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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lasermaterialbearbeitungskopfes umfassend eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung oder Nahtführung von Kanten beim Bearbeiten von Werkstücken mittels eines Laserstrahls, z.B. Fügen oder Trennen. Bei der Bearbeitung kann es sich um eine Lasermaterialbearbeitung von Werkstücken im dreidimensionalen Raum handeln.
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Kurze Beschreibung des Stands der Technik
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Bei der Lasermaterialbearbeitung von Werkstücken wird die Nahtführung zur Prozesskontrolle, -regelung oder -steuerung und zur Qualitätssicherung kontrolliert. Dazu kommen zumeist Bildverarbeitungssysteme zum Einsatz.
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Die Kantenerkennung ist ein wesentlicher Schritt bei der Überwachung der Nahtführung. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Systeme bekannt, bei denen das Kamerabild einer optischen Kamera mittels spezieller Algorithmen ausgewertet wird. Der Auswertung liegt ein monochromes Bild zugrunde, aus dem die Intensität des in die Kamera reflektierten Lichts als Bildinformation verwertet wird. Bei optisch schwierigen Materialien, welche nur eine geringe oder sehr diffuse Reflektion aufweisen, bestehen Schwierigkeiten bei der Auswertung, da oft nur sehr schlechte und kontrastarme Bilder vorliegen. Derartige Materialen können beispielsweise matte oder dunkle Oberflächen aufweisen.
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Das Remote-Laser-Schweißen ist eine besondere Variante des Laserstrahlschweißens. Bei diesem Verfahren kann in jeder beliebigen Richtung im dreidimensionalen Raum geschweißt werden und die Richtung kann sich während des Schweißvorgangs auch ändern. Das ist ein Unterschied zu anderen Schweißverfahren, bei denen meist nur in einer Richtung geschweißt werden kann. Bei derartigen Vorrichtungen werden Detektoren oder Führungselemente eingesetzt, welche dem Fügeprozess vorauslaufen.
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Weiterhin werden bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren mehrere Aufnahmen mit verschiedenen optischen Filtern des Bearbeitungsprozesses der Werkstücke benötigt, um eine zuverlässige Kontrolle zu ermöglichen. Dazu werden dann mittels spezieller Algorithmen die benötigten Informationen berechnet.
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Weiterhin sind bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zumeist auch mehrere Kameras erforderlich, um die benötigten Bilddaten zu erhalten.
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Aus der veröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen
DE 10 2014 203 798 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung des Verschmutzungs- und/oder Beschädigungszustands an einem Schutzglas eines an einem Roboter befestigten Laserbearbeitungskopfs bekannt, wozu der Roboter den Laserbearbeitungskopf in das Sichtfeld einer ortsfest installierten Kameraeinrichtung bewegt, die dann das Schutzglas optisch erfasst und die erhaltenen Bilddaten einer weiteren Auswertung zuführt. Die Erfindung betrifft ferner auch eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken, die zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildet ist.
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Die veröffentlichte österreichische Gebrauchsmusterschrift mit dem amtlichen Aktenzeichen
AT 014 049 U1 offenbart eine bildgebende Kamera, die im Strahlengang der Kamera angeordnete Mittel zur Zerlegung von empfangener elektromagnetischer Strahlung in spektrale Bestandteile umfasst und einen ortsauflösenden Sensor mit einer Vielzahl von Bildpunkten zur ortsaufgelösten und gemäß den spektralen Bestandteilen aufgelösten Detektion der empfangenen elektromagnetischen Strahlung. Im Strahlengang der Kamera ist vor dem Sensor eine Polarisatormatrix angeordnet, wobei ein jedes Matrixelement der Polarisationsmatrix nur für elektromagnetische Strahlung mit einer definierten Polarisation transparent ist, und mehrere Gruppen von Matrixelementen existieren, die jeweils für unterschiedliche Polarisation, wie z.B. linear, s- bzw. p-polarisiert, zirkulär, elliptisch oder Drehsinn-polarisiert, transparent sind. Dadurch wird die auf den Sensor auftreffende elektromagnetische Strahlung in Abhängigkeit von spektralen Bestandteilen und in Abhängigkeit von ihrer Polarisation detektiert.
