WO2024256345A1 - Computergestütztes verfahren zum ausrichten einer bearbeitungsoptik, messanordnung sowie fertigungssystem - Google Patents

Computergestütztes verfahren zum ausrichten einer bearbeitungsoptik, messanordnung sowie fertigungssystem Download PDF

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WO2024256345A1
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Wolfgang Andreasch
Florian Bley
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    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding

Definitions

  • the invention relates to a computer-aided method for aligning a processing optics of a laser processing machine to a contact joint of two workpieces to be joined.
  • the invention also relates to a measuring arrangement for carrying out the computer-aided method and to a manufacturing system with a laser processing machine and such a measuring arrangement.
  • Laser processing machines are used to process workpieces using a laser beam and are typically used for joining, welding, separating, cutting and/or for processing a workpiece surface.
  • a processing laser is directed at a connection point on the workpieces to be joined using the processing optics of the laser processing machine, which leads to a local melting of the workpieces.
  • the quality of the connection depends crucially on the processing optics of the laser processing machine being positioned as precisely as possible relative to the workpieces to be joined.
  • the positioning of the processing optics relative to the workpieces to be joined is generally carried out by means of a pre-programmed processing path that is stored in a control unit of the laser processing machine and is based on an assumed position of the workpieces to be joined.
  • the workpieces may shift, which changes the position and shape of the connection point or contact joint.
  • workpiece tolerances can lead to a change in the contact joint.
  • a change in the position of the laser processing machine relative to the workpieces to be joined can also result from the low absolute accuracy of the industrial robot itself.
  • a welded joint is formed inaccurately or out of place, which leads to defects in the weld seam quality or, in extreme cases, to a faulty or incomplete weld seam.
  • a shift in the workpieces can lead to the laser beam being directed past the workpieces into the surrounding area during processing, which can cause damage to the laser processing machine and compromise safety.
  • US 20220016776 A1 describes a system and method for real-time feedback and dynamic adjustment of a welding robot, using a sensor to scan the workpiece to be processed.
  • the formation of a high-quality and precise weld joint requires a particularly high level of accuracy in the correct positioning of the processing optics relative to the workpieces to be joined. Even small deviations can lead to a significant
  • the method is suitable for aligning a processing optics of a laser processing machine.
  • the method is designed at least for determining machine settings relating to the alignment of the processing optics, wherein the determined machine settings for example, can be adjusted manually by an operator on the laser processing machine.
  • the method is designed for, in particular, automatic, alignment of the processing optics on a laser processing machine.
  • the workpieces to be joined form a workpiece arrangement in a position fixed to one another.
  • the method is preferably designed to align a processing optics with a contact joint in an abutting workpiece arrangement.
  • the method according to the invention comprises at least the following method steps:
  • a sensor of a measuring system is positioned in a predetermined processing position of the processing optics on the contact joint.
  • the sensor is aligned to a predetermined processing coordinate of the workpiece arrangement. In other words, the sensor is moved to a production position of the processing optics and aligned to an area of action of the processing laser on the workpiece arrangement.
  • a further method step b) of the computer-aided method provides for the creation of at least one first surface profile.
  • the first surface profile is created by scanning a surface of the workpiece arrangement in at least one first measuring plane.
  • the first measuring plane is typically aligned transversely or perpendicularly to the predetermined machining path.
  • method step b) provides for the creation of at least one second surface profile.
  • the second surface profile is created by scanning the surface of the workpiece arrangement in at least one second measuring plane.
  • the second measuring plane is aligned transversely or perpendicularly to the first measuring plane.
  • the position of the first measuring plane in relation to the second The measuring plane is predetermined, whereby a geometric dependency between the first surface profile and the second surface profile is known.
  • the determination of the characteristic profile changes is typically carried out by evaluating the surface profiles. Preferably by geometric analysis of the Surface profiles and determining coordinates for the characteristic profile change within the surface profile.
  • a contact joint start and/or a contact joint end can be taken into account by means of the predetermined characteristic profile changes of the two second surface profiles.
  • several, in particular a large number of, further first surface profiles and/or further second surface profiles are created.
  • the further surface profiles are preferably created by scanning the surface in a corresponding number of further measuring planes. This allows the method to be carried out more robustly.
  • the measuring planes form a rectangular, in particular square, measuring field on the surface of the workpiece arrangement.
  • a representative area of the surface of the workpiece arrangement can be selected for creating the surface profiles.
  • the measuring area delimits the measuring planes.
  • the measuring area preferably has an extension of at least seven millimeters, particularly preferably at least nine millimeters.
  • the underlying task is further solved by a manufacturing system.
  • the senor of the measuring system is arranged on a processing optics of the laser processing machine.
  • the sensor can in particular be coaxial or laterally offset to the laser processing beam of the laser processing machine.
  • Fig. 4 a first surface profile of the workpiece arrangement from Fig. 3 in a schematic representation
  • Fig. 5 a second surface profile of the workpiece arrangement from Fig. 3 in a schematic representation
  • Fig. 6 the workpiece arrangement from Fig. 3 with a specific target machining coordinate
  • Fig. 7 a second embodiment of a measuring arrangement with the sensor positioned at the contact joint of another workpiece arrangement in a schematic representation
  • Fig. 10 the workpiece arrangement from Fig. 7 with a specific target machining coordinate
  • Fig. 11 a third embodiment of a measuring arrangement with the sensor positioned at the contact joint of another workpiece arrangement in a schematic representation;
  • Fig. 13 another first surface profile of the workpiece arrangement from Fig. 11 in a schematic representation
  • the method 10 is designed to align the processing optics 12.
  • the method 10 receives access to the processing optics 12 or the laser processing machine 14 in order to align the processing optics 12 and/or the laser processing machine 14.
  • the alignment can be carried out by adapting machine commands in a control device 23 (see Fig. 2) of the laser processing machine 14.
  • the method 10 comprises at least the following method steps:
  • a positioning of a sensor 26 (see Fig. 2) of a measuring system 28 (see Fig. 2) in a predetermined processing position of the processing optics 12 on the contact joint 16 is provided.
  • Workpiece arrangement 22 is fixed or clamped, whereby a displacement of the Workpieces 18, 20 are prevented.
  • the workpieces 18, 20 are arranged in a butt arrangement.
  • the method can also be applied to other arrangements, for example corner arrangements, of the workpieces 18, 20.
  • the workpiece arrangement 22 forms the contact joint 16 along a predetermined connecting section of the workpieces 18, 20.
  • the position of the workpieces 18, 20 to be joined and/or the contact joint 16 is typically entered or pre-programmed in the control device 23 (see Fig. 2) of the laser processing machine 14.
  • the laser processing machine 14 produces a weld joint (not shown) along the contact joint 16 in a joining process (not shown) downstream of the process 10 described here.
  • the processing optics 12 of the laser processing machine 14 are moved parallel to a predetermined processing path 32 (see Figures 2, 3, 6, 7, 10, 11, 13, 14) and the processing laser 34 (see Fig. 2) is directed to one, typically several predetermined processing coordinates 36 (see Figures 2-14).
  • the welded joint can be designed as a weld seam and/or as a spot welded joint.
  • the senor 26 is positioned on or in the immediate vicinity of the contact joint 16 in which the weld seam is to be produced and is aligned with one of the predetermined processing coordinates 36 of the predetermined processing path 32.
  • the sensor is preferably aligned with a first or a last predetermined processing coordinate 36 of the predetermined processing path 32.
  • At least one first surface profile 40 is created by scanning a surface 42 (see Figure 2) of the workpiece arrangement 22 in at least one first measuring plane 44 (see Figures 2, 3, 4, 7, 11, 12).
  • the scanning of the surface 42 is preferably carried out by measuring the
  • Measurement is particularly preferably carried out by means of optical coherence tomography, in particular by means of a 2D scanning OCT sensor system.
  • both workpieces 18, 20 of the workpiece arrangement 22 can be detected in the measuring plane 44. This enables the processing optics 12 to be precisely aligned, for example to a center point of the contact joint 16.
  • At least one second surface profile 50 is created by scanning the surface 42 of the workpiece arrangement 22 in at least one second measuring plane 52 (see Figures 2, 3, 5, 7, 8, 11).
  • the second measuring plane 52 is aligned transversely or perpendicularly to the first measuring plane 44.
  • a determination of at least one first characteristic profile change 56 (see Figures 2, 4, 12, 13) in the at least one first surface profile 40 is provided.
  • a determination of at least one second characteristic profile change 58 (see Figures 5, 8, 9) in the at least one second surface profile 50 is provided.
  • a characteristic profile change 56, 58 can, for example, be a jump in the
  • Course of the first surface profile 40 and/or in the course of the second surface profile 50, wherein the jump can be determined, for example, by a change in a measured distance between the sensor 26 and workpiece arrangement 22.
  • the computer-aided method 10 comprises a method step 60 in which a determination of at least one target machining coordinate 62 (see Figures 2, 6, 10, 14) is provided as a function of the at least one first profile change 56 and the at least one second profile change 58.
  • Fig. 2 shows a manufacturing system 64 with a laser processing machine 14 and a workpiece arrangement 22 in a schematic representation.
  • the location, or position and alignment, of the processing optics 12 can be changed by means of an extension arm 66. This allows the processing optics 12 and the sensor 26 to be moved along the predetermined processing path 32.
  • the measuring system 28 is preferably designed and constructed to carry out optical coherence tomography (OCT).
  • OCT optical coherence tomography
  • the measuring system 28 may comprise an optical coherence tomograph.
  • OCT optical coherence tomography
  • the sensor 26 directs a measuring beam 68 within the measuring plane 44, 52 onto the tool arrangement 22, which is designed to measure a distance between the sensor 26 and the respective measuring point 46 projected onto the surface 42.
  • the measuring beam can be positioned as desired using an integrated 2D scanner, and a change from the measuring plane 44 to the measuring plane 52 can take place without moving the processing optics 12 or the sensor 26.
  • the senor 26 is arranged on the processing optics 12 in such a way that the measuring beam 68 precedes the processing laser 34 along the predetermined processing path 32 during the joining of the workpieces 18, 20. This allows the predetermined processing coordinate 36 to be adjusted immediately before the joining by the laser processing machine 14.
  • the sensor 26, or the measuring system 28 and the workpiece arrangement 22 form a measuring arrangement 70 as shown.
  • Fig. 3 showed a measuring arrangement 70a in a schematic representation.
  • the senor 26 is positioned substantially vertically above the predetermined processing coordinate 36 on the contact joint 16 of a workpiece arrangement 22a.
  • a first measuring plane 44a and a second measuring plane 52a are shown projected onto the surface 42 of the workpiece arrangement 22a.
  • the first measuring plane 44a and the second measuring plane 52a form a measuring field 72 on the surface 42 of the workpiece arrangement 22a.
  • the measuring field 72 is, as shown, rectangular - here square.
