleistung in Abhängigkeit von der mindestens einen ermittelten Kenngröße. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann auf diese Weise eine dynamische Anpassung der Signalqualität an unterschiedliche Lichtverhältnisse bei der Abtastung des Werkstücks erfolgen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Bearbeitungsvorrichtung zur schweißenden Bearbeitung eines Werkstücks mit einem optischen Kohärenztomographen zur Abtastung des Werkstücks während der Bearbeitung mit einem Laserstrahl,
2 eine vereinfachte Darstellung eines Strahlengangs in dem optischen Kohärenztomographen von 1 mit einem Messpfad und mit einem Referenzpfad,
3a,b Darstellungen der spektral aufgelösten detektierten Gesamtleistung der Strahlung einer Strahlquelle des optischen Kohärenztomographen, die an der Position eines Bearbeitungsstrahls sowie an zwei Positionen im Vorlauf und im Nachlauf zur Position des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück trifft und von diesem reflektiert wird,
4a,b schematische Darstellungen der spektral aufgelösten detektierten Gesamtleistung analog zu 3a,b bei der Ermittlung von Kenngrößen zur Regelung eines Leistungsverhältnisses zwischen einem Messpfad und einem Referenzpfad, sowie
5a,b schematische Darstellungen der spektral aufgelösten detektierten Gesamtleistung bei einer erfolgreichen Regelung des Leistungsverhältnisses.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Bearbeitungsvorrichtung 1 zur Bearbeitung eines Werkstücks 2, bei der es sich im gezeigten Beispiel um eine schweißende Bearbeitung handelt. Die Bearbeitungsvorrichtung 1 weist einen Bearbeitungskopf 3 auf, dem ein Bearbeitungsstrahl, im gezeigten Beispiel ein Laserstrahl 4, von einer nicht bildlich dargestellten Laserquelle zugeführt wird. Der Laserstrahl 4 wird an einer in dem Bearbeitungskopf 3 angeordneten Fokussierlinse 5 auf das Werkstück 2 fokussiert und bildet dort eine Kapillare bzw. ein Keyhole 6, in dem das Material des Werkstücks 2 aufgeschmolzen bzw. teilweise verdampft wird. Der Bearbeitungskopf 3 wird mittels einer nicht näher dargestellten Bewegungseinrichtung während des Schweißprozesses entlang einer Vorschubrichtung V über die Oberfläche 2a des Werkstücks 2 bewegt. Es versteht sich, dass alternativ oder zusätzlich auch das Werkstück 2 mittels einer geeigneten Bewegungseinrichtung relativ zum Bearbeitungskopf 2 bewegt werden kann.
Die Bearbeitungsvorrichtung 1 umfasst ein optisches Interferometer in Form eines optischen Kohärenztomographen 7, der eine Strahlquelle 8 zur Erzeugung von (Mess-)Strahlung 9 aufweist. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Strahlquelle 8 um eine Superlumineszenzdiode, die im gezeigten Beispiel Strahlung 9 mit einer Wellenlänge λ bzw. mit Wellenlängen von mehr als 800 nm erzeugt Es versteht sich, dass die Strahlquelle 8 auch zur Erzeugung von Strahlung 9 bei anderen Wellenlängen λ ausgebildet sein kann. Die von der Strahlquelle 8 ausgehende Strahlung 9 propagiert zunächst frei und wird an einer Einkoppeloptik 10a in eine optische Faser 11 eingekoppelt und an einem austrittsseitigen Ende über eine Auskoppeloptik 10b aus der optischen Faser 11 ausgekoppelt, bevor die Strahlung 9 in freier Strahlpropagation auf eine Strahlteilereinrichtung in Form eines Polarisations-Strahlteilers 12 trifft.
An dem Strahlteiler 12 wird die Strahlung 9, die mit einer Quellenleistung P_Q von der Strahlquelle 8 erzeugt wird, auf einen Referenzpfad 13 und auf einen Messpfad 14 aufgeteilt. In dem Referenzpfad 13 ist eine weitere optische Faser 15 angeordnet, an deren austrittsseitigem Ende die Strahlung 9 divergent austritt und von einer ersten Linse 16a kollimiert wird. Eine zweite Linse 16b dient zur Fokussierung der kollimierten Strahlung 9 auf einen Retroreflektor in Form eines planen Endspiegels 17. Die Strahlung 9, genauer gesagt der Strahlungsanteil, der von dem Polarisationsstrahlteiler 12 in den Messpfad 14 eingekoppelt wird, wird über eine Ablenkeinrichtung in Form einer Scannereinrichtung 19 geführt, die im gezeigten Beispiel zwei nicht näher dargestellte Scannerspiegel aufweist, um die Strahlung 9 in dem Messpfad 14 abzulenken, bevor diese in den Strahlengang des Laserstrahls 4 eingekoppelt wird.
