WO2021165390A1 - Verfahren zur optischen abstandsmessung für einen laserbearbeitungsprozess, messsystem zur optischen abstandsmessung für eine laserbearbeitungsvorrichtung und laserbearbeitungsvorrichtung mit demselben - Google Patents

Verfahren zur optischen abstandsmessung für einen laserbearbeitungsprozess, messsystem zur optischen abstandsmessung für eine laserbearbeitungsvorrichtung und laserbearbeitungsvorrichtung mit demselben Download PDF

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WO2021165390A1
WO2021165390A1 PCT/EP2021/054017 EP2021054017W WO2021165390A1 WO 2021165390 A1 WO2021165390 A1 WO 2021165390A1 EP 2021054017 W EP2021054017 W EP 2021054017W WO 2021165390 A1 WO2021165390 A1 WO 2021165390A1
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WO
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measuring
measurement
path
workpiece surface
resolution
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PCT/EP2021/054017
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Matthias Sauer
Joachim Schwarz
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Precitec Gmbh & Co. Kg
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/006—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to using of neural networks
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    • G—PHYSICS
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    • G01B2290/65—Spatial scanning object beam
    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/0209—Low-coherence interferometers
    • G01B9/02091—Tomographic interferometers, e.g. based on optical coherence

Definitions

  • the present disclosure relates to a method for optical distance measurement for a laser machining process, a measuring system for optical distance measurement for a laser machining device, and a laser machining device with such a measuring system.
  • a laser processing system for processing a workpiece, in particular a metallic workpiece
  • the laser beam emerging from a laser light source or one end of a laser guide fiber is focused or bundled onto the workpiece to be processed with the help of beam guidance and focusing optics, which locally heats the workpiece to the melting temperature.
  • the processing can include, for example, laser cutting, soldering or welding.
  • the laser processing system can comprise a laser processing device, for example a laser processing head, or “processing head” for short, for example a laser cutting head or a laser welding head.
  • the surface of the workpiece must be measured to control the processing process and / or for quality assurance.
  • the workpieces to be welded also called “joining partners”, or the workpiece surface of the same must be measured.
  • the measurement must be able to take place due to process emissions under adverse environmental conditions and during the laser processing process, i.e. "online”. This places very high demands on the processing speed of the measuring systems used.
  • the measurement can include determining a distance between the workpieces and the machining head, determining a topography or a height profile of the workpiece surface, and measuring a feature of the workpiece surface, for example determining a position of a joining edge or a weld seam.
  • the topography of the workpiece surface is usually measured using a light section.
  • One or more laser lines are projected onto the workpiece surface and observed by a camera.
  • An image evaluation then takes place to determine a topography of the workpiece surface.
  • For dirty surfaces or Extraction of features from the image data often fails with very small gaps.
  • powerful and therefore expensive computing systems are required to evaluate the camera images with high frame rates.
  • Fig. 1 shows a method for determining a topography by projecting a laser line according to the prior art.
  • Fig. 1 shows in the upper area a schematic plan view of two joining partners and in the lower area schematically the course of the ver measured topography along the laser line.
  • the two joining partners 11 and 12 overlap and should be welded to one another at the height jump 13.
  • the laser line 2 is projected onto the joining partners 11 and 12.
  • the resulting height profile after image processing has a constant resolution in the x direction.
  • the topography or the scanning of a workpiece surface is determined by moving an optical measuring beam of a measuring system for optical distance measurement, for example a measuring system based on optical coherence tomography (OCT), over the workpiece surface.
  • OCT optical coherence tomography
  • the three-dimensional topography can be recorded directly without having to calculate it from two-dimensional image data.
  • an optical measuring beam is moved along a measuring path over the workpiece surface and a distance to the workpiece surface is measured at a plurality of measuring points. The topography of the workpiece surface can thus be determined from the determined distances.
  • a distance between two measuring points on the workpiece surface is specified or limited by the maximum possible measuring rate, also called “measuring frequency” or “sampling rate", of the measuring system and the speed of movement of the optical measuring beam along the measuring path.
  • the maximum possible measuring rate determines the maximum lateral resolution and thus the quality of the topography measurement or the scanning of the workpiece surface.
  • the measuring systems currently used for optical distance measurement are limited to approx. 500,000 measurements per second (this corresponds to a measuring frequency of 500 kHz).
  • the user When moving the measuring beam over the workpiece surface, the user must therefore always weigh between a relatively small measuring area on the workpiece surface with a high lateral resolution or a large measuring area with a reduced lateral resolution. Disclosure of the invention
  • a method for optical distance measurement which is particularly suitable for use in laser processes for machining workpieces, and which comprises the following steps: directing an optical measuring beam onto a workpiece surface, scanning the workpiece surface with the optical measuring beam and Determination of distances to the workpiece surface at a plurality of discrete measuring points.
  • the optical measuring beam is moved along a scanning line in the method according to the invention, which comprises a measuring path or several measuring paths, at least one measuring path having at least a first measuring area with a first resolution and at least a second measuring area with a second resolution, and where the first resolution and the second resolution are different.
  • the scan line extends parallel to the workpiece surface and predominantly along a preferred direction.
  • the measuring path is a section on the scanning line along which the optical measuring beam can be moved without the direction of movement having to be changed or reversed relative to the axis that is perpendicular to the preferred direction.
  • the scan line can be zigzag, curved (eg, sinusoidal or parabolic) or angular.
  • the preferred direction is the direction in which the scanning line predominantly extends. If the method is used in the context of a laser process for machining workpieces, the preferred direction can coincide with the machining direction.
  • the objects on which the invention is based are also achieved by the subject matter of the independent claims.
  • Advantageous refinements and developments are the subject of dependent claims. In the following, the aspects of the present invention are briefly presented. The aspects and examples can easily be combined with one another.
  • the present invention is based on the idea that when determining the topography or when scanning a workpiece surface, usually only a small area around (at least) one specific feature of the workpiece surface is of interest. Preferably, only this (at least one) area is scanned with a high resolution in order to determine the topography of the workpiece surface. Areas that are further away from the feature can be measured with a lower resolution.
  • the determination of distances to the workpiece surface at a plurality of measuring points along a measuring path is therefore carried out according to the invention with locally or along the measuring path, variable resolution, that is to say with variable lateral resolution.
  • Scanning a first area with high resolution and a second area with low resolution allows a larger area of the workpiece surface to be measured or scanned and thus monitored at a given maximum measuring frequency than would be possible with a constant resolution over the entire measuring path.
  • the first area with the high resolution is automatically or automatically tracked .
  • the first area can be adapted with the high resolution of a further measurement path based on a position of the feature on the previous measurement path.
  • resolution in this disclosure preferably denotes the lateral resolution or the resolution along the measurement path.
  • a method for optical distance measurement for a laser machining process for machining workpieces comprises the steps of: directing an optical measuring beam onto a workpiece surface; Guiding the optical measuring beam along a measuring path; and determining or measuring distances to a plurality of measuring points along the measuring path, for example on the basis of reflections of the optical measuring beam on the workpiece surface.
  • the method comprises the steps of: directing an optical measuring beam onto a workpiece surface; Scanning the workpiece surface with the optical measuring beam along at least one measuring path; Determination of distances to the workpiece surface at a plurality of measuring points along the measuring path.
  • the measurement path has at least one first measurement area with a first resolution and at least one second measurement area with a second resolution, the first resolution being greater than the second resolution.
  • the distances are thus measured or determined in a first measurement area of the measurement path with the first resolution and in a second measurement area of the measurement path with the second resolution.
  • a measurement path can denote a path along which a movement can be carried out which, at least in sections, is not parallel to a machining direction of the laser machining process.
  • a measuring path is preferably also a path along which a movement is possible without a direction reversal, in particular without a direction reversal in a movement direction perpendicular to the processing direction of the laser processing process.
  • the measuring path can be completely linear.
  • the measuring path is preferably completely linear and oriented in such a way that it encloses an angle greater than 0 ° and less than 180 ° with a machining path of the laser machining process.
  • a measuring system for optical distance measurement for a laser machining device for machining workpieces comprises: a light source which is configured to generate an optical measuring beam for directing onto a workpiece surface; a deflection unit which is set up to guide the optical measuring beam along at least one measuring path on the workpiece surface or to scan the workpiece surface with the optical measuring beam along at least one measuring path; and a measuring device which is set up to determine distances to a plurality of measuring points along the measuring path, for example based on reflections of the optical measuring beam on the workpiece surface, the measuring path having at least a first measuring area with a first resolution and a second measuring area a second resolution, and the first resolution is greater than the second resolution.
  • the measuring system is thus set up to determine distances with a variable lateral resolution. Accordingly, the first measurement range can be referred to as the “high-resolution measurement range” and the second measurement range as the “low-resolution measurement range”.
  • a laser machining device with a laser machining head and a measuring system for opti- see distance measurement given in accordance with the aspects described here.
  • the laser processing head can be, for example, a laser cutting head or a laser welding head.
  • the measuring system can be set up to carry out the method in accordance with the aspects described in this disclosure.
  • the resolution can specify or correspond to a distance between two measuring points on the workpiece surface along the measuring path.
  • the resolutions indicate the number of measuring points based on a unit length, for example m, cm or mm.
  • Preferred distances between two measuring points are in the first (high-resolution) range between 10 ... 10Opm, in the second (low-resolution) range between 100 ... 100Opm.
  • a larger or higher resolution means more measuring points per unit length.
  • the respective resolutions can be specified by a user.
  • a measuring frequency for determining distances or the measuring system can be constant. This means that the measuring frequency for measuring the distances in the first measuring range and in the second measuring range of the measuring path can be the same.
  • the distances between two successive measuring points in the first measuring range can be smaller than in the second measuring range, since the first resolution is greater than the second resolution.
  • the first resolution in the first measurement range and / or the second resolution in the second measurement range can each be constant.
  • the first resolution in the first measurement range can be constant and the second resolution in the second measurement range can increase in the direction of the first measurement range, for example until the value of the first resolution is reached, the maximum value of the second resolution being smaller than the value of the first Resolution.
  • the second resolution in the second measuring range can be constant and the first resolution in the first measuring range can increase up to the middle or midpoint of the first measuring area and decrease from the middle or midpoint of the first measuring area to the second measuring area.
  • the maximum value of the first resolution is preferably in the middle of the first measurement range.
  • the first resolution can increase, for example linearly, from the value of the second resolution to the maximum value and decrease from the maximum value to the value of the second resolution.
  • the resolution can change continuously along the measurement path.
  • the first resolution of the first measuring range and the second resolution can Solution of the second measuring range correspond to an average resolution in the respective measuring range.
  • the measurement path can contain one or more first measurement areas.
  • the measurement path can also contain one or more second measurement areas.
  • the at least one first measurement area and the at least one second measurement area preferably adjoin one another.
  • a first measurement range can lie between two second measurement ranges.
  • the measurement path can also include further measurement areas with resolutions other than the first or second resolution.
  • the optical measuring beam can be guided along a plurality of linear measuring paths, each of which comprises a first and a second area.
  • the steps of scanning the workpiece surface and determining distances along the further measuring path can be carried out for each measuring path of a plurality of measuring paths.
  • the workpiece surface is scanned preferably along a plurality of measuring paths which are spaced apart from one another in a machining direction or along a machining path.
  • the machining direction for example a cutting or welding direction, or the machining path, for example a cutting or welding path, is preferably at an angle or perpendicular to each of the measuring paths.
  • the scanning is preferably carried out transversely to the machining direction.
