DE102017010055A1

DE102017010055A1 - Laserstrahlschweißen von geometrischen Figuren mit OCT-Nahtführung

Info

Publication number: DE102017010055A1
Application number: DE102017010055.1A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Lessmüller; Christian Truckenbrodt
Original assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Current assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2019-05-02
Also published as: US20190126388A1; US11103952B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (10) zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses, insbesondere eines Laserschweißprozesses. Die Messvorrichtung (10) ist mit einer Bearbeitungsvorrichtung (12) zum Bearbeiten eines Werkstücks (W) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (56) verbunden oder verbindbar, der entlang eines einer Kontur einer geschlossenen geometrischen Figur entsprechenden Hauptbearbeitungspfads (80) auf dem Werkstück (W) verlagerbar ist. Die Messvorrichtung (10) umfasst einen optischen Kohärenztomographen (16) mit einer Messstrahlquelle (26) zum Erzeugen eines optischen Messstrahls (28), der mittels wenigstens einer bewegbaren Ablenkeinrichtung (42, 64, 92) auf dem Werkstück (W) verlagerbar ist. Der optische Messstrahl (28) ist zum Erfassen von Messdaten mittels der wenigstens einen bewegbaren Ablenkeinrichtung (42, 64, 92) zumindest entlang einer ersten diskreten Messlinie (86), entlang einer zweiten diskreten Messlinie (88) und entlang einer dritten diskreten Messlinie (90) jeweils quer zu dem Hauptbearbeitungspfad (80), diesen schneidend, auf dem Werkstück (W) verlagerbar,wobei die Messvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, nach Maßgabe der erfassten Messdaten charakteristische Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad (80) dargestellten geometrischen Figur zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen, zum Zwecke des Steuerns, Regelns oder Überprüfens, eines Bearbeitungsprozesses, insbesondere eines Laserschweißprozesses. Ferner betrifft die Erfindung ein System zum Bearbeiten und Überwachen eines Werkstücks, das eine Bearbeitungsvorrichtung und eine Messvorrichtung umfasst. Die Messvorrichtung ist mit der Bearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten des Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls verbunden oder verbindbar, der entlang eines linienförmigen oder eines einer Kontur einer offenen oder geschlossenen geometrischen Figur entsprechenden Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück verlagerbar ist. Die Messvorrichtung umfasst einen optischen Kohärenztomographen mit einer Messstrahlquelle zum Erzeugen eines optischen Messstrahls, der mittels wenigstens einer bewegbaren Ablenkeinrichtung auf dem Werkstück verlagerbar ist.
Derartige Messvorrichtungen und Systeme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei bekannten Lasermaterialbearbeitungsprozessen wird ein hochenergetischer Bearbeitungsstrahl in Form eines Laserbearbeitungsstrahls mittels einer Bearbeitungsstrahlquelle der Bearbeitungsvorrichtung erzeugt, um auf ein oder mehrere Werkstücke oder Werkstückteile einzuwirken, etwa um diese im Bereich eines Überlappstoßes, einer Nahtfuge und/oder Fügekante miteinander zu verschweißen.
Die Messvorrichtung kann bekanntermaßen mit der Bearbeitungsvorrichtung gekoppelt und an einem Roboter angebracht sein, sodass diese gemeinsam mittels des Roboters in der Bearbeitungsrichtung entlang des Hauptbearbeitungspfads bewegt werden, wobei sich die Bearbeitungsrichtung je nach Verlauf des Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück während des Bearbeitens stetig oder unstetig ändern kann. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungsstrahl auch durch ein Verlagern des Bearbeitungsstrahls und/oder ein Bewegen des Werkstücks realisiert werden. Durch bewegbare Optiken, wie beispielsweise eine bewegbare Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung, kann der Bearbeitungsstrahl zusätzlich oder alternativ zu der Roboterbewegung auf dem Werkstück verlagert werden. Hierbei kann beispielsweise eine Oszillationsbewegung des optischen Messstrahls und/oder des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls erzeugt werden.
Aus dem Dokument DE 10 2001 016 519 A1 ist zum Beispiel eine Vorrichtung zum Steuern einer Bearbeitung eines Werkstücks bekannt, bei der eine Bearbeitungsstrahlfokuslinse senkrecht zu ihrer optischen Achse bewegbar ist, um einen Bearbeitungsstrahl auf dem Werkstück auszurichten. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Messlichtfokuslinse, die senkrecht zu ihrer optischen Achse bewegbar ist, um ein durch Messlicht erzeugtes Beleuchtungsfeld auf dem Werkstück zu verlagern.
