WO2022043016A1 - Verfahren und steuergerät zur kalibrierung einer laser-scanner-vorrichtung zur materialbearbeitung - Google Patents

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WO2022043016A1
WO2022043016A1 PCT/EP2021/071794 EP2021071794W WO2022043016A1 WO 2022043016 A1 WO2022043016 A1 WO 2022043016A1 EP 2021071794 W EP2021071794 W EP 2021071794W WO 2022043016 A1 WO2022043016 A1 WO 2022043016A1
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WO
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camera
marking
scanner
marking position
laser
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/071794
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Franz
Bjoern Froehlich
Jan Werschnik
Gunter SCHEIDING
Original Assignee
Jenoptik Optical Systems Gmbh
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Publication date
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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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    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B23K26/707—Auxiliary equipment for monitoring laser beam transmission optics

Definitions

  • the invention is based on a method or a control unit according to the species of the independent claims.
  • the subject matter of the present invention is also a computer program.
  • Modern laser scanner systems should enable processing of a workpiece "in the right place” as efficiently as possible.
  • the laser scanner system (here also referred to as a laser scanner device) should be calibrated before processing the workpiece, which was previously done using external measuring equipment on processing samples.However, such a calibration is usually associated with a great deal of effort, since measurement objects or highly sensitive measuring heads are positioned in such a laser scanner system and removed again after calibration Need to become.
  • a method for calibrating a laser scanner device for material processing is presented, the method having the following steps:
  • Detection of at least one reference marking position of a reference marking on a reference object positioned in a detection range of a camera of the laser scanner device in particular with the detection of an alignment position of at least one partial mirror of the scanner of the laser scanner device being aligned in such a way that the reference - marking is imaged on a predetermined area of an image recording sensor of the camera; structuring an object to be processed positioned in the detection range of the camera with a light beam from a laser light source by means of the at least one partial mirror of the scanner using the alignment position of the partial mirror of the scanner in order to obtain a structure marking on the object to be processed;
  • Detection of at least one structure marking position of a structure marking on the object to be processed that is positioned in a detection range of a camera of the laser scanner device, with the detection of an alignment position of at least one partial mirror of the scanner of the laser scanner device being aligned in such a way that the structure marking is imaged on a predetermined area of an image recording sensor of the camera;
  • a reference marking can be understood to mean, for example, a symbol or a geometric shape which is optically recognizable on a surface of the reference object.
  • a camera can be understood to mean an element with an image sensor that is sensitive to the optically visible wavelength range.
  • a partial mirror of the scanner can be understood to mean, for example, a micromechanical, movable partial mirror element, it being possible for the scanner to be constructed as a MEMS mirror element. However, it is also conceivable that the scanner is formed in one piece.
  • a laser light source can be understood to mean, for example, a laser diode or a solid-state laser for outputting a laser beam as a light beam.
  • a structure marking can be understood to mean, for example, a symbol or a geometric shape which is/are applied to or in a surface of an object to be processed or is introduced, the light beam being used in particular for such a structuring of the surface of the object to be processed.
  • a tolerance range can be understood, for example, as a range around the structure and/or reference marking position, the diameter of which corresponds at most to twice the width or height of the structure and/or reference marking.
  • a correction value can be understood as a parameter by which the structure marking would have to be shifted in order to be at a position on a surface of the object to be processed that would correspond to a position of the reference marking on a surface of the reference object.
  • the correction value can be a vector variable, for example, or represent or map a tilting parameter by which the at least one partial mirror of the scanner is to be tilted in order to map the structure marking within the tolerance range around the area of the reference marking.
  • One embodiment of the approach proposed here is particularly favorable, in which at least one further reference marking position of a further reference marking on the reference object positioned in the detection range of the camera of the laser scanner device is detected in the detection step, with a further Alignment position of at least one (for example another) partial mirror of the scanner of the laser scanner device is aligned in such a way that the further reference marking is imaged on a further predetermined area of an image recording sensor of the camera.
  • the object to be processed can also be structured with a light beam from the laser light source by means of at least the (further) partial mirror of the scanner using the further alignment position of the (further) partial mirror of the scanner in order to create a further structure marking on the object to be processed to get object.
  • At least one further structure marking position of a Structure marking can be detected on the object to be processed positioned in the detection range of the camera of the laser scanner device, with the detection of an alignment position of at least one partial mirror of the scanner of the laser scanner device being aligned in such a way that the further structure marking is on a predetermined area of the image recording sensor of the camera is imaged.
  • a further structure marking position of the further structure marking can be compared with the further reference marking position and at least one further correction value for mapping the further structure marking position to the further reference marking position can be calculated if the further Structure marking position deviates from the further reference marking position by more than a tolerance range, with the further correction value representing a change in an alignment position of the at least one (further) partial mirror of the scanner, by which the (further) partial mirror of the scanner is to be rotated in order to Bring the structure marker position into the tolerance range around the reference marker position.
  • Such an embodiment of the approach proposed here offers the advantage of calibrating the laser scanner system using several different markings on the reference object, so that, for example, there is still sufficient precision in the machining of the workpiece even in edge regions of a surface to be machined can be ensured.
  • the further marking can be closer to the edge of the detection area of the camera than the marking.
  • such an approach can significantly improve the accuracy of the processing of a workpiece by the laser center system respectively.
  • An advantageous embodiment of the approach proposed here is one in which several iteratively executed partial steps of the detection are carried out in the step of detection, in which the at least one partial mirror of the scanner is rotated by a rotation parameter in order to determine the reference marking position. It can then be checked whether the marking position is imaged in the predetermined area of the image recording sensor of the camera. A further sub-step of detection can then also be carried out specifically if it is recognized during the checking that the marking position is not imaged in the predetermined area of the image recording sensor of the camera.
  • the step of detecting the several iteratively executed sub-steps of the detection in which the at least one partial mirror of the scanner is rotated by a rotation parameter in order to determine the structure marking position, it then being checked whether the structure marking position is imaged in the predetermined area of the image recording sensor of the camera, in particular wherein a further sub-step of detection is carried out if it is recognized during the checking that the structure marking position is not imaged in the predetermined area of the image recording sensor of the camera.
  • a further sub-step of detection is carried out if it is recognized during the checking that the structure marking position is not imaged in the predetermined area of the image recording sensor of the camera.
  • an embodiment of the approach proposed here in which the step of capturing is carried out after the steps of structuring and detecting.
  • Such an embodiment offers the advantage of particularly good flexibility to measure the reference object and thus, for example, to carry out a calibration during a normal production process, for example by stopping a production process and inserting the reference object into the laser scanner system after structuring a workpiece , whereby a marking that was created on the workpiece in the previous production process is used as the marking.
  • a camera is used in the capturing step and/or in the detecting step, the optical axis of which is at least partially aligned coaxially with an optical path of the light beam to be emitted by the laser light source.
  • the camera can remain through a lens through which the light beam emitted by a laser light source for processing a workpiece also shines.
  • Such an embodiment offers the advantage of being able to detect any optical aberrations that may occur in the optical path of the light beam and to be able to take them into account accordingly when determining the correction value. In this way, an improvement in the precision for the processing of the workpiece by the laser scanner system is opened up.
  • the marking position of the marking can be detected using a different optical wavelength in the detecting step than a wavelength for the light beam that is used in the structuring step to introduce the structure marking on the edited object is used.
  • a different optical wavelength in the detecting step than a wavelength for the light beam that is used in the structuring step to introduce the structure marking on the edited object is used.
  • the (structure or reference) marking position can be recognized particularly advantageously and precisely if the (structure or reference) marking position of the (structure or reference) marking is recorded using a further camera in the step of capturing and/or detecting the laser scanner device positioned reference object or object to be processed is detected, in particular the (structure or reference) marking position is determined using data from the camera and the other camera.
  • a further camera can, for example, capture the (structure or reference) marking from a different perspective than the camera. In this way, a three-dimensional determination of the position of the (structure or reference) marking can be implemented, as a result of which the precision when structuring an object to be processed using the structure marking can be improved.
  • a marking can be detected particularly favorably and reliably if a reference object in the detection range of the camera is used in the detection step, which has a flat surface, a homogeneous brightness of a background of the at least one marking, and/or a shape of the at least one reference marking as a line, cross, square, grid, dot grid or circle, and/or in which several reference markings are arranged symmetrically.
  • a reference object in the detection range of the camera is used in the detection step, which has a flat surface, a homogeneous brightness of a background of the at least one marking, and/or a shape of the at least one reference marking as a line, cross, square, grid, dot grid or circle, and/or in which several reference markings are arranged symmetrically.
  • the reference object having a curved or stepped surface.
  • the reference object can have a sphere, cylinder, steps or a free form.
  • the steps of the method can also be carried out repeatedly, with the camera being arranged at different distances from the reference object and/or the object to be processed for carrying out the steps in different cycles.
  • Such an embodiment of the approach proposed here offers the advantage of being able to use objects of different sizes as a reference object or as an object to be processed, so that the flexibility of use of the approach proposed here can also be increased in terms of flexibility.
  • An embodiment of the approach presented here is also conceivable, in which the steps of the method are carried out repeatedly, with the camera, the reference object and/or the object to be processed being arranged at different angles of inclination to the camera for carrying out the steps in different cycles.
  • Such an embodiment of the approach proposed here also offers advantages with regard to the flexibility of a possible use of the approach presented here, since an exact alignment of the reference object or the object to be processed can now be dispensed with.
  • the approach presented here also creates a control device that is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices.
  • the object on which the invention is based can also be achieved quickly and efficiently by this embodiment variant of the invention in the form of a control unit.
  • control unit can have at least one computing unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading in sensor signals from the sensor or for outputting control signals to the actuator and/or have at least one communication interface for reading in or outputting data that are embedded in a communication protocol.
  • the arithmetic unit can be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, with the memory unit being able to be a flash memory, an EEPROM or a magnetic memory unit.
  • the communication interface can be designed to read in or output data wirelessly and/or by wire, wherein a communication interface that can read in or output wire-bound data can, for example, read this data electrically or optically from a corresponding data transmission line or can output it to a corresponding data transmission line.
  • a control device can be understood to mean an electrical device that processes sensor signals and outputs control and/or data signals as a function thereof.
  • the control unit can have an interface that can be designed in terms of hardware and/or software.
  • the interfaces can be part of what is known as a system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the control unit.
  • the interfaces can be separate integrated circuits or to consist at least partially of discrete components.
  • the interfaces can be software modules which are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and/or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above, is also advantageous used, especially when the program product or program is run on a computer or device.
  • 1 shows a schematic representation of a laser scanner device, as can be used, for example, for the approach presented here; 2 shows a schematic procedure for detecting at least one reference marking position of a reference marking in several iteration steps; and
  • FIG. 3 shows a flow chart of a method for calibrating a laser scanner device for material processing.
  • the laser scanner device 100 includes a control unit 105, which on the one hand can read in images from a camera 110 and on the other hand controls a light source 115 for outputting a laser light beam 120 and can also control a scanner 125.
  • the scanner 125 can be controlled in such a way that parts of the scanner such as the partial mirrors 130a, 130b and 130c can be changed in their alignment and thus the laser light beam 120 through a light path 135 and optionally a further optical element 137 such as a lens an object 140 to be processed is directed.
  • the light beam 120 emitted by the laser light source 115 can be directed from a first partial mirror 130a onto a second partial mirror 130b, from which the light beam 120 in the optical path 135 is directed through the optical element 137, designed here as a lens, onto the object 140 to be processed , in order to produce a structure marking 150 at a structure marking position 145 on a surface 147 of the object 140 to be processed.
  • the structure marking 150 can be, for example, a spot weld or a hole that is to be made on the surface 147 of the object 140 to be processed for a desired processing.
  • a plurality of such structure markings 150 can be generated on the object 140 to be processed, for example sequentially.
  • the object 140 to be processed can have manufacturing tolerances, so that a required distance between the scanner 125 and the object 140 to be processed cannot be set with the required accuracy.
  • the object 140 to be processed may be positioned in front of the scanner 125 imprecisely, or the partial components such as the partial mirror 130 of the scanner 125 may not be aligned with the required accuracy. The approach presented here can be used to solve such a problem easily and inexpensively.
  • the camera 110 In order to optimize the precision for the structuring of a surface 147 of an object 140 to be processed, it is specifically proposed to use the camera 110 .
  • the camera 110 can be aligned in such a way that it looks, for example, at a third partial mirror 130c, from which an optical path is directed via the first partial mirror 130a and the second partial mirror 130b onto the surface 147 of the object 140 to be processed.
