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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses entlang eines Hauptbearbeitungspfades auf einem Werkstück mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst insbesondere:
- – eine Bearbeitungsstrahlquelle,
- – einen Bearbeitungsstrahloptik zum Führen des Bearbeitungsstrahls zu einer Bearbeitungsposition auf dem Werkstück,
- – eine Visualisierungsstrahloptik zum Führen eines von dem Werkstück ausgehenden Visualisierungsstrahls zu einer Visualisierungsvorrichtung,
- – wobei die Bearbeitungsstrahloptik und die Visualisierungsstrahloptik eine gemeinsame Ablenkvorrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, beim Bearbeiten entlang des Hauptbearbeitungspfades den Bearbeitungsstrahl derart abzulenken, dass die Bearbeitungsposition zumindest temporär abseits des Hauptbearbeitungspfades liegt.
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Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und dienen beispielweise zum Durchführen von Schweißbearbeitungen. Insbesondere kommen bei derartigen Vorrichtungen Laserstrahlen als Bearbeitungsstrahlen zum Einsatz. Die Bearbeitungsstrahlquelle kann in Form einer Schnittstelle für ein Lichtleitkabel bereitgestellt sein, in dem ein Laserstrahl geführt wird. Die Bearbeitungsstrahloptik kann mit an sich bekannten Anordnungen aus optischen Linsen und Spiegeln ausgebildet sein und definiert den geometrischen Strahlengang innerhalb der Vorrichtung bzw. zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück. Die Ablenkvorrichtung kann in Form bekannter Scanner- oder Ablenkspiegelanordnungen ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine zentrale Ablenkvorrichtung vorgesehen sein und der Bearbeitungsstrahl sowie der Visualisierungsstrahl können in koaxial ineinander gekoppelter Weise mit der zentralen Ablenkvorrichtung wechselwirken und gemeinsam durch diese abgelenkt werden.
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Die Visualisierungsvorrichtung kann ferner in bekannter Weise Bildinformation anhand des Visualisierungsstrahls ableiten, beispielsweise mittels eines Bildsensors, und somit ein Bild des bearbeiteten Werkstücks an der Bearbeitungsposition erzeugen. Dadurch kann die Visualisierungsvorrichtung eine aktuelle Ist-Bearbeitungsposition des Bearbeitungsstrahls erfassen. Dabei kann der Visualisierungsstrahl insbesondere von während des Bearbeitungsprozesses reflektiertem oder emittiertem Licht gebildet werden.
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Der bei derartigen Bearbeitungsprozessen vorgesehene Hauptbearbeitungspfad beschreibt typischerweise eine Sollkurve bzw. einen Sollverlauf auf dem Werkstück, dem die Bearbeitungsposition weitestgehend folgen soll. Der Verlauf des Hauptbearbeitungspfads kann in Form von Informationsdaten in der Vorrichtung hinterlegbar sein, beispielsweise in Form von NC- oder CAD-Daten. Alternativ oder zusätzlich kann der Verlauf des Hauptbearbeitungspfades erst bei der Bearbeitung anhand der von der Visualisierungsvorrichtung gewonnen Bildinformationen ermittelt werden, beispielweise wenn ein Werkstückstoß zwischen zwei Werkstücken oder eine Nahtfuge bzw. eine Fügekante existieren, die den Sollverlauf einer Schweiß- oder Lötnaht vorgeben.
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Zum Führen des Bearbeitungsstrahls entlang des Hauptbearbeitungspfades kann die Vorrichtung relativ zum Werkstück bewegt werden, beispielsweise mittels einer Führungseinrichtung in Form eines gesteuerten Industrieroboters. Alternativ oder zusätzlich kann der Bearbeitungsstrahl in bekannter Weise mittels der Ablenkvorrichtung an verschiedenen Bearbeitungspositionen entlang des Hauptbearbeitungspfades auf dem Werkstück positioniert werden.
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Es ist ferner bekannt, den Bearbeitungsprozess durch anhand von mit der Visualisierungsvorrichtung gewonnen Bildinformationen zu überwachen und bei Bedarf zu korrigieren. So kann anhand der Bildinformationen ein Abgleich der Ist-Bearbeitungsposition und einer Soll-Bearbeitungsposition vorgenommen werden, wobei die Soll-Bearbeitungsposition beispielweise durch den Hauptbearbeitungspfad vorgegeben ist. Falls unerwünschte Abweichungen festgestellt werden, können Gegenmaßnahmen wie eine Anpassung oder Korrektur des Ablenkwinkels der Ablenkvorrichtung getroffen werden. Dies ermöglicht insgesamt eine Positionsregelung des Bearbeitungsstrahles auf dem Werkstück.
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Insbesondere im Bereich von Laserschweißprozessen werden derartige Bearbeitungsprozesse vermehrt derart durchgeführt, dass die Bearbeitung makroskopisch betrachtet weiterhin im Wesentlichen entlang eines durch den Stoß zweier miteinander zu verschweißender Werkstücke vorgegebenen Hauptbearbeitungspfades erfolgt, so dass beispielweise eine langgestreckte Schweißnaht entlang des Werkstückstoßes erzeugt wird. Bei genauerer Betrachtung wird der Bearbeitungsstrahl aber oszillierend kreuzend um Werkstückstoß herum und durch diesen hindurch geführt. Der Bearbeitungsstrahl wird dabei jedoch zumindest temporär auch abseits, d. h. auf beiden Seiten, dieses durch den Werkstückstoß vorgegebenen Hauptbearbeitungspfades geführt. Ebenso kann der Bearbeitungsstrahl entlang des Hauptbearbeitungspfades in eine Vorwärtsrichtung geführt werden, wobei die Vorwärtsbewegung zumindest vorrübergehend unterbrochen werden kann, nämlich dadurch, dass der Bearbeitungsstrahl um einen gewissen Streckenbetrag entgegen der Vorwärtsrichtung entlang des Hauptbearbeitungspfades zurückbewegt wird. Anschließend wird die Vorwärtsbewegung erneut fortgesetzt. Mit anderen Worten kann der Bearbeitungsstrahl also oszillierend entlang des Hauptbearbeitungspfades vorwärts und rückwärts geführt werden.