Das im Stand der Technik zum Erfassen von Messdaten vermehrt Anwendung findende Verfahren der optischen Kohärenztomographie (engl.: Optical Coherence Tomography, OCT) basiert auf dem Grundprinzip der Interferenz von Lichtwellen und daraus resultierenden Effekten. Die optische Kohärenztomographie ermöglicht es, Höhenunterschiede entlang einer optischen Messstrahlachse im Mikrometerbereich zu erfassen. Dazu werden mittels der Messstrahlquelle des optischen Kohärenztomographen ein optischer Messstrahl und ein optischer Referenzstrahl erzeugt. Der optische Messstrahl durchläuft einen Messarm und trifft an einem Ende des Messarms auf das zu überwachende bzw. zu bearbeitende Werkstück. An diesem wird der optische Messstrahl zumindest teilweise reflektiert und an einen Strahlteiler des optischen Kohärenztomographen zurückgeführt. Der optische Referenzstrahl durchläuft einen Referenzarm und wird an einem Ende des Referenzarms zumindest teilweise reflektiert, woraufhin der reflektierte optische Referenzstrahl ebenfalls an den Strahlteiler zurückgeführt wird. Die Überlagerung des reflektierten optischen Messstrahls und des reflektierten optischen Referenzstrahls wird schließlich detektiert, um unter Berücksichtigung der Länge des Referenzarms Höheninformationen an dem jeweiligen Messpunkt auf dem Werkstück zu erhalten.
Vor diesem Hintergrund versteht sich, dass das Erfassen von Messdaten bzw. das Durchführen von Messungen mittels des optischen Messstrahls im Sinne der Erfindung als ein Erfassen von Messinformationen an einem aktuellen Messpunkt auf dem Werkstück zu verstehen ist. Diese Messinformationen können neben Höheninformationen, d.h. beispielsweise topographischen Informationen über die Werkstückoberfläche und/oder Informationen bezüglich einer Eindringtiefe des Bearbeitungsstrahls, weitere Informationen über die Lage des aktuellen Messpunkts auf dem Werkstück umfassen, die mit den Höheninformationen verknüpft werden können.
Eine einen optischen Kohärenztomographen umfassende Messvorrichtung ist beispielsweise aus dem Dokument DE 10 2015 007 142 A1 bekannt. Die Messvorrichtung umfasst ferner eine bewegbare optische Komponente, die im Strahlengang des optischen Messstrahls angeordnet ist, um den optischen Messstrahl in unterschiedliche Messpositionen auf dem Werkstück zu verlagern.
Das Dokument DE 10 2014 113 283 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Remote-Laserbearbeitung, die eine Bearbeitungsvorrichtung und eine Messvorrichtung mit einem optischen Kohärenztomographen umfasst. Ein optischer Messstrahl ist zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses mittels eines bewegbaren Führungselements auf einer Analysebahn zyklisch um eine aktuelle Bearbeitungsposition auf dem Werkstück herum verlagerbar.
Ferner ist aus dem Dokument EP 1 977 850 A1 eine Vorrichtung mit einer Bearbeitungsvorrichtung und einem optischen Kohärenztomographen bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine zwischen der Vorrichtung und einem Werkstück angeordnete bewegbare Ablenkeinrichtung, mittels der ein Bearbeitungsstrahl und ein optischer Messstrahl auf der Werkstückoberfläche verlagerbar sind.
Des Weiteren betrifft das Dokument DE 10 2012 212 278 A1 eine Anordnung zum Erzeugen von Bohrungen oder Schweißnähten auf einem Werkstück. Hierzu ist ein Laserstrahl mittels einer Laserstrahlablenkeinrichtung auf dem Werkstück verlagerbar. Die Laserstrahlablenkeinrichtung umfasst zwei X/Y-Scanner. Ein mittels eines optischen Kohärenztomographen erzeugter optischer Messstrahl ist ebenfalls über einen der beiden X/Y-Scanner auf das Werkstück projizierbar.
