DE102022127449A1 - Laser processing head with lidar sensor - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, umfassend: ein Gehäuse, in dem eine Fokussieroptik zum Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls angeordnet ist; und wenigstens ein Lidar-Sensor zum Erfassen eines Abstands zwischen dem Laserbearbeitungskopf und einem Objekt in einem Prozessraum; wobei der Lidar-Sensor außen am Gehäuse angebracht ist und ein Strahlengang des Lidar-Sensors außerhalb des Gehäuses verläuft.The present disclosure relates to a laser processing head for processing a workpiece by means of a laser beam, comprising: a housing in which a focusing optics for focusing the laser beam is arranged; and at least one lidar sensor for detecting a distance between the laser processing head and an object in a process space; wherein the lidar sensor is attached to the outside of the housing and a beam path of the lidar sensor runs outside the housing.
Description
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls mit zumindest einem Lidar-Sensor zur Erfassung von Objekten in der Umgebung.The present disclosure relates to a laser processing head for processing a workpiece by means of a laser beam with at least one lidar sensor for detecting objects in the environment.
Technischer HintergrundTechnical background
Bei der Bearbeitung eines Werkstücks mittels Laserstrahls, d.h. bei der Laserbearbeitung, wird der Laserstrahl für gewöhnlich durch eine Relativbewegung zwischen einem den Laserstrahl einstrahlenden Laserbearbeitungskopf und dem Werkstück entlang eines Bearbeitungspfads geführt.When machining a workpiece using a laser beam, i.e. during laser processing, the laser beam is usually guided along a processing path by a relative movement between a laser processing head irradiating the laser beam and the workpiece.
Höhere Laserleistungen beim Laserschneiden und -schweißen ermöglichen immer höhere Prozessgeschwindigkeiten, wodurch die Anforderungen an eine Steuerung bzw. Regelung des Bearbeitungsprozesses deutlich steigen und eine potenzielle Gefahr aufgrund der hohen Laserleistung zunimmt. Insbesondere steigen die Anforderungen an die Kollisionsprävention, da die Reaktionszeit sinkt und mögliche Kollisionen drastischere Folgen haben können. Daher ist es vorteilhaft, die Umgebung des Laserbearbeitungskopfes optisch so zu vermessen, dass unvorhergesehene Objekte detektiert werden können. Es wird also Sensorik benötigt, die den Raum um den Laserbearbeitungskopf berührungslos und dreidimensional abtastet, um etwaige Störteile, wie aufstehende Bauteile, unterschiedliche Blechdicken oder Verschmutzungen, zu erkennen.Higher laser powers in laser cutting and welding enable ever higher process speeds, which significantly increases the requirements for controlling or regulating the processing process and increases the potential danger due to the high laser power. In particular, the requirements for collision prevention are increasing, as the reaction time is reduced and possible collisions can have more drastic consequences. It is therefore advantageous to optically measure the area around the laser processing head so that unforeseen objects can be detected. Sensors are therefore required that scan the space around the laser processing head in a non-contact and three-dimensional manner in order to detect any interfering parts, such as protruding components, different sheet thicknesses or dirt.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laserbearbeitungskopf mit einer effizienten und versatilen Vorrichtung zur Prozessraumbeobachtung, insbesondere zur Beobachtung des dreidimensionalen Prozessraums, bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide a laser processing head with an efficient and versatile device for process space observation, in particular for observing the three-dimensional process space.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laserbearbeitungskopf mit einer Vorrichtung zur Prozessraumbeobachtung bereitzustellen, die auch bei hohen Prozess- bzw. Bearbeitungsgeschwindigkeiten eine zuverlässige Objekterkennung im Prozessraum ermöglicht.It is a further object of the present invention to provide a laser processing head with a device for process space observation, which enables reliable object detection in the process space even at high process or machining speeds.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laserbearbeitungskopf mit einer Vorrichtung zur Prozessraumbeobachtung bereitzustellen, die eine flächige Objekterkennung bzw. eine flächige Detektion von Hindernissen im Prozessraum ermöglicht.It is a further object of the present invention to provide a laser processing head with a device for process space observation, which enables a planar object recognition or a planar detection of obstacles in the process space.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laserbearbeitungskopf mit einer Vorrichtung zur Prozessraumbeobachtung bereitzustellen, die durch eine zuverlässige Objekterkennung im Prozessraum eine Steuerung bzw. Regelung des Bearbeitungsprozesses, insbesondere zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses und/oder zur Kollisionsprävention, ermöglicht.It is a further object of the present invention to provide a laser processing head with a device for process space observation, which enables control or regulation of the processing process, in particular for monitoring the processing process and/or for collision prevention, through reliable object detection in the process space.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.At least one of these objects is solved by the subject matter of
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls: ein Gehäuse, in dem eine Optik zum Führen und/oder Formen des Laserstrahls, beispielsweise eine Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls, angeordnet ist; wenigstens einen Lidar-Sensor zum Erfassen eines Abstands zwischen dem Laserbearbeitungskopf und einem Objekt in einem Erfassungsraum bzw. in einem Prozessraum; wobei der Lidar-Sensor außen am Gehäuse angebracht ist und ein Strahlengang des Lidar-Sensors außerhalb des Gehäuses verläuft.According to one aspect of the present disclosure, a laser processing head for processing a workpiece by means of a laser beam comprises: a housing in which an optic for guiding and/or shaping the laser beam, for example a focusing optic for focusing the laser beam, is arranged; at least one lidar sensor for detecting a distance between the laser processing head and an object in a detection space or in a process space; wherein the lidar sensor is attached to the outside of the housing and a beam path of the lidar sensor runs outside the housing.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zum Überwachen eines Laserbearbeitungsprozesses die Schritte: Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses durch Einstrahlen eines Laserstrahls von einem Laserbearbeitungskopf (z.B. ein Laserbearbeitungskopf gemäß einem der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele) auf zumindest ein Werkstück, wobei der Laserbearbeitungskopf und das Werkstück relativ zueinander entlang eines Bearbeitungspfads bewegt werden, Erfassen von Abstandsdaten während des Laserbearbeitungsprozesses durch zumindest einen am Laserbearbeitungskopf angeordneten Lidar-Sensor, welcher einen ersten Erfassungsraum und einen zweiten Erfassungsraum abtastet und entsprechende Abstandsdaten erfasst, wobei der erste Erfassungsraum eine größere Entfernung vom Laserbearbeitungskopf aufweist als der zweite Erfassungsraum und der Lidar-Sensor die Abstandsdaten des ersten Erfassungsraums mit einer geringeren Auflösung (bzw. mit einem gröberen Bildpunktraster und/oder mit einer geringeren Abtastrate) als die Abstandsdaten des zweiten Erfassungsraums erfasst, und Bestimmen basierend auf den erfassten Abstandsdaten, ob in dem ersten Erfassungsraum und/oder in dem zweiten Erfassungsraum ein Hindernis in einem Bereich entlang des Bearbeitungspfads vorliegt. Der erste Erfassungsraum kann auch als Fernbereich und der zweite Erfassungsraum als Nahbereich bezeichnet werden. Der Lidar-Sensor kann außen am Laserbearbeitungskopf bzw. an einem Gehäuse des Laserbearbeitungskopfs angebracht sein und/oder ein Strahlengang des Lidar-Sensors kann außerhalb des Laserbearbeitungskopfs bzw. eines Gehäuses des Laserbearbeitungskopfs verlaufen.According to a further aspect, a method for monitoring a laser processing process comprises the steps of: performing the laser processing process by irradiating a laser beam from a laser processing head (e.g. a laser processing head according to one of the embodiments described herein) onto at least one workpiece, wherein the laser processing head and the workpiece are moved relative to one another along a processing path, detecting distance data during the laser processing process by at least one lidar sensor arranged on the laser processing head, which scans a first detection space and a second detection space and detects corresponding distance data, wherein the first detection space is at a greater distance from the laser processing head than the second detection space and the lidar sensor detects the distance data of the first detection space with a lower resolution (or with a coarser pixel grid and/or with a lower sampling rate) than the distance data of the second detection space, and determining based on the detected distance data whether there is an obstacle in an area along the processing path in the first detection space and/or in the second detection space. The first detection area can also be referred to as the long-range area and the second detection area as the short-range area. The lidar sensor can be attached to the outside of the laser processing head or to a housing of the laser processing head and/or a beam path of the lidar sensor can run outside the laser processing head or a housing of the laser processing head.