  • the second measuring plane 52a is perpendicular to the first measuring plane 44a.
  • Fig. 4 shows schematically a first surface profile 40a, which was created by scanning the surface 42 of the workpiece arrangement 22a in the measuring plane 44a from Fig. 3.
  • the surface 42 and the contact joint 16 of the workpiece arrangement 22a can be seen in the surface profile 40a.
  • characteristic profile changes 56 can be determined.
  • the profile changes 56 are formed here as edges of the workpieces 18, 20 facing the contact joint 16.
  • the evaluation is typically carried out using graphic image analysis.
  • the evaluation can be carried out as described in the description and as described in the other figures.
  • the evaluation preferably comprises one or more of the following evaluation steps:
  • An evaluation step can provide for track sections 78a-d to be determined in the first surface profile 40a.
  • Track sections 78a-d can typically be read out from the first surface profile 40a using line recognition.
  • Track sections 78a-d typically have a constant gradient, a starting point and an end point.
  • a subsequent evaluation step can provide for the positional relationships between the track sections 78a-d to be determined. As shown, it can be provided that connected track sections 78a, 78b and 78c, 78d are determined. Connected track sections 78a, 78b and 78c, 78d each indicate a separate workpiece 18 or 20.
  • a contact joint 16 is typically formed between two separate connected track sections 78a, 78b; 78c, 78d or between the workpieces 18, 20.
  • a discontinuity between gradients of track sections 78a and 78b and track sections 78c and 78d can be determined as a kink point.
  • a kink point typically represents a characteristic profile change 56.
  • a further evaluation step can provide that a vertical distance 80a, 80b between each characteristic profile change 56 and the predetermined processing coordinate 36 is determined or calculated.
  • an average distance 80c is determined or calculated from the vertical distances 80a, 80b of the profile changes 56 to the predetermined processing coordinate 36.
  • the vertical distances 80a, 80b and the average distance 80c can be understood as a possible adaptation of the predetermined processing coordinate 36 within the measuring plane 44a.
  • Fig. 5 schematically shows a second surface profile 50a, which was created by scanning the surface 42 of the workpiece arrangement 22a in the measuring plane 52a from Fig. 3.
  • the surface 42 of the workpiece arrangement 22a can be seen in the surface profile 50a.
  • at least one characteristic profile change 58 can be determined.
  • the profile change 58 is designed here as an end point of the workpiece 20.
  • An end point can be understood as the workpiece start 76 or the workpiece end.
  • An evaluation step can be provided whereby track sections 78e, 78f are determined in the arrangement profile 50a.
  • the positional relationship between the connected track sections 78e, 78f is determined, whereby the characteristic profile change 58 can be determined.
  • the track sections 78e and 78f represent a single connected track section 78e, 78f.
  • the evaluation can provide that the characteristic profile change 58 of the individual connected track section 78e, 78f is determined as the end point of the workpiece 20.
  • a further evaluation step can provide that a vertical distance 80d between the characteristic profile change 58 and the predetermined processing coordinate 36 is determined or calculated.
  • the vertical distance 80d can be understood as a possible adaptation of the predetermined processing coordinate 36 within the measuring plane 52a.
  • Fig. 6 shows a manufacturing arrangement 82a of the workpiece arrangement 22a from Fig. 3 in a schematic representation.
  • the target processing coordinate 62 was determined as a function of the profile changes 56, 58 determined from the surface profiles 40a, 50a (see Figures 4, 5).
  • the target processing coordinate 62 is shifted by the average distance 80c (see Figure 4) along the measuring plane 44a (see Figures 3, 4) and by the vertical distance 80d (see Figure 5) along the measuring plane 52a (see Figures 3, 5).
  • the target machining coordinate 62 is thus positioned centrally in the contact joint 16 at the workpiece beginnings 74, 76 of the workpiece arrangement 22a, which enables the formation of a high-quality weld joint.
  • determining the target processing coordinate 62 can cause a displacement, in particular a parallel displacement, of the predetermined processing path 32.
  • predetermined processing coordinates 36 of a predetermined processing path 32 can be adjusted in accordance with the target processing coordinate 62. This creates a target processing path 84 that further improves the high-quality formation of the welded connection.
  • Fig. 7 showed a measuring arrangement 70b in a schematic representation.
  • the senor 26 is positioned substantially vertically above the predetermined machining coordinate 36 on the contact joint 16 of a workpiece arrangement 22b.
  • a first measuring plane 44b and a second measuring plane 52b are shown projected onto the surface 42 of the workpiece arrangement 22b.
  • a further second measuring plane 86 is shown projected onto the surface 42.
  • the second measuring plane 52b is perpendicular to the first measuring plane 44b.
  • the further second measuring plane 86 is parallel to the second measuring plane 52b.
  • the first measuring plane 44b, the second measuring plane 52b and the further second measuring plane 86 form the measuring field 72 on the surface 42 of the workpiece arrangement 22b.
  • the second measuring plane 52b is directed towards the surface 42 of the first workpiece 18 and the further measuring plane 86 is directed towards the surface 42 of the second workpiece 20.
  • the measuring planes 52b and 86 are formed off-center to the predetermined machining coordinate 36, or have a measuring distance of 87. This allows a further range of
  • Workpiece arrangement 22b can be detected by the measuring planes 52b, 86.
  • the workpieces 18, 20 of the workpiece arrangement 22b have an offset 88 along the predetermined machining path 32, or workpiece beginnings 74, 76 offset from one another.
  • Fig. 8 schematically shows a second surface profile 50b which was created by scanning the surface 42 of the workpiece arrangement 22b in the measuring plane 52b from Fig. 7.
  • a characteristic profile change 58 can be determined by determining the track sections 78e, 78f and their positional relationship to one another.
  • the vertical distance 80d between the characteristic profile changes 58 and the predetermined processing coordinate 36 is determined or calculated.
  • Fig. 9 schematically shows a further second surface profile 50c, which was created by scanning the surface 42 of the workpiece arrangement 22b in the measuring plane 86 from Fig. 7.
  • a characteristic profile change 58 can be determined by determining the track sections 78e, 78f and their positional relationship to one another.
  • the vertical distance 80d between the characteristic profile changes 58 and the predetermined processing coordinate 36 is determined or calculated.
  • Fig. 10 shows a manufacturing arrangement 82b of the workpiece arrangement 22b from Fig. 3 in a schematic representation.
  • an alignment of the target processing coordinate 62 along the predetermined processing path 32 was determined.
  • the target processing coordinate 62 is shifted by a minimum vertical distance 80d (see Fig. 9) of the vertical distances 80d from Figures 8 and 9 along the further second measuring plane 86 (see Fig. 7).
  • the target processing coordinate 62 has been adjusted to the workpiece start 76 of the second workpiece 20, or a contact joint start 89 of the contact joint 16. This ensures that a welded connection is only formed in the area of the contact joint 16.
  • An adjustment of the target machining coordinate 62 along the first measuring plane 44b can be carried out analogously to the procedure described in Fig. 6, wherein a mean distance 80c is determined or calculated according to Fig. 4.
  • the target machining coordinate 62 is thus positioned centrally in the contact joint 16 at the workpiece beginning 76 of the workpiece arrangement 22a, which enables the formation of a high-quality weld joint.
  • determining the target processing coordinate 62 can cause a displacement, in particular a parallel displacement, of the predetermined processing path 32.
  • predetermined processing coordinates 36 of a predetermined processing path 32 can be adjusted in accordance with the target processing coordinate 62. This creates the target processing path 84, which further improves the high-quality formation of the welded joint.
  • Fig. 11 showed a measuring arrangement 70c in a schematic representation.
  • the sensor 26 is positioned vertically above the predetermined processing coordinate 36 on the contact joint 16 of a workpiece arrangement 22c.
  • a first measuring plane 44c and a second measuring plane 52c are shown projected onto the surface 42 of the workpiece arrangement 22c.
  • a further first measuring plane 90 is shown projected onto the surface 42.
  • the second measuring plane 52c is formed perpendicular to the first measuring plane 44c.
  • the further first measuring plane 90 is formed parallel to the first measuring plane 44c.
  • the first measuring plane 44c, the second measuring plane 52c and the further first measuring plane 90 form the measuring field 72 on the surface 42 of the workpiece arrangement 22c.
  • the first measuring plane 44c and the further first measuring plane 90 are aligned transversely to the predetermined processing path 32 on the surface 42 of the workpieces 18, 20.
  • the measuring planes 44c and 90 are designed off-center to the predetermined processing coordinate 36, or have a measuring distance 91. As a result, a further area of the workpiece arrangement 22c can be detected by the measuring planes 44c, 90.
  • the workpieces 18, 20 of the workpiece arrangement 22b are designed to be rotated relative to the predetermined machining path 32.
  • the target machining path 84 is designed to be inclined to the predetermined machining path 32 by a rotation angle 92.
  • Fig. 12 schematically shows a second surface profile 40c, which was created by scanning the surface 42 of the workpiece arrangement 22c in the measuring plane 44c of Fig. 11.
  • a characteristic profile change 56 can be determined by determining the track sections 78a-d and their positional relationship to one another. Furthermore, it can be provided that the vertical distance 80a, 80b between each characteristic profile change 56 and the predetermined processing coordinate 36 is determined or calculated. Typically, the average distance 80c is determined or calculated from the vertical distances 80a, 80b of the profile changes 56 to the predetermined processing coordinate 36.
  • Fig. 13 schematically shows a further second surface profile 50c, which was created by scanning the surface 42 of the workpiece arrangement 22c in the measuring plane 90 from Fig. 11.
  • a characteristic profile change 56 can be determined by determining the track sections 78a-d and their positional relationship to one another.
  • Fig. 14 shows a manufacturing arrangement 82c of the workpiece arrangement 22c from Fig.
  • an alignment of the target machining coordinate 62 was effected by rotating the predetermined machining path 32 into the target machining path 84.
  • a twisting can be determined by means of the profile changes 56 of Figures 12, 13 and/or by comparing the mean distances 80c of Figures 12, 13 and Taking into account the distance between the first measuring plane 44c and the further measuring plane 90.
  • An adjustment of the target machining coordinate 62 along the first measuring plane 44c can be carried out analogously to the procedure described according to Fig. 5, wherein an average value between the mean distances 80c is determined or calculated according to Figures 12, 13.
  • An adjustment of the target machining coordinate 62 along the second measuring plane 52c can be carried out analogously to the procedure according to Fig. 6, whereby a vertical distance 80d (see Fig. 6) is determined or calculated.
  • the target machining coordinate 62 is thus positioned centrally in the contact joint 16 at the workpiece beginnings 74, 76 of the workpiece arrangement 22c. Furthermore, the predetermined machining path 32 is adapted to the actual formation of the contact joint 16 by means of the target machining path 84, which enables the formation of a high-quality welded joint.
