EP3931648A2 - Verfahren zur festlegung einer bewegungsbahn eines additiv oder subtraktiv wirkenden werkzeugs, verfahren zur abtragenden bearbeitung eines werkstücks mittels laserstrahl sowie anlage hierfür - Google Patents

Verfahren zur festlegung einer bewegungsbahn eines additiv oder subtraktiv wirkenden werkzeugs, verfahren zur abtragenden bearbeitung eines werkstücks mittels laserstrahl sowie anlage hierfür

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Publication number
EP3931648A2
EP3931648A2 EP20707250.5A EP20707250A EP3931648A2 EP 3931648 A2 EP3931648 A2 EP 3931648A2 EP 20707250 A EP20707250 A EP 20707250A EP 3931648 A2 EP3931648 A2 EP 3931648A2
Authority
EP
European Patent Office
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processing
area
space
radon
angle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20707250.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias BUSER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Stuttgart
Original Assignee
Universitaet Stuttgart
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Stuttgart filed Critical Universitaet Stuttgart
Publication of EP3931648A2 publication Critical patent/EP3931648A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/4093—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by part programming, e.g. entry of geometrical information as taken from a technical drawing, combining this with machining and material information to obtain control information, named part programme, for the NC machine
    • G05B19/40937—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by part programming, e.g. entry of geometrical information as taken from a technical drawing, combining this with machining and material information to obtain control information, named part programme, for the NC machine concerning programming of machining or material parameters, pocket machining
    • G—PHYSICS
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/45—Nc applications
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Definitions

  • the invention relates to the definition of a movement path along which a tool is moved relative to a workpiece for the purpose of additive or subtractive machining, and a method for machining a workpiece by means of a laser using a defined movement path.
  • the invention also relates to a system for performing this procedural Ren.
  • the invention is located in the field of workpiece machining and workpiece construction, with a particular focus on the area of ablative laser machining.
  • the processing time is largely related to the path along which the tool or the laser beam is moved for the purpose of applying material or for the purpose of removing material, such movement also being a movement the workpiece can be realized with respect to the tool.
  • the path of movement is the one that defines the path usually defined in the form of hatching, so it consists of a large number of mutually parallel and straight path sections. Since turning, i.e. reversing the direction of 180 °, increases the processing time, it is obvious and known (ALEXANDROV, Vassil N.; DONGARRA, Jack J.; JULIANO, Benjoe A.; RENNER, Rene S.; TAN, CJ Kenneth; HON, Man Chung; JANARDAN, Ravi; SCHWERDT, Jörg; SMID, Michiel: Computing Optimal Hatching Directions in Layered Manufacturing.
  • the areas to be completely covered are of complex shape, so that sub-areas differ greatly in the ideal alignment of the hatching. Choosing a hatch angle that is uniform for the shape does not lead to satisfactory results here. In many applications, several separate surfaces have to be painted over. In such a case, the best hatch angle can be determined for each of these areas. However, if there are many such areas, the deflections in the movement path due to the change between the different hatching angles of the individual areas lead to a significant increase in the processing time.
  • the object of the invention is to provide a method for path planning and a method for laser processing by means of path planning and a processing system suitable for this purpose that allow a workpiece to be processed in a shorter manner.
  • a method for defining a movement path of an additively or subtractively acting tool or a laser beam used as a tool is proposed for this purpose.
  • the trajectory to be determined by this method describes the path along which the tool or the laser beam is moved in a processing plane for the purpose of applying material to a workpiece surface or for removing material from a workpiece surface.
  • the movement path generated by the method forms, in at least one sub-area on the processing plane, hatching made of mutually parallel and straight path sections which are inclined by a hatching angle with respect to a reference direction.
  • the method is used to determine at least one hatching angle to be used for this purpose.
  • the method is particularly preferably designed to generate a movement path which has hatching with different hatching angles in several different but contiguous subregions, as will be explained below.
  • the method is based on an XY space in the processing plane, the XY space identifying a processing area in which the application or removal is to take place so that this can be distinguished in the XY space from a non-processing area in which no processing takes place should.
  • the XY space is preferably a two-dimensional pixel matrix, in particular but not necessarily with a pixel depth of 1 bit, corresponding to a black and white image in which, for example, white pixels represent processing areas and black pixels non-processing areas.
  • the XY space can also contain information on processing areas and non-processing areas in vector form.
  • a Radon transformation takes place in a Radon space in which a value is determined for each angle in the processing plane in an angular range from -90 ° to + 90 ° with respect to a reference direction and for each distance to a reference point becomes that under Taking into account the position of the machining area in XY space represents the machining requirement with regard to the respective angle and the respective distance.
  • the reference direction and the reference point can be freely selected. Accordingly, the indication of the angular range from -90 ° to + 90 ° should also be understood to mean that it is only important to cover an angular range of 180 °, without its beginning and end playing a role.
  • the Radon transformation is used to determine for each of the imaginary straight lines that cross the reference point and, for example, in increments of 1 ° over the aforementioned 180 °, which processing requirements arise on this line and on parallel straight lines of different distances.
  • the processing requirement summed up over the imaginary straight line forms the respective radon value.
  • a common visualization of the Radon space represents this as a two-dimensional diagram in which the respective angle is noted on one axis and the distance between the corresponding straight lines of this angle from the reference direction and this distance from the reference point is noted on the other axis. Said accumulated processing requirement can then, for example, form the brightness of the point defined by a given angle and a given distance.
  • the corresponding total value is also called the radon value below.
  • a light area in this visualization means that there is a high need for processing in the angular field and in the distance field of the Radon room in which this light area is to be found, so that processing with path sections that are aligned in this angular field is basically appears appropriate in the relevant distance field.
  • a modified radon space is calculated in which high values of the radon space are increased further and / or low values of the radon space are reduced.
  • a particularly preferred method is to exponentiate the Radon value, in particular with an exponent between 1.5 and 2.5 and in particular with the exponent 2 (squaring).
  • This modified Radon space is now used to generate a total value for each angle, for example in 1 ° steps. For this purpose, based on the modified radon space mentioned, a sum value of the values assigned to this angle is determined for each angle. This total value is made up of the processing requirements that can be taken from the modified Radon space at the respective angle regardless of the distance.
  • the resulting graph usually has at least one maximum. In the case of complex bodies, it typically has several maxima. This can be interpreted to the effect that subareas of the machining area should ideally be covered with different hatching.
  • the angle at which one of the maxima or possibly the only maximum lies forms the hatch angle sought or, in the case of subregions with several hatch angles, the first of these hatch angles.
  • At least one distance area is defined in the radon space, which indicates the area in which distance from a line that is aligned in the hatching angle and intersecting the reference point, areas for processing with the relevant hatching angle are available. How this at least one distance range can be determined is explained in more detail below.
  • a second hatching angle for the alignment of the hatching in a second partial area of the workpiece surface is determined on the basis of a second maximum in the graph mentioned.
  • a second XY space is first generated in which the processing area is reduced by the first sub-area.
  • the distribution of the remaining part of the machining area is instead determined as a function of the distance for the machining area remaining after subtracting the first sub-area using the second hatching angle determined according to the second maximum.
  • This can be understood in such a way that instead of generating a changed Radon space based on the second XY space, a single Radon line is determined only for an angle, that of the second maximum, from which the distance from Reference point which accumulated processing requirement remains.
  • At least one spacing area is again defined which indicates which part of the remaining processing area forms the second sub-area that is to be covered with hatching corresponding to the second hatching angle.
  • the process can also be repeated more frequently, with the respective sub-area being determined in each pass for a further angle, which was particularly preferably determined as the maximum from the graph mentioned, which is hatched to this hatch angle is painted over. This is not necessary until the last hatch angle and the last sub-area, since here the sub-area results from the original processing area minus the previously determined sub-areas.
  • the area of the processing area assigned to the respective sub-area is determined by defining at least one spacing area.
  • parts of the processing area are not assigned to the relevant hatching angle and thus represent the remaining processing area that is to be covered in whole or in part by means of the second or next hatching with a different hatching angle.
  • this distance range is widened somewhat. If, for example, a distance range of -10 mm to 25 mm is determined in which the processing requirement is above the threshold value, the distance range for the following steps is widened somewhat, so that the distance range then extends, for example, from -13 mm to 28 mm extends.
  • the method described has two parameters, the most advantageous definition of which is preferably determined dynamically in that the above steps are carried out several times for the same complete machining area as part of the method, so that different trajectories result depending on the choice of the parameters in question which are then evaluated as part of a comparison in order to select the best trajectory.
  • the first of these parameters relates to the order in which the maxima of the graph described above and the hatching angles resulting therefrom are assigned to partial areas of the machining area.
  • maxima there are, for example, a total of six possibilities for the sequence of processing for the purpose of assigning partial areas.
  • the second of these parameters relates to the type of determination of the distance range described.
  • this can be defined in that a threshold value of the processing requirement is set, for example, a percentage lower than the processing requirement maximum.
  • the assignment of the processing area to the sub-areas is influenced to a considerable extent by whether this is, for example, 20% or 80% of the maximum processing requirement. If, for example, there are three maxima in the graph, so that six processing sequences are conceivable and if the threshold value is permuted in 10% steps between 10% and 90% of the maximum processing requirement, a total of 54 movement path options result.
  • These 54 movement paths can all be determined and compared with one another in order to select the one that best suits the requirements. In particular, this is preferably done by assigning a quality value to the movement paths, which in particular can reflect the processing time associated therewith.
  • the corresponding algorithm should not only take into account the length of the path, but also the particular time required for the non-machining process of the tool and, in particular, the time required for changes in direction.
  • the one that allows the shortest processing time is selected on the basis of this.
  • the other trajectories are then discarded and no longer play a role.
  • the described method for determining the trajectory is carried out in a machining method with adaptive path planning, which will be explained below, by the control system of the corresponding machining system, which receives the initial XY space either from an external system or by means of a detection system from Processing system recorded.
  • This control system or a second system connected to it controls the laser beam and a control device for aligning the laser beam on the basis of the path of movement.
  • the invention further relates to a method for ablative machining of a workpiece by means of a laser beam, in which the above-described path planning is preferably used, but in principle other types of path planning could also be used.
  • ablative processing using a laser beam it is guided over a surface, where it heats the material locally and thereby evaporates it.
  • Such processing is also used in particular in the case of composite materials, in particular in the case of fiber composite materials such as carbon fiber reinforced plastic.
  • the method according to the invention ensures a short processing time, particularly with such inhomogeneous materials.
  • the processing requirement is initially determined. This can result, for example, from vectorial or pixel matrix image data that comes from CAD software.
  • a first movement path is determined and then processing of the workpiece surface is started by guiding the laser beam along the first movement path. The laser beam heats the surface of the workpiece and vaporizes the material there.
  • the workpiece surface is recorded again to determine the remaining processing requirement. During this acquisition, it is checked how the processing has affected and what amount of the material to be removed has already been removed. This means that in a subsequent processing step, not all sub-areas of the original processing area need to be processed equally.