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Die veröffentlichte europäische Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen
EP 2 062 674 A1 betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten eines Laserschweißprozesses an einem Werkstück, umfassend die Schritte: Erfassen der Position einer Fügestelle an dem Werkstück mit Hilfe einer Sensoreinrichtung in einem ersten Messbereich vorlaufend zu einer Laserstrahlposition, Erfassen der Position der Fügestelle mit der Sensoreinrichtung in einem zweiten Messbereich an der Laserstrahlposition und/oder in einem dritten Messbereich nachlaufend zur Laserstrahlposition, Erfassen der Laserstrahlposition in dem zweiten Messbereich mit der Sensoreinrichtung, sowie Vergleichen der Positionen der Fügestelle in den jeweiligen Messbereichen und der Laserstrahlposition zum Anpassen der Lage, der Ausrichtung und/oder des Koordinatensystems der Sensoreinrichtung und/oder eines Laserbearbeitungskopfs relativ zum Werkstück. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Durchführen eines Laserschweißprozesses, bei dem zur Vorbereitung ein Verfahren wie oben beschrieben ausgeführt wird.
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Die veröffentlichte internationale Anmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen
WO 2019/043231 A1 offenbart ein Verfahren zur Objektklassifizierung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Führen eines kontinuierlichen Stroms von Objekten von einem Transportmechanismus direkt in einen freitragenden Pfad, entlang dessen der Objektstrom durch einen Erfassungsbereich geführt wird; Beleuchten des Erfassungsbereichs mit einem Strahlungsband in einer ersten Richtung; optisches Abtasten des Erfassungsbereichs, um elektromagnetische Strahlung zu erfassen, die von dem mindestens einen Objekt in dem Erfassungsbereich reflektiert wird, indem der Erfassungsbereich entlang einer zweiten Richtung betrachtet wird, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung einen Querschnitt in dem Erfassungsbereich haben und einen Winkel relativ zueinander innerhalb des Bereichs von 10° - 80° bilden; Analysieren der Information von der optischen Abtastung; und Klassifizieren von Objekten aus dem Objektstrom in mindestens zwei verschiedenen Richtungen basierend auf der Analyse der Transparenzinformation von der optischen Abtastung; wobei der Schritt des Analysierens der Information von der optischen Abtastung das Analysieren der Objekte basierend auf der Intensität, der Ausbreitung und der Textur der detektierten Strahlung von der optischen Abtastung umfasst.
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Es besteht daher Bedarf an einer Vorrichtung und einem Verfahren, welche es erlauben, auch bei optisch schwierigen Materialien eine zuverlässige Nahterkennung zu gewährleisten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Vorrichtung und ein neuartiges Verfahren zur Nahterkennung zur Verfügung zu stellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt einen Lasermaterialbearbeitungskopf umfassend eine Vorrichtung zur Nahtführung des Prozesses bei der Lasermaterialbearbeitung zur Verfügung, umfassend zumindest zwei separate Beleuchtungselemente, welche unterschiedlich polarisiertes Licht emittieren und eine Polarisationskamera.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest zwei separaten Beleuchtungselemente des Lasermaterialbearbeitungskopfes ein jeweils um 90° gedrehtes, polarisiertes Licht emittieren.
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Weiterhin ist eine Ausführungsform des Lasermaterialbearbeitungskopfes vorgesehen, umfassend vier separate Beleuchtungselemente.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein Lasermaterialbearbeitungskopf auch ein gradzahliges Vielfaches an Beleuchtungselementen umfassen.
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Sofern mehr als zwei Beleuchtungselemente verwendet werden, ist vorgesehen, dass jeweils zwei der separaten Beleuchtungselemente des Lasermaterialbearbeitungskopfes identisch polarisiertes Licht emittieren.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass dann die zumindest zwei separaten Beleuchtungselemente des Lasermaterialbearbeitungskopfes, welche identisch polarisiertes Licht emittieren, gegenüber voneinander angeordnet sind.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Polarisationskamera des Lasermaterialbearbeitungskopfes koaxial zu einem Laserstrahl für die Materialbearbeitung angeordnet ist.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Nahtführung bei der Lasermaterialbearbeitung, umfassend die Schritte:
- a. Verwenden eines Lasermaterialbearbeitungskopfes umfassend zumindest zwei separate Beleuchtungselemente zur Beleuchtung des Bereichs von Interesse mit polarisiertem Licht;
- b. Aufnehmen zumindest eines Bildes des beleuchteten Bereichs von Interesse mit einer Polarisationslamera;
- c. Übertragen des zumindest einen Bildes zu einer Auswertungseinheit;
- d. Auswertung des zumindest einen Bildes.
