WO2016128287A1 - Mehrkopf-laseranlage mit sensoreinheit in kombination mit einem beweglichen optischen führungselement - Google Patents

Mehrkopf-laseranlage mit sensoreinheit in kombination mit einem beweglichen optischen führungselement Download PDF

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WO2016128287A1
WO2016128287A1 PCT/EP2016/052375 EP2016052375W WO2016128287A1 WO 2016128287 A1 WO2016128287 A1 WO 2016128287A1 EP 2016052375 W EP2016052375 W EP 2016052375W WO 2016128287 A1 WO2016128287 A1 WO 2016128287A1
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WO
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sensor
scanner
laser system
production
head laser
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PCT/EP2016/052375
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Norbert Petschik
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Scanlab Ag
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/101—Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners

Definitions

  • the present invention relates to a multi-head laser system for machining and / or manufacturing, in particular for marking, welding, cutting and / or sintering, an object by means of a plurality of laser beams, with a plurality of rigidly interconnected manufacturing scanners, each having at least one movable laser scanner mirror, by means of which the respective laser beam can be deflected in such a way that its processor location is movable on the object surface within a working field, and with at least one sensor unit rigidly connected to the production scanners and having an optical sensor by means of which an analysis area can be detected on the object surface.
  • a multi-head laser system is known.
  • This is a device having a plurality of laser units, each generating a light beam.
  • the light beams can be deflected or deflected by a respective scanner unit within a predetermined solid angle range, so that the beam spots generated by the light beams on the object can be moved in two dimensions.
  • optical and / or mechanical means may be provided by means of which a focal point of the respective light beams is movable in the direction perpendicular to the plane spanned by the two dimensions.
  • the device comprises a sensor device. This is arranged on the outside of a housing of the scanner unit. The sensor device has a field of view within which the objects can be detected.
  • the field of view overlaps with the solid angle ranges of the scanner units.
  • the field of view of the sensor device must be very large, whereby the sensor resolution is reduced.
  • the accuracy of the sensor device suffers.
  • the data acquisition via the sensor device becomes inaccurate, so that the results of various applications, in particular for Accuracy improvement of the machining process, for process monitoring, quality control and / or calibration of the system.
  • the object of the present invention is therefore to provide a multi-head laser system with a sensor unit, by means of which the data quality, in particular the accuracy, of the sensor unit can be improved.
  • a multi-head laser system is proposed for processing, in particular for marking, welding and / or cutting, and / or for producing, in particular for sintering, an object by means of a plurality of laser beams. Additionally or alternatively, however, other processing and / or manufacturing applications are conceivable.
  • the word component "head” in the word "multi-head laser system” is understood to mean a machining head or production scanner by means of which a laser beam can be guided and / or directed onto a machining surface and moved over the machining surface.
  • the multi-head laser system has a plurality of rigidly interconnected manufacturing scanner.
  • the production scanners thus form a rigid unit with each other. This unit formed from a plurality of rigidly interconnected manufacturing scanners can preferably be stationary, ie immovable.
  • the unit may also be designed to be movable by means of a manipulator.
  • this unit consisting of several production scanners is exclusively translationally movable.
  • Each of these manufacturing scanners has at least one movable laser scanner mirror.
  • the respective laser beam can be deflected in such a way that its processing location can be moved on the object surface within a working field.
  • the process location is the point of impact of the laser beam on the object surface.
  • the multi-head laser system comprises at least one sensor unit rigidly connected to the production scanners.
  • the sensor unit can be permanently or detachably connected to at least one of the production scanners.
  • the sensor unit has an optical sensor, by means of which an analysis area can be detected on the object surface.
  • the analysis area accordingly forms the detection area of the optical sensor, within which the optical sensor can acquire data at the same time, ie at a specific point in time.
  • the sensor unit has at least one optical guide element arranged in the sensor beam path. Furthermore, this optical guide element is designed to be movable such that the analysis region of the optical sensor is movable on the object surface within an analysis field.
  • the analysis field is thus larger than the analytical range detectable by the optical sensor.
  • the analysis field overlaps at least partially with the working fields of the at least two production scanners.
  • the analysis area Due to the mobility of the analysis area, it can advantageously be made smaller than the entire analysis field to be analyzed. As a result, the sensoric resolution of the sensor can be increased as a result. Nevertheless, it is possible to sensor-monitor a large analysis field, which is large in comparison to the analysis area, within a time window required for moving the analysis area. As a result, the quality or data accuracy of the sensor unit can advantageously be increased, which in turn can improve the quality of different applications.
  • the sensor unit comprises a sensor scanner.
  • the sensor unit may additionally or alternatively also be designed as a sensor scanner.
  • the sensor scanner has at least one designed as a guide element sensor scanner mirror.
  • the sensor scanner mirror is preferably pivotable about at least one axis of rotation. By pivoting the sensor scanner mirror, the analysis area of the optical sensor can thus be moved within the analysis field.
  • the deflection range of the sensor scanner mirror at least partially defines the maximum analyzable analysis field.
  • the sensor scanner mirror can be deflected by a larger pivot angle compared to the laser scanner mirror of the respective production scanner.
  • the analysis field of the sensor scanner in comparison to the working field of the respective production scanner larger, i. especially with a larger area.
  • the entire working field of one of the two production scanners and at least one part of the working field of the other production scanner can be monitored or sensory detected with only a single optical sensor, which comprises a very small and thus high-resolution analysis area.
  • the working fields of the at least two production scanners adjoin one another directly. Alternatively, they may overlap in an overlap area.
  • the, in particular two-dimensional, analysis field of the sensor scanner completely covers the working fields of the production scanners.
  • the area of the analysis field would therefore correspond to the sum of the two work fields.
  • the analysis field would be formed by the union of the two work fields.
  • the sensor scanner mirror is made larger in comparison to the laser scanner mirror of the respective production scanner, in particular has a larger mirror surface. As a result, by means of this, a larger area can be covered in comparison to the respective production scanner.
  • the sensor scanner mirror has a different coating than the laser scanner mirror of the respective production scanner.
  • the coating of the sensor scanner mirror is in this case preferably adapted to the wavelength range of the optical sensor, i. in which the optical sensor works.
  • the quality of the data detected by the optical sensor can be additionally improved.
  • the laser scanner mirror can be adapted to the wavelength of the processing laser.
  • the sensor scanner mirror by means of a motor, in particular an encoder motor, is controllable. Furthermore, it is advantageous in this regard, if the motor of the sensor scanner mirror in comparison to the motor of the laser scanner mirror has a higher accuracy, in particular fine adjustment.
  • the optical sensor is an image sensor, in particular a camera.
  • the acquired data can thus be analyzed and evaluated by means of image processing.
  • the camera can be a far-infrared and / or near-infrared camera.
  • the camera can work in particular in the range of the wavelength spectrum of visible light.
  • the optical sensor is aligned directly or indirectly, in particular with the interposition of an optical element on the sensor scanner mirror, in particular on its center.
  • the optical element may in this case preferably be a deflection mirror, a lens and / or a lens.
  • the sensor unit may comprise further optical elements such as deflecting mirrors, lenses and / or objectives. Furthermore, these can be arranged along the sensor beam path at different positions.
  • an objective of the sensor unit can be connected downstream of the movable optical guide element and / or upstream.
  • the deflection mirror and / or the lens can be connected downstream of the movable optical guide element and / or upstream.
  • the sensor unit has at least one optical element which is movable in the longitudinal direction of the sensor beam path, for example a lens, by means of which the focal point of the sensor beam path can be displaced in the z direction.
  • the optical sensor is designed as a camera
  • the sensor unit in particular the sensor scanner, has an image processing unit and / or cooperates with such, so that the image data captured by the camera can be analyzed and / or the results resulting from the results Commands can be transmitted to a control of the production scanner.
  • the sensor unit preferably comprises the sensor scanner and the image processing unit. These can preferably be arranged in a common housing and / or be connected to calibrate the production scanner with their control and / or be.
  • the sensor scanner has a first and a second sensor scanner mirror. These are preferably connected or arranged one behind the other in the sensor beam path. Furthermore, these are preferably both movable. In this regard, it is furthermore advantageous if the two sensor scanner mirrors are designed in such a way that within the analysis field by means of the one sensor scanner mirror the x- Coordinate and by means of the other sensor scanner mirror, the y-coordinate of the analysis area is changeable.
  • the sensor scanner mirrors are arranged one behind the other in the sensor beam path, in each case pivotable about a single axis of rotation and / or their axes of rotation are arranged at an angle to one another.
  • the multi-head laser system comprises a production unit.
  • This is preferably formed by the at least two production scanners.
  • the production scanners preferably each have a separate scanner housing for this purpose.
  • the production unit preferably comprises a support frame.
  • the production scanners are rigidly connected to each other by means of the support frame. For this purpose, they are fixed in particular with their housing fixed or detachable on the support frame.
  • the sensor scanner in particular releasably connected to the manufacturing unit.
  • the sensor scanner and the production unit thus form a mutually rigid or immovable unit.
  • the sensor housing and at least one scanner housing are preferably connected directly or indirectly with each other.
  • the sensor housing is preferably connected to the production unit on its upper side facing away from the object and / or on at least one of its side surfaces.
  • the sensor scanner is arranged in a side view of the multi-head laser system below, preferably on an underside of the production unit facing the object. As a result, the sensor scanner can be very easily assembled and disassembled. Furthermore, it is advantageous if the sensor scanner is arranged centrally and / or centrally between the at least two production scanners in a bottom view of the multi-head laser system. In this regard, it is particularly advantageous if the multi-head laser system has four production scanners and the Sensor scanner is arranged in particular in the center or centrally between these four manufacturing scanners. As a result, advantageously, the mobility of the analysis area can be symmetrical in order to be able to analyze each of the four work fields.