  • This process is preferably carried out multiple times, with the workpiece surface and the previous machining success being recorded again after machining, and a trajectory being determined again on the basis of this.
  • the processing is only completed when the laser beam movement along the last determined movement path evaporates all of the remaining material, so that the target depth is reached everywhere.
  • the workpiece surface can be recorded by means of laser interferometry, in particular by means of optical coherence tomography, or also by means of laser triangulation.
  • a test laser beam provided for this purpose, which can be identical to the laser beam for surface processing, is reflected by the upper surface of the workpiece and is superimposed with the original laser beam in order to make the result Interference on the position of the reflection plane and thus on the depth of the previous processing.
  • the method of path calculation mentioned at the beginning can be used in very different manufacturing processes, such as subtractive milling or additive manufacturing using melted plastic (3D printing).
  • the path calculation according to the invention preferably takes place in a step that takes place before the actual processing.
  • this step of the preceding path calculation is usually called "slicing".
  • This system has on the one hand a laser device for emitting a laser beam and has a laser control device to generate the relative movement to the workpiece, by means of which the laser beam is directed onto a workpiece surface and can be moved two-dimensionally there.
  • the mobility is preferably generated by means of one or more tiltable mirrors that reflect the laser beam and can thus control the machining position in two dimensions.
  • the laser device or the workpiece as a whole it is also possible for the laser device or the workpiece as a whole to be displaced in order to achieve the desired relative displacement.
  • the system preferably has a detection device which is aimed at the workpiece and designed to detect how much material has already been removed from the workpiece. This acquisition can take place during or after processing.
  • This detection device can be designed in the manner described above, in particular as a camera or as a device for determining the surface by means of laser interferometry or laser triangulation.
  • the system is designed to perform the method for defining a movement path and / or the method for workpiece machining, as described above.
  • the system has an electronic control system on which the method for determining the movement path runs and which is preferably identical to a control computer for controlling the laser control device.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a system according to the invention.
  • FIGS. 2A to 2G illustrate the method for defining the movement path using a very simple example.
  • 3A to 3U illustrate, using a more complex example, the method for defining the movement path, this movement path being determined one after the other, step by step, for partial areas of the machining area.
  • 4A to 4E illustrate a variant of the method for determining the movement path, in which different movement path options are created in order to then select the movement path from these after comparing the movement path options.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a second embodiment of a system according to the invention.
  • 6A to 6H show a processing operation on the system according to FIG. 5, in which the prior processing status is used adaptively to determine the trajectory.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a system 1 for machining workpieces 20 by means of a laser beam 12.
  • the system serves the purpose of processing the workpiece 10 by means of the laser beam 12 generated by a laser device 11, this processing consisting of local heating for the purpose of vaporizing material.
  • the laser beam 12 can be moved in two dimensions via two tilting mirrors 13, 14, so that it is possible to control the laser beam 12 in a processing plane 22 in which the workpiece surface 20 extends.
  • Areas 30A and 30B in FIG. 1 identify a machining area 30A in which material is to be removed and a non-machining area 30B in which no removal is to take place.
  • the laser beam 12 In order to remove material in the processing area 30A, the laser beam 12 must be moved along a movement path 90 by means of the mirrors 13, 14.
  • FIG. 2A again shows the processing area 30A and the non-processing area 30B, which are shown in an XY space. This information about where the processing should take place is usually provided by software. Starting from the XY space 30, it is necessary to determine how the movement path 90 is to be designed in order to be able to guide the laser beam 12 over the entire processing area 30A as optimally as possible and, in particular, in a time-saving manner.
  • This determination is carried out in such a way that, starting from XY space 30 in FIG. 2A, a Radon transformation into a Radon space 40 takes place, this Radon space 40 being shown in FIG. 2D.
  • This Radon transformation takes place in such a way that, relative to a freely definable reference point 32 and a freely definable reference direction 33, straight lines 34, 35, 36 intersecting the reference point 32 are placed on the XY space 30, the different straight lines 34, 35, 36 are each inclined differently with respect to the reference direction 33 and are representative of an evaluation angle.
  • 2B shows the three straight lines 34, 35, 36 only by way of example.
  • the straight lines span an angular range of 180 °, for example with a step size of 1 °, so that a total of 180 of these straight lines can be identified.
  • a column in Radon space 40 of FIG. 2D is assigned to each of these straight lines and thus to the evaluation angle.
  • the brightness value within this column results from the respective processing requirement on the straight line assigned to it and straight lines parallel to it. Its determination is illustrated with reference to FIG. 2C.
  • a plurality of further straight lines 36A to 36M are shown for straight line 36G which intersects reference point 32 and which is tilted by 30 ° with respect to reference direction 33.
  • the length of the respective section of this straight line which intersects the processing area 30A leads to a brightness value in Radon space 40.
  • the respective Radon values are identified by the circles 46A to 46M.
  • the straight line 36G intersecting the reference point 32 just like the two adjacent straight lines 36F and 36H, have a section of maximum length in the processing area 30A.
  • the brightness values shown here in the radon room 40 are also identical to one another.
  • the straight lines 36A to 36E and 361 to 36M further removed from the reference point 32 lead to lower Radon values in accordance with the illustration in FIG. 2D, since they only intersect the machining area 34A over a shorter section. This results in a lower brightness in relation to the type of visualization described.
  • a modified Radon space 45 is generated, which is shown in FIG. 2E.
  • the corresponding transformation could be referred to as an increase in contrast in relation to the visualization of the Radon area. Its purpose is to reduce comparatively low radon values and to further increase high radon values. A particularly preferred and very simple option for this is to square the radon values.
  • the Radon values are then summed up for each angle, taking into account the already mentioned step size, which, with reference to FIG. 2E, means that the Radon values are summed up along vertical lines become.
  • this graph 51 results in the diagram 50 shown in FIG. 2F. As can be seen immediately, this graph has a single maximum which is exactly at 0 °. This maximum is interpreted as hatching angle A. The creation of this graph 51 with at least one maximum is only possible because of the previous increase in contrast. If the aforementioned previous step had not taken place, the graph would be a horizontal straight line which would not allow a maximum to be recognized.
  • the movement path 90 can then be determined, as can be seen from FIG. 2G.
  • the individual track sections are shown as separate arrows. This is only for the simplification. In practice, it is advantageous if the movement path is as far as possible an uninterrupted and, in particular, serpentine movement path 90.
  • the method is illustrated using a more complex geometry with the aid of FIGS. 3A to 3U.
  • 3A again shows an XY space in which light pixels form a processing area 30A and dark pixels form a non-processing area 30B.
  • Straight lines 34, 35, 36 are thus again placed over XY space 30 in the manner sketched in FIG. 3B, so that they intersect reference point 32 and are inclined to different degrees with respect to a reference direction 33, shown here by 0 °, 15 ° and 30 °.
  • These straight lines 34, 35 and 36 are again only to be understood as examples and represent different evaluation angles. In practice, for example, 180 straight lines or evaluation angles can be used again, each of which is spaced apart by 1 °. As previously described with reference to FIG.
  • the resulting Radon space 40 of FIG. 3D shows that there is now no longer a bright center corresponding to FIG. 2D, but three centers.
  • a modified radon space 45 is generated which, based on the type of visualization, can again be understood as a radon space with increased contrast.
  • FIG. 3F shows this in a corresponding diagram 50 in which the graph 51 shows a total of three maxima 52A, 52B, 52C. These three maxima can be found at three different angles, namely in the present case at -27 °, at 9 ° and at 37 °. These three angles form the hatching angles A, B, C for different partial areas of the machining area 30A.
  • a Radon line 41 is used from the previously generated Radon space 40, such a Radon line reflecting the processing requirement for a given angle, in this case the hatching angle A to 37 °, based on the distance.
  • the distance-dependent brightness is recorded in a diagram 60, with the computer-aided processing of the method, of course, not requiring visualization.
  • the visualization of FIG. 3H inserted here for better understanding shows that the greatest brightness can be found in Radon space at a certain distance, which means that processing with the hatching angle A is useful, especially at this distance.
  • This maximum value is used to determine which sub-area 80 of the machining area is to be assigned to the hatching direction A. In the present case, this takes place in that a threshold value 46 is defined, which in the present case is set to 60% of the maximum value 47 as an example.
  • the distance range 62 in which the Radon value is above this threshold value 46 is then determined.
  • a new XY space 130 is now generated, which is indicated in FIG. 31, the processing area 30A being reduced by the partial area 80 in this new XY space.
  • a complete Radon transformation of this new XY space 130 is not required. Instead, only straight lines of the second hatching angle B of -27 ° are required.
  • the straight lines 37A to 37M illustrated in FIG. 3K are only analyzed with regard to the hatching angle B with regard to how large their respective section is, which intersects the remaining machining area 30A. If, for the sake of clarity, a complete Radon space 140 based on the reduced processing area 30A is shown in FIG. 3L, only the Radon line 47 in FIG. 3L is determined.
  • FIG. 3N This again results in a diagram 160 in the manner illustrated by FIG. 3N with the modified or unmodified Radon values plotted therein.
  • a threshold value 46 is now again set starting from a maximum 47, on the basis of which a distance range 162 is determined within which the Radon values are above the threshold value 46.
  • a second partial area 180 is thus obtained, which is shown in FIG. 30.
  • this second sub-area 180 reduces the machining area 30A, so that only the machining area 30A shown in FIG. 3P remains, for which the hatching angle C is already known.
  • straight lines 38A to 38M are again placed on this third XY space 230 in order to be able to determine in the manner illustrated by FIG. 3T which distance area with the hatching angle C is to be covered over the machining area. Unlike the previous steps, however, no threshold value is required here.
  • the last sub-area comprises all distances from the reference point 32 in which the Radon line 48 of the Radon space 3R is greater than zero.
  • a third partial area 280 results from the distance area 262 determined in this way, in which the hatching direction C is to be used when defining the movement path.
  • the entire trajectory which was thus determined in the context of this method, can be seen from FIG. 3U. It can be seen that the partial areas 80, 180, 280 together cover the entire original processing area 30A. It can also be seen that the alignment of the sections of the trajectory requires a comparatively small number of straight sections. The result is comparatively fast processing.
  • the cut of the partial areas 80, 180, 280 selected here is not without alternatives. It results from the fact that these are in the order described were defined, that is to say the three maxima according to FIG. 3F were processed in the order 52C, 52A, 52B.
  • a second definition, which is not without alternatives and influences the sub-areas 80, 180, 280, is that the threshold values 46, which are shown in FIGS. 3H and 3N, have been set to 60% of the maximum value 47. If other values, for example 50%, were used here, a somewhat different cut of the subregions 80, 180, 280 would result in detail.
  • FIGS. 4A to 4E illustrate this.
  • FIG. 4A corresponds to the aforementioned FIG. 3F with the three maxima 52A, 52B, 52C.
  • FIGS. 4B and 4C show how the first partial area 80 results if the beginning is not made with the maximum 52C and the angle 37 ° there, but instead with the maximum 52B and the angle 9 ° there.