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Bei diesen Varianten werden die Ablenk- bzw. Führungsbewegung des Bearbeitungsstrahls entlang des Hauptbearbeitungspfades mit anderen Bewegungskomponenten überlagert, insbesondere mit Bewegungen, die eine Querkomponente zu dem Verlauf des Hauptbearbeitungspfades umfassen oder eine einer Vorwärtsrichtung entgegengesetzte Komponente. Der von den Bearbeitungspositionen tatsächlich zu durchlaufende Sollverlauf entspricht somit zumindest abschnittsweise nicht vollständig dem des Hauptbearbeitungspfades, weist aber relativ zu diesem allgemein einen vorbestimmten Verlauf auf. Der Hauptbearbeitungspfad stellt in diesen Fällen also einen Referenzpfad dar, der den Hauptverlauf des gewünschten Bearbeitungsergebnisses vorgibt, während eine tatsächlich von den Bearbeitungspositionen definierte Bearbeitungsbahn lokal vom Hauptbearbeitungspfad abweichen kann oder diesem zumindest nicht im Rahmen einer kontinuierlichen Vorwärtsbewegung folgt.
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Im Fachgebiet des Laserschweißens wird eine derartige Prozessführung auch als ”Wobbeln” bezeichnet und allgemein als vorteilhaft zum Erzielen einer besonders hohen Schweißnahtgüte oder zum Überbrücken großer Spaltweiten angesehen.
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Das Ablenken des Bearbeitungsstrahls und Visualisierungsstrahls in weiteren, dem Verlauf des Hauptbearbeitungspfades überlagerten Richtungen stellt jedoch hohe Anforderungen an die Prozessüberwachung und -regelung mittels bekannter Visualisierungsvorrichtungen. Soll beispielsweise eine weitestgehend kontinuierliche oder zumindest regelmäßige visuelle Prozessüberwachung erfolgen, muss der mittels der Visualisierungsvorrichtung erfassbare Gesamtbildbereich ausreichend groß gewählt werden, damit eine Überwachung in sämtlichen abseits des Hauptbearbeitungspfades liegenden Bearbeitungspositionen erfolgen kann. Auch die Auswertung ist entsprechend aufwändig.
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Derartige Lösungen sind derzeit auf dem Markt verfügbar, beispielsweise in Form des Schweißkopfes YW-52 der Fa. Precitec GmbH & Co. KG. Bei dieser Lösung wird ein Bearbeitungsstrahl bei einem Wobbelverfahren kontinuierlich entlang eines Hauptbearbeitungspfades bewegt und dabei relativ zu diesem ausgelenkt. Dabei ist ferner ein bezüglich seiner Ausrichtung im Wesentlichen unveränderlicher Visualisierungsstrahl innerhalb des Schweißkopfes vorgesehen. Die Relativanordnung der Bearbeitungsposition innerhalb des erfassbaren Gesamtbildbereichs ändert sich somit mit jeder Ablenkung des Bearbeitungsstrahls. Um sämtliche einstellbaren Bearbeitungspositionen des Bearbeitungsstrahls mit einer solchen Vorrichtung erfassen zu können, muss ein entsprechend großer erfassbarer Gesamtbildbereich bereitgestellt werden. Dies erhöht die Kosten und die Komplexität bei der Erfassung und der Auswertung der Bildinformationen.
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Wird in Abweichung von diesem bekannten Prinzip der von der Visualisierungsvorrichtung ausgewertete Visualisierungsstrahl auch über die Ablenkvorrichtung geführt, so ist mit herkömmlichen Visualisierungsvorrichtungen eine Auswertung nicht möglich.
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Als weiterer Stand der Technik zum Hintergrund der vorliegenden Erfindung wird ferner auf das Dokument
DE 10 2009 057 209 A1 und
DE 10 2011 119 478 A1 verwiesen. Beide Dokumente beschreiben eine Möglichkeit zur Überwachung und Regelung von Laserschweißprozessen mit Hilfe von Kameratechnik. Sie eignen sich jedoch nicht für die Überwachung von Laserschweißprozessen, bei denen die oben beschriebene Wobbel-Technik eingesetzt wird.