Der Laserbearbeitungskopf kann eine Steuerung umfassen, die eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auszuführen.The laser processing head may comprise a controller configured to carry out the method according to one of the embodiments of the present invention.
In der vorliegenden Offenbarung wird als Prozessraum ein Raum bezeichnet, innerhalb dessen sich der Laserbearbeitungskopf relativ zum Werkstück bewegen kann, und insbesondere ein Raum, innerhalb dessen sich der Laserbearbeitungskopf relativ zum Werkstück während des Bearbeitungsprozesses und/oder entlang eines für den Bearbeitungsprozess vorgegebenen Bearbeitungspfads bewegen kann. Mit anderen Worten ist der Prozessraum bezüglich des Werkstücks definiert, d.h. das Werkstück ist im Prozessraum stationär. Als Erfassungsraum wird der Bereich des Prozessraums bezeichnet, der durch den Lidar-Sensor erfasst werden kann bzw. in dem der Lidar-Sensor Objekte erfassen kann. Der Erfassungsraum ist ein Bereich des Prozessraums, d.h. der Erfassungsraum liegt im Prozessraum. Der Erfassungsraum kann definiert sein durch eine Anbauhöhe des Lidar-Sensors am Laserbearbeitungskopf und/oder einen Erfassungs- bzw. Öffnungswinkel des Lidar-Sensors. Als TCP-Bereich wird der Bereich des Prozessraums bezeichnet, in den der Laserstrahl bezüglich des Laserbearbeitungskopfs gerichtet werden kann. Bei einem Festoptik-Laserbearbeitungskopf kann dies lediglich der Strahlverlauf des aus dem Laserbearbeitungskopf ausgetretenen Laserstrahls sein, d.h. eine Linie, die den TCP (tool center point, auch Bearbeitungspunkt genannt) bzw. den Fokuspunkt des Laserstrahls umfasst. Bei einem Scanner-Laserbearbeitungskopf kann dies ein kegelartiger Raum sein, der durch die Strahlauslenkungseigenschaften der Scanvorrichtung bestimmt ist.In the present disclosure, a process space is referred to as a space within which the laser processing head can move relative to the workpiece, and in particular a space within which the laser processing head can move relative to the workpiece during the processing process and/or along a processing path specified for the processing process. In other words, the process space is defined with respect to the workpiece, i.e. the workpiece is stationary in the process space. The detection space is the area of the process space that can be detected by the lidar sensor or in which the lidar sensor can detect objects. The detection space is an area of the process space, i.e. the detection space is located in the process space. The detection space can be defined by a mounting height of the lidar sensor on the laser processing head and/or a detection or opening angle of the lidar sensor. The TCP area is the area of the process space into which the laser beam can be directed with respect to the laser processing head. In the case of a fixed optics laser processing head, this can only be the beam path of the laser beam exiting the laser processing head, i.e. a line that includes the TCP (tool center point, also called processing point) or the focus point of the laser beam. In the case of a scanner laser processing head, this can be a cone-like space that is determined by the beam deflection properties of the scanning device.
Die vorliegende Offenbarung beschäftigt sich mit der dreidimensionalen (3D) Bildgebung für das Laserschneiden und-schweißen mittels mindestens eines Lidar-Sensors (light-detection and ranging, auch bekannt als Ladar, laser-detection and ranging). Der Lidar-Sensor kann insbesondere eine Lidar-Kamera sein. Dabei können speziell die beiden Untergruppen der AMCW-Lidar-Sensoren (amplitude-modulated continous wave, auch bekannt als indirektes time-of-flight, iToF) und FMCW-Lidar-Sensoren (frequency-modulated continous wave) zum Einsatz kommen. Erfindungsgemäß soll der Raum außerhalb des unmittelbaren Bearbeitungsbereiches bzw. des TCP Bereichs vermessen werden, beispielsweise, um in der Umgebung des Laserbearbeitungskopfs angeordnete Objekte zu erfassen. Objekte können hierbei Hindernisse sein, die auf bzw. in einem Bereich um einen vorgegebenen Bearbeitungspfad für die Laserbearbeitung liegen, d.h. Objekte, die mit dem Laserbearbeitungskopf aufgrund der Relativbewegung zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstück entlang des Bearbeitungspfads kollidieren würden. Solche Hindernisse können aufstehende Blechteile, unterschiedlich dicke Werkstücke bzw. Bleche, Verschmutzungen, eine Spannvorrichtung zum Halten des Werkstücks etc. sein. Objekte können aber auch Merkmale des bzw. der bearbeiteten oder unbearbeiteten Werkstück(e) sein, etwa eine Fügekante bzw. ein Fügestoß zwischen zwei Werkstücken (d.h. im Vorlauf); eine Markierung bzw. Positionierhilfe an einer Spann- bzw. Haltevorrichtung zum Halten des Werkstücks oder eine Markierung bzw. Positionierhilfe auf dem Werkstück oder seitliche Konturen des Werkstücks zur Orientierung bzw. Ausrichtung des Laserbearbeitungskopfs; eine Topographie oder Oberflächenkrümmung bzw. -neigung des Werkstücks; oder eine durch die Laserbearbeitung erzeugte Schweißnaht oder Schnittkante (d.h. im Nachlauf).The present disclosure deals with three-dimensional (3D) imaging for laser cutting and welding using at least one lidar sensor (light-detection and ranging, also known as Ladar, laser-detection and ranging). The lidar sensor can in particular be a lidar camera. In particular, the two subgroups of AMCW lidar sensors (amplitude-modulated continuous wave, also known as indirect time-of-flight, iToF) and FMCW lidar sensors (frequency-modulated continuous wave) can be used. According to the invention, the space outside the immediate processing area or the TCP area is to be measured, for example in order to detect objects arranged in the vicinity of the laser processing head. Objects can be obstacles that are on or in an area around a predetermined processing path for laser processing, i.e. objects that would collide with the laser processing head due to the relative movement between the laser processing head and the workpiece along the processing path. Such obstacles can be protruding sheet metal parts, workpieces or sheets of different thicknesses, dirt, a clamping device for holding the workpiece, etc. Objects can also be features of the machined or unmachined workpiece(s), such as a joining edge or a joint between two workpieces (i.e. in the lead-in); a marking or positioning aid on a clamping or holding device for holding the workpiece or a marking or positioning aid on the workpiece or lateral contours of the workpiece for orientation or alignment of the laser processing head; a topography or surface curvature or inclination of the workpiece; or a weld seam or cutting edge created by the laser processing (i.e. in the lead-in).