Mit Hilfe der Scannereinrichtung 19 kann die Strahlung 9 in dem Messpfad 14 an unterschiedliche Positionen auf dem Werkstück 2 abgelenkt bzw. ausgerichtet werden. In 1 sind beispielhaft eine Position P, an welcher der Laserstrahl 4 auf das Werkstück 2 trifft, eine erste Position P1 im Vorlauf zu der Position P, an welcher der Laserstrahl 4 auf das Werkstück 2 trifft, sowie eine zweite Position P2 im Nachlauf zu der Position P dargestellt, an welcher der Laserstrahl 4 auf das Werkstück 2 trifft. Mit Hilfe der Scannereinrichtung 19 kann die Strahlung 9 in dem Messpfad 14 an alle drei Positionen P1, P, P2 abgelenkt bzw. ausgerichtet werden.
Die von dem Werkstück 2 in dem Messpfad 14 reflektierte und/oder gestreute Strahlung 9 sowie die von dem Endspiegel 17 in dem Referenzpfad 13 reflektierte und/oder gestreute Strahlung 9 wird an dem Polarisationsstrahlteiler 12 zusammengeführt und durchläuft die optische Faser 11 in umgekehrter Richtung. An einem vor der Strahlquelle 8 angeordneten weiteren Strahlteiler 20, der als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet ist, wird die reflektierte Strahlung 9 umgelenkt und einem Spektrometer 21 zugeführt, welches in einen Detektor 22 in Form einer Detektorzeile sowie ein Beugungsgitter 23 aufweist, an dem die reflektierte und/oder gestreute Strahlung 9 in ihre spektralen Anteile zerlegt wird, die auf unterschiedliche Detektorflächen des als Detektorzeile ausgebildeten Detektors 22 treffen.
Die Gesamtleistung P_D der Strahlung 9, die auf den Detektor 22 bzw. auf jede einzelne Detektorfläche 22a-k (vgl. 2) trifft, ist die Summe aus einem Leistungsanteil P_R der Strahlung 9, die den Referenzpfad 13 durchlaufen hat und die an dem Endspiegel 17 zum Detektor 22 zurück reflektiert und/oder gestreut wird und einem Leistungsanteil P_M der Strahlung 9, die den Messpfad 14 durchlaufen hat und die an dem Werkstück 2 zum Detektor 22 zurück reflektiert und/oder gestreut wird (P_D = P_M + P_R).
Für den Fall, dass die Aufteilung der Quellenleistung P_Q an dem Polarisationsstrahlteiler 12 auf den Referenzpfad 13 mit einem Referenzanteil S_R und auf den Messpfad 14 mit einem identischen Messanteil S_M erfolgt, d.h. S_R = S_M = 0,5 (wobei S_R + S_M = 1 gilt), ergibt sich für die Gesamtleistung P_D , die auf den Detektor 22, genauer gesagt auf jede einzelne Detektorfläche 22a-k trifft, folgendes: $I_{D} (K) = ρ P_{D} (k) = ρ [P_{R} (k) + P_{M} (k)],$
wobei k = 2 π / λ die Wellenzahl (in [m^-1]), λ die Wellenlänge der Strahlung 9 bzw. des jeweiligen Strahlungsanteils, I_D (k) des Messstrom an der jeweiligen Detektorfläche 22a-k und ρ die Proportionalitätskonstante zwischen auftreffender Leistung P_D (k) und dem hierzu proportionalen Messstrom I_D (k) (ρ z.B. in Ampere / Watt) bezeichnet.