  • measuring point 50a-c second surface profile; 52a-c second measuring plane
  • Target machining path further second measuring plane measuring distance

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein computergestütztes Verfahren (10) zum Ausrichten einer Bearbeitungsoptik (12) einer Laserbearbeitungsmaschine (14) zu einer Kontaktfuge (16) von zwei zu fügenden Werkstücken (18, 20) einer Werkstückanordnung (22; 22a-c), umfassend die Verfahrensschritte: a) Positionieren (24) eines Sensors (26) eines Messsystems (28) in einer vorbestimmten Bearbeitungslage der Bearbeitungsoptik (12) an der Kontaktfuge (16) durch Ausrichten des Sensors (26) auf eine vorbestimmte Bearbeitungskoordinate (36) der Werkstückanordnung (22; 22a-c); b) Erstellen (38) von zumindest einem ersten Oberflächenprofil (40; 40a-c) durch Abtasten einer Oberfläche (42) der Werkstückanordnung (22; 22a-c) in zumindest einer ersten Messebene (44; 44a-c) sowie Erstellen von zumindest einem zweiten Oberflächenprofil (50; 50a-c) durch Abtasten der Oberfläche (42) der Werkstückanordnung (22; 22a-c) in zumindest einer zweiten Messebene (52; 52a-c); wobei die zweite Messebene (52; 52a-c) quer oder senkrecht zu der ersten Messebene (44; 44a-c) ausgerichtet ist; c) Ermitteln (54) von zumindest einer ersten charakteristischen Profiländerung (56) in dem zumindest einen ersten Oberflächenprofil (40; 40a-c) und zumindest einer zweiten charakteristischen Profiländerung (58) in dem zumindest einen zweiten Oberflächenprofil (50; 50a-c); d) Bestimmen (60) zumindest einer Soll-Bearbeitungskoordinate (62) in Abhängigkeit der zumindest einen ersten Profiländerung (56) und der zumindest einen zweiten Profiländerung (58). Die Erfindung betrifft zudem eine Messanordnung (70; 70a-c) sowie ein Fertigungssystem (64).

Description

Computergestütztes Verfahren zum Ausrichten einer Bearbeitungsoptik, Messanordnung sowie Fertigungssystem
Die Erfindung betrifft ein computergestütztes Verfahren zum Ausrichten einer Bearbeitungsoptik einer Laserbearbeitungsmaschine zu einer Kontaktfuge von zwei zu fügenden Werkstücken.
Die Erfindung betrifft zudem eine Messanordnung zum Durchführen des computergestützten Verfahrens sowie ein Fertigungssystem mit einer Laserbearbeitungsmaschine und einer solchen Messanordnung.
Laserbearbeitungsmaschinen dienen der Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls und werden typischerweise zum Fügen, bzw. Schweißen, Trennen, bzw. Schneiden und/oder zum Bearbeiten einer Werkstückoberfläche eingesetzt.
DE 10 2014 113 283 A1 beschreibt eine derartige Vorrichtung zur Remote- Laserbearbeitung von einem Werkstück mittels eines Bearbeitungslaserstrahls. Die Vorrichtung umfasst eine Sensoreinheit mit einem optischen Sensor zum Erfassen von Analysedaten während des Bearbeitungsprozesses.
Bei der Erzeugung von Schweißverbindungen an metallischen Werkstücken mittels Laserbearbeitungsmaschinen wird ein Bearbeitungslaser mittels einer Bearbeitungsoptik der Laserbearbeitungsmaschine auf eine Verbindungsstelle der zu fügenden Werkstücke gerichtet, wodurch es zu einem örtlichen Verschmelzen der Werkstücke kommt. Die Verbindungsqualität hängt dabei entscheidend von einer möglichst genauen Positionierung der Bearbeitungsoptik der Laserbearbeitungsmaschine relativ zu den zu fügenden Werkstücken ab.
Allerdings erfolgt das Positionieren der Bearbeitungsoptik relativ zu den zu fügenden Werkstücken im Allgemeinen mittels einer vorprogrammierten Bearbeitungsbahn, die in einer Steuereinheit der Laserbearbeitungsmaschine hinterlegt ist und auf einer angenommenen Position der zu fügenden Werkstücke basiert. Beim Fixieren der Werkstücke vor dem Erzeugen der Schweißverbindung kann es jedoch zu Verschiebungen an den Werkstücken kommen, wodurch die Lage und Ausbildung der Verbindungsstelle, bzw. Kontaktfuge verändert wird. Darüber hinaus können Werkstücktoleranzen zu einer Veränderung der Kontaktfuge führen. Insbesondere beim Einsatz von Industrierobotern kann ferner eine Positionsänderung der Laserbearbeitungsmaschine relativ zu den zu fügenden Werkstücken auch aus der geringen absoluten Genauigkeit des Industrieroboters selbst resultieren.
Also Folge wird eine Schweißverbindung lediglich ungenau, bzw. deplatziert ausgebildet, was zu Mängeln in der Schweißnahtqualität oder in drastischen Fällen zu einer fehlerhaften bzw. unvollständigen Schweißnaht führt. Darüber hinaus kann eine Verschiebung der Werkstücke dazu führen, dass der Laserstrahl bei der Bearbeitung an den Werkstücken vorbei in die Umgebung gerichtet, was zu Schäden an der Laserbearbeitungsmaschine und zu sicherheitstechnischen Beeinträchtigungen führen kann.
Um eine Veränderung der Kontaktfuge berücksichtigen zu können, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren und Vorrichtung zum Überprüfen einer Oberfläche der zu fügenden Werkstücken bekannt.
DE 102017010055 A1 betrifft eine Messeinrichtung zur Überwachung eines Laserschweißprozesses. Mittels optischer Kohärenztomographie kann ein Bearbeitungspfad der Laserstrahlbearbeitungsmaschine auf der Werkstückoberfläche erkannt und die Geometrie des Bearbeitungspfades ermittelt werden.
US 20220016776 A1 beschreibt ein System und Verfahren zur Echtzeit- Rückmeldung und dynamischen Einstellung eines Schweißroboters, wobei ein Sensor zum Scannen des zu bearbeitenden Werkstücks verwendet wird. Zusammenfassend erfordert die Ausbildung einer qualitativ hochwertigen und genauen Schweißverbindung eine besonders hohe Genauigkeit bei der korrekten Positionierung der Bearbeitungsoptik relativ zu den zu fügenden Werkstücken. Bereits geringe Abweichungen können dabei zu einer erheblichen
Qualitätsminderung der Schweißverbindung führen. Eine zufriedenstellende Lösung der vorhergenannten Probleme ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt, weshalb unter anderem die zeitaufwendige Kontrolle einer vorbestimmten Position der auszubildenden Schweißnaht durch einen Maschinenführer erforderlich ist.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei der ein Anpassen von Bearbeitungskoordinaten unter Berücksichtigung einer tatsächlichen Position der Kontaktfuge für das Erzeugen einer Schweißverbindung ermöglicht wird.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein computergestütztes Verfahren nach Anspruch 1 . Die Aufgabe wird zudem gelöst durch eine Messanordnung nach Anspruch 13 und ein Fertigungssystem nach Anspruch 14. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird ein computergestütztes Verfahren vorgeschlagen. Mit anderen Worten erfolgt die Durchführung des Verfahrens zumindest teilweise computerirnplementiert, bzw. unter Einsatz von zumindest einem Computer.
Das Verfahren ist zum Ausrichten einer Bearbeitungsoptik einer Laserbearbeitungsmaschine geeignet. Mit anderen Worten ist das Verfahren zumindest zum Ermitteln von Maschineneinstellungen betreffend das Ausrichten der Bearbeitungsoptik ausgebildet, wobei die ermittelten Maschineneinstellungen beispielsweise durch einen Bediener an der Laserbearbeitungsmaschine händisch anpassbar sind. Vorzugsweise ist das Verfahren zum, insbesondere automatischen, Ausrichten der Bearbeitungsoptik an einer Laserbearbeitungsmaschine ausgebildet.
Erfindungsgemäß erfolgt ein Ausrichten der Bearbeitungsoptik zu einer Kontaktfuge zwischen den zu fügenden Werkstücken. Typischerweise wird die Kontaktfuge durch zwei zu fügende Werkstücke ausgebildet. Mit anderen Worten begrenzen die Werkstücke die Kontaktfuge, insbesondere quer zu einem Nutverlauf der Kontaktfuge.
Die Kontaktfuge ist typischerweise zum Erzeugen der Schweißverbindung ausgebildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die zu fügenden Werkstücke im Bereich der Kontaktfuge durch den Bearbeitungslaser der Laserbearbeitungsmaschine zumindest abschnittsweise miteinander verschmolzen werden. Die Kontaktfuge kann zur Aufnahme eines zusätzlichen Schweißmaterials, insbesondere eines Schweißdrahts, ausgebildet sein.
Die zu fügenden Werkstücke bilden in einer zueinander fixierten Lage eine Werkstückanordnung aus. Vorzugsweise ist das Verfahren dazu ausgebildet, eine Bearbeitungsoptik zu einer Kontaktfuge in einer stoßenden Werkstückanordnung auszurichten.
Ein Ausrichten kann bezüglich einer vorbestimmten Bearbeitungskoordinate zum Fügen der Werkstücke durch die Laserbearbeitungsmaschine erfolgen.
Typischerweise erfolgt ein Fügen der Werkstücke durch Einwirken eines Bearbeitungslasers auf mehrere, insbesondere eine Vielzahl an, vorbestimmten Bearbeitungskoordinaten. Die vorbestimmten Bearbeitungskoordinaten bilden typischerweise eine vorbestimmte Bearbeitungsbahn aus, entlang derer ein Fügen der Werkstücke durch die Laserbearbeitungsmaschine geplant ist. Vorzugsweise erfolgt das Ausrichten bezüglich einer ersten und/oder einer letzten vorbestimmten Bearbeitungskoordinate der vorbestimmten Bearbeitungsbahn. Hierdurch kann das Verfahren zum Bestimmen eines Werkstückanfangs und/oder eines Werkstückendes bzw. eines Kontaktfugenanfangs und/oder eines Kontaktfugenendes verwendet werden.
Das Verfahren ist vorzugsweise als Vor-Fügeverfahren (Pre-Process) ausgebildet. Mit anderen Worten wird das Verfahren vorzugsweise vor der Bearbeitung der Werkstückanordnung durch die Laserbearbeitungsmaschine, bzw. das Fügen der zu fügenden Werkstücke, durchgeführt. In besonderer Ausgestaltung kann das Verfahren unmittelbar vor dem Fügen durch die Laserbearbeitungsmaschine durchgeführt werden. Insbesondere kann ein Ausrichten der Bearbeitungsoptik an einer vorbestimmten Bearbeitungskoordinate und unmittelbar anschließend ein Fügen erfolgen. Hierdurch kann die Fertigungsgeschwindigkeit erhöht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte:
In einem Verfahrensschritt a) des computergestützten Verfahrens ist ein Positionieren eines Sensors eines Messsystems in einer vorbestimmten Bearbeitungslage der Bearbeitungsoptik an der Kontaktfuge vorgesehen. Das Ausrichten des Sensors erfolgt zu einer vorbestimmten Bearbeitungskoordinate der Werkstückanordnung. Mit anderen Worten wird der Sensor in eine Fertigungslage der Bearbeitungsoptik bewegt und auf einen Einwirkbereich des Bearbeitungslasers auf der Werkstückanordnung ausgerichtet.