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Aus dem Dokument
DE 20 2006 005 916 U1 ist eine Überwachungseinrichtung für eine Strahleinrichtung bekannt, die einen beweglichen Strahlkopf sowie eine daran anbaubare Sensoreinrichtung aufweist. Die Sensoreinrichtung umfasst ferner eine steuerbare Stelleinrichtung für einen Bildaufnehmer und eine Projektionseinrichtung. Das Dokument
DE 10 2010 029 477 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserfügen von Blechteilen mit jeweils einem Flansch, wobei die Blechteile im Bereich des Verbindungsflansches gespannt und stirnseitig verschweißt werden. Aus dem Dokument
DE 10 2004 001 168 A1 ist ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nahtführung beim Laserschweißen bekannt, bei der eine Werkstückoberfläche entlang einer vorgegebenen Schweißbahn mittels optischer Elemente untersucht wird. Die Untersuchung der Werkstückoberfläche erfolgt dabei zumindest in deren Nähe über dieselben optischen Elemente, mittels derer auch der Laserstrahl geführt wird.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine einfachere und kostengünstigere Prozessüberwachung und Prozessregelung insbesondere bei den vorstehend beschriebenen Wobbelbearbeitungsprozessen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art gelöst, bei der die Ablenkvorrichtung ferner dazu eingerichtet ist, den Visualisierungsstrahl abzulenken, wobei dieser die aktuelle Bearbeitungsposition wiedergibt, und bei der die Visualisierungsvorrichtung eine Erfassungseinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, den Visualisierungsstrahl unter Berücksichtigung eines Betriebszustandes der Ablenkvorrichtung zu erfassen. Die Erfindung sieht also vor, dass der Visualisierungsstrahl mit dem Bearbeitungsstrahl zumindest abschnittsweise über dieselbe Strahloptik geführt und mit der darin vorhandenen Ablenkvorrichtung abgelenkt wird, sodass die Bearbeitungsposition und der mittels der Visualisierungsvorrichtung erfassbare Gesamtbildbereich stets in derselben räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind. Dies begrenzt entsprechend die Anforderungen an die Größe des mittels der Visualisierungsvorrichtung zu erfassenden Gesamtbildbereiches und an die Komplexität der Auswertung. Zusätzlich wird über die Erfassungseinheit der aktuelle Betriebszustand der Ablenkvorrichtung ermittelt und an die Visualisierungseinrichtung rückgekoppelt. Dabei kann über einen entsprechenden Auswertungsalgorithmus die Ablenkbewegung des Visualisierungsstrahls bei der Auswertung berücksichtigt werden, beispielsweise „kompensiert” werden. Dadurch ist es möglich, trotz der Tatsache, dass der Visualisierungsstrahl zusammen mit dem Bearbeitungsstrahl über die Ablenkvorrichtung im Rahmen einer Wobbelbewegung ausgelenkt wird, eine zuverlässige Prozessüberwachung durchzuführen. Die Erfassung des Betriebszustandes der Ablenkvorrichtung erfolgt beispielsweise anhand von Steuerdaten des die Ablenkvorrichtung antreibenden Motors oder durch eine gesonderte Überwachung von Parametern der Ablenkvorrichtung.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Erfassungseinheit dazu eingerichtet ist, den Visualisierungsstrahl in Abhängigkeit einer vorbestimmten Beziehung zwischen der aktuellen Bearbeitungsposition und dem Hauptbearbeitungspfad zu erfassen.
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So ist es erfindungsgemäß möglich, dass die Ablenkvorrichtung dazu eingerichtet ist, bei einem Bearbeiten entlang des Hauptbearbeitungspfades den Bearbeitungsstrahl und Visualisierungsstrahl in oszillierender Weise relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad abzulenken. Dabei ist unter der oszillierenden Relativablenkung insbesondere eine Oszillation um den Hauptbearbeitungspfad zu verstehen, wobei der Hauptbearbeitungspfad eine Mittellinie bzw. Nulllage der Oszillationsbewegung definiert. Die Oszillation kann insbesondere in Form einer pendelnden, sinusförmigen oder kreis- bzw. helixförmigen Bewegung erfolgen. Ebenso kann eine Oszillation entlang des Hauptbearbeitungspfades erfolgen, zum Beispiel in der vorstehend beschriebenen Weise, bei der der Bearbeitungsstrahl oszillerend vorwärts und rückwärts entlang des Hauptbearbeitungspfades geführt wird. Dabei kann der Bearbeitungsstrahl sozusagen entlang des Hauptbearbeitungspfades pendeln und zum Beispiel abwechselnd um einen bestimmten Streckenbetrag vorwärts und um einen im Vergleich kleineren Streckenbetrag rückwärts geführt werden. Durch derartige oszillierende Auslenkungen lassen sich besonders vorteilhafte Prozesseigenschaften und -ergebnisse erzielen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht ferner vor, dass die Visualisierungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, aus dem Visualisierungsstrahl Informationen bezüglich einer von dem Bearbeitungsstrahl auf dem Werkstück aktuell eingenommenen Bearbeitungsposition abzuleiten. Mit anderen Worten kann die Visualisierungsvorrichtung bei dieser Variante eine aktuelle Ist-Bearbeitungsposition des Bearbeitungsstrahls ermitteln.
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In diesem Zusammenhang kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, anhand der abgeleiteten Informationen eine Abweichung der aktuellen Bearbeitungsposition von einer Soll-Bearbeitungsposition zu ermitteln. Beispielsweise können in einer Steuerungskomponente der Vorrichtung Informationen bezüglicher aktueller Soll-Bearbeitungspositionen hinterlegt sein oder ermittelt werden. So kann die Erfassungseinheit dazu eingerichtet sein, den Hauptbearbeitungspfad anhand einer Nahtfuge oder eines Werkstückstoßes zu bestimmen, woraufhin in Kenntnis eines vorbestimmten Sollverhältnisses einer Ablenk- oder Oszillationsbewegung des Bearbeitungsstrahls relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad aktuelle Soll-Bearbeitungspositionen ermittelt werden können. Im Ergebnis kann somit ein Abgleich zwischen einer erfassten Ist- und Soll-Bearbeitungsposition durchgeführt werden und eine etwaige Abweichung ermittelt werden. Ferner kann die Vorrichtung erfindungsgemäß dazu eingerichtet sein, anhand der ermittelten Abweichung eine Positionsregelung des Bearbeitungsstrahls vorzunehmen. Dies kann zum Beispiel durch eine Korrektur der aktuellen Ablenkstellung der Ablenkvorrichtung erfolgen.