Der Messstrom I_D (k) weist drei Anteile (a)-(c) auf, die nachfolgend angegeben sind: $\begin{array}{l} I_{D} = \\ \begin{array}{l} \frac{ρ}{4} [P_{Q} (k) (R_{R} + R_{S 1} + R_{S 2} + \dots)] & (a) \\ + \frac{ρ}{4} [P_{Q} (k) \sum_{n = 1}^{N} \sqrt{R_{R} R_{S n}} (cos [2 k (z_{R} - z_{S n})])] & (b) \\ + \frac{ρ}{4} [P_{Q} (k) \sum_{n \neq m = 1}^{N} \sqrt{R_{M n} R_{S m}} (cos [2 k (z_{S n} - z_{S m})])] & (c) \end{array} \end{array}$
Für die Erklärung der Bedeutung der in den Anteilen (a)-(c) verwendeten Größen sei auf 2 verwiesen, die eine vereinfachte Darstellung des optischen Kohärenztomographen 7 mit dem Referenzpfad 13 und dem Messpfad 14 zeigt. Wie 2 zu entnehmen ist, bezeichnet R_R die Reflektivität des Endspiegels 17 und R_S1 , R_S2 , ... , R_SN bezeichnen die Reflektivität des Werkstücks 2 in unterschiedlichen Messebenen, die jeweils unterschiedlichen Tiefen in dem Werkstück 2 entsprechen. In 2 nicht gezeigt ist die optische Weglänge z_R , welche die Strahlung 9 im Referenzpfad 13 zurücklegt, sowie die optische Weglänge z_S bzw. z_Sn , welche die Strahlung 9 im Messpfad 14 zu der jeweiligen Messebene 1, ..., n, ..., N zurücklegt.
Beim ersten Anteil (a) handelt es sich um einen sogenannten DC-Anteil, d.h. um einen konstanten Anteil, der z.B. mittels eines Dunkelabgleichs vor dem Beginn der Detektion bzw. Messung bestimmt wird und der während der Detektion aus der vom Detektor 22 detektierten Gesamtleistung P_R(k) + P_M(k) bzw. dem hierzu proportionalen Messstrom I_D (k) herausgefiltert wird. Der DC-Anteil (a) reduziert den Kontrastbereich des Detektors 22 und sollte daher möglichst klein ausfallen.
Bei dem zweiten Anteil (b) handelt es sich um einen so genannten Cross-Correlation-Anteil, der die eigentliche Tiefeninformation, d.h. das eigentlich gewünschte Messsignal, als interferometrischen Signalanteil enthält. Der Auto-Correlation-Anteil (c) enthält bei der Reflexion an verschiedenen Messebenen 1, ..., N am Werkstück 2 Interferenzanteile zwischen unterschiedlichen Messebenen 1, ..., N. Es handelt sich bei dem Auto-Correlation-Anteil (c) um Artefakte, die das tatsächliche Messergebnis verfälschen, d.h. auch der Auto-Correlation-Anteil (c) sollte möglichst gering ausfallen.
1 zeigt auch eine Auswerteeinrichtung 24, welche die Gesamtleistung P_R(k) + P_M(k), die auf den Detektor 22 trifft, genauer gesagt das zu diesem proportionale Messsignal I_D (k) spektral aufgelöst in Abhängigkeit von der Wellenzahl k aufnimmt und auswertet. Anhand der spektral aufgelösten Gesamtleistung P_R + P_M können Informationen über den Schweißprozess ermittelt werden, beispielsweise über die Einschweißtiefe ΔZ, die bei dem in 1 dargestellten Spektrum 25 anhand eines spektralen Abstands zwischen zwei Peaks in dem aufgenommenen Spektrum 25 bestimmt werden kann, wie dies in 1 beispielhaft angedeutet ist.
Wie in 3a,b zu erkennen ist, hängt die spektral aufgelöste Gesamtleistung P_R + P_M und somit das zugehörige Spektrum 25 stark vom am Werkstück 2 reflektierten Leistungsanteil R_S (bzw. vom am Werkstück 2 in einer jeweiligen Messebene reflektierten Leistungsanteil R_S1 ,... , R_SN) ab, der sich in 3a,b auf die gesamte Quellenleistung P_Q bezieht und der wiederum von der Position P, P1, P2 abhängig ist, an dem die Strahlung 9 in dem Messpfad 14 auf das Werkstück 2 trifft. Bei dem in 3a gezeigten Beispiel, bei welcher die Strahlung 9 an der Position P des Laserstrahls 4 auf das Werkstück 2 trifft, ist der am Werkstück 2 reflektierte Leistungsanteil R_S an der Quellenleistung P_Q vergleichsweise klein und liegt z.B. bei R_S = 0,02, während der am Endspiegel 17 reflektierte Leistungsanteil R_R an der Quellenleistung P_Q bei ca. 0,5 liegt, d.h. es ist R_R << 1 - R_S, was zu einem vergleichsweise großen DC-Anteil (a) führt, wie in 3a anhand des vergleichsweise hohen bzw. großen Spektrums 25 erkennbar ist.
