DE102020112635A1 - Laser scanner system and method for processing a workpiece - Google Patents
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Abstract
Der hier vorgestellte Ansatz betrifft ein Laserscannersystem (100) zum Bearbeiten eines Werkstücks (105). Das Laserscannersystem (100) weist einen einen Bearbeitungsbereich (110) aufweisenden Laserscanner (115) und einen einen Sensorbereich (120) aufweisenden Sensorscanner (125) auf. Der Laserscanner (115) weist einen Laser (130) und einen mit dem Laser (130) gekoppelten ersten Scanner (135) auf. Der Laser (130) ist dazu ausgebildet, um einen Laserstrahl (140) bereitzustellen. Der erste Scanner (135) ist dazu ausgebildet, um einen Bearbeitungspunkt (145) des Laserstrahls (140) über den Bearbeitungsbereich (110) zu führen, um das sich innerhalb des Bearbeitungsbereichs (110) befindliche Werkstück (105) zu bearbeiten. Der Sensorscanner (125) weist einen optischen Sensor (150) und einen zweiten Scanner (155) auf, der dazu ausgebildet ist, um ein Bildfeld (160) des optischen Sensors (150) über den Sensorbereich (120) zu führen, um eine Bearbeitung des Werkstücks (105) zu überwachen. Der Laserscanner (115) und der Sensorscanner (125) sind in einem Winkel (□) zueinander angeordnet und der zweite Scanner (155) ist ausgebildet, um das Bildfeld (160) des optischen Sensors (150) auf den Bearbeitungspunkt (145) zu richten. The approach presented here relates to a laser scanner system (100) for processing a workpiece (105). The laser scanner system (100) has a laser scanner (115) having a processing area (110) and a sensor scanner (125) having a sensor area (120). The laser scanner (115) has a laser (130) and a first scanner (135) coupled to the laser (130). The laser (130) is designed to provide a laser beam (140). The first scanner (135) is designed to guide a processing point (145) of the laser beam (140) over the processing area (110) in order to process the workpiece (105) located within the processing area (110). The sensor scanner (125) has an optical sensor (150) and a second scanner (155) which is designed to guide an image field (160) of the optical sensor (150) over the sensor area (120) for processing of the workpiece (105) to be monitored. The laser scanner (115) and the sensor scanner (125) are arranged at an angle (□) to one another and the second scanner (155) is designed to direct the image field (160) of the optical sensor (150) onto the processing point (145) .
Description
Der vorliegende Ansatz bezieht sich auf ein Laserscannersystem zum Bearbeiten eines Werkstücks und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks.The present approach relates to a laser scanner system for machining a workpiece and a method for machining a workpiece.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem vorliegenden Ansatz ein Laserscannersystem zum Bearbeiten eines Werkstücks und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, a laser scanner system for processing a workpiece and a method for processing a workpiece according to the main claims are presented with the present approach. Advantageous refinements result from the respective subclaims and the following description.
Die mit dem vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen darin, dass ein Laserscannersystem entsteht, bei dem eine Bearbeitung eines Werkstücks unter Verwendung einfacher Sensorik sehr gut überwacht werden kann.The advantages that can be achieved with the approach presented are that a laser scanner system is created in which the machining of a workpiece can be monitored very well using simple sensors.
Ein Laserscannersystem zum Bearbeiten eines Werkstücks weist einen einen Bearbeitungsbereich aufweisenden Laserscanner und einen einen Sensorbereich aufweisenden Sensorscanner auf. Der Laserscanner weist einen Laser und einen mit dem Laser gekoppelten ersten Scanner auf. Der Laser ist dazu ausgebildet, um einen Laserstrahl bereitzustellen. Der erste Scanner ist dazu ausgebildet, um einen Bearbeitungspunkt des Laserstrahls über den Bearbeitungsbereich zu führen, um das sich innerhalb des Bearbeitungsbereichs befindliche Werkstück zu bearbeiten. Der Sensorscanner weist einen optischen Sensor und einen zweiten Scanner auf, der dazu ausgebildet ist, um ein Bildfeld des optischen Sensors über den Sensorbereich zu führen, um eine Bearbeitung des Werkstücks zu überwachen. Der Laserscanner und der Sensorscanner sind in einem Winkel zueinander angeordnet und der zweite Scanner ist ausgebildet, um das Bildfeld des optischen Sensors auf den Bearbeitungspunkt zu richten.A laser scanner system for processing a workpiece has a laser scanner having a processing area and a sensor scanner having a sensor area. The laser scanner has a laser and a first scanner coupled to the laser. The laser is designed to provide a laser beam. The first scanner is designed to guide a processing point of the laser beam over the processing area in order to process the workpiece located within the processing area. The sensor scanner has an optical sensor and a second scanner which is designed to guide an image field of the optical sensor over the sensor area in order to monitor processing of the workpiece. The laser scanner and the sensor scanner are arranged at an angle to one another and the second scanner is designed to direct the image field of the optical sensor onto the processing point.
