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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für ein Bearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einstellen einer solchen Messvorrichtung. Die Erfindung betrifft zudem ein Bearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls.
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Derartige Messvorrichtungen, die beispielsweise in Bearbeitungssystemen eingesetzt werden, mittels derer ein Laserschweißen durchführbar ist, können zur Durchführung von Interferenzmessungen eingerichtet sein. Beispielsweise können solche Messvorrichtungen einen optischen Kohärenztomographen umfassen, der zur Vermessung eines bearbeiteten Werkstücks und zur Überwachung eines Bearbeitungsvorgangs eingesetzt werden kann. Hierdurch können beispielsweise eine Bauteilhöhe, eine Oberflächentogographie, eine Einschweißtiefe, Eigenschaften einer durch den Bearbeitungsstrahl im Werkstück gebildeten Dampfkapillare (dem sogenannten Keyhole) und dergleichen bestimmt werden.
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Messvorrichtungen dieser Art umfassen einen Messarm und einen Referenzarm zur Durchführung interferometrischer Messungen. Ein Abstand zwischen einem Bearbeitungskopf, von dem aus der Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück geführt wird, und dem Werkstück während der Bearbeitung kann sich ändern, etwa weil der Bearbeitungskopf auf einem Industrieroboter angeordnet und durch diesen bewegbar ist und/oder weil das Werkstück relativ zum Bearbeitungskopf bewegt wird. Hierdurch ändert sich die optische Weglänge des Messarms, der sich von einer Strahlquelle der Messvorrichtung zum Werkstück bzw. dessen Oberfläche erstreckt. Eine genaue Interferenzmessung setzt voraus, dass die optische Weglänge des Referenzarms derjenigen des Messarms möglichst genau entspricht und/oder an diese angepasst wird. Es kommen daher einstellbare Referenzarme zum Einsatz. Beispielsweise aus
DE 10 2019 001 858 B3 ist eine Weglängeneinstellvorrichtung bekannt, die optische Fasern eines Referenzarms und eines Messarms gezielt gegenläufig in ihren Längen verändert, um die beschriebenen Anpassungen vorzunehmen. Ferner offenbart
EP 1 977 850 A1 einen Referenzarm mit einem aus piezoelektrischem Material gefertigten Wickelkern, um den eine Referenzarmfaser gewickelt ist, die hierdurch gezielt gedehnt werden kann. Weitere Vorrichtungen zum Einstellen der Weglänge eines Referenzarms sind aus
DE 10 2013 008 269 A1 und
DE 10 2017 128 158 A1 bekannt.
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Neben einer Anpassung der optischen Weglängen von Referenzarm und Messarm ist es für eine hohe Genauigkeit von Interferenzmessungen erforderlich, dass Referenzarm und Messarm generell in ihren optischen Eigenschaften übereinstimmen, was insbesondere deren Dispersion umfasst. Die Eigenschaften der typischerweise verwendeten optischen Fasern hängen unter Anderem von thermischen Einflüssen ab, weshalb in einigen Fällen eine Führung von Messarm und Referenzarm eng nebeneinander verwendet wird. Beispielsweise wird der Referenzarm wenigstens abschnittsweise direkt auf einem Roboter angebracht, der den Bearbeitungskopf trägt.
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Insbesondere bei industriellen Anwendungen treten bisweilen hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten und damit einhergehende rasche Änderungen optischer Weglängen des Messarms auf. Um einen Weglängenausgleich in Echtzeit zu erzielen, ist daher eine hohe Verstellgeschwindigkeit für einen Referenzarm erforderlich. Zugleich sollte die Verstellung möglichst genau sein, insbesondere damit eine Position von Bauteiloberflächen vermessen und ein Bearbeitungsfokus nachgestellt werden kann. Dabei sind kompakte, zuverlässige, günstige und einfach ansteuerbare Vorrichtungen mit geringem Stromverbrauch zu bevorzugen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein motorisch verstellbarer Referenzarm nach Möglichkeit schnell verstellbar, absolutgenau und kompakt sein soll, da hierdurch Bewegungen eines Bearbeitungsscanners in Echtzeit ausgeglichen, Bauteiloberflächen präzise vermessen werden und ein Bearbeitungsfokus bei der Bearbeitung korrekt nachgestellt werden können. Eine kompakte Bauweise ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil sie die parallele Führung von Referenzarm und Messarm begünstigt und deren Anbringung auf einem Roboter gestattet, sodass Referenzarm und Messarm gleichen thermischen und sonstigen Einflüssen ausgesetzt sind. Der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass Antriebe, die diesen Anforderungen genügen, regelmäßig nicht mit zufriedenstellender Genauigkeit arbeiten, um eine gewünschte hohe Auflösung zu erzielen, beispielsweise aufgrund mechanischen Spiels oder aufgrund ungleichmäßiger und ggf. nicht hinreichend feiner (Mikro-)Schritte des verwendeten Antriebs.