Bei dem in 3b gezeigten Beispiel wird die Strahlung 9 in dem Messpfad 14 von der ersten Position P1 im Vorlauf zur Position P des Laserstrahls 4 bzw. von der zweiten Position P2 im Nachlauf zur Position P des Laserstrahls 4 reflektiert. An diesen beiden Positionen P1, P2 ist der am Werkstück 2 bzw. an der Oberfläche 2a des Werkstücks 2 reflektiere Leistungsanteil R_S an der Quellenleistung P_Q vergleichsweise groß, z.B. R_S = 0,98, während für den am Endspiegel 17 reflektierten Leistungsanteil R_R gilt: R_R = 0,02, so dass gilt: R_S ≈ 1 - R_R. In diesem Fall ist der Auto-Correlation-Anteil (c) des Spektrums 25 zu groß und dieses ist vergleichsweise unregelmäßig.
Um möglichst unabhängig von der ggf. stark unterschiedlichen Reflektivität R_S des Werkstücks 2 eine möglichst hohe Signalqualität bzw. ein gutes Signal-zu-Rauschverhältnis zu erhalten, weist die in 1 gezeigte Bearbeitungsvorrichtung 1 eine Regeleinrichtung 26 auf, um das Verhältnis zwischen dem Leistungsanteil P_R der in dem Messpfad 14 vom Werkstück 2 zu dem Detektor 22 zurück reflektierten Strahlung 9 zu dem Leistungsanteil P_M des in dem Referenzpfad 13 von dem Endspiegel 17 zurück reflektierten Strahlung 9 auf ein Soll-Verhältnis P_MS / P_RS zu regeln. Bei dem Soll-Verhältnis P_MS / P_RS kann es sich insbesondere um einen konstanten Wert handeln, der bevorzugt zwischen ca. 0,01 und ca. 100, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 10 und idealer Weise bei P_MS / P_RS = 1 liegt.
Für die Durchführung der Regelung kann die Regeleinrichtung 26 zunächst den (Ist- )Leistungsanteil P_R der Strahlung 9 aus dem Referenzpfad 14, die zum Detektor 22 reflektiert wird, rechnerisch ermitteln, beispielsweise auf folgende Weise: $P_{R} = S_{R}^{2} P_{Q} R_{R},$
wobei S_R den Referenzanteil der Quellenleistung P_Q der Strahlung 9 bezeichnet, der in den Referenzpfad 14 eingekoppelt wird (s.o.) und R_R die Reflektivität des Endspiegels 17 bezeichnet. Die Quadrierung des Referenzanteils S_R der Quellenleistung P_Q in obiger Gleichung ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Strahlteiler 12 zweifach durchlaufen wird. Anhand der Gesamtleistung P_D , die auf den Detektor 22 trifft, kann in der Auswerteeinrichtung 24 der (Ist-)Leistungsanteil P_M des Messpfads bestimmt werden zu P_M = P_D - P_R.
Mit Hilfe des auf diese - oder ggf. auf andere Weise - bestimmten Ist-Verhältnisses P_M / P_R kann in der Regeleinrichtung 26 die Regelung auf das gewünschte Soll-Verhältnis P_MS / P_RS vorgenommen werden. Zu diesem Zweck kann die Regeleinrichtung 26 auf eine Stelleinrichtung 27 einwirken, welche es ermöglicht, den Leistungsanteil P_R in dem Referenzpfad 13 zu verändern. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist die Stelleinrichtung 27 als Bewegungseinrichtung ausgebildet, die zur Bewegung, genauer gesagt zur Verschiebung der ersten Linse 16a im Referenzpfad 13 entlang der Strahlachse 28 des Referenzpfads 13 dient.
Durch die Verschiebung der ersten Linse 16a wird die Fokusposition F1 der ersten Linse 16a verändert, sodass diese nicht mehr in der Ebene des austrittsseitigen Endes der optischen Faser 11 liegt, d.h. der Abstand zwischen dem austrittsseitigen Ende der optischen Faser 11 und der ersten Linse 16a stimmt nicht mehr mit der Brennweite f der ersten Linse 16a überein, wodurch die Strahlung 9 in dem Referenzpfad 13 defokussiert wird, was eine Abschwächung bzw. Attenuation der zum Detektor 22 zurück reflektierten Strahlung 9 zur Folge hat. Diese Abschwächung A kann als eine (z.B. prozentuale) Verringerung des Reflexionsgrads R_R in dem Referenzpfad 13 angesehen werden, d.h. der verringerte Reflexionsgrad R_R * A wird nicht mehr ausschließlich von der Reflektivität R_R des Endspiegels 17 bestimmt.