Obgleich bereits eine Vielzahl von Messvorrichtungen zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses mittels eines optischen Messstrahls aus dem Stand der Technik bekannt sind, besteht eine Aufgabe darin, solche Messvorrichtungen, Systeme und Verfahren weiter zu verbessern, um deren Anwendungsbereiche zu erweitern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein System mit einer Bearbeitungsvorrichtung und einer Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18.
Bevorzugte Ausführungsformen werden aus den Unteransprüchen 2 bis 9 und 11 bis 17 und 19sowie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.
Erfindungsgemäß ist eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, bei der der optische Messstrahl zum Erfassen von Messdaten mittels der wenigstens einen bewegbaren Ablenkeinrichtung entlang wenigstens einer ersten diskreten Messlinie (86) quer zu dem Hauptbearbeitungspfad (80) und diesen schneidend auf dem Werkstück (W) verlagerbar ist. Die Messvorrichtung ist dazu eingerichtet, nach Maßgabe der erfassten Messdaten charakteristische Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad dargestellten geometrischen Figur zu ermitteln.
Mit anderen Worten kann mittels der Messvorrichtung, genauer gesagt mittels der wenigstens einen bewegbaren Ablenkeinrichtung, der optische Messstrahl entlang der wenigstens einen diskreten, Messlinie auf eine Vielzahl von Messpunkten verlagert werden, um diese abzutasten und an den Messpunkten jeweils Messdaten zu erfassen. Aus den derart gewonnenen Messdaten kann ein Höhenprofil im Bereich der wenigstens einen diskreten Messlinie ermittelt werden. Da der Hauptbearbeitungspfad (beispielsweise ein Überlappstoß, eine Nahtfuge und/oder eine Fügekante) in dem Höhenprofil klar von der umliegenden Werkstückoberfläche abgrenzbar ist, kann so eine genaue Position des Hauptbearbeitungspfads an wenigstens einer Stelle auf dem Werkstück ermittelt werden. Diese Position kann beispielsweise als Koordinaten in einem Koordinatensystem der Messvorrichtung und/oder der Bearbeitungsvorrichtung bestimmt werden. Je nach Kenntnisse über die geometrischen Eigenschaften des Hauptbearbeitungspfads, beispielsweise bei Kenntnissen über dessen geometrische Form und dessen Richtung kann es ausreichend sein, zur Ermittlung der Lage des Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück lediglich eine diskrete Messlinie zu erfassen. Handelt es sich beim Hauptbearbeitungspfad beispielsweise um eine geraden Linie mit bekannter Richtung, so reicht es aus, lediglich Position von diesem zu ermitteln, um seine tatsächliche Lage auf dem Werkstück feststellen zu können. Es versteht sich, dass durch ein Verlagern des optischen Messstrahls entlang mehr als einer diskreten Messlinie jeweils quer zu dem Hauptbearbeitungspfad und diesen schneidend, entsprechend mehr als drei Positionen des Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück bzw. in dem Koordinatensystem ermittelbar sind. Bei komplexeren geometrischen offenen oder geschlossenen Figuren, die den Hauptbearbeitungspfad bilden, kann es nämlich erforderlich sein mehrere Messlinien vorzusehen, um die Geometrie, den Verlauf und die Lage des Hauptbearbeitungspfad auf dem Werkstück zu ermitteln.
Es sei angemerkt, dass erfindungsgemäß wahlweise der Bearbeitungsstrahl relativ zum feststehenden Werkstück oder das Werkstück bei feststehendem Bearbeitungsstrahl relativ zum Bearbeitungsstrahl oder sowohl der Bearbeitungsstrahl als auch das Werkstück relativ zueinander verlagert werden können, um eine Relativbewegung zwischen Bearbeitung strahlend Werkstück zu erreichen.
Durch das Ermitteln von wenigstens einer genauen Positionen des Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück ist es möglich, charakteristische Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad dargestellten geometrischen Figur zu ermitteln. Insbesondere können aus den erfassten Messdaten so die Art der geometrischen Figur, deren Dimensionen und/oder deren Lage auf dem Werkstück präzise bestimmt werden. Die Kenntnis von charakteristischen Merkmalen und Eigenschaften des Hauptbearbeitungspfads ermöglicht eine präzisere Prozessregelung und eine verbesserte Überwachung des Bearbeitungsprozesses. So kann ein Überwachen des Bearbeitungsprozesses durch die erfindungsgemäße Messvorrichtung ein präzises Regeln des Bearbeitungsprozesses ermöglichen, indem Prozessparameter nach Maßgabe der mittels der erfassten Messdaten bestimmten geometrischen Figur während des Bearbeitens angepasst werden können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass dass zum Erfassen von Messdaten mittels der wenigstens einen bewegbaren Ablenkeinrichtung die Messvorrichtung zusätzlich entlang einer zweiten diskreten Messlinie, vorzugsweise zusätzlich entlang einer dritten diskreten Messlinie, quer zu dem Hauptbearbeitungspfad und diesen schneidend auf dem Werkstück verlagerbar ist.