Ein weiterer Verfahrensschritt b) des computergestützten Verfahrens sieht das Erstellen von zumindest einem ersten Oberflächenprofil vor. Das erste Oberflächenprofil wird durch Abtasten einer Oberfläche der Werkstückanordnung in zumindest einer ersten Messebene erstellt. Die erste Messebene ist typischerweise quer oder senkrecht zu der vorbestimmten Bearbeitungsbahn ausgerichtet. Zudem sieht der Verfahrensschritt b) ein Erstellen von zumindest einem zweiten Oberflächenprofil vor. Das Zweite Oberflächenprofil wird durch Abtasten der Oberfläche der Werkstückanordnung in zumindest einer zweiten Messebene erstellt. Erfindungsgemäß ist die zweite Messebene quer oder senkrecht zu der ersten Messebene ausgerichtet. Die Lage der ersten Messebene zu der zweiten Messebene ist vorbestimmt, wodurch eine geometrische Abhängigkeit zwischen dem ersten Oberflächenprofil und dem zweiten Oberflächenprofil bekannt ist.
Vorzugsweise erfolgt das Abtasten durch Messen eines Abstands zwischen dem Sensor und mehreren Messpunkten auf der Oberfläche der Werkstückanordnung, wobei die Messpunkte als Schnittpunkte zwischen der jeweiligen Messebene und der Werkstückanordnung ausgebildet sind. Mit anderen Worten kann das Abtasten der Oberfläche entlang einer durch die jeweilige Messebene auf die Oberfläche projizierte Messstrecke erfolgen. Die Messpunkte entstehen vorzugsweise durch Auslenken eines Messstrahls in der jeweiligen Messebene um einen vorbestimmten Wert, bspw. einem Bogenmaß, bzw. einem vorbestimmten Winkel. Hierdurch sind geometrische Abhängigkeiten zwischen den Messpunkten und mithin geometrischen Abhängigkeiten im erstellten Oberflächenprofil bekannt.
Ein weiterer Verfahrensschritt c) des computergestützten Verfahrens sieht das Ermitteln von zumindest einer ersten charakteristischen Profiländerung in dem zumindest einen ersten Oberflächenprofil vor. Zudem sieht der Verfahrensschritt c) das Ermitteln von zumindest einer zweiten charakteristischen Profiländerung in dem zumindest einen zweiten Oberflächenprofil vor. Mit anderen Worten wird jeweils zumindest eine charakteristische Profiländerung in den erstellten Oberflächenprofilen ermittelt.
Eine charakteristische Profiländerung kann als eine Auffälligkeit im Verlauf des Oberflächenprofils, bspw. eine Absenkung, eine Erhöhung, ein Knick und/oder eine Unstetigkeit verstanden werden. Zudem kann vorgesehen sein, dass keine charakteristische Profiländerung in einem der Oberflächenprofile ermittelt wird. In Ermangelung einer charakteristischen Profiländerung kann beispielsweise eine erhebliche Verschiebung der Werkstücke und/oder das Fehlen eines Werkstücks festgestellt werden. Hierdurch kann einer Beschädigung durch die Laserbearbeitungsmaschine vorgebeugt werden.
Das Ermitteln der charakteristischen Profiländerungen erfolgt typischerweise durch Auswerten der Oberflächenprofile. Vorzugsweise durch geometrische Analyse der Oberflächenprofile sowie Bestimmen von Koordinaten zu der charakteristischen Profiländerung innerhalb des Oberflächenprofils.
Vorzugsweise erfolgt die Auswertung mittels grafischer Bildanalyse. Die Auswertung kann gemäß den vorhergehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungen durchgeführt werden. Die Auswertung weist vorzugsweise einen oder mehrere der nachfolgenden Auswertungsschritte auf:
Ein Auswertungsschritt kann vorsehen, wobei Streckenabschnitte in dem jeweiligen Oberflächenprofil ermittelt werden. Streckenabschnitte sind typischerweise mittels Linienerkennung aus dem jeweiligen Oberflächenprofil auslesbar. Streckenabschnitte weisen typischerweise eine konstante Steigung, einen Anfangspunkt und einen Endpunkt auf.
Ein anschließender Auswertungsschritt kann vorsehen, dass die Lagebeziehungen zwischen den ermittelten Streckenabschnitten bestimmt werden. Darstellungsgemäß kann vorgesehen sein, dass zusammenhängende Streckenabschnitte bestimmt werden. Zusammenhängende Streckenabschnitte weisen typischerweise auf jeweils ein separates zu fügendes Werkstück hin. Eine Kontaktfuge ist typischerweise zwischen zwei separaten zusammenhängenden Streckenabschnitten ausgebildet.
Zudem kann vorgesehen sein, dass die Lagebeziehung zwischen zusammenhängenden Streckenabschnitten bestimmt werden. So kann eine Unstetigkeit zwischen Steigungen der Streckenabschnitte sowie den Streckenabschnitten als ein Knickpunkt bestimmt werden.
Ein weiterer Auswertungsschritt kann vorsehen, dass ein senkrechter Abstand zwischen jeder charakteristischen Profiländerung und der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate bestimmt, bzw. berechnet wird. Typischerweise wird ein mittlerer Abstand aus den senkrechten Abständen der Profiländerungen zu der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate bestimmt, bzw. berechnet. Ein weiterer Auswertungsschritt kann vorsehen, dass lediglich ein einziger zusammenhängender Streckenabschnitt in einem der Oberflächenprofile ermittelt wird. Die Auswertung kann vorsehen, dass die charakteristische Profiländerung des einzelnen zusammenhängenden Streckenabschnitts als ein Werkstückende bestimmt wird.
Ein weiterer Auswertungsschritt kann vorsehen, dass ein senkrechter Abstand zwischen der charakteristischen Profiländerung des einzigen zusammenhängenden Streckenabschnitts und der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate bestimmt, bzw. berechnet wird.
Zudem sieht ein Verfahrensschritt d) des computergestützten Verfahrens ein Bestimmen zumindest einer Soll-Bearbeitungskoordinate in Abhängigkeit der zumindest einen ersten Profiländerung und der zumindest einen zweiten Profiländerung vor.
Eine Soll-Bearbeitungskoordinate kann als eine optimale Bearbeitungskoordinate der Laserbearbeitungsmaschine, bzw. der Bearbeitungsoptik an der Werkstückanordnung verstanden werden. Typischerweise wird eine in der Kontaktfuge zentriert angeordnete Soll-Bearbeitungskoordinate bestimmt.
Insbesondere wird eine erste Soll-Bearbeitungskoordinate und/oder eine letzte Soll- Bearbeitungskoordinate auf an einem Kontaktfugenanfang bzw. einem Kontaktfugenende bestimmt. Mit anderen Worten kann eine erste Soll- Bearbeitungskoordinate bzw. eine letzte Soll-Bearbeitungskoordinate auf einen Bereich der Werkstückanordnung festgelegt werden, in dem - selbst bei einem Versatz zwischen den Werkstücken - eine Kontaktfuge ausgebildet ist.
Beim Bestimmen der Soll-Bearbeitungskoordinate werden typischerweise die vorher bestimmten senkrechten Abstände sowie die vorherbestimmten mittleren Abstände als mögliche Anpassung der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate innerhalb der jeweiligen Messebene verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können beim Bestimmen der Soll-Bearbeitungskoordinate die senkrechten Abstände als eine mögliche Anpassung der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate innerhalb der jeweiligen Messebene verwendet werden.
Das Bestimmen der Soll-Bearbeitungskoordinate erfolgt mithin in Abhängigkeit der charakteristischen Profiländerungen.
Zusammenfassend wird erfindungsgemäß ein computergestütztes Verfahren vorgeschlagen, das eine besonders genaue Bestimmung einer tatsächlichen Lage und Ausrichtung von zu fügenden Werkstücken einer Werkstückanordnung bzw. einer Kontaktfuge zwischen den Werkstücken ermöglicht. Hierdurch kann eine Bearbeitungsoptik einer Laserbearbeitungsmaschine besonders schnell und prozesssicher auf eine tatsächliche Lage der Werkstücke angepasst werden, wodurch die Schweißverbindungsqualität hochgehalten werden kann und zudem ein Automatisierungsgrad der Laserbearbeitungsmaschine erhöht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des computergestützten Verfahrens weist die zumindest eine erste Messebene einen Messabstand, insbesondere entlang der zumindest einen zweiten Messebene, zu der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate auf. Mit anderen Worten ist die erste Messebene außermittig zu der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate ausgebildet. Hierdurch kann ein der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate vorauseilendes und/oder nacheilendes Abtasten der Oberfläche der Werkstückanordnung erfolgen.
Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des computergestützten Verfahrens, bei der zumindest ein weiteres erstes Oberflächenprofil durch Abtasten der Oberfläche der Werkstückanordnung in zumindest einer weiteren ersten Messebene erstellt wird. Die zumindest eine weitere erste Messebene ist typischerweise parallel zu der zumindest einen ersten Messebene ausgebildet. Mit anderen Worten wird die Oberfläche entlang einer vorbestimmten Bearbeitungsbahn relativ zu der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate zweimal abgetastet. Hierdurch können zwei erste Oberflächenprofile erstellt und die charakteristischen Profiländerungen der ersten Oberflächenprofile verglichen werden. Insbesondere kann beim Bestimmen der Soll-Bearbeitungskoordinate ein Verdrehen mittels der vorherbestimmten charakteristischen Profiländerungen der ersten Oberflächenprofile und Verwenden des Abstands zwischen der ersten Messebene und der weiteren ersten Messebene berücksichtigt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung des computergestützten Verfahrens wird in dem Verfahrensschritt c) aus dem zumindest einen ersten Oberflächenprofil eine Soll- Bearbeitungsbahn ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird in dem Verfahrensschritt c) aus dem zumindest einen ersten Oberflächenprofil und dem zumindest einen weiteren ersten Oberflächenprofil eine Soll-Bearbeitungsbahn ermittelt. Typischerweise wird in dem Verfahrensschritt d) anschließend zumindest eine, bevorzugt mehrere, besonders bevorzugt eine Vielzahl an, weiteren Soll- Bearbeitungskoordinaten in Abhängigkeit der zumindest einen charakteristischen Profiländerung entlang der Bearbeitungsbahn bestimmt. Hierdurch kann das Verfahren besonders effektiv durchgeführt werden.
Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des computergestützten Verfahrens, bei dem zumindest ein weiteres zweites Oberflächenprofil durch Abtasten der Oberfläche der Werkstückanordnung in zumindest einer weiteren zweiten Messebene erstellt wird. Die zumindest eine weitere zweite Messebene ist typischerweise parallel zu der zumindest einen zweiten Messebene ausgebildet. Mit anderen Worten wird die Oberfläche quer oder senkrecht zu der vorbestimmten Bearbeitungsbahn relativ zu der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate zweimal abgetastet. Hierdurch können zwei zweite Oberflächenprofilen erstellt und die charakteristischen Profiländerungen der zwei zweiten Oberflächenprofile verglichen werden.
Insbesondere kann beim Bestimmen der Soll-Bearbeitungskoordinate ein Kontaktfugenanfang und/oder ein Kontaktfugenende mittels der vorherbestimmten charakteristischen Profiländerungen der zwei zweiten Oberflächenprofile berücksichtigt werden. In einer bevorzugten Weiterbildung des computergestützten Verfahrens werden mehrere, insbesondere eine Vielzahl an, weiteren ersten Oberflächenprofilen und/oder weiteren zweiten Oberflächenprofilen erstellt werden. Vorzugsweise werden die weiteren Oberflächenprofile durch Abtasten der Oberfläche in einer entsprechenden Anzahl weiterer Messebenen erstellt. Hierdurch kann das Verfahren robuster durchgeführt werden.
Bevorzugt ist zudem eine Weiterbildung des computergestützten Verfahrens, bei der die ersten Messebenen und/oder die zweiten Messebenen jeweils gleich beabstandet zueinander ausgebildet sind. Hierdurch kann eine Auswertung und ein Bestimmen der Soll-Bearbeitungskoordinate besonders schnell und einfach erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des computergestützten Verfahrens bilden die Messebenen ein rechteckiges, insbesondere quadratisches, Messfeld auf der Oberfläche der Werkstückanordnung aus. Mittels Ausbildens eines Messfelds kann ein repräsentativer Bereich der Oberfläche der Werkstückanordnung für das Erstellen der Oberflächenprofile ausgewählt werden. Der Messbereich begrenzt die Messebenen. Der Messbereich weist vorzugsweise zumindest sieben Millimeter, besonders bevorzugt zumindest neun Millimeter Ausdehnung auf.
Zudem bevorzugt ist eine Ausführungsform des computergestützten Verfahrens, bei der im Verfahrensschritt c) ein Kontaktfugenbeginn und/oder ein Kontaktfugenende aus dem zumindest einen ersten Oberflächenprofil und/oder aus dem zumindest einen zweiten Oberflächenprofil ermittelt wird, wobei die Soll-Bearbeitungskoordinate als der Kontaktfugenbeginn oder das Kontaktfugenende bestimmt wird.
Bevorzugt ist zudem eine Ausführungsform des computergestützten Verfahrens, bei der zur Durchführung des Verfahrens optische Kohärenztomographie verwendet wird. Die Erfinder haben erkannt, dass das Verfahren unter Verwendung optischer Kohärenztomographie und/oder eines 2D-scannenden Ablenksystems für den Messstrahl besonders robust und zuverlässig durchgeführt werden kann. Eine bevorzugte Ausführungsform des computergestützten Verfahrens sieht vor, dass die Verfahrensschritte a) bis d) für mehrere, insbesondere jede, vorbestimmte Bearbeitungskoordinate entlang einer vorbestimmten Bearbeitungsbahn der Bearbeitungsoptik durchgeführt werden. Hierdurch kann eine besonders genaue Ausrichtung der Bearbeitungsoptik entlang der gesamten tatsächlichen Kontaktfuge erfolgen.
In einer bevorzugten Weiterbildung des computergestützten Verfahrens werden die Verfahrensschritte a) bis d) bei einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit des Sensors entlang der vorbestimmten Bearbeitungsbahn und/oder einer angepassten Bearbeitungsbahn durchgeführt. Hierdurch kann das Ausrichten der Bearbeitungsoptik unmittelbar vor dem Fügen der Werkstücke durch die Laserbearbeitungsmaschine erfolgen.
Die zugrundeliegende Aufgabe wird zudem gelöst durch eine Messanordnung.
Die Messanordnung umfasst eine aus zwei Werkstücken ausgebildete Werkstückanordnung. Die Werkstücke sind typischerweise in einer Stoßanordnung angeordnet und bilden eine Kontaktfuge aus.
Die Messanordnung weist ein Messsystem mit zumindest einem Sensor auf. Vorzugsweise ist das Messsystem ein OCT- (optical coherence tomography) Messsystem und der Sensor ein Messarm des OCT-Messsystems. Das Messsystem ist zum Durchführen des vorhergehend und nachfolgend beschriebenen computergestützten Verfahren eingerichtet.
Die zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Fertigungssystem.
Das Fertigungssystem weist eine Laserbearbeitungsmaschine und eine vorhergehend und nachfolgend beschriebene Messanordnung auf.
Der Sensor des Messsystems ist erfindungsgemäß an einer Bearbeitungsoptik der Laserbearbeitungsmaschine angeordnet. Der Sensor kann insbesondere koaxial oder seitlich versetzt zum Laserbearbeitungsstrahl der Laserbearbeitungsmaschine angeordnet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Es zeigen:
Fig. 1 : ein erfindungsgemäßes computergestütztes Verfahren in einer schematischen Darstellung;
Fig. 2: schematisch dargestellt ein Fertigungssystem mit einer Laserbearbeitungsmaschine und einer Werkstückanordnung in einer perspektivischen Darstellung;
Fig. 3: eine erste Ausführungsform einer Messanordnung mit einem an einer Kontaktfuge der Werkstückanordnung positionierten Sensor in einer schematischen Darstellung;
Fig. 4: ein erstes Oberflächenprofil der Werkstückanordnung aus Fig. 3 in einer schematischen Darstellung;
Fig. 5: ein zweites Oberflächenprofil der Werkstückanordnung aus Fig. 3 in einer schematischen Darstellung; Fig. 6: die Werkstückanordnung aus Fig. 3 mit einer bestimmten Soll- Bearbeitungskoordinate;
Fig. 7: eine zweite Ausführungsform einer Messanordnung mit dem an der Kontaktfuge einer weiteren Werkstückanordnung positionierten Sensor in einer schematischen Darstellung;
Fig. 8: ein zweites Oberflächenprofil der Werkstückanordnung aus Fig. 7 in einer schematischen Darstellung;
Fig. 9: ein weiteres zweites Oberflächenprofil der Werkstückanordnung aus Fig. 7 in einer schematischen Darstellung;
Fig. 10: die Werkstückanordnung aus Fig. 7 mit einer bestimmten Soll- Bearbeitungskoordinate;
Fig. 11 : eine dritte Ausführungsform einer Messanordnung mit dem an der Kontaktfuge einer weiteren Werkstückanordnung positionierten Sensor in einer schematischen Darstellung;
Fig. 12: ein erstes Oberflächenprofil der Werkstückanordnung aus Fig. 11 in einer schematischen Darstellung;
Fig. 13: ein weiteres erstes Oberflächenprofil der Werkstückanordnung aus Fig. 11 in einer schematischen Darstellung; und
Fig. 14: die Werkstückanordnung aus Fig. 11 mit einer bestimmten Soll- Bearbeitungskoordinate und einer Soll-Bearbeitungsbahn.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes computergestütztes Verfahren 10.
Das computergestützte Verfahren 10 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die übrigen Figuren der Zeichnung erläutert. Das Verfahren 10 ist zum Ausrichten einer Bearbeitungsoptik 12 (siehe Fig. 2) einer Laserbearbeitungsmaschine 14 (siehe Fig. 2) zu einer Kontaktfuge 16 (siehe Fig. 2, 3, 4, 6, 7, 10, 11 , 14) von einem ersten zu fügenden Werkstück 18 (siehe Fig. 2, 3, 6, 7, 10, 11-14) und einem zweiten zu fügenden Werkstück 20 (siehe Fig. 2, 3, 6, 7, 10, 11-14) einer Werkstückanordnung 22 (siehe Fig. 2, 3, 6, 7, 10, 11 , 14) geeignet.
Vorzugsweise ist das Verfahren 10 zum Ausrichten der Bearbeitungsoptik 12 ausgebildet. Mit anderen Worten kann in einer vorzugsweisen Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Verfahren 10 Zugriff auf die Bearbeitungsoptik 12, bzw. die Laserbearbeitungsmaschine 14 erhält, um die Bearbeitungsoptik 12 und/oder die Laserbearbeitungsmaschine 14 auszurichten. Das Ausrichten kann mittels Anpassens von Maschinenbefehlen in einer Steuerungsvorrichtung 23 (siehe Fig. 2) der Laserbearbeitungsmaschine 14 erfolgen.
Das Verfahren 10 umfasst zumindest die folgenden Verfahrensschritte:
In einem ersten Verfahrensschritt 24 des computergestützten Verfahrens 10 ist ein Positionieren eines Sensors 26 (siehe Fig. 2) eines Messsystems 28 (siehe Fig. 2) in einer vorbestimmten Bearbeitungslage der Bearbeitungsoptik 12 an der Kontaktfuge 16 vorgesehen.
Mit anderen Worten wird der Sensor 26 derart positioniert, dass die Lage, bzw. Position und Ausrichtung des Sensors 26 einer vorbestimmten, bzw. vorprogrammierten Lage der Bearbeitungsoptik 12 während des Fügens der Werkstücke 18, 20 (siehe Figuren 2-14) entspricht. Vorzugsweise ist der Sensor 26 in oder an der Bearbeitungsoptik 12 der Laserbearbeitungsmaschine 14 angeordnet, bzw. befestigt. Hierdurch kann der Sensor 26 besonders genau in der vorbestimmten Bearbeitungslage positioniert werden.
Typischerweise werden die Werkstücke 18, 20 vor dem Fügen durch die
Laserbearbeitungsmaschine 14 zunächst in einer vorbestimmten Lage in der
Werkstückanordnung 22 fixiert bzw. eingespannt, wodurch ein Verschieben der Werkstücke 18, 20 verhindert wird. Vorzugsweise sind die Werkstücke 18, 20 in einer Stoßanordnung angeordnet. Das Verfahren kann jedoch darüber hinaus auf weitere Anordnungen, beispielsweise Eckanordnungen, der Werkstücke 18, 20 angewendet werden.