Der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf bietet durch die enorme Vielseitigkeit des Lidar-Sensors bei einmaliger Implementierung sehr umfangreiche Möglichkeiten der Prozessraumbeobachtung. Insbesondere wird dadurch eine Objekterkennung in Bereichen ermöglicht, die für eine Prozessregelung und/oder für eine Regelung zur Kollisionsprävention verwendet werden kann.The laser processing head according to the invention offers very extensive possibilities for process space observation due to the enormous versatility of the lidar sensor with a single implementation. In particular, this enables object detection in areas that can be used for process control and/or for collision prevention control.
Der Laserbearbeitungskopf bzw. das Verfahren gemäß einem der oben aufgeführten Aspekte kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:
- Der Laserbearbeitungskopf kann ein Laserbearbeitungskopf zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses, insbesondere zum Laserschneiden, Laserschweißen, Laserlöten, Laserbohren etc., an dem Werkstück mittels des Laserstrahls sein.
- The laser processing head can be a laser processing head for performing a processing process, in particular for laser cutting, laser welding, laser soldering, laser drilling, etc., on the workpiece by means of the laser beam.
Der Lidar-Sensor kann außen am Gehäuse (d.h. außerhalb des im Gehäuse definierten Optikraums), vorzugsweise abnehmbar bzw. reversibel, angebracht sein. Der Lidar-Sensor kann eine Lidar-Kamera und/oder zum ortsaufgelösten Erfassen von Abständen eingerichtet sein. Mit anderen Worten kann der Lidar-Sensor eingerichtet sein, Objekte in einem dreidimensionalen Erfassungsraum zu erfassen. Der Lidar-Sensor kann einen ToF-basierter Sensor sein. Der Lidar-Sensor kann ein FMCW-Lidar-Sensor oder ein AMCW-Lidar-Sensor sein, d.h. die Strahlung kann periodisch amplituden- oder frequenzmoduliert sein. Diese beiden Techniken eignen sich für räumliche Auflösung im sub-Millimeter Bereich.The lidar sensor can be attached to the outside of the housing (i.e. outside the optical space defined in the housing), preferably removable or reversible. The lidar sensor can be a lidar camera and/or set up for spatially resolved distance detection. In other words, the lidar sensor can be set up to detect objects in a three-dimensional detection space. The lidar sensor can be a ToF-based sensor. The lidar sensor can be an FMCW lidar sensor or an AMCW lidar sensor, i.e. the radiation can be periodically amplitude or frequency modulated. These two techniques are suitable for spatial resolution in the sub-millimeter range.
Der Lidar-Sensor kann zumindest einen Detektor und zumindest einen Emitter umfassen. Der Detektor und der Emitter können räumlich benachbart zueinander oder räumlich getrennt voneinander vorgesehen sein. Wenn der Detektor und der Emitter räumlich getrennt voneinander vorgesehen sind, könnte der Emitter Erfassungsräume von verschiedenen Detektoren beleuchten. Mit anderen Worten könnten sich mehrere Detektoren einen Emitter teilen.The lidar sensor may comprise at least one detector and at least one emitter. The detector and the emitter may be spatially adjacent to each other or spatially separated from each other. If the detector and the emitter are spatially separated from each other, the emitter could illuminate detection spaces of different detectors. In other words, several detectors could share one emitter.
Der Lidar-Sensor bzw. der Detektor kann zumindest eine Photodiode, ein Diodenarray, einen CMOS Sensor, zumindest eine Avalanche-Photodiode etc. umfassen. Der Lidar-Sensor bzw. der Emitter kann eine Strahlquelle, insbesondere eine Laserstrahlquelle, ein Strahlquellenaray, ein Laserstrahlquellenarray, zumindest eine LED, ein LED-Array, zumindest ein VCSEL, ein VCSEL-Array etc. umfassen. Der Emitter bzw. die Strahlquelle kann eine Laserstrahlquelle oder ein Strahlquellenarray im sichtbaren, nahinfraroten oder infraroten Frequenzbereich sein.The lidar sensor or the detector can comprise at least one photodiode, a diode array, a CMOS sensor, at least one avalanche photodiode, etc. The lidar sensor or the emitter can comprise a beam source, in particular a laser beam source, a beam source array, a laser beam source array, at least one LED, an LED array, at least one VCSEL, a VCSEL array, etc. The emitter or the beam source can be a laser beam source or a beam source array in the visible, near-infrared or infrared frequency range.
Der Lidar-Sensor kann ferner eine Strahlformungsoptik umfassen, beispielsweise einen Diffusor, ein diffraktives Element, ein Weitwinkelobjektiv oder eine Modulationsoptik.The lidar sensor may further comprise beam-forming optics, such as a diffuser, a diffractive element, a wide-angle lens, or modulation optics.
Der Lidar-Sensor kann ferner zum Schutz vor Verschmutzung, z.B. durch Schmauch oder Spritzer, ein Schutzglas und/oder eine Crossjet-Vorrichtung zur Erzeugung eines Luftvorhangs umfassen.The lidar sensor may further comprise a protective glass and/or a crossjet device for generating an air curtain to protect against contamination, e.g. by smoke or splashes.
Der Erfassungsraum des Lidar-Sensors kann zumindest teilweise außerhalb des TCP-Bereichs liegen und/oder einen Bereich der Werkstückoberfläche umfassen. Insbesondere kann der TCP außerhalb des Erfassungsraums des Lidar-Sensors liegen. Der Erfassungsraum des Lidar-Sensors kann auch vollständig außerhalb des TCP-Bereichs liegen, d.h. den TCP-Bereich nicht umfassen. Der Erfassungsraum des Lidar-Sensors kann zumindest teilweise oder nur teilweise durch die Werkstückoberfläche begrenzt sein. Der Erfassungsraum des Lidar-Sensors kann durch den Erfassungswinkel des Lidar-Sensors und zumindest teilweise durch das Werkstück bzw. die Werkstückoberfläche begrenzt sein. Der Erfassungsraum des Lidar-Sensors kann (zumindest teilweise) im Vorlauf und/oder Nachlauf des Laserbearbeitungskopfs angeordnet sein, und/oder seitlich vom Laserbearbeitungskopf. Im Vorlauf des Laserbearbeitungskopfs liegt ein zu bearbeitender Bereich des Werkstücks, im Nachlauf liegt ein schon bearbeiteter Bereich des Werkstücks.The detection area of the lidar sensor can be at least partially outside the TCP area and/or include an area of the workpiece surface. In particular, the TCP can be outside the detection area of the lidar sensor. The detection area of the lidar sensor can also be completely outside the TCP area, i.e. not include the TCP area. The detection area of the lidar sensor can be at least partially or only partially limited by the workpiece surface. The detection area of the lidar sensor can be limited by the detection angle of the lidar sensor and at least partially by the workpiece or the workpiece surface. The detection area of the lidar sensor can be arranged (at least partially) in the lead and/or trail of the laser processing head, and/or to the side of the laser processing head. In the lead of the laser processing head there is an area of the workpiece to be processed, in the trail there is an area of the workpiece that has already been processed.