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Es besteht somit Bedarf für eine Messvorrichtung, die eine schnelle, energieeffiziente, zuverlässige und genaue Einstellung einer Weglänge eines Referenzarms gestattet. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen hohen Grad an Genauigkeit bei hoher Verstellgeschwindigkeit bei einer Weglängenverstellung zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Bearbeitungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Die Erfindung kann außerdem eine Weglängeneinstellvorrichtung für eine erfindungsgemäße Messvorrichtung betreffen. Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung sieht die Verwendung eines Encoders vor, wodurch die genannten Anforderungen erfüllt und die Genauigkeit gesteigert werden können.
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Eine Messvorrichtung für ein Bearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls umfasst eine Strahlerzeugungseinheit, die dazu eingerichtet ist, einen Messstrahl und einen Referenzstrahl zu erzeugen, die zur Durchführung optischer Interferenzmessungen wie optischer Kohärenztomographie zur Interferenz bringbar sind; einen an die Strahlerzeugungseinheit optisch angebundenen Messarm, in dem der Messstrahl optisch geführt ist, sodass dieser auf das Werkstück projizierbar und/oder fokussierbar ist; und einen an die Strahlerzeugungseinheit optisch angebundenen Referenzarm, in dem der Referenzstrahl optisch geführt ist. Der Bearbeitungsstrahl kann ein Bearbeitungslaserstrahl sein.
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Die Messvorrichtung umfasst eine Weglängeneinstelleinheit, die dazu eingerichtet ist, eine optische Weglänge des Referenzarms einzustellen. Die Weglängeneinstelleinheit kann ein zwischen unterschiedlichen Einstellpositionen entlang einer Einstellbahn verlagerbares Einstellelement umfassen, dessen Verlagerung zwischen unterschiedlichen Einstellpositionen zu einer Änderung der optischen Weglänge des Referenzarms führt. Ferner kann die Weglängeneinstelleinheit einen Encoder umfassen, der entlang der Einstellbahn mit dem Einstellelement gekoppelt ist, wobei der Encoder dazu eingerichtet ist, ein Encodersignal zu erzeugen, das Information über eine aktuelle Einstellposition des Einstellelements enthält.
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Die Messvorrichtung umfasst ferner eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, eine aktuelle Einstellposition des Einstellelements und/oder eine aktuelle optische Weglänge des Referenzarms zumindest nach Maßgabe des Encodersignals zu bestimmen. Die Steuereinheit kann Teil der Weglängeneinstelleinheit sein. Insbesondere kann die Weglängeneinstelleinheit modular ausgebildet sein.
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Die Messvorrichtung kann Teil eines Bearbeitungssystems zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Bearbeitungslasers, sein. Neben der Messvorrichtung kann das Bearbeitungssystem eine Bearbeitungsvorrichtung umfassen, die eine Bearbeitungsstrahlquelle und eine Bearbeitungsstrahloptik umfasst, mittels derer der Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück projizierbar und/oder fokussierbar ist. Der Messstrahl kann derart in die Bearbeitungsstrahloptik einkoppelbar sein, dass er über die Bearbeitungsstrahloptik auf das Werkstück projizierbar und/oder fokussierbar ist.
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Ferner wird ein Verfahren zum Einstellen einer Messvorrichtung für ein Bearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls vorgeschlagen, wobei die Messvorrichtung eine erfindungsgemäße Messvorrichtung sein kann. Das Verfahren kann ein, insbesondere teilautomatisiertes und/oder automatisches, Erzeugen eines Encodersignals umfassen, das Information über eine aktuelle Einstellposition des Einstellelements enthält. Ferner kann das Verfahren ein, insbesondere teilautomatisiertes und/oder automatisches, Bestimmen der aktuellen Einstellposition des Einstellelements und/oder einer der aktuellen Einstellposition entsprechenden optischen Weglänge des Referenzarms zumindest nach Maßgabe des Encodersignals umfassen.
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Diese Merkmale gestatten es, einen hohen Grad an Genauigkeit zu erzielen. Außerdem kann eine hohe Verstellgeschwindigkeit erzielt werden. Es können kompakte, günstige und schnelle Motoren zur Verstellung eines Referenzarms verwendet werden, die wenig Ansteuerelektronik benötigen und einen geringen Stromverbrauch aufweisen. Aufgrund des erzielbaren hohen Grads an Kompaktheit kann eine Weglängeneinstelleinheit an einem Roboter montiert werden, wodurch Messarm und Referenzarm im Wesentlichen denselben thermischen Einflüssen ausgesetzt sind, wodurch sie ihn ihren optischen Eigenschaften einander genauer angeglichen bleiben. Weglängenänderungen des Messarms, insbesondere Bewegungen eines Bearbeitungsscanners, können in Echtzeit ausgeglichen werden. Beispielsweise kann die Weglängeneinstelleinheit eine Verstellgeschwindigkeit von wenigstens 0,2 m/s, von wenigstens 0,5 m/s oder sogar von wenigstens 1 m/s aufweisen.
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Die Strahlerzeugungseinheit kann dazu eingerichtet sein, kurzkohärentes Licht zu erzeugen, beispielsweise Weißlicht. Die Strahlerzeugungseinheit kann eine Strahlquelle und einen Strahlteiler umfassen, wobei Messarm und Referenzarm vorzugsweise vom Strahlteiler ausgehen.