  • the processing direction can be a direction of a relative movement between the measuring system and the Laserbear processing head. An offset or distance between the measurement paths can be constant.
  • the measurement paths can have the same length and / or the same number of measurement points.
  • the measurement paths can be the same except for one position of the first area with respect to the respective measurement path.
  • the position of the first measurement area can be placed on a further measurement path corresponding to a detected position of a feature on the previous measurement path.
  • the distances between two successive measurement paths can be the same or different and / or can be variable or can be adaptable.
  • the measurement path comprises a plurality of measurement points.
  • the first measurement area and the second measurement area accordingly each have a plurality of measurement points.
  • the measuring path corresponds to a movement path of the optical measuring beam on the workpiece surface. At each measuring point there can be a distance to this measuring point be measured.
  • the measurement path can essentially be or comprise a straight line, a zigzag line, a sawtooth line, a curved line, a meandering line and a sinusoidal line.
  • a speed of movement of the optical measuring beam along the measuring path can be specified by a user and / or determined by a specified measurement frequency and the specified first or second resolution.
  • the measurement path can cross a direction of movement of a laser machining device, in particular a machining head, or a machining direction or a machining path, and can in particular be perpendicular thereto.
  • the optical measuring beam can be a temporally continuous optical measuring beam or a pulsed optical measuring beam. Accordingly, the measurement path can be continuous or discontinuous.
  • the first measuring area of the respective measuring path is preferably automatically adjusted when the workpiece surface or the machining area of the laser machining process is moved, e.g. relative to the measuring system.
  • the automatic tracking of the first measuring range of the measuring paths can be based on a predetermined welding or cutting path.
  • the method can further comprise the following steps: determining a position of at least one feature on the workpiece surface along the measuring path; Determine a further measuring path, which is spaced from the measuring path along a machining direction of the laser machining process, so that the first measuring area of the further measuring path is arranged in an area of the workpiece surface that corresponds to the determined position of the at least one feature; and repeating the step of scanning the workpiece surface and determining distances along the further measuring path. If more than one feature is recognized, a first measurement area can be arranged in each case according to the position of the respective feature on the further measurement path. The first and / or second measurement area of the further measurement path can be adapted based on the determined position of the feature.
  • a position of the first and / or second measurement area along the further measurement path and / or with respect to the workpiece surface, and / or a number of the first and / or second measurement area on the further measuring path and / or a length of the first and / or second measuring area can be adapted along the further measuring path.
  • a center point of the further measurement path and / or a center point of the first measurement area of the further measurement path is preferably determined in accordance with the determined position of the feature. it's correct.
  • the first measurement area of the further measurement path is set centrally around the position of the feature.
  • the recognition of the at least one feature can be the recognition of a change in height.
  • the method can comprise the following steps: recognizing a feature on the workpiece surface along the measuring path; Determining a further measurement path which is adapted to the recognized feature; and repeating the step of guiding the optical measuring beam along the further measuring path.
  • the further measurement path can be spaced apart from the measurement path.
  • the further measuring path can be spaced apart from the measuring path along a machining direction of the laser machining process or the laser machining device. This can be achieved by moving the measuring system relative to the workpiece surface or by deflecting the optical measuring beam, in particular by the deflection unit.
  • the movement of the measuring system relative to the workpiece surface can be parallel to a machining direction, in particular a feed direction, of the laser machining process.
  • the detection of the feature can include the determination of a position of the feature on the workpiece surface on the basis of the measured distances to the plurality of measuring points of the measuring path.
  • the further measuring path can be adapted to the recognized feature in such a way that the first measuring area of the further measuring path overlaps with an area of the workpiece surface in which the feature is located.
  • a center point or center of the first measurement area can correspond to a position of the feature with the first resolution on the further measurement path.
  • features on the workpiece surface can be measured optimally, i.e. with high resolution.
  • the steps of scanning, determining distances and recognizing the feature can be repeated for each measuring path.
  • a further or subsequent measuring path can be determined based on the recognized feature, the position of which was determined on the basis of the measured distances to the plurality of measuring points of a previous measuring path.
  • the adaptation of the first measuring range of the further measuring path or the adaptation of the further measuring path can also be referred to as "tracking the first measuring range", “tracking the high-resolution measuring range” or "tracking the measuring path”.
  • the feature can be recognized by means of an algorithm, in particular using a neural network.
  • the feature on the workpiece surface can be recognized both in the first measurement area and in the second measurement area.
  • the feature on the workpiece surface can include a joining edge, a weld seam, a cut edge, a vapor capillary, also called a “keyhole”, a melt pool, an obstacle, and / or impurities on the workpiece surface.
  • a joining edge can be recognized on the basis of a change in height along the measurement paths.
  • the method can further include an initialization step in which distances along an initialization measurement path are determined with the first resolution and a position of a feature on the initialization measurement path is determined.
  • the position of the feature can be used to define a position of the first measurement area of a further measurement path.
  • the method can further include the step of determining, based on a plurality of determined distances to different measurement points, a height profile of the workpiece surface.
  • the height profile can be determined based on a plurality of specific distances to measurement points of different measurement paths.
  • the method can further include the step of determining a gray-scale image of the workpiece surface based on intensity values of the backscattered optical measuring beam or on intensity values of reflections of the optical measuring beam from the workpiece surface.
  • the intensity values can be determined at a plurality of measuring points on the basis of reflections of the optical measuring beam on the workpiece surface.
  • the gray value image can be combined with the height profile of the workpiece surface, which was determined, for example, from the distances, to form a multidimensional nal image of the workpiece surface can be combined.
  • the intensity values can be used to determine information about a surface topography, in particular about a height profile, and / or information about a quality of the measurement data.
  • measurement data can be assigned to each measurement point, such as distance, intensity of the measurement signal (i.e. the backscattered optical measurement beam), quality of the distance measurement at this measurement point, width of the distance peak in the spectrum, etc.
  • intensity of the measurement signal i.e. the backscattered optical measurement beam
  • quality of the distance measurement at this measurement point i.e. the backscattered optical measurement beam
  • width of the distance peak in the spectrum etc.
  • the method can further include the steps of: generating a multidimensional or multidimensional image from the determined distances and the intensity values and evaluating the multidimensional image by means of a deep neural network.
  • the at least one measurement path can be arranged in the pre-run and / or in the post-run of a machining area of the laser machining process.
  • the determined distances and / or the determined height profile of the workpiece surface and / or the determined position of the feature can be used to control the laser processing process.
  • the processing area can also be referred to as a “process zone” and comprises an area in which the laser beam of the laser processing process hits the workpiece.
  • the laser machining process is preferably regulated based on the determined distances. If the at least one measuring path is arranged in advance of the machining area, the determined distances or the determined position of the feature, e.g. a joining edge or an obstacle on the workpiece, can be used to regulate the laser machining process. If the at least one measuring path is arranged in the wake of the processing area, the determined distances or the determined position of the feature, e.g. a weld seam or a cutting edge, can be used to monitor a processing quality of the laser processing process. If the at least one measuring path is arranged on the processing area, the determined distances or the determined position of the feature, e.g. of the weld pool and / or the steam capillary, can be used for inline control of the laser processing process.
  • the laser machining process can include a welding or cutting process.
  • the measuring system can be a processing unit with a field programmable gate array (FPGA), a graphics processor GPU and / or an acceleration unit for neural networks.
  • the processing unit can be set up for image processing, in particular for recognizing the feature, for determining the height profile and / or for determining the gray value image.
  • the measuring device can be set up to set an intensity of the optical measuring beam generated by the light source based on at least one determined distance and / or as a function of a position along the measuring path.
  • the measuring system can be mounted on the laser processing head. At least parts of the measuring system, in particular the deflection unit, can be arranged within the laser processing head.
  • the laser processing device can be set up to move the laser processing head and / or the measuring system relative to the workpiece surface in a processing direction.
  • the optical distance measurement can be an interferometric distance measurement, in particular a distance measurement using optical coherence tomography (“optical coherence tomography”, “OCT”), a chromatic-confocal distance measurement, or a TOF (“time-of-flight”) distance measurement.
  • OCT optical coherence tomography
  • TOF time-of-flight
  • the optical distance measurement can be based on directing an optical measuring beam onto the workpiece surface and determining a distance to the workpiece surface based on the optical measuring beam reflected back from the workpiece surface or on reflections of the optical measuring beam. The respective distances can be determined with respect to a reference point of the measuring system.
  • FIG. 3 shows a method for optical distance measurement according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a method for optical distance measurement according to a further embodiment of the present invention
  • Figures 5 and 6 show methods with different scan lines in accordance with embodiments of the present invention
  • FIG. 7 and 8 show schematically a perspective height profile and a gray value image, which were determined using a method for optical distance measurement according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 9 shows a schematic view of a measuring system for optical distance measurement according to embodiments of the invention.
  • the method comprises the steps of: directing an optical measuring beam onto a workpiece surface (S1) and guiding the optical measuring beam along a measuring path on the workpiece surface for measuring distances to a plurality of measuring points along the measuring path on the basis of reflections of the optical measuring beam on the workpiece surface (S2 ).
  • the workpiece surface can here also comprise the surfaces of two overlapping or adjacent workpieces and here generally designates the surface of at least one workpiece to be machined or machined.
  • the measurement path comprises at least a first measurement area with a first resolution and a second measurement area with a second resolution, the first resolution being greater than the second resolution.
  • the optical distance measurement takes place by means of optical coherence tomography (“optical coherence tomography”, “OCT”), in which an optical measuring beam is directed onto the workpiece surface and based on the optical measuring beam or reflections of the optical beam reflected back from the workpiece surface Measuring beam a distance to the workpiece surface is determined.
  • OCT optical coherence tomography
  • the measuring path comprises a plurality of measuring points and corresponds to a movement path of the optical measuring beam on the workpiece surface. A distance to the respective measuring point is measured at each measuring point.
  • the method optionally further comprises the following steps: recognition of a feature on the workpiece surface along the measuring path (S3); Determining a further measurement path which is adapted to the recognized feature (S4); and repeating (S5) the step (S2) for guiding the optical measuring beam along the further measuring path on the workpiece surface for measuring distances to a plurality of measuring points along the further measuring path on the basis of reflections of the optical measuring beam on the workpiece surface, as well as the steps of Recognition of a feature on the workpiece surface along the measuring path (S3) and the determination of a further measuring path which is adapted to the recognized feature (S4), preferably until the laser machining process and / or the monitoring or control is ended.
  • the further measurement path can be spaced apart from the measurement path.
  • the further measuring path can be spaced apart from the measuring path along a machining direction of the laser machining process or the laser machining device. This can be achieved by moving the measuring system relative to the workpiece surface or by deflecting the optical measuring beam.
  • the feature on the workpiece surface is a joining edge or a weld seam.
  • a joining edge can be recognized based on a change in height along the measurement path.
  • the detection of the feature S3 can include the determination of a position of the feature on the workpiece surface on the basis of the measured distances to the plurality of measuring points of the measuring path.
  • the feature can be recognized by means of an algorithm, in particular using a neural network.
  • the feature on the workpiece surface can be recognized both in the first measurement area and in the second measurement area. This is because the second, lower resolution is also sufficient for merely recognizing the feature and determining the position of the feature on the respective measurement path. For precise monitoring or regulation, however, the position of the first measuring range with the higher first resolution can be set for the subsequent measuring path according to the position of the feature.
  • Steps S2 to S4 can be repeated as often as required.