Der Lidar-Sensor kann so am Gehäuse angeordnet sein, dass eine optische Achse des Lidar-Sensors und/oder eine Mittelachse seines Erfassungsraums einen Winkel größer 0° und/oder kleiner 90° zur optischen Achse der Fokussieroptik bzw. zu einer vertikalen Achse bildet, insbesondere einen Winkel größer 20°, 30° oder 45°.The lidar sensor can be arranged on the housing in such a way that an optical axis of the lidar sensor and/or a central axis of its detection space forms an angle greater than 0° and/or less than 90° to the optical axis of the focusing optics or to a vertical axis, in particular an angle greater than 20°, 30° or 45°.
Der Lidar-Sensor kann schwenkbar und/oder verschiebbar am Gehäuse angebracht sein, sodass eine Lage des Erfassungsraums und/oder der optischen Achse des Lidar-Sensors einstellbar ist. Der Lidar-Sensor, insbesondere der Emitter und/oder der Detektor des Lidar-Sensors, kann um eine Achse schwenkbar sein, die senkrecht zur optischen Achse der Fokussieroptik und/oder horizontal und/oder parallel zu einer Seite des Gehäuses verläuft. Mit anderen Worten kann ein Abstrahl- und/oder Erfassungswinkel des Lidar-Sensors einstellbar sein. Der Lidar-Sensor, insbesondere der Emitter und/oder der Detektor des Lidar-Sensors, kann parallel zur optischen Achse der Fokussieroptik und/oder in vertikaler Richtung am Gehäuse verschiebbar sein. Mit anderen Worten kann eine Anbauhöhe des Lidar-Sensors einstellbar sein. Die Anbauhöhe und der Abstrahl- bzw. Erfassungswinkel sind für die Größe des Erfassungsraums und insbesondere für die Größe eines Messbereichs entscheidend.The lidar sensor can be pivotably and/or displaceably attached to the housing so that a position of the detection space and/or the optical axis of the lidar sensor can be adjusted. The lidar sensor, in particular the emitter and/or the detector of the lidar sensor, can be pivotable about an axis that runs perpendicular to the optical axis of the focusing optics and/or horizontally and/or parallel to one side of the housing. In other words, a radiation and/or detection angle of the lidar sensor can be adjustable. The lidar sensor, in particular the emitter and/or the detector of the lidar sensor, can be displaceable parallel to the optical axis of the focusing optics and/or in the vertical direction on the housing. In other words, a mounting height of the lidar sensor can be adjustable. The mounting height and the radiation or detection angle are crucial for the size of the detection space and in particular for the size of a measuring range.
Das Gehäuse kann eine Führung, z.B. eine Schiene, umfassen, entlang der der Lidar-Sensor verschiebbar ist. Eine Kante des Gehäuses, z.B. eine untere Kante, und/oder eine Ecke des Gehäuses, z.B. eine untere Ecke, kann eine Fase bzw. eine abgeschrägte Fläche aufweisen, an bzw. auf der der Lidar-Sensor angebracht ist.The housing may include a guide, e.g. a rail, along which the lidar sensor is slidable. An edge of the housing, e.g. a bottom edge, and/or a corner of the housing, e.g. a bottom corner, may have a bevel or a tapered surface to which the lidar sensor is attached.
Der Lidar-Sensor kann eine Halterung umfassen. Der Lidar-Sensor, d.h. der Emitter und/oder der Detektor des Lidar-Sensors, kann in der Halterung aufgenommen sein. Die Halterung kann schwenkbar und/oder verschiebbar und/oder lösbar und/oder drehbar am Gehäuse angebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Emitter und/oder der Detektor schwenkbar und/oder verschiebbar in der Halterung angeordnet sein. Der Lidar-Sensor kann motorisch und/oder automatisiert um eine Achse senkrecht zur optischen Achse der Fokussieroptik und/oder um eine horizontale Achse schwenkbar sein.The lidar sensor can comprise a holder. The lidar sensor, i.e. the emitter and/or the detector of the lidar sensor, can be accommodated in the holder. The holder can be pivotably and/or displaceably and/or detachably and/or rotatably attached to the housing. Alternatively or additionally, the emitter and/or the detector can be pivotably and/or displaceably arranged in the holder. The lidar sensor can be pivotable by motor and/or automated means about an axis perpendicular to the optical axis of the focusing optics and/or about a horizontal axis.
Eine Steuerung, z.B. die Lidar-Steuerung oder die Steuerung des Laserbearbeitungskopfs, kann eingerichtet sein, den Lidar-Sensor so zu steuern, dass er zwischen zwei Positionen hin und her geschwenkt wird. Auf diese Weise kann der Lidar-Sensor beispielsweise einen ersten Erfassungsraum im Fernbereich und einen zweiten Erfassungsraum im Nahbereich aufweisen. Die Steuerung kann ferner eingerichtet sein, eine (laterale und/oder axiale) Auflösung des Lidar-Sensors an den jeweiligen Erfassungsraum anzupassen. Beispielsweise kann die Steuerung derart eingerichtet sein, sodass eine (laterale und/oder axiale) Auflösung des Lidar-Sensors im ersten Erfassungsraum geringer ist als im zweiten Erfassungsraum.A controller, e.g. the lidar controller or the controller of the laser processing head, can be configured to control the lidar sensor so that it is pivoted back and forth between two positions. In this way, the lidar sensor can, for example, have a first detection space in the far range and a second detection space in the near range. The controller can also be configured to adapt a (lateral and/or axial) resolution of the lidar sensor to the respective detection space. For example, the controller can be configured such that a (lateral and/or axial) resolution of the lidar sensor is lower in the first detection space than in the second detection space.
Der Lidar-Sensor kann eingerichtet sein, seinen Erfassungsraum mit verschiedenen (lateralen und/oder axialen) Auflösungen zu erfassen. Mit anderen Worten kann eine (laterale und/oder axiale) Auflösung des Lidar-Sensors einstellbar sein. Eine Steuerung, z.B. die Lidar-Steuerung oder die Steuerung des Laserbearbeitungskopfs, kann eingerichtet sein, eine (laterale und/oder axiale) Auflösung des Lidar-Sensors einzustellen.The lidar sensor can be configured to capture its detection space with different (lateral and/or axial) resolutions. In other words, a (lateral and/or axial) resolution of the lidar sensor can be adjustable. A controller, e.g. the lidar controller or the controller of the laser processing head, can be configured to set a (lateral and/or axial) resolution of the lidar sensor.