Zusätzlich oder alternativ kann die Stelleinrichtung 27 auch ausgebildet sein, die zweite Linse 16b in dem Referenzpfad 13 in Richtung der Strahlachse 28 zu verschieben, wodurch die weiter oben beschriebene Defokussierung bzw. Abschwächung in Bezug auf den Abstand zwischen der zweiten Linse 16b und dem Endspiegel 17 auftritt. Es versteht sich, dass bei der in 1 gezeigten Bearbeitungsvorrichtung 1 die zweite Linse 16b nicht zwingend notwendig ist, d.h. es ist nicht zwingend erforderlich, die kollimierte Strahlung 9 in dem Referenzpfad 13 auf den Endspiegel 17 zu fokussieren.
Die Stelleinrichtung 27 kann auch direkt auf den Endspiegel 17 einwirken, um dessen Reflektivität R_R zu verändern, ohne dass zu diesem Zweck auf die Linsen 16a,b eingewirkt werden muss, beispielsweise indem der Endspiegel 17 um seine Achse gedreht wird. Auch ist es möglich, dass die Stelleinrichtung 27 eine in 1 gezeigte optische Filtereinrichtung 29 in den Strahlengang des Referenzpfads 13 hinein- und wieder aus diesem heraus bewegt, wie in 1 ebenfalls durch einen Doppelpfeil angedeutet ist, wodurch ebenfalls eine Attenuation A bzw. eine Veränderung des Reflexionsgrads A * R_R in dem Referenzpfad 13 auftritt. Alternativ oder zusätzlich kann die bzw. eine optische Filtereinrichtung 29 dauerhaft im Strahlengang des Referenzpfads 13 angeordnet werden, wobei die Filterwirkung bzw. die Attenuation A der optischen Filtereinrichtung mit Hilfe der Regeleinrichtung 26 verändert werden kann, d.h. es handelt sich um eine steuerbare optische Filtereinrichtung 29.
Die Stelleinrichtung 27a zur Veränderung des Leistungsanteils P_R , der aus dem Referenzpfad 13 zum Detektor 22 zurück reflektiert wird, kann auch dazu dienen, die Aufteilung der Quellenleistung P_R der Strahlquelle 8 auf den Referenzpfad 13 und auf den Messpfad 14, d.h. das Verhältnis S_R zu S_M , zu verändern. Zu diesem Zweck kann die bzw. eine Stelleinrichtung 27a beispielsweise in geeigneter Weise auf den (Polarisations-)Strahlteiler 12 einwirken, beispielsweise indem dieser um die Strahlachse der von der Strahlquelle 8 auf diesen auftreffenden Strahlung 9 gedreht wird, wie dies in 1 angedeutet ist, wodurch sich typischerweise das Verhältnis S_R / S_M und somit auch das Verhältnis der Leistungsanteile P_R / P_M verändert.
Im gezeigten Beispiel dient die Regeleinrichtung 26 zusätzlich zur Regelung des Verhältnisses der Leistungsanteile P_R / P_M auch zur Regelung der Gesamtleistung P_R + P_M, die auf den Detektor 22 auftrifft, und zwar auf einen Wert, der unterhalb eines Gesamtleistungs-Schwellwerts P_RS + P_MS liegt, der durch die Empfindlichkeit des Detektors 22 vorgegeben ist und der nicht überschritten werden sollte, um zu vermeiden, dass der Detektor 22 in die Sättigung gerät bzw. seinen Kontrastumfang überschreitet. Um dies zu erreichen, wirkt die Regeleinrichtung 26 auf eine weitere Stelleinrichtung 30 ein, bei der es sich im gezeigten Beispiel um eine steuerbare Stromquelle zur Zuführung eines Stromsignals zu der Strahlquelle 8 in Form der Superlumineszensdiode dient. Mit Hilfe der weiteren Stelleinrichtung 30 kann somit die Quellenleistung P_Q der Strahlquelle 8 verändert werden, wodurch die auf den Detektor 22 treffende Gesamtleistung P_R + P_M so geregelt werden kann, dass diese stets unterhalb des Gesamtleistungs-Schwellwerts P_RS + P_MS liegt.