  • the intensity distribution then results differently from the representation in FIG. 3H in the manner represented by FIG. 4B or 4C.
  • FIGS. 4B and 4C differ from one another in FIGS. 4B and 4C in which threshold value is selected.
  • the threshold value 46 is at 70% of the maximum 47, while in FIG. 4C it is at 30% of the maximum 47. It can be seen that this leads to clearly different spacing areas, so that a significantly larger proportion of the machining area 30A is covered with the hatching angle B than is the case with 70% according to FIG. 4B.
  • the number of resulting sub-areas can also be influenced by this.
  • FIGS. 4D and 4E relate to an alternative procedure in which, in accordance with the example in FIGS. 3A to 3U, the start is made with the maximum 52C and the hatching angle A of 37 °, which also shows how it is with another Threshold value of 30% in FIG. 4E results in a significantly larger distance range than with a threshold value of 70% of the maximum value according to FIG. 4D.
  • the described method for determining the trajectory is particularly useful when it is used in the context of a laser processing method that works with adaptive path calculation. This means that the path calculation is not completed before the start of machining, but is recalculated in response to the machining and the resulting machining success.
  • Fig. 5 shows a processing system 1 similar to that of FIG. 1.
  • two detection devices 15, 18 are provided which analyze the upper surface to be processed of the workpiece 20 during processing.
  • the system has a digital camera 15 which is aimed at the processing area.
  • a laser inter ferometer 18 is provided which generates a measuring laser beam which is deflected by the semi-transparent mirror 17 and then spreads in the same direction as the processing laser beam 12. This measuring laser beam is reflected by the workpiece and returns to the laser interferometer 18, where it is superimposed with the output beam in order to determine the depression in the workpiece surface.
  • the two detection devices 15, 18 are only shown here for clarity. In practice, it is sufficient if a corresponding system 1 is equipped with one of these recording devices or another equivalent recording device.
  • 6A to 6H illustrate the machining process with adaptive definition of the machining path.
  • FIG. 6A in turn shows the XY space in which the light areas represent the processing area 30A and the dark areas represent the non-processing area 30B.
  • the movement paths 90, 190 are used with different hatching angles for sweeping over the entire processing surface 30A.
  • one of the detection devices 15, 18 results in the image of FIG. 6E as XY space. It can be seen that the processing area 30A is now reduced in size and clearly fragmented. The reason for this is that the material removal via the laser beam 12 does not lead to uniform evaporation of material, in particular not in the case of a composite material such as carbon fiber reinforced plastic.
  • the same steps are used to generate the Radon space 40 according to FIG. 6F, the determination of the hatching angles according to FIG. 6G and the subsequent definition of sub-areas with different hatching angles according to FIG. 6H the further processing is planned and carried out.

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Abstract

Die Erfindung betrifft den Bereich der Werkstückbearbeitung und des Werkstückaufbaus angesiedelt. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Festlegung einer Bewegungsbahn (90, 190, 290) eines additiv oder subtraktiv wirkenden Werkzeugs oder eines als Werkzeug verwendeten Laserstrahls. Hierzu wird vorgeschlagen, dass das Verfahren eine Bewegungsbahn (90, 190, 290) festlegt, die in mindestens einem Teilbereich (80, 180, 280) auf der Bearbeitungsebene (22) eine Schraffur aus zueinander parallelen und geradlinigen Bahnabschnitten aufweist, die um einen Schraffurwinkel (A, B, C) gegenüber einer Referenzrichtung (33) geneigt sind. Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Festlegung dieser Schraffurwinkel (A, B, C) unter Nutzung einer Radon-Transformation.

Description

Verfahren zur Festlegung einer Bewegungsbahn eines additiv oder subtraktiv wirkenden Werkzeugs.
Verfahren zur abtragenden Bearbeitung eines Werkstücks mittels Laserstrahl sowie Anlage hierfür
ANWEN DUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft die Festlegung einer Bewegungsbahn, entlang derer ein Werkzeug relativ ge genüber einem Werkstück zum Zwecke der additiven oder subtraktiven Bearbeitung verfahren wird, sowie ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels Lasers unter Nutzung einer festgelegten Bewegungsbahn. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Anlage zur Durchführung dieser Verfah ren.
Die Erfindung ist im Bereich der Werkstückbearbeitung und des Werkstückaufbaus angesiedelt, wobei ein Schwerpunkt insbesondere auf dem Bereich der abtragenden Laserbearbeitung liegt.
Bei subtraktiven Bearbeitungsverfahren wird Material von einem Werkstück abgetragen, insbesonde re durch thermische Einwirkung mit dem genannten Laser oder auch durch spanende Bearbeitungs verfahren, beispielsweise mittels eines rotierenden Fräskopfes. Bei additiven Verfahren wird flüssiges oder pulverförmiges Ausgangsmaterial zielgenau ausgetragen und verfestigt sich beim Auskühlen. Dies ist insbesondere von 3D-Druckern bekannt, die Kunststoff oder andere Materialien erhitzen und bei gleichzeitiger Bewegung gegenüber einem Druckbett austragen, so dass entsprechend der Bear beitungsbahn Strukturen aus ausgekühltem und verfestigtem Material entstehen. Auch beim 3D- Druck sind Verfahren unter Nutzung eines Laserstrahls bekannt, so das selektive Lasersintern (SLS).
Die Bearbeitungszeit hängt bei solchen auf Relativverlagerung zwischen Werkzeug und Werkstück beruhenden Verfahren maßgeblich mit dem Pfad zusammen, entlang dessen das Werkzeug oder der Laserstrahl zum Zwecke der Aufbringung von Material oder zum Zwecke der Abtragung von Material bewegt wird, wobei eine solche Bewegung auch durch eine Bewegung des Werkstücks gegenüber dem Werkzeug realisiert sein kann.
Um Flächen, die eine vollständige Bearbeitung verlangen, mit dem Werkzeug oder dem als Werkzeug dienenden Laserstrahls vollständig zu überstreichen, ist die den Pfad definierende Bewegungsbahn üblicherweise in Art einer Schraffur definiert, besteht also aus einer Vielzahl zueinander paralleler und geradliniger Bahnabschnitte. Da insbesondere das Wenden, also die Richtungsumkehr von 180°, die Bearbeitungszeit erhöht, ist es dabei naheliegend und bekannt (ALEXANDROV, Vassil N. ; DONGARRA, Jack J. ; JULIANO, Benjoe A. ; RENNER, Rene S. ; TAN, C. J. Kenneth ; HON, Man Chung ; JANARDAN, Ravi ; SCHWERDT, Jörg ; SMID, Michiel: Computing Optimal Hatching Directions in Layered Manufac turing. In: Computational Science— ICCS 2001, S. 683-692 ; XIONG, Yi ; VAN CAMPEN, Anke ; VAN VLIERBERGHE, Anje ; KEMPEN, Karolien ; KRUTH, Jean-Pierre: Time-optimal scan path planning based on analysis of sliced geometry. In: Proceedings of the 28th Annual International Solid Freeform Fabri- cation Symposium 2017, 858-869), den Schraffurwinkel der Schraffur derart zu wählen, dass die jewei ligen Bahnabschnitte besonders lang werden und somit wenige Schraffurlinien benötigt werden. Wel cher konkrete Schraffurwinkel hierfür zu wählen ist, hängt in hohem Maße von der Formgebung der zu überstreichenden Fläche ab. Grundsätzlich ist der beste Schraffurwinkel jener, der der Haupterstre ckungsrichtung der Fläche entspricht.
In vielen Anwendungsfällen sind die vollständig zu überstreichenden Flächen von komplexer Form, so dass Teilbereiche sich stark in der jeweils idealen Ausrichtung der Schraffur unterscheiden. Die Wahl eines für die Form einheitlichen Schraffurwinkels führt hier nicht zu befriedigenden Ergebnissen. Auch sind in vielen Anwendungsfällen mehrere voneinander getrennte Flächen zu überstreichen. In einem solchen Falle kann für jede dieser Flächen der beste Schraffurwinkel ermittelt werden. Handelt es sich jedoch um viele solche Flächen, so führen bereits die Umlenkungen in der Bewegungsbahn aufgrund der Wechsel zwischen den unterschiedlichen Schraffurwinkeln der Einzelflächen zu einer signifikanten Verlängerung der Bearbeitungszeit.
Dieses Problem tritt insbesondere im Kontext der Laserbearbeitung zum Zwecke des Materialabtrags auf. Wenn mit einem Laser ein inhomogenes Material bearbeitet wird, so ist der Bearbeitungserfolg nicht eindeutig vorhersehbar. Die Inhomogenität des Materials bewirkt, dass die gleiche Energiezu fuhr über den Laserstrahl an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche des Werkstücks einen unter schiedlichen Materialabtrag bewirkt. Soll ein einheitlicher Materialabtrag erzielt werden, beispiels weise da eine Vertiefung einheitlicher Tiefe in die Oberfläche eingebracht werden soll, so muss somit an manchen Stellen der Werkstückoberfläche nochmals Energie zugeführt werden, während andere Stellen bereits die Solltiefe erreicht haben. Es ergeben sich dabei aufgrund der Inhomogenität kom plexe Bearbeitungsbereiche, die aus einer Vielzahl kleiner Flächen zusammengesetzt sind. Die oben beschriebene Vorgehensweise, einen jeweils besten Schraffurwinkel für jede dieser kleinen Flächen zu definieren, würde zu einer sehr hohen Bearbeitungszeit führen. AUFGABE UND LÖSUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren zur Bahnplanung und Verfahren zur Laserbearbeitung mittels Bahnplanung sowie eine hierfür geeignete Bearbeitungsanlage zur Verfügung zu stellen, die eine ver kürzte Bearbeitungszeit eines Werkstücks gestatten.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird hierzu ein Verfahren zur Festlegung einer Bewegungs bahn eines additiv oder subtraktiv wirkenden Werkzeugs oder eines als Werkzeug verwendeten Laser strahls vorgeschlagen. Die durch dieses Verfahren festzulegende Bewegungsbahn beschreibt den Pfad, entlang dessen das Werkzeug oder der Laserstrahl in einer Bearbeitungsebene zum Zwecke der Aufbringung von Material auf einer Werkstückoberfläche oder zum Zwecke der Abtragung von Materi al von einer Werkstückoberfläche bewegt wird.
Die durch das Verfahren erzeugt Bewegungsbahn bildet in mindestens einem Teilbereich auf der Be arbeitungsebene eine Schraffur aus zueinander parallelen und geradlinigen Bahnabschnitten, die um einen Schraffurwinkel gegenüber einer Referenzrichtung geneigt sind. Das Verfahren dient der Ermitt lung mindesten eines hierfür zu verwendenden Schraffurwinkels. Insbesondere bevorzugt ist das Ver fahren dafür ausgebildet, eine Bewegungsbahn zu erzeugen, die in mehreren unterschiedlichen, aber zusammenhängenden Teilbereichen Schraffuren mit unterschiedlichen Schraffurwinkeln aufweist, wie im Weiteren noch erläutert wird.