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Bei den Interferenzmessungen kann es sich um optische Kohärenzmessungen handeln. Eine gängige Abkürzung für optische Kohärenztomographie ist OCT. Dabei wird ein Messstrahl der Messvorrichtung in einen Bearbeitungsstrahl wie beispielsweise einen hochenergetischen Laser eingekoppelt. Der Messstrahl läuft somit in einem Messarm. Zudem wird ein Referenzstrahl verwendet, der erhalten wird, indem ein Quellstrahl in Messstrahl und Referenzstrahl geteilt wird. Der Referenzstrahl läuft in einem Referenzarm, der den Messarm in seinen optischen Eigenschaften im Wesentlichen nachbildet, vor allem hinsichtlich dessen optischer Weglänge.
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Die Bearbeitungsvorrichtung kann einen Industrieroboter umfassen und/oder sie kann teilweise oder vollständig an einem Industrieroboter angeordnet sein. Die Bearbeitungsvorrichtung kann einen Bearbeitungskopf umfassen, in dem etwa die Bearbeitungsstrahloptik angeordnet sein kann. Der Bearbeitungskopf kann von einem Industrieroboter getragen sein. Bei der Bearbeitung kann ein Vorschub des Werkstücks relativ zur Bearbeitungsstrahloptik vorgesehen sein, die durch Bewegen des Werkstücks und/oder durch Bewegen der Bearbeitungsstrahloptik bzw. des Bearbeitungskopfes erzeugt sein kann.
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Der Referenzarm bildet vorzugsweise die optischen Eigenschaften des Messarms zumindest im Wesentlichen nach, zumindest bezüglich seiner optischen Weglänge und/oder bezüglich dessen Dispersion. Die Steuereinheit kann generell dazu eingerichtet sein, Funktionen der Messvorrichtung und/oder der Weglängeneinstelleinheit zu steuern. Sie kann hierfür über zumindest ein computerlesbares Medium verfügen, das geeigneten Programmcode speichert, sowie über eine Verarbeitungseinheit wie einen Prozessor zur Ausführung von Anweisungen des Programmcodes. Die Steuereinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, einen softwarebasierten Dispersionsausgleich zwischen Messarm und Referenzarm durchzuführen. Hierdurch kann ausgeglichen werden, dass Messarm und Referenzarm ggf. unterschiedlich lange Freistrahlabschnitte, unterschiedlich lange Faserabschnitte, unterschiedliche optische Fasern und/oder unterschiedliche andere optische Komponenten umfassen.
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Die optischen Komponenten des Messarms umfassen insbesondere zumindest eine optische Faser, in der der Messstrahl geführt ist. Die optischen Komponenten des Referenzarms umfassen insbesondere zumindest eine optische Faser, in der der Referenzstrahl geführt ist. Die Längen der optischen Fasern von Messarm und Referenzarm können zumindest im Wesentlichen aufeinander abgestimmt, insbesondere zumindest im Wesentlichen identisch, sein. Ein etwaiger Dispersionsunterschied, der etwa durch unterschiedliche Faserlängen und/oder Freistrahllängen zustande kommt, kann auch softwarebasiert ausgeglichen werden. Der Referenzarm kann hierdurch nahezu vollständig, insbesondere bis auf eine anpassbare Weglänge, die mittels der Weglängeneinstelleinheit einstellbar ist, in einer Faser verlaufen, wodurch dieser unkompliziert auch unmittelbar an bzw. auf einem Industrieroboter angeordnet werden kann, sich zum Beispiel sogar mit dem Bearbeitungskopf mitbewegt, oder auch unkompliziert vom Roboter weggeführt werden kann, durch einfaches Verlegen der Faser. In einem Bereich der Weglängeneinstelleinheit und/oder innerhalb der Weglängeneinstelleinheit und/oder zwischen optischen Komponenten derselben kann der Referenzstrahl ein Freistrahl sein.
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Die Messvorrichtung umfasst vorzugsweise einen Messscanner. Der Messscanner kann einen schwenkbaren Spiegel oder eine Kombination mehrerer schwenkbarer Spiegel umfassen. Der Messscanner kann ein Galvanoscanner sein. Beispielsweise kann der Messscanner dazu eingerichtet sein, den Messstrahl gezielt abzulenken, um diesen auf unterschiedliche Positionen auf dem Werkstück zu lenken. Mittels des Messscanners kann der Messstrahl relativ zum Bearbeitungsstrahl verlagerbar sein, insbesondere parallel und/oder quer zu einer Bearbeitungsrichtung.
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Die Bearbeitungsvorrichtung umfasst vorzugsweise einen Bearbeitungsscanner. Der Bearbeitungsscanner kann einen schwenkbaren Spiegel oder eine Kombination mehrerer schwenkbarer Spiegel umfassen. Der Bearbeitungsscanner kann ein Galvanoscanner sein. Beispielsweise kann der Bearbeitungsscanner dazu eingerichtet sein, den Bearbeitungsstrahl gezielt abzulenken, um diesen auf unterschiedliche Positionen auf dem Werkstück zu lenken. Der Messstrahl kann derart in den Bearbeitungsstrahl einkoppelbar sein, dass er ebenfalls über den Bearbeitungsscanner ablenkbar ist.