  • a next measurement path can be determined based on the recognized feature, the position of which was determined on the basis of the measured distances to the plurality of measurement points of a previous measurement path (steps S3 and S4).
  • the optical measuring beam can be guided along the next measuring path on the workpiece surface for measuring distances to a plurality of measuring points along the next measuring path (step S2).
  • the method ends with the end of the laser machining process or when the laser machining process is ended by a user or by a higher-level control unit.
  • the further measuring path is adapted to the recognized feature in such a way that the first measuring area of the further measuring path overlaps with an area of the workpiece surface in which the feature is located.
  • a center point or center of the first measurement area with the first resolution can correspond to a center point or center of the area of the workpiece surface in which the feature is located. This means that the feature on the workpiece surface can be measured optimally, i.e. with high resolution.
  • the adaptation of the further measurement path can include the adaptation of the first measurement area and / or the second measurement area of the further measurement path based on the determined position of the feature to be measured. Adjusting the first measuring range and / or the second measuring range can change a division of the further measuring path into the first measuring range and the second measuring range, changing a relative position of the measuring path, in particular the first measuring range and / or the second measuring range, with respect to the workpiece surface , in particular with regard to the position of the recognized feature, and / or a relative position of the first measurement area and the second measurement area to one another.
  • Fig. 3 shows a method for optical distance measurement according to an embodiment of the present invention, in which an optical measuring beam is moved over a workpiece surface in order to reconstruct a topography from the sum of the measuring points.
  • Fig. 3 shows a schematic plan view in the upper area on two joining partners and shows in the lower area schematically the course of the measured topography along a measuring path. Two joining partners 11 and 12 overlap and are to be welded to one another at the height jump 13.
  • the optical measuring beam of a measuring system for optical distance measurement according to embodiments of the present invention in the area of the height jump 13 along a measuring path 3 with variable resolution along the x-direction or along the measuring path is guided over the workpiece surfaces.
  • the measurement path 3 is a line in this example.
  • the measuring path 3 crosses the course of the height jump 13.
  • the measuring path 3 comprises a first measurement area 31 in the area of the change in height 13, which has a high first resolution, and a second measurement area 32 further away from the change in height 13, which has a lower second resolution. Due to the lower resolution in the second measuring range 32 of the measuring path 13, the required number of measuring points is reduced. As a result, with a constant or unchanged measuring frequency of the measuring system compared to a measuring path with constant resolution over the entire length, either the length of the measuring path in the x-direction can be increased or the duration of the measurement for a measuring path can be reduced.
  • FIG. 4 shows a method for optical distance measurement according to a further Ausense approximate form of the present invention.
  • 4 shows, in particular, tracking or adjustment of a high-resolution measuring range, in particular when workpieces are shifted relative to a laser machining device and / or a measuring system according to embodiments of the invention.
  • a welding head can be guided over the workpiece, with the measuring path or the measuring system in the lead of the machining area, i.e. in the lead of the welding area.
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of two joining partners and, in the lower area, shows schematically the course of the measured topography along the respective successive measurement paths 3a, 3b, 3c.
  • the optical measuring beam is guided one after the other along the measuring paths 3a, 3b, 3c.
  • the measurement paths 3a, 3b, 3c have the same length in the x direction or the same total number of measurement points.
  • the measuring paths 3a, 3b, 3c are spaced apart from one another in the y direction and shifted from one another in the x direction and each have a first measuring area with high resolution and a second measuring area with low resolution.
  • the distances between two successive measurement paths can be the same or different and / or can be variable or can be adaptable.
  • the measurement paths 3a, 3b, 3c are each arranged on the workpiece surface in such a way that their first measurement area overlaps the height jump 13 with the high resolution.
  • the measuring paths 3a, 3b, 3c or the first measuring range can be used with the high resolution of each measuring path 3a, 3b, 3c to determine the position of the height jump in the x direction, which changes due to the displacement of the workpieces or a course of the height jump 13 be followed up.
  • the measuring system does not lose the feature of the workpiece surface to be measured, since the algorithm can determine the position of the height jump even in the low-resolution area, then with reduced accuracy, and the high-resolution measurement area can be tracked richly for the next measuring path.
  • the high-resolution measurement area of the next measurement path can thus be set in such a way that its center coincides with the position of the joining edge determined on the basis of the previous measurement path.
  • the high-resolution measuring range therefore runs with the joining edge.
  • FIGS. 5 and 6 show different scanning lines along which the optical measuring beam can be moved in the method according to the invention.
  • the meaning of the reference symbols in FIGS. 5 and 6 is the same as in FIG. 4.
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of two joining partners, in which the optical distance measurement takes place along a zigzag-shaped scanning line.
  • the zigzag-shaped scan line comprises several measurement paths 3a, 3a, 3b, 3b ‘and 3c.
  • the distance to the workpiece surface is determined at several measuring points.
  • the distances between the measuring points are selected in such a way that a first measuring range with a high resolution and a second measuring range with a low resolution are created.
  • the measuring range with the high resolution surrounds the height jump 13.
  • no distance measurement takes place on the further measuring paths 3a ‘and 3b‘.
  • a distance measurement can also be carried out along the measurement paths 3a and 3b ‘.
  • FIG. 5 a schematic plan view of two joining partners is shown, in which the optical distance measurement takes place along an angular scanning line.
  • the scan line contains several measurement paths which include at least one first measurement path part 4a, 4b or 4c, the first measurement path part 4a, 4b or 4c running perpendicular to the preferred direction y of the scan line.
  • the distance to the workpiece surface is determined with the aid of the optical measuring beam at several measuring points.
  • No distance measurement is carried out along a second measuring path portion 4a 'or 4b', which runs parallel to the preferred direction of the scanning line.
  • FIG. 6 illustrates an example of a method in which the optical measuring beam is moved along a curved scanning line over the workpiece surface.
  • the measuring paths 3a, 3b and 3c of the curved scanning line shown here have a curvature.
  • the first measuring path of the curved scanning line runs in the area 3a.
  • the other measuring paths of the curved scanning line run in areas 3b and 3c.
  • the method according to the invention can also be implemented along the curved measurement paths, in which measurements are carried out in a first measurement area with a first resolution and in a second measurement area with a second resolution, the first resolution being greater than the second resolution.
  • FIG. 7 and 8 schematically show a height profile and a gray value image, which were determined using methods for optical distance measurement according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 7 shows how a three-dimensional surface topography or a height profile of a workpiece surface can be generated from a combination of several measurements from several measurement paths.
  • the height profile was determined on the basis of a plurality of measured distances to measuring points of several measuring paths.
  • Such a height profile can in particular also be generated in that the position of a measurement path in the y direction remains unchanged, but the workpiece or workpieces move relative to the measurement system in the x direction, for example when welding with a measurement path in advance.
  • FIG. 8 shows another possible representation of the detected surface topography in combination with a gray value image.
  • the intensity of the measuring beam reflected back from the workpiece surface is measured.
  • the intensity values at the respective measuring points together result in a gray value image of the workpiece surface.
  • different intensity values are shown by black and hatched areas at the respective measuring points.
  • measuring points with black areas represent measuring points with a higher intensity than the measuring points with hatched areas.
  • the intensity of the measuring beam reflected back from the workpiece surface can correspond to a distance from the measuring point and / or a quality of a distance signal (ie the backscattered optical measuring beam).
  • the distances to the respective measuring points can be determined (cf. FIG. 7).
  • Multi-dimensional images of the workpiece surface can be generated in order to increase the quality of the measurement. These multi-dimensional images contain additional information about the workpiece surface, which can be used to assess the surface.
  • the images generated in this way can be processed using classic image processing algorithms or algorithms from the field of machine learning, e.g. using deep neural networks.
  • the latest advances in this area allow the images to be processed at several hundred frames per second.
  • the height profiles generated in this way can also be used to regulate the measuring system, in particular to parameterize it automatically.
  • the intensity of a light source of the measuring system can be readjusted depending on the location, in particular from a determined distance to a workpiece surface.
  • a signal quality that is constant over the entire measuring range can be obtained.
  • the determined distances or the generated height profiles or topographies can also be used to regulate the laser machining process.
  • the measuring system comprises a deflection unit 42 which is set up to guide an optical measuring beam 43 directed onto a workpiece surface 1 along a measuring path on the workpiece surface 1.
  • the movement of the optical measuring beam along the measuring path is indicated by dashed lines.
  • a measuring device 41 is set up to use reflections of the optical measuring beam 43 on the workpiece surface 1 to measure distances to a plurality of measuring points along the measuring path.
  • the tracking of the measurement path in particular the tracking of the first area of the measurement path with high resolution and the processing of the measurement data, in particular the measured distances, can be carried out by the measuring device 41 or by a processing unit 44, also called a “computing unit”.
  • the processing unit 44 can be integrated into the measuring device 41.
  • the processing device contains, in addition to a CPU, special hardware which accelerates the execution of the algorithms for tracking the measurement path, for example an FPGA, GPU or an acceleration unit for neural networks.
  • the present invention enables a topography of a workpiece to be determined by means of optical distance measurement with locally or laterally variable resolution.
  • the present invention can enable the automatic tracking of a high-resolution measuring range.
  • the recorded distances to the workpiece can be used to calculate multidimensional images and then preferably evaluated by a learned neural network. As a result, process monitoring for quality assurance and / or process control can take place quickly and with adapted accuracy.

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Abstract

Ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung für einen Laserbearbeitungsprozess zum Bearbeiten von Werkstücken (11, 12), das Verfahren umfassend die Schritte: - Richten eines optischen Messstrahls (43) auf eine Werkstückoberfläche (1); - Abtasten der Werkstückoberfläche (1) mit dem optischen Messstrahl (43) entlang mindestens eines Messpfades (3, 3a, 3b, 3c); und - Ermitteln von Abständen zur Werkstückoberfläche (1) an einer Mehrzahl von Messpunkten entlang des Messpfades (3, 3a, 3b, 3c), wobei das Ermitteln von Abständen in einem ersten Messbereich (31) des Messpfads (3, 3a, 3b, 3c) mit einer ersten Auflösung und in einem zweiten Messbereich (32) des Messpfads (3, 3a, 3b, 3c) mit einer zweiten Auflösung erfolgt, wobei die erste Auflösung größer ist als die zweite Auflösung.

Description

Verfahren zur optischen Abstandsmessung für einen Laserbearbeitungsprozess, Messsystem zur optischen Abstandsmessung für eine Laserbearbeitungsvorrichtung und Laserbearbeitungsvorrichtung mit demselben
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung für einen Laserbearbeitungsprozess, ein Messsystem zur optischen Abstandsmessung für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, und eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem solchen Messsystem.
Hintergrund
In einem Laserbearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere eines metallischen Werkstücks, wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laser leitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert oder gebündelt, welcher das Werkstück lokal auf Schmelztemperatur erhitzt. Das Bearbeiten kann beispielsweise Laserschneiden, -löten oder -schweißen umfassen. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserbearbeitungsvorrich tung, beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf, kurz „Bearbeitungskopf ‘, beispielsweise einen Laserschneidkopf oder einen Laserschweißkopf, umfassen.
Bei der Lasermaterialbearbeitung muss die Oberfläche des Werkstücks zur Regelung des Bearbeitungsprozesses und/oder zur Qualitätssicherung vermessen werden. Beispielsweise müssen beim Laserschweißen die zu verschweißenden Werkstücke, auch „Fügepartner“ genannt, bzw. die Werkstückoberfläche derselben vermessen werden. Das Vermessen muss aufgrund von Prozessemissionen unter widrigen Umgebungsbedingungen und während des Laserbearbeitungsprozesses, d.h. „online“, stattfinden können. Dies stellt sehr hohe Anfor derungen an die Verarbeitungsgeschwindigkeit der verwendeten Messsysteme.