Zumindest der ungefähre Verlauf des Hauptbearbeitungspfads und/oder die ungefähre Lage der geschlossenen geometrischen Kontur können vorbekannt sein, sodass sichergestellt werden kann, dass bei dem Verlagern des optischen Messstrahls zumindest entlang der wenigstens eine, vorzugsweise zwei oder drei diskreten Messlinien der Hauptbearbeitungspfad an wenigstens einer oder an unterschiedlichen Stellen von der wenigstens einen bzw. den diskreten Messlinien geschnitten wird. Je nachdem inwieweit der ungefähre Verlauf des Hauptbearbeitungspfads vorbestimmt und vorbekannt ist, können die Längen der zumindest drei jeweiligen Messlinie gewählt werden, um sicherzustellen, dass der Hauptbearbeitungspfad von der bzw. jeder Messlinie auch tatsächlich geschnitten wird. Das heißt, dass bei einem vergleichsweise unbekannten Verlauf des Hauptbearbeitungspfads die Messlinie(n) länger gewählt wird bzw. werden werden als bei einem nahezu bekannten Verlauf. Bei mehreren Messlinien können die Längen der einzelnen diskreten Messlinien gleich oder unterschiedlich sein. Auch kann der Abstand zwischen den diskreten Messlinien nach Maßgabe der Vorbekanntheit bzw. Vorbestimmbarkeit des Verlaufs des Hauptbearbeitungspfads beliebig gewählt werden. Gleichermaßen kann auch der jeweilige Richtungsvektor der mehreren diskreten Messlinien nach Maßgabe der Vorbekanntheit bzw. Vorbestimmbarkeit des Verlaufs des Hauptbearbeitungspfads gewählt werden.
Wenn im Zusammenhang mit der Beschreibung und Beanspruchung der vorliegenden Erfindung davon die Rede ist, dass die vorliegende Messvorrichtung und das nachfolgend beschriebene System sowie Verfahren zum „Überwachen“ eines Bearbeitungsprozesses dienen, so ist damit gemeint, dass dabei die ermittelten Messdaten und die daraus resultierende durch den Hauptbearbeitungspfad dargestellte geometrische Figur in der Folge weiter genutzt werden können, beispielsweise zum Steuern oder rückgekoppelten Regeln des Bearbeitungsprozesses, oder um den Bearbeitungsprozess bzw. das daraus resultierende zu überprüfen.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die geometrische Figur ein Kreis sein, wobei die Messvorrichtung in diesem Fall dazu eingerichtet ist, nach Maßgabe der erfassten Messdaten eine Position eines Mittelpunkts des Kreises auf dem Werkstück und/oder einen Durchmesser und/oder Radius des Kreises zu ermitteln. Genauer gesagt, kann die Position des Mittelpunkts des Kreises in einem Koordinatensystem der Messvorrichtung und/oder der Bearbeitungsvorrichtung ermittelt werden. Über die allgemeine Kreisgleichung (x - a)² + (y - b)² = r² mit Radius r und Mittelpunktskoordinaten (a|b) können der Mittelpunkt und/oder der Durchmesser und/oder der Radius somit über die in diesem Fall beispielsweise drei erfassten Positionen der geometrischen Figur auf bekannte Weise berechnet werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die geometrische Figur ein beliebiges Polygon oder ein beliebiger Kegelschnitt sein, wie beispielsweise eine Ellipse, ein Rechteck, ein Quadrat oder Ähnliches.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Messvorrichtung dazu eingerichtet sein, die charakteristischen Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad dargestellten geometrischen Figur während des Bearbeitungsprozesses zu ermitteln. Dazu ist der optische Messstrahl in dieser Weiterbildung unabhängig von dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl verlagerbar. Beispielsweise kann die wenigstens eine bewegbare Ablenkeinrichtung nur auf den optischen Messstrahl, nicht aber auf den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl einwirken, um diesen zu verlagern.