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Ein kompakter Aufbau kann insbesondere dann erzielt werden, wenn der Referenzarm optisch gefaltet ist, im Speziellen als Freistrahl. Der Referenzarm und insbesondere die Weglängeneinstelleinheit, beispielsweise das Einstellelement, kann hierfür einen oder mehrere Spiegel und/oder ein oder mehrere Prismen und/oder ein oder mehrere Ablenkelemente umfassen, womit der Referenzstrahl mehrfach umgelenkt wird. Eine Bewegung dieser optischen Elemente kann dann dazu führen, dass mehrere Teilabschnitte des Referenzarms zugleich in ihrer Länge geändert werden.
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Die Verlagerung des Einstellelements kann eine Bewegung des Einstellelements entlang der Einstellbahn umfassen. Die Einstellbahn kann zumindest abschnittsweise oder vollständig gerade und/oder linear sein. Ist der Referenzarm, insbesondere im Bereich der Weglängeneinstelleinheit, optisch gefaltet, kann eine Verlagerung des Einstellelements um eine bestimmte Wegstrecke eine Längenänderung des Referenzarms bewirken, die ein Vielfaches der Wegstrecke ist, insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches.
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Die Kopplung des Einstellelements und des Encoders kann eine mechanische und/oder magnetische und/oder elektromagnetische Kopplung umfassen. Die Kopplung beinhaltet beispielsweise, dass der Encoder auf die Verlagerung des Einstellelements entlang der Einstellbahn anspricht. Anders ausgedrückt kann der Encoder die Einstellposition sensieren und/oder erkennen. Das Encodersignal kann ein elektrisches und/oder elektronisches Signal sein. Das Encodersignal unterscheidet sich insbesondere von einem Signal eines Drehgebers. Der Encoder kann ein analoger Encoder oder ein digitaler Encoder sein. Das Encodersignal kann analog oder digital sein. Der Encoder kann ein offener oder ein geschlossener/eingehauster Encoder sein. Eine Skala des Encoders kann ortsfest sein, und/oder ein Sensorelement des Encoders kann an dem Einstellelement angebracht sein oder umgekehrt. In einigen Ausführungsformen bewegt sich ein Sensorelement des Encoders mit dem Einstellelement mit entlang der Einstellbahn und dabei entlang einer Skala des Encoders.
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Die Weglängeneinstelleinheit umfasst in einigen Ausführungsformen zumindest einen Antrieb für das Einstellelement. Der Antrieb kann über eine Steuerung und/oder über Sensorik und/oder über Elektronik verfügen, die dazu eingerichtet ist/sind, zumindest ein Signal an die Steuereinheit der Messvorrichtung zu senden. Dieses Signal kann Information bezüglich eines aktuellen Zustands und/oder einer aktuellen Position und/oder einer aktuellen Stellung des Antriebs umfassen. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die aktuelle Einstellposition nach Maßgabe des Encodersignals und zumindest eines solchen vom Antrieb erhaltenen Signals zu bestimmen.
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Ein besonders hoher Grad an Genauigkeit kann insbesondere dann erzielt werden, wenn der Encoder ein Linearencoder ist. Eine Messrichtung und/oder Messstrecke des Encoders kann parallel zu der Einstellbahn des Einstellelements angeordnet sein. Die Einstellbahn kann beispielsweise linear entlang wenigstens eines Abschnitts des Encoders verlaufen. Es kann aber auch eine gekrümmte, kurvige, abgewinkelte und/oder generell von einem linearen Verlauf abweichende Bewegungsbahn verwendet werden. Eine Skala des Encoders kann entlang einer solchen Bahn verlaufen.
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Ein hoher Grad an Zuverlässigkeit kann erzielt werden, wenn der Encoder ein Magnetencoder ist. Ein Magnetband des Encoders kann zumindest abschnittsweise entlang der Einstellbahn angebracht sein. Das Magnetband kann als Skala des Encoders dienen. Das Einstellelement kann sich bei der Verlagerung entlang der Einstellbahn entlang des Magnetbands bewegen. Der Encoder kann ein magnetischer Linearencoder sein.
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In anderen Ausführungsformen kann ein optischer und/oder kapazitiver und/oder induktiver Encoder und/oder ein Wirbelstromencoder verwendet werden.
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In einigen Ausführungsformen kann der Encoder absolut messend sein. Hierdurch kann eine Position des Einstellelements einfach und zuverlässig bestimmt werden. In anderen Worten kann die Weglängeneinstelleinheit und/oder die Steuereinheit und/oder die Messvorrichtung absolutgenau messend ausgebildet sein. Das Bestimmen der aktuellen Einstellposition kann eine Absolutwertbestimmung der Einstellposition umfassen.