  • the production unit is translatable together with the sensor scanner, in particular in the x and / or y direction and / or parallel to the object.
  • a slide for receiving the object is translational, in particular in the x and / or y-direction and / or parallel to the production unit, movable.
  • the sensor unit has an illumination source for at least partially illuminating the analysis field.
  • the illumination source is preferably attached to the production unit and / or the sensor housing, in particular to an outer side of the sensor housing. This attachment can also be made detachable.
  • the illumination region of the illumination source comprises the entire analysis field.
  • the illumination source can likewise be coupled into the sensor beam path of the sensor scanner, in particular by means of a semitransparent deflection mirror.
  • the illumination area is movable by means of the sensor scanner mirror with the analysis area.
  • the illumination source in this case only partially illuminates the analysis field.
  • the illumination source is integrated in a separate illumination scanner device. As a result, the illumination area can be moved optically decoupled from the production scanners and / or the sensor scanner. Also in this case, the illumination area is smaller than the analysis field.
  • the multi-head laser system comprises a calibration system.
  • the calibration system in this case preferably comprises the sensor unit. Furthermore, this is preferably designed such that by means of this each of the production scanners for themselves and / or the production scanners are calibrated to each other.
  • the calibration system is advantageously designed in such a way that, initially by means of the production scanners, a predefined target pattern on a reference object, e.g. a reference plate, is producible. Subsequently, by means of the sensor unit, in particular by means of image processing, the actual pattern created by the production scanners can be detected. By a lst- / setpoint adjustment then a correction value can be determined.
  • the multi-head laser system preferably has a control unit. The correction value can be stored in this control unit of the multi-head laser system so that the movement of the production scanners is corrected.
  • the analysis area in particular for determining the actual pattern, can be guided along an analysis path by means of the sensor unit.
  • the entire analysis field and / or the overlapping area in particular line by line or meandering, can be traveled.
  • the sensor scanner can preferably also be used for other applications. Accordingly, it is advantageous if the sensor scanner, in particular after the calibration process, can be controlled in normal production operation in such a way that the analysis area is positioned upstream of the processing location in the machining direction for accuracy improvement and / or can be positioned in the region of the desired path to be processed. Furthermore, it is particularly advantageous in this regard if the analysis area can be advanced to the processor location in a, in particular constant and / or variable, distance.
  • the sensor scanner can be controlled in such a way that the analysis area for process monitoring can be positioned in the processor location and / or can be carried along with it.
  • the sensor scanner can be controlled in such a way that the analysis area for quality inspection, in particular a weld, marking or cutting edge, is downstream of the processing location in the machine direction and / or positionable in the area of the processed actual web.
  • the analysis area is traceable to the processor location in a particular constant and / or variable distance.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a multi-head laser system with a plurality of production scanners and a sensor unit, which comprises an analysis area which can be moved within an analysis field
  • Fig. 2 shows the multi-head laser system of Figure 1 with hidden analysis field
  • FIG. 1 schematically shows a perspective sectional view of a multi-head laser system 1.
  • the multi-head laser equipment comprises a production unit. This has several production scanners 2, 3.
  • the production unit comprises two production scanners 2, 3.
  • the production scanners 2, 3 are arranged in a common plane. They thus have the same distance to a machined and / or manufactured object 4 in the z-direction.
  • the production scanners 2, 3 are arranged side by side according to the present embodiment.
  • the multi-head laser system could also have other manufacturing scanners, not shown here. These could be arranged, for example, in the y direction behind the illustrated production scanners 2, 3. The production scanners arranged in columns and rows would therefore form a matrix.
  • the object 4 can be processed, in particular marked, cut and / or welded to other objects.
  • the multi-head laser attachment can also be used for producing, in particular for sintering, an object 4.
  • the production scanners 2, 3 are rigidly connected to each other. Furthermore, these can be indirectly connected to one another with their respective scanner housing 5, 6 or, as in the embodiment shown, indirectly.
  • the multi-head Laserstroml may have a support frame, not shown here, to which the production scanner 2, 3, in particular releasably secured. The production scanners 2, 3 thus form a rigid unit with respect to one another and consequently can not perform any relative movements with respect to one another.
  • Each of these production scanners 2, 3 can carry a laser beam 7, 8. This applies in each case in a processor 9, 10 on the object 4, in particular on the object surface 1 1, on.
  • the manufacturing scanners 2, 3 each have means by means of which the processing location 9, 10 of the respective production scanner 2, 3 within a working field 12, 13 is movable.
  • the working areas 12, 13 of the production scanners 2, 3 can be clearly seen in particular in FIG. 2, in which a sensor unit 15 of the multi-head laser installation 1-which will be discussed in detail in the following description-is inactive.
  • the two working areas 12, 13 of the production scanners 2, 3 partially overlap in an overlapping area 14.
  • the working fields 12, 13 of two adjacent production scanners 2, 3 but also just as adjacent to each other. As a result, they would not have a common overlap area 14.
  • the working areas 12, 13 of two adjacent production scanners 2, 3 can also be spaced apart from one another. As a result, a non-machining area would be formed between these, in which neither of the two processing locations 9, 12 would be movable.
  • the production scanners 2, 3 are described, which are constructed essentially identical to one another. For reasons of clarity, therefore, only one of the two is provided with reference numerals.
  • the production scanners 2, 3 comprise, as already mentioned above, in each case a separate scanner housing 5, 6.
  • this scanner housing 5, 6 is from a laser beam source, not shown here, a laser beam 7, 8 can be introduced.
  • This interacts within the scanner housing 5, 6 with a plurality of optical elements 16, 17, 18, 19. It can either be a laser beam source per production scanner or a coming from a laser beam source laser beam, for example, by means of beam splitting means, divided into sub-beams, the then be incorporated into the individual production scanners.
  • the introduced laser beam 7 initially strikes an optical element 1 6. This can be designed to be displaceable in the longitudinal direction of the laser beam path in order to displace the focus along the beam direction. Subsequently, the laser beam 7 impinges on a laser deflection mirror 17.
  • the production scanner 2, 3 comprises a rotatable laser scanner mirror 18. It is rotatably mounted about at least one axis of rotation such that the processing location 9 in the x and / or y direction within the working field 12 is movable. This can be achieved, for example, by coupling the laser scanner mirror to a galvanometer drive.
  • the manufacturing scanner 2, 3 for this purpose have a single rotatable laser scanner mirror 18 which is rotatably mounted about a plurality of axes of rotation.
  • the processor 9 is two-dimensionally movable.
  • the manufacturing scanner 2, 3 in an embodiment, not shown here, but also include a plurality of movable laser scanner mirrors 18, which are each responsible for deflection of the processing site 9, 10 in the direction of a single coordinate.
  • the production scanner 2, 3 furthermore comprises an objective 19 for focusing the laser beam 7, 8 onto the object surface 11.
  • the manufacturing scanner 2, 3 but also have other optical elements.
  • their arrangement may differ from each other of the present embodiment.
  • it is bar, that the lens 19 is also arranged in front of the laser scanner mirror 18.
  • the manufacturing scanner 2, 3, as already mentioned above also have a plurality of movable laser scanner mirrors 18, which are each movably mounted about at least one axis. The axes of rotation of the two movable laser scanner mirrors 18 may be aligned differently with each other, in particular such that the laser scanner mirror 18 is preferably responsible for a single dimension of movement of the processing location 9, 10.
  • the respective processing location 9, 10 can thus be at least two-dimensionally, that is, at least two-dimensional. in the x and y directions, within the respective associated working area 12, 13 are moved. Furthermore, the focus of the laser beams 7, 8 or the process locations 9, 10 in the z direction can be influenced by means of the displaceable lens 16.
  • the multi-head laser attachment comprises at least one sensor unit 15.
  • the sensor unit 15 is always assigned at least two production scanners 2, 3. If the multi-head laser system 1 comprises more than two production scanners 2, 3, this can also have a plurality of sensor units 15, which are each assigned to different production scanners and / or at least partially to the same production scanners.
  • the sensor unit 15 comprises a sensor housing 20 separate from the scanner housings 5, 6. According to the present exemplary embodiment, the sensor unit 15 is arranged between the two production scanners 2, 3. Here, the two production scanners 2, 3 on two opposite sides of the sensor housing 20, in particular detachably attached. In an embodiment not shown here, however, the sensor unit 15 can also be arranged on the underside of the at least the two production scanners 2, 3 comprehensive manufacturing unit. As a result, the sensor unit 15 can be very easily and quickly mounted on the production unit and disassembled.
  • the sensor unit 15 forms a rigid unit together with the manufacturing scanners 2, 3. This can be moved relative to the object 4 optionally translationally in the x and / or y direction. Alternatively, the manufacturing scanner 2, 3 and the at least one sensor unit 15 comprehensive unit may also be formed stationary. Furthermore, the object 4 or a slide not shown here can also be translationally movable relative to the unit.
  • the sensor unit 15 comprises an optical sensor 21.
  • an analysis area 22 on the object surface 1 1 can be detected.
  • the optical sensor 21 is preferably an image sensor, for example a camera.
  • the size of the analysis area 22 is thus dependent on the aperture angle of the camera and / or on the optical elements 25, 27, 28, 29 arranged in the sensor beam path 23.
  • the sensor unit 15 comprises a pivotable optical guide element 25 coupled into the sensor beam path 23, by means of which the analysis area 22 can be moved within the desired analysis field 24.
  • the analysis field 24 overlaps according to FIG. at least partially with the two working fields 12, 13 of the production scanner 2, 3.
  • the size of the analysis field 24 corresponds to the union of the two working fields 12, 13.
  • the analysis field 24 it is also conceivable for the analysis field 24 to cover only a partial region of one or both Work fields 12, 13 extends.