  • An optical (partial) path 135 is thus set in the scanner 125 over which both the laser beam 120 and the viewing direction of the camera 110 are directed to the structure marking position 145 .
  • the structure marking position 145 is therefore in a detection range 152 of the camera 110 and can be imaged on a specific position of an image recording sensor 155 of the camera 110 .
  • a reference object 160 can now be introduced into the detection area 152 instead of the objects 140 to be processed and a surface of this reference object 160 can be introduced via the components of the scanner (or in the case of calibration during ongoing production operations after structuring of the object 140 to be processed). 125 are imaged onto the camera 110.
  • the reference object 160 is positioned at the same place as the object 140 to be processed again, which cannot be differentiated in FIG. 1 for reasons of representation, but is explained at this point in the description.
  • One or more reference markings 165 are located on the reference object 160 at corresponding reference marking positions 167, with these reference markings 165 at the reference marking positions 167 are known with regard to their position and/or their distance from one another on the surface of the reference object 160.
  • the least possible distortions should occur in this imaging of the reference markings 165 on the image recording sensor 155, which is due, for example, to the choice of a surface of the reference object that is as flat as possible 160 (e.g. in the form of a plate), a light background of the reference object, clear, distinguishable geographic shapes for the reference markings 165 or the like and can be achieved.
  • one or more of the reference markings 165 can be imaged onto a specific position of the image recording sensor 155 of the camera 110, so that the respective Alignment of the relevant partial mirror 130 of the scanner 125 can be identified, which converts an image of the respective reference mark 165 to a desired position on the image recording sensor 155.
  • the (known) reference marking position 167 of a reference marking 165 can be compared with a corresponding structure marking position 145 of the structure marking 150 for a calibration, whereby if the reference marking position 167 deviates from the structure marking position 145, a corresponding Correction value can be calculated, which represents a change in an alignment position of at least one partial mirror 130 of the scanner 125 in a subsequent structuring.
  • this correction value can then, for example, depict a misalignment of the partial mirrors 130 in the scanner 125 or other optical imaging errors of the laser scanner device 100 or an imprecise positioning of the object 140 .
  • the corresponding correction value can then be used in subsequent processing steps in order to structure further processing objects 170 analogously to the objects 140 to be processed with the light beam 120 of the laser light source 115 in which, for example, on this further processing objects 170 at corresponding structure marking positions 145 corresponding structure markings 150 are introduced.
  • control unit 105 includes, for example, a detection device 175, a structuring device 177, a detection device 179, a comparison device 181, and an application device 183.
  • detection device 177 at least one reference marking position 167 of a reference marking 165 is detected on a detection region 152 of camera 110 of laser scanner device 100, with the detection of an alignment position of at least one partial mirror 130 of scanner 125 of laser scanner device 100 being aligned in such a way that reference marking 165 is on a predetermined area of an image recording sensor 155 of the camera 110 is imaged.
  • Structuring device 177 actuates structuring of object 140 to be processed with a light beam 120 from a laser light source 115 using the at least one partial mirror 130 of scanner 125, using the alignment position of partial mirror 130 of scanner 125, in order to create a structure marking 150 on the object 140 to be processed
  • the detection device 179 at least one structure marking position 167 of a structure marking 165 on the object 140 to be processed positioned in the detection range 152 of the camera 110 of the laser scanner device 100, with the detection of an alignment position of at least one partial mirror 130 of the scanner 125 of the laser scanner device 100 is aligned in such a way that the structure marking 150 is imaged on a predetermined area of the image recording sensor 155 of the camera 110 .
  • the comparison device 181 compares the structure marking position 145 of the structure marking 150 with the reference marking position 167 and calculates at least one correction value 182 for mapping the structure marking position 145 to the reference marking position 167 if the structure marking position 145 deviates from reference marking position 167 by more than one tolerance range, correction value 182 representing a change in an alignment position of the at least one partial mirror 130 of scanner 125, by which partial mirror 130 of scanner 125 is to be rotated, about structure marking position 145 within the tolerance range around the reference marking position 167.
  • the application device 183 applies the at least one correction value 182 to align a light beam 120 of the laser light source 115 for structuring processing objects 170 in order to calibrate the laser scanner device 100 for material processing.
  • FIG. 2 shows a schematic procedure for detecting at least one reference marking position 167 of a reference marking 165 in several iteration steps.
  • a reference object 160 is used in which cross-shaped reference markings 165 are arranged at fixedly predetermined or defined reference marking positions 167 (arranged in the form of a matrix here).
  • One of the reference markings 165 is now imaged onto a specific area 200 of the image recording sensor 155 by the scanner 125 shown in FIG. 1, this predetermined area 200 of FIG. 2 being represented by a circle.
  • the image of the reference marking 165 on the image recordings of the sensor 155 is also shown as a cross in FIG.
  • one or more partial mirrors 130 of the scanner 125 can again be aligned so that an image of the reference marking 165 is now imaged on the predetermined area 200 of the image recording sensor 155 . It can now be seen from the right representation of the lower line in FIG. 2 that the reference marking 165 is imaged onto the predetermined area 200, so that those alignment parameters RTC x , y ⁇ 3) of the partial mirrors 130 of the scanner 125 are now stored.
  • the structure marking position 145 can then be detected generated structure marking 150 to an analogous procedure according to the description from Figure 2, an alignment of the partial mirror 130 of the scanner 125 are determined, which is consequently in order to image the structure marking 150 in a tolerance range 210 of a predetermined range 200 of the image recording sensor 155 of the camera 110 .
  • Correction value 182 can then be determined from this, which represents a change in an alignment position of the at least one partial mirror of the scanner, by which the partial mirror of the scanner is to be rotated in order to bring structure marking position 145 into tolerance range 210 around reference marking position 167 on the To bring image exception sensor 155 of the camera.
  • a possibility for a structure and process for calibrating laser scanner systems for laser material processing is presented, in which a camera is used to observe the work surface and a reference part (also referred to as reference object 140) in the work area (which also represents the detection area 152 of the camera 110 here) is introduced and features or markings 165 of the reference part 160 are reproduced (on the image recording sensor 155) until they are sufficiently similar to those of the reference part.
  • a laser scanner system can be used to write or structure "in the right place” with a tolerance, with this tolerance being smaller than the sample-dependent scattering of the machine properties.
  • the user saves the separate measuring device. This is usually a measuring machine in a measuring room that only pays off when it measures series parts. This is also the reason why this measuring machine is often occupied, which can often lead to a delay in the production process. (2) The user saves non-productive time. He no longer needs to remove the test part from the laser system, bring it to the measuring device and "somehow" bring the measurement results back to the laser system for correction.
  • the process can be automated.
  • the reference part and a sample target can be automatically brought into the workspace and evaluated. This keeps the non-productive time extra short and thus further saves costs and increases the productivity of the laser system.
  • the automated process in particular can be repeated at short intervals. As a result, drifts in the laser system, which increase the tolerances due to more frequent repetitions of the calibration, can be reduced. The editing process becomes more accurate.
  • test parts It is often common for test parts to be exposed for this purpose. These test parts are examined with measuring equipment (e.g. coordinate measuring machines). The actual/target differences of the test patterns are used for the iterative correction of the linearization tables. More than one iteration is often necessary to obtain sufficiently small position errors.
  • measuring equipment e.g. coordinate measuring machines
  • the approach presented here uses a system in which, for example, the camera channel (ie the optical path of the direction of view of the camera 110 through the scanner 125) is not completely identical to the laser channel (ie the optical path of the light beam 120 through the scanner 125).
  • the channels are only partially “common path” and can work with light of different wavelengths. There are also different errors or error sources, such as distortion, in the laser channel and in the camera channel. Two linearization tables must therefore be generated.
  • the transfer function should be linearized based on the specification of the target values (e.g. PC with program) to the workpiece (via control electronics, scanner with its own control circuit, scan lens). This ensures that the processing result is correct.
  • the position detection should also be correct.
  • the "workpiece property" signal chain edge, structure, discoloration, reference mark, etc.
  • Contributing to this transfer function function are: the scan lens, the scanner, the camera lens, the cameras including their evaluation electronics up to the data evaluation.
  • a suitable and connectable (in the sense of calibration and verifiability) "standard” can e.g. B. look so that a reference object 160 is used, in which there is a flat surface on which cross-shaped reference markings 165 are applied in a matrix-shaped arrangement.
  • This reference object 160 as a "standard” can be brought into the working area of the laser scanner system and thus turn it into a measuring device.
  • reference target as reference object 140 can be configured particularly favorably for the purpose provided here.
  • An advantageous reference target 140 is characterized by the following properties:
  • Lithographically produced masks with smooth, diffusely reflecting surfaces are particularly well suited as reference object 140 .
  • objects it is also possible to use objects as reference objects 140 that are cheaper to produce.
  • the pattern of the reference target 140 can be repetitive, partially repetitive, aperiodic, pseudo-random or absolutely encoded.
  • marks 165 formed from geometric primitives random patterns, binary codes or other irregular geometries can also be used.
  • grayscale patterns can also be useful (e.g. sine stripes or 2D sine grids).
  • a coaxial camera can be used as camera 110, in which the beam paths of laser beam/light beam 120 and the viewing direction of camera 110 are at least partially identical, as can be seen from the beam guidance of scanner 125 from FIG. . It is advantageous to guide the camera beam path coaxially through the processing optics or the scanner 125 .
  • a chromatic channel separation can also be carried out. This is possible in a simple manner by separating both beam paths by a wavelength-separating beam splitter. A minimum distance between the wavelengths in the channels is then necessary. The color magnification error that typically occurs between the channels is automatically eliminated by the calibration procedure described below. A temporal channel separation can also be carried out.
  • the separation of the channels can be temporal.
  • the camera 110 is made to see the workpiece only when the laser/light source 115 is off.
  • a switchable mirror 130 or a switchable shutter can be used for this purpose. It is possible to work directly on the working wavelength. It is also possible to use a pilot laser at the working wavelength. This eliminates the need to actually write.
  • a "sacrificial part" is not necessarily required for the iterated reproduction of the reference pattern (see calibration procedure).
  • the use of an off-axis camera 110 is also conceivable.
  • the camera 110 can also stand next to the laser lens and view the working field from its own angle.
  • the procedures for calibration and the variants for channel separation are to be used in the same way.
  • the parallax between the channels drastically reduces the accuracy.
  • the sacrificial target 140 created in this way is measured in a known manner (e.g. using a measuring machine) and the exact positions 160 of the newly written marks 150 are then known, the sacrificial target 140 can be upgraded to a special reference part 160 .
  • a pilot laser can also be used at the working wavelength.
  • the light from the pilot laser can be directed directly onto the reference part 160 using the camera 110 .
  • a list of mark positions 165 (F) also arises.
  • the calibration can also be transferred to the scanner control.
  • a list of default values for the scanner 125, which guide the laser 120 to well-defined locations, is created with the processes described. These are converted in such a way that they become parameters for the scanner control using the application device 183 . If this is transferred to the controller, the scanner 125 directs the laser 120 in the working area 152 in the known manner, taking into account the errors thus determined.
  • the transfer function is linearized.
  • the approach presented here can also be used to calibrate the camera field of view.
  • the processes described above always use only "one point" (here the predefined area 200) of the camera 110.
  • the aberrations (distortion) in the field of view 152 of the camera 110 have little influence on finding the mark positions 165 or 150.
  • the distortion in the However, camera field of view 152 can also easily be integrated as a further process step in the sequence described above.
  • the distortion in camera field of view 152 means, among other things, that the contours in the image do not match exactly when individual images are placed next to one another.After correcting the camera field of view 152 eliminates this error.
  • a field of view calibration to the field of view reference can also be performed.
  • the marks are so dense on the reference target everywhere or on a section that a sufficient number of marks 165 or 150 can be seen simultaneously in a camera field of view 152 (e.g. 5 ⁇ 5 to 100 ⁇ 100).
  • the marks 165 and 150 can be arranged orthogonally or concentrically.
  • the positions of the images of the marks on the camera result from the known mark positions (target). From the target/actual comparison in a single camera image, the distortion correction for the camera field of view can be calculated using known methods.
  • a field of view calibration can also take place via a scanner mirror movement.
  • the scanner mirrors 130 can be controlled in small steps, resulting in a small displacement of the mark image on the camera 110. If this procedure is repeated so that the mark is recognized several times in the entire field of view of the camera 110 , the target positions can again be calculated from the scanner settings of the partial mirrors 130 and the actual positions can be calculated from the images from the camera 110 .
