DE102018217919A1

DE102018217919A1 - Verfahren zum Ermitteln einer korrigierten Bearbeitungskopf-Position und Bearbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE102018217919A1
Application number: DE102018217919.0A
Authority: DE
Inventors: Boris Regaard
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2018-10-19
Filing date: 2018-10-19
Publication date: 2020-04-23
Also published as: WO2020078912A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer korrigierten Bearbeitungs-Position (Bc) eines Bearbeitungskopfs relativ zu einem erwärmten Werkstück (8), umfassend: Ortsaufgelöstes Erfassen eines Oberflächenbereichs (O) des noch nicht erwärmten Werkstücks (8) an mindestens einer vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position (B) mittels eines optischen Detektors, der fest mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist, Bearbeiten des Werkstücks (8) mittels des Bearbeitungskopfs unter Erwärmung des Werkstücks (8), wobei das Bearbeiten bevorzugt das Ausrichten eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, mittels des Bearbeitungskopfs auf das Werkstück (8) umfasst, ortsaufgelöstes Erfassen eines Oberflächenbereichs (O') des erwärmten Werkstücks (8) mittels des optischen Detektors, der zumindest teilweise mit dem Oberflächenbereich (O) des nicht erwärmten Werkstücks (8) an der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position (B) überlappt, sowie Ermitteln der korrigierten Bearbeitungskopf-Position (Bc) durch Vergleichen des ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereichs (O') des erwärmten Werkstücks (8) mit dem ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereich (O) des noch nicht erwärmten Werkstücks (8). Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsmaschine, insbesondere eine Laserbearbeitungsmaschine, zum Bearbeiten eines Werkstücks (8).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer korrigierten Bearbeitungs-Position eines Bearbeitungskopfs relativ zu einem erwärmten Werkstück. Die Erfindung betrifft auch eine zugehörige Bearbeitungsmaschine, insbesondere eine Laserbearbeitungsmaschine, zum Bearbeiten eines Werkstücks, umfassend: einen Bearbeitungskopf, insbesondere einen Laserbearbeitungskopf, zum Bearbeiten des Werkstücks, der bevorzugt zum Ausrichten eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, auf das Werkstück ausgebildet ist, eine Bewegungseinrichtung zur Bewegung des Bearbeitungskopfs und des Werkstücks relativ zueinander, sowie einen optischen Detektor, der fest mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist, zum ortsaufgelösten Erfassen von Oberflächenbereichen des Werkstücks.
Bei der Bearbeitung von Werkstücken z.B. mittels eines Bearbeitungsstrahls, beispielsweise eines Plasma- oder eines Laserstrahls, wird kontinuierlich Wärme in das Werkstück eingebracht. Die eingebrachte Wärme führt zu einer Wärmeausdehnung des Werkstücks, die zu einem Wärmeverzug und somit zu einer Geometrieabweichung des erwärmten Werkstücks im Vergleich zum kalten, noch nicht erwärmten Werkstück führt. Bei der schneidenden oder schweißenden Bearbeitung des Werkstücks, insbesondere beim Laserstrahlschneiden großflächiger Werkstückteile aus Materialien wie Stahl, Aluminium oder Buntmetallen, kann dies zu einer Verschlechterung der Maßhaltigkeit von aus dem erwärmten Werkstück geschnittenen Werkstückteilen führen, da die von der Maschinensteuerung vorgegebene Positionierung des Bearbeitungskopfs relativ zum Werkstück beim Schneiden des Werkstücks entlang einer vorgegebenen Schnittkontur die Wärmeausdehnung des Werkstücks nicht berücksichtigt. Beim Schneiden des erwärmten Werkstücks wird daher zwar die vorgegebene Schnittkontur erzeugt, nach dem Erkalten des Werkstücks bzw. des geschnittenen Werkstückteils kommt es aber zu einer Geometrie-Abweichung von der vorgegebenen Schnittkontur.
Aus der US 2012/0296463A1 ist eine Vorrichtung zum Führen eines Werkzeugs bekannt geworden, welche mindestens eine Kamera zur Aufnahme von Bildern einer Oberfläche aufweist, um eine Karte der Oberfläche zu erzeugen. Ein nachfolgend aufgenommenes Bild der Oberfläche wird dazu verwendet, die Lage und die Orientierung des Werkzeugs relativ zur Karte zu bestimmen, um das Werkzeug an eine gewünschte Position zu bewegen.
In der DE102012217081A ist eine Vorrichtung zur Positionssteuerung eines Laser-Bearbeitungsstrahls relativ zu topographischen Strukturmarken in Oberflächen von Werkstücken beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Kamera zur Aufnahme eines von der Oberfläche reflektierten, durch die Strukturmarken veränderten Strahlenbündels. Das Kamerabild ist zur Lageerkennung der Strukturmarken und zur dementsprechenden Positionssteuerung des Laser-Bearbeitungsstrahls auswertbar. Beispielsweise kann die vom Laser-Bearbeitungsstrahl abgetastete Spur zur Erstellung der Schweißnaht entsprechend der von der Kamera gelieferten Lagedaten der Strukturmarken modifiziert werden.
In der DE102005022095A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer lateralen Relativbewegung zwischen einem Bearbeitungskopf und einem Werkstück bei der Bearbeitung des Werkstücks beschrieben. Bei dem Verfahren wird die Oberfläche des Werkstücks im Bereich des Bearbeitungskopfs mit optischer Strahlung beleuchtet und von der Oberfläche des Werkstücks reflektierte optische Strahlung wird wiederholt mit einem optischen Detektor ortsaufgelöst erfasst, um optische Reflexionsmuster der Oberfläche des Werkstücks zu unterschiedlichen Zeiten zu erhalten. Die laterale Relativbewegung wird durch Vergleich der zeitlich aufeinander folgenden Reflexionsmuster ermittelt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren der eingangs genannten Art und eine Bearbeitungsmaschine bereitzustellen, welche eine präzise Bearbeitung eines beim Bearbeiten erwärmten Werkstücks ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches folgende Schritte umfasst: Ortsaufgelöstes Erfassen eines Oberflächenbereichs des noch nicht erwärmten Werkstücks an mindestens einer vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position mittels eines optischen Detektors, der fest mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist, Bearbeiten des Werkstücks mittels des Bearbeitungskopfs unter Erwärmung des Werkstücks, wobei das Bearbeiten bevorzugt das Ausrichten eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, mittels des Bearbeitungskopfs auf das Werkstück umfasst, ortsaufgelöstes Erfassen eines Oberflächenbereichs des erwärmten Werkstücks mittels des optischen Detektors, der zumindest teilweise mit dem Oberflächenbereich des nicht erwärmten Werkstücks an der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position überlappt, sowie Ermitteln der korrigierten Bearbeitungskopf-Position durch Vergleichen des ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereichs des erwärmten Werkstücks mit dem ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereich des noch nicht erwärmten Werkstücks.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Annahme zugrunde, dass die Geometrieabweichung von beim schneidenden Bearbeiten hergestellten Werkstückteilen im Wesentlichen auf eine Fehlpositionierung des Bearbeitungskopfs relativ zum erwärmten und hierbei aufgrund der Wärmedehnung deformierten Werkstück zurückzuführen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt sicher, dass (Schneid- bzw. Schweiß-)Konturen eines zu fertigenden Werkstückteils nach dem Erkalten präzise entlang von Schnittkonturen verlaufen, die von einer Bahnplanungseinheit bzw. einer Steuereinrichtung vorgegeben wurden.