  • the sensor beam path 23 is simplified in the schematic representation shown as a dashed line.
  • the optical sensor 21 is preceded by the rotatable optical guide element 25 starting from the object 4.
  • the optical guide element 25 is formed according to the present embodiment as a pivotable sensor scanner mirror 26.
  • the sensor unit 15 accordingly comprises or is designed as a sensor scanner.
  • the sensor scanner mirror 26 is preferably formed with respect to its mechanical mobility and / or with respect to its arrangement to further optical elements, such as lenses, deflecting mirrors and / or lenses, such as the variants of the laser scanner mirror 18 described above.
  • the sensor unit 15 designed as a sensor scanner according to the illustrated embodiment may comprise a single sensor scanner mirror 26 which is preferably movable about a plurality of axes of rotation, ie, in particular rotatable and / or pivotable. As a result, due to the particular perpendicular to each other be moved rotary axes of the analysis area 22 in both the x and y direction.
  • the sensor unit 15 may have a plurality of, for example two, such optical guide elements 25. These are then connected or arranged one behind the other in the sensor beam path 23. Furthermore, these are preferably only pivotable about a single axis of rotation. This can be achieved, for example, by each optical guide element being coupled to a respective galvanometer drive. The axes of rotation of the two sensor scanner mirrors are also aligned skewed. In this way, one sensor scanner mirror for moving the analysis area 22 in the x-direction and the other sensor scanner mirror for moving the analysis area 22 in the y-direction may be formed.
  • the sensor unit 15 has a sensor deflecting mirror 27, by means of which the sensor beam path 23 is folded in the interior of the sensor housing 20.
  • the sensor unit 15 can be designed to save space.
  • the sensor unit 15 further comprises a downstream of the movable optical guide member 25 and sensor scanner mirror 26 -. in relation to the sensor beam path 23, starting from the analysis area 22, the first optical element 28 is connected downstream.
  • this may be a lens.
  • This can also in the axial direction, d. H. in the direction of the sensor beam path 23, be displaced. For example, this can be used to change the position of the focus of the sensor beam path 23 in the z-direction.
  • the sensor unit 15 according to FIG. 1 comprises a second optical element 29, which corresponds to the sensor scanner mirror 26 from the analysis area 22 is preceded starting or downstream of the optical sensor 21 is connected.
  • the second optical element 29 may be, for example, a lens.
  • optical elements 27, 28, 29 shown in the present embodiment may differ from the illustrated embodiment.
  • the objective is arranged in relation to the sensor beam path 23 between the sensor scanner mirror 26 and the optical sensor 21.
  • the optical sensor 21 may also be directly, i. at least without interposed lens and / or lens, be aligned with the movable optical guide member 25.
  • the analysis field 24 in the present exemplary embodiment is made larger than the respective working areas 12, 13 of the production scanners 2, 3.
  • the sensor unit 15 has a larger deflection angle in comparison to the production scanners 2, 3.
  • the optical guide element 25 of the sensor unit 15 is thus pivotable in comparison to the respective laser scanner mirror 18 by a larger angle.
  • the sensor scanner mirror 26 can be controlled by means of a motor, not shown here, in particular an encoder motor, which in comparison to the motor of the laser scanner mirror 18 has a higher speed and / or accuracy, in particular fine adjustability.
  • the coating of the sensor scanner mirror 26 may also be designed differently in comparison to the laser scanner mirror 18, this being adapted in particular to the wavelength of the optical sensor 21.
  • the optical sensor 21 is designed as an image sensor, in particular a camera.
  • the sensor unit 15 has an image processing unit (not shown here) and / or communicate with it for data transmission, so that the image data captured by the camera in the analysis area 22 at a particular time can be analyzed by the image processing unit.
  • the sensor unit 15 can accordingly comprise a sensor scanner and an image processing unit.
  • the image processing unit can be an independent arithmetic unit, which is preferably spatially coupled to the sensor scanner, so that they can be assembled and disassembled together. Alternatively or additionally, however, the image processing unit can also be formed by a control and / or arithmetic unit of the production scanners 2, 3.
  • the sensor unit 15 may for example be part of a calibration system for calibrating the two production scanners 2, 3.
  • each of the two production scanners 2, 3 and the two production scanners 2, 3 can be calibrated to one another in one work step.
  • a reference object 4 for example a reference plate
  • the control of the manufacturing scanner 2,3 is carried out according to a predetermined target pattern.
  • the actual pattern created by the production scanners 2, 3 is then detected by means of the sensor unit 15, wherein neither the processed plates nor the sensor unit is moved between the two steps, whereby a very accurate measurement of the patterns is made possible.
  • the analysis area 22 is moved to many positions within the analysis field 24, at which data is respectively acquired.
  • the positions are chosen such that at each point of the actual pattern data is acquired at least once and the actual pattern is composed of the data collected at all positions.
  • the optical sensor is designed as an image sensor and connected to an image processing unit, image data is acquired at many positions, which image data is then converted by means of the image processing unit into an overall image of the actual pattern. be assembled.
  • a computing unit and / or the image processing unit a corresponding actual / setpoint adjustment is made and a correction value is calculated. This is then stored in the control unit of the multi-head laser system 1 and taken into account in the subsequent processing and / or production, so that each of the production scanner is calibrated and the working fields of the production scanner 2, 3 are set exactly.
  • the sensor unit Before calibrating the manufacturing scanners, if necessary, the sensor unit itself can be calibrated first.
  • a reference object in particular a reference plate, which has a high-precision and known reference pattern, introduced into the system.
  • the reference object is detected by means of the sensor unit.
  • the calibration of the sensor unit then takes place, analogously to the one described above, based on the detected pattern and the known reference pattern.
  • the analysis area 22 can be guided, for example, along an analysis path. For example, it is conceivable for the analysis area 22 to depart, line by line or meandering, the relevant area of the analysis field 24 in which the actual pattern is suspected. Also, the analysis field 24 can always be completely scanned.
  • the sensor unit 15 can also be used during operation of the multi-head laser system 1. Accordingly, the analysis area 22 with the knowledge of the target path to be processed can be led ahead of the respective processor location 9, 10. In this way, the position accuracy of the processing location 9, 10 can be improved by a corresponding control loop, for example, if it is detected that the real position of a contour to be machined deviates from the expected position of a contour to be machined. Additionally or alternatively, it is also conceivable to carry the analysis area 22 exactly with the processing location 9, 10 in order to obtain the actual processing and / or production process. Furthermore, the analysis area 22 can also be tracked to the processor location 9, 10. In this way, the quality of the processing and / or manufacturing process can be checked later.

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Mehrkopf-Laseranlage (1) zum Bearbeiten und/oder Herstellen, insbesondere zum Markieren, Schweißen, Schneiden und/oder Sintern, eines Objektes mittels mehrerer Laserstrahlen (7, 8), mit mehreren starr miteinander verbundenen Fertigungsscannern (2, 3), die jeweils zumindest einen beweglichen Laser-Scannerspiegel (18) aufweisen, mittels dem der jeweilige Laserstrahl (7, 8) derart ablenkbar ist, dass dessen Prozessort (9, 10) auf der Objektoberfläche (11) innerhalb eines Arbeitsfeldes (12, 13) bewegbar ist, und mit zumindest einer starr mit den Fertigungsscannern (2, 3) verbundenen Sensoreinheit (15), die einen optischen Sensor (21) aufweist, mittels dem auf der Objektoberfläche (11) ein Analysebereich (22) erfassbar ist. Die Sensoreinheit (15) weist zumindest ein in dem Sensorstrahlengang (23) angeordnetes und derart bewegliches optisches Führungselement (25) auf, so dass der Analysebereich (22) auf der Objektoberfläche (11) innerhalb eines Analysefeldes (24), das mit den Arbeitsfeldern (12, 13) der zumindest zwei Fertigungsscanner (2, 3) zumindest teilweise überlappt, bewegbar ist.

Description

MEHRKOPF-LASERANLAGE MIT SENSOREINHEIT IN KOMBINATION MIT EINEM BEWEGLICHEN OPTISCHEN FÜHRUNGSELEMENT
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrkopf-Laseranlage zum Bearbeiten und/oder Herstellen, insbesondere zum Markieren, Schweißen, Schneiden und/oder Sintern, eines Objektes mittels mehrerer Laserstrahlen, mit mehreren starr miteinander verbundenen Fertigungsscannern, die jeweils zumindest einen beweglichen Laser-Scannerspiegel aufweisen, mittels dem der jeweilige Laserstrahl derart ablenkbar ist, dass dessen Prozessort auf der Objektoberfläche innerhalb eines Arbeitsfeldes bewegbar ist, und mit zumindest einer starr mit den Fertigungsscannern verbundenen Sensoreinheit, die einen optischen Sensor aufweist, mittels dem auf der Objektoberfläche ein Analysebereich erfassbar ist.