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Der Encoder kann eine Ortsauflösung aufweisen, die eine Genauigkeit von wenigstens 10 µm, vorzugsweise von wenigstens 5 µm und besonders bevorzugt von wenigstens 2 µm hat. Insbesondere kann die Genauigkeit der Ortsauflösung des Encoders derart gewählt sein, dass diese größer ist als die Genauigkeit einer Einstellbarkeit und/oder eine über eine Steuerung vorgebbare Positionierung des Antriebs und/oder der Position des Einstellelements. Hierdurch kann ein Positionierungsfehler des Einstellelements mittels des Encoders erkannt bzw. bei der Bestimmung der aktuellen Einstellposition berücksichtigt werden.
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Die Weglängenstelleinheit kann einen Servomotor umfassen.
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Eine hohe Verstellgeschwindigkeit, Wirtschaftlichkeit und eine Anpassbarkeit in Echtzeit können insbesondere dann erzielt werden, wenn die Weglängeneinstelleinheit einen Schrittmotor umfasst, der von der Steuereinheit ansteuerbar ist. Der Schrittmotor kann den oben erwähnten Antrieb bilden. Der Schrittmotor kann im Speziellen ohne Sensor zur Positionsrückmeldung ausgebildet sein. Der Schrittmotor kann im Mikroschrittbetrieb betrieben werden. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die aktuelle Einstellposition aus einer Stellposition des Schrittmotors und dem Encodersignal zu ermitteln. Die Ortsauflösung des Encoders kann genauer sein als eine Einstellgenauigkeit des Schrittmotors. Hierdurch können etwaige Positionierungsfehler ausgeglichen werden, die sich beispielsweise aus einem mechanischen Spiel des Schrittmotors oder eines Antriebsriemens ergeben und/oder die bei einer Bewegungsumkehr auftreten können. Auch Fehler aufgrund ungleichmäßiger Mikroschritte können ausgeglichen werden. Ferner kann eine Auflösung erzielt werden, die feiner ist als die Mikroschritte, d. h. es kann eine Genauigkeit erzielt werden, die über diejenige hinausgeht, die in einer Closed-Loop-Positionsregelung des Schrittmotors ohne Verwendung des Encoders erzielbar wäre. Die Positionierung des Einstellelements kann durch Vorgabe einer anzusteuernden Position des Schrittmotors erfolgen. Die Bestimmung der Einstellposition kann eine Berücksichtigung dieser Vorgabe sowie ein Ergebnis einer Encodermessung beinhalten. Hierdurch kann die Einstellposition genauer bestimmt werden, als diese durch Ansteuerung des Schrittmotors vorgebbar ist.
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Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, einen Abstandswert aus Messwerten der optischen Interferenzmessung unter Berücksichtigung des Encodersignals zu bestimmen. Hierdurch kann eine genaue Bestimmung einer aktuellen Referenzarmlänge einer Messung, insbesondere einer OCT-Abstandsmessung, zugrunde gelegt werden. Der Abstandswert kann auch als Höhenwert bezeichnet werden und/oder in einen Höhenwert, insbesondere einen Werkstück-Höhenwert, umrechenbar sein. Der Abstandswert kann ein Abstand von der Strahlerzeugungseinheit und/oder von der Bearbeitungsstrahloptik und/oder von dem Bearbeitungskopf zu einer Oberfläche des Werkstücks und/oder zu einem bestimmten Punkt in einer gebildeten Dampfkapillare sein. Anders ausgedrückt kann der Abstandswert eine auf das Werkstück und insbesondere auf dessen Oberfläche und/oder auf die Dampfkapillare bezogene Höheninformation/Tiefeninformation sein. Der Abstandswert kann Teil des Höhenprofils sein, das anhand der Interferenzmessung unter Berücksichtigung des Encodersignals gewonnen wird.
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In einigen Ausführungsformen kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, im Fall einer Veränderung einer optischen Weglänge des Messarms eine Veränderung der Weglänge des Referenzarms durch Ansteuerung der Weglängeneinstellvorrichtung und unter Berücksichtigung des Encodersignals vorzunehmen. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, diese Veränderung in Echtzeit vorzunehmen. Indem das Encodersignal bei der Einstellung des Referenzarms berücksichtigt wird, kann auch ein hoher Grad an Genauigkeit bzw. eine absolutgenaue Positionsbestimmung erfolgen, während eine rasche Anpassung an veränderliche Messarmlängen ermöglicht wird. Unter „Echtzeit“ soll insbesondere ein Betrieb verstanden werden, bei dem anfallende Verarbeitungen derart durchgeführt werden, dass Verarbeitungsergebnisse innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne verfügbar sind. Diese Zeitspanne kann höchstens 200 µs, höchstens 100 µs, höchstens 50 µs oder sogar höchstens 20 µs lang sein. Es kann eine absolutgenaue Interferenzmessung durchgeführt werden, während der Referenzarm, insbesondere dessen optische Weglänge, verstellt wird. Hierfür können während der Verstellung des Referenzarms und/oder der Verlagerung des Einstellelements gewonnene Encodersignale herangezogen werden, um tatsächliche Einstellpositionen, im Speziellen im Nachhinein, zu bestimmen und/oder um zugehörige Abstandswerte zu berechnen, insbesondere zurückzuberechnen.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Figuren beispielhaft beschrieben. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und im Rahmen der Ansprüche sinnvoll in Kombination verwenden. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Bearbeitungssystems mit einer Messvorrichtung; und
- 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einstellen einer Messvorrichtung.