Der Laserbearbeitungskopf kann ein Modul umfassen, das den zumindest einen Lidar-Sensor enthält und das lösbar am Gehäuse befestigt ist. Das Modul kann koaxial am Gehäuse befestigt sein. Das Modul kann eine Öffnung für den Strahlengang des Laserstrahls aufweisen, d.h. um den Laserstrahl mittig hindurchtreten zu lassen. Das Modul kann zwischen dem Gehäuse und einer Düse oder an einer Unterseite des Gehäuses anbringbar sein. Das Modul kann mehrere, insbesondere zumindest vier, Lidar-Sensoren umfassen, die ringsum die optische Achse der Fokussieroptik angeordnet sind. Das Modul kann motorisch oder händisch drehbar am Gehäuse befestigt sein. Durch eine solche drehbare Sensorik kann ein toter Winkel bzw. ein toter Bereich um den Laserbearbeitungskopf, d.h. ein Bereich, der von keinem Lidar-Sensor erfassbar ist, verringert werden. Es ist also eine Rundumsicht möglich. Das Modul kann eine Schnittstelle umfassen, um Daten von dem Lidar-Sensor an eine Steuerung des Laserbearbeitungskopfs (drahtlos oder drahtgebunden) zu übermitteln. Das Modul kann ein elektronisches Bauteil und/oder eine Modulsteuerung und/oder eine Lidar-Steuerung zum Steuern des zumindest einen Lidar-Sensors und ggf. weiterer Komponenten des Moduls umfassen. Das Modul kann einen Gas-Anschluss für eine Crossjet-Vorrichtung umfassen. Das Modul kann eine Unterkante mit einer Fase bzw. eine abgeschrägte Unterkante und/oder eine abgeschrägte Ecke umfassen, auf der zumindest einer der Lidar-Sensoren angeordnet ist.The laser processing head can comprise a module that contains the at least one lidar sensor and that is detachably attached to the housing. The module can be attached coaxially to the housing. The module can have an opening for the beam path of the laser beam, i.e. to allow the laser beam to pass through centrally. The module can be attached between the housing and a nozzle or on an underside of the housing. The module can comprise several, in particular at least four, lidar sensors that are arranged around the optical axis of the focusing optics. The module can be attached to the housing in a motorized or manually rotatable manner. Such a rotatable sensor system can reduce a blind spot or a blind area around the laser processing head, i.e. an area that cannot be detected by any lidar sensor. All-round visibility is therefore possible. The module can comprise an interface to transmit data from the lidar sensor to a controller of the laser processing head (wirelessly or wired). The module can comprise an electronic component and/or a module controller and/or a lidar controller for controlling the at least one lidar sensor and possibly other components of the module. The module can comprise a gas connection for a crossjet device. The module can comprise a lower edge with a bevel or a beveled lower edge and/or a beveled corner on which at least one of the lidar sensors is arranged.
Der Laserbearbeitungskopf kann eine Lidar-Steuerung zum Steuern des zumindest einen Lidar-Sensors und/oder zum Auswerten von Daten des zumindest einen Lidar-Sensors umfassen. Die Lidar-Steuerung kann eingerichtet sein, aus den erfassten Daten des zumindest einen Lidar-Sensors ein Abstandssignal zu erzeugen. Die Lidar-Steuerung kann mit einer Steuerung des Laserbearbeitungskopfs (drahtgebunden oder drahtlos) zum unidirektionalen oder bidirektionalen Austausch von Daten verbunden sein, oder in diese integriert sein.The laser processing head can comprise a lidar controller for controlling the at least one lidar sensor and/or for evaluating data from the at least one lidar sensor. The lidar controller can be configured to generate a distance signal from the data acquired by the at least one lidar sensor. The lidar controller can be connected to a controller of the laser processing head (wired or wireless) for unidirectional or bidirectional exchange of data, or can be integrated into it.
Der Laserbearbeitungskopf kann mehrere Lidar-Sensoren umfassen. Wenn sich die Erfassungsräume der Lidar-Sensoren überlappen, können die Lidar-Sensoren mit überlappenden Erfassungsräumen für unterschiedliche Wellenlängen(bereiche) empfindlich sein. Beispielsweise können vor den Detektoren der Lidar-Sensoren mit überlappenden Erfassungsräumen Filter für unterschiedliche Wellenlängen(bereiche) angeordnet sein, und/oder die Emitter der Lidar-Sensoren mit überlappenden Erfassungsräumen können in verschiedenen Wellenlängen(bereichen) emittieren. Die Lidar-Sensoren mit überlappenden Erfassungsräumen können auch alternierend angesteuert werden, z.B. durch eine gemeinsame Lidar-Steuerung der Lidar-Sensoren, die auch die Steuerung des Laserbearbeitungskopfs sein oder in dieser integriert sein kann. Mit anderen Worten können diese Lidar-Sensoren so angesteuert werden, dass sich ihre Erfassungszeiträume und/oder ihre Emissions- bzw. Beleuchtungszeiträume nicht überlappen.The laser processing head can comprise several lidar sensors. If the detection spaces of the lidar sensors overlap, the lidar sensors with overlapping detection spaces can be sensitive to different wavelengths (ranges). For example, filters for different wavelengths (ranges) can be arranged in front of the detectors of the lidar sensors with overlapping detection spaces, and/or the emitters of the lidar sensors with overlapping detection spaces can emit in different wavelengths (ranges). The lidar sensors with overlapping detection spaces can also be controlled alternately, e.g. by a common lidar control of the lidar sensors, which can also be the control of the laser processing head or be integrated into it. In other words, these lidar sensors can be controlled so that their detection periods and/or their emission or illumination periods do not overlap.
Der wenigstens eine Lidar-Sensor kann einen ersten Lidar-Sensor mit einem ersten Erfassungsraum und einen zweiten Lidar-Sensor mit einem zweiten Erfassungsraum umfassen. Der zweite Erfassungsraum (Nahbereich) kann näher zum Laserbearbeitungskopf als der erste Erfassungsraum (Fernbereich) liegen. Die optische Achse des ersten Lidar-Sensors kann einen größeren Winkel zur optischen Achse der Fokussieroptik bilden als die optische Achse des zweiten Lidar-Sensors. Die optische Achse des ersten Lidar-Sensors kann einen Winkel zur optischen Achse der Fokussieroptik zwischen 70° und 110°, insbesondere von ca. 90° bilden. Die optische Achse des zweiten Lidar-Sensors kann einen Winkel zur optischen Achse der Fokussieroptik zwischen 10° und 50°, insbesondere zwischen 30° und 40° bilden. Der erste Erfassungsraum kann kleiner sein als der zweite Erfassungsraum.The at least one lidar sensor can comprise a first lidar sensor with a first detection area and a second lidar sensor with a second detection area. The second detection area (near area) can be closer to the laser processing head than the first detection area (far area). The optical axis of the first lidar sensor can form a larger angle to the optical axis of the focusing optics than the optical axis of the second lidar sensor. The optical axis of the first lidar sensor can form an angle to the optical axis of the focusing optics between 70° and 110°, in particular of approximately 90°. The optical axis of the second Lidar sensors can form an angle to the optical axis of the focusing optics between 10° and 50°, in particular between 30° and 40°. The first detection area can be smaller than the second detection area.
Der erste Sensor kann eingerichtet sein, Abstände in seinem Erfassungsraum mit einer geringeren (lateralen und/oder axialen) Auflösung zu erfassen als der zweite Sensor. Alternativ kann eine Steuerung eingerichtet sein, den ersten und zweiten Sensor so anzusteuern dass der erste Sensor Abstände mit einer geringeren (lateralen und/oder axialen) Auflösung erfasst als der zweite Sensor. Mit anderen Worten kann ein nahe zum Laserbearbeitungskopf gelegener Bereich mit einer höheren (axialen und/oder lateralen) Auflösung vermessen werden, als ein entfernter Bereich. Beispielsweise darf in einem nahen Bereich kein Hindernis übersehen werden, während in der Ferne die Reaktionszeit länger ist und damit eine geringere Präzision nötig ist.The first sensor can be set up to detect distances in its detection area with a lower (lateral and/or axial) resolution than the second sensor. Alternatively, a controller can be set up to control the first and second sensors so that the first sensor detects distances with a lower (lateral and/or axial) resolution than the second sensor. In other words, an area close to the laser processing head can be measured with a higher (axial and/or lateral) resolution than a distant area. For example, no obstacle can be overlooked in a close area, while in the distance the reaction time is longer and therefore less precision is required.