Aus der DE 10 2012 1 10 646 A1 ist eine Mehrkopf-Laseranlage bekannt. Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung die mehrere Lasereinheiten aufweist, die jeweils einen Lichtstrahl erzeugen. Die Lichtstrahlen können mit jeweils einer Scannereinheit innerhalb eines vorgegebenen Raumwinkelbereiches gelenkt bzw. abgelenkt werden, so dass die von den Lichtstrahlen auf dem Objekt erzeugten Strahlpunkte in zwei Dimensionen bewegbar sind. Ferner können optische und/oder mechanische Mittel vorgesehen sein mittels derer ein Fokuspunkt der entsprechenden Lichtstrahlen in Richtung senkrecht zu der durch die zwei Dimensionen aufgespannten Ebene bewegbar istFerner umfasst die Vorrichtung eine Sensorvorrichtung. Diese ist außen an einem Gehäuse der Scannereinheit angeordnet. Die Sensoreinrichtung weist ein Sichtfeld auf, innerhalb dessen die Objekte erfassbar sind. Das Sichtfeld überlappt hierfür mit den Raumwinkelbereichen der Scannereinheiten. Hierfür muss das Sichtfeld der Sensorvorrichtung sehr groß gewählt werden, wodurch die Sensorauflösung reduziert wird. Infolgedessen leidet bei einem sehr großen Sichtfeld die Genauigkeit der Sensorvorrichtung. Hierdurch wird die über die Sensorvorrichtung erfolgte Datenerfassung ungenau, so dass die Ergebnisse diverser Anwendungen, insbesondere zur Genauigkeitsverbesserung des Bearbeitungsprozesses, zur Prozessüberwachung, zur Qualitätsüberprüfung und/oder zur Kalibrierung des Systems, verschlechtert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit eine Mehrkopf-Laseranlage mit einer Sensoreinheit zu schaffen, mittels der die Datenqualität, insbesondere die Genauigkeit, der Sensoreinheit verbessert werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Mehrkopf-Laseranlage mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 .
Vorgeschlagen wird eine Mehrkopf-Laseranlage zum Bearbeiten, insbesondere zum Markieren, Schweißen und/oder Schneiden, und/oder zum Herstellen, insbesondere zum Sintern, eines Objektes mittels mehrerer Laserstrahlen. Zusätzlich oder alternativ sind aber auch andere Bearbeitungs- und/oder Herstellungsanwendungen denkbar. Unter dem Wortbestandteil„Kopf" in dem Wort„Mehrkopf-Laseranlage" ist ein Bearbeitungskopf bzw. Fertigungsscanner zu verstehen, mittels dem ein Laserstrahl geführt und/oder auf eine Bearbeitungsoberfläche gelenkt sowie über die Bearbeitungsfläche bewegt werden kann. Die Mehrkopf-Laseranlage weist mehrere starr miteinander verbundene Fertigungsscanner auf. Die Fertigungsscanner bilden somit zueinander eine starre Einheit aus. Diese aus mehreren starr miteinander verbundenen Fertigungsscannern ausgebildete Einheit kann vorzugsweise ortsfest, d.h. unbeweglich, ausgebildet sein. Alternativ kann die Einheit aber auch mittels eines Manipulators beweglich ausgebildet sein. Vorzugsweise ist diese aus mehreren Fertigungsscannern bestehende Einheit ausschließlich translatorisch bewegbar. Jeder dieser Fertigungsscanner weist zumindest einen beweglichen Laser-Scannerspiegel auf. Mittels dieses Laser- Scannerspiegels ist der jeweilige Laserstrahl derart ablenkbar, dass dessen Prozessort auf der Objektoberfläche innerhalb eines Arbeitsfeldes bewegbar ist. Als Prozessort wird der Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Objektoberfläche bezeichnet. Des Weiteren umfasst die Mehrkopf-Laseranlage zumindest eine starr mit den Fertigungsscannern verbundene Sensoreinheit. Die Sensoreinheit kann beispielsweise fest oder lösbar mit zumindest einem der Fertigungsscanner verbunden sein. Die Sensoreinheit weist einen optischen Sensor auf, mittels dem auf der Objektoberfläche ein Analysebereich erfassbar ist. Der Analysebereich bildet demnach den Erfassungsbereich des optischen Sensors, innerhalb dessen der optische Sensor zeitgleich, d.h. zu einem bestimmten Zeitpunkt, Daten erfassen kann. Die Sensoreinheit weist zumindest ein in dem Sensorstrahlengang angeordnetes optisches Führungselement auf. Des Weiteren ist dieses optische Führungselement derart beweglich ausgebildet, dass der Analysebereich des optischen Sensors auf der Objektoberfläche innerhalb eines Analysefeldes bewegbar ist. Das Analysefeld ist somit größer als der vom optischen Sensor erfassbare Analysebereich. Das Analysefeld überlappt hierbei zumindest teilweise mit den Arbeitsfeldern der zumindest zwei Fertigungsscanner. Durch das Bewegen des Führungselementes, insbesondere durch eine Dreh- und/oder Schwenkbewegung des Führungselementes um eine Achse, kann der Analysebereich somit innerhalb seines Analysefeldes bewegt werden, so dass in mehreren Arbeitsfeldern Daten erfassbar sind. Durch die Beweglichkeit des Analysebereiches kann dieser vorteilhafterweise kleiner ausgebildet werden als das gesamte zu analysierende Analysefeld. Hierdurch kann infolgedessen die sensorische Auflösung des Sensors erhöht werden. Dennoch ist es möglich, ein im Vergleich zum Analysebereich großes Analysefeld innerhalb eines zum Verfahren des Analysebereiches benötigten Zeitfensters sensorisch zu überwachen. Hierdurch kann vorteilhafterweise die Qualität bzw. Datengenauigkeit der Sensoreinheit erhöht werden, wodurch wiederum die Qualität unterschiedlicher Applikationen verbessert werden kann.
Vorteilhaft ist es, wenn die Sensoreinheit einen Sensorscanner umfasst. Die Sensoreinheit kann zusätzlich oder alternativ auch als Sensorscanner ausgebildet sein. Vorteilhafterweise weist der Sensorscanner zumindest einen als Führungselement ausgebildeten Sensor-Scannerspiegel auf. Der Sensor- Scannerspiegel ist vorzugsweise um zumindest eine Drehachse schwenkbar. Durch das Schwenken des Sensor-Scannerspiegels kann somit der Analysebereich des optischen Sensors innerhalb des Analysefeldes bewegt werden. Der Auslenkbereich des Sensor-Scannerspiegels definiert hierbei zumindest teilweise das maximal analysierbare Analysefeld.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Sensor-Scannerspiegel im Vergleich zum Laser-Scannerspiegel des jeweiligen Fertigungsscanners um einen größeren Schwenkwinkel auslenkbar ist. Hierdurch kann vorteilhafterweise das Analysefeld des Sensorscanners im Vergleich zu dem Arbeitsfeld des jeweiligen Fertigungsscanners größer, d.h. insbesondere mit einer größeren Fläche, ausgebildet werden. Vorteilhafterweise kann somit das gesamte Arbeitsfeld eines der beiden Fertigungsscanner und zumindest ein Teil des Arbeitsfeldes des anderen Fertigungsscanners mit lediglich einem einzigen optischen Sensor überwacht bzw. sensorisch erfasst werden, der einen sehr kleinen und somit hochauflösenden Analysebereich umfasst.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung grenzen die Arbeitsfelder der zumindest zwei Fertigungsscanner unmittelbar aneinander an. Alternativ dazu können sich diese aber auch in einem Überlappungsbereich überlappen.
Damit die Fertigungsscanner, insbesondere deren Arbeitsfelder, vollständig mittels des optischen Sensors überwacht werden können, ist es vorteilhaft, wenn das, insbesondere zweidimensionale, Analysefeld des Sensorscanners die Arbeitsfelder der Fertigungsscanner vollständig umfasst. Bei zwei unmittelbar aneinander angrenzenden Arbeitsfeldern würde demnach die Fläche des Analysefeldes der Summe der beiden Arbeitsfelder entsprechen. Bei einem zwischen diesen beiden ausgebildeten Überlappungsbereichen würde das Analysefeld durch die Vereinigungsmenge der beiden Arbeitsfelder gebildet sein. Vorteilhaft ist es, wenn der Sensor-Scannerspiegel im Vergleich zum Laser- Scannerspiegel des jeweiligen Fertigungsscanners größer ausgebildet ist, insbesondere eine größere Spiegelfläche aufweist. Hierdurch kann mittels diesem ein im Vergleich zu den jeweiligen Fertigungsscanner größerer Bereich abgedeckt werden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Sensor-Scannerspiegel im Vergleich zum Laser-Scannerspiegel des jeweiligen Fertigungsscanners eine andere Beschichtung aufweist. Die Beschichtung des Sensor- Scannerspiegels ist hierbei vorzugsweise an den Wellenlängenbereich des optischen Sensors angepasst, d.h. in dem der optische Sensor arbeitet. Hierdurch kann die Qualität der vom optischen Sensor erfassten Daten zusätzlich verbessert werden. Im Gegensatz dazu kann der Laser- Scannerspiegel an die Wellenlänge des Bearbeitungslasers angepasst sein.
Vorteilhaft ist es, wenn der Sensor-Scannerspiegel mittels eines Motors, insbesondere eines Encoder-Motors, ansteuerbar ist. Des Weiteren ist es diesbezüglich vorteilhaft, wenn der Motor des Sensor-Scannerspiegels im Vergleich zum Motor des Laser-Scannerspiegels eine höhere Genauigkeit, insbesondere Feinjustierbarkeit, aufweist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der optische Sensor ein Bildsensor, insbesondere eine Kamera. Vorteilhafterweise können die erfassten Daten somit mittels Bildverarbeitung analysiert und ausgewertet werden. Die Kamera kann insbesondere eine Ferninfrarot- und/oder Nahinfrarotkamera sein. Ferner kann die Kamera insbesondere im Bereich des Wellenlängenspektrums des sichtbaren Lichts arbeiten.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der optische Sensor unmittelbar oder mittelbar, insbesondere unter Zwischenschaltung eines optischen Elementes auf den Sensor-Scannerspiegel, insbesondere auf dessen Zentrum, ausgerichtet ist. Das optische Element kann hierbei vorzugsweise ein Umlenkspiegel, eine Linse und/oder ein Objektiv sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Sensoreinheit weitere optische Elemente wie beispielsweise Umlenkspiegel, Linsen und/oder Objektive aufweisen. Des Weiteren können diese entlang des Sensorstrahlengangs an unterschiedlichen Positionen angeordnet sein.