Das Vermessen kann das Ermitteln eines Abstandes der Werkstücke zum Bearbeitungskopf, das Bestimmen einer Topographie bzw. eines Höhenprofils der Werkstückoberfläche, und das Vermessen eines Merkmals der Werkstückoberfläche, beispielsweise das Ermitteln ei ner Position einer Fügekante oder einer Schweißnaht, umfassen.
Die Topographie der Werkstückoberfläche wird für gewöhnlich mittels Lichtschnitt ver messen. Dabei werden eine oder mehrere Laserlinien auf die Werkstückoberfläche projiziert und von einer Kamera beobachtet. Anschließend erfolgt eine Bildauswertung zur Bestim mung einer Topographie der Werkstückoberfläche. Bei verschmutzten Oberflächen oder sehr kleinen Spaltmaßen schlägt eine Extraktion von Merkmalen aus den Bilddaten häufig fehl. Außerdem werden zur Auswertung der Kamerabilder mit hohen Bildwiederholraten leistungsfähige und damit teure Rechensysteme benötigt.
Fig. 1 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung einer Topographie durch Projektion einer Laser linie gemäß dem Stand der Technik. Fig. 1 zeigt im oberen Bereich eine schematische Draufsicht auf zwei Fügepartner und im unteren Bereich schematisch den Verlauf der ver messenen Topographie entlang der Laserlinie. Die zwei Fügepartner 11 und 12 überlappen sich und sollen am Höhensprung 13 miteinander verschweißt werden. Zur Bestimmung der Position des Höhensprungs 13 wird die Laserlinie 2 auf die Fügepartner 11 und 12 proji ziert. Das resultierende Höhenprofil nach einer Bildverarbeitung weist in x-Richtung eine konstante Auflösung auf.
Alternativ erfolgt die Bestimmung der Topographie bzw. das Abtasten einer Werkstück oberfläche durch das Bewegen eines optischen Messstrahls eines Messsystems zur opti schen Abstandsmessung, beispielsweise eines auf optischer Kohärenztomographie (OCT) basierenden Messsystems, über die Werkstückoberfläche. Dadurch kann die dreidimensio nale Topographie direkt erfasst werden, ohne sie aus zweidimensionalen Bilddaten zu be rechnen. Beim Bestimmen der Topographie bzw. beim Abtasten einer Werkstückoberfläche wird ein optischer Messstrahl entlang eines Messpfades über die Werkstückoberfläche be wegt und an einer Mehrzahl von Messpunkten wird ein Abstand zur Werkstückoberfläche gemessen. Aus den ermittelten Abständen lässt sich so die Topographie der Werkstückober fläche bestimmen. Ein Abstand zwischen zwei Messpunkten auf der Werkstückoberfläche, auch „lateraler Abstand“ genannt, ist durch die maximal mögliche Messrate, auch „Mess frequenz“ oder „Abtastrate“ genannt, des Messsystems und der Bewegungsgeschwindigkeit des optischen Messstrahls entlang des Messpfades vorgegeben bzw. limitiert. Die maximal mögliche Messrate bestimmt die maximale laterale Auflösung und damit die Qualität der Topographievermessung bzw. der Abtastung der Werkstückoberfläche.
Die aktuell eingesetzten Messsysteme zur optischen Abstandsmessung sind auf ca. 500.000 Messungen pro Sekunde (dies entspricht einer Messfrequenz von 500 kHz) begrenzt. Beim Bewegen des Messstrahls über die Werkstückoberfläche muss der Benutzer daher immer zwischen einem relativ kleinen Messbereich auf der Werkstückoberfläche mit einer hohen lateralen Auflösung oder einem großen Messbereich mit reduzierter lateraler Auflösung ab wägen. Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur optischen Ab standsmessung für einen Laserbearbeitungsprozess und ein verbessertes Messsystem zur optischen Abstandsmessung für eine Laserbearbeitungsvorrichtung sowie eine Laserbear beitungsvorrichtung mit dem verbesserten Messsystem anzugeben.
Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur optischen Abstandsmes sung für einen Laserbearbeitungsprozess und ein Messsystem zur optischen Abstandsmes sung für eine Laserbearbeitungsvorrichtung sowie eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem solchen Messsystem anzugeben, die es ermöglichen, einen großen Bereich auf einer Werkstückoberfläche mit optimierter lateraler Auflösung zu messen.
Diese Aufgaben werden einerseits durch ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung gelöst, welches sich insbesondere für die Anwendung bei Laserprozessen zum Bear beiten von Werkstücken eignet, und welches die folgenden Schritte umfasst: Richten eines optischen Messstrahl auf eine Werkstückoberfläche, Abtasten der Werkstückoberfläche mit dem optischen Messtrahl und Ermitteln von Abständen zur Werkstückoberfläche an ei ner Mehrzahl von diskreten Messpunkten. Zum Abtasten der Werkstückoberfläche wird der optische Messstrahl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entlang einer Ab tastlinie bewegt, die einen Messpfad oder mehrere Messpfade umfasst, wobei mindes tens ein Messpfad zumindest einen ersten Messbereich mit einer ersten Auflösung und zumindest einen zweiten Messbereich mit einer zweiten Auflösung aufweist, und wo bei die erste Auflösung und die zweite Auflösung verschieden sind. Die Abtastlinie erstreckt sich parallel zur Werkstückoberfläche und überwiegend entlang einer Vor zugsrichtung. Der Messpfad ist ein Abschnitt auf der Abtastlinie, entlang dessen der optische Messstrahl bewegt werden kann, ohne dass dabei die Bewegungsrichtung re lativ zu der Achse geändert bzw. umgekehrt werden muss, die senkrecht zu der Vor zugsrichtung steht.
Die Abtastlinie kann zickzack-förmig, geschwungen (z.B. sinusförmig oder parabel förmig) oder eckig sein. Die Vorzugsrichtung ist die Richtung, in der sich die Abtast linie überwiegend erstreckt. Die Vorzugsrichtung kann, wenn das Verfahren im Rah men eines Laserprozesses zum Bearbeiten von Werkstücken angewendet wird, mit der B earb eitung sri chtung zu samm enfal 1 en . Andererseits werden die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben auch durch den Ge genstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil dungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche. Im Folgenden werden die Aspekte der vor liegenden Erfindung kurz dargestellt. Die Aspekte und Beispiele können ohne weiteres mit einander kombiniert werden.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Gedanken, dass bei der Bestimmung der Topo graphie bzw. beim Abtasten einer Werkstückoberfläche üblicherweise lediglich ein kleiner Bereich um (mindestens) ein bestimmtes Merkmal der Werkstückoberfläche von Interesse ist. Vorzugsweise wird nur dieser (mindestens eine) Bereich mit einer hohen Auflösung abgetastet, um die Topographie der Werkstückoberfläche zu bestimmen. Bereiche, die von dem Merkmal weiter entfernt sind, können mit einer geringeren Auflösung vermessen wer den. Das Ermitteln von Abständen zur Werkstückoberfläche an einer Mehrzahl von Messpunkten entlang eines Messpfades erfolgt daher erfindungsgemäß mit örtlich, bzw. entlang des Messpfads, variabler Auflösung, also mit variabler lateraler Auflö sung. Das Abtasten eines ersten Bereichs mit hoher Auflösung und eines zweiten Bereichs mit niedriger Auflösung erlaubt bei einer vorgegebenen maximalen Messfrequenz, einen größeren Bereich der Werkstückoberfläche zu vermessen bzw. abzutasten und dadurch zu überwachen, als dies mit einer über den gesamten Messpfad konstanten Auflösung möglich wäre. Vorzugsweise wird bei einer Bewegung des Laserbearbeitungskopfs und/oder des Messsystems, insbesondere relativ zur Werkstückoberfläche, und/oder bei einer Bewegung der Werkstückoberfläche, insbesondere relativ zum Messsystem und/oder zum Laserbear beitungssystem, der erste Bereich mit der hohen Auflösung automatisch bzw. automatisiert nachgeführt. Beispielsweise kann der erste Bereich mit der hohen Auflösung eines weiteren Messpfads basierend auf einer Position des Merkmals auf dem vorhergehenden Messpfad angepasst werden. Vorzugsweise bezeichnet der Begriff „Auflösung“ in dieser Offenbarung die laterale Auflösung bzw. die Auflösung entlang des Messpfades.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur optischen Ab standsmessung für einen Laserbearbeitungsprozess zum Bearbeiten von Werkstücken angegeben. Das Verfahren umfasst die Schritte: Richten eines optischen Messstrahls auf eine Werkstückoberfläche; Führen des optischen Messstrahls entlang eines Mess pfades; und Ermitteln bzw. Messen von Abständen zu einer Mehrzahl von Messpunk ten entlang des Messpfades, beispielsweise anhand von Reflexen des optischen Mess strahls an der Werkstückoberfläche. Alternativ umfasst das Verfahren die Schritte: Richten eines optischen Messstrahls auf eine Werkstückoberfläche; Abtasten der Werkstückoberfläche mit dem optischen Messstrahl entlang mindestens eines Mess- pfades; Ermitteln von Abständen zur Werkstückoberfläche an einer Mehrzahl von Messpunkten entlang des Messpfades. Hierbei weist der Messpfad zumindest einen ersten Messbereich mit einer ersten Auflösung und zumindest einen zweiten Messbe reich mit einer zweiten Auflösung auf, wobei die erste Auflösung größer ist als die zweite Auflösung. Somit werden die Abstände in einem ersten Messbereich des Mess pfads mit der ersten Auflösung und in einem zweiten Messbereich des Messpfads mit der zweiten Auflösung gemessen bzw. ermittelt.
Ein Messpfad kann einen Pfad bezeichnen, entlang dessen eine Bewegung ausgeführt werden kann, die zumindest abschnittsweise nicht parallel zu einer Bearbeitungsrich tung des Laserbearbeitungsprozesses ist. Bevorzugt ist ein Messpfad im Sinne der vor liegenden Erfindung gleichzeitig auch ein Pfad, entlang dessen eine Bewegung ohne Richtungsumkehr möglich ist, insbesondere ohne Richtungsumkehr in einer Bewe gungsrichtung senkrecht zur Bearbeitungsrichtung des Laserbearbeitungsprozesses. Der Messpfad kann vollkommen linear sein. Vorzugsweise ist der Messpfad vollkom men linear und so orientiert, dass er mit einem Bearbeitungspfad des Laserbearbei tungsprozesses einen Winkel größer als 0° und kleiner als 180° einschließt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Messsystem zur opti schen Abstandsmessung für eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken angegeben. Das Messsystem umfasst: eine Lichtquelle, die eingerichtet ist, um einen optischen Messstrahl zum Richten auf eine Werkstückoberfläche zu er zeugen; eine Ablenkeinheit, die eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl entlang mindestens eines Messpfades auf der Werkstückoberfläche zu führen bzw. um die Werkstückoberfläche mit dem optischen Messstrahl entlang mindestens eines Mess pfades abzutasten; und eine Messeinrichtung, die eingerichtet ist, um Abstände zu ei ner Mehrzahl von Messpunkten entlang des Messpfades, z.B. anhand von Reflexen des optischen Messstrahls an der Werkstückoberfläche, zu ermitteln, wobei der Messpfad zumindest einen ersten Messbereich mit einer ersten Auflösung und einen zweiten Messbereich mit einer zweiten Auflösung aufweist, und die erste Auflösung größer ist als die zweite Auflösung. Das Messystem ist also eingerichtet, Abstände mit einer va riablen lateralen Auflösung zu ermitteln. Demnach kann der erste Messbereich als „hochaufgelöster Messbereich“ und der zweite Messbereich als „niedrigaufgelöster Messbereich“ bezeichnet werden.