In der Regel wird bei der schneidenden Bearbeitung eines plattenförmigen Werkstücks, beispielsweise eines Blechs, eine Mehrzahl von Schnittkonturen in das Werkstück eingebracht. Während bei den ersten zu schneidenden Werkstückteilen das Werkstück nur geringfügig erwärmt ist, so dass der Wärmeverzug in der Regel nahezu vernachlässigbar ist, wird nach und nach das Werkstück durch den mittels des Bearbeitungsstrahls eingebrachten Energieeintrag so stark erwärmt, dass eine Korrektur der Bearbeitungskopf-Position relativ zum erwärmten Werkstück erforderlich ist. Für die Korrektur wird vor dem Bearbeiten des Werkstücks, d.h. bei noch nicht erwärmtem Werkstück, der Bearbeitungskopf an der- bzw. an denjenigen vorgegebenen Bearbeitungskopf-Positionen positioniert, die für die Bearbeitung bzw. für die zu schweißende oder zu schneidende Kontur besonders kritisch sind, beispielsweise weil diese eine Startposition einer jeweiligen beim Bearbeiten zu bildenden Kontur darstellen.
Die vorgegebenen Bearbeitungskopf-Positionen, an denen der Bearbeitungskopf positioniert wird, um bereits vor dem Bearbeiten einen Oberflächenbereich des Werkstücks ortsaufgelöst zu erfassen, sind typischerweise in einer Steuerungseinrichtung einer Bearbeitungsmaschine hinterlegt. Durch das Anfahren der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Positionen und die ortsaufgelöste Erfassung des jeweiligen Oberflächenbereichs des Werkstücks an einer jeweiligen Bearbeitungskopf-Position wird die Nebenzeit bei der Bearbeitung des Werkstücks nur unerheblich vergrößert; so liegt beispielsweise die Zeitdauer für die ortsaufgelöste Erfassung eines Oberflächenbereichs mittels eines ortsauflösenden Detektors in Form einer Kamera - ohne Berücksichtigung der (deutlich größeren) Zeitdauer für das Anfahren - in der Größenordnung von ca. 10 ms.
Das Verfahren wird bevorzugt bei flächig bearbeitenden Bearbeitungsmaschinen, beispielsweise bei 2D-Laserschneidmaschinen, eingesetzt. Bei einer derartigen Bearbeitungsmaschine wird in der Regel der Bearbeitungskopf in zwei Dimensionen (X/Y-Richtung) über das Werkstück bewegt und das Werkstück bleibt ortsfest. Die vorgegebene Bearbeitungskopf-Position relativ zum Werkstück entspricht in diesem Fall der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position relativ zur Bearbeitungsmaschine, genauer gesagt zu deren Maschinenrahmen. Andere Beispiele umfassen Hybrid-Laserschneidmaschinen und Stanz-Laser-Kombinationsmaschinen, bei denen das Werkstück in einer bzw. zwei Dimensionen (X- und/oder Y-Richtung) relativ zum Bearbeitungskopf bewegt wird und der Bearbeitungskopf feststeht oder der Bearbeitungskopf in ein oder zwei Dimensionen bewegt wird, zumindest aber in der fehlenden Dimension der X-Y-Ebene, wenn das Werkstück nur in einer Dimension bewegt werden kann.
Das weiter oben beschriebene Verfahren zum Korrigieren der Bearbeitungskopf-Position durch Vergleichen der Oberflächenbereiche ist robust, da dieses unabhängig von der Ausdehnungs-Richtung und von einem ggf. vorhandenen Fixpunkt bei der Wärme-Dehnung des Werkstücks ist. Das Verfahren ermöglicht trotz des Wärmeverzugs die Herstellung von Werkstückteilen mit einer Präzision, die im Bereich der Stellgenauigkeit der Positionierung des Bearbeitungskopfs mittels der Bearbeitungsmaschine bzw. mit deren Stellmotoren liegt.
Bei einer Variante bildet die vorgegebene Bearbeitungskopf-Position eine Startposition für das Bearbeiten des Werkstücks entlang einer vorgegebenen Kontur, insbesondere eine Einstechposition für das schneidende Bearbeiten des Werkstücks entlang einer Schnittkontur. An der Einstechposition wird mittels des Bearbeitungsstrahls in das Werkstück eingestochen, bevor zum Erzeugen der Schnittkontur eine Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück erfolgt. Bei der vorliegenden Variante wird unmittelbar vor dem Einstechen der Bearbeitungskopf an der vorgegebenen Einstechposition positioniert, der Oberflächenbereich des erwärmten Werkstücks wird ortsaufgelöst erfasst und die Einstechposition wird korrigiert, bevor mit dem Bearbeitungsstrahl in das Werkstück eingestochen wird. Bei der Startposition kann es sich auch um den Startpunkt einer Kontur in Form einer Schweißnaht handeln, die beim schweißenden Bearbeiten erzeugt wird, um zwei Werkstückteile miteinander zu verbinden.
Bei einer weiteren Variante wird an mindestens einer vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position entlang einer vorgegebenen Kontur eine korrigierte Bearbeitungskopf-Position ermittelt und anhand eines lateralen Versatzes zwischen der korrigierten Bearbeitungskopf-Position und der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position wird ein noch zu bearbeitender Kontur-Abschnitt der vorgegebenen Kontur korrigiert. Diese Variante des Verfahrens ist insbesondere günstig, wenn bei der Bearbeitung lange (Schnitt-)Konturen erzeugt werden. Bei dieser Variante wird an mindestens einer vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position entlang der Kontur, die nicht mit der Startposition der Kontur übereinstimmt, eine korrigierte Bearbeitungskopf-Position ermittelt und mit der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position verglichen, um eine Soll-Ist-Positionsabweichung zu ermitteln.
Anhand der Richtung und des Betrags der Abweichung bzw. des lateralen Versatzes zwischen der jeweiligen vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position und der korrigierten Bearbeitungskopf-Position kann der wärmebedingte Verzug des Werkstücks an der jeweiligen vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position ermittelt und zur Korrektur des noch zu bearbeitenden Kontur-Abschnitts verwendet werden. Die Korrektur kann beispielsweise in Form einer Verzerrung bzw. einer Größenänderung (Skalierung) des zu bearbeitenden Kontur-Abschnitts in Abhängigkeit vom ermittelten Betrag und der Richtung des lateralen Versatzes erfolgen, der in die Vorgabe für den noch zu bearbeitenden Kontur-Abschnitt eingerechnet wird.
Bei einer alternativen Variante wird eine Mehrzahl von Oberflächenbereichen des noch nicht erwärmten Werkstücks entlang einer vorgegebenen zu bearbeitenden Kontur an einer Mehrzahl von vorgegebenen Bearbeitungskopf-Positionen insbesondere (quasi-)kontinuierlich ortsaufgelöst erfasst und während des Bearbeitens des Werkstücks wird zur Verfolgung der vorgegebenen zu bearbeitenden Kontur der Bearbeitungskopf jeweils an einer korrigierten Bearbeitungskopf-Position positioniert.
Für die Herstellung von hochpräzisen Werkstückteilen z.B. durch Laserschneiden kann bei einem Detektor z.B. in Form einer Kamera, welcher bei einer kontinuierlichen Bewegung des Bearbeitungskopfs (quasi-)kontinuierlich Oberflächenbereiche des Werkstücks ortsaufgelöst erfasst, die gesamte zu bearbeitende Kontur vor dem Bearbeiten abgefahren werden und die ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereiche können in Form von Bildern bzw. als Bildfolge in einer Speichereinrichtung bzw. in einer Auswerteeinrichtung abgespeichert werden.