Demnach kann beispielsweise ein Objektiv der Sensoreinheit dem beweglichen optischen Führungselement nachgeschalten und/oder vorgeschalten sein. Gleiches trifft auf den Umlenkspiegel und/oder die Linse zu. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Sensoreinheit zumindest ein in Längsrichtung des Sensorstrahlengangs bewegliches optisches Element, beispielsweise eine Linse, aufweist, mittels dem der Fokuspunkt des Sensorstrahlengangs in z-Richtung verschoben werden kann.
Insbesondere wenn der optische Sensor als Kamera ausgebildet ist, ist es vorteilhaft, wenn die Sensoreinheit, insbesondere der Sensorscanner, eine Bildverarbeitungseinheit aufweist und/oder mit einer solchen zusammenarbeitet, so dass die von der Kamera erfassten Bilddaten analysierbar und/oder die aus den Ergebnissen resultierenden Befehle an eine Steuerung der Fertigungsscanner übermittelbar sind.
Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit den Sensorscanner und die Bildverarbeitungseinheit. Diese können vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein und/oder zum Kalibrieren der Fertigungsscanner mit deren Steuerung verbunden werden und/oder sein.
Insbesondere wenn das Analysefeld zweidimensional ausgebildet ist, ist es vorteilhaft, wenn der Sensorscanner einen ersten und einen zweiten Sensor- Scannerspiegel aufweist. Diese sind vorzugsweise im Sensorstrahlengang hintereinander geschalten bzw. angeordnet. Des Weiteren sind diese vorzugsweise beide beweglich ausgebildet. Diesbezüglich ist es ferner vorteilhaft, wenn die beiden Sensor-Scannerspiegel derart ausgebildet sind, dass innerhalb des Analysefeldes mittels des einen Sensor-Scannerspiegels die x- Koordinate und mittels des anderen Sensor-Scannerspiegels die y- Koordinate des Analysebereiches veränderbar ist. Hierfür ist es, wie bereits vorstehend erwähnt, vorteilhaft, wenn die Sensor-Scannerspiegel im Sensorstrahlengang hintereinander angeordnet, jeweils um eine einzige Drehachse schwenkbar und/oder deren Drehachsen schräg zueinander angeordnet sind.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Mehrkopf-Laseranlage eine Fertigungseinheit umfasst. Diese ist vorzugsweise durch die zumindest zwei Fertigungsscanner gebildet. Die Fertigungsscanner weisen hierfür vorzugsweise jeweils ein separates Scannergehäuse auf. Des Weiteren umfasst die Fertigungseinheit vorzugsweise einen Trägerrahmen. Die Fertigungsscanner sind mittels des Trägerrahmens starr miteinander verbunden. Hierfür sind sie insbesondere mit ihrem Gehäuse fest oder lösbar an dem Trägerrahmen befestigt. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Sensorscanner, insbesondere lösbar, mit der Fertigungseinheit verbunden ist. Der Sensorscanner und die Fertigungseinheit bilden somit eine zueinander starre bzw. unbewegliche Einheit aus. Insbesondere zum lösbaren Befestigen des Sensorscanners ist es vorteilhaft, wenn dieser ein separates Sensorgehäuse aufweist. Das Sensorgehäuse und zumindest ein Scannergehäuse sind vorzugsweise unmittelbar oder mittelbar miteinander verbunden. Vorzugsweise ist das Sensorgehäuse an seiner dem objektabgewandten Oberseite und/oder an zumindest einer seiner Seitenflächen mit der Fertigungseinheit verbunden.
Vorteilhaft ist es, wenn der Sensorscanner in einer Seitenansicht der Mehrkopf-Laseranlage unterhalb, vorzugsweise an einer dem Objekt zugewandten Unterseite der Fertigungseinheit, angeordnet ist. Hierdurch kann der Sensorscanner sehr leicht montiert und demontiert werden. Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Sensorscanner in einer Unteransicht der Mehrkopf- Laseranlage zentral und/oder mittig zwischen den zumindest zwei Fertigungsscannern angeordnet ist. Diesbezüglich ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Mehrkopf-Laseranlage vier Fertigungsscanner aufweist und der Sensorscanner insbesondere im Zentrum bzw. mittig zwischen diesen vier Fertigungsscannern angeordnet ist. Hierdurch kann vorteilhafterweise die Beweglichkeit des Analysebereiches symmetrisch ausgebildet sein, um jedes der vier Arbeitsfelder analysieren zu können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Fertigungseinheit zusammen mit dem Sensorscanner translatorisch, insbesondere in x- und/oder y-Richtung und/oder parallel zum Objekt, verfahrbar. Alternativ oder zusätzlich ist es ferner vorteilhaft, wenn ein Objektträger zum Aufnehmen des Objektes translatorisch, insbesondere in x- und/oder y-Richtung und/oder parallel zur Fertigungseinheit, verfahrbar ist.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Sensoreinheit eine Beleuchtungsquelle zum zumindest bereichsweisen Beleuchten des Analysefeldes aufweist. Die Beleuchtungsquelle ist vorzugsweise an der Fertigungseinheit und/oder dem Sensorgehäuse, insbesondere an einer Außenseite des Sensorgehäuses befestigt. Diese Befestigung kann ferner lösbar ausgebildet sein.
Um an jedem Ort des Analysefeldes eine ausreichende Beleuchtung gewährleisten zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Beleuchtungsbereich der Beleuchtungsquelle das gesamte Analysefeld umfasst.
Alternativ oder zusätzlich zu einer außerhalb der Sensoreinheit starr mit dieser verbundenen Beleuchtungsquelle kann die Beleuchtungsquelle ebenso auch in den Sensorstrahlengang des Sensorscanners, insbesondere mittels eines halbtransparenten Umlenkspiegels, eingekoppelt sein. Infolgedessen ist der Beleuchtungsbereich mittels des Sensor-Scannerspiegels mit dem Analysebereich mitbewegbar. Des Weiteren leuchtet die Beleuchtungsquelle in diesem Fall das Analysefeld nur teilweise aus. Zusätzlich oder alternativ ist es des Weiteren vorteilhaft, wenn die Beleuchtungsquelle in einer separaten Beleuchtungs-Scannereinrichtung integriert ist. Hierdurch kann der Beleuchtungsbereich von den Fertigungsscannern und/oder dem Sensorscanner optisch entkoppelt bewegt werden. Auch in diesem Fall ist der Beleuchtungsbereich kleiner als das Analysefeld ausgebildet.
Vorteilhaft ist es, wenn die Mehrkopf-Laseranlage ein Kalibriersystem um- fasst. Das Kalibriersystem umfasst hierbei vorzugsweise die Sensoreinheit. Des Weiteren ist dieses vorzugsweise derart ausgebildet, dass mittels diesem jeder der Fertigungsscanner für sich selbst und/oder die Fertigungsscanner zueinander kalibrierbar sind.
Zum Kalibrieren der Fertigungsscanner ist das Kalibriersystem vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass zunächst mittels der Fertigungsscanner ein vorgegebenes Soll-Muster auf einem Referenzobjekt, z.B. einer Referenzplatte, erstellbar ist. Anschließend ist mittels der Sensoreinheit, insbesondere mittels Bildverarbeitung das von den Fertigungsscannern erstellte Ist-Muster erfassbar. Durch einen lst-/Sollwertabgleich ist dann ein Korrekturwert ermittelbar. Vorzugsweise weist die Mehrkopf-Laseranlage eine Steuereinheit auf. Der Korrekturwert ist in dieser Steuereinheit der Mehrkopf-Laseranlage hinterlegbar, so dass die Bewegung der Fertigungsscanner korrigiert ist.
Vorteilhaft ist es, wenn mittels der Sensoreinheit der Analysebereich, insbesondere zur Ermittlung des Ist-Musters, entlang einer Analysebahn führbar ist. Vorzugsweise ist hierbei das gesamte Analysefeld und/oder der Überlappungsbereich, insbesondere zeilenweise oder mäanderförmig, abfahrbar. Alternativ dazu ist es vorteilhaft, wenn nur ein in Abhängigkeit des Soll-Musters festgelegter Teilbereich des Analysefeldes abfahrbar ist.
Zusätzlich oder alternativ zum Kalibriervorgang kann der Sensorscanner vorzugsweise auch für andere Anwendungen verwendet werden. Demnach ist es vorteilhaft, wenn der Sensorscanner, insbesondere nach dem Kalibriervorgang, im normalen Fertigungsbetrieb derart ansteuerbar ist, dass der Analysebereich zur Genauigkeitsverbesserung dem Prozessort in Bearbeitungsrichtung vorgelagert und/oder im Bereich der zu bearbeitenden Soll- Bahn positionierbar ist. Des Weiteren ist es diesbezüglich insbesondere vorteilhaft, wenn der Analysebereich dem Prozessort in einem, insbesondere konstanten und/oder variablen, Abstand vorausführbar ist.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Sensorscanner derart ansteuerbar ist, dass der Analysebereich zur Prozessüberwachung im Prozessort positionierbar ist und/oder mit diesem mitführbar ist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Sensorscanner derart ansteuerbar ist, dass der Analysebereich zur Qualitätsüberprüfung, insbesondere einer Schweißnaht, Markierung oder Schnittkante, dem Prozessort in Bearbeitungsrichtung nachgelagert und/oder im Bereich der bearbeiteten Ist-Bahn positionierbar ist. Diesbezüglich ist es ferner vorteilhaft, wenn der Analysebereich dem Prozessort in einem insbesondere konstanten und/oder variablen Abstand nachführbar ist.