Ferner ist gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Laserbearbei tungsvorrichtung mit einem Laserbearbeitungskopf und einem Messsystem zur opti- sehen Abstandsmessung gemäß den hier beschriebenen Aspekten angegeben. Der La serbearbeitungskopf kann beispielsweise ein Laserschneidkopf oder ein Laserschweiß kopf sein.
Das Messsystem kann eingerichtet sein, das Verfahren gemäß den in dieser Offenba rung beschriebenen Aspekten auszuführen.
Die Auflösung kann einen Abstand zwischen zwei Messpunkten auf der Werkstück oberfläche entlang des Messpfades angeben oder diesem entsprechen. Anders ausge drückt geben die Auflösungen die Anzahl von Messpunkten bezogen auf eine Einheits länge, beispielsweise m, cm oder mm, an. Bevorzugte Abstände zwischen zwei Mess punkten liegen im ersten (hochaufgelösten) Bereich zwischen 10...1 OOpm, im zweiten (niedrig aufgelösten) Bereich zwischen 100... lOOOpm. Eine größere oder höhere Auflö sung bedeutet also mehr Messpunkte pro Einheitslänge. Die jeweiligen Auflösungen können von einem Benutzer vorgegeben werden. Eine Messfrequenz des Ermittelns von Abständen bzw. des Messsystems kann konstant sein. Das heißt, die Messfrequenz zum Messen der Abstände im ersten Messbereich und im zweiten Messbereich des Messpfades kann gleich sein. Somit können die Abstände zwischen zwei aufeinander folgenden Messpunkten im ersten Messbereich kleiner sein als im zweiten Messbe reich, da die erste Auflösung größer ist als die zweite Auflösung.
Die erste Auflösung im ersten Messbereich und/oder die zweite Auflösung im zweiten Messbereich können jeweils konstant sein. Alternativ kann die erste Auflösung im ers ten Messbereich konstant sein und die zweite Auflösung im zweiten Messbereich in Richtung des ersten Messbereichs hin zunehmen, beispielsweise bis der Wert der ers ten Auflösung erreicht ist, wobei der Maximalwert der zweiten Auflösung kleiner ist als der Wert der ersten Auflösung. In einem weiteren Beispiel kann die zweite Auflö sung im zweiten Messbereich konstant sein und die erste Auflösung im ersten Messbe reich kann bis zur Mitte bzw. Mittelpunkt des ersten Messbereichs zunehmen und von der Mitte bzw. Mittelpunkt des ersten Messbereichs bis zum zweiten Messbereich ab nehmen. Der Maximalwert der ersten Auflösung liegt in diesem Beispiel vorzugsweise in der Mitte des ersten Messbereichs. Hierbei kann die erste Auflösung, beispielsweise linear, vom Wert der zweiten Auflösung bis zum Maximalwert ansteigen und vom Maximalwert bis auf den Wert der zweiten Auflösung abfallen. Gemäß einem weiteren Beispiel kann sich die Auflösung entlang des Messpfades kontinuierlich verändern. In diesem Fall können die erste Auflösung des ersten Messbereichs und die zweite Auflö- sung des zweiten Messbereichs jeweils einer mittleren Auflösung im jeweiligen Mess bereich entsprechen.
Der Messpfad kann einen oder mehrere erste Messbereiche enthalten. Ebenso kann der Messpfad einen oder mehrere zweite Messbereiche enthalten. Vorzugsweise grenzen der mindestens eine erste Messbereich und der mindestens eine zweite Messbereich aneinander. Beispielsweise kann ein erster Messbereich zwischen zwei zweiten Mess bereichen liegen. Selbstverständlich kann der Messpfad auch weitere Messbereiche mit anderen Auflösungen als der ersten bzw. zweiten Auflösung umfassen. Der optische Messstrahl kann entlang mehrerer linearer Messpfade geführt werden, die jeweils ei nen ersten und einen zweiten Bereich umfassen.
Die Schritte des Abtastens der Werkstückoberfläche und des Ermittelns von Abständen entlang des weiteren Messpfades können für jeden Messpfad einer Mehrzahl von Messpfaden durchgeführt werden. Das Abtasten der Werkstückoberfläche erfolgt vor zugsweise entlang einer Mehrzahl von Messpfaden, die voneinander in einer Bearbei tungsrichtung oder entlang einem Bearbeitungspfad beabstandet sind. Vorzugsweise steht die Bearbeitungsrichtung, beispielsweise eine Schneid- oder Schweißrichtung, oder der Bearbeitungspfad, beispielsweise ein Schneid- oder Schweißpfad, in einem Winkel oder senkrecht auf jedem der Messpfade. Mit anderen Worten erfolgt das Ab tasten vorzugsweise quer zur Bearbeitungsrichtung. Die Bearbeitungsrichtung kann eine Richtung einer Relativbewegung zwischen dem Messystem und dem Laserbear beitungskopf sein. Ein Versatz bzw. Abstand zwischen den Messpfaden kann konstant sein.
Die Messpfade können die gleiche Länge und/oder die gleiche Anzahl an Messpunkten aufweisen. Die Messpfade können bis auf eine Position des ersten Bereichs bezüglich des jeweiligen Messpfads gleich sein. In diesem Fall kann die Position des ersten Messbereichs auf einem weiteren Messpfad entsprechend einer erfassten Position eines Merkmals auf dem vorhergehenden Messpfad gelegt werden. Die Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messpfaden können gleich sein oder verschieden sein und/oder können variabel sein bzw. können anpassbar sein.
Der Messpfad umfasst eine Mehrzahl von Messpunkten. Der erste Messbereich und der zweite Messbereich weisen demnach jeweils eine Mehrzahl von Messpunkten auf. Der Messpfad entspricht einem Bewegungspfad des optischen Messstrahls auf der Werkstückoberfläche. An jedem Messpunkt kann ein Abstand zu diesem Messpunkt gemessen werden. Der Messpfad kann im Wesentlichen eine gerade Linie, eine Zick zack-Linie, eine Sägezahn-Linie, eine geschwungene Linie, eine mäandernde Linie und eine sinusförmige Linie sein oder diese umfassen. Eine Bewegungsgeschwindig keit des optischen Messstrahls entlang des Messpfades kann von einem Benutzer vor gegeben werden und/oder durch eine vorgegebene Messfrequenz und die vorgegebene erste bzw. zweite Auflösung festgelegt sein. Der Messpfad kann eine Bewegungsrich tung einer Laserbearbeitungsvorrichtung, insbesondere eines Bearbeitungskopfs, bzw. eine Bearbeitungsrichtung oder einen Bearbeitungspfad kreuzen, und kann insbesonde re dazu senkrecht sein. Der optische Messstrahl kann ein zeitlich kontinuierlicher opti scher Messstrahl sein oder ein gepulster optischer Messstrahl. Entsprechend kann der Messpfad kontinuierlich oder diskontinuierlich sein.
Vorzugsweise wird der erste Messbereich des jeweiligen Messpfads automatisch nach geführt, wenn die Werkstückoberfläche oder der Bearbeitungsbereich des Laserbear beitungsprozesses, z.B. relativ zum Messsystem, bewegt wird. Die automatische Nach führung des ersten Messbereichs der Messpfade kann auf einem vorgegebenen Schweiß- oder Schneidpfad basieren.
Das Verfahren kann ferner die folgenden Schritte umfassen: Ermitteln einer Position mindestens eines Merkmals auf der Werkstückoberfläche entlang des Messpfades; Be stimmen eines weiteren Messpfades, der vom Messpfad entlang einer Bearbeitungs richtung des Laserbearbeitungsprozesses beabstandet ist, sodass der erste Messbereich des weiteren Messpfades in einem Bereich der Werkstückoberfläche angeordnet ist, der der ermittelten Position des mindestens einen Merkmals entspricht; und Wiederho len des Schritts des Abtastens der Werkstückoberfläche und des Ermittelns von Ab ständen entlang des weiteren Messpfades. Wenn mehr als ein Merkmal erkannt wird, kann jeweils ein erster Messbereich entsprechend der Position des jeweiligen Merk mals auf dem weiteren Messpfad angeordnet sein. Der erste und/oder zweite Messbe reich des weiteren Messpfades kann basierend auf der ermittelten Position des Merk mals angepasst werden. Beispielsweise kann basierend auf der ermittelten Position des Merkmals auf dem (vorausgehenden) Messpfad eine Position des ersten und/oder zweiten Messbereichs entlang des weiteren Messpfades und/oder bezüglich der Werk stückoberfläche, und/oder eine Anzahl des ersten und/oder zweiten Messbereichs auf dem weiteren Messpfad, und/oder eine Länge des ersten und/oder zweiten Messbe reichs entlang des weiteren Messpfades angepasst werden. Vorzugsweise wird ein Mit telpunkt des weiteren Messpfades und/oder ein Mittelpunkt des ersten Messbereichs des weiteren Messpfades entsprechend der ermittelten Position des Merkmals be- stimmt. In einem Beispiel wird der erste Messbereich des weiteren Messpfads zent risch um die Position des Merkmals gesetzt. Das Erkennen des mindestens einen Merkmals kann das Erkennen eines Höhensprungs sein.
Gemäß einem Aspekt kann das Verfahren die folgenden Schritte umfassen: Erkennen eines Merkmals auf der Werkstückoberfläche entlang des Messpfades; Bestimmen ei nes weiteren Messpfades, der an das erkannte Merkmal angepasst ist; und Wiederholen des Schritts zum Führen des optischen Messstrahls entlang des weiteren Messpfades. Der weitere Messpfad kann vom Messpfad beabstandet sein. Insbesondere kann der weitere Messpfad entlang einer Bearbeitungsrichtung des Laserbearbeitungsprozesses bzw. der Laserbearbeitungsvorrichtung vom Messpfad beabstandet sein. Dies kann durch eine Bewegung des Messsystems relativ zur Werkstückoberfläche oder durch ein Ablenken, insbesondere durch die Ablenkeinheit, des optischen Messstrahls erreicht werden. Die Bewegung des Messsystems relativ zur Werkstückoberfläche kann paral lel zu einer Bearbeitungsrichtung, insbesondere einer Vorschubrichtung, des Laserbe arbeitungsprozesses sein. Das Erkennen des Merkmals kann das Ermitteln einer Posi tion des Merkmals auf der Werkstückoberfläche anhand der gemessenen Abstände zu der Mehrzahl von Messpunkten des Messpfades umfassen. Der weitere Messpfad kann derart an das erkannte Merkmal angepasst sein, dass der erste Messbereich des weite ren Messpfades mit einem Bereich der Werkstückoberfläche überlappt, in dem sich das Merkmal befindet. Insbesondere kann ein Mittelpunkt oder Zentrum des ersten Mess bereichs mit der ersten Auflösung auf dem weiteren Messpfad einer Position des Merkmals entsprechen. Dadurch kann Merkmal auf der Werkstückoberfläche optimal, d.h. mit hoher Auflösung, vermessen werden. Die Schritte des Abtastens, Ermittelns von Abständen und Erkennen des Merkmals können für jeden Messpfad wiederholt werden. Mit anderen Worten kann ein weiterer bzw. nachfolgender Messpfad basie rend auf dem erkannten Merkmal, dessen Position anhand der gemessenen Abstände zu der Mehrzahl von Messpunkten eines vorangegangenen Messpfades ermittelt wur de, bestimmt werden.