Es kann also vorteilhaft sein, Hindernisse mit unterschiedlichen Messrastern zu vermessen. Hindernisse, die näher am Laserbearbeitungskopf liegen, sollten mit höherer Auflösung abgetastet werden als Hindernisse, die weiter entfernt liegen. Gleichzeitig muss aber der Abtastraum bei näher liegenden Hindernissen nicht mehr so groß sein, wie bei weiter entfernten Hindernissen.It can therefore be advantageous to measure obstacles using different measuring grids. Obstacles that are closer to the laser processing head should be scanned with a higher resolution than obstacles that are further away. At the same time, however, the scanning area for closer obstacles does not need to be as large as for obstacles that are further away.
Der Laserbearbeitungskopf kann einen dritten Lidar-Sensor mit einem dritten Erfassungsraum umfassen, wobei der dritte Lidar-Sensor auf einer Vorderseite des Laserbearbeitungskopfs angeordnet ist, d.h. in Richtung einer Bewegung des Laserbearbeitungskopfs im Prozessraum, und/oder einen vierten Lidar-Sensor mit einem vierten Erfassungsraum, wobei der vierte Lidar-Sensor auf einer Rückseite des Laserbearbeitungskopfs angeordnet ist. Der dritte Erfassungsraum kann also im Vorlauf des Laserbearbeitungskopfs liegen und/oder der vierte Erfassungsraum kann im Nachlauf des Laserbearbeitungskopfs liegen. Der vierte Lidar-Sensor kann eingerichtet sein, Objekte mit geringerer (lateraler und/oder axialer) Auflösung zu erfassen als zumindest einer von den ersten, zweiten und dritten Lidar-Sensoren.The laser processing head can comprise a third lidar sensor with a third detection space, wherein the third lidar sensor is arranged on a front side of the laser processing head, i.e. in the direction of movement of the laser processing head in the process space, and/or a fourth lidar sensor with a fourth detection space, wherein the fourth lidar sensor is arranged on a rear side of the laser processing head. The third detection space can therefore be located in the front of the laser processing head and/or the fourth detection space can be located in the back of the laser processing head. The fourth lidar sensor can be configured to detect objects with lower (lateral and/or axial) resolution than at least one of the first, second and third lidar sensors.
Für die 3D-Bildgebung können also unterschiedliche Messraster hinsichtlich der lateralen und axialen Auflösung sowie der Ausdehnung des abzubildenden Raumes angewandt werden. So kann der tiefe Raum bzw. der Fernbereich (>50cm und <500cm in Relation zum TCP) oder ein Erfassungsraum im Nachlauf mit einem gröberen, weiteren Raster abgetastet werden als der nahe Raum bzw. der Nahbereich (>20cm und <50cm in Relation zum TCP) oder ein Erfassungsraum im Vorlauf.For 3D imaging, different measurement grids can be used with regard to the lateral and axial resolution as well as the extent of the space to be imaged. For example, the deep space or the far area (>50cm and <500cm in relation to the TCP) or a detection area in the follow-up can be scanned with a coarser, wider grid than the near space or the near area (>20cm and <50cm in relation to the TCP) or a detection area in the lead-up.
Der Laserbearbeitungskopf kann eine Steuerung zum Steuern und/oder Regeln des Bearbeitungsprozesses, z.B. basierend auf den von dem zumindest einen Lidar-Sensor erfassten Abstandsdaten, umfassen. Die Steuerung kann eine Lidar-Steuerung zum Steuern des zumindest einen Lidar-Sensors und/oder zum Auswerten von durch den Lidar-Sensor erfassten Daten bzw. Abständen umfassen. Die Steuerung kann zur Kollisionsprävention eingerichtet sein, ein Objekt basierend auf den durch den Lidar-Sensor erfassten Daten bzw. Abständen als kritisch oder unkritisch einzustufen. Die Einstufung eines Objekts als kritisch oder unkritisch kann abhängig von Prozessparametern erfolgen, z.B. einer Vorschubgeschwindigkeit bzw. Geschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs im Prozessraum, einer (mechanischen und/oder sensorischen) Systemträgheit, einer Reaktionszeit, einem vorgegebenen Bearbeitungspfad etc.. Unkritisch bedeutet hier, dass der Laserbearbeitungskopf bei einer Bewegung entlang eines vorgegebenen Bearbeitungspfads nicht mit dem Objekt kollidieren würde - sei es aufgrund der Position oder aufgrund der Größe des Objekts. Entsprechend bedeutet kritisch, dass es zur Kollision des Laserbearbeitungskopfes mit dem Objekt kommen würde.The laser processing head can comprise a controller for controlling and/or regulating the processing process, e.g. based on the distance data recorded by the at least one lidar sensor. The controller can comprise a lidar controller for controlling the at least one lidar sensor and/or for evaluating data or distances recorded by the lidar sensor. The controller can be set up to prevent collisions by classifying an object as critical or non-critical based on the data or distances recorded by the lidar sensor. An object can be classified as critical or non-critical depending on process parameters, e.g. a feed rate or speed of the laser processing head in the process space, a (mechanical and/or sensory) system inertia, a reaction time, a predetermined processing path, etc. Non-critical here means that the laser processing head would not collide with the object when moving along a predetermined processing path - be it due to the position or the size of the object. Accordingly, critical means that the laser processing head would collide with the object.
Die Steuerung kann eingerichtet sein, eine Maßnahme zur Kollisionsprävention durchzuführen. Die Maßnahme kann entsprechend einem Abstand des als kritisch eingestuften Objekts zum Laserbearbeitungskopf gewählt werden aus zumindest einem von: Umfahren des Objekts, Stoppen des Bearbeitungsprozesses, Abschalten des Laserstrahls, und Verlangsamen oder Anhalten einer Relativbewegung zwischen dem Laserbearbeitungskopf und dem Werkstück.The controller can be configured to carry out a collision prevention measure. The measure can be selected according to a distance of the object classified as critical from the laser processing head from at least one of: bypassing the object, stopping the processing process, switching off the laser beam, and slowing down or stopping a relative movement between the laser processing head and the workpiece.
Die Anforderungen an die Auflösung können im Zusammenhang mit einem Reaktionsraum des Laserbearbeitungskopfs stehen. Dieser Reaktionsraum ist über eine Reaktionszeit definiert, also die Zeit, die nötig ist, bis der Laserbearbeitungskopf bzw. das Laserbearbeitungssystem auf ein Hindernis reagiert. Dabei kann die Reaktion bzw. Maßnahme unterschiedlich ausfallen und vom Umfahren über Verzögern bis zum Not-Stopp der Maschine reichen. Außerdem beinhaltet eine Reaktion auch das mögliche Abschalten oder Blocken des Laserstrahls.The resolution requirements can be related to a reaction space of the laser processing head. This reaction space is defined by a reaction time, i.e. the time required for the laser processing head or the laser processing system to react to an obstacle. The reaction or measure can vary and range from bypassing to decelerating to an emergency stop of the machine. A reaction also includes the possible switching off or blocking of the laser beam.