Vorgeschlagen wird ferner ein Kalibrierverfahren für eine Mehrkopf- Laseranlage gemäß den Verfahrensmerkmalen der vorangegangenen Beschreibung, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Mehrkopf-Laseranlage mit mehreren Fertigungsscannern und einer Sensoreinheit, die einen innerhalb eines Analysefeldes bewegbaren Analysebereich umfasst, Fig. 2 die Mehrkopf-Laseranlage gemäß Figur 1 mit ausgeblendetem Analysefeld und
Fig. 3 die Mehrkopf-Laseranlage gemäß Figur 1 mit ausgeblendeten
Arbeitsfeldern.
Figur 1 zeigt schematisch eine perspektivische Schnittansicht einer Mehrkopf-Laseranlage 1 . Die Mehrkopf-Laseranlagel umfasst eine Fertigungseinheit. Diese weist mehrere Fertigungsscanner 2, 3 auf. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Fertigungseinheit zwei Fertigungsscanner 2, 3. Die Fertigungsscanner 2, 3 sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Sie weisen somit zu einem bearbeitenden und/oder herzustellenden Objekt 4 in z-Richtung den gleichen Abstand auf. Die Fertigungsscanner 2, 3 sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nebeneinander angeordnet.
Zusätzlich könnte die Mehrkopf-Laseranlagel aber auch ebenso noch weitere, vorliegend nicht dargestellte Fertigungsscanner aufweisen. Diese könnten beispielsweise in y-Richtung hinter den dargestellten Fertigungsscannern 2, 3 angeordnet sein. Die in Spalten und Reihen angeordneten Fertigungsscanner würden demnach eine Matrix bilden.
Mittels der Fertigungsscanner 2, 3 kann das Objekt 4 bearbeitet, insbesondere markiert, geschnitten und/oder mit weiteren Objekten verschweißt, werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Mehrkopf-Laseranlagel auch zum Herstellen, insbesondere zum Sintern, eines Objektes 4 verwendet werden. Die Fertigungsscanner 2, 3 sind starr miteinander verbunden. Des Weiteren können diese mit ihrem jeweiligen Scannergehäuse 5, 6 unmittelbar oder, wie in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel, mittelbar miteinander verbunden sein. Die Mehrkopf-Laseranlagel kann einen hier nicht dargestellten Trägerrahmen aufweisen, an dem die Fertigungsscanner 2, 3, insbesondere lösbar, befestigt sind. Die Fertigungsscanner 2, 3 bilden somit zueinander eine starre Einheit und können folglich zueinander keine Relativbewegungen durchführen.
Jeder dieser Fertigungsscanner 2, 3 kann einen Laserstrahl 7, 8 führen. Dieser trifft jeweils in einem Prozessort 9, 10 auf dem Objekt 4, insbesondere auf dessen Objektoberfläche 1 1 , auf. Die Fertigungsscanner 2, 3 weisen jeweils Mittel auf, mittels denen der Prozessort 9, 10 des jeweiligen Fertigungsscanners 2, 3 innerhalb eines Arbeitsfeldes 12, 13 bewegbar ist. Die Arbeitsfelder 12, 13 der Fertigungsscanner 2, 3 sind insbesondere in Figur 2 gut ersichtlich, in der eine Sensoreinheit 15 der Mehrkopf-Laseranlage 1 - auf die in der nachfolgenden Beschreibung noch detailliert eingegangen wird - inaktiv ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel überlappen sich die beiden Arbeitsfelder 12, 13 der Fertigungsscanner 2, 3 teilweise in einem Überlappungsbereich 14.
In einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die Arbeitsfelder 12, 13 zweier benachbarter Fertigungsscanner 2, 3 aber auch ebenso unmittelbar aneinander angrenzen. Infolgedessen würden diese keinen gemeinsamen Überlappungsbereich 14 aufweisen. Auch können die Arbeitsfelder 12, 13 zweier benachbarter Fertigungsscanner 2, 3 voneinander beabstandet sein. Infolgedessen wäre zwischen diesen ein bearbeitungsfreier Bereich ausgebildet, in den keiner der beiden Prozessorte 9, 12 bewegbar wäre.
Im Folgenden werden die Fertigungsscanner 2, 3 beschrieben, die zueinander im Wesentlichen identisch aufgebaut sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist deshalb lediglich einer der beiden mit Bezugszeichen versehen. Die Fertigungsscanner 2, 3 umfassen, wie bereits vorstehend erwähnt, jeweils ein separates Scannergehäuse 5, 6. In dieses Scannergehäuse 5, 6 ist von einer hier nicht dargestellten Laserstrahlquelle ein Laserstrahl 7, 8 einbringbar. Dieser interagiert innerhalb des Scannergehäuses 5, 6 mit mehreren optischen Elementen 16, 17, 18, 19. Es kann entweder eine Laserstrahlquelle pro Fertigungscanner vorhanden sein oder ein von einer Laserstrahlquelle kommender Laserstrahl kann, z.B. mit Hilfe von Strahlteilungsmitteln, in Teilstrahlen aufgeteilt werden, die dann in die einzelnen Fertigungsscanner eingebracht werden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel trifft der eingebrachte Laserstrahl 7 zunächst auf ein optisches Element 1 6. Dieses kann zur Verschiebung des Fokus entlang der Strahlrichtung in Längsrichtung des Laserstrahlengangs verschiebbar ausgebildet sein. Anschließend trifft der Laserstrahl 7 auf einen Laser-Umlenkspiegel 17. Des Weiteren umfasst der Fertigungsscanner 2, 3 einen drehbaren Laser-Scannerspiegel 18. Dieser ist um zumindest eine Drehachse derart drehbar gelagert, dass der Prozessort 9 in x- und/oder y-Richtung innerhalb des Arbeitsfeldes 12 bewegbar ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden indem der Laser-Scannerspiegel mit einem Galvanometerantrieb gekoppelt ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Fertigungsscanner 2, 3 hierfür einen einzigen drehbaren Laser-Scannerspiegel 18 aufweisen, der um mehrere Drehachsen drehbar gelagert ist. Hiermit ist der Prozessort 9 zweidimensional bewegbar.
Alternativ kann der Fertigungsscanner 2, 3 in einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel aber auch mehrere bewegliche Laser-Scannerspiegel 18 umfassen, die jeweils für Auslenkung des Prozessortes 9, 10 in Richtung einer einzigen Koordinate zuständig sind.
Gemäß Figur 1 umfasst der Fertigungsscanner 2, 3 ferner ein Objektiv 19 zum Fokussieren des Laserstrahls 7, 8 auf die Objektoberfläche 1 1 . Zusätzlich kann der Fertigungsscanner 2, 3 aber auch noch weitere optische Elemente aufweisen. Des Weiteren kann deren Anordnung zueinander von dem vorliegenden Ausführungsbeispiel abweichen. So ist es beispielsweise denk- bar, dass das Objektiv 19 auch vor dem Laser-Scannerspiegel 18 angeordnet ist. Des Weiteren kann der Fertigungsscanner 2, 3, wie bereits vorstehend erwähnt, auch mehrere bewegliche Laser-Scannerspiegel 18 aufweisen, die jeweils um zumindest eine Achse beweglich gelagert sind. Die Drehachsen der beiden beweglichen Laser-Scannerspiegel 18 können zueinander unterschiedlich ausgerichtet sein, insbesondere derart, dass der Laser-Scannerspiegel 18 vorzugsweise für eine einzige Bewegungsdimension des Prozessortes 9, 10 zuständig ist.
Gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann mittels des Fertigungsscanners 2, 3 der jeweilige Prozessort 9, 10 somit zumindest zweidimensional, d.h. in x- und y-Richtung, innerhalb des jeweils zugeordneten Arbeitsfeldes 12, 13 bewegt werden. Des Weiteren kann der Fokus der Laserstrahlen 7, 8 bzw. der Prozessorte 9, 10 in z-Richtung mittels der verschiebbaren Linse 1 6 beeinflusst werden.
Wie bereits vorstehend erwähnt, umfasst die Mehrkopf-Laseranlagel zumindest eine Sensoreinheit 15. Die Sensoreinheit 15 ist immer zumindest zwei Fertigungsscannern 2, 3 zugeordnet. Wenn die Mehrkopf-Laseranlage 1 mehr als zwei Fertigungsscanner 2, 3 umfasst, kann diese auch mehrere Sensoreinheiten 15 aufweisen, die jeweils unterschiedlichen Fertigungsscannern und/oder zumindest teilweise den gleichen Fertigungsscannern zugeordnet sind.
Die Sensoreinheit 15 umfasst gemäß Figur 1 und 3 ein von den Scannergehäusen 5, 6 separates Sensorgehäuse 20. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Sensoreinheit 15 zwischen den beiden Fertigungsscannern 2, 3 angeordnet. Hierbei sind die beiden Fertigungsscanner 2, 3 an zwei gegenüberliegenden Seiten des Sensorgehäuses 20, insbesondere lösbar, befestigt. In einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Sensoreinheit 15 aber auch an der Unterseite der zumindest die beiden Fertigungsscanner 2, 3 umfassenden Fertigungseinheit angeordnet sein. Hierdurch kann die Sensoreinheit 15 sehr leicht und schnell an der Fertigungseinheit montiert sowie demontiert werden.
Die Sensoreinheit 15 bildet zusammen mit den Fertigungsscannern 2, 3 eine starre Einheit aus. Diese kann gegenüber dem Objekt 4 optional translatorisch in x- und/oder y-Richtung bewegt werden. Alternativ dazu kann die die Fertigungsscanner 2, 3 und die zumindest eine Sensoreinheit 15 umfassende Einheit auch ortsfest ausgebildet sein. Ferner kann auch das Objekt 4 bzw. ein hier nicht dargestellter Objektträger gegenüber der Einheit translatorisch bewegbar sein.