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In 1 ist ein Bearbeitungssystem 12 mit einer Messvorrichtung 10 und einer Bearbeitungsvorrichtung 44 dargestellt. Die Bearbeitungsvorrichtung 44 umfasst eine Bearbeitungsstrahlquelle 46, die als Bearbeitungslaser ausgebildet ist. Diese erzeugt einen Bearbeitungsstrahl 16, der zur Bearbeitung eines Werkstücks 14 auf dieses gerichtet werden kann. Dabei kann es sich etwa um einen Bearbeitungslaserstrahl handeln.
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Die Bearbeitungsvorrichtung 44 umfasst einen Bearbeitungsscanner 50 bzw. einen Bearbeitungsscannerspiegel, mittels dessen der Bearbeitungsstrahl 16 verlagerbar ist. Der Bearbeitungsscanner 50 umfasst zum Beispiel eine Spiegelanordnung, mittels derer der Bearbeitungsstrahl 16 automatisiert in einer oder zwei Raumrichtungen verlagerbar ist, zum Beispiel in etwa parallel und quer zu einer Bearbeitungsrichtung 52. Der Bearbeitungsstrahl 16 wird über eine schematisch dargestellte Bearbeitungsstrahloptik 48 der Bearbeitungsvorrichtung 44 auf das Werkstück 14 fokussiert.
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Im vorliegenden Fall weist die Bearbeitungsvorrichtung 44 einen Bearbeitungskopf 54 auf, der beispielsweise an einem nicht dargestellten Industrieroboter angebracht sein kann.
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Das Bearbeitungssystem 12 umfasst ferner eine Messvorrichtung 10. Die Messvorrichtung 10 umfasst eine Strahlerzeugungseinheit 18, die beispielsweise über eine Messstrahlquelle 56 und einen daran gekoppelten Strahlteiler 58 verfügt. Ausgehend vom Strahlteiler 58 erstrecken sich ein Messarm 24 und ein Referenzarm 26. Im Messarm 24 ist ein Messstrahl 20 optisch geführt. Im Referenzarm 26 ist ein Referenzstrahl 22 optisch geführt.
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Der Messarm 24 und der Referenzarm 26 sind an eine Messeinheit 60 angeschlossen, innerhalb derer der Messstrahl 20 und der Referenzstrahl 22 zur Interferenz gebracht werden. Im dargestellten Fall umfasst die Messeinheit 60 ein Spektrometer, mittels dessen optische Kohärenzmessungen, insbesondere OCT-Messungen, anhand der Interferenz von Messstrahl 20 und Referenzstrahl 22 durchführbar sind. Diese Messungen erlauben die Durchführung optischer Kohärenztomographie, beispielsweise zur Ermittlung eines Höhen- bzw. Tiefenprofils eines zu bearbeitenden und/oder bereits und/oder aktuell bearbeiteten Abschnitts des Werkstücks 14. Auch kann etwa eine Eindringtiefe des Bearbeitungsstrahls 16 in das Werkstück 14, insbesondere in eine sich ausbildende Dampfkapillare (nicht dargestellt), bestimmt werden.
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Der Messarm 24 verläuft von der Strahlerzeugungseinheit 18 zum Werkstück 14. Der Referenzarm 26 verläuft von der Strahlerzeugungseinheit 18 zu seinem Ende, an dem ein Reflektor 62 angeordnet ist. Im dargestellten Fall ist der Reflektor 62 ein Spiegel.
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Die Messvorrichtung 10 umfasst eine Weglängeneinstelleinheit 28 ist, mittels derer eine optische Weglänge des Referenzarms 26 einstellbar ist. Hierdurch kann die optische Weglänge des Referenzarms 26 an die optische Weglänge des Messarms 24 angepasst werden.
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Der Messstrahl 24 ist über eine Messschnittstelle 64 in den Bearbeitungsstrahl 16 einkoppelbar. Im dargestellten Fall ist die Messschnittstelle 64 ein optischer Port, über den der Messstrahl 20 zu einem teildurchlässigen Spiegel 66 geführt ist. In anderen Ausführungsformen können die Messvorrichtung 10 und die Bearbeitungsvorrichtung 44 integriert ausgebildet sein.
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Die Messvorrichtung 10 umfasst des Weiteren einen Messscanner 68. Der Messscanner 68 umfasst zum Beispiel eine Spiegelanordnung, mittels derer der Messstrahl 20 automatisiert vorzugsweise in zwei Raumrichtungen verlagerbar ist, zum Beispiel in etwa parallel und quer zur Bearbeitungsrichtung 52 oder auch in zwei Diagonalen. Im vorliegenden Bearbeitungssystem 12 ist der Messstrahl 20 relativ zum Bearbeitungsstrahl 16 auslenkbar, sodass Bearbeitungspunkt und Messpunkt unabhängig voneinander eingestellt werden können. Wie dargestellt, können daher Bearbeitungsstrahl 16 und Messstrahl 20 an unterschiedlichen Stellen auf das Werkstück 14 auftreffen. Sie können aber auch auf dieselbe Stelle gerichtet werden. Wie in 1 zu erkennen ist, wird mittels des Messscanners 68 lediglich der Messstrahl 20 abgelenkt, wohingegen mittels des Bearbeitungsscanners 50 Bearbeitungsstrahl 16 und Messstrahl 20 gemeinsam abgelenkt werden. Hierdurch ist die erwähnte vom Bearbeitungsscanner unabhängige Verlagerung von Bearbeitungsstrahl 16 und Messstrahl 20 möglich.