Die Einheit kann auch verwendet werden, um den Abstand der Schneiddüse zur Blechoberseite oder zu seitlich liegenden Konturen zu vermessen. So könnte eine kapazitive Abstandssensorik in absoluten Einheiten kalibriert oder gar ersetzt werden.The unit can also be used to measure the distance of the cutting nozzle to the top of the sheet or to contours on the side. In this way, a capacitive distance sensor could be calibrated in absolute units or even replaced.
Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters
Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfs mit einem Lidarsensor und einem zweiten Lidarsensor, die jeweils außerhalb des Laserbearbeitungskopfs angeordnet sind; -
2 eine weitere schematische Darstellung des Laserbearbeitungskopfs mit dem Lidarsensor, dem zweiten Lidarsensor und einem dritten Lidarsensor, die jeweils außerhalb des Laserbearbeitungskopfs angeordnet sind; -
3A bis 3D verschiedene Anordnungen des Lidar-Sensors am Laserbearbeitungskopf. -
4A bis 4C verschiedene Anordnungen mehrerer Lidar-Sensoren am Laserbearb eitungskopf. -
5A und5B ein an dem Laserbearbeitungskopf befestigbares Modul, in dem zumindest ein Lidar-Sensor angeordnet ist.
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1 a schematic representation of a laser processing head with a lidar sensor and a second lidar sensor, each arranged outside the laser processing head; -
2 a further schematic representation of the laser processing head with the lidar sensor, the second lidar sensor and a third lidar sensor, each arranged outside the laser processing head; -
3A to 3D different arrangements of the lidar sensor on the laser processing head. -
4A to 4C different arrangements of several lidar sensors on the laser processing head. -
5A and5B a module which can be attached to the laser processing head and in which at least one lidar sensor is arranged.
Ausführliche Beschreibung der FigurenDetailed description of the figures
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.In the following, unless otherwise stated, the same reference symbols are used for identical and equivalent elements.
An einer Außenseite des Gehäuses 2, z.B. auf der Vorderseite in Bearbeitungsrichtung, ist ein (erster) Lidar-Sensor 11 angeordnet. Der Lidar-Sensor 11 kann Objekte in einem ersten Erfassungsraum 111 erfassen bzw. Abstände zu Objekten in diesem Erfassungsraum 111 bestimmen. Der Lidar-Sensor 11 kann ein erstes Abtastraster 112 mit einer vorgegebenen ersten Auflösung erzeugen. Der Lidar-Sensor 11 ist eingerichtet, Objekte im Vorlauf, d.h. in Bezug auf die Bearbeitungsrichtung vor dem Laserbearbeitungskopf angeordnete Objekte, zu erfassen. Der Erfassungsraum 111 des ersten Lidar-Sensors 11 ist vorzugsweise in den Raum gerichtet, kann aber zu einem Teil durch das Werkstück 4 begrenzt sein.A (first)
An einer unteren Kante des Gehäuses 2 kann ein zweiter Lidar-Sensor 12 angeordnet sein. Der zweite Lidar-Sensor 12 kann Objekte in einem zweiten Erfassungsraum 121 erfassen bzw. Abstände zu Objekten in diesem Erfassungsraum 121 bestimmen, der näher zum Laserbearbeitungskopf gelegen ist (Nahbereich). Der Lidar-Sensor 12 kann ein zweites Abtastraster 122 mit einer vorgegebenen zweiten Auflösung erzeugen. Die zweite Auflösung kann höher sein als die erste Auflösung bzw. das zweite Abtastraster 122 kann feiner sein als das erste Abtastraster 112. Die Auflösung des Lidar-Sensors 11 bzw. 12 kann auch entsprechend durch die Steuerung 100 eingestellt werden.A second lidar sensor 12 can be arranged on a lower edge of the
Eine Mittelachse des ersten Erfassungsraums 111 (d.h. die Mittelachse, die durch den ersten Lidar-Sensor führt) bildet einen größeren Winkel mit der optischen Achse der Fokussieroptik 9 als eine Mittelachse des zweiten Erfassungsraums 121. Mit anderen Worten ist der zweite Lidar-Sensor 12 mehr auf das Werkstück bzw. nach unten gerichtet als der erste Lidar-Sensor 11. Der zweite Erfassungsraum 121 kann kleiner sein als der erste Erfassungsraum 111. Der zweite Erfassungsraum 121 und der erste Erfassungsraum 111 können voneinander getrennt sein (wie in
Der erste Lidar Sensor 11 und der zweite Lidar-Sensor 12 können auf derselben Seite des Gehäuses 2 angeordnet sein, beispielsweise wie hier gezeigt auf einer Vorderseite bzw. in den Vorlauf gerichtet. Die Sensoren können aber auch auf verschiedenen Seiten des Gehäuses 2 angeordnet sein. Es können auch weitere Lidar-Sensoren an der bzw. den Außenseiten des Gehäuses 2 angeordnet sein. In den in
Wie oben bereits erwähnt, weist der Lidar-Sensor 11 einen Erfassungsraum 111 auf. Der Erfassungsraum 121 ist durch den Öffnungs- bzw. Erfassungswinkel 113 des Lidar-Sensors 11 sowie der Position des Lidar-Sensors am Laserbearbeitungskopf 1 bzw. am Gehäuse 2 definiert. Eine Winkelhalbierende des Erfassungswinkels 113 bildet eine Mittelachse 114 des Erfassungsraums 111. Die Mittelachse 114 des Erfassungsraums 111 kann der optischen Achse des Lidar-Sensors 11 entsprechen.As already mentioned above, the
In
In
Die Lidar-Sensoren 11, die in den
Der Laserbearbeitungskopf umfasst eine Steuerung 100 zum Steuern und/oder Regeln des Bearbeitungsprozesses, z.B. basierend auf den von dem zumindest einen Lidar-Sensor 11, 12, 13 erfassten Abstandsdaten. Die Steuerung kann eine Lidar-Steuerung zum Steuern des zumindest einen Lidar-Sensors und/oder zum Auswerten von durch den Lidar-Sensor erfassten Daten bzw. Abständen umfassen oder mit einer solchen drahtgebunden bzw. drahtlos kommunizieren. Die Steuerung 100 kann eingerichtet sein, eine Maßnahme zur Kollisionsprävention durchzuführen. Die Steuerung 100 kann zur Kollisionsprävention eingerichtet sein, ein Objekt basierend auf den durch den Lidar-Sensor erfassten Daten bzw. Abständen als kritisch oder unkritisch einzustufen. Die Einstufung eines Objekts als kritisch oder unkritisch kann abhängig von Prozessparametern erfolgen, z.B. einer Vorschubgeschwindigkeit bzw. Geschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs im Prozessraum, einer (mechanischen und/oder sensorischen) Systemträgheit, einer Reaktionszeit, einem vorgegebenen Bearbeitungspfad etc.. Unkritisch bedeutet hier, dass der Laserbearbeitungskopf bei einer Bewegung entlang eines vorgegebenen Bearbeitungspfads nicht mit dem Objekt kollidieren würde - sei es aufgrund der Position oder aufgrund der Größe des Objekts. Entsprechend bedeutet kritisch, dass es zur Kollision des Laserbearbeitungskopfes mit dem Objekt kommen würde. Ein kritisches Objekt kann als Hindernis bezeichnet werden.The laser processing head comprises a