  • a camera field of view calibration can also be carried out in the overview image. Since two optics contribute to the distortion in the camera channel, it may be necessary for the field of view of the camera 110 to be designed for different adjustment angles of the scanners 125. Then the processes described above should be repeated for different scan field points and applied depending on the scanner mirror angle.
  • FIG. 3 shows a flowchart of a method 300 for calibrating a laser scanner device for material processing.
  • the method 300 comprises a step 310 of detecting at least one reference marking position of a reference marking on a reference object positioned in a detection range of a camera of the laser scanner device, with an alignment position of at least one partial mirror of the scanner of the laser scanner device being detected is aligned in such a way that the reference marking is imaged on a predetermined area of an image recording sensor of the camera.
  • the method 300 includes a step 320 of structuring the object to be processed with a light beam from a laser light source by means of the at least one partial mirror of the scanner using the alignment position of the partial mirror of the scanner in order to obtain a structure marking on the object to be processed.
  • Method 300 also includes a step 330 of detecting at least one structure marking position of a structure marking on the object to be processed that is positioned in the detection range of the camera of the laser scanner device, wherein an alignment position of at least one partial mirror of the scanner of the laser scanner is detected when detecting -Device is aligned in such a way that the structure marking is imaged on a predetermined area of the image recording sensor of the camera.
  • the method 300 comprises a step 340 of comparing a structure marking position of the structure marking with the reference marking position and calculating at least one correction value for mapping the structure marking position to the reference marking position if the structure marking position by more than one tolerance range from the reference Marking position deviates, the correction value representing a change in an alignment position of the at least one partial mirror of the scanner, by which the partial mirror of the scanner is to be rotated in order to bring the structure marking position into the tolerance range around the reference marking position.
  • the method 300 includes a step 350 of applying the at least one correction value for aligning a light beam of the laser light source for structuring processing objects in order to calibrate the laser scanner device for material processing.
  • One embodiment includes an "and/or" link between a first
  • Feature and a second feature this is to be read in such a way that the exemplary embodiment according to one embodiment has both the first feature and the second feature and according to a further embodiment either only the first feature or only the second feature.

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Abstract

Es wird ein Verfahren (300) zur Kalibrierung einer Laser-Scanner-Vorrichtung (100) zur Materialbearbeitung vorgestellt, wobei das Verfahren (300) einen Schritt des Erfassens (310) zumindest einer Referenz-Markierungsposition (167) einer Referenz-Markierung (165) auf einem in einem Erfassungsbereich (152) einer Kamera (110) der Laser-Scanner-Vorrichtung (100) positionierten Referenzobjekt (160) aufweist, wobei beim Erfassen eine Ausrichtungsposition zumindest eines Teilspiegels (130) des Scanners (125) der Laser-Scanner-Vorrichtung (100) derart ausgerichtet wird, dass die Referenz-Markierung (165) auf einem vorbestimmten Bereich (200) eines Bildaufnahmesensors (155) der Kamera (110) abgebildet wird. Ferner umfasst das Verfahren (300) einen Schritt des Strukturierens (320) eines in dem Erfassungsbereich (152) der Kamera (110) positionierten, zu bearbeitenden Objektes (140) mit einem Lichtstrahl (120) einer Laserlichtquelle (120) mittels des zumindest einen Teilspiegel (130) des Scanners (125) unter Verwendung der Ausrichtungsposition (RTCx,y (3)) des Teilspiegels (130) des Scanners (125), um eine Struktur-Markierung (150) auf dem zu bearbeitenden Objekt (140) zu erhalten. Auch umfasst das Verfahren (300) einen Schritt des Detektierens (330) zumindest einer Struktur-Markierungsposition (145) einer Struktur-Markierung (150) auf dem im Erfassungsbereich (152) der Kamera (110) der Laser-Scanner-Vorrichtung (100) positionierten zu bearbeitenden Objekt (140), wobei beim Detektieren eine Ausrichtungsposition zumindest eines Teilspiegels (130) des Scanners (125) der Laser-Scanner-Vorrichtung (100) derart ausgerichtet wird, dass die Struktur-Markierung (150) auf einem vorbestimmten Bereich (200) des Bildaufnahmesensors (155) der Kamera (110) abgebildet wird. Ferner umfasst das Verfahren (300) einen Schritt des Vergleichens (340) einer Struktur-Markierungsposition (145) der Struktur-Markierung (150) mit der Referenz-Markierungsposition (167) und Berechnen von zumindest einem Korrekturwert (182) zur Abbildung der Struktur-Markierungsposition (145) auf die Referenz-Markierungsposition (167), wenn die Struktur-Markierungsposition (145) um mehr als einen Toleranzbereich (210) von der Referenz-Markierungsposition (167) abweicht, wobei der Korrekturwert (182) eine Änderung einer Ausrichtungsposition des zumindest einen Teilspiegels (130) des Scanners (125) repräsentiert, um die der Teilspiegel (130) des Scanners (125) zu verdrehen ist, um die Struktur-Markierungsposition (145) in den Toleranzbereich (210) um die Referenz-Markierungsposition (167) zu bringen. Schließlich umfasst das Verfahren (300) einen Schritt des Anwendens (350) des zumindest einen Korrekturwerts (182) zur Ausrichtung eines Lichtstrahls (120) der Laserlichtquelle (120) zur Strukturierung von Bearbeitungsobjekten (170), um die Laser-Scanner-Vorrichtung (100) zur Materialbearbeitung zu kalibrieren.

Description

Titel
Verfahren und Steuergerät zur Kalibrierung einer Laser-Scanner-Vorrichtung zur Materialbearbeitung
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Verfahren oder einem Steuergerät nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Moderne Laser-Scanner-Systeme sollen möglichst effizient eine Bearbeitung eines Werkstücks „an der richtigen Stelle" ermöglichen. Um eine hinreichende Genauigkeit der Bearbeitung des Werkstücks zu gewährleisten, sollte das Laser-Scanner-System (hier auch als Laser-Scanner-Vorrichtung bezeichnet) vor der Bearbeitung des Werkstücks kalibriert werden, was bisher über externe Messmittel an Bearbeitungsproben erfolgt ist. Allerdings ist eine solche Kalibrierung meist mit einem hohen Aufwand verbunden, da Messobjekte oder hochempfindliche Messköpfe in einem solches Laser-Scanner-System positioniert und nach der Kalibrierung wieder entfernt werden müssen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Es wird ein Verfahren zur Kalibrierung einer Laser-Scanner-Vorrichtung zur Materialbearbeitung vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Erfassen zumindest einer Referenz-Markierungsposition einer Referenz-Markierung auf einem in einem Erfassungsbereich einer Kamera der Laser-Scanner-Vorrichtung positionierten Referenzobjekt, insbesondere wobei beim Erfassen eine Ausrichtungsposition zumindest eines Teilspiegels des Scanners der Laser-Scanner- Vorrichtung derart ausgerichtet wird, dass die Referenz-Markierung auf einem vorbestimmten Bereich eines Bildaufnahmesensors der Kamera abgebildet wird; Strukturieren eines in dem Erfassungsbereich der Kamera positionierten, zu bearbeitenden Objektes mit einem Lichtstrahl einer Laserlichtquelle mittels des zumindest einen Teilspiegel des Scanners unter Verwendung der Ausrichtungsposition des Teilspiegels des Scanners, um eine Struktur-Markierung auf dem zu bearbeitenden Objekt zu erhalten;
Detektieren zumindest einer Struktur-Markierungsposition einer Struktur-Markierung auf dem in einem Erfassungsbereich einer Kamera der Laser-Scanner-Vorrichtung positionierten zu bearbeitenden Objekt, wobei beim Detektieren eine Ausrichtungsposition zumindest eines Teilspiegels des Scanners der Laser-Scanner- Vorrichtung derart ausgerichtet wird, dass die Struktur-Markierung auf einem vorbestimmten Bereich eines Bildaufnahmesensors der Kamera abgebildet wird;
Vergleichen einer Struktur-Markierungsposition der Struktur-Markierung auf dem zu bearbeitenden Objekt mit der Referenz-Markierungsposition und Berechnen von zumindest einem Korrekturwert zur Abbildung der Struktur-Markierungsposition auf die Referenz-Markierungsposition, insbesondere wenn die Struktur- Markierungsposition um mehr als einen Toleranzbereich von der Referenz- Markierungsposition abweicht, wobei der Korrekturwert eine Änderung einer Ausrichtungsposition des zumindest einen Teilspiegels des Scanners repräsentiert, um die der Teilspiegel des Scanners zu verdrehen ist, um die Struktur- Markierungsposition in den Toleranzbereich um die Referenz-Markierungsposition zu bringen; und
Anwenden des zumindest einen Korrekturwertes zur Ausrichtung eines Lichtstrahls der Laserlichtquelle zur Strukturierung von Bearbeitungsobjekten, um die Laser- Scanner-Vorrichtung zur Materialbearbeitung zu kalibrieren.
Unter einer Referenz-Markierung kann vorliegend beispielsweise ein Symbol oder eine geometrische Form verstanden werden, welches oder welche auf einer Oberfläche des Referenzobjekts optisch erkennbar ist. Unter einer Kamera kann vorliegend ein Element mit einem für den optisch sichtbaren Wellenlängenbereich empfindlichem Bildsensor verstanden werden. Unter einem Teilspiegel des Scanners kann vorliegend beispielsweise ein mikromechanisches, bewegliches Teilspiegelelement verstanden werden, wobei der Scanner als ein MEMS-Spiegelelement aufgebaut sein kann. Denkbar ist jedoch auch, dass der Scanner einstückig ausgeformt ist. Unter einer Laserlichtquelle kann vorliegend beispielsweise eine Laserdiode oder ein Festkörperlaser zur Ausgabe eines Laserstrahls als Lichtstrahl verstanden werden. Unter einer Struktur-Markierung kann vorliegend beispielsweise ein Symbol oder eine geometrische Form verstanden werden, welches oder welche auf oder in eine Oberfläche eines zu bearbeitenden Objektes aufgebracht oder eingebracht wird, wobei insbesondere für ein solches Strukturieren der Oberfläche des zu bearbeitenden Objektes der Lichtstrahl verwendet wird. Unter einem Toleranzbereich kann beispielsweise ein Bereich um die Struktur- und/oder Referenz- Markierungsposition verstanden werden, dessen Durchmesser maximal der doppelten Breite oder Höhe der Struktur- und/oder Referenz-Markierung entspricht. Unter einem Korrekturwert kann ein Parameter verstanden werden, um den die Struktur-Markierung zu verschieben wäre, um an einer Position auf eine Oberfläche des zu bearbeitenden Objektes zu liegen, die einer Position der Referenz-Markierung auf einer Oberfläche des Referenzobjekts entsprechen würde. Insofern kann der Korrekturwert beispielsweise eine vektorielle Größe sein oder einen Verkippungsparameter darstellen oder abbilden, um den der zumindest eine Teilspiegel des Scanners zu verkippen ist, um die Struktur- Markierung innerhalb des Toleranzbereichs um den Bereich der Referenz-Markierung abzubilden.
Ein wichtiger Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes kann darin gesehen werden, dass nun ein Laser-Scanner-System mit einer Kamera eingesetzt oder gekoppelt wird und somit eine Positionsreferenz verwendet werden kann, sodass der Kalibriervorgang direkt im System vorgenommen werden kann. Dadurch wird der Kalibrierungs-Vorgang schneller und automatisierbar. Somit kann sehr vorteilhaft öfter kalibriert werden, sodass es möglich ist, Driften zu bekämpfen und die Genauigkeit des Bearbeitungsprozesses zu erhöhen. Es braucht ferner keine manuelle Kalibrierungseinheit verwendet werden, die unter einem großen Aufwand in das Laser-Scanner-System eingebracht werden müsste und eine Unterbrechung des Bearbeitungsprozesses von Werkstücken erfordern würde.