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Die optischen Pfade von Messarm 24 und Referenzarm 26 sowie ein optischer Pfad, den der Bearbeitungsstrahl 16 durchläuft, können abschnittweise oder größtenteils durch optische Fasern verlaufen. Diese sind in 1 durch doppelte Linien veranschaulicht.
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Die Weglängeneinstelleinheit 28 umfasst ein Einstellelement 36. Dieses ist an einen Schrittmotor 42 angebunden, beispielsweise über eine geeignete Riemen- oder Kettenanordnung oder über eine andere geeignete Kraftübertragung. Der Schrittmotor 42 ist als drehender Motor ausgebildet. In einigen Ausführungsformen kann auch ein Linearmotor verwendet werden, insbesondere ein Linearschrittmotor. Das Einstellelement 36 ist entlang einer Einstellbahn 34 verlagerbar. Entlang der Einstellbahn 34 sind mehrere Einstellpositionen 30, 32 vorgesehen, von denen aus Gründen einer Übersichtlichkeit lediglich zwei mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Einstellpositionen 30, 32 können kontinuierlich entlang der Einstellbahn 34 verteilt sein.
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Anstelle des Schrittmotors 42 kann in anderen Ausführungsformen ein anderer Antrieb verwendet werden, wie Servomotor, Tauchspule, Galvanometer, etc.
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Im dargestellten Fall umfasst das Einstellelement 36 mehrere Umlenkelemente 70, 72, 74, die exemplarisch als Prismen ausgebildet sind. Es können aber auch Spiegel oder andere optische Elemente verwendet werden. Die Umlenkelemente 70, 72, 74 falten den Referenzarm 26 optisch mehrfach. Der Referenzstrahl 22 läuft in diesem Bereich als Freistrahl. Wird das Einstellelement 36 zwischen Einstellpositionen 30, 32 um eine bestimmte Weglänge verlagert, führt die optische Faltung dazu, dass der Referenzarm 26 um ein Vielfaches dieser Weglänge verlängert oder verkürzt wird.
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In anderen Ausführungsformen kann auf die optische Faltung verzichtet sein. Es kann dann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Reflektor 62 Teil des Einstellelements 36 und/oder an diesem angebracht ist. Wird in diesem Fall das Einstellelement 36 zwischen Einstellpositionen 30, 32 um eine bestimmte Weglänge verlagert, führt dies zu einer Verlängerung oder Verkürzung des Referenzarms 26 um ebendiese Weglänge.
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Die Einstellbahn 34 ist im Ausführungsbeispiel eine lineare, gerade verlaufende Bahn. In anderen Ausführungsformen können auch gekrümmte und/oder abgewinkelte und/oder kurvige und/oder kreisförmige und/oder elliptische Einstellbahnen verwendet werden.
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Die Weglängeneinstelleinheit 28 umfasst einen Encoder 38, der entlang der Einstellbahn 34 mit dem Einstellelement 36 gekoppelt ist. Die Kopplung ist etwa dadurch hergestellt, dass ein Sensorelement des Encoders 38 an dem Einstellelement 36 angebracht ist, das sich über eine Skala des Encoders 28 hinwegbewegt, wenn das Einstellelement 36 entlang der Einstellbahn 34 verlagert wird. Im dargestellten Fall ist der Encoder 38 ein magnetischer Linearencoder. Der Encoder 38 kann absolut messend sein. Wie oben erwähnt, können aber auch andere Encoder verwendet werden. Der Encoder 38 ist dazu eingerichtet, ein Encodersignal zu erzeugen. Der Encoder 38 ist an die Steuereinheit 40 angebunden, die das Encodersignal somit empfangen kann. Der Encoder 38 erzeugt im vorliegenden Fall ein elektronisches oder elektrisches Encodersignal. Dieses enthält Informationen über die aktuelle Einstellposition 30, 32. Der Encoder 38 weist eine Ortsauflösung in der Größenordnung der OCT-Höhenauflösung oder besser auf, zum Besipiel von wenigstens 10 µm auf.
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Die Steuereinheit 40 ist dazu eingerichtet, die aktuelle Einstellposition 30, 32 des Einstellelements 36 nach Maßgabe des Encodersignals zu bestimmen oder auszulesen. Anhand der Einstellposition 30, 32 ist aufgrund der grundsätzlich bekannten Geometrie des optischen Aufbaus auch die zugehörige aktuelle optische Weglänge des Referenzarms 26 von der Steuereinheit 40 ermittelbar.