Ferner kann die wenigstens eine bewegbare Ablenkeinrichtung eine Messstrahlablenkeinrichtung der Messvorrichtung sein. Dies kann insbesondere eine Ausführungsform der vorstehenden Weiterbildung sein, die ein Erfassen der Messdaten an den wenigstens drei diskreten Linien während des Bearbeitungsprozesses, d.h. parallel zu diesem, ermöglicht.
In einer alternativen Ausführungsform kann die wenigstens eine bewegbare Ablenkeinrichtung eine Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung der Bearbeitungsvorrichtung sein. Diese kann somit einerseits den Bearbeitungsstrahl und andererseits den optischen Messstrahl auf dem Werkstück verlagern. Die Messvorrichtung muss in dieser alternativen Ausführungsform keine zusätzliche Messstrahlablenkeinrichtung umfassen. Allerdings ermöglicht eine solche Ausführungsform ohne zusätzliche Messstrahlablenkeinrichtung keine Ermittlung der charakteristischen Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad dargestellten geometrischen Figur während des Bearbeitungsprozesses. Vielmehr können bei einer Messvorrichtung dieser Ausführungsform, die keine separate Messstrahlablenkeinrichtung umfasst, die charakteristischen Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad dargestellten geometrischen Figur vor dem Bearbeitungsprozess ermittelt werden. Dazu ist die Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung, die auch den optischen Messstrahl verlagert, bereits zum Abtasten der zumindest drei diskreten Messlinien mittels des optischen Messstrahls ansteuerbar, bevor der hochenergetische Bearbeitungsstrahl erzeugt und auf das Werkstück projiziert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung kann der optische Messstrahl mittels der Messstrahlablenkeinrichtung der Messvorrichtung und zusätzlich mittels einer bewegbaren Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung der Bearbeitungsvorrichtung ablenkbar sein. Ferner kann die Messstrahlablenkeinrichtung in dieser Ausführungsform dazu eingerichtet sein, den optischen Messstrahl unter Berücksichtigung einer Ablenkbewegung des optischen Messstrahls durch die Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung zu verlagern, insbesondere um die charakteristischen Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad dargestellten geometrischen Figur während des Bearbeitungsprozesses zu ermitteln. Mit anderen Worten kann durch eine zusätzliche Bewegung der Messstrahlablenkeinrichtung, zusätzlich zu der mittels dieser erzeugten Verlagerung des optischen Messstrahls zumindest entlang der wenigstens eine, vorzugsweise zwei oder drei diskreten Messlinien, die Verlagerung des optischen Messstrahls durch die Bewegung der Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung im Wesentlichen kompensiert werden. Somit erfolgt auch das Ermitteln der charakteristischen Merkmale der geometrischen Figur unter Berücksichtigung der Bewegung der Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung.
Es versteht sich, dass in weiteren Ausführungsformen neben der wenigstens einen den optischen Messstrahl verlagernden, bewegbaren Ablenkeinrichtung, die eine Messstrahlablenkeinrichtung der Messvorrichtung oder eine Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung der Bearbeitungsvorrichtung sein kann, noch eine beliebige Anzahl weiterer bewegbarer oder nicht bewegbarer Ablenkeinrichtungen der Messvorrichtung und/oder der Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen sein können.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die wenigstens eine bewegbare Ablenkeinrichtung ein verlagerbares zweiachsiges Scannersystem, insbesondere einen Galvanometerscanner, umfassen.