4a,b zeigen beispielhaft die spektral aufgelöste, auf den Detektor 22 auftreffende Gesamtleistung P_R + P_M bzw. ein resultierendes Spektrum 25 für die erste Messebene (n = 1) bzw. für eine tiefer in dem Werkstück 2 befindliche Messebene (n > 1) in Abhängigkeit von der Wellenzahl k. Mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 24 können in dem jeweiligen Spektrum 25 charakteristische Kenngrößen ermittelt werden, die von der Regeleinrichtung 26 für die Reglung verwendet werden können. Beispielsweise lässt sich bei der Wellenzahl, bei welcher das Maximum der Stromstärke bzw. der Gesamtleistung P_R + P_M gemessen wird, der Mittelwert aus der Reflektivität R_R des Referenzpfads 13 und der Reflektivität R_S des Werkstücks 2 ablesen, d.h. es lässt sich als Kenngröße (R_R + R_S1) / 2 bestimmen. Ebenso kann der Proportionalitätsfaktor $\sqrt{R_{R} R_{S 1}}$
des Cross-Correlation-Anteils (b) anhand des Spektrums 25 ermittelt werden und auf diese Weise beispielsweise die Reflektivität R_S1 des Werkstücks 2 an der ersten Messebene (n = 1) bestimmt werden.
Anhand der mindestens einen Kenngröße, beispielsweise des Proportionalitätsfaktors $\sqrt{R_{R} R_{S 1}}$
des Cross-Correlation-Anteils (b), kann das Soll-Verhältnis P_MS / P_RS und/oder die Gesamtleistung P_R + P_M geeignet angepasst werden, um das Signal-zu-Rauschverhältnis zu optimieren. Es versteht sich aber, dass sowohl das Soll-Verhältnis P_MS / P_RS als auch die Gesamtleistung P_R + P_M auf einen vorbestimmten, konstanten Wert geregelt werden können. In diesem Fall kann auf eine Justage des Detektors 22 zur Anpassung an unterschiedliche Werkstoffarten etc. verzichtet werden.
5a,b zeigen zwei Spektren 25, die mit Hilfe der Regeleinrichtung 26 so optimiert wurden, dass sowohl der DC-Anteil (a) als auch der Auto-Correlation-Anteil (c) vergleichsweise gering sind, so dass im Wesentlichen der die Tiefeninformation enthaltende Cross-Correlation-Anteil (b) verbleibt. Die zu Grunde liegenden Lichtverhältnisse bei der Aufnahme der beiden Spektren 25 sind stark unterschiedlich und entsprechen den in 3a,b gezeigten Lichtverhältnissen bzw. Reflektivitäten R_S des Werkstücks 2. Wie der Vergleich von 5a und 5b ergibt, unterscheiden sich die beiden Spektren 25 trotz der stark unterschiedlichen Lichtverhältnisse am Werkstück 2 nur unwesentlich, d.h. die Signalqualität ist sowohl an den beiden Positionen P1, P2 im Vorlauf und im Nachlauf zur Position P des Laserstrahls 4 als auch an der Position P des Laserstrahls 4 selbst hoch.