Während der Bearbeitung kann in diesem Fall kontinuierlich eine Korrektur der beim Bearbeiten erzeugten Kontur vorgenommen werden, d.h. der Bearbeitungskopf wird bei der Bearbeitung nicht an der von der Bahnplanung vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position sondern direkt an der korrigierten Bearbeitungskopf-Position positioniert, die auf die weiter oben beschriebene Weise praktisch instantan ermittelt wird. Die beim Bearbeiten gebildete Kontur wird somit anhand der vor der Bearbeitung an dem noch nicht erwärmten Werkstück ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereiche der von dem Bearbeiten an dem noch nicht erwärmten Werkstück vorgegebenen Kontur nachgeführt, ähnlich wie dies bei einer Nahtfolgeregelung der Fall ist. Eine solche Nachführung des Bearbeitungskopfs, d.h. eine quasi-kontinuierliche Konturverfolgung, erfordert eine schnelle PositionsRegelung des Bearbeitungskopfs, die in Form einer direkten regelnden Ansteuerung von ggf. vorhandenen schnellen Zusatz-Achsen für die Bewegung des Bearbeitungskopfs realisiert werden kann. Auf diese Weise kann auch ein Wärmeverzug des Werkstücks kompensiert werden, der während der Bearbeitung durch die mittels des Bearbeitungskopfs an der momentan erzeugten Kontur in das Werkstück eingebrachte Wärme hervorgerufen wird.
Bei einer Variante wird das Werkstück in dem ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereich beleuchtet und beim ortsaufgelösten Erfassen wird der beleuchtete Oberflächenbereich des Werkstücks auf einer Detektorfläche des Detektors abgebildet. An dem beleuchteten Oberflächenbereich des Werkstücks wird ein Teil der Beleuchtungsstrahlung reflektiert, wodurch beim Erzeugen des Bildes bzw. bei der Abbildung charakteristische Strukturmerkmale des Werkstücks in dem ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereich erkennbar werden. Bei den charakteristischen Strukturmerkmalen kann es sich um Unregelmäßigkeiten oder Markierungen an der Oberfläche des Werkstücks handeln, dies ist jedoch für die Durchführung des Verfahrens nicht erforderlich. Vielmehr ist die übliche Oberflächenrauigkeit des Werkstücks bereits ausreichend, um das hier beschriebene Verfahren durchzuführen.
Bei einer weiteren Variante wird beim Vergleichen ein lateraler Versatz zwischen dem auf die Detektorfläche abgebildeten Oberflächenbereich des erwärmten Werkstücks und dem auf die Detektorfläche abgebildeten Oberflächenbereich des noch nicht erwärmten Werkstücks ermittelt, wobei der laterale Versatz bevorzugt durch Kreuzkorrelationen ermittelt wird. Für Details zur Ermittlung eines lateralen Versatzes zwischen zwei Bildern mit Hilfe von Kreuzkorrelationen sei auf die eingangs zitierte DE102005022095A1 verwiesen, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Für die Ermittlung der Abweichung zwischen der vorgegebenen bzw. der momentanen Bearbeitungskopf-Position und der korrigierten Bearbeitungskopf-Positionen können an Stelle von Kreuzkorrelationen bzw. eines Kreuzkorrelationskoeffizienten auch andere bekannte Verfahren der Bildverarbeitung wie differenzbasierte Ähnlichkeitsfunktionen (Sum of Absolute Differences - SAD, median absolute deviation - MAD, Mean-squared-Difference - MSD), Optical Flow, etc. verwendet werden. Zur Erhöhung der Messauflösung kann eine Subpixelabschätzung durchgeführt werden, d.h. die korrigierte Bearbeitungskopf-Position kann mit einer Auflösung ermittelt werden, die höher ist als die Pixelgröße des Bildes auf der Detektorfläche des ortsauflösenden Detektors.
Bei einer Weiterbildung wird der Bearbeitungskopf lateral verschoben, bis eine korrigierte Bearbeitungskopf-Position erreicht wird, an welcher der abgebildete Oberflächenbereich des erwärmten Werkstücks auf der Detektorfläche mit dem abgebildeten Oberflächenbereich des nicht erwärmten Werkstücks auf der Detektorfläche übereinstimmt. Die Verschiebung der Position des Bearbeitungskopfs entspricht dem lateralen Versatz zwischen der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position und der korrigierten Bearbeitungskopf-Position, der auf den Wärmeverzug des Werkstücks zurückzuführen ist. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die Ermittlung der korrigierten Bearbeitungskopf-Position dazu dienen, um den Bearbeitungskopf an der korrigierten Bearbeitungskopf-Position zu positionieren. In diesem Fall kann der Bearbeitungskopf beispielsweise von der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position an die korrigierte Bearbeitungskopf-Position lateral verschoben werden, beispielsweise um die Einstechposition zu korrigieren. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die ermittelte Bearbeitungskopf-Position bzw. der laterale Versatz auch dazu verwendet werden, die Bearbeitung des Werkstücks zu beeinflussen, indem die vorgegebene Kontur in einem noch zu bearbeitenden Kontur-Abschnitt geeignet verändert wird, ohne dass der Bearbeitungskopf an der korrigierten Bearbeitungskopf-Position positioniert wird.
Bei einer Weiterbildung erfolgen das Beleuchten und das ortsaufgelöste Erfassen des Oberflächenbereichs durch eine Bearbeitungsoptik, insbesondere durch eine Fokussieroptik, des Bearbeitungskopfs hindurch. Die Beleuchtung des Oberflächenbereichs erfolgt in diesem Fall in der Regel koaxial oder nur leicht geneigt zum Bearbeitungsstrahl, der auf das Werkstück ausgerichtet wird. Eine solche Beleuchtung hat sich als günstig erwiesen, da bei dieser von dem Oberflächenbereich reflektierte Beleuchtungsstrahlung unregelmäßige Reflexionsmuster in dem Bild auf dem Detektor erzeugt, die den Vergleich zwischen den ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereichen erleichtern. Auch eine koaxiale Beobachtung bzw. ortsaufgelöste Erfassung des Oberflächenbereichs, die beispielsweise mit Hilfe einer Abbildungsoptik erfolgt, hat sich für die Durchführung des Vergleichs als günstig erwiesen. In diesem Fall ist der Detektor, bei dem es sich z.B. um eine Kamera handelt, typischerweise koaxial zum Bearbeitungsstrahl bzw. zu einer Verlängerung der Strahlachse des Bearbeitungsstrahls angeordnet.