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Der berücksichtigte Betriebszustand der Ablenkvorrichtung kann eine aktuelle Ablenkstellung oder einen Ablenkwinkel der Ablenkvorrichtung einschließen, aus denen sich Informationen bezüglich einer aktuellen Bearbeitungsposition bzw. eines ”Blickwinkels” des zusammen mit dem Bearbeitungsstrahl ausgelenkten Visualisierungsstrahls auf das Werkstück gewinnen lassen.
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Erfindungsgemäß kann das Erfassen von Bildinformationen nur in selektiven Ablenkstellungen bzw. zu selektiven Zeitpunkten ausgeführt werden, beispielsweise nur dann, wenn die dadurch gewonnen Bildinformationen mit geringem Berechnungsaufwand und hoher Präzision auswertbar sind. Durch dieses selektive Vorgehen kann vermieden werden, dass kontinuierlich auszuwertende Bildinformationen generiert werden, deren Auswertung komplex ist oder zu Ergebnissen mit geringer Präzision führt.
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Gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung ist es möglich, die Erfassungseinheit nur dann zu aktivieren oder anzusteuern, wenn die Bearbeitungsposition und der Hauptbearbeitungspfad ein besonderes Verhältnis aufweisen, insbesondere eine spezifische Relativposition zueinander. Beispielsweise kann die Erfassungseinheit dazu eingerichtet sein, nur dann eine Erfassung vorzunehmen, wenn die aktuelle Bearbeitungsposition in unmittelbarer Nähe des Hauptbearbeitungspfades angeordnet ist oder wenn die Bearbeitungsposition eine maximale Auslenkung relativ zum Hauptbearbeitungspfad einnimmt, beispielsweise einen oberen oder unteren Umkehrpunkt bei einer pendelnden Oszillation um den Hauptbearbeitungspfad. Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann in diesem Zusammenhang ferner vorgesehen sein, dass die Erfassungseinheit dazu eingerichtet ist, den Visualisierungsstrahl zumindest dann zu erfassen, wenn die Bearbeitungsposition und der Hauptbearbeitungspfad zusammenfallen.
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Mittels den vorstehenden genannten Erfindungsvarianten kann gewährleistet werden, dass der Visualisierungsstrahl zum Zeitpunkt einer Bilderfassung mittels der Erfassungseinheit eine jeweils konstante oder zumindest im Wesentlichen konstante Relativsollposition zum Hauptbearbeitungspfad aufweist. Außerdem bleibt die Position des Hauptbearbeitungspfades innerhalb des erfassbaren Gesamtbildbereiches weitestgehend unveränderlich. Mit anderen Worten werden bei bestimmten Auslenkungen des Visualisierungsstrahls abseits vom Hauptbearbeitungspfad bewusst keine Erfassungen mittels der Erfassungseinheit vorgenommen, um die geschilderten Probleme bei der Bildauswertung zu vermeiden. So lassen sich einfach tatsächliche Abweichungen der Istpostion des mit dem Visualisierungsstrahl zusammenfallenden Bearbeitungsstrahls von seinen Sollpostionen auf dem Hauptbearbeitungspfad erfassen, was eine zuverlässige Prozessregelung des Bearbeitungsstrahls erlaubt.
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Es kann erfindungsgemäß ebenso vorgesehen sein, zwischen einer Bilderfassung zur Prozessüberwachung im Sinne einer Prozessregelung des Bearbeitungsstrahls und einer Bilderfassung zur allgemeinen Qualitätsüberwachung des Bearbeitungsprozesses zu differenzieren. Demnach können mit der Visualisierungsvorrichtung während der Bearbeitung weitestgehend kontinuierlich Bilder erfasst werden, um in bekannter Weise eine Qualitätsüberwachung des Bearbeitungsprozesses vorzunehmen. Die Bilderfassung für eine Prozessregelung des Bearbeitungsstrahls kann jedoch, wie vorstehend beschrieben, nur in selektiven Bearbeitungsphasen und in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Ablenkvorrichtung erfolgen.
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Die Erfassungseinheit kann zum Beispiel in Reaktion auf ein Auslösesignal, das dann erzeugt wird, wenn der Motor der Ablenkvorrichtung eine bestimmte Position einnimmt und den Visualisierungsstrahl bevorzugt ausrichtet, eine selektive Bilderfassung zur Positionsregelung vornehmen. Dies kann auch unter einem vorrübergehenden Zuschalten einer zusätzlichen Beleuchtung des Werkstückes an der aktuellen Bearbeitungsposition erfolgen. Anschließend können weitere Bilder zur allgemeinen Qualitätsüberwachung erfasst werden, wobei dies vorzugsweise nur anhand der von dem Bearbeitungsprozess ausgehenden Prozesslichtstrahlung und ohne eine zusätzliche Beleuchtung erfolgt. Dieses Vorgehen kann zyklisch wiederholt werden, sodass zwischen diesen beiden Bilderfassungsmodi in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Ablenkvorrichtung kontinuierlich gewechselt wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Erfassungseinheit dazu eingerichtet ist, innerhalb eines von der Visualisierungsvorrichtung erfassbaren Gesamtbildbereichs einen Teilerfassungsbereich festzulegen, wobei der Teilerfassungsbereich nach Maßgabe des Betriebszustandes der Ablenkvorrichtung veränderbar ist. Gemäß dieser Weiterbildung ist die Erfassungseinheit dazu eingerichtet, einen Teilausschnitt aus dem erfassbaren Gesamtbildbereich für die Prozessüberwachung auszuwählen und an den Betriebszustand der Ablenkvorrichtung anzupassen oder damit zu synchronisieren.