Das Anpassen des weiteren Messpfades kann das Anpassen des ersten Messbereichs und/oder des zweiten Messbereichs des weiteren Messpfades basierend auf der ermit telten Position des erkannten Merkmals umfassen. Das Anpassen des ersten Messbe reichs und/oder des zweiten Messbereichs kann das Ändern einer Aufteilung des wei teren Messpfades in den ersten Messbereich und den zweiten Messbereich, das Ändern einer relativen Position des weiteren Messpfades, insbesondere des ersten Messbe reichs und/oder des zweiten Messbereichs, bezüglich der Werkstückoberfläche, insbe- sondere basierend auf der Position des erkannten Merkmals, und/oder einer relativen Position des ersten Messbereichs und des zweiten Messbereichs zueinander umfassen. Das Anpassen des ersten Messbereichs des weiteren Messpfades bzw. das Anpassen des weiteren Messpfades kann auch als „Nachführen des ersten Messbereichs“, „Nach führen des hochaufgelösten Messbereichs“ bzw. als „Nachführen des Messpfades“ be zeichnet werden.
Das Erkennen des Merkmals kann mittels eines Algorithmus, insbesondere unter Ver wendung eines neuronalen Netzes, erfolgen. Das Merkmal auf der Werkstückoberflä che kann sowohl im ersten Messbereich als auch im zweiten Messbereich erkannt wer den.
Das Merkmal auf der Werkstückoberfläche kann eine Fügekante, eine Schweißnaht, eine Schnittkante, eine Dampfkapillare, auch „Keyhole“ genannt, ein Schmelzbad, ein Hindernis, und/oder Verunreinigungen auf der Werkstückoberfläche umfassen. Bei spielsweise kann eine Fügekante anhand eines Höhensprungs entlang der Messpfade erkannt werden.
Das Verfahren kann ferner einen Initialisierungsschritt umfassen, in dem Abstände entlang eines Initialisierungsmesspfads mit der ersten Auflösung ermittelt werden und eine Position eines Merkmals auf dem Initialisierungsmesspfad bestimmt wird. Die Position des Merkmals kann zum Festlegen einer Position des ersten Messbereichs eines weiteren Messpfads verwendet werden.
Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen: Bestimmen, basierend auf einer Mehrzahl von ermittelten Abständen zu verschiedenen Messpunkten, eines Höhenpro fils der Werkstückoberfläche. Insbesondere kann das Höhenprofil basierend auf einer Mehrzahl von bestimmten Abständen zu Messpunkten verschiedener Messpfade be stimmt werden.
Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen: Bestimmen eines Grauwertbildes der Werkstückoberfläche basierend auf Intensitätswerten des zurückgestreuten optischen Messstrahls bzw. auf Inten sitäts werten von Reflexen des optischen Messstrahls von der Werkstückoberfläche. Die Intensitätswerte können an einer Mehrzahl von Mess punkten anhand von Reflexen des optischen Messstrahls an der Werkstückoberfläche ermittelt werden. Das Grauwertbild kann mit dem Höhenprofil der Werkstückoberflä che, das beispielsweise aus den Abständen bestimmt wurde, zu einem mehrdimensio- nalen Bild der Werkstückoberfläche kombiniert werden. Die Intensitätswerte können zur Bestimmung von Informationen über eine Oberflächentopographie, insbesondere über ein Höhenprofil, und/oder von Informationen über eine Qualität der Messdaten dienen. Somit können jedem Messpunkt mehrere Messdaten zugeordnet sein, wie z.B. Abstand, Intensität des Messsignals (also des zurückgestreuten optischen Messstrahls), Qualität der Abstandsmessung an diesem Messpunkt, Breite des Abstandspeaks im Spektrum, etc.. Durch die Verwendung von möglichst vielen Dimensionen für mehr dimensionale Bilder aus den Messdaten kann die Qualität der Messung erhöht werden.
Das Verfahren kann ferner die Schritte umfassen: Erzeugen eines multidimensionalen bzw. mehrdimensionalen Bildes aus den ermittelten Abständen und den Intensitätswer ten und Auswerten des mehrdimensionalen Bildes durch ein tiefes neuronales Netz.
Der mindestens eine Messpfad kann im Vorlauf und/oder im Nachlauf eines Bearbei tungsbereichs des Laserbearbeitungsprozesses angeordnet sein. Die ermittelten Ab stände und/oder das bestimmte Höhenprofil der Werkstückoberfläche und/oder die ermittelte Position des Merkmals können zur Regelung des Laserbearbeitungsprozes ses verwendet werden. Der Bearbeitungsbereich kann auch als „Prozesszone“ bezeich net werden und umfasst einen Bereich, in dem der Laserstrahl des Laserbearbeitungs prozesses auf das Werkstück trifft.
Der Laserbearbeitungsprozess wird vorzugsweise basierend auf den ermittelten Ab ständen geregelt. Wenn der mindestens eine Messpfad im Vorlauf des Bearbeitungsbe reichs angeordnet ist, können die ermittelten Abstände bzw. die ermittelte Position des Merkmals, z.B. einer Fügekante oder eines Hindernisses auf dem Werkstück, zur Re gelung des Laserbearbeitungsprozesses verwendet werden. Wenn der mindestens eine Messpfad im Nachlauf des Bearbeitungsbereichs angeordnet ist, können die ermittelten Abstände bzw. die ermittelte Position des Merkmals, z.B. einer Schweißnaht oder ei ner Schnittkante, zur Überwachung einer Bearbeitungsqualität des Laserbearbeitungs prozesses verwendet werden. Wenn der mindestens eine Messpfad auf dem Bearbei tungsbereich angeordnet ist, können die ermittelten Abstände bzw. die ermittelte Posi tion des Merkmals, z.B. des Schmelzbads und/oder der Dampfkapillare, zur Inline- Regelung des Laserbearbeitungsprozesses verwendet werden. Der Laserbearbeitungs prozess kann einen Schweiß- oder Schneidprozess umfassen.
Das Messsystem kann eine Verarbeitungseinheit mit einem Field Programmable Gate Array (FPGA), einem Graphikprozessor GPU und/oder einer Beschleunigungseinheit für neuronale Netze aufweisen. Die Verarbeitungseinheit kann zur Bildverarbeitung, insbesondere zur Erkennung des Merkmals, zum Bestimmen des Höhenprofils und/oder zum Bestimmen des Grauwertbildes eingerichtet sein.
Die Messeinrichtung kann eingerichtet sein, basierend auf zumindest einem ermittelten Abstand und/oder abhängig von einer Position entlang des Messpfads eine Intensität des von der Lichtquelle erzeugten optischen Messstrahls einzustellen.
Das Messsystem kann am Laserbearbeitungskopf montiert sein. Zumindest Teile des Messsystems, insbesondere die Ablenkeinheit, können innerhalb des Laserbearbei tungskopfes angeordnet sein. Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann eingerichtet sein, den Laserbearbeitungskopf und/oder das Messsystem relativ zur Werkstückoberfläche in einer Bearbeitungsrichtung zu bewegen.
Die optische Abstandsmessung kann eine interferometrische Abstandsmessung, insbe sondere Abstandsmessung mittels optischer Kohärenztomographie („optical coherence tomography“, „OCT“), eine chromatisch-konfokale Abstandsmessung, oder ein TOF („time-of-flight“)-Abstandsmessung sein. Die optische Abstandsmessung kann darauf basieren, einen optischen Messstrahl auf die Werkstückoberfläche zu richten und ba sierend auf dem von der Werkstückoberfläche zurückreflektierten optischen Mess strahl bzw. auf Reflexen des optischen Messstrahls einen Abstand zur Werkstückober fläche zu ermitteln. Die jeweiligen Abstände können bezüglich eines Referenzpunktes des Messsystems ermittelt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt, und werden im Fol genden näher beschrieben. In den Figuren:
Fig. 1 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung einer Topographie gemäß dem Stand der Tech nik;
Fig. 2 zeigt ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 zeigt ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung gemäß einer weiteren Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 5 und 6 zeigen Verfahren mit verschiedenen Abtastlinien gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 und 8 zeigen schematisch ein perspektivisches Höhenprofil und ein Grauwertbild, welche mit Verfahren zur optischen Abstandsmessung gemäß Ausführungsformen der vor liegenden Erfindung bestimmt wurden; und
Fig. 9 zeigt eine schematische Ansicht eines Messsystem zur optischen Abstandsmessung gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Ele mente dieselben Bezugszeichen verwendet.
Fig. 2 zeigt ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst die Schritte: Richten eines optischen Messstrahls auf eine Werkstückoberfläche (Sl) und Führen des optischen Messstrahls entlang eines Messpfades auf der Werkstückoberfläche zum Messen von Abständen zu einer Mehrzahl von Messpunkten entlang des Messpfades anhand von Reflexen des optischen Messstrahls an der Werkstückoberfläche (S2). Die Werkstückoberfläche kann hier auch die Oberflächen zweier überlappender oder angrenzender Werkstücke umfassen und bezeichnet hier allgemein die Oberfläche mindestens eines zu bearbei tenden bzw. bearbeiteten Werkstücks. Der Messpfad umfasst zumindest einen ersten Messbereich mit einer ersten Auflösung und einen zweiten Messbereich mit einer zweiten Auflösung, wobei die erste Auflösung größer ist als die zweite Auflösung.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfolgt die optische Abstandsmes sung mittels optischer Kohärenztomographie („optical coherence tomography“, „OCT“), bei der ein optischer Messstrahl auf die Werkstückoberfläche gerichtet wird und basierend auf dem vom der Werkstückoberfläche zurückreflektierten optischen Messstrahl bzw. Reflexen des optischen Messstrahls einen Abstand zur Werkstück oberfläche ermittelt wird.
Der Messpfad umfasst eine Mehrzahl von Messpunkten und entspricht einem Bewe gungspfad des optischen Messstrahls auf der Werkstückoberfläche. An jedem Mess punkt wird ein Abstand zum jeweiligen Messpunkt gemessen. Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform umfasst das Verfahren optional wei ter die folgenden Schritte: Erkennen eines Merkmals auf der Werkstückoberfläche ent lang des Messpfades (S3); Bestimmen eines weiteren Messpfades, der an das erkannte Merkmal angepasst ist (S4); und Wiederholen (S5) des Schritts (S2) zum Führen des optischen Messstrahls entlang des weiteren Messpfades auf der Werkstückoberfläche zum Messen von Abständen zu einer Mehrzahl von Messpunkten entlang des weiteren Messpfades anhand von Reflexen des optischen Messstrahls an der Werkstückoberflä che, sowie der Schritte des Erkennens eines Merkmals auf der Werkstückoberfläche entlang des Messpfades (S3) und des Bestimmens eines weiteren Messpfades, der an das erkannte Merkmal angepasst ist (S4), vorzugsweise bis der Laserbearbeitungspro zess und/oder die Überwachung bzw. Regelung beendet ist. Der weitere Messpfad kann vom Messpfad beabstandet sein. Insbesondere kann der weitere Messpfad entlang einer Bearbeitungsrichtung des Laserbearbeitungsprozesses bzw. der Laserbearbei tungsvorrichtung vom Messpfad beabstandet sein. Dies kann durch eine Bewegung des Messsystems relativ zur Werkstückoberfläche oder durch ein Ablenken des optischen Messstrahls erreicht werden.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Merkmal auf der Werkstückoberfläche eine Fügekante oder eine Schweißnaht. Beispielswese kann eine Fügekante anhand eines Höhensprungs entlang der Messpfade erkannt werden.