Sowohl das Beleuchten als auch das ortsaufgelöste Erfassen des Oberflächenbereichs durch eine Bearbeitungsoptik des Bearbeitungskopfs ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Sowohl die Beleuchtungsquelle als auch der Detektor können an dem Bearbeitungskopf auch außerhalb der Bearbeitungsoptik bzw. außerhalb des Gehäuses des Bearbeitungskopfs angeordnet sein. Während bei der koaxialen Erfassung der Oberflächenbereich typischerweise die Position auf dem Werkstück enthält, an welcher der Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück auftrifft, d.h. den so genannten Wechselwirkungsbereich, ist dies bei einer nicht koaxialen Erfassung des Oberflächenbereichs nicht zwingend der Fall, d.h. der ortsaufgelöst erfasste Oberflächenbereich des Werkstücks umfasst nicht zwingend den Wechselwirkungsbereich des Bearbeitungsstrahls mit dem Werkstück. Für die Durchführung des Verfahrens ist lediglich relevant, dass der ortsaufgelöst erfasste Oberflächenbereich und der Bearbeitungskopf bzw. der Bearbeitungsstrahl einen fest vorgegebenen Abstand zueinander aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine der eingangs genannten Art, weiter umfassend: eine Auswerteeinrichtung, die konfiguriert ist, eine korrigierte Bearbeitungskopf-Position an dem erwärmten Werkstück durch Vergleichen eines ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereichs des noch nicht erwärmten Werkstücks an einer vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position mit einem ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereich des erwärmten Werkstücks zu ermitteln, der zumindest teilweise mit dem Oberflächenbereich des noch nicht erwärmten Werkstücks überlappt. Die Auswerteeinrichtung ist zu diesem Zweck typischerweise mit dem Detektor verbunden, bei dem es sich um eine Kamera, z.B. um eine CMOS-Kamera, handeln kann. Die Auswerteeinrichtung kann zum Ermitteln der korrigierten Bearbeitungskopf-Position einen Bildauswertungsalgorithmus aufweisen bzw. einen Bildauswertungsalgorithmus durchführen, welcher den Oberflächenbereich bzw. einen Teilbereich des ortsaufgelöst erfassten Bildes des Oberflächenbereichs des noch nicht erwärmten Werkstücks in dem Bild des zumindest teilweise überlappenden Oberflächenbereichs des erwärmten Werkstücks erkennt. Wie weiter oben beschrieben wurde, können bekannte Verfahren der Bildverarbeitung, beispielsweise Kreuzkorrelationen oder andere differenzbasierte Ähnlichkeitsfunktionen dazu dienen, den lateralen Versatz zwischen den beiden Oberflächenbereichen zu ermitteln, der auf eine Geometrieänderung des erwärmten Werkstücks aufgrund eines Wärmeverzugs zurückzuführen ist.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsmaschine eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Bewegung des Bearbeitungskopfs und des Werkstücks relativ zueinander zur Bearbeitung des Werkstücks entlang einer vorgegebenen Kontur, beispielsweise entlang einer vorgegebenen Schnittkontur. Die Steuerungseinrichtung steuert zu diesem Zweck einen oder mehrere motorische Antriebe der Bearbeitungsmaschine an. Die Steuerungseinrichtung ist im hier beschriebenen Beispiel auch ausgebildet bzw. programmiert, den Bearbeitungskopf auch vor dem Bearbeiten an (mindestens) einer vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position entlang der vorgegebenen Kontur zu positionieren.
Bei einer Weiterbildung ist die Auswerteeinrichtung konfiguriert, an mindestens einer vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position entlang der vorgegebenen zu bearbeitenden Kontur während des Bearbeitens die korrigierte Bearbeitungskopf-Position zu ermitteln, und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, anhand einer Abweichung bzw. anhand eines lateralen Versatzes der korrigierten Bearbeitungskopf-Position von der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position einen noch zu bearbeitenden Kontur-Abschnitt der vorgegebenen Kontur zu korrigieren. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird in diesem Fall die vorgegebene Kontur bzw. ein noch zu bearbeitender Kontur-Abschnitt während des Bearbeitens korrigiert, d.h. es wird beim Bearbeiten gezielt von der ursprünglich geplanten Kontur abgewichen, um den Wärmeverzug des Werkstücks beim Bearbeiten zu korrigieren.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung (und auch der Detektor) konfiguriert, Oberflächenbereiche des noch nicht erwärmten Werkstücks entlang einer vorgegebenen zu bearbeitenden Kontur an einer Mehrzahl von vorgegebenen Bearbeitungskopf-Positionen insbesondere kontinuierlich ortsaufgelöst zu erfassen und die Steuerungseinrichtung weist eine Regelungseinrichtung auf, die ausgebildet ist, während des Bearbeitens des Werkstücks zur Verfolgung der vorgegebenen Kontur den Bearbeitungskopf an einer jeweils korrigierten Bearbeitungskopf-Position zu positionieren. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird in diesem Fall ähnlich wie bei einer Nahtfolgeregelung quasi-kontinuierlich die Abweichung bzw. der laterale Versatz zwischen der Ist-Bearbeitungskopf-Position und der bei noch nicht erwärmtem Werkstück ermittelten Soll-Bearbeitungskopf-Position ermittelt und mit Hilfe der Regelungseinrichtung die Abweichung zwischen der Ist- und der Soll-Bearbeitungskopf-Position korrigiert, so dass der Bearbeitungskopf bei der Bewegung entlang der Kontur stets an der korrigierten Bearbeitungskopf-Position positioniert bleibt.
Bei einer Ausführungsform weist die Bearbeitungsmaschine eine Beleuchtungsquelle zur Beleuchtung des Oberflächenbereichs des Werkstücks mit Beleuchtungsstrahlung, bevorzugt koaxial zum Bearbeitungsstrahl, auf. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es für das ortsaufgelöste Erfassen des Oberflächenbereichs günstig, wenn dieser mit Beleuchtungsstrahlung beleuchtet wird. Die Beleuchtung koaxial zum Bearbeitungsstrahl und somit typischerweise durch eine Bearbeitungsoptik des Bearbeitungskopfs hindurch ist günstig, aber nicht zwingend erforderlich. Die Beleuchtung kann beispielsweise auch mittels einer an der Außenseite des Bearbeitungskopfs angebrachten Beleuchtungsquelle erfolgen, wobei sich in diesem Fall der Strahlengang der Beleuchtungsstrahlung nicht mit dem Strahlengang des Bearbeitungsstrahls in dem Bearbeitungskopf überschneidet. Gegebenenfalls kann auch auf eine Beleuchtungsquelle zur Beleuchtung des Oberflächenbereichs verzichtet werden.
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 Laserbearbeitungsmaschine zum schneidenden Bearbeiten eines Werkstücks,
2a,b Darstellungen eines Laserbearbeitungskopfs der Laserbearbeitungsmaschine von 1,
3a,b Darstellungen eines auf eine Detektorfläche abgebildeten Oberflächenbereichs des Werkstücks mit einer Einstechposition vor und nach dem Erwärmen bei einer schneidenden Bearbeitung,
4a,b Darstellungen analog zu 3a,b mit einer vorgegebenen Schnittkontur vor und während des Bearbeitens des Werkstücks, sowie
5a,b Darstellungen analog zu 4a,b, bei welcher der Bearbeitungskopf während des Bearbeitens an einer jeweiligen korrigierten Bearbeitungskopf-Position positioniert wird, um eine vorgegebene Schnittkontur zu verfolgen.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine Laserbearbeitungsmaschine 1 mit einer Laserquelle 2, einem Laserbearbeitungskopf 4 und einer Werkstückauflage 5. Ein von der Laserquelle 2 erzeugter Laserstrahl 6 wird mittels einer Strahlführung 3 mit Hilfe von (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln zum Laserbearbeitungskopf 4 geführt und in diesem fokussiert sowie mit Hilfe von ebenfalls nicht bildlich dargestellten Spiegeln senkrecht zur Oberfläche 8a eines Werkstücks 8 ausgerichtet, d.h. die Strahlachse (optische Achse) des Laserstrahls 6 verläuft senkrecht zum Werkstück 8. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Laserquelle 2 um eine CO₂-Laserquelle. Alternativ kann der Laserstrahl 6 beispielsweise durch einen Festkörperlaser erzeugt werden.