Ein solches Laserscannersystem ermöglicht das Bearbeiten des Werkstücks durch Laserschweißen. Das beim Laserschweißen gebildete Schmelzbad oder die prozessierte Zone emittiert eine elektromagnetische Strahlung im infraroten Bereich (IR-Bereich), die von dem optischen Sensor erfasst und sowohl räumlich wie auch zeitlich aufgelöst werden kann. Die räumliche Ausdehnung und Intensität der Strahlung gibt eine Aussage über den Energiefluss im Werkstück und über den eingebrachten Energieeintrag. Daraus können Parameter für die Prozessüberwachung abgeleitet werden. Je nach dem welches Material bearbeitet wird, unterscheidet sich der Energieeintrag in das Werkstück. Beispielsweise ist der Energieeintrag bei Kunststoffen geringer als bei Metallen und bei Metallen geringer als bei Keramiken. Die emittierte elektromagnetische Strahlung im IR-Bereich verschiebt sich laut dem Wienschen Strahlungsgesetz mit geringerem Energieeintrag zu langwelligeren Wellenlängen. Bei dem optischen Sensor kann es sich um eine Thermografiekamera wie beispielsweise eine Infrarotkamera handeln, welche zum Erstellen eines Thermografiebilds ihres Bildfelds ausgebildet ist. Eine Überwachung der Bearbeitung des Werkstücks ist dank des winkelig zu dem Laserscanner angeordneten Sensorscanners auch beim Emittieren langwelliger Wellenlängen hinreichend ermöglicht. Eine Ausrichtung des Bearbeitungsbereichs und des Sensorbereichs können hierbei vorteilhafterweise aufeinander abgestimmt sein. So kann vorteilhafterweise ein günstiger optischer Sensor eingesetzt werden, dessen Bildfelds durch den zweiten Scanner je nach Bedarf dank der winkeligen Anordnung des Laserscanners zu dem Sensorscanner besonders einfach und exakt auf den Bearbeitungspunkt gerichtet werden kann.Such a laser scanner system enables the workpiece to be processed by laser welding. The weld pool formed during laser welding or the processed zone emits electromagnetic radiation in the infrared range (IR range), which can be detected by the optical sensor and resolved both spatially and temporally. The spatial extent and intensity of the radiation provide information about the energy flow in the workpiece and the energy input. Parameters for process monitoring can be derived from this. The energy input into the workpiece differs depending on which material is being processed. For example, the energy input in plastics is lower than in metals and less in metals than ceramics. According to Wien's radiation law, the emitted electromagnetic radiation in the IR range shifts to longer-wave wavelengths with lower energy input. The optical sensor can be a thermographic camera, such as an infrared camera, for example, which is designed to create a thermographic image of its field of view. A monitoring of the processing of the workpiece is sufficiently enabled thanks to the sensor scanner arranged at an angle to the laser scanner, even when long-wave wavelengths are emitted. An alignment of the processing area and the sensor area can advantageously be coordinated with one another. In this way, an inexpensive optical sensor can advantageously be used, the image field of which can be directed particularly easily and precisely to the processing point by the second scanner as required, thanks to the angular arrangement of the laser scanner in relation to the sensor scanner.
Der Bearbeitungsbereich kann beispielsweise eine Mittelachse und der Sensorbereich eine weitere Mittelachse aufweisen, wobei sich die Mittelachse und die weitere Mittelachse auf einer Bearbeitungsebene in dem Winkel schneiden. Eine derartige aufeinander abgestimmt Ausrichtung des Bearbeitungsbereichs und Sensorbereich ermöglicht ein Überwachen der Bearbeitung des Werkstücks stets in einem optisch gut sensierbaren Bereich. Der Winkel kann hierbei so gewählt sein, dass er innerhalb des Bearbeitungsbereichs und des Sensorbereichs eine große Anzahl an gemeinsamen Schnittpunkten der Mittelachsen auf der Bearbeitungsebene ermöglicht.The processing area can, for example, have a central axis and the sensor area a further central axis, the central axis and the further central axis intersecting at the angle on a processing plane. Such a coordinated alignment of the processing area and the sensor area enables the processing of the workpiece to be monitored always in an optically easily sensible area. The angle can be selected here so that it enables a large number of common points of intersection of the central axes on the processing plane within the processing area and the sensor area.