Besonders günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Erfassens zumindest eine weitere Referenz-Markierungsposition einer weiteren Referenz-Markierung auf dem in dem Erfassungsbereich der Kamera der Laser- Scanner-Vorrichtung positionierten Referenzobjekt erfasst wird, wobei beim Erfassen eine weitere Ausrichtungsposition zumindest eines (beispielsweise weiteren) Teilspiegels des Scanners der Laser-Scanner-Vorrichtung derart ausgerichtet wird, dass die weitere Referenz-Markierung auf einem weiteren vorbestimmten Bereich eines Bildaufnahmesensors der Kamera abgebildet wird. Ferner kann auch im Schritt des Strukturierens das zu bearbeitende Objekte mit einem Lichtstrahl der Laserlichtquelle mittels zumindest des (weiteren) Teilspiegels des Scanners unter Verwendung der weiteren Ausrichtungsposition des (weiteren) Teilspiegels des Scanners strukturiert wird, um eine weiteren Struktur-Markierung auf dem zu bearbeitenden Objekt zu erhalten. Im Schritt des Detektierens kann zumindest eine weitere Struktur-Markierungsposition einer Struktur-Markierung auf dem im Erfassungsbereich der Kamera der Laser-Scanner- Vorrichtung positionierten zu bearbeitenden Objekt detektiert werden, wobei beim Detektieren eine Ausrichtungsposition zumindest eines Teilspiegels des Scanners der Laser-Scanner-Vorrichtung derart ausgerichtet wird, dass die weitere Struktur- Markierung auf einem vorbestimmten Bereich des Bildaufnahmesensors der Kamera abgebildet wird. Auch kann im Schritt des Vergleichens eine weitere Struktur- Markierungsposition der weiteren Struktur-Markierung mit der weiteren Referenz- Markierungsposition vergleichen wird und ein Berechnen von zumindest einem weiteren Korrekturwert zur Abbildung der weiteren Struktur-Markierungsposition auf die weitere Referenz-Markierungsposition erfolgt, wenn die weitere Struktur-Markierungsposition um mehr als einen Toleranzbereich von der weiteren Referenz-Markierungsposition abweicht, wobei der weitere Korrekturwert eine Änderung einer Ausrichtungsposition des zumindest einen (weiteren) Teilspiegels des Scanners repräsentiert, um die der (weitere) Teilspiegels des Scanners zu verdrehen ist, um die Struktur-Markierungsposition in den Toleranzbereich um die Referenz-Markierungsposition zu bringen. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet den Vorteil, eine Kalibrierung des Laser-Scanner-Systems unter Verwendung von mehreren unterschiedlichen Markierungen auf dem Referenzobjekt zu Kalibrierung, so dass beispielsweise auch in Randbereichen einer zu bearbeitenden Oberfläche noch immer eine hinreichende Präzision der Bearbeitung des Werkstücks sichergestellt werden kann. Hierzu kann beispielsweise die weitere Markierung näher am Rand des Erfassungsbereiches der Kamera liegen, als die Markierung. Gegenüber einer Lösung aus dem Stand der Technik, bei der lediglich eine Kalibrierung für einen oder in einem zentralen Bearbeitungsbereich des zu bearbeitenden Objektes erfolgt, kann durch einen solchen hier vorgestellten Ansatz eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit der Bearbeitung eines Werkstückes durch das Laser-Center-System erfolgen.
Günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Erfassens mehrere iterativ auszuführende Teilschritte des Erfassens ausgeführt werden, bei denen je der zumindest eine Teilspiegel des Scanners um einen Verdrehungsparameter verdreht wird, um die Referenz-Markierungsposition zu ermitteln. Dabei kann nachfolgend geprüft werden, ob die Markierungsposition in den vorbestimmten Bereich des Bildaufnahmesensors der Kamera abgebildet wird. Auch kann spezielle dann ein weiterer Teilschritt des Erfassens ausgeführt werden, wenn bei dem Prüfen erkannt wird, dass die Markierungsposition nicht in den vorbestimmten Bereich des Bildaufnahmesensors der Kamera abgebildet wird. Zusätzlich oder alternativ können auch im Schritt des Detektierens des mehrere iterativ auszuführende Teilschritte des Detektierens ausgeführt werden, bei denen je der zumindest eine Teilspiegels des Scanners um einen Verdrehungsparameter verdreht wird, um die Struktur- Markierungsposition zu ermitteln, wobei nachfolgend geprüft wird, ob die Struktur- Markierungsposition in den vorbestimmten Bereich des Bildaufnahmesensors der Kamera abgebildet wird, insbesondere wobei ein weitere Teilschritt des Detektierens ausgeführt wird, wenn bei dem Prüfen erkannt wird, dass die Struktur-Markierungsposition nicht in den vorbestimmten Bereich des Bildaufnahmesensors der Kamera abgebildet wird. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet den Vorteil, durch die interaktive Ausführung der Teilschritte des Erfassens sehr schnell die (Referenz- oder Struktur-) Markierungsposition bestimmen zu können.
Denkbar ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der der Schritt des Erfassens nach den Schritten des Strukturierens und des Detektierens ausgeführt wird. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil einer besonders guten Flexibilität, das Referenzobjekt zu vermessen und somit beispielsweise auch während einem normalen Produktionsablauf eine Kalibrierung vorzunehmen, indem beispielsweise einen Produktionsprozess angehalten wird und das Referenzobjekt nach dem Strukturieren eines Werkstücks in das Laser-Scanner-System eingesetzt wird, wobei als Markierung eine Markierung verwendet wird, die im vorangegangenen Produktionsprozess auf dem Werkstück erzeugt wurde.
Besonders vorteilhaft ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Erfassens und/oder im Schritt des Detektierens eine Kamera verwendet wird, deren optische Achse zumindest teilweise koaxial zu einem optischen Pfad des von der Laserlichtquelle auszugebenden Lichtstrahls ausgerichtet ist. Beispielsweise kann hierdurch mittels eines Spiegelsystems die Kamera durch ein Objektiv geblieben, welches auch vom Lichtstrahl durchstrahlt wird, der zur Bearbeitung eines Werkstücks von einer Laserlichtquelle ausgegeben wird. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, eventuell auftretende optische Abbildungsfehler im optischen Pfad des Lichtstrahls zu erkennen und bei der Ermittlung des Korrekturwerts entsprechend berücksichtigen zu können. Auf diese Weise wird eine Verbesserung der Präzision für die Bearbeitung des Werkstücks durch das Laser-Scanner-System eröffnet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann im Schritt des Erfassens die Markierungsposition der Markierung unter Verwendung einer anderen optischen Wellenlänge erfasst werden, als einer Wellenlänge für den Lichtstrahl, der im Schritt des Strukturierens zur Einbringung der Struktur-Markierung auf dem zu bearbeitenden Objekt verwendet wird. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, eine Bearbeitung eines Objektes oder Werkstücks mittels des hoch energetischen Laserlichtstrahls so durchzuführen, dass die eine Messeempfindlichkeit der Kamera durch die Sensitivität der Kamera für eine andere Lichtwellenlänge möglichst nicht beeinträchtigt wird.
Denkbar ist ferner auch eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der im Schritt des Erfassens eine Ausgabe eines Lichtstrahls von der Laserlichtquelle in den Erfassungsbereich der Kamera unterdrückt wird. Auch mittels einer solchen Ausführungsform kann gemäß Empfindlichkeit der Kamera durch das Unterdrücken des Lichtstrahls der Laserlichtquelle in dem Erfassungsbereich während des Schritts des Erfassens verbessert werden.
Besonders vorteilhaft und präzise kann die (Struktur- oder Referenz-) Markierungsposition erkannt werden, wenn im Schritt des Erfassens und/oder des Detektierens die (Struktur- oder Referenz-) Markierungsposition der (Struktur- oder Referenz-) Markierung unter Verwendung einer weiteren Kamera der Laser-Scanner- Vorrichtung positionierten Referenzobjekt oder zu bearbeitendem Objekt erfasst wird, insbesondere wobei die (Struktur- oder Referenz-) Markierungsposition unter Verwendung von Daten der Kamera und der weiteren Kamera ermittelt wird. Eine solche weitere Kamera kann beispielsweise die (Struktur- oder Referenz-) Markierung aus einem anderen Blickwinkel als die Kamera erfassen. Auf diese Weise lässt sich eine dreidimensionale Ermittlung der Position der (Struktur- oder Referenz-) Markierung realisieren, wodurch die Präzision bei der Strukturierung eines zu bearbeitenden Objekts mittels der Struktur-Markierung verbessert werden kann.
Besonders günstig und zuverlässig kann eine Markierung erkannt werden, wenn im Schritt des Erfassens ein Referenzobjekt im Erfassungsbereich der Kamera verwendet wird, die eine ebene Oberfläche, eine homogene Helligkeit eines Hintergrunds der zumindest einen Markierung, und/oder einer Form der zumindest eine Referenz- Markierung als Strich, Kreuz Quadrat, Gitter, Punktraster oder Kreis aufweist, und/oder bei der mehrere Referenz-Markierungen symmetrisch angeordnet sind. Die Verwendung eines derartigen Referenzobjektes stellt die gute und eindeutige Unterscheidung der Markierung von anderen, für die Kalibrierung des Laser-Scanner-Systems nicht relevanten Effekten oder Merkmalen auf der Oberfläche des Referenzobjektes sicher. Günstig ist ferner auch eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der im Schritt des Erfassens zumindest eine Referenz-Markierungsposition einer Referenz- Markierung auf einem Referenzobjekt erfasst wird, wobei das Referenzobjekt eine gekrümmte oder gestufte Oberfläche aufweist. Beispielsweise kann ein solches Objekt als Kugel, Zylinder, Stufen oder eine Freiform aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, ein beliebig ausgeformtes Referenzobjekt wählen zu können, sodass die Flexibilität des hier vorgestellten Ansatzes erhöht werden kann.
Auch können gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes die Schritte des Verfahrens wiederholt ausgeführt werden, wobei für das Ausführen der Schritte in unterschiedlichen Zyklen die Kamera in unterschiedlichen Abständen zu dem Referenzobjekt und/oder dem zu bearbeitenden Objekt angeordnet ist. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet den Vorteil, unterschiedliche große Objekte als Referenzobjekt oder als zu bearbeitendes Objekt verwenden zu können, sodass ebenfalls die Einsatzmöglichkeit Flexibilität des hier vorgeschlagenen Ansatzes im Hinblick auf eine Flexibilität erhöht werden kann.
Denkbar ist ferner auch eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der die Schritte des Verfahrens wiederholt ausgeführt werden, wobei für das Ausführen der Schritte in unterschiedlichen Zyklen die Kamera das Referenzobjekt und/oder das zu bearbeitende Objekts in unterschiedlichen Neigungswinkeln zu der Kamera angeordnet ist. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet ebenfalls Vorteile hinsichtlich der Flexibilität einer Einsatzmöglichkeit des hier vorgestellten Ansatzes, da nun auf eine exakte Ausrichtung des Referenzobjekts bzw. des zu bearbeitenden Objekts verzichtet werden kann.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Laser-Scanner-Vorrichtung, wie sie beispielsweise für den hier vorgestellten Ansatz eingesetzt werden kann; Fig. 2 eine schematische Vorgehensweise für das Erfassen zumindest einer Referenz- Markierungsposition einer Referenz-Markierung in mehreren Iterationsschritten; und
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Kalibrierung einer Laser-Scanner- Vorrichtung zur Materialbearbeitung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Laser-Scanner-Vorrichtung 100, wie sie beispielsweise für den hier vorgestellten Ansatz eingesetzt werden kann. Die Laser- Scanner-Vorrichtung 100 umfasst dabei ein Steuergerät 105, welches einerseits Bilder von einer Kamera 110 einlesen kann, andererseits eine Lichtquelle 115 zur Ausgabe eines Laserlichtstrahls 120 ansteuert und weiterhin noch einen Scanner 125 ansteuern kann. Die Ansteuerung des Scanners 125 kann hierbei derart erfolgen, dass Teile des Scanners wie beispielsweise die Teilspiegel 130a, 130b und 130c in ihrer Ausrichtung verändert werden können und somit der Laserlichtstrahl 120 durch einen Lichtpfad 135 und optional ein weiteres optisches Element 137 wie beispielsweise eine Linse auf einen zu bearbeitendes Objekts 140 gelenkt wird. Hierzu kann beispielsweise der von der Laserlichtquelle 115 ausgegebenen Lichtstrahl 120 von einem ersten Teilspiegel 130a auf einen zweiten Teilspiegel 130b gelenkt werden, von welchem der Lichtstrahl 120 im optischen Pfad 135 durch das hier als Linse ausgestaltete optisches Element 137 auf das zu bearbeitende Objekt 140 gelenkt wird, um an einer Struktur-Markierungsposition 145 auf einer Oberfläche 147 des zu bearbeitenden Objekts 140 eine Struktur-Markierung 150 zu erzeugen. Die Struktur-Markierung 150 kann beispielsweise ein Schweißpunkt oder ein Loch sein, das für eine gewünschte Bearbeitung auf die Oberfläche 147 des zu bearbeitenden Objektes 140 eingebracht werden soll. Auf diese Weise lässt sich durch eine geeignete Ansteuerung der (Laser-) Lichtquelle 115 unter Zuhilfenahme der Ansteuerung der Teilspiegel 130 des Scanners 125 beispielsweise zeitlich nacheinander eine Mehrzahl von derartigen Struktur-Markierungen 150 auf dem zu bearbeitenden Objekt 140 generieren.