Das Verfahren geht von einem XY-Raum in der Bearbeitungsebene aus, wobei der XY-Raum einen Be arbeitungsbereich kennzeichnet, in dem Aufbringung bzw. Abtragung erfolgen soll, so dass diese im XY-Raum gegenüber einem Nichtbearbeitungsbereich unterscheidbar ist, in dem keine Bearbeitung erfolgen soll. Bei dem XY-Raum handelt es sich vorzugsweise um eine zweidimensionale Pixelmatrix, insbesondere jedoch nicht zwingend mit einer Pixeltiefe von 1 Bit, entsprechend also einem Schwarzweiß-Bild, in der beispielsweise weiße Pixel Bearbeitungsbereiche und schwarze Pixel Nicht bearbeitungsbereiche repräsentieren. Statt einer Pixelmatrix kann der XY-Raum jedoch auch Informa tionen zu Bearbeitungsbereichen und Nichtbearbeitungsbereichen in vektorieller Form aufweisen.
Ausgehend von diesem XY-Raum erfolgt eine Radon-Transformation in einen Radon-Raum, in dem für jeden Winkel in der Bearbeitungsebene in einem Winkelbereich von -90° bis +90° gegenüber einer Re ferenzrichtung sowie für jeden Abstand zu einem Referenzpunkt ein Wert ermittelt wird, der unter Berücksichtigung der Lage des Bearbeitungsbereichs im XY-Raum den Bearbeitungsbedarf in Hinblick auf den jeweiligen Winkel und den jeweiligen Abstand repräsentiert.
Die Referenzrichtung und der Referenzpunkt sind dabei frei wählbar. Dementsprechend ist die Angabe des Winkelbereichs von -90° bis +90° auch dahingehend zu verstehen, dass es lediglich auf das Abde cken eines Winkelbereichs von 180° ankommt, ohne dass dessen Anfang und Ende eine Rolle spielt.
Durch die Radon-Transformation wird für eine jede der gedachten Geraden, die den Referenzpunkt kreuzen und beispielsweise in Schrittweiten von 1° die genannten 180° überspannen, ermittelt, wel cher Bearbeitungsbedarf sich auf dieser Linie sowie auf hierzu parallelen Geraden verschiedener Ab stände ergeben. Der über die gedachten Geraden aufsummierte Bearbeitungsbedarf bildet den jewei ligen Radon-Wert.
Eine übliche Visualisierung des Radon-Raums stellt diesen als zweidimensionales Diagramm dar, in dem auf einer Achse der jeweilige Winkel und auf deren anderer Achse der Abstand der entsprechen den Geraden dieses Winkels gegenüber der Referenzrichtung und dieses Abstandes gegenüber dem Referenzpunkt vermerkt wird. Der genannte aufsummierte Bearbeitungsbedarf kann dann beispiels weise die Helligkeit des von einem gegebenen Winkel und einem gegebenen Abstand definierten Punktes bilden. Der entsprechende Summenwert wird im Weiteren auch Radon-Wert genannt.
Ein heller Bereich in dieser Visualisierung heißt, dass in dem Winkelfeld und in dem Abstandsfeld des Radon-Raums, in dem dieser helle Bereich zu finden ist, ein hoher Bearbeitungsbedarf besteht, so dass die Bearbeitung mit Bahnabschnitten, die in diesem Winkelfeld ausgerichtet sind, grundsätzlich im betreffenden Abstandsfeld zweckmäßig erscheint.
Ausgehend vom derart erzeugten Radon-Raum wird ein modifizierter Radon-Raum berechnet, in dem hohe Werte des Radon-Raums weiter erhöht und/oder geringe Werte des Radon-Raums verringert werden. Bezogen auf die beschriebene visualisierte Form des Radon-Raums handelt es sich um eine Kontrasterhöhung, durch die geringe Werte im Radon-Raum relativ an Bedeutung verlieren und hohe Werte relativ an Bedeutung gewinnen. Eine besonders bevorzugte Methode ist die Potenzierung des Radon-Wertes, insbesondere mit einem Exponenten zwischen 1,5 und 2,5 und insbesondere mit dem Exponenten 2 (Quadrierung). Dieser modifizierte Radon-Raum wird nun zur Erzeugung eines Summenwertes für jeden Winkel her angezogen, beispielsweise in 1°-Schritten. Hierzu wird ausgehend vom genannten modifizierten Ra don-Raum für jeden Winkel ein Summenwert der diesem Winkel zugeordneten Werte ermittelt. Dieser Summenwert setzt sich zusammen aus dem im jeweiligen Winkel ungeachtet des Abstandes aus dem modifizierten Radon-Raum entnehmbaren Bearbeitungsbedarfs.
Der sich ergebende Graph weist üblicherweise mindestens ein Maximum auf. Im Falle komplexer Kör per weist er typischerweise mehrere Maxima auf. Dies ist dahingehend interpretierbar, dass Teilberei che des Bearbeitungsbereichs idealerweise mit unterschiedlichen Schraffuren überstrichen werden sollten.
Der Winkel, bei dem eines der Maxima oder das gegebenenfalls einzige Maximum liegt, bildet den ge suchten Schraffurwinkel oder im Falle von Teilbereichen mit mehreren Schraffurwinkeln den ersten dieser Schraffurwinkel.
Im Falle von mehreren Schraffurwinkeln, die sich aus mehreren Maxima in dem genannten Graph er geben, wird anschließend zunächst ermittelt, welcher Teilbereich des gesamten Bearbeitungsbereich mit Bahnabschnitten entsprechend diesem Schraffurwinkel zu überstreichen ist. Hierfür wird im Ra don-Raum mindestens ein Abstandsbereich definiert, der angibt, in Bereich welchen Abstandes von einer im Schraffurwinkel ausgerichteten und den Referenzpunkt schneidenden Linie, Bereiche für die Bearbeitung mit dem betreffenden Schraffurwinkel vorhanden sind. Wie dieser mindestens eine Ab standsbereich festgelegt werden kann, wird im Weiteren noch näher erläutert.
Weiterhin wird auf Basis eines zweiten Maximums im genannten Graph ein zweiter Schraffurwinkel für die Ausrichtung der Schraffur in einem zweiten Teilbereich der Werkstückoberfläche festgelegt.
Um auch für diesen zweiten Schraffurwinkel jenen vom ersten Teilbereich abweichenden Teilbereich des Bearbeitungsbereichs zu identifizieren, der mit Bahnabschnitten entsprechend diesem zweiten Schraffurwinkel zu überstreichen ist, wird zunächst ein zweiter XY-Raum erzeugt, in dem der Bearbei tungsbereich um den ersten Teilbereich reduziert ist. Bezogen auf die oben genannte Pixelmatrix be deutet dies, dass der zweite XY-Raum auf Basis des ersten XY-Raums erzeugt wird, wobei demgegen über die Pixel des ersten Teilbereichs invertiert werden. Wenn nur zwei Maxima vorliegen und/oder nur zwei Teilbereiche unterschieden werden sollen, bildet der verbleibende Bearbeitungsbereich als Ganzes den zweiten Teilbereich.
Im Falle von mehr als zwei Teilbereichen wird stattdessen für den nach Abzug des ersten Teilbereichs verbleibenden Bearbeitungsbereich unter Verwendung des entsprechend dem zweiten Maximum festgelegten zweiten Schraffurwinkels, die Verteilung des verbleibenden Teils des Bearbeitungsbe reichs in Abhängigkeit des Abstandes ermittelt. Dies kann so verstanden werden, dass statt der Erzeu gung eines geänderten Radon-Raums auf Basis des zweiten XY-Raums nur für einen Winkel, den des zweiten Maximums, eine einzelne Radon-Zeile ermittelt wird, aus der sich ergibt, in welchem Abstand vom Referenzpunkt welcher aufsummierte Bearbeitungsbedarf verbleibt.
Auf Basis der durch die Werte dieser Radon-Zeile widergespiegelten Verteilung wird erneut mindes tens ein Abstandsbereich festgelegt, der angibt, welcher Teil des verbleibenden Bearbeitungsbereichs den zweiten Teilbereich bildet, der mit einer Schraffur entsprechend dem zweiten Schraffurwinkel zu überstreichen ist.
Bei mehr als zwei Maxima kann der Vorgang auch häufiger wiederholt werden, wobei in jedem Durch gang für einen weiteren Winkel, der insbesondere vorzugsweise als Maximum aus dem genannten Graph ermittelt wurde, der jeweilige Teilbereich ermittelt wird, der mit einer Schraffur dieses Schraf- furwinkels zu überstreichen ist. Erst beim letzten Schraffurwinkel und dem letzten Teilbereich ist der artiges nicht erforderlich, da sich hier der Teilbereich aus dem ursprünglichen Bearbeitungsbereich abzüglich der zuvor ermittelten Teilbereiche ergibt.
Wie bereits oben genannt, erfolgt bei Untergliederung des Bearbeitungsbereichs in mindestens zwei Teilbereiche zur Ermittlung aller Teilbereiche bis auf den letzten Teilbereich eine Ermittlung der dem jeweiligen Teilbereich zugeordneten Fläche des Bearbeitungsbereichs durch Festlegung mindestens eines Abstandsbereichs.
Dies kann insbesondere wie folgt geschehen: Zunächst wird für den jeweiligen Schraffurwinkel ermit telt, bei welchem Abstand vom Referenzpunkt der Wert des Radon-Raums bzw. der Radon-Linie ma ximal ist. Anschließend wird ein gegenüber dem Wert dieses Maximums um einen vorgegeben Wert oder einen prozentualen Anteil gesenkter Schwellwert festgelegt wird, beispielsweise bei 70% des Maximalwertes. Dem mindestens einen Abstandsbereich sind dann jene Flächen zugeordnet, in denen der für den betreffenden Abstand summierte Bearbeitungsbedarf oberhalb dieses Schwellwertes liegt.
Außerhalb dieses mindestens einen Abstandsbereichs liegende Teile des Bearbeitungsbereichs wer den nicht dem betreffenden Schraffurwinkel zugeordnet und stellen somit den verbleibenden Bear beitungsbereich dar, der ganz oder teilweise mittels der zweiten oder nächsten Schraffur mit anderem Schraffurwinkel zu überstreichen ist.
Es ist bevorzugt, dass nach Ermittlung dieses Abstandsbereichs dieser noch etwas aufgeweitet wird. Wenn also beispielsweise ein Abstandbereich von -10 mm bis 25 mm ermittelt wird, in dem der Bear beitungsbedarf oberhalb des Schwellwertes liegt, wird der Abstandsbereich für die folgenden Schritte demgegenüber etwas aufgeweitet, so dass der Abstandsbereich sich dann beispielsweise von -13 mm bis 28 mm erstreckt.