Entlang eines vorbestimmten Verbindungsabschnitts der Werkstücke 18, 20 bildet die Werkstückanordnung 22 die Kontaktfuge 16 aus. Die Lage der zu fügenden Werkstücke 18, 20 und/oder der Kontaktfuge 16 wird typischerweise in der Steuerungsvorrichtung 23 (siehe Fig. 2) der Laserbearbeitungsmaschine 14 eingegeben, bzw. vorprogrammiert. Die Laserbearbeitungsmaschine 14 erzeugt in einem dem hier beschriebenen Verfahren 10 nachgelagerten Fügeverfahren (nicht gezeigt) entlang der Kontaktfuge 16 eine Schweißverbindung (nicht gezeigt). Zum Erzeugen der Schweißverbindung wird die Bearbeitungsoptik 12 der Laserbearbeitungsmaschine 14 parallel zu einer vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 (siehe Figuren 2, 3, 6, 7, 10, 11 , 13, 14) bewegt und der Bearbeitungslaser 34 (siehe Fig. 2) auf eine, typischerweise mehrere vorbestimmte Bearbeitungskoordinaten 36 (siehe Figuren 2-14) gerichtet. Die Schweißverbindung kann als Schweißnaht und/oder als punktuelle Schweißverbindung ausgebildet sein.
Der Sensor 26 wird erfindungsgemäß an, bzw. im unmittelbaren Umfeld der Kontaktfuge 16, in der die Schweißnaht erzeugt werden soll, positioniert und auf eine der vorbestimmten Bearbeitungskoordinaten 36 der vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 ausgerichtet. Vorzugsweise wird der Sensor auf eine erste oder eine letzte vorbestimmte Bearbeitungskoordinate 36 der vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 ausgerichtet.
In einem weiteren Verfahrensschritt 38 ist ein Erstellen von zumindest einem ersten Oberflächenprofil 40 (siehe Figuren 2, 4, 12) durch Abtasten einer Oberfläche 42 (siehe Fig. 2) der Werkstückanordnung 22 in zumindest einer ersten Messebene 44 (siehe Fig. 2, 3, 4, 7, 11 , 12) vorgesehen.
Das Abtasten der Oberfläche 42 erfolgt vorzugsweise durch eine Messung des
Abstands zwischen dem Sensor 26 und mehreren, insbesondere einer Vielzahl an, Messpunkten 46 (siehe Fig. 2) auf der Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist lediglich ein Messpunkt 46 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Messung wird besonders bevorzugt mittels optischer Kohärenztomographie, insbesondere mittels eines 2D-scannenden OCT- Sesnorsystems, durchgeführt.
Bei Ausrichtung der ersten Messebene 44 quer oder senkrecht zur vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 können beide Werkstücke 18, 20 der Werkstückanordnung 22 in der Messebene 44 erfasst werden. Dies ermöglicht ein genaues Ausrichten der Bearbeitungsoptik 12, beispielsweise auf einen Mittelpunkt der Kontaktfuge 16.
Die Messebene 44 ist typischerweise quer oder senkrecht zur vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 ausgebildet, wobei die tatsächliche Ausrichtung in Bezug auf die Werkstückanordnung 22 aus der Abweichung der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 und dem Verlauf der vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 zu der tatsächlichen Werkstückanordnung 22 resultiert.
Zudem ist in dem Verfahrensschritt 38 ein Erstellen von zumindest einem zweiten Oberflächenprofil 50 (siehe Figuren 2, 4, 5, 8, 9, 12, 13) durch Abtasten der Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22 in zumindest einer zweiten Messebene 52 (siehe Figuren 2, 3, 5, 7, 8, 11) vorgesehen. Die zweite Messebene 52 ist quer oder senkrecht zu der ersten Messebene 44 ausgerichtet.
In einem weiteren Verfahrensschritt 54 ist ein Ermitteln von zumindest einer ersten charakteristischen Profiländerung 56 (siehe Figuren 2, 4, 12, 13) in dem zumindest einen ersten Oberflächenprofil 40 vorgesehen.
Zudem ist in dem Verfahrensschritt 54 ein Ermitteln von zumindest einer zweiten charakteristischen Profiländerung 58 (siehe Figuren 5, 8, 9) in dem zumindest einen zweiten Oberflächenprofil 50 vorgesehen.
Eine charakteristische Profiländerung 56, 58 kann beispielsweise in einem Sprung im
Verlauf des ersten Oberflächenprofils 40 und/oder im Verlauf des zweiten Oberflächenprofils 50 bestehen, wobei der Sprung beispielsweise durch eine Änderung in einem gemessenen Abstand zwischen dem Sensor 26 und Werkstückanordnung 22 bestimmt werden kann.
Zudem umfasst das computergestützte Verfahren 10 einen Verfahrensschritt 60, in dem ein Bestimmen von zumindest einer Soll-Bearbeitungskoordinate 62 (siehe Figuren 2, 6, 10, 14) in Abhängigkeit der zumindest einen ersten Profiländerung 56 und der zumindest einen zweiten Profiländerung 58 vorgesehen ist.
Mit anderen Worten wird eine vorbestimmte Bearbeitungskoordinate 36 an eine tatsächliche Werkstückanordnung 22, bzw. eine tatsächliche Kontaktfuge 16 angepasst. Ein Anpassen der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 kann beispielsweise in einem Ändern der Koordinaten der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 erfolgen. In der Folge ist die Bearbeitungsoptik 26 der Laserbearbeitungsmaschine 14 in der tatsächlich ausgebildeten Kontaktfuge 16 zentriert. Ein Ausbilden der Schweißverbindung in einem anschließenden Fügeverfahren kann hierdurch besonders effektiv erfolgen.
Fig. 2 zeigt ein Fertigungssystem 64 mit einer Laserbearbeitungsmaschine 14 und einer Werkstückanordnung 22 in einer schematischen Darstellung.
Die Laserbearbeitungsmaschine 14 weist darstellungsgemäß das Messsystem 28 auf. Der Sensor 26 ist, wie dargestellt, an der Bearbeitungsoptik 12 der Laserbearbeitungsmaschine 14 angeordnet. Hierdurch kann ein Positionieren des Sensors 26 in der vorbestimmten Bearbeitungslage der Bearbeitungsoptik 12 besonders schnell und einfach erfolgen.
Die Lage, bzw. Position und Ausrichtung der Bearbeitungsoptik 12 kann mittels eines Ausstellarms 66 geändert werden. Hierdurch kann die Bearbeitungsoptik 12 sowie der Sensor 26 entlang der vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 bewegt werden.
Das Messsystem 28 ist vorzugsweise zur Durchführung einer optischen Kohärenztomographie (OCT) eingerichtet und ausgebildet. Mit anderen Worten kann das Messsystem 28 einen optischen Kohärenztomographen umfassen. Zum Abtasten der Oberfläche 42 wird dabei durch den Sensor 26 ein Messstrahl 68 innerhalb der Messebene 44, 52 auf die Werkzeuganordnung 22 gerichtet, der zum punktuellen Messen eines Abstands zwischen dem Sensor 26 und dem jeweiligen auf die Oberfläche 42 projizierten Messpunkt 46 ausgebildet ist. Durch einen integrierten 2D-Scanner kann der Messstrahl beliebig positioniert werden und ein Wechsel von der Messebene 44 auf die Messebene 52 kann ohne Bewegung der Bearbeitungsoptik 12 bzw. des Sensors 26 erfolgen.
In bevorzugter Ausbildung ist der Sensor 26 derart an der Bearbeitungsoptik 12 angeordnet, dass der Messstrahl 68 dem Bearbeitungslaser 34 entlang der vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 während des Fügens der Werkstücke 18, 20 vorauseilt. Hierdurch kann ein Anpassen der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 unmittelbar vor dem Fügen durch die Laserbearbeitungsmaschine 14 erfolgen.
Der Sensor 26, bzw. das Messsystem 28 und die Werkstückanordnung 22 bilden darstellungsgemäß eine Messanordnung 70 aus.
Fig. 3 zeigte eine Messanordnung 70a in einer schematischen Darstellung.
Der Sensor 26 ist darstellungsgemäß im Wesentlichen senkrecht oberhalb der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 an der Kontaktfuge 16 einer Werkstückanordnung 22a positioniert.
Eine erste Messebene 44a und eine zweite Messebene 52a sind auf der Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22a projiziert dargestellt. Die erste Messebene 44a und die zweite Messebene 52a bilden auf der Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22a ein Messfeld 72 aus. Das Messfeld 72 ist, wie dargestellt, rechteckig - hier quadratisch - ausgebildet.
Die zweite Messebene 52a ist senkrecht zu der ersten Messebene 44a ausgebildet.
Hierdurch kann ein Ermitteln von Profiländerungen 56 (siehe Figuren 2, 4, 12, 13) aus den erstellten Oberflächenprofilen 40a, 50a (siehe Figuren 4, 5) besonders effektiv erfolgen.
Darstellungsgemäß kann eine der Messebenen 44, 52 - hier die Messebene 52a - in Richtung der vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 ausgerichtet sein. Vorzugsweise ist die andere Messebene 44, 52 - hier die Messebene 44a - quer zur vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 ausgerichtet. Dies stellt sicher, dass die Kontaktfuge 16 und/oder ein Werkstückanfang 74, 76 oder ein Werkstückende (nicht gezeigt) der Werkstücke 18, 20 durch die Messebenen 44, 52 erfasst sind.
Fig. 4 zeigt schematisch ein erstes Oberflächenprofil 40a, das durch Abtasten der Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22a in der Messebene 44a aus Fig. 3 erstellt wurde.
In dem Oberflächenprofil 40a ist die Oberfläche 42 sowie die Kontaktfuge 16 der Werkstückanordnung 22a zu erkennen.
Durch Auswerten des Oberflächenprofils 40 können charakteristische Profiländerungen 56 ermittelt werden. Die Profiländerungen 56 sind hier als der Kontaktfuge 16 zugewandte Kanten der Werkstücke 18, 20 ausgebildet.
Typischerweise erfolgt die Auswertung mittels grafischer Bildanalyse. Die Auswertung kann gemäß den Ausführungen in der Beschreibung und den Ausführungen gemäß den übrigen Figuren durchgeführt werden. Die Auswertung weist vorzugsweise einen oder mehrere der nachfolgenden Auswertungsschritte auf:
Ein Auswertungsschritt kann vorsehen, wobei Streckenabschnitte 78a-d in dem ersten Oberflächenprofil 40a ermittelt werden. Streckenabschnitte 78a-d sind typischerweise mittels Linienerkennung aus dem ersten Oberflächenprofil 40a auslesbar. Streckenabschnitte 78a-d weisen typischerweise eine konstante Steigung, einen Anfangspunkt und einen Endpunkt auf. Ein anschließender Auswertungsschritt kann vorsehen, dass die Lagebeziehungen zwischen den Streckenabschnitten 78a-d bestimmt werden. Darstellungsgemäß kann vorgesehen sein, dass zusammenhängende Streckenabschnitte 78a, 78b sowie 78c, 78d bestimmt werden. Zusammenhängende Streckenabschnitte 78a, 78b sowie 78c, 78d weisen auf jeweils ein separates Werkstück 18 bzw. 20 hin. Eine Kontaktfuge 16 ist typischerweise zwischen zwei separaten zusammenhängenden Streckenabschnitten 78a, 78b; 78c, 78d bzw. zwischen den Werkstücken 18, 20 ausgebildet.