Gemäß einer Ausführungsform sind der Laserscanner und der Sensorscanner in einem Winkel zwischen 5 Grad und 40 Grad zueinander angeordnet. Beispielsweise können der Laserscanner und der Sensorscanner in einem Winkel von 30 Grad oder 29 Grad zueinander angeordnet sein.According to one embodiment, the laser scanner and the sensor scanner are arranged at an angle between 5 degrees and 40 degrees to one another. For example, the laser scanner and the sensor scanner can be arranged at an angle of 30 degrees or 29 degrees to one another.
Das Laserscannersystem kann ferner eine Steuereinheit zum synchronisierten Ansteuern des ersten Scanners und des zweiten Scanners aufweisen. So können der erste Scanner und der zweite Scanner beispielsweise so angesteuert werden, dass ein weiterer Winkel zwischen dem Laserstrahl und einem Beobachtungskanal zwischen dem optischen Sensor und dem Bildfeld immer gleich, also quasi-axial, bleibt. Dies ermöglicht eine synchronisierte, beispielsweise stets zeitgleiche, Überwachung und Bearbeitung des Bearbeitungspunkts.The laser scanner system can furthermore have a control unit for the synchronized control of the first scanner and the second scanner. For example, the first scanner and the second scanner can be controlled in such a way that a further angle between the laser beam and an observation channel between the optical sensor and the image field always remains the same, that is, quasi-axially. This enables synchronized, for example always simultaneous, monitoring and processing of the processing point.
Der Sensorscanner kann zumindest eine Fokussierlinse oder Sammellinse aufweisen, insbesondere die zwischen dem optischen Sensor und dem zweiten Scanner angeordnet sein kann, um eingefallene Beobachtungsstrahlen von dem zweiten Scanner zu dem optischen Sensor zu fokussieren oder zu sammeln. Bei den Beobachtungsstrahlen kann es sich um durch den je nach Ausrichtung des zweiten Scanners erzeugten Beobachtungskanal des optischen Sensors einfallende Infrarotstrahlen handeln. So können von dem optischen Sensor sensierte Beobachtungsstrahlen vorab fokussiert oder gesammelt werden. Es kann so auch beispielsweise ein sehr kleines Bildfeld erzeugt werden.The sensor scanner can have at least one focusing lens or converging lens, in particular which can be arranged between the optical sensor and the second scanner in order to focus or collect incident observation beams from the second scanner to the optical sensor. The observation rays can be infrared rays incident through the observation channel of the optical sensor that is generated depending on the orientation of the second scanner. In this way, observation beams sensed by the optical sensor can be focused or collected in advance. A very small image field can also be generated in this way, for example.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn der erste Scanner zumindest einen beweglichen Spiegel zum Ablenken des Laserstrahls und zusätzlich oder alternativ der zweite Scanner zumindest einen weiteren beweglichen Spiegel zum Führen des Bildfelds aufweist. Durch derartige Spiegel können die Strahlen und zusätzlich oder alternativ der Beobachtungskanal schnell und einfach in eine gewünschte Richtung gelenkt werden.It is also advantageous if the first scanner has at least one movable mirror for deflecting the laser beam and, additionally or alternatively, the second scanner has at least one further movable mirror for guiding the image field. By means of such mirrors, the rays and additionally or alternatively the observation channel can be directed quickly and easily in a desired direction.
Der zweite Scanner kann ferner auf einer dem optischen Sensor abgewandten Seite eine Scannerfokussierlinse aufweisen. So können in den zweiten Scanner einfallende Beobachtungsstrahlen vorab fokussiert werden und zusätzlich oder alternativ ein sehr kleines Bildfeld erzeugt werden.The second scanner can also have a scanner focusing lens on a side facing away from the optical sensor. In this way, observation beams incident in the second scanner can be focussed in advance and, in addition or as an alternative, a very small image field can be generated.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn das Laserscannersystem gemäß einer Ausführungsform einen einen weiteren Sensorbereich aufweisenden weiteren Sensorscanner mit einem Spektrometer und einem dritten Scanner zum Richten eines weiteren Bildfelds des Spektrometers auf den Bearbeitungspunkt aufweist, um eine Materialzusammensetzung des Werkstücks zu erkennen. Dies schafft eine Erweiterung des hier vorgestellten Laserscannersystem auf einen weiteren Analysebereich für das Werkstück.It is also advantageous if, according to one embodiment, the laser scanner system has a further sensor scanner having a further sensor area with a spectrometer and a third scanner for directing a further image field of the spectrometer to the processing point in order to detect a material composition of the workpiece. This creates an expansion of the laser scanner system presented here to include a further analysis area for the workpiece.