Zum Laserschneiden des Werkstücks 8 wird mit dem Laserstrahl 6 zunächst eingestochen, d.h. das Werkstück 8 wird an einer Einstechposition E punktförmig aufgeschmolzen oder oxidiert und die hierbei entstehende Schmelze wird ausgeblasen. Nachfolgend wird der Laserstrahl 6 über das Werkstück 8 bewegt, so dass eine durchgängige Schnittkontur 9 entsteht, an der entlang der Laserstrahl 6 das Werkstück 8 durchtrennt.
Sowohl das Einstechen als auch das Laserschneiden können durch Hinzufügen eines Gases unterstützt werden. Als Schneidgase 10 können Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft und/oder anwendungsspezifische Gase eingesetzt werden. Entstehende Partikel und Gase können mit Hilfe einer Absaugeinrichtung 11 aus einer Absaugkammer 12 abgesaugt werden.
Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst auch eine Bewegungseinrichtung 13 zur Bewegung des Laserbearbeitungskopfs 4 und des Werkstücks 8 relativ zueinander. Im gezeigten Beispiel ruht das Werkstück 8 während der Bearbeitung auf der Werkstückauflage 5 und der Laserbearbeitungskopf 4 wird bei der Bearbeitung entlang von zwei Achsen X, Y eines XYZ-Koordinatensystems bewegt. Zu diesem Zweck weist die Bewegungseinrichtung 13 ein mit Hilfe eines durch einen Doppelpfeil angedeuteten Antriebs in X-Richtung verschiebbares Portal 14 auf. Der Laserbearbeitungskopf 4 kann mit Hilfe eines weiteren durch einen Doppelpfeil angedeuteten Antriebs der Bewegungseinrichtung 13 in X-Richtung verschoben werden, um an beliebige Bearbeitungskopf-Positionen B in X-Richtung und in Y-Richtung in einem durch die Verschiebbarkeit des Laserbearbeitungskopfs 4 bzw. durch das Werkstück 8 vorgegebenen Arbeitsfeld bewegt zu werden. An einer jeweiligen Bearbeitungskopf-Position B weist der Laserstrahl 6 eine (instantane) Vorschubgeschwindigkeit V auf.
Wie in 2a zu erkennen ist, wird der Laserstrahl 6 für die Durchführung einer schneidenden Bearbeitung an dem Werkstück 8 mittels einer Fokussiereinrichtung in Form einer Fokussierlinse 15 auf das Werkstück 8 fokussiert. Bei der Fokussierlinse 15 handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine Linse aus Zinkselenid, die den Laserstrahl 6 durch eine Laserbearbeitungsdüse 16, genauer gesagt durch deren Düsenöffnung 16a, auf das Werkstück 8 fokussiert, und zwar im gezeigten Beispiel auf eine Fokusposition F an der Oberseite 8a des Werkstücks 8. Der Laserstrahl 6 bildet dort einen Wechselwirkungsbereich 17 mit dem Werkstück 8, hinter dem entgegen der Bearbeitungsrichtung V bzw. entgegen der Schnittrichtung des Laserschneidprozesses die in 1 gezeigte Schnittkontur 9 erzeugt wird. Im Falle eines Laserstrahls 6 aus einem Festkörperlaser kann eine Fokussierlinse bspw. aus Quarzglas eingesetzt werden.
In 2a ebenfalls zu erkennen ist ein teildurchlässig ausgebildeter Umlenkspiegel 18, welcher den einfallenden Laserstrahl 6 (bspw. mit einer Wellenlänge von ca. 10,6 µm) reflektiert und für eine Prozessüberwachung relevante Beobachtungsstrahlung zu einem weiteren teildurchlässigen Umlenkspiegel 19 transmittiert. Der Umlenkspiegel 18 ist im gezeigten Beispiel für Beobachtungsstrahlung in Form von Wärmestrahlung bei Wellenlängen λ von ca. 700 nm bis 2000 nm teildurchlässig ausgebildet. Eine Beleuchtungsquelle 21 dient zur koaxialen Beleuchtung des Werkstücks 8 mit Beleuchtungsstrahlung 22. Die Beleuchtungsstrahlung 22 wird von dem weiteren teiltransmissiven Umlenkspiegel 19 sowie von dem Umlenkspiegel 18 transmittiert und durch die Düsenöffnung 16a der Laserbearbeitungsdüse 16 hindurch auf das Werkstück 8 gelenkt.
Alternativ zu den teildurchlässigen Umlenkspiegeln 18, 19 können auch Scraperspiegel oder Lochspiegel, welche einfallende Strahlung nur aus einem Randbereich reflektieren, eingesetzt werden, um die Beleuchtungsstrahlung 22 dem Werkstück 8 zuzuführen. Auch mindestens ein seitlich in den Strahlengang des Laserstrahls 6 eingebrachter Spiegel kann verwendet werden, um die Beobachtung zu ermöglichen.
Als Beleuchtungsquelle 21 können Diodenlaser oder LEDs oder Blitzlampen vorgesehen werden, die wie in 2a gezeigt koaxial, aber auch off-axis zur Laserstrahlachse 24 angeordnet werden können. Die Beleuchtungsquelle 21 kann beispielsweise auch außerhalb (insbesondere neben) dem Laserbearbeitungskopf 4 angeordnet und auf das Werkstück 8 gerichtet sein; alternativ kann die Beleuchtungsquelle 21 innerhalb des Laserbearbeitungskopfs 4 angeordnet, jedoch nicht koaxial zum Laserstrahl 6 auf das Werkstück 8 ausgerichtet sein. Gegebenenfalls kann der Laserbearbeitungskopf 4 auch ohne eine Beleuchtungsquelle 21 betrieben werden.
In einem Beobachtungsstrahlengang 23 hinter dem weiteren teildurchlässigen Umlenkspiegel 19 ist ein ortsauflösender Detektor in Form einer geometrisch hochauflösenden Kamera 25 angeordnet. Bei der Kamera 25 kann es sich um eine Hochgeschwindigkeitskamera handeln, die koaxial zur Laserstrahlachse 24 bzw. zur Verlängerung der Laserstrahlachse 24 und somit richtungsunabhängig angeordnet ist. Beim dargestellten Beispiel erfolgt die Aufnahme von Bildern durch die Kamera 25 im Auflichtverfahren im NIR/IR-Wellenlängenbereich, um das Prozesseigenleuchten bzw. ein Wärmebild des Schneidprozesses aufzunehmen. Bei dem in 2a gezeigten Beispiel kann ein Filter vor der Kamera 25 angeordnet werden, wenn weitere Strahlungs- bzw. Wellenlängenanteile von der Erfassung mit der Kamera 25 ausgeschlossen werden sollen. Der Filter kann z.B. als schmalbandiger Bandpassfilter mit einer Halbwertsbreite von beispielsweise ca. 15 nm ausgebildet sein, der Wellenlängen λ im Bereich um ca. 800 nm transmittiert.
Zur ortsaufgelösten Erfassung von in 3a,b gezeigten Oberflächenbereichen O, O' des Werkstücks 8 auf einer Detektorfläche 25a der Kamera 25 weist der Laserbearbeitungskopf 4 eine Abbildungsoptik 27 auf. Im gezeigten Beispiel weist die Abbildungsoptik 27 eine Blende 28 auf, die um eine zentrale Drehachse D drehbar gelagert ist, so dass sich bei der Drehung die Position einer exzentrisch angeordneten Blendenöffnung 28a auf einem Kreisbogen um die Drehachse D bewegt (vgl. 2b).