Das beschriebene Verfahren weist zwei Parameter auf, deren jeweils vorteilhafteste Festlegung vor zugsweise dadurch dynamisch festgelegt wird, dass im Rahmen des Verfahrens die obigen Schritte mehrfach für die gleiche vollständige Bearbeitungsfläche durchgeführt werden, so dass sich in Ab hängigkeit der Wahl der betreffenden Parameter unterschiedliche Bewegungsbahnen ergeben, die dann im Rahmen eines Vergleichs bewertet werden, um die beste Bewegungsbahn auszuwählen.
Der erste dieser Parameter betrifft die Reihenfolge, in der den Maxima des oben beschriebenen Gra phen und den sich daraus ergebenden Schraffurwinkeln jeweils Teilbereiche der Bearbeitungsfläche zugordnet werden. Im Falle von drei Maxima ergeben sich beispielsweise insgesamt sechs Möglichkei ten der Reihenfolge der Abarbeitung zum Zwecke der Zuordnung von Teilbereichen.
Der zweite dieser Parameter betrifft die beschriebene Art der Ermittlung des Abstandsbereichs. Wie oben vorgeschlagen worden, kann dieser dadurch definiert werden, dass ein Schwellwert des Bear beitungsbedarfs gesetzt wird, beispielsweise prozentual abgesenkt gegenüber dem Bearbeitungsbe darfsmaximums. Die Zuordnung der Bearbeitungsfläche zu den Teilbereichen wird in erheblichem Maße dadurch beeinflusst, ob dieser beispielsweise bei 20% oder bei 80% des Bearbeitungsbedarfs maximums liegt. Wenn beispielsweise drei Maxima im Graph vorliegen, so dass sechs Reihenfolgen der Bearbeitung denkbar sind und wenn der Schwellwert in 10%-Schritten zwischen 10% und 90% des Bearbeitungs bedarfsmaximums permutiert wird, ergeben sich insgesamt 54 Bewegungsbahnmöglichkeiten.
Diese 54 Bewegungsbahnen können alle ermittelt und miteinander verglichen werden, um die den Anforderungen am besten entsprechende aus diesen 54 auszuwählen. Insbesondere vorzugsweise erfolgt dies, indem den Bewegungsbahnen ein Qualitätswert zugeordnet wird, welcher insbesondere die damit einhergehende Bearbeitungszeit wiederspiegeln kann. Der entsprechende Algorithmus soll te dabei nicht nur die Bahnlänge berücksichtigen, sondern auch den besonderen Zeitaufwand beim nichtbearbeitenden Verfahren des Werkzeugs und insbesondere den mit Richtungswechseln einher gehenden Zeitbedarf.
Von den genannten 54 Bewegungsbahnen wird auf Basis dessen jene gewählt, die die kürzeste Bear beitungszeit gestattet. Die anderen Bewegungsbahnen werden anschließend verworfen und spielen keine Rolle mehr.
Das beschriebene Verfahren zur Ermittlung der Bewegungsbahn wird bei einem Bearbeitungsverfah ren mit adaptiver Bahnplanung, die im Weiteren noch erläutert wird, durch das Steuersystem der ent sprechenden Bearbeitungsanlage ausgeführt, welches den initialen XY-Raum entweder von einem externen System übertragen bekommt oder mittels eines Erfassungssystems der Bearbeitungsanlage erfasst. Dieses Steuersystem oder ein hiermit verbundenes zweites System steuert auf Basis der Be wegungsbahn den Laserstrahl und eine Steuereinrichtung zur Ausrichtung des Laserstrahls.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur abtragenden Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, bei dem vorzugsweise die oben beschriebene Bahnplanung Verwendung findet, grundsätzlich jedoch auch andere Arten der Bahnplanung Verwendung finden könnten.
Bei der abtragenden Bearbeitung mittels eines Laserstrahls wird dieser über eine Oberfläche geführt, wo er das Material lokal erhitzt und dadurch verdampft. Eine solche Bearbeitung wird insbesondere auch bei Verbundwerkstoffen, insbesondere bei Faserverbundwerkstoffen wie kohlefaserverstärktem Kunststoff verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet insbesondere bei solchen inhomogenen Materialien eine kurze Bearbeitungszeit. Hierzu wird zunächst der Bearbeitungsbedarf initial ermittelt. Dieser kann sich beispielsweise aus vektoriellen oder Pixelmatrix-Bilddaten ergeben, die einer CAD-Software entstammen. Auf Basis die ses initialen Bearbeitungsbedarfs wird eine erste Bewegungsbahn festgelegt und anschließend wird die Bearbeitung der Werkstückoberfläche durch Führung des Laserstrahls entlang der ersten Bewe gungsbahn begonnen. Der Laserstrahl erhitzt die Oberfläche des Werkstücks und verdampft das dor tige Material.
Während oder nach Abschluss dieser Bearbeitung auf Basis des Bearbeitungsergebnisses der ersten Bewegungsbahn erfolgt erfindungsgemäß ein erneutes Erfassen der Werkstückoberfläche zur Ermitt lung des verbleibenden Bearbeitungsbedarfs. Es wird bei dieser Erfassung also geprüft, wie sich die Bearbeitung ausgewirkt hat und welche Menge des abzutragenden Materials bereits abgetragen wur de. Hieraus ergibt sich, dass bei einem anschließenden Bearbeitungsschritt nicht mehr alle Teilberei che des ursprünglichen Bearbeitungsbereichs gleichermaßen zu bearbeiten sind.
Auf Basis dieses nur noch in Teilen des Bearbeitungsbereichs erforderlichen Bearbeitungsbedarfs wird nun wiederum eine Bewegungsbahn festgelegt, also eine zweite oder nächste Bewegungsbahn auf Basis des ermittelten verbleibenden Bearbeitungsbedarfs. Anschließend erfolgt die fortgesetzte Bear beitung unter Nutzung dieser neuen Bewegungsbahn.
Dieser Vorgang wird vorzugweise vielfach durchgeführt, wobei jeweils nach Bearbeitung wiederum eine Erfassung der Werkstückoberfläche und des bisherigen Bearbeitungserfolges stattfindet und auf Basis dessen erneut eine Bewegungsbahn ermittelt wird. Abgeschlossen ist die Bearbeitung erst dann, wenn die Laserstrahlbewegung entlang der zuletzt ermittelten Bewegungsbahn das gesamte verblie bene Material verdampft, so dass die Solltiefe überall erreicht ist.
Für die Erfassung der Werkstückoberfläche sind verschiedene Verfahren denkbar. Im einfachsten Falle findet eine digitale Kamera mit einem CMOS- oder CCD-Sensor Verwendung, der mittels einer geeig neten Optik die Werkstückoberfläche im Bereich der Bearbeitung untersucht. Um eine vorteilhafte Genauigkeit zu erzielen, wird es allerdings bevorzugt, wenn ein genaueres Verfahren Verwendung findet. Hierbei kann insbesondere die Erfassung der Werkstückoberfläche mittels Laser- Interferometrie erfolgen, insbesondere mittels optischer Kohärenztomografie, oder auch mittels La se rtriangulation. Bei der Verwendung von Laser-Interferometrie ist es vorgesehen, dass ein hierfür vorgesehener Prüf- Laserstrahl, der mit dem Laserstrahl zur Oberflächenbearbeitung identisch sein kann, durch die Ober fläche des Werkstücks reflektiert wird und mit dem ursprünglichen Laserstrahl überlagert wird, um aus der sich ergebenden Interferenz auf die Lage der Reflexionsebene und somit auf die Tiefe der bis herigen Bearbeitung zu schließen.
Das eingangs genannte Verfahren der Bahnberechnung kann in sehr unterschiedlichen Herstellungs verfahren Anwendung finden, wie in der subtraktiven Fräsbearbeitung oder der additiven Fertigung durch geschmolzenen Kunststoff (3D-Druck). In solchen Fällen, in denen die adaptive Bahnberech nung während der Bearbeitung üblicherweise nicht erforderlich ist, findet die erfindungsgemäße Bahnberechnung vorzugsweise in einem vor der eigentlichen Bearbeitung stattfindenden Schritt statt. Im Falle des 3D-Drucks wird dieser Schritt der vorgelagerten Bahnberechnung üblicherweise „Slicing“ genannt.
Insbesondere zur Verwendung bei adaptiver Bahnberechnung, also einer Bahnberechnung, die zu mindest teilweise nach Beginn der Bearbeitung und unter Berücksichtigung des bisherigen Bearbei tungserfolges stattfindet, wird gemäß der Erfindung weiterhin eine Anlage zur Bearbeitung von Werk stücken mittels eines Laserstrahls vorgeschlagen.
Diese Anlage weist zum einen ein Lasergerät zur Abgabe eines Laserstrahls auf und verfügt zur Erzeu gung der Relativbewegung zum Werkstück über eine Laser-Steuereinrichtung, mittels derer der Laser strahl auf eine Werkstückoberfläche gerichtet und dort zweidimensional beweglich ist. Die Beweg lichkeit wird vorzugsweise mittels eines oder mehrerer kippfähiger Spiegel erzeugt, die den Laser strahl reflektieren und damit die Bearbeitungsposition zweidimensional steuern können. Es ist aber auch möglich, dass das Lasergerät oder das Werkstück als Ganzes verlagert wird, um die gewünschte Relativverlagerung zu erzielen.
Weiterhin weist die Anlage vorzugsweise eine Erfassungseinrichtung auf, die auf das Werkstück ge richtet ist und dafür ausgebildet, zu erfassen, wieviel Material vom Werkstück bereits abgetragen wurde. Diese Erfassung kann während oder nach der Bearbeitung erfolgen. Diese Erfassungseinrich tung kann in der oben beschriebenen Art insbesondere als Kamera oder als Einrichtung zu Ermittlung der Oberfläche mittels Laser-Interferometrie oder Laser-T riangulation ausgebildet sein. Mit diesen Komponenten ist die Anlage dafür ausgebildet, das Verfahren zur Festlegung einer Bewe gungsbahn und/oder das Verfahren zur Werkstückbearbeitung, wie jeweils oben beschrieben, durch zuführen.
Die Anlage weist ein elektronisches Steuersystem auf, auf dem das Verfahren zur Festlegung der Be wegungsbahn abläuft und das mit einem Steuercomputer zur Steuerung der Laser-Steuereinrichtung vorzugsweise identisch ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfol genden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend an hand der Figuren erläutert sind.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anlage.
Fig. 2A bis 2G verdeutlichen an einem sehr einfachen Beispiel das Verfahren zur Festlegung der Bewe gungsbahn.
Fig. 3A bis 3U verdeutlichen an einem komplexeren Beispiel das Verfahren zur Festlegung der Bewe gungsbahn, wobei diese Bewegungsbahn nacheinander schrittweise für Teilbereiche des Bearbei tungsbereichs festgelegt wird.
Fig. 4A bis 4E verdeutlichen eine Variante des Verfahrens zur Festlegung der Bewegungsbahn, bei dem unterschiedliche Bewegungsbahnmöglichkeiten erstellt werden, um anschließend die Bewegungs bahn nach Vergleich der Bewegungsbahnmöglichkeiten aus diesen auszuwählen.
Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anlage.