In einer alternativen Weiterbildung der Erfindung kann die wenigstens eine bewegbare Ablenkeinrichtung eine lateral zu einer optischen Achse des Messstrahls verlagerbare Fokus- oder Kollimationslinse umfassen.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Messvorrichtung mittels eines mit der Messvorrichtung gekoppelten Roboters relativ zu dem Werkstück bewegbar sein. In diesem Fall kann die wenigstens eine Ablenkeinrichtung dazu eingerichtet sein, den optischen Messstrahl unter Berücksichtigung einer Bewegung der Messvorrichtung bzw. des optischen Messstrahls durch den Roboter zu verlagern. Somit erfolgt auch das Ermitteln der charakteristischen Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad dargestellten geometrischen Figur unter Berücksichtigung der Bewegung der Messvorrichtung durch den Roboter.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System zum Bearbeiten und Überwachen eines Werkstücks, mit einer Bearbeitungsvorrichtung und einer mit der Bearbeitungsvorrichtung verbundenen Messvorrichtung. Die Bearbeitungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, das Werkstück mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls zu bearbeiten, der mittels einer bewegbaren Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung der Bearbeitungsvorrichtung entlang eines linienförmigen oder eines einer Kontur einer offenen oder geschlossenen geometrischen Figur entsprechenden Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück verlagerbar ist. Die Messvorrichtung umfasst einen optischen Kohärenztomographen mit einer Messstrahlquelle zum Erzeugen eines optischen Messstrahls, der mittels wenigstens einer bewegbaren Messstrahlablenkeinrichtung der Messvorrichtung und/oder der bewegbaren Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung der Bearbeitungsvorrichtung auf dem Werkstück verlagerbar ist. Ferner ist der optische Messstrahl erfindungsgemäß zum Erfassen von Messdaten mittels der wenigstens einen bewegbaren Messstrahlablenkeinrichtung der Messvorrichtung und/oder der bewegbaren Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung der Bearbeitungsvorrichtung zumindest entlang wenigstens einer ersten diskreten Messlinie quer zu dem Hauptbearbeitungspfad und diesen schneidend, auf dem Werkstück verlagerbar ist. Die Messvorrichtung ist dazu eingerichtet, nach Maßgabe der erfassten Messdaten charakteristische Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad dargestellten geometrischen Figur zu ermitteln.
Bei dem erfindungsgemäßen System kann vorgesehen sein, dass zum Erfassen von Messdaten mittels der wenigstens einen bewegbaren Ablenkeinrichtung die Messvorrichtung zusätzlich entlang einer zweiten diskreten Messlinie, vorzugsweise zusätzlich entlang einer dritten diskreten Messlinie, quer zu dem Hauptbearbeitungspfad und diesen schneidend auf dem Werkstück verlagerbar ist.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems kann die geometrische Figur ein Kreis sein, wobei die Messvorrichtung dazu eingerichtet ist, nach Maßgabe der erfassten Messdaten eine Position eines Mittelpunkts des Kreises auf dem Werkstück und/oder einen Durchmesser und/oder Radius des Kreises zu ermitteln. Alternativ kann die geometrische Figur jedoch auch ein beliebiges Polygon oder ein beliebiger Kegelschnitt sein, wie beispielsweise eine Ellipse, ein Rechteck, ein Quadrat oder Ähnliches.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Messvorrichtung dazu eingerichtet sein, die charakteristischen Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad dargestellten geometrischen Figur während des Bearbeitens des Werkstücks durch die Bearbeitungsvorrichtung zu ermitteln. In dieser Ausführungsform ist der optische Messstrahl zumindest durch die bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung der Messvorrichtung verlagerbar.
Des Weiteren kann die wenigstens eine bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung der Messvorrichtung dazu eingerichtet sein, den optischen Messstrahl unter Berücksichtigung einer Ablenkbewegung des optischen Messstrahls durch die Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung der Bearbeitungsvorrichtung zu verlagern.
In einer Weiterbildung kann die wenigstens eine bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung der Messvorrichtung und/oder die wenigstens eine bewegbare Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung der Bearbeitungsvorrichtung ein verlagerbares zweiachsiges Scannersystem umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die wenigstens eine bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung der Messvorrichtung und/oder die bewegbare Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung der Bearbeitungsvorrichtung eine lateral zu einer optischen Achse des Messstrahls verlagerbare Fokus- oder Kollimationslinse umfassen.
Ferner kann das erfindungsgemäße System mittels eines mit dem System gekoppelten Roboters relativ zu dem Werkstück bewegbar sein, wobei die wenigstens eine Messstrahlablenkeinrichtung der Messvorrichtung und/oder die bewegbaren Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung der Bearbeitungsvorrichtung dazu eingerichtet sein kann, den optischen Messstrahl unter Berücksichtigung einer Bewegung des Systems durch den Roboter zu verlagern.