Problematisiert ist jedoch, dass für viele Anwendungen eine sehr präzise Positionierung der Struktur-Markierungen 150 auf der Oberfläche 147 des zu bearbeitenden Objekts 140 erforderlich ist, wobei eine Vielzahl von möglichen Fehlerquellen auftreten können. Beispielsweise kann das zu bearbeitende Objekt 140 Herstellungstoleranzen aufweisen, so dass ein erforderlicher Abstand zwischen dem Scanner 125 und dem zu bearbeitenden Objekte 140 nicht mit der erforderlichen Genauigkeit eingestellt werden kann. Andererseits kann auch eine ungenaue Positionierung des zu bearbeitenden Objekts 140 vor dem Scanner 125 erfolgen oder eine Ausrichtung der Teilkomponenten wie beispielsweise der Teilspiegel 130 des Scanners 125 nicht mit der erforderlichen Genauigkeit eingestellt werden. Um eine solche Problematik einfach und kostengünstig aufzulösen, kann der hier vorgestellte Ansatz verwendet werden.
Speziell wird zur Optimierung der Präzision für die Strukturierung von einer Oberfläche 147 eines zu bearbeitenden Objekts 140 vorgeschlagen, die Kamera 110 zu verwenden. Hierbei kann die Kamera 110 derart ausgerichtet werden, dass sie beispielsweise auf einen dritten Teilspiegel 130c blickt, von dem ein optischer Pfad über den ersten Teilspiegel 130a und den zweiten Teilspiegel 130b auf die Oberfläche 147 des zu bearbeiteten Objekts 140 gerichtet ist. Im Scanner 125 wird somit ein optischer (Teil-) Pfad 135 eingestellt, über den sowohl der Laserstrahl 120 als auch die Blickrichtung der Kamera 110 auf die Struktur-Markierungsposition 145 gerichtet ist. Die Struktur- Markierungsposition 145 liegt somit in einem Erfassungsbereich 152 der Kamera 110 und kann auf eine bestimmte Position eines Bildaufnahmesensors 155 der Kamera 110 abgebildet werden.
Um nun eine Kalibrierung der Laser-Scanner-Vorrichtung 100 vorzunehmen, d. h. beispielsweise die Ausrichtung der Teilspiegel 130 des Scanners 125 derart einzustellen, dass der Lichtstrahl 120 aus der Laserlichtquelle 110 präzise an einer gewünschten, einzustellenden Struktur-Markierungsposition 145 auf die Oberfläche 147 des zu bearbeitenden Objekts 140 trifft, kann nun zunächst (oder bei einer Kalibrierung im laufenden Herstellungsbetrieb nach einer Strukturierung des zu bearbeiteten Objekts 140) statt den zu bearbeitenden Objekte 140 ein Referenzobjekt 160 in den Erfassungsbereich 152 eingebracht und eine Oberfläche dieses Referenzobjektes 160 über die Komponenten des Scanners 125 auf die Kamera 110 abgebildet werden. In der Darstellung aus der Figur 1 ist hierbei das Referenzobjekt 160 an der gleichen Stelle wieder zu bearbeitende Objekt 140 positioniert, was aus darstellungstechnischen Gründen in der Figur 1 nicht unterschieden werden kann, jedoch an dieser Stelle in der Beschreibung erläutert wird. Auf dem Referenzobjekt 160 befinden sich ein oder mehrere Referenzmarkierungen 165 an entsprechenden Referenz-Markierungspositionen 167, wobei diese Referenz-Markierungen 165 an den Referenz-Markierungspositionen 167 hinsichtlich ihrer Lage und/oder ihres Abstandes zueinander auf der Oberfläche des Referenzobjektes 160 bekannt sind. Um nun eine möglichst gute Erfassung der Referenz- Markierungen 165 im Erfassungsbereich 152 durch die Kamera 110 zu ermöglichen, sollten möglichst geringe Verzerrungen bei dieser Abbildung der Referenz-Markierungen 165 auf dem Bildaufnahmesensor 155 auftreten, was beispielsweise durch die Wahl einer möglichst ebenen Oberfläche des Referenzobjekts 160 (beispielsweise in der Form einer Platte), eines hellen Hintergrunds des Referenzobjektes, eindeutigen, unterscheidbaren geographischen Formen für die Referenz-Markierungen 165 oder dergleichen und erreicht werden kann.
Wird nun das Referenzobjekt 160 in diesen Erfassungsbereich 152 eingebracht, kann durch die Ansteuerung der Ausrichtung der Teilspiegel 130 des Scanners 125 die Abbildung von einer oder mehrerer der Referenz-Markierungen 165 auf eine bestimmte Position des Bildaufnahmesensors 155 der Kamera 110 durchgeführt werden, sodass die jeweilige Ausrichtung der betreffenden Teilspiegel 130 des Scanners 125 identifiziert werden kann, die eine Abbildung der jeweiligen Referenz-Markierung 165 auf eine gewünschte Position auf dem Bildaufnahmesensor 155 umsetzt. Dies wiederum, in Kenntnis der unterschiedlichen Verkippungswinkel von einem Umschalten des Scanners 125 zur Lenkung des Lichtstrahls 120 oder zur Übertragung einer Markierung aus dem Erfassungsbereich 152 zur Kamera 110 ermöglicht nun eine sehr genaue Justage des Scanners 125 bzw. der Laser-Scanner-Vorrichtung 100, die einerseits technisch sehr einfach umzusetzen ist und andererseits auch beispielsweise eine sehr einfache Kalibrierung bei einer kurzen Unterbrechung eines Produktionsbetriebs ermöglicht. Hierzu können für eine Kalibrierung speziell die (bekannte) Referenz-Markierungsposition 167 einer Referenzmarkierung 165 mit einer entsprechenden Struktur- Markierungsposition 145 der Struktur-Markierung 150 verglichen werden, wobei nun bei einer Abweichung der Referenz-Markierungsposition 167 von der Struktur- Markierungsposition 145 ein entsprechender Korrekturwert berechnet werden kann, der eine Änderung einer Ausrichtungsposition zumindest eines Teilspiegels 130 des Scanners 125 bei einer nachfolgenden Strukturierung repräsentiert. Dieser Korrekturwert kann dann einerseits beispielsweise eine Fehlstellung der Teilspiegel 130 im Scanner 125 oder andere optische Abbildungsfehler der Laser-Scanner-Vorrichtung 100 oder eine unpräzise Positionierung des Objektes 140 abbilden. Der entsprechende Korrekturwert kann dann in nachfolgenden Bearbeitungsschritten verwendet werden, um weitere Bearbeitungsobjekte 170 analog zu den zu bearbeitenden Objekten 140 mit dem Lichtstrahl 120 der Laserlichtquelle 115 zu strukturieren, in dem beispielsweise auf diesen weiteren Bearbeitungsobjekten 170 an entsprechenden Struktur-Markierungspositionen 145 entsprechende Struktur-Markierungen 150 eingebracht werden.
Das Berechnen und Anwenden eines solchen Korrekturwerts kann beispielsweise in den Steuergerät 105 ausgeführt werden. Hierzu umfasst das Steuergerät 105 beispielsweise eine Erfassungseinrichtung 175, eine Strukturierungseinrichtung 177, eine Detektiereinrichtung 179, eine Vergleichseinrichtung 181 und eine Anwendungseinrichtung 183. In der Erfassungseinrichtung 177 erfolgt ein Erfassen zumindest einer Referenz-Markierungsposition 167 einer Referenz-Markierung 165 auf einem in einem Erfassungsbereich 152 der Kamera 110 der Laser-Scanner-Vorrichtung 100 positionierten Referenzobjekt 160, wobei beim Erfassen eine Ausrichtungsposition zumindest eines Teilspiegels 130 des Scanners 125 der Laser-Scanner-Vorrichtung 100 derart ausgerichtet wird, dass die Referenz-Markierung 165 auf einem vorbestimmten Bereich eines Bildaufnahmesensors 155 der Kamera 110 abgebildet wird. Durch die Strukturierungseinrichtung 177 wird ein Strukturieren des zu bearbeitenden Objektes 140 mit einem Lichtstrahl 120 einer Laserlichtquelle 115 mittels des zumindest einen Teilspiegels 130 des Scanner 125 unter Verwendung der Ausrichtungsposition des Teilspiegels 130 des Scanners 125, angesteuert, um eine Struktur-Markierung 150 auf dem zu bearbeitenden Objekt 140 zu erhalten In der Detektiereinrichtung 179 zumindest einer Struktur-Markierungsposition 167 einer Struktur-Markierung 165 auf dem im Erfassungsbereich 152 der Kamera 110 der Laser-Scanner-Vorrichtung 100 positionierten zu bearbeitenden Objekt 140, wobei beim Detektieren eine Ausrichtungsposition zumindest eines Teilspiegels 130 des Scanners 125 der Laser-Scanner-Vorrichtung 100 derart ausgerichtet wird, dass die Struktur-Markierung 150 auf einem vorbestimmten Bereich des Bildaufnahmesensors 155 der Kamera 110 abgebildet wird. In der Vergleichseinrichtung 181 erfolgt ein Vergleichen der Struktur-Markierungsposition 145 der Struktur-Markierung 150 mit der Referenz-Markierungsposition 167 und ein Berechnen von zumindest einem Korrekturwert 182 zur Abbildung der Struktur- Markierungsposition 145 auf die Referenz-Markierungsposition 167, wenn die Struktur- Markierungsposition 145 um mehr als einen Toleranzbereich von der Referenz- Markierungsposition 167 abweicht, wobei der Korrekturwert 182 eine Änderung einer Ausrichtungsposition des zumindest einen Teilspiegels 130 des Scanners 125 repräsentiert, um die der Teilspiegel 130 des Scanners 125 zu verdrehen ist, um die Struktur-Markierungsposition 145 in den Toleranzbereich um die Referenz- Markierungsposition 167 zu bringen. In der Anwendungseinrichtung 183 erfolgt ein Anwenden des zumindest einen Korrekturwerts 182 zur Ausrichtung eines Lichtstrahls 120 der Laserlichtquelle 115 zur Strukturierung von Bearbeitungsobjekten 170, um die Laser-Scanner-Vorrichtung 100 zur Materialbearbeitung zu kalibrieren.
Figur 2 zeigt eine schematische Vorgehensweise für das Erfassen zumindest einer Referenz-Markierungsposition 167 einer Referenz-Markierung 165 in mehreren Iterationsschritten. Hierdurch wird ein Referenzobjekt 160 verwendet, in welchem kreuzförmige Referenz-Markierungen 165 an fest vorgegebenen bzw. definierten (hier Matrix- förmig angeordneten) Referenz-Markierungspositionen 167 angeordnet sind. Durch die in der Figur 1 dargestellten Scanner 125 wird nun beispielsweise eine der Referenz- Markierungen 165 auf einen bestimmten Bereich 200 des Bildaufnahmesensors 155 abgebildet, wobei dieser vorbestimmte Bereich 200 der Figur 2 durch einen Kreis dargestellt ist. Die Abbildung Referenz-Markierung 165 auf den Bildaufnahmen Sensor 155 ist in der Figur 2 ebenfalls als Kreuz dargestellt, sodass in der linken Darstellung der unteren Zeile aus Figur 2 hinweist, dass nun diese Abbildung der Referenz-Markierung 165 noch nicht in dem Toleranzbereich 210 um den vorbestimmten Bereich 200 des Bildaufnahmesensors 155 abgebildet ist. Dies ist beispielsweise dadurch begründet, dass die Teilspiegel 130 des Scanners 125 noch nicht wie gewünscht ausgerichtet sind. In einem weiteren Iterationsschritt kann nun eine Ausrichtung dieser Teilspiegel 130 des Scanners 125 verändert werden, sodass beispielsweise die mittlere Darstellung der unteren Zeile aus Figur 2 eine erneute Abbildung der Referenz-Markierung 165 auf dem Bildaufnahmesensor 155 darstellt, wobei nun erkennbar ist, dass die Referenz- Markierung 165 noch immer nicht auf eine Stelle innerhalb des Toleranzbereichs 210 um den vordefinierten Bereich 200 gebildet wird. Schließlich kann in einem nochmaligen Iterationsschritt wiederum eine Ausrichtung von einem oder mehreren teilspiegeln 130 des Scanners 125 vorgenommen werden, sodass nun eine Abbildung der Referenz- Markierung 165 auf den vorgegebenen Bereich 200 des Bildaufnahmesensors 155 abgebildet wird. Aus der rechten Darstellung der unteren Zeile aus Figur 2 ist nun erkennbar, dass die Referenz-Markierung 165 auf den vorbestimmten Bereich 200 abgebildet wird, sodass nun diejenigen Ausrichtungsparameter RTCx,y <3) der Teilspiegel 130 des Scanners 125 abgespeichert werden.