Durch die Anordnung der Blende 28 in dem mittels einer Linse 29 fokussierten Strahlengangs der Abbildungsoptik 27 tritt nur ein Teil des Beobachtungsstrahlengangs 23, welcher einen Randbereich der Fokussierlinse 15 durchläuft und im konvergenten Strahlengang nach der Fokussierlinse 15 unter einem Winkel β zur Strahlachse 24 des Laserstrahls 6 ausgerichtet ist, durch die exzentrisch zur Verlängerung der Strahlachse 24 des Laserstrahls 6 angeordnete Blendenöffnung 28a hindurch und bildet einen Beobachtungsstrahl 23a, welcher auf der Detektorfläche 25a abgebildet wird. Bei dem in 2a gezeigten Beispiel verläuft eine Beobachtungsrichtung R1 des Beobachtungsstrahls 23a in der Projektion in die XY-Ebene bzw. in die Werkstückebene parallel zur Richtung des Bearbeitungsvektors V, entlang derer der Laserstrahl 6 und das Werkstück 8 in der XY-Ebene relativ zueinander bewegt werden, um die gewünschte Schnittkontur zu bilden, d.h. es erfolgt eine stechende Beobachtung. Der Winkel β, unter dem die Beobachtungsrichtung R1 zur Strahlachse 24 des Laserstrahls 6 ausgerichtet ist, liegt im gezeigten Beispiel zwischen ca. 1° und ca. 5°, beispielsweise bei ca. 4°.
An Stelle einer mechanisch verstellbaren Blende 28 kann auch eine elektrisch verstellbare Blende, beispielsweise in Form eines LCD-Arrays, verwendet werden, bei der einzelne Pixel oder Pixelgruppen elektronisch an- bzw. ausgeschaltet werden, um die Blendenwirkung zu erzeugen. Auch kann die mechanische Blende 28 anders als in 2a,b gezeigt quer zum Beobachtungsstrahlengang 23, beispielsweise in der YZ-Ebene, bewegt bzw. verschoben werden, um unterschiedliche Teile des Beobachtungsstrahlengangs 23 abzuschatten bzw. für die Beobachtung zu öffnen. Die Blende 28 kann auch in Form eines oder mehrerer auf- und zuklappbarer mechanischer Elemente realisiert werden. Anders als dies in 2a,b dargestellt ist, kann auf die Blende 28 auch vollständig verzichtet werden, d.h. der Bearbeitungsstrahlengang 23 als Ganzes wird auf die Detektorfläche 25a abgebildet.
Bei der in 1 gezeigten Bearbeitung des Werkstücks 8 mittels des Laserstrahls 6 wird Wärme in das Werkstück 8 eingebracht, die zu einer Deformation des Werkstücks 8 in Form einer Wärmeausdehnung führt. Um diese Wärmeausdehnung zu kompensieren bzw. um die Bearbeitungskopf-Position B in X/Y-Richtung relativ zum ortsfesten, erwärmten Werkstück 8 während der Bearbeitung zu korrigieren, werden vor der Bearbeitung, d.h. bei noch nicht erwärmtem Werkstück 8 nacheinander Einstechpositionen E mit dem Laserschneidkopf 4 angefahren, welche jeweils eine Startposition zum schneidenden Bearbeiten des Werkstücks 8 entlang einer jeweiligen Schnittkontur 9 darstellen. Der Laserschneidkopf 4 wird hierbei jeweils derart positioniert, dass die Bearbeitungskopf-Position B bzw. der so genannte Tool Center Point (TCP), an welcher der Laserstrahl 6 auf das Werkstück 8 auftrifft, mit der vorgegebenen Einstechposition E auf dem noch nicht bearbeiteten Werkstück 8 übereinstimmt.
Wie in 3a,b zu erkennen ist, befindet sich die Bearbeitungskopf-Position B hierbei im Zentrum der Düsenöffnung 16a, welche dem Zentrum eines kreisförmigen Oberflächenbereichs O des noch nicht erwärmten Werkstücks 8 entspricht, welcher durch die Bearbeitungsdüse 16 hindurch mittels der Abbildungsoptik 27 auf die Detektoroberfläche 25a abgebildet wird. Das ortsaufgelöste Erfassen eines jeweiligen Oberflächenbereichs O vor dem Bearbeiten wird in der Regel an mehreren unterschiedlichen Bearbeitungskopf-Positionen B durchgeführt, an denen jeweils eine Einstechposition E als Startposition für die schneidende Bearbeitung des Werkstücks 8 entlang einer jeweiligen Schnittkontur 9 vorgesehen ist. Ein an einer jeweiligen vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position B auf die Detektorfläche 25a abgebildeter Oberflächenbereich O wird in Form eines Bildes in einer Auswerteeinrichtung 30 gespeichert, die mit dem Detektor 25 in signaltechnischer Verbindung steht.
Um sicherzustellen, dass mittels des Laserstrahls 6 an dem erwärmten Werkstück 8, welches bei der Bearbeitung einen Wärmeverzug erfahren hat, an der vorgegebenen Einstechposition E eingestochen wird, wird wie folgt vorgegangen: Der Laserstrahl 6 bzw. der Laserschneidkopf 4 wird während des Bearbeitens zunächst an der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position B positioniert, die mit der vorgegebenen Einstechposition E am noch nicht erwärmten Werkstück 8 übereinstimmt. Um die vorgegebene Einstechposition E am erwärmten Werkstück 8 aufzufinden, wird ein Oberflächenbereich O' des erwärmten Werkstücks 8 an der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position B ortsaufgelöst erfasst. Wie in 3b zu erkennen ist, in welcher der an dem noch nicht erwärmten Werkstück 8 erfasste Oberflächenbereich O gestrichelt dargestellt ist, kann durch einen Vergleich dieses Oberflächenbereichs O mit dem in der Auswerteeinrichtung 30 aufgenommenen Bild des nach dem Erwärmen des Werkstücks 8 erfassten Oberflächenbereichs O' eine Abweichung in Form eines lateralen Versatzes 31 auf der Detektorfläche 25a des Detektors 25 ermittelt werden, der in 3b durch einen Pfeil angedeutet ist.
Um an der vorgesehenen Einstechposition E in das Werkstück 8 einzustechen, kann anhand des lateralen Versatzes 31 zwischen den Oberflächenbereichen O, O' die vorgegebene Bearbeitungskopf-Position B korrigiert werden, und zwar indem der Laserbearbeitungskopf 4 um denselben - ggf. abhängig vom Abbildungsverhältnis bei der Abbildung der Oberflächenbereiche O, O' skalierten - Betrag lateral versetzt an eine korrigierte Bearbeitungskopf-Position Bc verschoben wird. An der korrigierten Bearbeitungskopf-Position Bc stimmt der beim erwärmten Werkstück 8 abgebildete Oberflächenbereich O' mit dem vor dem Erwärmen des Werkstücks 8 ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereich O überein. Wie in 3b zu erkennen ist, stimmt daher auch die korrigierte Bearbeitungskopf-Position Bc mit der vorgegebenen Einstechposition E überein, so dass beim Einschalten des Laserstrahls 6 an der von der Bahnplanung vorgegebenen Einstechposition E in das Werkstück 8 eingestochen wird, um eine typischerweise geschlossene Schnittkontur 9 zu erzeugen, entlang derer ein Werkstückteil vom (Rest-)Werkstück 8 getrennt wird.