Das Erkennen des Merkmals S3 kann das Ermitteln einer Position des Merkmals auf der Werkstückoberfläche anhand der gemessenen Abstände zu der Mehrzahl von Messpunkten des Messpfades umfassen. Das Erkennen des Merkmals kann mittels ei nes Algorithmus, insbesondere unter Verwendung eines neuronalen Netzes, erfolgen. Das Merkmal auf der Werkstückoberfläche kann sowohl im ersten Messbereich als auch im zweiten Messbereich erkannt werden. Denn auch die zweite geringere Auflö sung reicht zum bloßen Erkennen des Merkmals und Bestimmen der Position des Merkmals auf dem jeweiligen Messpfad aus. Für eine genaue Überwachung bzw. Re gelung allerdings kann die Position des ersten Messbereichs mit der höheren ersten Auflösung für den nachfolgenden Messpfad entsprechend der Position des Merkmals gesetzt werden.
Die Schritte S2 bis S4 können beliebig oft wiederholt werden. Mit anderen Worten kann ein nächster Messpfad basierend auf dem erkannten Merkmal, dessen Position anhand der gemessenen Abstände zu der Mehrzahl von Messpunkten eines vorange gangenen Messpfades ermittelt wurde, bestimmt werden (Schritte S3 und S4). An- schließend kann der optische Messstrahl entlang des nächsten Messpfades auf der Werkstückoberfläche zum Messen von Abständen zu einer Mehrzahl von Messpunkten entlang des nächsten Messpfades geführt werden (Schritt S2). Das Verfahren endet gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit dem Ende des Laserbear beitungsprozesses oder durch Beendigung durch einen Benutzer oder durch eine über geordnete Steuereinheit des Laserbearbeitungsprozesses.
Der weitere Messpfad ist derart an das erkannte Merkmal angepasst, dass der erste Messbereich des weiteren Messpfades mit einem Bereich der Werkstückoberfläche überlappt, in dem sich das Merkmal befindet. Insbesondere kann ein Mittelpunkt oder Zentrum des ersten Messbereichs mit der ersten Auflösung einem Mittelpunkt oder Zentrum des Bereichs der Werkstückoberfläche, in dem sich das Merkmal befindet, entsprechen. Dadurch kann das Merkmal auf der Werkstückoberfläche optimal, d.h. mit hoher Auflösung, vermessen werden.
Das Anpassen des weiteren Messpfades kann das Anpassen des ersten Messbereichs und/oder des zweiten Messbereichs des weiteren Messpfades basierend auf der ermit telten Position des zu vermessenden Merkmals umfassen. Das Anpassen des ersten Messbereichs und/oder des zweiten Messbereichs kann das Ändern einer Aufteilung des weiteren Messpfades in den ersten Messbereich und den zweiten Messbereich, das Ändern einer relativen Position des Messpfades, insbesondere des ersten Messbereichs und/oder des zweiten Messbereichs, bezüglich der Werkstückoberfläche, insbesondere bezüglich der Position des erkannten Merkmals, und/oder einer relativen Position des ersten Messbereichs und des zweiten Messbereichs zueinander umfassen.
Fig. 3 zeigt ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in dem ein optischer Messstrahl über eine Werkstückoberflä che bewegt wird, um aus der Summe der Messpunkte eine Topographie zu rekonstruie ren. Fig. 3 zeigt im oberen Bereich eine schematische Draufsicht auf zwei Fügepartner und zeigt im unteren Bereich schematisch den Verlauf der vermessenen Topographie entlang eines Messpfades. Zwei Fügepartner 11 und 12 überlappen sich und sollen am Höhensprung 13 miteinander verschweißt werden. Zur genauen Bestimmung der Position des Höhen sprungs 13 wird der optische Messstrahl eines Messsystems zur optischen Abstandsmessung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Bereich des Höhensprungs 13 entlang eines Messpfades 3 mit entlang der x-Richtung oder entlang des Messpfads variab ler Auflösung über die Werkstückoberflächen geführt. Der Messpfad 3 ist in diesem Bei spiel eine Linie. Der Messpfad 3 kreuzt den Verlauf des Höhensprungs 13. Der Messpfad 3 umfasst einen ersten Messbereich 31 im Bereich des Höhensprungs 13, der eine hohe erste Auflösung aufweist, und einen zweiten Messbereich 32 weiter entfernt vom Höhensprung 13, der eine niedrigere zweite Auflösung aufweist. Durch die niedrigere Auflösung im zwei ten Messbereich 32 des Messpfades 13 wird die erforderliche Anzahl von Messpunkten ver ringert. Hierdurch kann bei konstanter bzw. unveränderter Messfrequenz des Messsystems im Vergleich zu einem Messpfad mit über die ganze Länge konstanter Auflösung entweder die Länge des Messpfades in x-Richtung erhöht oder die Dauer der Messung für einen Messpfad reduziert werden.
Fig. 4 zeigt ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung gemäß einer weiteren Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 4 zeigt insbesondere ein Nachführen bzw. An passen eines hoch aufgelösten Messbereichs, insbesondere bei einer Verschiebung von Werkstücken relativ zu einer Laserbearbeitungsvorrichtung und/oder einem Messsystem gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Beispielsweise kann ein Schweißkopf über das Werkstück geführt werden, wobei sich der Messpfad bzw. das Messsystem im Vorlauf des Bearbeitungsbereichs, d.h. im Vorlauf des Schweißbereichs, befindet. Fig. 4 zeigt im oberen Bereich eine schematische Draufsicht auf zwei Fügepartner und zeigt im unteren Bereich schematisch den Verlauf der vermessenen Topographie entlang der jeweiligen aufeinander folgenden Messpfade 3a, 3b, 3c.
Wie gezeigt wird der optische Messstrahl nacheinander entlang der Messpfade 3a, 3b, 3c geführt. Die Messpfade 3a, 3b, 3c haben die gleiche Länge in x-Richtung bzw. die gleiche Gesamtzahl der Messpunkte. Die Messpfade 3a, 3b, 3c sind in y-Richtung voneinander be- abstandet und in x-Richtung zueinander verschoben und weisen jeweils einen ersten Mess bereich mit hoher Auflösung und einen zweiten Messbereich mit niedriger Auflösung auf. Die Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messpfaden können gleich sein oder verschieden sein und/oder können variabel sein bzw. können anpassbar sein. Die Messpfade 3a, 3b, 3c sind jeweils auf der Werkstückoberfläche so angeordnet, dass ihr erster Messbe reich mit der hohen Auflösung den Höhensprung 13 überlappt. Durch einen Algorithmus können die Messpfade 3a, 3b, 3c bzw. der erste Messbereich mit der hohen Auflösung jedes Messpfades 3a, 3b, 3c der sich aufgrund der Verschiebung der Werkstücke bzw. eines Ver laufs des Höhensprungs 13 verändernden Position des Höhensprungs in x-Richtung nachge führt werden. Auch bei großen Änderungen der Position des Höhensprungs 13 in x- Richtung verliert das Messsystem das zu vermessende Merkmal der Werkstückoberfläche nicht, da der Algorithmus die Position des Höhensprungs auch im niedrig aufgelösten Be reich, dann mit reduzierter Genauigkeit, bestimmen kann und der hoch aufgelöste Messbe reich für den nächsten Messpfad nachgeführt werden kann. Insbesondere beim Verfolgen einer Fügekante bzw. einer Fügeposition wird sich die Positi on der Fügekante nicht sprunghaft ändern. Somit kann der hochaufgelöste Messbereich des nächsten Messpfades so gesetzt werden, dass sein Zentrum mit der ermittelten Position der Fügekante anhand des vorangegangen Messpfades zusammenfällt. Der hochaufgelöste Messbereich läuft also mit der Fügekante mit.
Fig. 5 und 6 zeigen unterschiedliche Abtastlinien, entlang welcher der optische Messstrahl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bewegt werden kann. Die Bedeutung der Be zugszeichen in den Fig. 5 und 6 ist die Gleiche wie in Fig. 4.
Fig. 5 zeigt im oberen Bereich eine schematische Draufsicht auf zwei Fügepartner, bei der die optische Abstandsmessung entlang einer zickzack-förmigen Abtastlinie erfolgt. Die zickzack-förmige Abtastlinie umfasst mehrere Messpfade 3a, 3a‘, 3b, 3b‘ und 3c. Auf den Messpfaden 3a, 3b und 3c, die senkrecht zur Vorzugsrichtung y der Abtastli nie verlaufen, wird an mehreren Messpunkten der Abstand zur Werkstückoberfläche ermittelt. Die Abstände zwischen den Messpunkten sind so gewählt, dass ein erster Messbereich mit einer hohen Auflösung und ein zweiter Messbereich mit einer niedri gen Auflösung entsteht. Der Messbereich mit der hohen Auflösung umgibt den Höhen sprung 13. Auf den weiteren Messpfaden 3a‘ und 3b‘ findet in der in Fig. 5 dargestell ten Ausführungsform keine Abstandsmessung statt. Es ist jedoch nicht zwingend, dass zwischen zwei Messpfaden mit Abstandsmessung immer ein Messpfad ohne Ab standsmessung liegt. In einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch entlang der Messpfade 3a‘ und 3b‘ eine Abstandsmessung vorgenommen werden.
Im unteren Bereich von Fig. 5 ist eine schematische Draufsicht auf zwei Fügepartner ge zeigt, bei der die optische Abstandsmessung entlang einer eckigen Abtastlinie erfolgt. Die Abtastlinie enthält mehrere Messpfade, die zumindest einen ersten Messpfadteil 4a, 4b bzw. 4c umfassen, wobei der erste Messpfadanteil 4a, 4b bzw. 4c senkrecht zur Vorzugsrichtung y der Abtastlinie verläuft. Auf dem ersten Messpfadanteil 4a, 4b bzw. 4c wird mit Hilfe des optischen Messstrahls an mehreren Messpunkten der Abstand zur Werkstückoberfläche bestimmt. Entlang eines zweiten Messpfadanteils 4a‘ bzw. 4b‘, der parallel zur Vorzugsrichtung der Abtastlinie verläuft, wird keine Abstands messung vorgenommen. Dies ist in dem dargestellten Schema vorteilhaft, da eine Hö heninformation entlang der Messpfadanteile 4a‘ und 4b‘ angesichts deren Entfernung von dem Höhensprung 13 wohl von geringem Nutzen wäre. In Fig. 6 ist ein Beispiel für ein Verfahren illustriert, bei dem der optische Messstrahl entlang einer geschwungenen Abtastlinie über die Werkstückoberfläche bewegt wird. Im Gegensatz zu den Messpfaden in Fig. 5, weisen die Messpfade 3a, 3b und 3c der hier gezeigten geschwungenen Abtastlinie eine Krümmung auf. Der erste Messpfad der geschwungenen Abtastlinie verläuft in dem Bereich 3a. Die weiteren Messpfade der geschwungenen Abtastlinie verlaufen in den Bereichen 3b und 3c. Auch entlang der gekrümmten Messpfade lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren verwirklichen, bei der in einem ersten Messbereich mit einer ersten Auflösung und in einem zweiten Messbereich mit einer zweiten Auflösung gemessen wird, wobei die erste Auflösung größer als die zweite Auflösung ist.