Der weitere Sensorscanner kann in einem zusätzlichen Winkel zu dem Laserscanner angeordnet sein. Der zusätzliche Winkel kann passend für einen zu erwartenden sensierbaren Spektralbereich des Spektrometers gewählt sein.The further sensor scanner can be arranged at an additional angle to the laser scanner. The additional angle can be selected to be suitable for an expected sensible spectral range of the spectrometer.
Das Laserscannersystem kann weiterhin eine Kalibriereinrichtung zum Kalibrieren des ersten Scanners und des zweiten Scanners aufweisen. Dies ermöglicht eine stets korrekt aufeinander abgestimmte Ausrichtung von Laserstrahl und Beobachtungskanal des optischen Sensors.The laser scanner system can furthermore have a calibration device for calibrating the first scanner and the second scanner. This enables an alignment of the laser beam and the observation channel of the optical sensor that is always correctly matched to one another.
Ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks weist einen Schritt des Bereitstellens, einen Schritt des Aktivierens, einen Schritt des Führens und einen Schritt des Richtens auf. Im Schritt des Bereitstellens werden ein einen Bearbeitungsbereich aufweisenden Laserscanner, der einen Laser zum Bereitstellen eines Laserstrahls und einen mit dem Laser gekoppelten ersten Scanner zum Führen eines Bearbeitungspunkts des Laserstrahls über den Bearbeitungsbereich aufweist, und ein einen Sensorbereich aufweisenden Sensorscanner mit einem optischen Sensor und einem zweiten Scanner zum Führen eines Bildfelds des optischen Sensors über den Sensorbereich bereitgestellt, wobei im Schritt des Bereitstellens der Laserscanner und der Sensorscanner in einem Winkel zueinander angeordnet werden. Im Schritt des Aktivierens wird der Laserstrahl aktiviert, um das sich innerhalb des Bearbeitungsbereichs befindliche Werkstück zu bearbeiten. Im Schritt des Führens wird der Bearbeitungspunkt des Laserstrahls über den Bearbeitungsbereich geführt. Im Schritt des Richtens wird das Bildfeld des optischen Sensors auf den Bearbeitungspunkt gerichtet, um eine Bearbeitung des Werkstücks zu überwachen.A method for machining a workpiece has a step of providing, a step of activating, a step of guiding and a step of straightening. In the step of providing, a laser scanner having a processing area, which has a laser for providing a laser beam and a first scanner coupled to the laser for guiding a processing point of the laser beam over the processing area, and a sensor scanner having a sensor area with an optical sensor and a second Scanner provided for guiding an image field of the optical sensor over the sensor area, the laser scanner and the sensor scanner being arranged at an angle to one another in the step of providing. In the activation step, the laser beam is activated in order to machine the workpiece located within the machining area. In the guiding step, the machining point of the laser beam is guided over the machining area. In the straightening step, the image field of the optical sensor is directed onto the processing point in order to monitor processing of the workpiece.
Der Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 bis4 je eine schematische Darstellung eines Laserscannersystems zum Bearbeiten eines Werkstücks gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
5 eine schematische Darstellung einer Kalibriereinrichtung eines Laserscannersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel; und -
6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bearbeiten eines Werkstücks gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1 until4th each a schematic representation of a laser scanner system for processing a workpiece according to an exemplary embodiment; -
5 a schematic representation of a calibration device of a laser scanner system according to an embodiment; and -
6th a flowchart of a method for machining a workpiece according to an embodiment.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele des vorliegenden Ansatzes werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of advantageous exemplary embodiments of the present approach, identical or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and having a similar effect, a repeated description of these elements being dispensed with.
Das Laserscannersystem
Der Laserscanner
Der Laser
Der Bearbeitungsbereich
Der Winkel α weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Winkelbereich zwischen 5 Grad und 40 Grad auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind der Laserscanner
Der erste Scanner
Das Laserscannersystem
Das Laserscannersystem
Ein Arbeitsabstand
Bei dem hier vorgestellten Laserscannersystem
Das hier vorgestellte Laserscannersystem
In einem Anwendungsbeispiel des Laserscannersystems
Vorteile des Laserscannersystems
In anderen Worten ausgedrückt ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen einem IR-Kamerachip und dem zweiten Scanner
Eine Ausrichtung des ersten Scanners und zweiten Scanners zueinander ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel unter Verwendung der Kalibriereinrichtung
Das Verfahren
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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