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In diesem Zusammenhang sieht eine Weiterbildung der Erfindung ferner vor, dass die Position und/oder Ausdehnung des Teilerfassungsbereichs innerhalb des Gesamtbildbereichs veränderbar ist. Dabei kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass zumindest die Position des Teilerfassungsbereichs derart veränderbar ist, dass dieser stets den Hauptbearbeitungspfad einschließt. Dies gewährleistet, dass für die Prozessüberwachung stets eine Relativposition von Ist-Bearbeitungsposition und Hauptbearbeitungspfad erfasst werden kann. In diesem Zusammenhang kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die Position des Teilerfassungsbereichs derart veränderbar ist, dass der Hauptbearbeitungspfad stets gleichartig innerhalb des Teilerfassungsbereichs angeordnet ist.
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Bei den vorstehend genannten Varianten mit einem veränderlichen Teilerfassungsbereich kann eine Ablenkung des Visualisierungsstrahls durch Anpassung des Teilerfassungsbereichs sozusagen rechnerisch zumindest teilweise kompensiert werden, sodass insbesondere eine Relativanordnung vom Hauptbearbeitungspfad innerhalb des erfassten bzw. auszuwertenden Teilerfassungsbereichs unveränderlich bleibt. Auch dies mindert die Komplexität der Bildauswertung und visuellen Prozessüberwachung.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erfassungseinheit eine Kompensations-Ablenkvorrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, derart phasenverschoben zu der Ablenkvorrichtung zu agieren, dass die Lage des Hauptbearbeitungspfades innerhalb des erfassbaren Gesamtbildbereiches im Wesentlichen konstant bleibt. Bei dieser Variante wird eine weitere Ablenkvorrichtung in Form der Kompensations-Ablenkvorrichtung eingesetzt, um die mittels der Ablenkvorrichtung auf den Visualisierungsstrahl applizierten Veränderungen zu kompensieren, bevor der Visualisierungsstrahl auf die Visualisierungsvorrichtung trifft.
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Bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ferner eine Beleuchtungsquelle, die einen Beleuchtungsstrahl bereitstellt, und einen Beleuchtungsstrahloptik zum Führen des Beleuchtungsstrahls auf das Werkstück umfasst. Durch Bereitstellen eines zusätzlichen Beleuchtungsstrahls kann gewährleistet werden, dass ein ausreichend intensiver Visualisierungsstrahl und insbesondere ein Visualisierungsstrahl mit bekannten Eigenschaften erzeugt wird, die bei der Erfassung oder Führung des Beleuchtungsstrahlenganges entsprechend berücksichtigt werden können.
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In diesem Zusammenhang kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die Ablenkvorrichtung dazu eingerichtet ist, den Beleuchtungsstrahl in gleicher Weise wie den Bearbeitungsstrahl und den Visualisierungsstrahl abzulenken. Bei dieser Variante kann insbesondere vorgesehen sein, dass die genannten Strahlengänge vor der Ablenkvorrichtung durch an sich bekannte Spiegel- bzw. Linsenanordnungen ineinander eingekoppelt und anschließend auf eine gemeinsame Bearbeitungsposition gelenkt werden. Somit ist gewährleistet, dass auch der Beleuchtungsstrahl synchron mit dem Bearbeitungsstrahl bewegt wird und die aktuelle Bearbeitungsposition stets optimal ausgeleuchtet ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses entlang eines Hauptbearbeitungspfades auf einem Werkstück mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, vorzugsweise eines Laserstrahls, umfassend die Schritte:
- – Festlegen oder Erfassen eines Hauptbearbeitungspfades auf dem Werkstück;
- – Führen eines Bearbeitungsstrahls auf Bearbeitungspositionen auf dem Werkstück und Führen eines von diesen Bearbeitungspositionen ausgehenden Visualisierungsstrahls, derart, dass die Bearbeitungspositionen bei einem Bearbeiten entlang des Hauptbearbeitungspfades zumindest temporär abseits des Hauptbearbeitungspfades liegen, und
- – Erfassen des Visualisierungsstrahls unter Berücksichtigung der aktuellen Position des Bearbeitungsstrahls.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es stellen dar:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sowie eine schematische Darstellung eines Bearbeitungsprozesses samt visueller Prozessüberwachung;
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2A–C jeweils schematische Darstellungen eines mit der Vorrichtung gemäß
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1 erfassbaren Gesamtbildbereiches für die visuelle Prozessüberwachung, wobei verschiedene Betriebsphasen einer Ablenkvorrichtung samt aktuell erfasster Teilerfassungsbereiche gezeigt sind; und
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3 eine schematische Darstellung der Kommunikationsverbindungen zwischen der Ablenkvorrichtung und der Visualisierungsvorrichtung, um deren Synchronisation zu ermöglichen.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt und allgemein mit 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 umfasst eine als Lichtleiter ausgebildete Schnittstelle 12 zum Einkoppeln eines Laserbearbeitungsstrahls 14. Ferner umfasst die Vorrichtung 10 eine Visualisierungsvorrichtung 16, die einen von dem Werkstück ausgehenden Visualisierungsstrahl 18 erfassen kann und an einer als optischer Ausgang ausgebildeten Schnittstelle 20 der Vorrichtung 10 angeordnet ist. Ebenso ist eine Beleuchtungsquelle 22 vorgesehen, die einen Beleuchtungsstrahl 24 über eine als Lichtleiter ausgebildete Schnittstelle 26 in die Vorrichtung 22 einleitet.