Wird nun in einem nachfolgenden Schritt das Referenzobjekt 160 durch ein zu bearbeitendes Objekt 140 ersetzt und durch die Ausgabe eines Lichtstrahls 120 eine Struktur-Markierung 150 auf einer Oberfläche 147 dieses zu bearbeitenden Objekts 140 erzeugt, kann durch ein nachfolgendes Erfassen der Struktur-Markierungsposition 145 der erzeugten Struktur-Markierung 150 auf eine analoge Vorgehensweise gemäß der Beschreibung aus der Figur 2 auch eine Ausrichtung der Teilspiegel 130 des Scanners 125 bestimmt werden, die folglich ist, um eine Abbildung der Struktur-Markierung 150 in einen Toleranzbereich 210 eines vorbestimmten Bereichs 200 des Bildaufnahmesensors 155 der Kamera 110 vorzunehmen. Hieraus kann dann der Korrekturwert 182 ermittelt werden, der eine Änderung einer Ausrichtungsposition des zumindest einen Teilspiegels des Scanners repräsentiert, um die der Teilspiegel des Scanners zu verdrehen ist, um die Struktur-Markierungsposition 145 in den Toleranzbereich 210 um die Referenz-Markierungsposition 167 auf dem Bildausnahmesensor 155 der Kamera zu bringen.
Es wird mit dem hier vorgestellten Ansatz somit eine Möglichkeit für einen Aufbau und Prozess zur Kalibrierung von Laser-Scanner-Systemen zur Lasermaterialbearbeitung vorgestellt, bei dem eine Kamera zur Beobachtung der Arbeitsfläche verwendet wird und ein Referenzteil (auch als Referenzobjekt 140 bezeichnet) in den Arbeitsbereich (der hier auch den Erfassungsbereich 152 der Kamera 110 darstellt) eingebracht wird und Merkmale bzw. Markierungen 165 des Referenzteiles 160 solange ( auf den Bildaufnahmesensor 155) reproduziert werden, bis sie eine hinreichende Ähnlichkeit mit denen des Referenzteils haben. Hierdurch kann mit einem Laser-Scanner-System an „die richtige Stelle" mit einer Toleranz geschrieben oder strukturiert werden, wobei diese Toleranz kleiner ist als die exemplarabhängige Streuung der Maschineneigenschaften.
Der hier vorgestellte Ansatz kann für unterschiedliche Anwendung bzw. Verwertungsmöglichkeiten eingesetzt werden, zum Beispiel:
- als Vorrichtung und Methode zur Kalibrierung von Laser-Scanner-Vorrichtungen vor Auslieferung
- als Vorrichtung und Methode zur Kalibrierung von Laser-Scanner-Vorrichtungen im Feld
- als Vorrichtung und mit Steuerung (Software) als eigenes Produkt zur Kalibrierung externer Laser-Scanner-Systeme
Durch den Einsatz des hier vorgestellten Ansatzes lassen sich auch unterschiedlichste Vorteile realisieren, zum Beispiel:
(1) Der Anwender spart sich die separate Messeinrichtung. Meist ist das eine Messmaschine in einem Messraum, die sich nur rechnet, wenn sie Serienteile misst. Das ist auch der Grund, warum diese Messmaschine oftmals belegt ist, was somit oftmals zu einer Verzögerung im Produktionsablauf führen kann. (2) Der Anwender spart sich Nebenzeit. Er braucht das Probeteil nicht mehr aus der Laseranlage herausausnehmen, zum Messmittel bringen und die Messergebnisse „irgendwie" zur Korrektur der Laseranlage zurückbringen.
(3) Der Vorgang ist automatisierbar. Das Referenzteil und ein Probe-Target können automatisch in den Arbeitsraum eingebracht und ausgewertet werden. Das hält die Nebenzeit extra kurz und spart so weiter Kosten bzw. erhöht die Produktivität der Laseranlage.
(4) Insbesondere der automatisierte Vorgang kann in kurzen Abständen wiederholt werden. Dadurch können Drifts der Laseranlage, welche die Toleranzen vergrößern durch häufigere Wiederholungen der Kalibrierung, reduziert werden. Der Bearbeitungsprozess wird genauer.
(5) Die Auswertung der Kalibrierdaten über die Zeit kann zur Charakterisierung des Maschinenzustandes verwendet werden. Dadurch werden „predictive maintenance"- Anwendungen möglich. Dadurch werden Ausfallzeiten verringert.
(6) Die verlässliche und genaue Kalibrierung des Kamerabildes ermöglicht eine Vermessung des Werkstückes vor und nach der Bearbeitung. Dadurch wird eine Bewertung des Fertigungsprozesses möglich. Diese Ergebnisse können zur Prozesssteuerung verwendet werden. Das Laser-Scanner-System kann somit auch Messmittel ersetzen, die speziell vor oder nach dem Laserprozess eingesetzt werden. Die bekannten Vorteile der „In-Iine-Qualitätsüberwachung" kommen zum Tragen.
Demgegenüber sind aus dem Stand der Technik meist nur Lösungsansätze bekannt, bei denen die Zielfunktion einer Laser-Scanner-Anlage darin besteht, einen Laserstrahl an eine Stelle zu lenken, die mit einem Sollwert vorgegeben wird. Dazu sollte eine streng lineare Übertragungsfunktion erzwungen werden. Maßnahmen zur Linearisierung sind:
(1) Verwendung von F-Theta-Objektiven
(2) Verwendung linearisierter Winkelsensoren an den Scannerspiegeln
(3) Verwendung von Tabellen zur Linearisierung der nominalen Rest-Verzeichnung der Objektive
(4) Testbelichtung und Vermessung von Exemplar-variablen Verzeichnungs- Restfehler sowie Modifikation der Linearisierungstabelle mit den Messdaten
Der hier vorgestellte Ansatz bezieht sich speziell mit der Verbesserung von Schritt (4). Es ist oftmals üblich, dass dazu Testteile belichtet werden. Diese Testteile werden mit Messmitteln untersucht (z. B. Koordinatenmessgeräte). Die Ist-Soll-Differenzen der Testmuster werden zur iterativen Korrektur der Linearisierungstabellen verwendet. Es ist oft mehr als eine Iteration notwendig, um hinreichend kleine Lagefehler zu erhalten.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird ein System verwendet, bei dem beispielsweise der Kamerakanal (d. h. der optische Pfad der Blickrichtung der Kamera 110 durch den Scanner 125) nicht vollständig identisch mit dem Laserkanal (d. h. der optische Pfad des Lichtstrahls 120 durch den Scanner 125) ist. Die Kanäle sind nur teilweise „commonpath" und können mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge arbeiten. Es gibt auch unterschiedliche Fehler bzw. Fehlerquellen, wie z. B. Verzeichnung, im Laserkanal und im Kamerakanal. Man muss somit zwei Linearisierungstabellen erzeugen.
Hierbei sollte einerseits die Übertragungsfunktion, ausgehend von der Vorgabe der Sollwerte (z.B. PC mit Programm) zum Werkstück (über Steuerungselektronik, Scanner mit eigenem Regelkreis, Scanobjektiv), linearisiert sein. So wird sichergestellt, dass das Bearbeitungsergebnis stimmt. Andererseits sollte auch die Lageerkennung stimmen. Dazu sollte die Signalkette „Werkstückeigenschaft (Kante, Struktur, Verfärbung, Referenzmarke o.ä.) linearisiert werden. Zu dieser Übertragungsfunktionsfunktion tragen bei: das Scanobjektiv, der Scanner, das Kameraobjektiv, die Karner samt deren Auswerteelektronik bis zur Datenauswertung.
Der hier vorgestellte Ansatz basiert dabei auf dem Grundsatz: „Messen heißt Vergleichen". Es wird etwas benötigt, auf das man sich verlassen kann. Es sollen vorliegend Längen gemessen werden. Ein geeignetes und anschließbares (im Sinne der Kalibrier und Eichbarkeit) „Normal" kann z. B. so aussehen, dass ein Referenzobjekt 160 verwendet wird, bei dem eine ebene Oberfläche vorhanden ist, auf dem kreuzförmige Referenz-Markierungen 165 in Matrix-förmiger Anordnung aufgebracht sind. Dieses Referenzobjekt 160 als „Normal" kann in den Arbeitsbereich der Laser-Scanner-Anlage eingebracht werden und diese so zu einem Messmittel machen. Weiterhin benötigt man „etwas", womit man das Normal mit dem Werkstück vergleichen kann - die Kamera 110. Die Bilder der Kamera 110 dieses „Normals" reicht aus, um mit dem hier beschriebenen Ablauf beide Übertragungsfunktionen zu linearisieren. Dem hier vorgestellten Ansatz wohnt dabei der Grundsatz inne, dass „Wenn zwei Dinge gleich aussehen, dann sind sie auch gleich." Es soll daher versucht werden, ein Muster exakt zu reproduzieren. Man sollte den Laserstrahl 120 an die Stelle lenken, die von der Kamera als die gesehen wird, an der das „Kreuz" als Markierung 165 bzw. 150 stehen soll. Da beide Kanäle (d. h. der optische Kanal des Lichtstrahls 120 und der optische Pfad der Blickrichtung der Kamera 110) durch (zumindest teilweise) unterschiedliche Optiken bei unterschiedlichen Wellenlängen abgebildet werden, ist ein iterativer Prozess notwendig bzw. vorteilhaft, um das Ergebnis zu erreichen.
Speziell das Referenztarget als Referenzobjekt 140 kann für den hier vorgesehenen Zweck besonders günstig ausgestaltet sein. Ein vorteilhaftes Referenztarget 140 zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:
(1) Es ist eben.
(2) Es weist einen mit einer Kamera gut auswertbaren Kontrast zwischen Hintergrund und Marke auf.
(3) Es sieht homogen hell über die Messfläche aus.
(4) Es hat eine hinreichende Anzahl identifizierbarer Positionen z.B. Marken (Striche, Kreuze, Kreise...)
(5) Die Marken liegen an wohl definierten Stellen.
(6) Die Marken sind wohldefiniert geschrieben („genau", Kantenschärfe, Kantengeradheit, Gleichartigkeit aller Marken...).
Lithographisch hergestellte Masken mit glatten, diffus reflektierenden Oberflächen sind als Referenzobjekt 140 besonders gut geeignet. Es ist aber auch möglich, günstiger herstellbare Objekte als Referenzobjekte 140 zu verwenden.
Bei der Verwendung von günstigen Masken (z.B. geätzte, laserstrukturierte, bedruckte Bleche, Platten oder Hybridstrukturen wie Leiterkarten) kann man diese evtl, direkt als Testtargets verbrauchen. Der Nachteil der geringeren Genauigkeit wird entweder in Kauf genommen oder wird unter den Zusatzkosten für eine exemplarspezifische Messung wieder verringert.