Gemäß Figur 1 und 3 umfasst die Sensoreinheit 15 einen optischen Sensor 21 . Mittels diesem ist ein Analysebereich 22 auf der Objektoberfläche 1 1 erfassbar. Der optische Sensor 21 ist vorzugsweise ein Bildsensor, beispielsweise eine Kamera. Die Größe des Analysebereiches 22 ist somit vom Öffnungswinkel der Kamera und/oder von den in dem Sensorstrahlengang 23 angeordneten optischen Elementen 25, 27, 28, 29 abhängig.
Wie aus Figur 1 und 3 hervorgeht, ist der Analysebereich 22 des optischen Sensors 21 , d. h. derjenige Erfassungsbereich, in dem der optische Sensor 21 zu einem konkreten Zeitpunkt Daten erfassen kann, kleiner ausgebildet als das Analysefeld 24 und die jeweiligen Arbeitsfelder 12, 13.
Um in einem im Vergleich zum Analysebereich 22 größeren Analysefeld 24 Daten erfassen zu können, umfasst die Sensoreinheit 15 ein in den Sensorstrahlengang 23 eingekoppeltes schwenkbares optisches Führungselement 25, mittels dem der Analysebereich 22 innerhalb des gewünschten Analysefeldes 24 bewegbar ist. Das Analysefeld 24 überlappt gemäß Figur 1 zumin- dest teilweise mit den beiden Arbeitsfeldern 12, 13 der Fertigungsscanner 2, 3.
Wie insbesondere in Figur 1 ersichtlich ist, entspricht die Größe des Analysefeldes 24 der Vereinigungsmenge der beiden Arbeitsfelder 12, 13. Alternativ dazu ist es aber auch ebenso denkbar, dass sich das Analysefeld 24 nur auf einen Teilbereich von einem der beiden oder aber auch von beiden Arbeitsfeldern 12, 13 erstreckt. Für zusätzliche Anwendungen, insbesondere zur Genauigkeitsverbesserung des Bearbeitungs- und/oder Herstellungsprozesses, zur Prozessüberwachung und/oder zur Qualitätsüberprüfung bietet es sich jedoch an, das Analysefeld 24 auf die gesamte von den beiden Fertigungsscannern 2, 3 zu bearbeitende Fläche, d.h. sowohl auf das erste Arbeitsfeld 12 als auch auf das zweite Arbeitsfeld 13, zu erstrecken.
Der Sensorstrahlengang 23 ist in der schematischen Darstellung vereinfacht als gestrichelte Linie dargestellt. Zum Bewegen des Analysebereiches 22 innerhalb des Analysefeldes 24 ist dem optischen Sensor 21 das drehbare optische Führungselement 25 vom Objekt 4 ausgehend vorgeschalten. Das optische Führungselement 25 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als schwenkbarer Sensor-Scannerspiegel 26 ausgebildet. Die Sensoreinheit 15 umfasst demnach einen Sensorscanner oder ist als ein solcher ausgebildet.
Der Sensor-Scannerspiegel 26 ist vorzugsweise hinsichtlich seiner mechanischen Beweglichkeit und/oder hinsichtlich seiner Anordnung zu weiteren optischen Elementen, wie z.B. Linsen, Umlenkspiegeln und/oder Objektiven, wie die vorstehend beschriebenen Varianten des Laser-Scannerspiegels 18 ausgebildet. Demnach kann die als Sensorscanner ausgebildete Sensoreinheit 15 gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen einzigen Sensor-Scannerspiegel 26 umfassen, der vorzugsweise um mehrere Drehachsen beweglich, d.h. insbesondere drehbar und/oder schwenkbar, ausgebildet ist. Hierdurch kann aufgrund der insbesondere lotrecht zueinander ausge- richteten Drehachsen der Analysebereich 22 sowohl in x- als auch in y- Richtung bewegt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es aber auch ebenso möglich, dass die Sensoreinheit 15 mehrere, beispielsweise zwei, derartige optische Führungselemente 25 aufweist. Diese sind dann im Sensorstrahlengang 23 hintereinander geschalten bzw. angeordnet. Ferner sind diese vorzugsweise jeweils nur um eine einzige Drehachse schwenkbar. Dies kann beispielsweise erreicht werden indem jedes optische Führungselement mit jeweils einem Galvanometerantrieb gekoppelt ist. Die Drehachsen der beiden Sensor- Scannerspiegel sind zueinander ferner windschief ausgerichtet. Hierdurch können der eine Sensor-Scannerspiegel zur Bewegung des Analysebereiches 22 in x-Richtung und der andere Sensor-Scannerspiegel zur Bewegung des Analysebereiches 22 in y-Richtung ausgebildet sein.
Gemäß Figur 1 weist die Sensoreinheit 15 einen Sensorumlenkspiegel 27 auf, mittels dem der Sensorstrahlengang 23 im Inneren des Sensorgehäuses 20 gefaltet ist. Hierdurch kann die Sensoreinheit 15 sehr bauraumsparend ausgebildet werden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Sensoreinheit 15 des Weiteren ein dem beweglichen optischen Führungselement 25 bzw. Sensor-Scannerspiegel 26 nachgelagertes - d.h. in Bezug auf den Sensorstrahlengang 23 vom Analysebereich 22 ausgehend nachgeschaltenes - erstes optisches Element 28. Hierbei kann es sich beispielsweise gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel um eine Linse handeln. Diese kann ferner in Axialrichtung, d. h. in Richtung des Sensorstrahlengangs 23, verschiebbar sein. Beispielsweise kann hierdurch die Position des Fokus des Sensorstrahlengangs 23 in z-Richtung verändert werden.
Des Weiteren umfasst die Sensoreinheit 15 gemäß Figur 1 ein zweites optisches Element 29, dass dem Sensor-Scannerspiegel 26 vom Analysebereich 22 ausgehend vorgeschalten ist bzw. vom optischen Sensor 21 ausgehend nachgeschalten ist. Das zweite optische Element 29 kann beispielsweise ein Objektiv sein.
Die Anordnung sowie Anzahl der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellten optischen Elemente 27, 28, 29 kann von dem dargestellten Ausführungsbeispiel abweichen. So ist es beispielsweise auch denkbar, dass das Objektiv in Bezug zum Sensorstrahlengang 23 zwischen dem Sensor- Scannerspiegel 26 und dem optischen Sensor 21 angeordnet ist. Des Weiteren kann der optische Sensor 21 auch ebenso unmittelbar, d.h. zumindest ohne dazwischen angeordnete Linse und/oder Objektiv, auf das bewegliche optische Führungselement 25 ausgerichtet sein.
Wie insbesondere aus Figur 1 hervorgeht, ist das Analysefeld 24 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel größer ausgebildet als die jeweiligen Arbeitsfelder 12, 13 der Fertigungsscanner 2, 3. Infolgedessen weist die Sensoreinheit 15 im Vergleich zu den Fertigungsscannern 2, 3 einen größeren Auslenkwinkel auf. Das optische Führungselement 25 der Sensoreinheit 15 ist somit im Vergleich zu dem jeweiligen Laser-Scannerspiegel 18 um einen größeren Winkel schwenkbar.
Es ist vorteilhaft, wenn der Sensor-Scannerspiegel 26 mittels eines hier nicht dargestellten Motors, insbesondere eines Encoder-Motors, ansteuerbar ist, der im Vergleich zum Motor des Laser-Scannerspiegels 18 eine höhere Geschwindigkeit und/oder Genauigkeit, insbesondere Feinjustierbarkeit, aufweist. Auch kann die Beschichtung des Sensor-Scannerspiegels 26 im Vergleich zum Laser-Scannerspiegel 18 unterschiedlich ausgebildet sein, wobei diese insbesondere an die Wellenlänge des optischen Sensors 21 angepasst ist.
Wie bereits vorstehend erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn der optische Sensor 21 als Bildsensor, insbesondere Kamera, ausgebildet ist. In diesem Fall kann die Sensoreinheit 15 eine hier nicht dargestellte Bildverarbeitungseinheit aufweisen und/oder mit einer solchen zur Datenübertragung kommunizieren, so dass die jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt von der Kamera im Analysebereich 22 erfassten Bilddaten von der Bildverarbeitungseinheit analysiert werden können. Die Sensoreinheit 15 kann demnach einen Sensorscanner und eine Bildverarbeitungseinheit umfassen. Bei der Bildverarbeitungseinheit kann es sich um eine eigenständige Recheneinheit handeln, die vorzugsweise räumlich mit dem Sensorscanner gekoppelt ist, so dass diese zusammen montierbar und demontierbar sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Bildverarbeitungseinheit aber auch durch eine Steuerung und/oder Recheneinheit der Fertigungsscanner 2, 3 gebildet sein.