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Über eine in 1 schematisch dargestellte Anordnung von optischen Linsen und Spiegeln werden der Bearbeitungsstrahl 14, der Visualisierungsstrahl 18 und der Beleuchtungsstrahl 24 ineinander eingekoppelt und mittels einer Ablenkvorrichtung 30 in Form eines um zwei Achsen entsprechend den gezeigten Pfeilen räumlich bewegbaren Scannerspiegels synchron auf verschiedene Bearbeitungspositionen 32 auf einem Werkstück 34 gelenkt, wie nachfolgend ausführlich beschrieben.
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Der Bearbeitungsstrahl 14 tritt über die als Lichtleiter ausgebildete Schnittstelle 12 in die Vorrichtung 10 ein und wird mittels einer Kollimationslinse 36 parallel gerichtet. Anschließend trifft er auf einen ersten Strahlteilerspiegel 38, von dem aus er eine Fokuslinse 39 durchläuft und auf die Ablenkvorrichtung 30 gelenkt wird.
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Der Beleuchtungsstrahl 24 tritt über die als Lichtleiter ausgebildete Schnittstelle 26 in das Innere der Vorrichtung 10 ein und durchtritt einen zweiten Strahlteilerspiegel 40, der in bekannter Weise in Form eines Lochspiegels ausgebildet ist. Danach durchtritt der Beleuchtungsstrahl 24 ebenso den ersten Strahlteilerspiegel 38, wodurch er in den Bearbeitungsstrahl 14 eingekoppelt wird und nach Durchlaufen der Fokuslinse 39 koaxial mit dem Bearbeitungsstrahl 14 auf die Ablenkvorrichtung 30 trifft.
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Der Visualisierungsstrahl 18 geht von einer Bearbeitungsposition 32 auf dem Werkstück 34 aus und wird von der Ablenkvorrichtung 30 auf den ersten Strahlteilerspiegel 38 gelenkt, der undurchlässig für Wellenlängenbereiche des Bearbeitungsstrahls 14 ist, jedoch zumindest teilweise durchlässig für Wellenlängenbereiche des Visualisierungsstrahls 18. Über den zweiten Strahlteilerspiegel 40 kann durch dessen Ausgestaltung als Lochspiegel in bekannter Weise gewährleistet werden, dass der Visualisierungsstrahl 18 in Richtung der Visualisierungsvorrichtung 16 abgelenkt wird und nicht in Richtung der Beleuchtungsquelle 22 weiterverläuft. Ausgehend von dem zweiten Strahlteilerspiegel 40 durchläuft der Visualisierungsstrahl 18 eine Kameralinse 42 und wird mittels eines feststehenden Ablenkspiegels 44 in Richtung der Visualisierungsvorrichtung 16 umgelenkt.
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Die vorstehend beschriebenen Verläufe von Bearbeitungsstrahl 14, Beleuchtungsstrahl 24 und Visualisierungsstrahlen 18, wie durch die optischen Linsen und Spiegel vorgegeben, stellen die jeweiligen Bearbeitungs-, Visualisierungs- und Beleuchtungsstrahlengänge innerhalb der Vorrichtung 10 dar.
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Die Visualisierungsvorrichtung 16 ist in Form einer Kamera mit einer Erfassungseinheit 17 bereitgestellt, die einen Bildsensor umfasst. Die Erfassungseinheit 17 kann aus dem zurückgeworfenen Visualisierungsstrahl 18 ein Bild des bearbeiteten Werkstücks an der Bearbeitungsposition erzeugen und dieses auswerten. Bei der Auswertung wird dabei insbesondere eine aktuelle Ist-Bearbeitungsposition in Form einer aktuellen Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls 14 auf dem Werkstück 34 erfasst sowie deren Abstand bzw. Relativposition zu einem Hauptbearbeitungspfad 46, wie nachfolgend erläutert.
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Die Beleuchtungsquelle ist in Form einer Laserdiode ausgebildet und sendet Licht mit einer spezifischen Wellenlänge aus, das von dem Werkstück 34 reflektiert wird. Die Transmissionseigenschaften des ersten Strahlteilerspiegels 38 sind derart gewählt, dass zumindest Licht im Wellenlängebereich des Beleuchtungsstrahls 24 hindurchtreten kann. Somit entspricht der die Visualisierungsvorrichtung 16 erreichende Visualisierungsstrahl 18 weitestgehend dem von dem Werkstück 34 reflektierten Beleuchtungsstrahl 24.
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Im unteren Bereich von 1 ist ein zu bearbeitendes Werkstück 34 dargestellt. Dieses umfasst zwei rechteckige Teilwerkstücke 48, die einander entlang eines Werkstückstoßes bzw. einer Nahtfuge 50 kontaktieren. Im gezeigten Fall, soll entlang dieser Nahtfuge 50 eine Schweißnaht erzeugt werden, beispielsweise in Form einer Kehlnaht. Die Nahtfuge 50 gibt somit den Hauptbearbeitungspfad 46 vor, entlang dessen eine Schweißbearbeitung erfolgen soll. Der Verlauf und die Lage des Hauptbearbeitungspfades 46 können über den Visualisierungsstrahl 18 von der Visualisierungsvorrichtung 16 erfasst und der Prozessüberwachung in bekannter Weise als Referenz zugrunde gelegt werden.
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Ferner erkennt man in 1, dass zum Erzeugen der Schweißnaht die Bearbeitungspositionen 32 in Form einer Sinuskurve mittels der Ablenkvorrichtung 30 über das Werkstück gelenkt bzw. geführt werden. Dabei oszilliert die von den Bearbeitungspositionen 32 definierte Sinuskurvenbahn 52 um den Hauptbearbeitungspfad 46.