Das Muster des Referenztargets 140 kann repetierend, teilrepetierend, aperiodisch, pseudo-zufällig oder absolut codiert sein. Neben Marken 165, die aus geometrischen Primitiven gebildet werden sind auch Zufallsmuster, Binärcodes oder andere unregelmäßige Geometrien nutzbar. Neben Binärkontrast-Mustern können auch Graustufenmuster nützlich sein (z.B. Sinus-Streifen oder 2D-Sinus-Raster). Für den Einsatz des hier vorgestellten Ansatzes ist spezielles Augenmerk auf die Kamera (Position und Kanaltrennung) zu richten. Beispielsweise kann als Kamera 110 eine Koaxialkamera verwendet werden, bei dem die Strahlengänge des Laserstrahls/Lichtstrahls 120 und der Blickrichtung der Kamera 110 zumindest teilweise identisch sind, wie dies durch die Strahlführung des Scanners 125 aus der Fig. 1 ersichtlich ist. . Es ist vorteilhaft, den Kamerastrahlengang koaxial durch die Bearbeitungsoptik bzw. den Scanner 125 zu führen. Dann gibt es (fast) keine Parallaxe zwischen beiden Strahlengängen. Variationen in der Höhe zwischen Referenzteil und Werkstück bewirken so lediglich einen Fehler in der Skalierung, dabei aber keinen Fehler in den relativen Lagefehlern der Punkte in einem Muster zueinander. Dabei sollte aber sichergestellt werden, dass der Laser die Kamera nicht schädigen kann. Ferner kann auch eine chromatische Kanaltrennung vorgenommen werden. Das ist auf einfache Art und Weise möglich, indem beide Strahlengänge durch einen wellenlängen-trennenden Strahlteiler separiert werden. Dann ist ein Mindestabstand der Wellenlängen in den Kanälen notwendig. Der typischerweise auftretende Farbvergrößerungsfehler zwischen den Kanälen wird durch den unten beschriebenen Kalibrierablauf automatisch eliminiert. Auch kann eine zeitliche Kanaltrennung vorgenommen werden. In diesem Fall kann die Trennung der Kanäle (d. h. des optischen Pfades der Blickrichtung der Kamera 110 und des Laserstrahls/Lichtstrahls 120) zeitlich erfolgen. Es wird dafür gesorgt, dass die Kamera 110 das Werkstück nur dann sieht, wenn der Laser/die Lichtquelle 115 ausgeschaltet ist. Dazu kann man einen schaltbaren Spiegel 130 oder einen schaltbaren Shutter verwenden. Dabei ist es möglich, direkt auf der Arbeitswellenlänge zu arbeiten. So ist es auch möglich, einen Pilotlaser auf der Arbeitswellenlänge zu verwenden. Dabei entfällt die Notwendigkeit, tatsächlich zu schreiben. Es wird nicht notwendigerweise ein „Opferteil" für das iterierte Reproduzieren des Referenzmusters benötigt (siehe Kalibrierablauf dazu).
Denkbar ist jedoch auch die Verwendung einer Off-Axis-Kamera 110. Die Kamera 110 kann in diesem Fall auch neben dem Laserobjektiv stehen und das Arbeitsfeld aus einem eigenen Winkel betrachten. Die Abläufe zur Kalibrierung und die Varianten zur Kanaltrennung sind gleichartig anzuwenden. Zusätzlich wirkt die Parallaxe zwischen den Kanälen jedoch drastisch genauigkeitsverringernd.
Es ist somit vorteilhaft, die Z-Position und die Verkippung von Referenzteil und Testtarget identisch einzustellen. Dazu sind bekannte Mittel zur Lageherstellung (Anschläge u.ä. konstruktive Mittel) oder Sensoren für Ort und Lage vorzusehen. Es ist aber auch möglich, mehr als eine Kamera 110 zu verwenden und mit Mitteln der Fotogrammmetrie (Triangulation) die Position der Referenzmerkmale (Referenz- Markierungen 165) und die der geschriebenen Teststrukturen (Struktur-Markierungen 150) in Deckung zu bringen bzw. Restfehler rechnerisch zu berücksichtigen. So kann z. B. eine Absolutskalierung vorgenommen werden, die bei einem Koaxialansatz ein weiteres Mittel zur Bestimmung der genauen Z-Position benötigt.
Es ist auch möglich, eine Koaxialkamera mit einer Off-Axis-Kamera zu kombinieren und so die Vorteile von beiden Ansätzen zu nutzen.
Besonderes Augenmerk sollte auf den System-Kalibrierablauf gerichtet werden. Hierbei wird zunächst ein Ablauf für Off-Wellenlängen (Wavelength) - Kalibrierung beschrieben, der die folgenden Teilschritte aufweist:
(A) Referenztarget 160 in den Arbeitsbereich 152 bringen
(B) Scannerspiegel 130 so einstellen, dass eine Marke 165 im Sichtfeld 152 der Kamera 115 liegt
(C) Bild auswerten und Scannerspiegel 130 so einrichten, dass die Definitionsposition 167 der Marke 165 exakt auf einem festgelegten Kamerapixel 200 liegt
(D) Eingestellte Scanner-Vorgabewerte RTCx,y <3) merken
(E) Nächste Markei 65 suchen und Ablauf wiederholen
(F) Referenzteil 160 herausnehmen und Opfertarget 140 (blankes Teil) in den Arbeitsbereich 152 einbringen
(G) Marken 150 an alle gemerkten Positionen (D) mit dem Laser 120 schreiben alternativ
(H) Markenpositionen 145 mit der Kamera 110 auf dem Werkstück 140 auslesen wie bei (B,C)
(I) Geschriebene Markenpositionen 145 (H) mit den Referenzmarkenpositionen 167 (D) vergleichen
(J) Aus den Abweichungen Liste mit Korrekturwerten 182 berechnen
(K) Korrekturwerte 182 bewerten, wenn die Abweichungen größer als eine erlaubter Toleranzwert sind, Vorgang iterieren ab (F) Danach sind die Marken 150 auf dem Werkstück 140 im Rahmen der gewählten Toleranzen 210 an identischen Positionen wie auf dem Referenzteil 160 UND die Kamera 110 sieht diese an denselben Positionen 165, 145.
Dabei ist es vorteilhaft, die Marken 150 exakt an die Position 145 zu schreiben, an der sie sich auf dem Referenzteil 160 befinden. Es ist aber nicht zwingend notwendig, das genauso zu tun. Man kann auch einige Marken 150 weglassen oder Marken 150 an interpolierten Positionen hinzufügen und so in den Iterationsprozess zu gehen.
Vermisst man dieses so entstandene Opfertarget 140 auf bekannte Art und Weise (z. B. Messmaschine) und kennt dann die exakten Positionen 160 der neu geschriebenen Marken 150, kann man das Opfertarget 140 zu einem speziellen Referenzteil 160 aufwerten.
Denkbar ist jedoch auch die Verwendung des hier vorgestellten Ansatzes für einen Ablauf als At- Wellenlängen (Wavelength) - Kalibrierung. Hierbei werden die folgenden Schritte ausgeführt:
(A) Opfer-Target140 in den Arbeitsbereich 152 einbringen
(B) eine einzelne Marke 150 schreiben und deren Position 145 auf der Kamera 110 finden
(C) Referenztarget 160 in den Arbeitsbereich 152 bringen
(D) Scannerspiegel 130 so einstellen, dass eine Marke 165 im Sichtfeld 152 der Kamera 110 liegt
(E) Bild auswerten und Scannerspiegel 130 so einrichten, dass die Definitionsposition 167 der Marke 165 exakt dort liegt, wo die Marke 150 (B) gefunden wurde
(F) Eingestellte Scanner-Vorgabewerte RTCx,y <3) merken
(G) (E) und (F) über alle Referenzmarken 165 iterieren
(H) Optional Referenzteil 160 herausnehmen und Opfertarget 140 einbringen
(I) Marken 150 an alle Positionen 145 (F) schreiben
Eine Iteration des Vorganges sollte nicht notwendig sein. An Stelle der Verwendung eines Opfertargets 140 für die Belichtung mit dem Arbeitslaser 115 kann auch ein Pilotlaser auf der Arbeitswellenlänge verwendet werden. In diesem Fall kann das Licht des Pilotlasers mit der Kamera 110 direkt auf dem Referenzteil 160 dirigiert werden. Es entsteht ebenso eine Liste der Markenpositionen 165 (F).
Ferner kann auch ein Übertragen der Kalibrierung in die Scannersteuerung erfolgen. Mit den beschriebenen Abläufen entsteht jeweils eine Liste von Vorgabewerten für den Scanner 125, welche den Laser 120 an wohl definierte Stellen lenken. Diese werden so umgerechnet, sodass daraus Parameter für die Scannersteuerung mittels der Anwendungseinrichtung 183 werden. Überträgt man diese in die Steuerung, lenkt der Scanner 125 auf die bekannte Weise den Laser 120 im Arbeitsbereich 152 unter Berücksichtigung der so ermittelten Fehler. Die Übertragungsfunktion ist linearisiert.
Auch kann mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Kalibrierung des Kamera-Sichtfeldes durchgeführt werden. Die oben beschriebenen Abläufe verwenden immer nur „einen Punkt" (hier den vordefinierten Bereich 200) der Kamera 110. Die Abbildungsfehler (Verzeichnung) im Sichtfeld 152 der Kamera 110 haben so kaum Einfluss auf das Finden der Markenpositionen 165 bzw. 150. Die Verzeichnung im Kamera-Gesichtsfeld 152 kann aber auch leicht als weiterer Prozessschritt in den oben beschriebenen Ablauf integriert werden. Die Verzeichnung im Kamera-Gesichtsfeld 152 führt u.a. dazu, dass beim Aneinanderlegen von Einzelbildern die Konturen im Bild nicht exakt aneinanderpassen. Nach der Korrektur des Kamera-Sichtfeldes 152 entfällt dieser Fehler.
Auch kann eine Sichtfeld-Kalibrierung an die Sichtfeld-Referenz vorgenommen werden. Auf dem Referenztarget liegen die Marken überall oder auf einem Ausschnitt so dicht, dass in einem Kamera-Sichtfeld 152 ausreichend viele Marken 165 bzw. 150 gleichzeitig zu sehen sind (z.B. 5x5 bis 100x100). Die Marken 165 bzw. 150 können orthogonal oder konzentrisch angeordnet sein.
Aus den bekannten Markenpositionen (Soll) ergeben sich Positionen der Bilder der Marken auf der Kamera (Ist). Aus dem Soll-Ist-Vergleich in einem einzelnen Kamerabild kann die Verzeichnungskorrektur für das Kamerasichtfeld nach bekannten Methoden berechnet werden.
Auch kann eine Sichtfeld-Kalibrierung über eine Scannerspiegel-Bewegung erfolgen.
Liegt nämlich nur eine oder wenige Marken gleichzeitig im Sichtfeld der Kamera 110, so können die Scannerspiegel 130 in kleinen Schritten gesteuert werden, sodass sich eine kleine Verschiebung des Markenbildes auf der Kamera 110 ergibt. Wird diese Vorgehensweise wiederholt, sodass die Marke mehrmals im gesamten Sichtfeld der Kamera 110 erkannt wird, kann wiederum die Soll-Lagen aus den Scannereinstellung der Teilspiegel 130 und die Ist-Lagen aus den Bildern der Kamera 110 berechnet werden.
Ferner kann auch eine Kamera-Sichtfeld-Kalibrierung im Übersichtsbild durchgeführt werden. Da zur Verzeichnung im Kamerakanal zwei Optiken beitragen, kann es notwendig werden, dass das Sichtfeld der Kamera 110 für unterschiedliche Einstellwinkel der Scanner 125 ausgeführt werden sollte. Dann sollten die oben beschriebenen Vorgänge dazu für unterschiedliche Scanfeld-Punkte wiederholt und je nach Scannerspiegel-Winkel angewendet werden.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zur Kalibrierung einer Laser- Scanner-Vorrichtung zur Materialbearbeitung. Das Verfahren 300 umfasst einen Schritt 310 des Erfassens zumindest einer Referenz-Markierungsposition einer Referenz- Markierung auf einem in einem Erfassungsbereich einer Kamera der Laser-Scanner- Vorrichtung positionierten Referenzobjekt, wobei beim Erfassen eine Ausrichtungsposition zumindest eines Teilspiegels des Scanners der Laser-Scanner- Vorrichtung derart ausgerichtet wird, dass die Referenz-Markierung auf einem vorbestimmten Bereich eines Bildaufnahmesensors der Kamera abgebildet wird. Ferner umfasst das Verfahren 300 einen Schritt 320 des Strukturierens des zu bearbeitenden Objektes mit einem Lichtstrahl einer Laserlichtquelle mittels des zumindest einen Teilspiegel des Scanners unter Verwendung der Ausrichtungsposition des Teilspiegels des Scanners, um eine Struktur-Markierung auf dem zu bearbeitenden Objekt zu erhalten. Auch umfasst das Verfahren 300 einen Schritt 330 des Detektierens zumindest einer Struktur-Markierungsposition einer Struktur-Markierung auf dem im Erfassungsbereich der Kamera der Laser-Scanner-Vorrichtung positionierten zu bearbeitenden Objekt, wobei beim Detektieren eine Ausrichtungsposition zumindest eines Teilspiegels des Scanners der Laser-Scanner-Vorrichtung derart ausgerichtet wird, dass die Struktur- Markierung auf einem vorbestimmten Bereich des Bildaufnahmesensors der Kamera abgebildet wird.