Die Steuerung 100 kann eingerichtet sein, ein Verfahren zum Überwachen eines Laserbearbeitungsprozesses mit den folgenden Schritten durchzuführen: Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses durch Einstrahlen eines Laserstrahls 3 mittels des Laserbearbeitungskopfs 1 auf das Werkstück 4, wobei der Laserbearbeitungskopf und das Werkstück relativ zueinander entlang eines Bearbeitungspfads bewegt werden, Erfassen von Abstandsdaten während des Laserbearbeitungsprozesses durch zumindest einen am Laserbearbeitungskopf 1 angeordneten Lidar-Sensor 11, 12, 13, und Bestimmen basierend auf den erfassten Abstandsdaten, ob ein Hindernis bzw. ein kritisches Objekt in einem Bereich entlang des Bearbeitungspfads vorliegt. Die Steuerung 100 des Laserbearbeitungskopfs 1 kann eingerichtet sein, das Verfahren durchzuführen.The
In dem Schritt des Erfassens von Abstandsdaten kann der Lidar-Sensor einen ersten Erfassungsraum und einen zweiten Erfassungsraum abtasten und entsprechende Abstandsdaten erfassen, wobei der erste Erfassungsraum eine größere Entfernung vom Laserbearbeitungskopf aufweist als der zweite Erfassungsraum. Der erste Erfassungsraum kann auch als Fernbereich und der zweite Erfassungsraum als Nahbereich bezeichnet werden. Der Lidar-Sensor kann beweglich, z.B. drehbar, am Laserbearbeitungskopf angebracht sein, um die beiden verschiedenen Erfassungsräume abzutasten. Eine Auflösung des Lidar-Sensors kann einstellbar sein, sodass der Lidar-Sensor den ersten Erfassungsraum (Fernbereich) mit geringerer Auflösung abtastet als den zweiten Erfassungsraum (Nahbereich). Es können auch zwei Lidar-Sensoren vorgesehen sein, wovon einer den ersten Erfassungsraum und der andere den zweiten Erfassungsraum abtastet. Der erste Lidar-Sensor zum Abtasten des ersten Erfassungsraums kann eine geringere Auflösung aufweisen als der zweite Lidar-Sensor zum Abtasten des zweiten Erfassungsraums. Der Erfassungsraum des Lidar-Sensors bzw. die Erfassungsräume der Lidar-Sensoren sind vorzugsweise in den Vorlauf gerichtet.In the step of acquiring distance data, the lidar sensor can scan a first detection space and a second detection space and acquire corresponding distance data, wherein the first detection space has a greater distance from the laser processing head than the second detection space. The first detection space can also be referred to as the long range and the second detection space as the short range. The lidar sensor can be movably attached, e.g. rotatably, to the laser processing head in order to scan the two different detection spaces. A resolution of the lidar sensor can be adjustable so that the lidar sensor scans the first detection space (long range) with a lower resolution than the second detection space (short range). Two lidar sensors can also be provided, one of which scans the first detection area and the other the second detection area. The first lidar sensor for scanning the first detection area can have a lower resolution than the second lidar sensor for scanning the second detection area. The detection area of the lidar sensor or the detection areas of the lidar sensors are preferably directed in the forward direction.
Wenn zwei verschiedene Erfassungsräume abgetastet werden, kann das Verfahren ferner umfassen: Bestimmen basierend auf den erfassten Abstandsdaten, ob in dem ersten Erfassungsraum in Hindernis in einem Bereich entlang des Bearbeitungspfads vorliegt und/oder ob in dem zweiten Erfassungsraum ein Hindernis in einem Bereich entlang des Bearbeitungspfads vorliegt.When two different detection spaces are scanned, the method may further comprise: determining, based on the detected distance data, whether there is an obstacle in an area along the processing path in the first detection space and/or whether there is an obstacle in an area along the processing path in the second detection space.
Das Verfahren kann ferner umfassen: Auswählen einer Maßnahme zur Kollisionsprävention entsprechend einem Abstand des Hindernisses zum Laserbearbeitungskopf bzw. basierend darauf, ob das Hindernis im ersten oder im zweiten Erfassungsraum vorliegt. Beispiele für Maßnahmen zur Kollisionsprävention umfassen: Umfahren des Objekts, Stoppen des Bearbeitungsprozesses, Abschalten des Laserstrahls, und Verlangsamen oder Anhalten einer Relativbewegung zwischen dem Laserbearbeitungskopf und dem Werkstück.The method may further comprise: selecting a collision prevention measure according to a distance of the obstacle from the laser processing head or based on whether the obstacle is in the first or second detection space. Examples of collision prevention measures include: driving around the object, stopping the processing process, turning off the laser beam, and slowing down or stopping a relative movement between the laser processing head and the workpiece.
Die Verwendung von wenigstens einen Lidar-Sensors, dessen Strahlverlauf bzw. Strahlengang außerhalb des Laserbearbeitungskopfs verläuft und/oder dessen optische Achse bzw. Mittelachse des Erfassungsraums in einem Winkel zur optischen Achse der Fokussieroptik (und/oder zur vertikalen Richtung) ausgerichtet ist, an einem Laserbearbeitungskopf ermöglicht eine kostengünstige, flexible und vielseitig einsetzbare Prozessüberwachung für einen Bearbeitungsprozess.The use of at least one lidar sensor, whose beam path runs outside the laser processing head and/or whose optical axis or central axis of the detection space is aligned at an angle to the optical axis of the focusing optics (and/or to the vertical direction), on a laser processing head enables cost-effective, flexible and versatile process monitoring for a processing process.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- LaserbearbeitungskopfLaser processing head
- 22
- GehäuseHousing
- 33
- Laserstrahllaser beam
- 44
- Werkstückworkpiece
- 55
- Bearbeitungsbereich (TCP)Processing area (TCP)
- 66
- Schneidfuge und/oder SchweißnahtCutting joint and/or weld seam
- 77
- Fasechamfer
- 88th
- Düsejet
- 99
- FokussieroptikFocusing optics
- 1111
- (erster) Lidar-Sensor(first) lidar sensor
- 111111
- ErfassungsraumRecording area
- 112112
- AbtastrasterSampling grid
- 113113
- ErfassungswinkelDetection angle
- 114114
- Mittelachse des ErfassungsraumsCentral axis of the detection area
- 11111111
- Halterungbracket
- 11121112
- GehäusehalterungHousing bracket
- 11131113
- DrehachseRotation axis
- 11141114
- Schienerail
- 11151115
- VerschiebungsrichtungDisplacement direction
- 1212
- zweiter Lidar-Sensorsecond lidar sensor
- 121121
- zweiter Erfassungsraumsecond recording room
- 122122
- zweites Abtastrastersecond sampling grid
- 1313
- dritter Lidar-Sensorthird lidar sensor
- 131131
- Erfassungsraum des dritten Lidar-SensorsDetection area of the third lidar sensor
- 132132
- Abtastraster des dritten Lidar-SensorsSampling pattern of the third lidar sensor
- 2020
- Modulmodule
- 2121
- SchutzglasProtective glass
- 2222
- Crossjets bzw. BelüftungsöffnungenCrossjets or ventilation openings
- 2323
- Gas-AnschlussGas connection
- 2424
- SensorseiteSensor side
- 100100
- Steuerungsteering
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102017201730 A1 [0005]DE 102017201730 A1 [0005]
- DE 102015015651 B3 [0006]DE 102015015651 B3 [0006]
- DE 102012212278 A1 [0007]DE 102012212278 A1 [0007]
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