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Das Sollverhältnis der Bahn 52 zum Hauptbearbeitungspfad 46 ist vorbestimmt und beispielsweise in Form einer gewünschten Amplitude und Schwingungsperiode bezogen auf den Hauptbearbeitungspfad 46 definiert. Somit ist zu jedem Zeitpunkt ein Sollabstand zwischen der aktuellen Bearbeitungsposition 32 und dem Hauptbearbeitungspfad 46 in einer Richtung quer zu diesem vorgegeben und kann in bekannter Weise mittels der Visualisierungsvorrichtung 16 im Rahmen einer Prozessüberwachung ausgewertet werden.
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Da der Visualisierungsstrahl synchron mit dem Bearbeitungsstrahl über die Ablenkvorrichtung 30 entlang der Bahn 52 abgelenkt wird, verändert sich auch stets die ”Perspektive” der Visualisierungsvorrichtung 16 auf das Werkstück 34. Insbesondere wird die Relativposition zwischen dem Visualisierungsstrahl und Hauptbearbeitungspfad 46 kontinuierlich verändert, sodass sich dessen Position innerhalb eines mit der Visualisierungsvorrichtung 16 erfassbaren Gesamtbildbereichs 54 stetig verändert.
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Diese Situation verdeutlicht sich in den 2A–C. Darin stellt das äußere Rechteck 54 jeweils den von der Visualisierungsvorrichtung 16 erfassbaren Gesamtbildbereich 54 dar. Die Ziffern 1, 2 und 3 markieren mit der Erfassungseinheit 17 der Visualisierungsvorrichtung 16 erfasste Teilerfassungsbereiche 56 in den Phasen 1, 2 und 3, wie in 1 auf dem Werkstück 54 markiert. Die Phase 1 gibt den Zustand wieder, in dem der Bearbeitungsstrahl 14 den Hauptbearbeitungspfad 46 genau trifft. Die Phase 2 gibt den Zustand wieder, in dem der Bearbeitungsstrahl 14 in 1 maximal unterhalb des Hauptbearbeitungspfades 46 liegt. Die Phase 3 gibt den Zustand wieder, in dem der Bearbeitungsstrahl 14 in 1 maximal oberhalb des Hauptbearbeitungspfades 46 liegt. Der durchgezogene horizontale Strich innerhalb der Teilerfassungsbereiche 56 entspricht jeweils einem Abschnitt des erfassten Hauptbearbeitungspfads 46 bzw. der erfassten Nahtfuge 50.
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Durch synchrones und kontinuierliches Auslenken des Visualisierungsstrahls entlang der sinusförmigen Bahn 52 ändert sich die Lage des Bearbeitungspfad 46 innerhalb des erfassbaren Gesamtbildbereiches 54 je nach aktueller Stellung der Ablenkvorrichtung 30, wie aus einem Vergleich der 2A–C ersichtlich. Dies bedingt hohe Anforderungen an eine Bildauswertung, da der Bearbeitungspfad 46 beispielsweise zu jeder der Phasen 1, 2, 3 an einer anderen Stelle innerhalb des Gesamtbearbeitungsbereiches 54 identifiziert werden muss.
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Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist daher erfindungsgemäß vorgesehen, dass für die visuelle Prozessüberwachung nicht stets der erfassbare Gesamtbildbereich 54 herangezogen wird. Stattdessen werden durch die Erfassungseinheit 17 die vorstehend erwähnten Teilerfassungsbereiche 56 definiert und nach Maßgabe bzw. in Abhängigkeit einer aktuellen Ablenkstellung der Ablenkvorrichtung 30 variiert.
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Dies ist ebenfalls aus den 2A–C ersichtlich, bei der die Teilerfassungsbereiche 56 in Abhängigkeit der aktuellen, durch die Ziffern 1, 2 und 3 angedeuteten Bearbeitungsphasen jeweils unterschiedlich innerhalb des Gesamtbildbereiches 54 positioniert sind. In der Berarbeitungsphase gemäß 2A erfolgt die Visualisierung über den Visualisierungsstrahl und den über diesen erfassten Teilerfassungsbereich 56 zu einem Zeitpunkt, als der Bearbeitungsstrahl gerade den Hauptbearbeitungspfad 46 (d. h. die Fügekante) trifft. In der Berarbeitungsphase gemäß 2B erfolgt die Visualisierung über den Visualisierungsstrahl und den über diesen erfassten Teilerfassungsbereich 56 zu einem Zeitpunkt, als der Bearbeitungsstrahl maximal ”unterhalb” (1) des Hauptbearbeitungspfads 46 (d. h. der Fügekante) liegt. In der Berarbeitungsphase gemäß 2C erfolgt die Visualisierung über den Visualisierungsstrahl und den über diesen erfassten Teilerfassungsbereich 56 zu einem Zeitpunkt, als der Bearbeitungsstrahl maximal ”oberhalb” (1) des Hauptbearbeitungspfads 46 (d. h. der Fügekante) liegt.
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Mit anderen Worten wird je nach aktueller „Perspektive” des Visualisierungsstrahls auf das Werkstück 34 die Position des tatsächlich zur Auswertung herangezogenen Teilerfassungsbereiches 56 variiert. Dies erfolgt im gezeigten Fall derart, dass die Lage des erfassten Abschnitts 46 des Hauptbearbeitungspfads innerhalb des Teilerfassungsbereiches 56 stets als mittig gewählt wird. Aus Sicht der Visualisierungsvorrichtung 16 bzw. der Erfassungseinheit 17 ist somit die Position des Hauptbearbeitungspfadabschnittes 46 innerhalb des jeweiligen Teilerfassungsbereichs 56 ”fest vorgegeben”, obwohl der Visualisierungsstrahl gemeinsam mit dem Bearbeitungsstrahl entlang der Bahn 52 oszilliert. Es erfolgt also eine rechnerische Kompensation der kontinuierlichen Ablenkung des Visualisierungsstrahls durch Verändern der Position des Teilerfassungsbereiches 56 in Abhängigkeit des Betriebszustands der Ablenkvorrichtung 30.