Fig. 6A bis 6H zeigen einen Bearbeitungsvorgang auf der Anlage gemäß Fig. 5, bei der adaptiv der vor herige Bearbeitungsstand zur Festlegung der Bewegungsbahn herangezogen wird. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Anlage 1 zur Bearbeitung von Werkstücken 20 mittels eines Laserstrahls 12.
Die Anlage dient dem Zweck, das Werkstück 10 mittels des von einem Lasergerät 11 erzeugten Laser strahls 12 zu bearbeiten, wobei diese Bearbeitung in einem lokalen Erhitzen zum Zwecke des Ver dampfens von Material besteht. Der Laserstrahl 12 ist über zwei kippbewegliche Spiegel 13, 14 zwei dimensional beweglich, so dass das Steuern des Laserstrahls 12 in einer Bearbeitungsebene 22, in der sich die Werkstückoberfläche 20 erstreckt, möglich ist. Die Bereiche 30A und 30B in Fig. 1 kennzeich nen einen Bearbeitungsbereich 30A, in dem Material abgetragen werden soll, sowie einen Nichtbear beitungsbereich 30B, in dem kein Abtrag stattfinden soll.
Um im Bearbeitungsbereich 30A Material zu entfernen, muss der Laserstrahl 12 mittels der Spiegel 13, 14 entlang einer Bewegungsbahn 90 bewegt werden.
Anhand der Fig. 2A bis 2G wird nachfolgend dargelegt, wie diese Bewegungsbahn 90 festgelegt wird.
Fig. 2A zeigt nochmals den Bearbeitungsbereich 30A und den Nichtbearbeitungsbereich 30B, die in einem XY-Raum verzeichnet sind. Diese Information, wo die Bearbeitung stattfinden soll, wird übli cherweise von einer Software bereitgestellt. Ausgehend vom XY-Raum 30 ist zu ermitteln, wie die Be wegungsbahn 90 zu gestalten ist, um möglichst optimal und insbesondere zeitsparend den Laser strahl 12 über den gesamten Bearbeitungsbereich 30A führen zu können.
Diese Ermittlung erfolgt derart, dass zunächst ausgehend vom XY-Raum 30 der Fig. 2A eine Radon- Transformation in einen Radon-Raum 40 erfolgt, wobei dieser Radon-Raum 40 in Fig. 2D dargestellt ist. Diese Radon-T ransformation erfolgt derart, dass relativ zu einem frei definierbaren Referenzpunkt 32 und einer frei definierbaren Referenzrichtung 33 den Referenzpunkt 32 schneidende Geraden 34, 35, 36 gleichsam auf den XY-Raum 30 aufgelegt werden, wobei die verschiedenen Geraden 34, 35, 36 jeweils unterschiedlich gegenüber der Referenzrichtung 33 geneigt sind und stellvertretend für eine Evaluierungswinkel stehen. Die Fig. 2B zeigt die drei Geraden 34, 35, 36 nur exemplarisch. Tatsächlich überspannen die Geraden einen Winkelbereich von 180°, beispielsweise mit einer Schrittweite von 1°, so dass sich insgesamt 180 dieser Geraden identifizieren lassen. Jeder dieser Geraden und damit je dem Evaluierungswinkel ist eine Spalte im Radon-Raum 40 der Fig. 2D zugeordnet. Der Helligkeitswert innerhalb dieser Spalte ergibt sich durch den jeweiligen Bearbeitungsbedarf auf der ihr zugeordneten Geraden und hierzu parallelen Geraden. Dessen Ermittlung wird anhand der Fig. 2C verdeutlicht. Zu der den Referenzpunkt 32 schneidenden Geraden 36G, die gegenüber der Referenzrichtung 33 um 30° gekippt ist, sind eine Vielzahl weiterer Geraden 36A bis 36M eingezeichnet. Die Länge des jeweiligen Abschnitts dieser Geraden, der den Bearbeitungsbereich 30A schneidet, führt zu einem Helligkeits wert im Radon-Raum 40. In Fig. 2D sind mit den Kreisen 46A bis 46M die jeweiligen Radon-Werte ge kennzeichnet. Exemplarisch ist erkennbar, dass die den Referenzpunkt 32 schneidende Gerade 36G ebenso wie die beiden benachbarten Geraden 36F und 36H einen Streckenabschnitt maximaler Länge im Bearbeitungsbereich 30A aufweisen. Korrespondierend hierzu sind auch die im Radon-Raum 40 hier dargestellten Helligkeitswerte identisch zueinander. Die weiter vom Referenzpunkt 32 entfernten Geraden 36A bis 36E und 361 bis 36M führen entsprechend der Darstellung der Fig. 2D zu niedrigeren Radon-Werten, da sie den Bearbeitungsbereich 34A nur über einen kürzeren Abschnitt schneiden. Somit ergibt sich bezogen auf die beschriebene Art der Visualisierung hier eine geringere Helligkeit.
Ausgehend von dem so erzeugten Radon-Raum 40 der Fig. 2D wird ein modifizierter Radon-Raum 45 erzeugt, der in Fig. 2E dargestellt ist. Die entsprechende Transformation könnte bezogen auf die Vi sualisierung des Radon-Raums als Kontrasterhöhung bezeichnet werden. Sie dient dem Zweck, ver gleichsweise geringe Radon-Werte zu reduzieren und hohe Radon-Werte weiter zu erhöhen. Eine be sonders bevorzugte und sehr einfache Möglichkeit hierfür ist die Quadrierung der Radon-Werte.
Ausgehend von dem modifizierten Radon-Raum 45 der Fig. 2E wird anschließend für jeden Winkel unter Berücksichtigung der bereits erwähnten Schrittweite ein Aufsummieren der Radon-Werte vor genommen, was bezogen auf Fig. 2E bedeutet, dass entlang vertikaler Linien die Radon-Werte auf summiert werden.
Werden die sich hierbei ergebenden Summen über dem Winkel aufgetragen, so ergibt sich der Graph 51 in dem in Fig. 2F dargestellten Diagramm 50. Wie unmittelbar zu ersehen ist, hat dieser Graph ein einziges Maximum, welches exakt bei 0° liegt. Dieses Maximum wird als Schraffurwinkel A interpre tiert. Die Erstellung dieses Graphs 51 mit mindestens einem Maximum ist nur aufgrund der vorherigen Kontrasterhöhung möglich. Wäre der genannte vorherige Schritt nicht erfolgt, so wäre der Graph eine horizontale Gerade, die keine Erkennung eines Maximums gestatten würde.
Auf Basis dessen kann dann die Bewegungsbahn 90 festgelegt werden, wie es aus Fig. 2G ersichtlich ist. In Fig. 2G sind die einzelnen Bahnabschnitte als separate Pfeile dargestellt. Dies dient nur derVer- einfachung. In der Praxis ist es von Vorteil, wenn die Bewegungsbahn eine soweit möglich ununter brochene und insbesondere serpentinenförmige Bewegungsbahn 90 ist.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fig. 2A bis 2G liegt die optimale Ausrichtung der Schraffur aufgrund der sehr einfachen Geometrie des Bearbeitungsbereichs 30A auch ohne das be schriebene Verfahren auf der Hand. Das Beispiel dient daher zunächst nur der Verdeutlichung der wesentlichen Schritte.
Anhand der Fig. 3A bis 3U wird das Verfahren anhand einer komplexeren Geometrie verdeutlicht.
Fig. 3A zeigt wiederum einen XY-Raum, in dem helle Pixel einen Bearbeitungsbereich 30A bilden und dunkle Pixel einen Nichtbearbeitungsbereich 30B bilden.
Um hierfür die ideale Bewegungsbahn bzw. die idealen Bewegungsbahnen zu ermitteln, werden zu nächst die gleichen Verfahrensschritte wie beim vorangegangenen Ausführungsbeispiel durchgeführt. Es werden also wiederum in der in Fig. 3B skizzierten Weise Geraden 34, 35, 36 über den XY-Raum 30 gelegt, so dass sie den Referenzpunkt 32 schneiden und in unterschiedlichem Maß gegenüber einer Referenzrichtung 33 geneigt sind, vorliegend dargestellt um 0°, 15° und 30°. Diese Geraden 34, 35 und 36 sind wiederum nur exemplarisch zu verstehen und repräsentieren unterschiedliche Evaluierungs winkel. In der Praxis können beispielsweise wieder 180 Geraden bzw. Evaluierungswinkel verwendet werden, die jeweils um 1° voneinander beabstandet sind. Wie auch zuvor anhand der Fig. 2C be schrieben, werden wiederum zur Erzeugung des Radon-Raums zu den bereits genannten Geraden 34, 35, 36 jeweils parallele Geraden 36A bis 36M über den XY-Raum 30 gelegt. Der in Fig. 3D dargestellte Radon-Raum ergibt sich dann wieder durch die jeweiligen Teilabschnitte der Geraden 36A bis 36M, die den Bearbeitungsbereich 30A schneiden.
Der sich ergebende Radon-Raum 40 der Fig. 3D zeigt, dass nun nicht mehr ein helles Zentrum entspre chend der Fig. 2D entsteht, sondern drei Zentren.
In der bereits im Zusammenhang mit Fig. 2E beschriebenen Art und Weise wird ausgehend vom Ra don-Raum 40 ein modifizierter Radon-Raum 45 erzeugt, der bezogen auf die Art der Visualisierung wieder als kontrasterhöhter Radon-Raum verstanden werden kann. Entsprechend dem Vorgehen, welches im Hinblick auf Fig. 2F bereits beschrieben wurde, wird an schließend ermittelt, bei welchen Winkeln die zu diesem Winkel abstandsunabhängig aufsummierten Radon-Werte Maxima bilden. Fig. 3F zeigt dies in einem entsprechenden Diagramm 50, in welchem der Graph 51 insgesamt drei Maxima 52A, 52B, 52C zeigt. Diese drei Maxima sind bei drei unterschiedli chen Winkeln zu finden, nämlich vorliegend bei -27°, bei 9° sowie bei 37°. Diese drei Winkel bilden die Schraffurwinkel A, B, C für unterschiedliche Teilbereiche des Bearbeitungsbereichs 30A.
Die ab hier folgenden Schritte dienen dem Zweck, zu identifizieren, welche Teile des Bearbeitungsbe reichs 30A den jeweiligen Teilbereichen zuzuordnen sind, in denen die drei unterschiedlichen Schraf- furrichtungen A, B, C Verwendung finden.
Hierfür wird zunächst mit einem ersten Maximum begonnen, vorliegend dem Maximum 52C. Aus dem zuvor erzeugten Radon-Raum 40 wird eine Radon-Zeile 41 herangezogen, wobei eine solche Radon- Zeile für einen gegebenen Winkel, vorliegend den Schraffurwinkel A bis 37°, abstandsbezogen dem Bearbeitungsbedarf wiederspiegelt.