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In dem Verfahren können die zwei separaten Beleuchtungselemente des Lasermaterialbearbeitungskopfes Licht mit einer um 90° gedrehten Polarisation emittieren.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist für das Verfahren vorgesehen, dass es sich bei der Auswertungseinheit des Lasermaterialbearbeitungskopfes um eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung handelt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch derart ausgestaltet sein, dass ein Lasermaterialbearbeitungskopf mit vier separaten Beleuchtungselementen verwendet wird.
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Weiterhin können jeweils zwei der vier Beleuchtungselemente des Lasermaterialbearbeitungskopfes identisch polarisiertes Licht bei der Durchführung des Verfahrens emittieren.
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Das Verfahren kann in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung die Anordnung der Beleuchtungselemente des Lasermaterialbearbeitungskopfes mit identisch polarisiertem Licht gegenüber voneinander umfassen.
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Die Verwendung einer Vorrichtung wie zuvor beschrieben zur Nahtüberwachung beim Remote-Laser-Schweißverfahren stellt einen weiteren Gegenstand der Erfindung dar.
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Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres aus der folgenden detaillierten Beschreibung, in der einfach bevorzugte Ausführungsformen und Implementierungen dargestellt sind. Die vorliegende Erfindung kann auch in anderen und unterschiedlichen Ausführungsformen verwirklicht werden und ihre verschiedenen Details können in verschiedenen, offensichtlichen Aspekten modifiziert werden, ohne Lehre und Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und Beschreibungen als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen. Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt und werden teilweise aus der Beschreibung offensichtlich oder können der Ausführung der Erfindung entnommen werden.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher dargestellt. Dabei ist für den Fachmann offensichtlich, dass es sich nur um mögliche, beispielhafte Ausführungsformen handelt, ohne dass die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt wird. Der Schutzbereich wird durch die Ansprüche und der zugrundeliegenden Lehre und den sich daraus ergebenden Äquivalenten definiert. Für den Fachmann ergibt sich, dass Merkmale einer Ausführungsform auch mit Merkmalen anderer gezeigter oder beschriebener Ausführungsformen kombiniert werden können, wobei:
- 1, 2 zeigen eine Optik eines Remote-Laser-Schweißkopfes von unten mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen der Beleuchtungselemente.
- 3 zeigt eine Optik eines Remote-Laser-Schweißkopfes von unten mit einer alternativen Anordnung der Beleuchtungselemente.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die zuvor formulierte Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche decken weitere spezifische Ausführungsformen der Erfindung ab.
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Die Erfindung stellt einen Lasermaterialbearbeitungskopf umfassend eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung, bei dem auch bei nur geringen oder diffusen Kontrasten der Materialien oder auch bei hoch reflektierenden Materialien eine Bildauswertung möglich ist. Bei der Reflektion an metallischen Oberflächen, oder reflektierenden Oberflächen im Allgemeinen, kann es zu einer Änderung der Polarisationseigenschaften des reflektierten Lichts im Vergleich zum einfallenden Licht kommen.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Verwendung einer Polarisationskamera. Somit ist es möglich neben den reinen optischen Bilddaten auch noch zusätzlich die Polarisationseigenschaften des reflektierten Lichts zu ermitteln. Bei Reflektionen an unterschiedlich geneigten Oberflächen ändert sich nämlich auch die Polarisation des Lichts.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kamera koaxial zum Laserstrahl angeordnet ist, mit dem ein Werkstück bearbeitet wird.
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Weiterhin hat sich in Versuchen bei der Verwendung einer Polarisationskamera ergeben, dass die Verwendung von polarisiertem Licht zur Beleuchtung des Werkstücks vorteilhaft ist. Insofern sind polarisierte Lichtquellen bzw. die Verwendung von Polarisationsfiltern für die Lichtquellen ein wesentliches Element der vorliegenden Erfindung.