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Die Steuereinheit 40 kann in einigen Ausführungsformen zusätzlich eine aktuelle Stellposition des Schrittmotors 42 berücksichtigen. Die Ortsauflösung des Encoders 38 ist größer bzw. genauer als der Abstand zwischen Stellpositionen. Beispielhaft wird ein Schrittmotor 42 verwendet, der im Mikroschrittbetrieb betreibbar ist. Die Schrittweite kann dabei dennoch größer sein als eine gewünschte Auflösung bzw. Genauigkeit der Einstellbarkeit des Referenzarms 26. Die Steuereinheit 40 kann dann anhand des Encodersignals einen Positionierungsfehler bestimmen, d. h. eine Abweichung der tatsächlichen Einstellposition des Einstellelements 26 von einer nominellen Position, die zu einer vorgegebenen Stellposition des Schrittmotors 42 gehört.
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Die Steuereinheit 40 ist ferner dazu eingerichtet, einen Abstandswert aus Messwerten der optischen Interferenzmessung zu bestimmen. Hierfür berücksichtigt die Steuereinheit 40 das Encodersignal. Im Speziellen werden mehrere Abstandswerte bestimmt, die mehreren Positionen auf dem Werkstück 14 und/oder in der Dampfkapillar zugeordnet sind, sodass daraus ein Höhenprofil bestimmbar ist. Alternativ oder zusätzlich werden während einer Bearbeitung mehrere Abstandswerte ermittelt, beispielsweise an einer aktuellen Bearbeitungsposition, in einem bestimmten Abstand vor oder hinter der aktuellen Bearbeitungsposition oder entlang einer oder mehrerer Messlinien parallel, quer oder schräg zur Bearbeitungsrichtung 52 vor, hinter oder innerhalb der Dampfkapillare. Hierdurch kann ein Bearbeitungsvorgang überwacht werden. Die Bestimmung solcher Abstandswerte beruht zumindest auch auf dem Encodersignal bzw. auf einer aktuellen und/oder tatsächlichen Einstellposition 30, 32 des Einstellelements 34 und somit einer tatsächlichen Weglänge des Referenzarms 26. Zusätzlich kann hierbei auch eine Stellposition des Schrittmotors 42 berücksichtigt werden.
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Allgemein kann die aktuelle Einstellposition 30, 32 als Absolutwert und/oder in Echtzeit ermittelt werden. Die Steuereinheit 40 kann anders ausgedrückt dazu eingerichtet sein, die aktuelle Einstellposition 30, 32, insbesondere in Echtzeit, absolutgenau zu bestimmen.
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Die Steuereinheit 40 ist ferner dazu eingerichtet, die Weglängeneinstellvorrichtung 28 in Echtzeit nachzustellen, d. h. eine optische Weglänge des Referenzarms 26 an eine optische Weglänge des Messarms 24 anzupassen. Aufgrund der optischen Faltung des Referenzarms 26 kann dies sehr schnell geschehen, wobei die Genauigkeit der Anpassung aufgrund der Berücksichtigung des Encodersignals groß sein kann.
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2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einstellen einer Messvorrichtung, bei der es sich beispielsweise um die oben beschriebene Messvorrichtung 10 handeln kann. In einem Verfahrensschritt S1, der nicht zwingend Teil des Einstellverfahrens ist, sondern diesem auch vorangestellt sein kann, wird eine bestimme Solleinstellposition für das Einstellelement 36 vorgegeben. Dieser wird beispielsweise durch geeignete Ansteuerung des Schrittmotors 42 angefahren.
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In einem Verfahrensschritt S2 wird ein Encodersignal erzeugt, das Information über die aktuelle Einstellposition 30, 32 des Einstellelements 36 enthält. Das Encodersignal kann zu einer absolutgenauen Bestimmung der Einstellposition 30, 32 geeignete Information enthalten, was zu einer absolutgenauen Bestimmung der Werkstückhöhe verwendet werden kann.
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In einem Verfahrensschritt S3 wird die aktuelle Einstellposition 30, 32 des Einstellelements 36 und/oder eine der aktuellen Einstellposition 30, 32 entsprechende optische Weglänge des Referenzarms 26 zumindest nach Maßgabe des Encodersignals bestimmt. Wie oben beschrieben kann hierbei auch eine Stellposition des Schrittmotors berücksichtigt werden.
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In einem optionalen Verfahrensschritt S4 wird die aktuelle Einstellposition 30, 32 mit der Solleinstellposition verglichen, für die die optischen Weglängen von Referenzarm 26 und Messarm 24 einander angeglichen werden. Der Vergleich kann einer Steuerung und/oder Regelung zugrunde gelegt werden, mittels derer die Einstellposition 30, 32 der Solleinstellposition zumindest innerhalb eines Toleranzbereichs angenähert wird. Der Toleranzbereich kann dabei kleiner sein als eine Schrittweite des Schrittmotors 42. Alternativ oder zusätzlich kann anhand des Vergleichs ein Positionierungsfehler bestimmt werden, der einer Auswertung der durchgeführten Interferenzmessung zugrunde gelegt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019001858 B3 [0003]
- EP 1977850 A1 [0003]
- DE 102013008269 A1 [0003]
- DE 102017128158 A1 [0003]