Obgleich weiter oben eine schweißende Bearbeitung des Werkstücks 2 beschrieben wurde, kann die Optimierung der Signalqualität auch vorteilhaft bei anderen Bearbeitungsprozessen vorgenommen werden, die mittels der Bearbeitungsvorrichtung 1 oder einer geeignet modifizierten Bearbeitungsvorrichtung 1 durchgeführt werden. Beispielsweise kann es sich bei der Bearbeitung um einen (Laser-)Schneidprozess oder um einen (Laser-)Bohrprozess handeln. Auch kann das weiter oben beschriebene Verfahren bei anderen optischen Interferometern als bei einem optischen Kohärenztomographen Anwendung finden, da dort ebenfalls das Problem auftritt, dass durch die Veränderung der Belichtungszeit des Detektors 22 bzw. durch die Veränderung der Quellenleistung P_Q ohne eine Anpassung des Leistungs-Verhältnisses P_R / P_M die Signalqualität bzw. das Signal-zu-Rauschverhältnis nicht optimiert werden kann. Bei dem Werkstück 2 muss es sich nicht zwingend um ein metallisches Werkstück 2 (ein Blech) handeln, es können vielmehr auch andere Objekte mit Hilfe der Bearbeitungsvorrichtung 1 bearbeitet werden, die zur Vereinfachung in der vorliegenden Anmeldung als Werkstück 2 bezeichnet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1977850 B1 [0002]
DE 102013008269 A1 [0003]
WO 2014/138939 A1 [0004]
US 2012/0138586 A1 [0005]
US 2016/0183801 A1 [0006]
EP 2062674 A1 [0007, 0011, 0030]

Claims

Bearbeitungsvorrichtung (1) zur insbesondere schweißenden Bearbeitung eines Werkstücks (2), umfassend: einen Bearbeitungskopf (3) zur Bereitstellung eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls (4), für die Bearbeitung des Werkstücks (2), ein optisches Interferometer, insbesondere einen optischen Kohärenztomographen (7), umfassend: eine Strahlquelle (8) zur Erzeugung von Strahlung (9) mit einer Quellenleistung (P_Q), eine Strahlteilereinrichtung (12) zur Aufteilung der Quellenleistung (P_Q) der Strahlquelle (8) auf einen Referenzpfad (13), in dem ein Retroreflektor (17) angeordnet ist, und auf einen Messpfad (14), in dem das Werkstück (2) angeordnet ist, sowie einen Detektor (22) zur Detektion einer Gesamtleistung (P_R + P_M) der Strahlung (9), die von dem Werkstück (2) in dem Messpfad (14) und von dem Retroreflektor (17) in dem Referenzpfad (13) zum Detektor (22) reflektiert und/oder gestreut wird, gekennzeichnet durch eine Stelleinrichtung (27, 27a) zur Veränderung eines Leistungsanteils (P_R) der von dem Retroreflektor (17) zum Detektor (22) reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (9) an der Gesamtleistung (P_R + P_M), sowie eine Regeleinrichtung (26) zur Einwirkung auf die Stelleinrichtung (27, 27a) zur Regelung eines Verhältnisses (P_M / P_R) zwischen einem Leistungsanteil (P_M) der vom Werkstück (2) zum Detektor (22) reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (9) und dem Leistungsanteil (P_R) der vom Retroreflektor (17) zum Detektor (22) reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (9) auf ein Soll-Verhältnis (P_MS / P_RS).
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Stelleinrichtung (27a) zur Veränderung der Aufteilung der Quellenleistung (P_Q) der Strahlung (9) der Strahlquelle (8) auf den Referenzpfad (13) und auf den Messpfad (14) ausgebildet ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Stelleinrichtung (27) zur Veränderung des Leistungsanteils (P_R) der Strahlung (9) in dem Referenzpfad (13) oder des Leistungsanteils (P_M) in dem Messpfad (14) ausgebildet ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die Stelleinrichtung (27) zur Veränderung einer Reflektivität (R_R) des in dem Referenzpfad (13) angeordneten Retroreflektors (17) ausgebildet ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei welcher die Stelleinrichtung (27) ausgebildet ist, zur Veränderung einer Fokusposition (F1, F2) der Strahlung (9) in dem Referenzpfad (13) auf eine Fokussiereinrichtung (16a, 16b) einzuwirken.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Fokussiereinrichtung eine bewegbare, insbesondere entlang einer Strahlachse (28) des Referenzpfads (13) verschiebbare Linse (16a, 16b) umfasst.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei welcher die Stelleinrichtung (27) eine optische Filtereinrichtung (29) aufweist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine weitere Stelleinrichtung (30) zur Veränderung der Quellenleistung (P_Q) der Strahlquelle (8), wobei die Regeleinrichtung (26) zur Ansteuerung der weiteren Stelleinrichtung (30) für die Regelung der zum Detektor (22) reflektierten und/oder gestreuten Gesamtleistung (P_R + P_M) unter einen Gesamtleistungs-Schwellwert (P_RS + P_MS) ausgebildet ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der optische Kohärenztomograph (7) zur spektral aufgelösten Detektion der zum Detektor (22) zurück reflektierten Gesamtleistung (P_R + P_M) ausgebildet ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 9, weiter umfassend: eine Auswerteeinrichtung (24) zur Ermittlung mindestens einer Kenngröße (R_R R_S1) der spektral aufgelösten Gesamtleistung (P_R + P_M), wobei die Regeleinrichtung (26) ausgebildet ist, das Soll-Verhältnis (P_MS / P_RS) und/oder die Gesamtleistung (P_R + P_M) in Abhängigkeit von der mindestens einen Kenngröße (R_R R_S1) anzupassen.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Ablenkeinrichtung (14) zur Ablenkung der Strahlung (9) in dem Messpfad (14) an unterschiedliche Positionen (P, P1, P2) an dem Werkstück (2).