Auf Basis dieser Radon-Zeile wird die abstandsabhängige Helligkeit in einem Diagramm 60 verzeich net, wobei bei der computergestützten Abarbeitung des Verfahrens selbstverständlich eine Visualisie rung nicht erforderlich ist. Die hier zum besseren Verständnis eingefügte Visualisierung der Fig. 3H zeigt, dass beim bestimmten Abstand die größte Helligkeit im Radon-Raum zu finden ist, was bedeu tet, dass insbesondere bei diesem Abstand die Bearbeitung mit dem Schraffurwinkel A zweckmäßig ist. Dieser Maximalwert wird genutzt, um festzulegen, welcher Teilbereich 80 des Bearbeitungsbe reichs der Schraffurrichtung A zuzuordnen ist. Dies geschieht vorliegend, indem ein Schwellwert 46 definiert wird, der vorliegend exemplarisch auf 60 % des Maximalwerts 47 gelegt wird. Anschließend wird der Abstandsbereich 62 ermittelt, in dem der Radon-Wert oberhalb dieses Schwellwerts 46 liegt.
Auf Basis des nun bekannten Schraffurwinkels A und des Abstandsbereichs 62 ergibt sich ein Teilbe reich 80, der sinnvollerweise mit dem Schraffurwinkel A zu überstreichen ist. Dieser ist der Fig. 31 zu entnehmen.
Es wird nun ein neuer XY-Raum 130 erzeugt, der in Fig. 31 angedeutet ist, wobei in diesem neuen XY- Raum der Bearbeitungsbereich 30A um den Teilbereich 80 reduziert ist. Eine vollständige Radon-Transformation dieses neuen XY-Raums 130 ist nicht erforderlich. Stattdes- sen bedarf es nun nur Geraden des zweiten Schraffurwinkels B von -27°. Die in Fig. 3J eingezeichnete Gerade 37, die den Referenzpunkt 32 schneidet, verdeutlicht dies. Nur bezüglich des Schraffurwinkels B werden nun die in Fig. 3K verdeutlichten Geraden 37A bis 37M im Hinblick darauf analysiert, wie groß ihr jeweiliger Abschnitt ist, der den verbleibenden Bearbeitungsbereich 30A schneidet. Wenn gleich in Fig. 3L zur Verdeutlichung nochmals ein vollständiger Radon-Raum 140 auf Basis des redu zierten Bearbeitungsbereichs 30A dargestellt ist, wird also nur die Radon-Linie 47 der Fig. 3L ermittelt. Aus dieser ergibt sich wieder in der durch Fig. 3N verdeutlichten Weise ein Diagramm 160 mit den da rin aufgetragenen modifzierten oder nicht modifizierten Radon-Werten. Wie zuvor bereits zu Fig. 3H beschrieben, wird nun wiederum ausgehend von einem Maximum 47 ein Schwellwert 46 gesetzt, auf Basis dessen ein Abstandsbereich 162 ermittelt wird, innerhalb dessen die Radon-Werte oberhalb des Schwellwerts 46 liegen. Mittels des zweiten Schraffurwinkels B und des Abstandsbereichs 162 ergibt sich somit ein zweiter Teilbereich 180, der in Fig. 30 dargestellt ist. Wie bereits zuvor reduziert dieser zweite Teilbereich 180 den Bearbeitungsbereich 30A, so dass nur der in Fig. 3P dargestellte Bearbei tungsbereich 30A verbleibt, zu dem mit dem Schraffurwinkel C auch schon der passende Schraffur winkel bekannt ist. Parallel zu der den Referenzpunkt 32 schneidenden Geraden 38, die um den Schraffurwinkel C geneigt ist, werden nunmehr wiederum Geraden 38A bis 38M auf diesen dritten XY- Raum 230 gelegt, um in der durch Fig. 3T verdeutlichten Art und Weise ermitteln zu können, in wel chem Abstandsbereich mit dem Schraffurwinkel C der Bearbeitungsbereich zu überstreichen ist. An ders als bei den vorhergehenden Schritten bedarf es jedoch hier keines Schwellwerts. Der letzte Teil bereich umfasst alle Abstände zum Referenzpunkt 32, in denen die Radon-Linie 48 des Radon-Raums 3R größer null ist.
Aus dem hierdurch ermittelten Abstandsbereich 262 ergibt sich ein dritter Teilbereich 280, in dem die Schraffurrichtung C bei der Festlegung der Bewegungsbahn zu verwenden ist.
Die gesamte Bewegungsbahn, die somit im Rahmen dieses Verfahren ermittelt wurde, ist anhand der Fig. 3U ersichtlich. Es ist zu erkennen, dass die Teilbereiche 80, 180, 280 gemeinsam den gesamten ursprünglichen Bearbeitungsbereich 30A abdecken. Es ist ebenfalls zu erkennen, dass durch die Aus richtung der Abschnitte der Bewegungsbahn eine vergleichsweise geringe Zahl von geradlinigen Ab schnitten erforderlich ist. Eine vergleichsweise schnelle Bearbeitung ist die Folge.
Anhand der Fig. 3U ist auch recht gut ersichtlich, dass der Zuschnitt der hier gewählten Teilbereiche 80, 180, 280 nicht alternativlos ist. Er ergibt sich daraus, dass dieser in der beschriebenen Reihenfolge definiert wurden, also die drei Maxima gemäß Fig. 3F in der Reihenfolge 52C, 52A, 52B abgearbeitet wurden. Eine zweite Festlegung, die nicht alternativlos ist und Einfluss auf die Teilbereiche 80, 180, 280 nimmt, liegt darin, dass die Schwellwerte 46, die in den Fig. 3H und 3N dargestellt sind, auf 60 % des Maximalwerts 47 gesetzt worden sind. Würden hier andere Werte, beispielsweise 50 %, verwen det, so ergäbe sich im Detail ebenfalls ein etwas anderer Zuschnitt der Teilbereiche 80, 180, 280.
Es ist daher von Vorteil, wenn die Gesamtheit der zuvor beschriebenen Schritte ausgehend von der Erzeugung des Graphen 51 gemäß Fig. 3F mehrfach erfolgt, um mehrere Bewegungsbahnmöglichkei ten zu erzeugen, von denen anschließend eine ausgewählt wird.
Die Fig. 4A bis 4E verdeutlichen dies. Fig. 4A entspricht dabbei der genannten Fig. 3F mit den drei Ma xima 52A, 52B, 52C.
Die Fig. 4B und 4C zeigen, wie sich der erste Teilbereich 80 ergibt, wenn nicht mit dem Maximum 52C und dem dortigen Winkel 37° begonnen wird, sondern stattdessen mit dem Maximum 52B und dem dortigen Winkel 9°. Die Intensitätsverteilung ergibt sich dann abweichend von der Darstellung der Fig. 3H in der durch die Fig. 4B oder 4C dargestellten Weise. Untereinander unterscheiden sich diese bei den Figuren 4B und 4C darin, welcher Schwellwert gewählt wird. In der Fig. 4B liegt der Schwellwert 46 bei 70 % des Maximums 47, während er in Fig. 4C bei 30 % des Maximums 47 liegt. Es ist ersichtlich, dass dies zu deutlich abweichenden Abstandsbereichen führt, so dass ein deutlich größerer Anteil des Bearbeitungsbereichs 30A mit dem Schraffurwinkel B überstrichen wird als es bei 70 % entsprechend der Fig. 4B der Fall ist. Auch die Zahl der sich ergebenden Teilbereiche kann hierdurch beeinflusst werden.
Die Fig. 4D und 4E beziehen sich auf ein alternatives Vorgehen, bei dem übereinstimmend mit dem Beispiel der Fig. 3A bis 3U mit dem Maximum 52C und dem Schraffurwinkel A von 37° begonnen wird, wobei auch hier dargestellt ist, wie sich bei einem anderen Schwellwert von 30 % in Fig. 4E ein deut lich größerer Abstandsbereich als bei einem Schwellwert von 70% des Maximalwerts entsprechend der Fig. 4D ergibt.
Wenn die drei Maxima in beliebiger Reihenfolge zur Definition von Teilbereichen genutzt werden sol len, so führt dies zu insgesamt sechs Möglichkeiten der Reihenfolge. Wenn weiterhin bei jeder Reihen folge Schwellwerte im 10 %-Abstand zwischen 10 % und 90 % in Erwägung gezogen werden, gibt es je Reihenfolge neun unterschiedliche Zuschnitte der Teilbereiche 80, 180, 280. Insgesamt ergeben sich somit 54 potenzielle Konfigurationen für die Teilbereiche 80, 180, 280 und die entsprechenden Bewe gungsbahnen. Dies gestattet es, nach Berechnung der 54 Möglichkeiten jene auszuwählen, die die kürzeste Bearbeitungszeit verspricht. Die Berechnung der Bearbeitungszeit auf Basis der jeweiligen Bewegungsbahnen erfolgt in Kenntnis der Bearbeitungsanlage und der auf dieser erzielbaren Bahn geschwindigkeit und des erforderlichen Zeitbedarfs für eine Richtungsänderung.
Das beschriebene Verfahren zur Festlegung der Bewegungsbahn ist insbesondere zweckmäßig, wenn es im Rahmen eines Laser-Bearbeitungsverfahrens Verwendung findet, welches mit adaptiver Bahn berechnung arbeitet. Hierunter ist zu verstehen, dass die Bahnberechnung nicht vor Beginn der Bear beitung abgeschlossen ist, sondern in Reaktion auf die Bearbeitung und den sich einstellenden Bear beitungserfolg neu berechnet wird.
Dies wird anhand der Fig. 5 und 6 verdeutlicht.
Fig. 5 zeigt eine Bearbeitungsanlage 1 ähnlich jener der Fig. 1. Abweichend von dieser Bearbeitungs anlage 1 sind jedoch zwei Erfassungseinrichtungen 15, 18 vorgesehen, die die zu bearbeitende Ober fläche des Werkstücks 20 während der Bearbeitung analysieren. Zum einen verfügt die Anlage über eine Digitalkamera 15, die auf den Bearbeitungsbereich gerichtet ist. Zum anderen ist ein Laserinter ferometer 18 vorgesehen, welches einen Messlaserstrahl erzeugt, der durch den halbdurchlässigen Spiegel 17 umgelenkt wird und sich dann in gleicher Erstreckungsrichtung wie der Bearbeitungslaser strahl 12 ausbreitet. Dieser Messlaserstrahl wird vom Werkstück reflektiert und gelangt zurück zum Laserinterferometer 18, wo er mit dem Ausgangsstrahl überlagert wird, um die Vertiefung in der Werk stückoberfläche hierdurch zu ermitteln. Die beiden Erfassungsgeräte 15, 18 sind hier nur zur Verdeut lichung beide dargestellt. In der Praxis reicht es, wenn eine entsprechende Anlage 1 mit einem dieser Erfassungsgeräte oder einem anderen gleichwertigen Erfassungsgerät ausgerüstet ist.
Die Fig. 6A bis 6H verdeutlichen das Bearbeitungsverfahren mit adaptiver Festlegung der Bearbei tungsbahn.