Die Sensoreinheit 15 kann beispielsweise Teil eines Kalibriersystems zum Kalibrieren der beiden Fertigungsscanner 2, 3 sein. Hierbei können in einem Arbeitsschritt jeder der beiden Fertigungsscanner 2, 3 sowie die beiden Fertigungsscanner 2,3 zueinander kalibriert werden. In einem diesbezüglichen Kalibrierungsverfahren wird in einem ersten Schritt mittels der Fertigungsscanner 2, 3 ein Referenzobjekt 4, z.B. eine Referenzplatte bearbeitet und dabei mit einem Muster versehen. Die Steuerung der Fertigungsscanner 2,3 erfolgt dabei gemäß einem vorgegebenen Soll-Muster. In einem zweiten Schritt wird dann mittels der Sensoreinheit 15 das von den Fertigungsscannern 2, 3 tatsächlich erstellte Ist-Muster erfasst, wobei zwischen beiden Schritten weder die bearbeiteten Platten noch die Sensoreinheit bewegt wird, wodurch eine sehr genaue Vermessung der Muster ermöglicht wird. Zur Erfassung der Ist-Muster wird der Analysebereich 22 an viele Positionen innerhalb des Analysefeldes 24 bewegt, an denen jeweils Daten erfasst werden. Die Positionen werden so gewählt, dass an jeder Stelle des Ist-Musters mindestens einmal Daten erfasst werden und das Ist Muster wird aus den an allen Positionen erfassen Daten zusammengesetzt. Ist der optische Sensor beispielsweise als Bildsensor ausgebildet und mit einer Bildverarbeitungseinheit verbunden so werden an vielen Positionen Bilddaten erfasst, die dann mittels der Bildverarbeitungseinheit zu einem Gesamtbild des Ist-Musters zu- sammengesetzt werden. Mittels einer Recheneinheit und/oder der Bildverarbeitungseinheit wird ein entsprechender lst-/Sollwertabgleich vorgenommen und ein Korrekturwert berechnet. Dieser wird anschließend in der Steuereinheit der Mehrkopf-Laseranlage 1 hinterlegt und bei der anschließenden Bearbeitung und/oder Herstellung berücksichtigt, so dass jeder der Fertigungsscanner kalibriert ist und die Arbeitsfelder der Fertigungsscanner 2, 3 exakt aufeinander eingestellt sind.
Vor dem Kalibrieren der Fertigungsscanner kann, falls erforderlich, zuerst die Sensoreinheit selbst kalibriert werden. Zu diesem Zweck wird ein Referenzobjekt, insbesondere eine Referenzplatte, die ein hoch-präzises und bekanntes Referenzmuster aufweist, in die Anlage eingebracht. Das Referenzobjekt wird mittels der Sensoreinheit erfasst. Die Kalibrierung der Sensoreinheit erfolgt dann, analog zum oben beschriebenen, basierend auf dem erfassten Muster und dem bekannten Referenzmuster.
Zum Ermitteln des Ist-Musters kann der Analysebereich 22 beispielsweise entlang einer Analysebahn geführt werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Analysebereich 22 zeilenweise oder mäanderförmig den relevanten Bereich des Analysefeldes 24 abfährt, in dem das Ist-Muster vermutet wird. Auch kann das Analysefeld 24 immer vollständig abgescannt werden.
Abgesehen von der Kalibrierung des Systems kann die Sensoreinheit 15 aber auch im laufenden Betrieb der Mehrkopf-Laseranlage 1 eingesetzt werden. Demnach kann der Analysebereich 22 unter Kenntnis der zu bearbeitenden Soll-Bahn dem jeweiligen Prozessort 9, 10 vorausgeführt werden. Hierdurch kann die Positionsgenauigkeit des Prozessortes 9, 10 durch einen entsprechenden Regelkreis verbessert werden, z.B. wenn erkannt wird, dass die reale Position einer zu bearbeitenden Kontur von der erwarteten Position einer zu bearbeitenden Kontur abweicht. Zusätzlich oder alternativ ist es ebenso auch denkbar, den Analysebereich 22 genau mit dem Prozessort 9, 10 mitzuführen, um den eigentlichen Bearbeitungs- und/oder Herstellungs- prozess zu überwachen. Des Weiteren kann der Analysebereich 22 dem Prozessort 9, 10 auch nachgeführt werden. Hierdurch kann nachträglich die Qualität des Bearbeitungs- und/oder Herstellungsprozesses überprüft werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
Bezuqszeichenliste Mehrkopf-Laseranlage
erster Fertigungsscanner
zweiter Fertigungsscanner
Objekt
erstes Scannergehäuse
zweites Scannergehäuse
erster Laserstrahl
zweiter Laserstrahl
erster Prozessort
zweiter Prozessort
Objektoberfläche
erstes Arbeitsfeld
zweites Arbeitsfeld
Überlappungsbereich
Sensoreinheit
Linse
Laserumlenkspiegel
Laser-Scannerspiegel
Objektiv
Sensorgehäuse
optischer Sensor
Analysebereich
Sensorstrahlengang
Analysefeld
optisches Führungselement
Sensor-Scannerspiegel
Sensorumlenkspiegel
erstes optisches Element
zweites optisches Element

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Mehrkopf-Laseranlage (1 ) zum Bearbeiten und/oder Herstellen, insbesondere zum Markieren, Schweißen, Schneiden und/oder Sintern, eines Objektes mittels mehrerer Laserstrahlen (7, 8),
mit mehreren starr miteinander verbundenen Fertigungsscannern (2, 3), die jeweils zumindest einen beweglichen Laser-Scannerspiegel (18) aufweisen, mittels dem der jeweilige Laserstrahl (7, 8) derart ablenkbar ist, dass dessen Prozessort (9, 10) auf der Objektoberfläche (1 1 ) innerhalb eines Arbeitsfeldes (12, 13) bewegbar ist, und mit zumindest einer starr mit den Fertigungsscannern (2, 3) verbundenen Sensoreinheit (15), die einen optischen Sensor (21 ) aufweist, mittels dem auf der Objektoberfläche (1 1 ) ein Analysebereich (22) erfassbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensoreinheit (15) zumindest ein in dem Sensorstrahlengang (23) angeordnetes und derart bewegliches optisches Führungselement (25) aufweist,
dass der Analysebereich (22) auf der Objektoberfläche (1 1 ) innerhalb eines Analysefeldes (24), das mit den Arbeitsfeldern (12, 13) der zumindest zwei Fertigungsscanner (2, 3) zumindest teilweise überlappt, bewegbar ist.
2. Mehrkopf-Laseranlage nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (15) einen Sensorscanner aufweist, der vorzugsweise zumindest einen als Führungselement (25) ausgebildeten Sensor-Scannerspiegel (26) aufweist, der um zumindest eine Drehachse schwenkbar ist.
3. Mehrkopf-Laseranlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Sensor-Scannerspiegel (26) im Vergleich zum Laser-Scannerspiegel (18) des jeweiligen Fertigungsscanners (2, 3) um einen größeren Schwenkwinkel auslenkbar ist, so dass das Analysefeld (24) des Sensorscanners im Vergleich zu dem Arbeitsfeld (12, 13) des jeweiligen Fertigungsscanners (2, 3) größer ist.
4. Mehrkopf-Laseranlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das, insbesondere zweidimensionale, Analysefeld (24) des Sensorscanners die Arbeitsfelder (12, 13) der Fertigungsscanner (2, 3) vollständig umfasst.
5. Mehrkopf-Laseranlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Sensor-Scannerspiegel (26) im Vergleich zum Laser-Scannerspiegel (18) des jeweiligen Fertigungsscanners (2, 3) eine andere, insbesondere an die Wellenlänge des optischen Sensors (21 ) angepasste, Beschichtung aufweist.
6. Mehrkopf-Laseranlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Sensor-Scannerspiegel (26) mittels eines Motors, insbesondere eines Encoder-Motors, ansteuerbar ist, der im Vergleich zum Motor des Laser-Scannerspiegels eine höhere Genauigkeit, insbesondere Feinjustierbarkeit, aufweist.
7. Mehrkopf-Laseranlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der optische Sensor (21 ) eine Kamera ist und/oder dass die Sensoreinheit (15) eine Bildverarbeitungseinheit aufweist, mittels der die von der Kamera erfassten Bilddaten analysierbar sind,
8. Mehrkopf-Laseranlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Sensoreinheit (15), insbesondere der Sensorscanner und/oder die Bildverarbeitungseinheit, in einer Seitenansicht der Mehrkopf-Laseranlage (1 ) unterhalb und/oder in einer Unteransicht der Mehrkopf-Laseranlage (1 ) zentral zwischen den zumindest zwei Fertigungsscannern (2, 3) angeordnet ist.
9. Mehrkopf-Laseranlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (15) eine Beleuchtungsquelle zum zumindest bereichsweise Beleuchten des Analysefeldes (24) aufweist.
10. Mehrkopf-Laseranlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrkopf-Laseranlage (1 ) ein die Sensoreinheit (15) umfassendes Kalibriersystem aufweist, mittels dem jeder der Fertigungsscanner (2, 3) für sich und/oder die Fertigungsscanner (2,3) zueinander kalibrierbar sind.
1 1 . Mehrkopf-Laseranlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibriersystem derart ausgebildet ist,
dass mittels der Fertigungsscanner (2, 3) ein Soll-Muster auf einem Referenzobjekt erstellbar ist,
mittels der Sensoreinheit (15) das von den Fertigungsscannern (2, 3) erstellte Ist-Muster erfassbar ist,
durch einen lst-/Sollwertabgleich ein Korrekturwert ermittelbar ist und/oder
der Korrekturwert in einer Steuereinheit der Mehrkopf-Laseranlage (1 ) hinterlegbar ist.
12. Mehrkopf-Laseranlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Sensoreinheit (15) der Analysebereich (22) zur Ermittlung des Ist-Musters entlang einer Analysebahn führbar ist.
13. Mehrkopf-Laseranlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im normalen Fertigungsbetrieb der Sensorscanner derart ansteuerbar ist,
dass der Analysebereich (22) zur Genauigkeitsverbesserung dem Prozessort (9, 10) in Bearbeitungsrichtung vorgelagert, im Bereich der zu bearbeitenden Soll-Bahn positionierbar ist und/oder dem Prozessort (9, 10) in einem Abstand vorausführbar ist,
dass der Analysebereich (22) zur Prozessüberwachung im Prozessort (9, 10) positionierbar und/oder mit diesem mitführbar ist und/oder dass der Analysebereich (22) zur Qualitätsüberprüfung dem Prozessort (9, 10) in Bearbeitungsrichtung nachgelagert , im Bereich der bearbeiteten Ist-Bahn positionierbar und/oder dem Prozessort (9, 10) in einem Abstand nachführbar ist.
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