Zudem kann vorgesehen sein, dass die Lagebeziehung zwischen zusammenhängenden Streckenabschnitten 78a, 78b sowie 78c, 78d bestimmt werden. So kann eine Unstetigkeit zwischen Steigungen der Streckenabschnitte 78a und 78b sowie den Streckenabschnitten 78c und 78d als ein Knickpunkt bestimmt werden. Ein Knickpunkt stellt typischerweise eine charakteristische Profiländerung 56 dar.
Ein weiterer Auswertungsschritt kann vorsehen, dass ein senkrechter Abstand 80a, 80b zwischen jeder charakteristischen Profiländerung 56 und der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 bestimmt, bzw. berechnet wird. Typischerweise wird ein mittlerer Abstand 80c aus den senkrechten Abständen 80a, 80b der Profiländerungen 56 zu der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 bestimmt, bzw. berechnet. Die senkrechten Abstände 80a, 80b sowie der mittlere Abstand 80c können als mögliche Anpassung der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 innerhalb der Messebene 44a verstanden werden.
Fig. 5 zeigt schematisch ein zweites Oberflächenprofil 50a, das durch Abtasten der Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22a in der Messebene 52a aus Fig. 3 erstellt wurde.
In dem Oberflächenprofil 50a ist die Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22a zu erkennen. Durch Auswerten des Oberflächenprofils 50a kann zumindest eine charakteristische Profiländerungen 58 ermittelt werden. Die Profiländerung 58 ist hier als ein Endpunkt des Werkstücks 20 ausgebildet. Ein Endpunkt kann als der Werkstückanfang 76 oder das Werkstückende verstanden werden.
Ein Auswertungsschritt kann dabei vorsehen, wobei Streckenabschnitte 78e, 78f in dem Anordnungsprofil 50a ermittelt werden. Zudem kann vorgesehen sein, dass die Lagebeziehung zwischen den zusammenhängenden Streckenabschnitten 78e, 78f bestimmt werden, wodurch die charakteristische Profiländerung 58 bestimmt werden kann.
Die Streckenabschnitte 78e und 78f stellen darstellungsgemäß einen einzigen zusammenhängenden Streckenabschnitt 78e, 78f dar. Die Auswertung kann vorsehen, dass die charakteristische Profiländerung 58 des einzelnen zusammenhängenden Streckenabschnitts 78e, 78f als der Endpunkt des Werkstücks 20 bestimmt wird.
Ein weiterer Auswertungsschritt kann vorsehen, dass ein senkrechter Abstand 80d zwischen der charakteristischen Profiländerung 58 und der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 bestimmt, bzw. berechnet wird. Der senkrechte Abstand 80d kann als eine mögliche Anpassung der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 innerhalb der Messebene 52a verstanden werden.
Fig. 6 zeigt eine Fertigungsanordnung 82a der Werkstückanordnung 22a aus Fig. 3 in einer schematischen Darstellung.
In Abhängigkeit der aus den Oberflächenprofilen 40a, 50a (siehe Figuren 4, 5) bestimmten Profiländerungen 56, 58 wurde die Soll-Bearbeitungskoordinate 62 bestimmt. Die Soll-Bearbeitungskoordinate 62 ist um den mittleren Abstand 80c (siehe Fig. 4) entlang der Messebene 44a (siehe Fig. 3, 4) und um den senkrechten Abstand 80d (siehe Fig. 5) entlang der Messebene 52a (siehe Fig. 3, 5) verschoben. Die Soll-Bearbeitungskoordinate 62 ist damit mittig in der Kontaktfuge 16 an den Werkstückanfängen 74, 76 der Werkstückanordnung 22a positioniert, was die Ausbildung einer qualitativ hochwertigen Schweißverbindung ermöglicht.
Darstellungsgemäß kann das Bestimmen der Soll-Bearbeitungskoordinate 62 ein, insbesondere paralleles, Verschieben der vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 bewirken. Mit anderen Worten können mehrere, insbesondere alle, vorbestimmten Bearbeitungskoordinaten 36 einer vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 entsprechend der Soll-Bearbeitungskoordinate 62 angepasst werden. Hierdurch entsteht eine Soll-Bearbeitungsbahn 84, die das qualitativ hochwertige Ausbilden Schweißverbindung weiter verbessert.
Fig. 7 zeigte eine Messanordnung 70b in einer schematischen Darstellung.
Der Sensor 26 ist darstellungsgemäß im Wesentlichen senkrecht oberhalb der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 an der Kontaktfuge 16 einer Werkstückanordnung 22b positioniert.
Eine erste Messebene 44b und eine zweite Messebene 52b sind auf der Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22b projiziert dargestellt. Darüber hinaus ist darstellungsgemäß eine weitere zweite Messebene 86 auf der Oberfläche 42 projiziert dargestellt.
Die zweite Messebene 52b ist senkrecht zu der ersten Messebene 44b ausgebildet. Die weitere zweite Messebene 86 ist parallel zu der zweiten Messebene 52b ausgebildet. Die erste Messebene 44b, die zweite Messebene 52b und die weitere zweite Messebene 86 bilden auf der Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22b das Messfeld 72 aus.
Wie dargestellt, ist die zweite Messebene 52b auf die Oberfläche 42 des ersten Werkstücks 18 und die weitere Messebene 86 auf die Oberfläche 42 des zweiten Werkstücks 20 gerichtet. Mit anderen Worten sind die Messebenen 52b und 86 außermittig zur vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 ausgebildet, bzw. weisen einen Messabstand 87 auf. Hierdurch kann ein weiterer Bereich der
Werkstückanordnung 22b durch die Messebenen 52b, 86 erfasst werden.
Die Werkstücke 18, 20 der Werkstückanordnung 22b weisen entlang der vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 einen Versatz 88, bzw. zueinander versetzte Werkstückanfänge 74, 76 auf.
Fig. 8 zeigt schematisch ein zweites Oberflächenprofil 50b, das durch Abtasten der Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22b in der Messebene 52b aus Fig. 7 erstellt wurde.
Durch Auswerten des Oberflächenprofils 50b kann eine charakteristische Profiländerung 58 durch Bestimmen der Streckenabschnitte 78e, 78f und deren Lagebeziehung zueinander ermittelt werden.
Ferner kann es vorsehen sein, dass der senkrechte Abstand 80d zwischen der charakteristischen Profiländerungen 58 und der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 bestimmt, bzw. berechnet wird.
Fig. 9 zeigt schematisch ein weiteres zweites Oberflächenprofil 50c, das durch Abtasten der Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22b in der Messebene 86 aus Fig. 7 erstellt wurde.
Durch Auswerten des Oberflächenprofils 50c kann - analog zum Vorgehen gemäß Fig. 8 - eine charakteristische Profiländerung 58 durch Bestimmen der Streckenabschnitte 78e, 78f und deren Lagebeziehung zueinander ermittelt werden.
Ferner kann es vorsehen sein, dass der senkrechte Abstand 80d zwischen der charakteristischen Profiländerungen 58 und der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 bestimmt, bzw. berechnet wird.
Fig. 10 zeigt eine Fertigungsanordnung 82b der Werkstückanordnung 22b aus Fig. 3 in einer schematischen Darstellung. In Abhängigkeit der aus den Oberflächenprofilen 50b (siehe Fig. 8) und 50c (siehe Fig. 9) bestimmten Profiländerungen 58 wurde eine Ausrichtung der Soll- Bearbeitungskoordinate 62 entlang der vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 bestimmt. Die Soll-Bearbeitungskoordinate 62 ist um einen minimalen senkrechten Abstand 80d (siehe Fig. 9) der senkrechten Abstände 80d aus den Figuren 8 und 9 entlang der weiteren zweiten Messebene 86 (siehe Fig. 7) verschoben. Mit anderen Worten ist die Soll-Bearbeitungskoordinate 62 auf den Werkstückanfang 76 des zweiten Werkstücks 20, bzw. einem Kontaktfugenanfang 89 Kontaktfuge 16 angepasst worden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass eine Schweißverbindung erst im Bereich der Kontaktfuge 16 ausgebildet wird.
Ein Anpassen der Soll-Bearbeitungskoordinate 62 entlang der ersten Messebene 44b (siehe Fig. 7) kann analog zum beschriebenen Vorgehen gemäß Fig. 6 erfolgen, wobei ein mittlerer Abstand 80c gemäß Fig. 4 bestimmt, bzw. berechnet wird.
Die Soll-Bearbeitungskoordinate 62 ist damit mittig in der Kontaktfuge 16 an dem Werkstückanfang 76 der Werkstückanordnung 22a positioniert, was die Ausbildung einer qualitativ hochwertigen Schweißverbindung ermöglicht.
Darstellungsgemäß kann das Bestimmen der Soll-Bearbeitungskoordinate 62 ein, insbesondere paralleles, Verschieben der vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 bewirken. Mit anderen Worten können mehrere, insbesondere alle, vorbestimmten Bearbeitungskoordinaten 36 einer vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 entsprechend der Soll-Bearbeitungskoordinate 62 angepasst werden. Hierdurch entsteht die Soll-Bearbeitungsbahn 84, die das qualitativ hochwertige Ausbilden der Schweißverbindung weiter verbessert.
Fig. 11 zeigte eine Messanordnung 70c in einer schematischen Darstellung.
Der Sensor 26 ist darstellungsgemäß senkrecht oberhalb der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 an der Kontaktfuge 16 einer Werkstückanordnung 22c positioniert. Eine erste Messebene 44c und eine zweite Messebene 52c sind auf der Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22c projiziert dargestellt. Darüber hinaus ist darstellungsgemäß eine weitere erste Messebene 90 auf der Oberfläche 42 projiziert dargestellt.
Die zweite Messebene 52c ist senkrecht zu der ersten Messebene 44c ausgebildet. Die weitere erste Messebene 90 ist parallel zu der ersten Messebene 44c ausgebildet. Die erste Messebene 44c, die zweite Messebene 52c und die weitere erste Messebene 90 bilden auf der Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22c das Messfeld 72 aus.
Wie dargestellt, sind die erste Messebene 44c und die weitere erste Messebene 90 quer zur vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 auf die Oberfläche 42 der Werkstücke 18, 20 ausgerichtet. Die Messebenen 44c und 90 sind dabei außermittig zur vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 ausgebildet, bzw. weisen einen Messabstand 91 auf. Hierdurch kann ein weiterer Bereich der Werkstückanordnung 22c durch die Messebenen 44c, 90 erfasst werden.
Die Werkstücke 18, 20 der Werkstückanordnung 22b sind zu der vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 verdreht ausgebildet. Mit anderen Worten ist die Soll- Bearbeitungsbahn 84 um einen Verdrehwinkel 92 schräg zu der vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 ausgebildet.