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Dies verdeutlicht sich auch aus der Darstellung der mit der Erfassungseinheit 17 tatsächlich erfassten Teilerfassungsbereiche 56 in 1. Durch die synchrone Ablenkung des Visualisierungsstrahls liegt das Zentrum des erfassbaren Gesamtbildbereiches 54 in den einzelnen Bearbeitungsphasen 1, 2 und 3 jeweils im Bearbeitungspunkt 32, sodass sich auch die Relativposition bzw. der Abstand dieses Zentrums zum Hauptbearbeitungspfad 46 stetig verändert. Durch das vorstehend beschriebene Anpassen der Position der Teilerfassungsbereiche 56 ist jedoch gewährleistet, dass der der Hauptbearbeitungspfad 46 stets mittig im tatsächlich erfassten Bildausschnitt 56 liegt. Im Ergebnis liegen, wie in 1 gezeigt, sämtliche in den einzelnen Bearbeitungsphasen 1, 2 und 3 erfassten Teilerfassungsbereiche 56 auf der gleichen Höhe. Mit anderen Worten wird aus Sicht der Erfassungseinheit 17 durch rechnerische Kompensation eine feststehende Position auf das bearbeitete Werkstück 34 erzeugt.
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In 3 ist eine schematische Darstellung von Kommunikationsverbindungen zwischen der Ablenkvorrichtung 30 und der Visualisierungsvorrichtung 16 gezeigt, mit der die vorstehend geschilderte Anpassung bzw. Synchronisation der Bilderfassung erreicht wird. In 3 sind als ausgewählte Komponenten der Ablenkvorrichtung 30 eine Steuerung 58 für die Ablenkvorrichtung 30 sowie ein Spiegelmotor 60 zur Variation des Ablenkwinkels bzw. der Ablenkstellung gezeigt. Der Spiegelmotor 60 wird über eine Kommunikationsverbindung 62 von der Steuerung 58 nach Maßgabe der vorgegebenen Bahn 52 angesteuert. Bezüglich der Visualisierungsvorrichtung 16 sind in 3 als ausgewählte Komponenten eine Steuerung 64 sowie eine Kameraanordnung 66 mit der Erfassungseinheit 17 gezeigt. Die Steuerung 64 gibt über die Kommunikationsverbindung 68 Steuersignale an die Erfassungseinheit 17 aus, beispielsweise bezüglich eines Auslösens einer Bilderfassung oder einer Anpassung der Position der Teilerfassungsbereiche 56.
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Ferner erkennt man in 3 die angedeuteten Verbindungen 70 und 72 zwischen den Steuerungen 58, 64 der Ablenkvorrichtung 30 und der Visualisierungsvorrichtung 16 bzw. zwischen dem Spiegelantriebsmotor 60 und der Erfassungseinheit 17. Über diese Verbindungen 70, 72 werden Signale bezüglich des aktuellen Betriebszustandes der Ablenkvorrichtung 30 an die Visualisierungsvorrichtung 16 ausgegeben, um die vorstehend beschriebene synchronisierte Bilderfassung zu ermöglichen. Dabei wird über die Verbindung 70 ein Positionssignal des Spiegelmotors 60 an die Erfassungseinheit 17 ausgegeben, woraus eine aktuelle Ablenkstellung der Ablenkvorrichtung 30 und somit eine aktuelle Bearbeitungsposition 32 entlang der Bahn 52 errechnet werden kann. Gleiches gilt für die Verbindung 72 zwischen den Steuerungen 58, 64 der Ablenkvorrichtung 30 und Visualisierungsvorrichtung 60. Es versteht sich, dass auch lediglich eine der gezeigten Verbindungen 70, 72 bereitgestellt sein kann, um die geschilderte Synchronisation von Bilderfassung und Ablenkstellung zu ermöglichen.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel ist es ebenso denkbar, dass die Bilderfassung lediglich in ausgewählten Zeitpunkten bzw. bei ausgewählten Ablenkstellungen der Ablenkvorrichtung 30 ausgeführt wird. Bezugnehmend auf 1 kann beispielsweise eine Bilderfassung nur in den mit 1 markierten Bearbeitungsphasen erfolgen, also dann, wenn die Bearbeitungsposition 32 und der Hauptbearbeitungspfad 46 zusammenfallen. Auch in diesem Fall ist gewährleistet, dass trotz kontinuierlichen Ablenkens des Visualisierungsstrahls aus Sicht der Erfassungseinheit 17 eine ”feststehender Perspektive” auf das Werkstück 34 erreicht wird.
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Bei dieser Variante können über die Verbindungen 70, 72 auch lediglich einzelne Triggersignale bereitgestellt werden, wenn der Spiegelmotor 60 und somit die Ablenkvorrichtung 30 eine vorbestimmte Positionen erreicht.
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Die mit der Erfassungseinheit 17 erfassten Bildinformationen werden anschließend dahingehend ausgewertet, dass eine aktuelle Ist-Bearbeitungsposition 32 des Bearbeitungsstrahls 14 ermittelt und mit einer der aktuellen Betriebsphase zugeordneten Soll-Bearbeitungsposition verglichen wird. Wird eine Abweichung festgellt, wird die Ablenkvorrichtung 30 im Rahmen einer Positionsregelung des Bearbeitungsstrahls 14 derart angesteuert, dass die ermittelte Abweichung durch eine korrigierte Ablenkung des Bearbeitungsstrahls 14 kompensiert wird.