Für die Ermittlung des lateralen Versatzes 31 bzw. der Abweichung zwischen dem abgebildeten Oberflächenbereich O des noch nicht erwärmten Werkstücks 8 und dem abgebildeten Oberflächenbereich O' des erwärmten Werkstücks 8 auf der Detektorfläche 25a können in der Auswerteeinrichtung 30 bekannte Bildauswertungsalgorithmen verwendet werden. Beispielsweise kann der laterale Versatz 31 anhand einer Kreuzkorrelation zwischen den beiden abgebildeten Oberflächenbereichen O, O' bzw. den beiden zugehörigen Bildern ermittelt werden, wie dies in der eingangs zitierten DE102005022095A1 beschrieben ist. Auch andere differenzbasierte Ähnlichkeitsfunktionen, Optical Flow, etc. können verwendet werden, um eine Ähnlichkeit zwischen den Oberflächenbereichen O, O' und somit den lateralen Versatz 30 zu ermitteln. Hierbei wird ausgenutzt, dass die beleuchtete Oberfläche 8a des Werkstücks 8 charakteristische Strukturmerkmale aufweist, wie dies in 3a,b angedeutet ist, wobei die ohnehin vorhandene Oberflächenrauigkeit des Werkstücks 8 für den Vergleich bzw. für die Bestimmung des lateralen Versatzes 31 ausreichend ist. Zur Erhöhung der Messauflösung kann eine Subpixelabschätzung durchgeführt werden, d.h. die korrigierte Bearbeitungskopf-Position Bc kann mit einer Orts-Auflösung ermittelt werden, die höher ist als die Pixelgröße eines einzelnen Pixels auf der Detektorfläche 25a des ortsauflösenden Detektors 25.
Vor oder beim Erfassen des Oberflächenbereichs O des noch nicht erwärmten Werkstücks 8 kann die Einstechposition E auf dem Werkstück 8 markiert werden, indem der Laserstrahl 6 kurzzeitig aktiviert wird. Durch das Markieren der Einstechposition E wird das Ermitteln des lateralen Versatzes 31 mittels eines Bildauswertealgorithmus erleichtert.
Zusätzlich (oder ggf. alternativ) zum Korrigieren einer jeweiligen Einstechposition E am erwärmten Werkstück 8 kann eine korrigierte Bearbeitungskopf-Position Bc auch an mehreren Positionen entlang einer vorgegebenen Schnittkontur 9 ermittelt werden, wie nachfolgend anhand von 4a,b beschrieben wird. 4a zeigt eine vorgegebene, geradlinig verlaufende Schnittkontur 9 am noch nicht erwärmten Werkstück 8. Der Bearbeitungskopf 4 ist in 4a an einer Bearbeitungskopf-Position B entlang der Schnittkontur 9 positioniert, der von der Einstechposition E beabstandet ist. Analog zu 3a wird ein Oberflächenbereich O des Werkstücks 8 an der Bearbeitungskopf-Position B ortsaufgelöst erfasst, d.h. auf die Detektorfläche 25a abgebildet, und in der Auswerteeinrichtung 30 gespeichert. 4b zeigt den Oberflächenbereich O' des erwärmten Werkstücks 8 an der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position B während des Bearbeitens. Wie in 4b zu erkennen ist, wurde an dem Werkstück 8 bereits ein erster Kontur-Abschnitt 9a geschnitten, der sich von der Einstechposition E bis zur momentanen Bearbeitungskopf-Position B erstreckt und der eine in 4b zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellte Abweichung von der in 4a gezeigten geradlinigen vorgegebenen Kontur 9 bzw. dem entsprechenden Kontur-Abschnitt 9a aufweist.
An der in 4b gezeigten Bearbeitungskopf-Position B wird auf die weiter oben beschriebene Weise erneut der laterale Versatz 31 zwischen den am noch nicht erwärmten bzw. am erwärmten Werkstück 8 ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereich O, O' und eine korrigierte Bearbeitungskopf-Position Bc ermittelt, an welcher der Laserbearbeitungskopf 7 auf dem Werkstück 8 positioniert sein müsste, um die vorgegebene, geradlinige Schnittkontur 9 zu erzeugen. Eine in 1 gezeigte Steuerungseinrichtung 34, die Steuerungsaufgaben der Laserschneidmaschine 1 übernimmt, steht mit der Auswerteeinrichtung 30 in signaltechnischer Verbindung. Anhand der Abweichung der korrigierten Bearbeitungskopf-Position Bc von der durch die Steuerungseinrichtung 34 vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position B bzw. anhand des lateralen Versatzes 31 kann die Steuerungseinrichtung 34 einen zweiten, noch nicht bearbeiteten Kontur-Abschnitt 9b der Schnittkontur 9 korrigieren, um den Wärmeverzug des Werkstücks 8 zu korrigieren. Bei dem in 4b gezeigten Beispiel wird zu diesem Zweck der ursprünglich geradlinig verlaufende Kontur-Abschnitt 9b der vorgegebenen Schnittkontur 9 in einen gekrümmt verlaufenden Kontur-Abschnitt 9b' verändert, um auf dem erwärmten Werkstück 8 die gewünschte geradlinig verlaufende Schnittkontur 9 zu erzeugen. Die oben beschriebene Korrektur des bzw. eines jeweiligen noch zu schneiden Kontur-Abschnitts 9b kann entlang ein- und derselben Schnittkontur 9 mehrfach durchgeführt werden.
5a zeigt analog zu 4a eine vorgegebene Schnittkontur 9 an dem noch nicht erwärmten Werkstück 8. Im Gegensatz zu dem in 4a,b beschriebenen Beispiel wird bei dem in 5a gezeigten Beispiel die gesamte Schnittkontur 9 quasi-kontinuierlich mittels des Laserbearbeitungskopfs 6 an einer Mehrzahl von Bearbeitungspositionen B_j abgefahren und ein jeweiliger Oberflächenbereich O_j wird ortsaufgelöst erfasst. Mit Hilfe der in vergleichsweise geringen Abständen entlang der vorgegebenen Schnittkontur 9 ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereiche O_j bzw. mit Hilfe der zugehörigen in der Auswerteeinrichtung 30 gespeicherten Bilder kann die vorgegebene Schnittkontur 9 an dem erwärmten Werkstück 8 nachverfolgt werden: Der Laserbearbeitungskopf 6 bzw. dessen momentane, in 5b gezeigte Bearbeitungskopf-Position B wird hierbei mit Hilfe einer in die Steuerungseinrichtung 34 integrierten Regelungseinrichtung 35 so geregelt, dass die momentane Bearbeitungskopf-Position B (idealerweise) stets mit der korrigierten Bearbeitungskopf-Position Bc übereinstimmt. Bei dem in 5a,b gezeigten Beispiel ist es daher nicht erforderlich, die vorgegebene Schnittkontur 9 zu korrigieren, vielmehr wird mit Hilfe der Regelungseinrichtung 35, die beispielsweise einen PID-Regler oder dergleichen aufweisen kann, quasi-instantan der in 4a,b dargestellte laterale Versatz 31 korrigiert bzw. minimiert, so dass die vorgegebene (Ist-)Bearbeitungskopf-Position B stets mit der korrigierten (Soll-)Bearbeitungskopf-Position Bc übereinstimmt. Auf diese Weise können bei der Bearbeitung des Werkstücks 8 besonders präzise Schnittkonturen 9 hergestellt werden.