Obgleich einige Aspekte und Merkmale lediglich in Bezug auf die erfindungsgemäße Messvorrichtung beschrieben worden sind, können diese entsprechend für das erfindungsgemäße System und dessen Weiterbildungen gelten.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls einer Bearbeitungsvorrichtung, der entlang eines linienförmigen oder eines einer Kontur einer offenen oder einer Kontur einer geschlossenen geometrischen Figur entsprechenden Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück verlagert wird. Das Verfahren wird insbesondere mittels einer Messvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art ausgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:

- Erzeugen eines optischen Messstrahls mittels einer Messstrahlquelle eines optischen Kohärenztomographen, und
- Verlagern des optischen Messstrahls auf dem Werkstück mittels wenigstens einer bewegbaren Ablenkeinrichtung.

Bei dem erfindungsgemäße Verfahren kann ferner gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen sein, dass der optische Messstrahl zum Erfassen von Messdaten mittels der wenigstens einen bewegbaren Ablenkeinrichtung die Messvorrichtung zusätzlich entlang einer zweiten diskreten Messlinie, vorzugsweise zusätzlich entlang einer dritten diskreten Messlinie, quer zu dem Hauptbearbeitungspfad und diesen schneidend auf dem Werkstück verlagert wird.
Auch in diesem Zusammenhang versteht sich, dass die lediglich in Bezug auf die erfindungsgemäße Messvorrichtung beschriebenen Aspekte und Merkmale, entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren und dessen Weiterbildungen gelten können.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:

1 eine Übersichtsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Messvorrichtung und einer Bearbeitungsvorrichtung;
2 eine Draufsicht auf ein entlang eines kreisförmigen Hauptbearbeitungspfads zu bearbeitendes Werkstück; und
3 eine Übersichtsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Messvorrichtung und einer Bearbeitungsvorrichtung.

1 zeigt eine Gesamtanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Messvorrichtung 10 ist in dem gezeigten Beispiel mit einer Bearbeitungsvorrichtung 12 verbunden. Gemeinsam bilden die Messvorrichtung 10 und die Bearbeitungsvorrichtung 12 ein erfindungsgemäßes Gesamtsystem 100 zum Bearbeiten und Überwachen eines Werkstücks W.
Die Messvorrichtung 10 umfasst einen optischen Kohärenztomographen 16 (OCT) mit einem OCT-Messgerät 18, das über einen Strahlteiler 20 mit einem Messarm 22 und einem Referenzarm 24 verbunden ist.
Das OCT-Messgerät 18 weist eine Messstrahlquelle 26 zum Erzeugen eines optischen Messstrahls 28 sowie ein Spektrometer 30 zum Detektieren einer überlagerten Messstrahlung auf. Des Weiteren kann das OCT-Messgerät 18 einen in 1 gezeigten Zirkulator 32 umfassen, der den Strahlteiler 20 über eine Transportfaser bzw. einen Lichtleiter 34 wahlweise mit der Messstrahlquelle 26 oder dem Spektrometer 30 verbindet.
Der Messarm 22 des optischen Kohärenztomographen 16 ist mit einer Messoptik 36 der Messvorrichtung 10 verbunden. Über eine Schnittstelle 38 der Messoptik 36 wird der optische Messstrahl 28 in die Messoptik 36 eingekoppelt und durchtritt eine verlagerbare Kollimationslinse 40, die in Richtung des Pfeils 41 verstellbar ist. In der Messoptik 36 trifft der optische Messstrahl 28 auf eine bewegbare Ablenkeinrichtung 42, genauer gesagt auf eine bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung 42.
Die bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung 42 ist in Richtung der Pfeile 44, 46 um zwei Achsen verlagerbar, um den optischen Messstrahl 28 in gewünschter Weise abzulenken und auf dem Werkstück W zu verlagern. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung 42 in Form eines verlagerbaren Galvanometerscanners ausgebildet, wobei alternativ dazu eine Ausbildung in Form einer sonstigen verlagerbaren optischen Komponente möglich ist, wie beispielsweise einem Taumelspiegel, einer rotierbaren Keilplatte oder ähnlichem.
Ferner ist aus 1 zu erkennen, dass die Messoptik 36 der Messvorrichtung 10 über eine gemeinsame Schnittstelle 48 mit einer Bearbeitungsoptik 50 der Bearbeitungsvorrichtung 12 gekoppelt.