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher die Ablenkeinrichtung (14) ausgebildet ist, bei der insbesondere schweißenden Bearbeitung des Werkstücks (2) die Strahlung (9) in dem Messpfad (13) an eine erste Position (P1) vorlaufend zu einer Position (P) des Bearbeitungsstrahls (4) auf dem Werkstück (2), an die Position (P) des Bearbeitungsstrahls (4) auf dem Werkstück (2) und an eine zweite Position (P2) nachlaufend zur Position (P) des Bearbeitungsstrahls (4) auf dem Werkstück (2) abzulenken.
Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (2), insbesondere mittels einer Bearbeitungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Erzeugen von Strahlung (9) mit einer Quellenleistung (P_Q), Aufteilen der Quellenleistung (P_Q) der Strahlung (9) auf einen Referenzpfad (13), in dem ein Retroreflektor (17) angeordnet ist, und auf einen Messpfad (14), in dem das Werkstück (2) angeordnet ist, Detektieren einer Gesamtleistung (P_R + P_M) der Strahlung (9), die von dem Werkstück (2) in dem Messpfad (14) und von dem Retroreflektor (17) in dem Referenzpfad (13) reflektiert und/oder gestreut wird und miteinander interferiert, sowie Regeln eines Verhältnisses (P_M / P_R) zwischen einem Leistungsanteil (P_M) der vom Werkstück (2) reflektierten und/oder gestreuten detektierten Strahlung (9) und einem Leistungsanteil (P_R) der vom Retroreflektor (17) reflektierten und/oder gestreuten detektierten Strahlung (9) auf ein Soll-Verhältnis (P_MS / P_RS) durch Verändern des Leistungsanteils (P_R) der von dem Retroreflektor (17) zum Detektor (22) reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (9) an der Gesamtleistung (P_R + P_M), wobei die obigen Schritte während des insbesondere schweißenden Bearbeitens des Werkstücks (2) mit einem Bearbeitungsstrahl, insbesondere mit einem Laserstrahl (4), durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem das Verändern des Leistungsanteils (P_R) der vom Retroreflektor (17) reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (9) an der Gesamtleistung (P_R + P_M) ein Verändern der Aufteilung der Quellenleistung (P_Q) der Strahlung (9) auf den Referenzpfad (13) und auf den Messpfad (14) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei welchem das Verändern des Leistungsanteils (P_R) der von dem Retroreflektor (17) reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (9) an der Gesamtleistung (P_R + P_M) ein Verändern, insbesondere ein Abschwächen, des Leistungsanteils (P_R) der Strahlung (9) in dem Referenzpfad (13) und/oder ein Verändern, insbesondere ein Abschwächen, des Leistungsanteils (P_M) in dem Messpfad (14) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem zum Abschwächen des Leistungsanteils (P_R) der Strahlung (9) in dem Referenzpfad (13) eine Fokusposition (F1, F2) der Strahlung (9) in dem Referenzpfad (13) verändert wird, bevorzugt durch Einwirken auf eine auf eine Fokussiereinrichtung (16a, 16b) in dem Referenzpfad (13), besonders bevorzugt durch Bewegen, insbesondere durch Verschieben, mindestens einer Linse (16a, 16b) in dem Referenzpfad (13).
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, weiter umfassend: Verändern der Quellenleistung (P_Q) zum Regeln der detektierten Gesamtleistung (P_R + P_M) unter einen Gesamtleistungs-Schwellwert (P_RS + P_MS).
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei welchem die zurück reflektierte und/oder gestreute Gesamtleistung (P_R + P_M) der Strahlung (9) spektral aufgelöst detektiert wird, weiter umfassend: Ermitteln mindestens einer Kenngröße (R_R R_S1) der spektral aufgelösten Gesamtleistung (P_R + P_M), sowie Anpassen des Soll-Verhältnisses (P_MS / P_RS) und/oder der Gesamtleistung (P_R + P_M) in Abhängigkeit von der mindestens einen ermittelten Kenngröße (R_R R_S1).