Obgleich das Verfahren weiter oben im Zusammenhang mit einem Schneidprozess beschrieben wurde, kann dieses auch bei anderen Bearbeitungsprozessen eingesetzt werden, beispielsweise bei der schweißenden Bearbeitung eines Werkstücks 8 mit Hilfe einer zu diesem Zweck ausgebildeten Bearbeitungsmaschine 1, z.B. in Form einer Laserschweißmaschine.
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

US 2012/0296463 A1 [0003]
DE 102012217081 A [0004]
DE 102005022095 A1 [0005, 0020, 0048]

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer korrigierten Bearbeitungs-Position (Bc) eines Bearbeitungskopfs (4) relativ zu einem erwärmten Werkstück (8), umfassend: Ortsaufgelöstes Erfassen eines Oberflächenbereichs (O) des noch nicht erwärmten Werkstücks (8) an mindestens einer vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position (B) mittels eines optischen Detektors (25), der fest mit dem Bearbeitungskopf (4) verbunden ist, Bearbeiten des Werkstücks (8) mittels des Bearbeitungskopfs (4) unter Erwärmung des Werkstücks (8), wobei das Bearbeiten bevorzugt das Ausrichten eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls (6), mittels des Bearbeitungskopfs (4) auf das Werkstück (8) umfasst, ortsaufgelöstes Erfassen eines Oberflächenbereichs (O') des erwärmten Werkstücks (8) mittels des optischen Detektors (25), der zumindest teilweise mit dem Oberflächenbereich (O) des nicht erwärmten Werkstücks (8) an der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position (B) überlappt, sowie Ermitteln der korrigierten Bearbeitungskopf-Position (Bc) durch Vergleichen des ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereichs (O') des erwärmten Werkstücks (8) mit dem ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereich (O) des noch nicht erwärmten Werkstücks (8).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die vorgegebene Bearbeitungskopf-Position (B) eine Startposition für das Bearbeiten des Werkstücks (8) entlang einer vorgegebenen Kontur, insbesondere eine Einstechposition (E) für das schneidende Bearbeiten des Werkstücks (8) entlang einer Schnittkontur (9), bildet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die korrigierte Bearbeitungskopf-Position (Bc) an mindestens einer vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position (B) entlang einer vorgegebenen zu bearbeitenden Kontur (9) ermittelt wird und anhand einer Abweichung der korrigierten Bearbeitungskopf-Position (Bc) von der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position (B) ein noch zu bearbeitender Kontur-Abschnitt (9b) der vorgegebenen Kontur (9) korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem eine Mehrzahl von Oberflächenbereichen (O_j) des noch nicht erwärmten Werkstücks (8) entlang einer vorgegebenen zu bearbeitenden Kontur (9) an einer Mehrzahl von vorgegebenen Bearbeitungskopf-Positionen (B_j) insbesondere kontinuierlich ortsaufgelöst erfasst wird und während des Bearbeitens des Werkstücks (8) zur Verfolgung der vorgegebenen zu bearbeitenden Kontur (9) der Bearbeitungskopf an einer jeweiligen korrigierten Bearbeitungskopf-Position (Bc) positioniert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Werkstück (8) in dem Oberflächenbereich (O, O') beleuchtet wird und bei dem beim ortsaufgelösten Erfassen der beleuchtete Oberflächenbereich (O, O') des Werkstücks (8) auf eine Detektorfläche (25a) des Detektors (25) abgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem beim Vergleichen ein lateraler Versatz (31) zwischen dem auf die Detektorfläche (25a) abgebildeten Oberflächenbereich (O') des erwärmten Werkstücks (8) und dem auf die Detektorfläche (25a) abgebildeten Oberflächenbereich (O) des noch nicht erwärmten Werkstücks (8) ermittelt wird, wobei der laterale Versatz (31) bevorzugt durch Kreuzkorrelationen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Bearbeitungskopf lateral verschoben wird, bis eine korrigierte Bearbeitungskopf-Position (Bc) erreicht wird, an welcher der abgebildete Oberflächenbereich (O') des erwärmten Werkstücks (8) auf der Detektorfläche (25a) mit dem abgebildeten Oberflächenbereich (O) des nicht erwärmten Werkstücks (8) auf der Detektorfläche (25a) übereinstimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem das Beleuchten und das ortsaufgelöste Erfassen des Oberflächenbereichs (O, O') durch eine Bearbeitungsoptik, insbesondere durch eine Fokussieroptik (15), des Bearbeitungskopfs hindurch erfolgt.
Bearbeitungsmaschine, insbesondere Laserbearbeitungsmaschine (1), zum Bearbeiten eines Werkstücks (8), umfassend: einen Bearbeitungskopf, insbesondere ein Laserbearbeitungskopf (4), zum Bearbeiten des Werkstücks (8), der bevorzugt zum Ausrichten eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls (6), auf das Werkstück (8) ausgebildet ist, eine Bewegungseinrichtung (13) zur Bewegung des Bearbeitungskopfs und des Werkstücks (8) relativ zueinander, einen optischen Detektor (25), der fest mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist, zum ortsaufgelösten Erfassen von Oberflächenbereichen (O, O') des Werkstücks (8), gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung (30), die konfiguriert ist, eine korrigierte Bearbeitungskopf-Position (O, O') an dem erwärmten Werkstück (8) durch Vergleichen eines ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereichs (O) des noch nicht erwärmten Werkstücks (8) an einer vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position (B) mit einem ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereich (O') des erwärmten Werkstücks (8) zu ermitteln, der zumindest teilweise mit dem Oberflächenbereich (O) des noch nicht erwärmten Werkstücks (8) überlappt.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 9, weiter umfassend: eine Steuerungseinrichtung (34) zur Ansteuerung der Bewegung des Bearbeitungskopfs und des Werkstücks (8) relativ zueinander zur Bearbeitung des Werkstücks (8) entlang einer vorgegebenen Kontur (9).
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 10, bei welcher die Auswerteeinrichtung (30) konfiguriert ist, an mindestens einer vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position (B) entlang der vorgegebenen zu bearbeitenden Kontur (9) während des Bearbeitens die korrigierte Bearbeitungskopf-Position (Bc) zu ermitteln, und bei der die Steuerungseinrichtung (34) ausgebildet ist, anhand eines lateralen Versatzes (31) der korrigierten Bearbeitungskopf-Position (Bc) von der vorgegebenen Bearbeitungskopf-Position (B) einen noch zu bearbeitenden Kontur-Abschnitt (9a) der vorgegebenen Kontur (9) zu korrigieren.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei welcher die Auswerteeinrichtung (30) konfiguriert ist, eine Mehrzahl von Oberflächenbereichen (O_j) des noch nicht erwärmten Werkstücks (8) entlang einer vorgegebenen zu bearbeitenden Kontur (9) an einer Mehrzahl von vorgegebenen Bearbeitungskopf-Positionen (B_j) insbesondere kontinuierlich ortsaufgelöst zu erfassen und bei der die Steuerungseinrichtung (34) eine Regelungseinrichtung (35) aufweist, die ausgebildet ist, während des Bearbeitens des Werkstücks (8) zur Verfolgung der vorgegebenen Kontur (9) den Bearbeitungskopf an einer jeweils korrigierten Bearbeitungskopf-Position (Bc) zu positionieren.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, weiter umfassend: eine Beleuchtungsquelle (21) zur Beleuchtung des Oberflächenbereichs (O, O') mit Beleuchtungsstrahlung (22), bevorzugt koaxial zum Bearbeitungsstrahl (6).