Fig. 6A zeigt wiederum den XY-Raum, in welchem die hellen Flächen den Bearbeitungsbereich 30A darstellen und die dunklen Flächen den Nichtbearbeitungsbereich 30B darstellen. Hieraus ergibt sich entsprechend dem Vorgehen, welches eingangs beschrieben wurde und zum Radon-Raum 40 der Fig. 3D führte, der Radon-Raum 40 der Fig. 6B mit den zwei Bearbeitungsbedarfsmaxima bei etwa 0° und etwa 70°. Diese wiederum führen zu zwei Teilbereichen, die in Fig. 6D dargestellt sind und in denen jeweils mit unterschiedlichen Schraffurwinkeln die Bewegungsbahnen 90, 190 zum Überstreichen der gesamten Bearbeitungsfläche 30A genutzt werden.
Nachdem diese Bearbeitung durchgeführt wurde, ergibt sich ermittelt durch eine der Erfassungsein richtungen 15, 18 das Bild der Fig. 6E als XY-Raum. Es ist zu ersehen, dass nunmehr der Bearbeitungs bereich 30A verkleinert und deutlich fragmentiert ist. Grund hierfür ist, dass der Materialabtrag über den Laserstrahl 12 nicht zu einem einheitlichen Verdampfen von Material führt, insbesondere nicht bei einem Verbundwerkstoff wie kohlefaserverstärktem Kunststoff. Auf Basis des XY-Raums 30 der Fig. 6E wird mit den gleichen Schritten der Erzeugung des Radon-Raums 40 gemäß Fig. 6F, der Ermittlung der Schraffurwinkel gemäß Fig. 6G und der anschließenden Festlegung von Teilbereichen mit jeweils unterschiedlichem Schraffurwinkel entsprechend der Fig. 6H die weitere Bearbeitung geplant und durchgeführt. Hierbei ist zu erkennen, dass ungeachtet der starken Fragmentierung des XY-Raums der Fig. 6E verglichen mit dem XY-Raum der Fig. 6A ein aussagekräftiges Diagramm 50 gemäß Fig. 6G ent steht, dessen Graph 51 wiederum die sehr charakteristischen Maxima 52A, 52B zeigt. Das beschriebe ne Verfahren zur Festlegung der Bewegungsbahn wird also durch starke Fragmentierung des XY- Raums nicht beeinträchtigt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Festlegung einer Bewegungsbahn (90, 190, 290) eines additiv oder subtraktiv wir kenden Werkzeugs oder eines als Werkzeug verwendeten Laserstrahls mit den folgenden
Merkmalen: a. die Bewegungsbahn (90, 190, 290) beschreibt den Pfad, entlang dessen das Werkzeug oder der Laserstrahl in einer Bearbeitungsebene (22) zum Zwecke der Aufbringung von Material auf einer Werkstückoberfläche (20) oder zum Zwecke der Abtragung von Material von einer Werkstückoberfläche (20) bewegt wird, und b. die Bewegungsbahn (90, 190, 290) bildet in mindestens einem Teilbereich (80, 180, 280) auf der Bearbeitungsebene (22) eine Schraffur aus zueinander parallelen und geradlinigen Bahnabschnitten, die um einen Schraffurwinkel (A, B, C) gegenüber einer Referenzrichtung (33) geneigt sind, und c. das Verfahren geht von einem XY-Raum (30) in der Bearbeitungsebene (22) aus, in dem ein Bearbeitungsbereich (30A), in dem Aufbringung bzw. Abtragung erfolgen soll, gegenüber einem Nichtbearbeitungsbereich (30B), in dem keine Aufbringung bzw. Abtragung erfolgen soll, unterscheidbar ist, und d. ausgehend vom XY-Raum (30) in der Bearbeitungsebene (22) erfolgt eine Radon- T ransformation in einen Radon-Raum (40), in dem für jeden Winkel (34, 35, 36) in der Bear beitungsebene (22) in einem Winkelbereich von -90° bis +90° gegenüber einer Referenzrich tung (33) sowie für jeden Abstand (36A-36M) zu einem Referenzpunkt (32) ein Wert (46A- 46M) ermittelt wird, der unter Berücksichtigung der Lage des Bearbeitungsbereichs (30A) im XY-Raum (30) den Bearbeitungsbedarf in Hinblick auf den jeweiligen Winkel und den je weiligen Abstand repräsentiert, und e. ausgehend vom Radon-Raum (40) wird ein modifizierter Radon-Raum (45) berechnet, in dem hohe Werte (46A-46M) des Radon-Raums (40) weiter erhöht und/oder geringe Werte (46A-46M) des Radon-Raums (40) verringert werden, und f. ausgehend vom modifizierten Radon-Raum (45) wird für jeden Winkel (34, 35, 36) in der Bearbeitungsebene (22) in einem Winkelbereich von -90° bis +90° gegenüber einer Refe renzrichtung (33) ein Summenwert (51) der diesem Winkel zugeordneten Werte (46A-46M) ermittelt, und g. es wird mindestens ein Maximum (52; 52A, 52B, 52C) der Summenwerte (51) ermittelt und der Winkel, bei dem dieses Maximum (52; 52C) ermittelt wurde, wird als Schraffurwinkel (A) für die Ausrichtung der Schraffur in dem Teilbereich (80) der Werkstückoberfläche heran- angezogen.
2. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit den folgenden weiteren Merkmalen: a. nach Ermittlung eines ersten Schraffurwinkels (A) wird auf Basis des erzeugten Radon- Raums (40) mindestens ein Abstandsbereich (62) festgelegt, der angibt, welcher Teil des Bearbeitungsbereichs (30A) den ersten Teilbereich (80) bildet, und b. ein zweites der ermittelten Maxima (52A) wird als zweiter Schraffurwinkel (B) für die Aus richtung der Schraffur in einem zweiten Teilbereich (180) der Werkstückoberfläche festge legt, und c. es wird ein zweiter XY-Raum (130) erzeugt, in dem der Bearbeitungsbereich (30A) um den ersten Teilbereich (80) reduziert ist, und d. es wird auf Basis des zweiten XY-Raums (130) unter Verwendung des zweiten Schraffurwin kels (b) die Verteilung des verbleibenden Teils des Bearbeitungsbereichs in Abhängigkeit des Abstandes ermittelt.
3. Verfahren nach Anspruch 2 mit dem folgenden weiteren Merkmal: a. auf Basis der Verteilung wird mindestens ein Abstandsbereich (162) festgelegt, der angibt, welcher Teil des verbleibenden Bearbeitungsbereichs den zweiten Teilbereich (180) bildet.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 mit dem folgenden weiteren Merkmal: a. die Festlegung des Abstandsbereiches (62, 162) auf Basis des Radon-Raums (40) erfolgt dadurch, dass für den ermittelten Schraffurwinkel (A) ermittelt wird, bei welchem Abstand vom Refe renzpunkt (32) der Wert des Radon-Raums (45) maximal ist, anschließend ein demgegenüber um einen vorgegeben Wert oder eine prozentualen Anteil gesenkter Schwellwert (46) festgelegt wird und abschließend der mindestens eine Abstandsbereich (62) dahingehend festgelegt wird, dass im Abstandsbereich (62) der Wert im ersten Radon-Raum (45) für den ersten Schraffurwinkel (A) oberhalb des Schwellwertes (46) liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4 mit den folgenden weiteren Merkmalen: a. das Verfahren der Festlegung mindestens zweier Schraffurwinkel (A, B) erfolgt mindestens zweifach zur Erzeugung unterschiedlicher Bewegungsbahnmöglichkeiten, wobei die hier für durchzuführenden Verfahrensschritte sich hinsichtlich: bei der Ermittlung des Maximums der Summenwerte (51, 151) werden unterschiedli che Maxima (52A, 52B, 52C, 152A, 152B) berücksichtigt, und/oder bei der Festlegung des Schwellwertes (46) erfolgt die Berechnung in unterschiedlicher Weise, unterscheiden, und b. die Festlegung der Bewegungsbahn (90, 190, 290) erfolgt anschließend anhand einer Be wertung der mindestens zwei Bewegungsbahnmöglichkeiten, insbesondere in Hinsicht auf die sich jeweils ergebende Bearbeitungszeit.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem folgenden weiteren Merkmal: a. die Berechnung des modifizierten Radon-Raums (45) erfolgt dadurch, dass die Werte des zugrunde liegenden Radon-Raums (40) jeweils quadriert werden.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem folgenden weiteren Merkmal: a. der XY-Raum (30, 130) wird durch eine Punktmatrix gebildet.
8. Verfahren zur abtragenden Bearbeitung eines Werkstücks (10) mittels eines Laserstrahls (12) mit den folgenden Schritten: a. Ermittlung des Bearbeitungsbedarfs, und b. Festlegung einer ersten Bewegungsbahn (90, 190) auf Basis des ermittelten Bearbeitungs bedarfs, und c. Bearbeitung der Werkstückoberfläche (20) durch Führung des Laserstrahls (12) entlang der ersten Bewegungsbahn (90, 190), und d. Erneutes Erfassen der Werkstückoberfläche (20) zur Ermittlung des verbleibenden Bearbei tungsbedarfs, und e. Festlegen einer zweiten Bewegungsbahn (92, 192) auf Basis des verbleibenden Bearbei tungsbedarfs, und f. erneute Bearbeitung der Werkstückoberfläche (20) durch Führung des Laserstrahls (12) entlang der zweiten Bewegungsbahn (92, 192).
9. Verfahren nach Anspruch 8 mit dem folgenden weiteren Merkmal: a. die Festlegung der ersten und der zweiten Bewegungsbahn (90, 190, 92, 192) erfolgt mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 8 und 9 mit dem folgenden weiteren Merk mal: a. das Werkstück (10) ist ein Werkstück (10) aus einem Verbundwerkstoff, insbesondere mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: b. das Werkstück (10) ist ein Werkstück (10) aus Faserverbundwerkstoff, insbesondere koh lenstofffase rve rstä rkte m Ku nststoff.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 8 bis 10 mit dem folgenden weiteren Merk mal: a. die Erfassung der Werkstückoberfläche erfolgt mittels Laser-Interferometrie, insbesondere mittels optischer Kohärenztomografie, oder b. die Erfassung der Werkstückoberfläche erfolgt mittels Lasertriangulation.
12. Anlage zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls mit den folgenden Merk malen: a. die Anlage weist ein Lasergerät (11) zur Abgabe eines Laserstrahls (12) zum Zwecke des Ab tragens von Material von Werkstück (10) auf, und b. die Anlage weist eine Steuereinrichtung (13, 14) auf, mittels derer der Laserstrahl (12) auf eine Werkstückoberfläche gerichtet und dort zweidimensional beweglich ist, und c. die Anlage ist zur Festlegung einer Bewegungsbahn gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder zur Werkstückbearbeitung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11 ausgebildet.
13. Anlage nach Anspruch 12 mit dem folgenden weiteren Merkmal: a. die Anlage weist eine Erfassungseinrichtung (15, 18) auf, die zur Erfassung der Werkstück oberfläche während oder nach der Bearbeitung zur Ermittlung des verbleibenden Bearbei tungsbedarfs ausgebildet ist.
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