Fig. 12 zeigt schematisch ein zweites Oberflächenprofil 40c, das durch Abtasten der Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22c in der Messebene 44c aus Fig. 11 erstellt wurde.
Durch Auswerten des Oberflächenprofils 44c kann eine charakteristische Profiländerung 56 durch Bestimmen der Streckenabschnitte 78a-d und deren Lagebeziehung zueinander ermittelt werden. Ferner kann es vorsehen sein, dass der senkrechte Abstand 80a, 80b zwischen jeder charakteristischen Profiländerungen 56 und der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 bestimmt, bzw. berechnet wird. Typischerweise wird der mittlere Abstand 80c aus den senkrechten Abständen 80a, 80b der Profiländerungen 56 zu der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 bestimmt, bzw. berechnet.
Fig. 13 zeigt schematisch ein weiteres zweites Oberflächenprofil 50c, das durch Abtasten der Oberfläche 42 der Werkstückanordnung 22c in der Messebene 90 aus Fig. 11 erstellt wurde.
Durch Auswerten des Oberflächenprofils 50c kann eine charakteristische Profiländerung 56 durch Bestimmen der Streckenabschnitte 78a-d und deren Lagebeziehung zueinander ermittelt werden.
Analog zur Fig. 12 kann vorsehen sein, dass die senkrechten Abstände 80a, 80b zwischen jeder charakteristischen Profiländerungen 56 und der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate 36 sowie der mittlere Abstand 80c bestimmt, bzw. berechnet werden.
Darstellungsgemäß weist der mittlere Abstand 80c gemäß Fig. 13 eine gegenüber dem mittleren Abstand 80c gemäß Fig. 12 umgekehrte Ausrichtung und einen abweichenden Wert auf.
Fig. 14 zeigt eine Fertigungsanordnung 82c der Werkstückanordnung 22c aus Fig.
11 in einer schematischen Darstellung.
In Abhängigkeit der aus den Oberflächenprofilen 40c gemäß Fig. 12 und 40c gemäß Fig. 13 bestimmten Profiländerungen 56 wurde eine Ausrichtung der Soll- Bearbeitungskoordinate 62 durch Verdrehen der vorbestimmten Bearbeitungsbahn 32 in die Soll-Bearbeitungsbahn 84 bewirkt.
Ein Verdrehen kann mittels der Profiländerungen 56 der Figuren 12, 13 und/oder durch Vergleichen der mittleren Abstände 80c der Figuren 12, 13 und Berücksichtigung des Abstands zwischen der ersten Messebene 44c und der weiteren Messebene 90 berechnet werden.
Ein Anpassen der Soll-Bearbeitungskoordinate 62 entlang der ersten Messebene 44c (siehe Fig. 11 ) kann analog zum beschriebenen Vorgehen gemäß Fig. 5 erfolgen, wobei ein Mittelwert zwischen den mittleren Abständen 80c gemäß den Figuren 12, 13 bestimmt, bzw. berechnet wird.
Ein Anpassen der Soll-Bearbeitungskoordinate 62 entlang der zweiten Messebene 52c (siehe Fig. 11 ) kann analog zum Vorgehen gemäß Fig. 6 erfolgen, wobei ein senkrechter Abstand 80d (siehe Fig. 6) bestimmt, bzw. berechnet wird.
Die Soll-Bearbeitungskoordinate 62 ist damit mittig in der Kontaktfuge 16 an den Werkstückanfängen 74, 76 der Werkstückanordnung 22c positioniert. Ferner ist die vorbestimmte Bearbeitungsbahn 32 mittels der Soll-Bearbeitungsbahn 84 auf die tatsächliche Ausbildung der Kontaktfuge 16 angepasst, was die Ausbildung einer qualitativ hochwertigen Schweißverbindung ermöglicht.
Bezugszeichenliste
Com putergestütztes Verfahren Bearbeitungsoptik Laserbearbeitungsmaschine Kontaktfuge erstes Werkstück zweites Werkstück ; 22a-c Werkstückanordnung Steuerungsvorrichtung Verfahrensschritt
Sensor
Messsystem vorbestimmte Bearbeitungsbahn Bearbeitungslaser vorbestimmte Bearbeitungskoordinate Verfahrensschritt ; 40a-c erstes Oberflächenprofil
Oberfläche ; 44a-c erste Messebene
Messpunkt ; 50a-c zweites Oberflächenprofil ; 52a-c zweite Messebene
Verfahrensschritt , 58 charakteristische Profiländerung
Verfahrensschritt
Soll-Bearbeitungskoordinate Fertigungssystem
Ausstellarm Messstrahl ; 70a-c Messanordnung Messfeld , 76 Werkstückanfang a-f Streckenabschnitt a-d Abstand a-c Fertigungsanordnung
Soll-Bearbeitungsbahn weitere zweite Messebene Messabstand
Versatz
Kontaktfugenanfang weitere erste Messebene Messabstand Verdrehwinkel

Claims

Patentansprüche
1 . Computergestütztes Verfahren (10) zum Ausrichten einer Bearbeitungsoptik (12) einer Laserbearbeitungsmaschine (14) zu einer Kontaktfuge (16) von zwei zu fügenden Werkstücken (18, 20) einer Werkstückanordnung (22; 22a-c), umfassend die Verfahrensschritte: a) Positionieren (24) eines Sensors (26) eines Messsystems (28) in einer vorbestimmten Bearbeitungslage der Bearbeitungsoptik (12) an der Kontaktfuge (16) durch Ausrichten des Sensors (26) auf eine vorbestimmte Bearbeitungskoordinate (36) der Werkstückanordnung (22; 22a-c); b) Erstellen (38) von zumindest einem ersten Oberflächenprofil (40; 40a-c) durch Abtasten einer Oberfläche (42) der Werkstückanordnung (22; 22a-c) in zumindest einer ersten Messebene (44; 44a-c) sowie Erstellen von zumindest einem zweiten Oberflächenprofil (50; 50a-c) durch Abtasten der Oberfläche (42) der Werkstückanordnung (22; 22a-c) in zumindest einer zweiten Messebene (52; 52a-c); wobei die zweite Messebene (52; 52a-c) quer oder senkrecht zu der ersten Messebene (44; 44a-c) ausgerichtet ist; c) Ermitteln (54) von zumindest einer ersten charakteristischen Profiländerung (56) in dem zumindest einen ersten Oberflächenprofil (40; 40a-c) und zumindest einer zweiten charakteristischen Profiländerung (58) in dem zumindest einen zweiten Oberflächenprofil (50; 50a-c); d) Bestimmen (60) zumindest einer Soll-Bearbeitungskoordinate (62) in Abhängigkeit der zumindest einen ersten Profiländerung (56) und der zumindest einen zweiten Profiländerung (58).
2. Computergestütztes Verfahren (10) nach Anspruch 1 , wobei die zumindest eine erste Messebene (44; 44a-c) einen Messabstand (91 ), insbesondere entlang der zumindest einen zweiten Messebene (52; 52a-c), zu der vorbestimmten Bearbeitungskoordinate (36) aufweist.
3. Computergestütztes Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein weiteres erstes Oberflächenprofil (40; 40a-c) durch Abtasten der Oberfläche (42) der Werkstückanordnung (22; 22a-c) in zumindest einer weiteren ersten Messebene (90) erstellt wird; wobei die zumindest eine weitere erste Messebene (90) parallel zu der zumindest einen ersten Messebene (44; 44a-c) ausgebildet ist.
4. Computergestütztes Verfahren (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei in dem Verfahrensschritt c) aus dem zumindest einen ersten Oberflächenprofil (40; 40a-c) und/oder dem zumindest einen ersten Oberflächenprofil (40; 40a-c) und dem zumindest einen weiteren ersten Oberflächenprofil (40; 40a-c) eine Soll- Bearbeitungsbahn (84) ermittelt wird.
5. Computergestütztes Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein weiteres zweites Oberflächenprofil (50; 50a-c) durch Abtasten der Oberfläche (42) der Werkstückanordnung (22; 22a-c) in zumindest einer weiteren zweiten Messebene (86) erstellt wird; wobei die zumindest eine weitere zweite Messebene (86) parallel zu der zumindest einen zweiten Messebene (52; 52a-c) ausgebildet ist.
6. Computergestütztes Verfahren (10) nach Anspruch 3 bis 5, wobei mehrere, insbesondere eine Vielzahl an, weiteren ersten Oberflächenprofilen (40; 40a-c) und/oder weiteren zweiten Oberflächenprofilen (50; 50a-c) erstellt werden.
7. Computergestütztes Verfahren (10) nach Anspruch 6, wobei die ersten Messebenen (44; 44a-c; 90) und/oder die zweiten Messebenen (52; 52a-c; 86) jeweils gleich beabstandet zueinander ausgebildet sind.
8. Computergestütztes Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messebenen (44; 44a-c; 52; 52a-c; 86; 90) ein rechteckiges, insbesondere quadratisches, Messfeld (72) auf der Oberfläche (42) der Werkstückanordnung (22; 22a-c) ausbilden.
9. Computergestütztes Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt c) ein Kontaktfugenanfang (89) und/oder ein Kontaktfugenende aus dem zumindest einen ersten Oberflächenprofil (40; 40a-c) und/oder aus dem zumindest einen zweiten Oberflächenprofil 50; 50a-c) ermittelt wird; wobei die Soll-Bearbeitungskoordinate (62) als der Kontaktfugenanfang (89) oder das Kontaktfugenende bestimmt wird.
10. Computergestütztes Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Durchführung des Verfahrens (10) optische Kohärenztomographie verwendet wird.
11 . Computergestütztes Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verfahrensschritte a) bis d) für mehrere, insbesondere jede, vorbestimmte Bearbeitungskoordinate (36) entlang einer vorbestimmten Bearbeitungsbahn (32) der Bearbeitungsoptik (12) durchgeführt werden.
12. Computergestütztes Verfahren (10) nach Anspruch 11 , wobei die Verfahrensschritte a) bis d) bei einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit des Sensors (26) entlang der vorbestimmten Bearbeitungsbahn (32) und/oder einer Soll-Bearbeitungsbahn (84) durchgeführt werden.
13. Messanordnung (70; 70a-c) mit einem einen Sensor (26) aufweisenden Messsystem (28) und einer aus zwei Werkstücken (18, 20) ausgebildeten Werkstückanordnung (22; 22a-c), wobei das Messsystem (28) zum Durchführen eines computergestützten Verfahrens (10) nah einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
14. Fertigungssystem (64) mit einer Laserbearbeitungsmaschine (14) und einer Messanordnung (70; 70a-c) nach Anspruch 13, wobei der Sensor (26) des Messsystems (28) an einer Bearbeitungsoptik (12) der Laserbearbeitungsmaschine (14) angeordnet ist.
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