Fig. 7 und 8 zeigen schematisch ein Höhenprofil und ein Grauwertbild, welche mit Verfah ren zur optischen Abstandsmessung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt wurden.
Fig. 7 zeigt, wie sich aus Kombination von mehreren Messungen von mehreren Messpfaden eine dreidimensionale Oberflächentopographie bzw. ein Höhenprofil einer Werkstückober fläche erzeugen lässt. Das Höhenprofil wurde anhand einer Mehrzahl von gemessenen Ab ständen zu Messpunkten von mehreren Messpfade bestimmt. Ein solches Höhenprofil kann insbesondere auch dadurch erzeugt werden, indem die Position eines Messpfades in y- Richtung unverändert bleibt, sich aber das Werkstück bzw. die Werkstücke relativ zum Messsystem in x-Richtung verschieben, beispielsweise beim Schweißen mit einem Mess pfad im Vorlauf.
Fig. 8 zeigt eine andere mögliche Darstellung der erfassten Oberflächentopographie in Kombination mit einem Grauwertbild. Dazu wird die Intensität des von der Werkstückober fläche zurückgestrahlten Messstrahls gemessen. Die Intensitätswerte an den jeweiligen Messpunkten ergeben zusammen ein Grauwertbild der Werkstückoberfläche. In Figur 6 sind verschiedene Intensitätswerte durch schwarze und schraffierte Flächen an den jeweili gen Messpunkten dargestellt. Beispielsweise repräsentieren Messpunkte mit schwarzen Flä chen Messpunkte mit höherer Intensität als die Messpunkte mit schraffierten Flächen. Die Intensität des von der Werkstückoberfläche zurückgestrahlten Messstrahls kann einem Ab stand zum Messpunkt und/oder einer Qualität eines Abstandsignals (d.h. des zurückgestreu ten optischen Messstrahls) entsprechen. Zusätzlich zur Bestimmung des Grauwertbildes aus den Intensitätswerten können die Abstände zu den jeweiligen Messpunkten bestimmt wer den (vgl. Fig. 7). Durch Kombination des Grauwertbildes mit dem Höhenprofil können mehrdimensionale Bilder der Werkstückoberfläche erzeugt werden, um die Qualität der Messung zu steigern. Diese mehrdimensionalen Bilder beinhalten zusätzliche Informationen über die Werkstückoberfläche, welche zur Beurteilung der Oberfläche herangezogen wer den können.
Die Verarbeitung der so erzeugten Bilder kann mit klassischen Algorithmen der Bildverar beitung oder Algorithmen aus dem Bereich des maschinellen Lernens, z.B. mittels tiefer neuronaler Netze, erfolgen. Die neuesten Fortschritte auf diesem Gebiet erlauben eine Ver arbeitung der Bilder mit mehreren Hundert Frames pro Sekunde.
Die so erzeugten Höhenprofile können auch dazu genutzt werden, um das Messsystem zu regeln, insbesondere automatisiert zu parametrieren. So kann z.B. die Intensität einer Licht quelle des Messsystems ortsabhängig, insbesondere von einem ermittelten Abstand zu einer Werkstückoberfläche, nachgeregelt werden. Dadurch kann eine über den kompletten Mess bereich konstante Signalqualität erhalten werden. Ebenso können die ermittelten Abstände bzw. die erzeugten Höhenprofile oder Topographien zum Regeln des Laserbearbeitungspro zesses eingesetzt werden.
Fig. 9 zeigt eine schematische Ansicht eines Messsystems zur optischen Abstandsmessung gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Das Messsystem umfasst eine Ablenkeinheit 42, die eingerichtet ist, einen auf eine Werkstückoberfläche 1 gerichteten optischen Messstrahl 43 entlang eines Messpfades auf der Werkstückoberfläche 1 zu führen. Die Bewegung des optischen Messstrahls entlang des Messpfades ist durch gestrichelte Linien angedeutet. Eine Messeinrichtung 41 ist eingerichtet, um anhand von Reflexen des optischen Messstrahls 43 an der Werkstückoberfläche 1 Abständen zu einer Mehrzahl von Messpunkten ent lang des Messpfades zu messen. Das Nachführung des Messpfades, insbesondere das Nachführen des ersten Bereichs des Messpfades mit hoher Auflösung sowie die Verarbei tung der Messdaten, insbesondere der gemessenen Abstände, kann durch die Messeinrich tung 41 oder durch eine Verarbeitungseinheit 44, auch „Recheneinheit“ genannt, erfolgen. Gemäß Ausführungsformen kann die Verarbeitungseinheit 44, in die Messeinrichtung 41 integriert sein. In einer besonders vorteilhaften Ausführung enthält die Verarbeitungsein richtung neben einer CPU spezielle Hardware, welche die Ausführung der Algorithmen zum Nachführen des Messpfades beschleunigt, beispielsweise einen FPGA, GPU oder eine Be schleunigungseinheit für neuronale Netze.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Bestimmung einer Topographie eines Werkstücks mittels optischer Abstandsmessung mit örtlich bzw. lateral variabler Auflösung. Zudem kann die vorliegende Erfindung die automatische Nachführung eines hochaufgelösten Messbereichs ermöglichen. Die erfassten Abstände zum Werkstück können zur Berechnung von multidimensionalen Bildern verwendet und anschließend vorzugsweise durch ein ange lerntes neuronales Netz ausgewertet werden. Dadurch kann eine Prozessüberwachung zur Qualitätssicherung und/oder eine Prozessregelung schnell und mit angepasster Genauigkeit erfolgen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur optischen Abstandsmessung für einen Laserbearbeitungsprozess zum Bearbeiten von Werkstücken (11, 12), das Verfahren umfassend die Schritte:
Richten eines optischen Messstrahls (43) auf eine Werkstückoberfläche (1); Abtasten der Werkstückoberfläche (1) mit dem optischen Messstrahl (43) entlang mindestens eines Messpfades (3, 3a, 3b, 3c); und
Ermitteln von Abständen zur Werkstückoberfläche (1) an einer Mehrzahl von Messpunkten entlang des Messpfades (3, 3a, 3b, 3c), wobei das Ermitteln von Abständen in einem ersten Messbereich (31) des Mess pfads (3, 3a, 3b, 3c) mit einer ersten Auflösung und in einem zweiten Messbereich (32) des Messpfads (3, 3a, 3b, 3c) mit einer zweiten Auflösung erfolgt, wobei die erste Auflösung größer ist als die zweite Auflösung.
2. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend die Schrit te:
Ermitteln einer Position eines Merkmals (13) auf der Werkstückoberfläche (1) entlang des Messpfades (3, 3a, 3b, 3c);
Bestimmen eines weiteren Messpfades (3, 3a, 3b, 3c), der vom Messpfad (3, 3a, 3b, 3c) entlang einer Bearbeitungsrichtung des Laserbearbeitungsprozesses beab- standet ist, sodass der erste Messbereich (31) des weiteren Messpfades (3, 3a, 3b, 3c) in einem Bereich der Werkstückoberfläche (1) angeordnet ist, der der ermittelten Posi tion des Merkmals (13) entspricht; und
Wiederholen des Schritts des Abtasten der Werkstückoberfläche (1) und des Er- mittelns von Abständen entlang des weiteren Messpfades (3, 3a, 3b, 3c).
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der erste und/oder zweite Messbereich (31, 32) des weiteren Messpfades (3, 3a, 3b, 3c) basierend auf der ermittelten Position des Merkmals (13) angepasst wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Anpassen des ersten und/oder zweiten Messbereichs (32) das Anpassen einer Position des ersten und/oder zweiten Messbe reichs (32) entlang des weiteren Messpfades (3, 3a, 3b, 3c) und/oder bezüglich der Werkstückoberfläche (1), und/oder das Anpassen einer Anzahl des ersten und/oder zweiten Messbereichs (31, 32) entlang des weiteren Messpfades (3, 3a, 3b, 3c), und/oder das Anpassen einer Länge des ersten und/oder zweiten Messbereichs (31, 32) entlang des weiteren Messpfades (3, 3a, 3b, 3c) umfasst.
5. Verfahren gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, wobei ein Mittelpunkt des weiteren Mess pfades (3, 3a, 3b, 3c) und/oder ein Mittelpunkt des ersten Messbereichs (31) des weite ren Messpfades (3, 3a, 3b, 3c) entsprechend der ermittelten Position des Merkmals (13) bestimmt wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Merkmal (13) auf der Werkstückoberfläche (1) mindestens eines von einer Schnittkante, Schweißnaht, Füge kante, Höhensprung, Dampfkapillare und Schmelzbad umfasst.
7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Messfrequenz konstant ist und/oder wobei die Auflösung die Anzahl von Messpunkten bezogen auf eine Einheitslänge angibt.
8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt:
Bestimmen eines Höhenprofils der Werkstückoberfläche (1), basierend auf den ermittelten Abständen an der Mehrzahl von Messpunkten, und/oder Bestimmen eines Grauwertbildes der Werkstückoberfläche (1), basierend auf Intensitätswerten des zu rückgestreuten optischen Messstrahls (43).
9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Messpfad (3, 3a, 3b, 3c) im Vorlauf und/oder im Nachlauf eines Bearbeitungsbereichs und/oder auf dem Bearbeitungsbereich des Laserbearbeitungsprozesses angeordnet ist.
10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Laserbearbei tungsprozess basierend auf den ermittelten Abständen geregelt wird.
11. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln von Abständen zur optischen Abstandsmessung basierend auf Reflexen des Messstrahls (43) von der Werkstückoberfläche (1) erfolgt und/oder auf mindestens einem von In terferometrie, optischer Kohärenztomographie, chromatisch-konfokaler Abstandsmes sung und Laufzeitverfahren basiert.
12. Messsystem zur optischen Abstandsmessung für eine Laserbearbeitungsvorrich tung zum Bearbeiten von Werkstücken (11, 12), das Messsystem umfassend: eine Lichtquelle, die eingerichtet ist, um einen optischen Messstrahl (43) zum Richten auf eine Werkstückoberfläche (1) zu erzeugen; eine Ablenkeinheit (42), die eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl (43) entlang mindestens eines Messpfades (3, 3a, 3b, 3c) auf der Werkstückoberfläche (1) zu führen; und eine Messeinrichtung (41), die eingerichtet ist, um Abstände zur Werkstückober fläche (1) an einer Mehrzahl von Messpunkten entlang des Messpfades (3, 3a, 3b, 3c) in einem ersten Messbereich (31) des Messpfads (3, 3a, 3b, 3c) mit einer ersten Auflö sung und in einem zweiten Messbereich (32) des Messpfads (3, 3a, 3b, 3c) mit einer zweiten Auflösung zu ermitteln, wobei die erste Auflösung größer ist als die zweite Auflösung.
13. Messsystem gemäß Anspruch 12, ferner aufweisend eine Verarbeitungseinheit (44) mit einem Field Programmable Gate Array, FPGA, einem Graphikprozessor, GPU, und/oder einer Beschleunigungseinheit für neuronale Netze.
14. Messsystem gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Messeinrichtung (41) eingerichtet ist, abhängig von einer Position entlang des Messpfads (3, 3a, 3b, 3c) eine Intensität des von der Lichtquelle erzeugten optischen Messstrahls (43) einzustel len.
15. Laserbearbeitungsvorrichtung mit: einem Laserbearbeitungskopf; und einem Messsystem zur optischen Abstandsmessung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14.
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