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Versuche haben gezeigt, dass die Verwendung von zumindest zwei unterschiedlichen polarisierten Lichtquellen vorteilhaft ist. Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die zumindest zwei Lichtquellen eine um jeweils 90° verdrehte Polarisationsrichtung aufweisen.
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Es können auch vier Lichtquellen verwendet werden. In diesem Fall weisen jeweils zwei Lichtquellen eine identische Polarisationsrichtung auf und die beiden Paare mit identischer Polarisationsrichtung sind zueinander gegenüber angeordnet. Grundsätzlich liegt auch eine ungerade Anzahl an Beleuchtungselementen oder Lichtquellen im Schutzbereich der Erfindung.
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Es sollen erfindungsgemäß Polarisationskameras verwendet werden, bei denen nur ein Frame einer Aufnahme zur Auswertung ausreicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft, da nicht mehr nur noch die rein optischen Eigenschaften des Bildes zugrunde gelegt werden, sondern aufgrund der Einbeziehung der Polarisation des reflektierten Lichts kontrastschärfere Bilder entstehen, welche dann mittels eines geeigneten Algorithmus ausgewertet werden können. Der stärkere Kontrast führt zu einer besseren Erkennung.
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1 zeigt die Optik eines Remote-Laser-Schweißkopfes von unten. Seitlich sind vier Beleuchtungselemente 1, 2, 3, 4 um die Austrittsöffnung der Laserbearbeitungsoptik 5 angeordnet. Die Pfeile geben die Polarisationsrichtung der einzelnen Beleuchtungselemente 1, 2, 3, 4 an. Einander gegenüber angeordnete Beleuchtungselemente haben jeweils die gleiche Polarisationsrichtung, bzw. Polarisation des emittierten Lichts. In 1 ist die Polarisationsrichtung der Beleuchtungselemente 1, 2, 3, 4 entlang ihrer Längsrichtung. Die Polarisation wird durch Polarisationsfilter (nicht gesondert dargestellt) vor den Beleuchtungselementen 1, 2, 3, 4 erreicht.
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In 2 sind ebenfalls vier Beleuchtungselemente 1, 2, 3, 4 um die Kamera 5 angeordnet. Hier führen die Polarisationsfilter (nicht gesondert dargestellt) zu einer Polarisation des Lichts der Beleuchtungselemente 1, 2, 3, 4 quer oder senkrecht zur Längsausdehnung der Beleuchtungselemente.
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3 zeigt eine alternative Anordnung der Beleuchtungselemente 1, 2, 3, 4. Diese sind in den Ecken des Gehäuses des Laserschweißkopfes 10 angeordnet. Gegenüberliegende Beleuchtungselemente in der Diagonalen, also 1, 3 und 2, 4 weisen eine identische Polarisationsrichtung des emittierten Lichtes auf.
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Aus den 1 - 3 geht hervor, dass die Polarisationsrichtung der beiden Paare jeweils um 90° zueinander gedreht ist.
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Grundsätzlich sind auch 2, 4, 6, 8 oder auch jedes weitere gradzahlige Vielfache an Beleuchtungselementen denkbar. Wichtig ist, dass die Beleuchtungselemente paarweise vorhanden sind und die Beleuchtungselemente eines Paares sich gegenüberliegen, wobei beide Beleuchtungselemente die gleiche Polarisationsrichtung des emittierten Leichtes haben.
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Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung gegeben. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend zu sein oder die Erfindung genau auf die offenbarte Form zu beschränken. Modifikationen und Variationen sind angesichts der obigen Lehre möglich oder können aus der Praxis der Erfindung erlangt werden. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen zu verwenden, die für die spezielle beabsichtigte Verwendung geeignet sind. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird. Die Gesamtheit jedes der oben genannten Dokumente wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1 - 4
- Beleuchtungselemente
- 5
- Strahlauskopplung der Laserbearbeitungsoptik, welche auch als abbildende Optik für die Kamera fungiert
- 10
- Gehäuse Laserschweißkopf