Ferner umfasst das Verfahren 300 einen Schritt 340 des Vergleichens einer Struktur- Markierungsposition der Struktur-Markierung mit der Referenz-Markierungsposition und Berechnen von zumindest einem Korrekturwert zur Abbildung der Struktur- Markierungsposition auf die Referenz-Markierungsposition, wenn die Struktur- Markierungsposition um mehr als einen Toleranzbereich von der Referenz- Markierungsposition abweicht, wobei der Korrekturwert eine Änderung einer Ausrichtungsposition des zumindest einen Teilspiegels des Scanners repräsentiert, um die der Teilspiegel des Scanners zu verdrehen ist, um die Struktur-Markierungsposition in den Toleranzbereich um die Referenz-Markierungsposition zu bringen. Schließlich umfasst das Verfahren 300 einen Schritt 350 des Anwendens des zumindest einen Korrekturwertes zur Ausrichtung eines Lichtstrahls der Laserlichtquelle zur Strukturierung von Bearbeitungsobjekten, um die Laser-Scanner-Vorrichtung zur Materialbearbeitung zu kalibrieren. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder" -Verknüpfung zwischen einem ersten
Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

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Patentansprüche
1. Verfahren (300) zur Kalibrierung einer Laser-Scanner-Vorrichtung (100) zur Materialbearbeitung, wobei das Verfahren (300) die folgenden Schritte aufweist:
Erfassen (310) zumindest einer Referenz-Markierungsposition (167) einer Referenz-Markierung (165) auf einem in einem Erfassungsbereich (152) einer Kamera (110) der Laser-Scanner-Vorrichtung (100) positionierten Referenzobjekt (160), insbesondere wobei beim Erfassen eine Ausrichtungsposition zumindest eines Teilspiegels (130) des Scanners (125) der Laser-Scanner-Vorrichtung (100) derart ausgerichtet wird, dass die Referenz-Markierung (165) auf einem vorbestimmten Bereich (200) eines Bildaufnahmesensors (155) der Kamera (110) abgebildet wird;
Strukturieren (320) eines in dem Erfassungsbereich (152) der Kamera (110) positionierten, zu bearbeitenden Objektes (140) mit einem Lichtstrahl (120) einer Laserlichtquelle (120) mittels des zumindest einen Teilspiegel (130) des Scanners (125) unter Verwendung der Ausrichtungsposition (RTCx,y <3)) des Teilspiegels (130) des Scanners (125) , um eine Struktur-Markierung (150) auf dem zu bearbeitenden Objekt (140) zu erhalten;
Detektieren (330) zumindest einer Struktur-Markierungsposition (145) einer Struktur-Markierung (150) auf dem im Erfassungsbereich (152) der Kamera (110) der Laser-Scanner-Vorrichtung (100) positionierten zu bearbeitenden Objekt (140) , wobei beim Detektieren eine Ausrichtungsposition zumindest eines Teilspiegels (130) des Scanners (125) der Laser-Scanner-Vorrichtung (100) derart ausgerichtet wird, dass die Struktur-Markierung (150) auf einem vorbestimmten Bereich (200) des Bildaufnahmesensors (155) der Kamera (110) abgebildet wird; Vergleichen (340) einer Struktur-Markierungsposition (145) der Struktur- Markierung (150) mit der Referenz-Markierungsposition (167) und Berechnen von zumindest einem Korrekturwert (182) zur Abbildung der Struktur- Markierungsposition (145) auf die Referenz-Markierungsposition (167), insbesondere wenn die Struktur-Markierungsposition (145) um mehr als einen Toleranzbereich (210) von der Referenz-Markierungsposition (167) abweicht, wobei der Korrekturwert (182) eine Änderung einer Ausrichtungsposition des zumindest einen Teilspiegels (130) des Scanners (125) repräsentiert, um die der Teilspiegel (130) des Scanners (125) zu verdrehen ist, um die Struktur- Markierungsposition (145) in den Toleranzbereich (210) um die Referenz- Markierungsposition (167) zu bringen; und Anwenden (350) des zumindest einen Korrekturwertes (182) zur Ausrichtung eines Lichtstrahls (120) der Laserlichtquelle (120) zur Strukturierung von Bearbeitungsobjekten (170), um die Laser-Scanner-Vorrichtung (100) zur Materialbearbeitung zu kalibrieren. Verfahren (300) gemäß Anspruch 1, im Schritt des Erfassens (310) zumindest eine weitere Referenz-Markierungsposition (167) einer weiteren Referenz-Markierung (165) auf dem in dem Erfassungsbereich (152) der Kamera (110) der Laser-Scanner- Vorrichtung (100) positionierten Referenzobjekt (160) erfasst wird, wobei beim Erfassen (310) eine weitere Ausrichtungsposition zumindest eines Teilspiegels (130) des Scanners (125) der Laser-Scanner-Vorrichtung (100) derart ausgerichtet wird, dass die weitere Referenz-Markierung (165) auf einem weiteren vorbestimmten Bereich (200) eines Bildaufnahmesensors (155) der Kamera (110) abgebildet wird, und wobei im Schritt (320) des Strukturierens das zu bearbeitende Objekte (140) mit einem Lichtstrahl (120) der Laserlichtquelle (120) mittels zumindest des Teilspiegels (130) des Scanners (125) unter Verwendung der weiteren Ausrichtungsposition des weiteren Teilspiegels (130) des Scanners (125) strukturiert wird, um eine weiteren Struktur-Markierung (150) auf dem zu bearbeitenden Objekt (140) zu erhalten; wobei im Schritt (330) des Detektierens zumindest eine weitere Struktur- Markierungsposition (145) einer Struktur-Markierung (150) auf dem im Erfassungsbereich (152) der Kamera (110) der Laser-Scanner-Vorrichtung (100) positionierten zu bearbeitenden Objekt (140) detektiert wird, wobei beim Detektieren eine Ausrichtungsposition zumindest eines Teilspiegels (130) des Scanners (125) der Laser-Scanner-Vorrichtung (100) derart ausgerichtet wird, dass die weitere Struktur-Markierung (150) auf einem vorbestimmten Bereich (200) des Bildaufnahmesensors (155) der Kamera (110) abgebildet wird; und wobei im Schritt (340) des Vergleichens eine weitere Struktur-Markierungsposition (145) der weiteren Struktur-Markierung (150) mit der weiteren Referenz- Markierungsposition (167) vergleichen wird und ein Berechnen von zumindest einem weiteren Korrekturwert (182) zur Abbildung der weiteren Struktur- Markierungsposition (145) auf die weitere Referenz-Markierungsposition (167) erfolgt, wenn die weitere Struktur-Markierungsposition (145) um mehr als einen Toleranzbereich (210) von der weiteren Referenz-Markierungsposition (167) abweicht, wobei der weitere Korrekturwert (182) eine Änderung einer Ausrichtungsposition des zumindest einen weiteren Teilspiegels (130) des Scanners (125) repräsentiert, um die der weitere Teilspiegels (130) des Scanners (125) zu verdrehen ist, um die Struktur-Markierungsposition (145) in den Toleranzbereich (210) um die Referenz-Markierungsposition (167) zu bringen.
3. Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (310) des Erfassens mehrere iterativ auszuführende Teilschritte des Erfassens ausgeführt werden, bei denen je der zumindest eine Teilspiegels (130) des Scanners (125) um einen Verdrehungsparameter verdreht wird, um die Referenz-Markierungsposition (167) zu ermitteln, wobei nachfolgend geprüft wird, ob die Referenz-Markierungsposition (167) in den vorbestimmten Bereich (200) des Bildaufnahmesensors (155) der Kamera (110) abgebildet wird, insbesondere wobei ein weitere Teilschritt des Erfassens ausgeführt wird, wenn bei dem Prüfen erkannt wird, dass die Referenz-Markierungsposition (167) nicht in den vorbestimmten Bereich (200) des Bildaufnahmesensors (155) der Kamera (110) abgebildet wird und/oder wobei im Schritt (330) des Detektierens des mehrere iterativ auszuführende Teilschritte des Detektierens ausgeführt werden, bei denen je der zumindest eine Teilspiegels (130) des Scanners (125) um einen Verdrehungsparameter verdreht wird, um die Struktur-Markierungsposition (150) zu ermitteln, wobei nachfolgend geprüft wird, ob die Struktur-Markierungsposition (145) in den vorbestimmten Bereich (200) des Bildaufnahmesensors (155) der Kamera (110) abgebildet wird, insbesondere wobei ein weitere Teilschritt des Detektierens ausgeführt wird, wenn bei dem Prüfen erkannt wird, dass die Struktur- Markierungsposition (167) nicht in den vorbestimmten Bereich (200) des Bildaufnahmesensors (155) der Kamera (110) abgebildet wird.
4. Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Schritt (310) des Erfassens nach den Schritten (320, 330) des Strukturierens und des Detektierens ausgeführt wird.
5. Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (310) des Erfassens und/oder im Schritt (330) des Detektierens eine Kamera (110) verwendet wird, deren optische Achse zumindest teilweise koaxial zu einem optischen Pfad des von der Laserlichtquelle (120) auszugebenden Lichtstrahls (120) ausgerichtet ist.
6. Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (310) des Erfassens die Referenz- Markierungsposition (167) der Referenz-Markierung (165) unter Verwendung einer 27 anderen optischen Wellenlänge erfasst wird, als einer Wellenlänge für den Lichtstrahl (120), der im Schritt (330) des Strukturierens zur Einbringung der Struktur-Markierung (150) auf dem zu bearbeitenden Objekt (140) verwendet wird.
7. Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (310) des Erfassens und/oder des Detektierens (330) eine Ausgabe eines Lichtstrahls (120) von der Laserlichtquelle (120) in den Erfassungsbereich (152) der Kamera (110) unterdrückt wird.
8. Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (310) des Erfassens die Referenz- Markierungsposition der Referenz-Markierung (165) unter Verwendung einer weiteren Kamera (110) der Laser-Scanner-Vorrichtung (100) positionierten Referenzobjekt (160) erfasst wird, insbesondere wobei die Referenz- Markierungsposition (167) unter Verwendung von Daten der Kamera (110) und der weiteren Kamera (110) ermittelt wird und/oder dass im Schritt (330) des Detektierens die Struktur-Markierungsposition (167) der Struktur-Markierung (165) unter Verwendung einer weiteren Kamera der Laser-Scanner-Vorrichtung (100) positionierten zu bearbeitenden Objekts (140) detektiert wird, insbesondere wobei die Struktur-Markierungsposition (145) unter Verwendung von Daten der Kamera (110) und der weiteren Kamera ermittelt wird.
9. Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (310) des Erfassens ein Referenzobjekt (160) im Erfassungsbereich (152) der Kamera (110) verwendet wird, das eine ebene Oberfläche (147), eine homogene Helligkeit eines Hintergrunds der zumindest einen Markierung, und/oder einer Form der zumindest eine Referenz-Markierung als Strich, Kreuz, Quadrat, Gitter, Punktraster oder Kreis aufweist, und/oder bei der mehrere Referenz-Markierungen symmetrisch angeordnet sind.
10. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (310) des Erfassens zumindest eine Referenz-Markierungsposition (167) einer Referenz-Markierung (165) auf einem Referenzobjekt (160) erfasst wird, wobei das Referenzobjekt (160) eine gekrümmte oder gestufte Oberfläche aufweist.
11 . Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Verfahrens (300) wiederholt ausgeführt werden, wobei für das Ausführen der Schritte in unterschiedlichen Zyklen die 28
Kamera (110) in unterschiedlichen Abständen zu dem Referenzobjekt (160) und/oder dem zu bearbeitenden Objekt (140) angeordnet ist.
12. Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Verfahrens (300) wiederholt ausgeführt werden, wobei für das Ausführen der Schritte in unterschiedlichen Zyklen die Kamera (110) das Referenzobjekt (160) und/oder das zu bearbeitende Objekts (140) in unterschiedlichen Neigungswinkeln zu der Kamera (110) angeordnet ist. 13. Steuergerät (105), das eingerichtet ist, um die Schritte (310, 320, 330, 340, 350) des
Verfahrens (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten (175, 177, 179, 181, 183) auszuführen und/oder anzusteuern.
14. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen und/oder anzusteuern.
15. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.
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