Die Bearbeitungsoptik 50 der Bearbeitungsvorrichtung 12 weist eine Schnittstelle 52 auf, in die über eine optische Faser 54 ein von einer nicht gezeigten Laserstrahlquelle erzeugter hochenergetischer Bearbeitungsstrahl 56 in Form eines Laserstrahls einkoppelbar ist, um das Werkstücks W zu bearbeiten.
Der hochenergetische Bearbeitungsstrahl 56 durchläuft eine Kollimationslinse 58, die gemäß dem Pfeil 60 in ihrer Lage verstellbar ist. In der Folge trifft der Bearbeitungsstrahl 56 auf einen halbdurchlässigen Spiegel 62 und wird zu einer bewegbaren weiteren Ablenkvorrichtung 64 reflektiert, genauer gesagt zu einer Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung 64. Die bewegbare Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung 64 ist in 1 ebenfalls in Form eines Galvanometerscanners ausgebildet, der sich in Richtung der beiden Pfeile 66, 68 um zwei Achsen verlagern lässt, um den Bearbeitungsstrahl 56 in gewünschter Weise abzulenken. Anstelle des gezeigten Galvanometerscanners 64 ist es möglich, die bewegbare Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung 64 in Form einer sonstigen verlagerbaren optischen Komponente auszubilden, wie beispielsweise einem Taumelspiegel, einer rotierbaren Keilplatte oder ähnlichem.
Der Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung 64 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Fokuslinse 70 nachgelagert, die von dem Bearbeitungsstrahl 56 durchtreten wird und diesen zum Bearbeiten auf das Werkstück W fokussiert. Es versteht sich, dass alternativ auch eine vorgelagerte Anordnung der Fokuslinse 70 zu der Ablenkvorrichtung möglich ist, um diesen zu fokussieren.
Über die vorstehend genannte gemeinsame Schnittstelle 48 wird der optische Messstrahl 28 nach dem Ablenken durch bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung 42 in die Bearbeitungsvorrichtung 12 eingekoppelt. Genauer gesagt trifft der optische Messstrahl 28 auf den halbdurchlässigen Spiegel 62 und durchtritt diesen, wodurch der optische Messstrahl 28 den Bearbeitungsstrahl 56 im Wesentlichen koaxial überlagert. Somit trifft der optische Messstrahl 28 ebenfalls auf die bewegbare Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung 64 und durchtritt anschließend die Fokuslinse 70, nachdem er von der bewegbaren Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung 64 abgelenkt worden ist.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel 62 und der Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung 64 eine exakte Überlagerung des optischen Messstrahls 28 mit dem Bearbeitungsstrahl 56 gezeigt, sodass dort lediglich ein gemeinsamer Strahlengang S dargestellt ist.
Da der optische Messstrahl 28 in 1 jedoch im Gegensatz zu dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 56 nicht nur durch die bewegbare Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung 64 abgelenkt wird, sondern zusätzlich durch die bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung 42, ist der optische Messstrahl 28 unabhängig von dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 56 auf dem Werkstück W verlagerbar. Dies ist in 1 durch die drei strichlierten Linien 28', 28'' und 28''' dargestellt, die drei alternative Verlagerungen des optischen Messstrahls 28 auf unterschiedliche Messpositionen auf dem Werkstück W zeigen. In diesem Zusammenhang wird zur detaillierten Erläuterung des erfindungsgemäßen Funktionsprinzips ferner auf die 2 verwiesen.
In 2 ist die in 1 gezeigte Draufsicht auf das entlang eines Hauptbearbeitungspfads 80 zu bearbeitende Werkstück W vergrößert und im Detail dargestellt. Gemäß dem gezeigten Beispiel umfasst das Werkstück W ein plattenförmiges Werkstückteil W in Form eines Blechstücks und ein damit zu verschweißendes zylindrisches Werkstückteil W" in Form eines länglichen Rohrs. Folglich entspricht der Hauptbearbeitungspfad 80 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Kontur einer geschlossenen geometrischen Figur, nämlich eines Kreises.
Der hochenergetische Bearbeitungsstrahl 56 erzeugt auf dem Werkstück W ein Schmelzbad 82 und ist zum Verschweißen der Werkstücksteile W', W'' auf einer Kreisbahn entlang des Hauptbearbeitungspfads 80 verlagerbar, was durch den Pfeil 84 angedeutet ist. Die Verlagerung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 56 auf dem Werkstück W kann beispielsweise durch die in 1 gezeigte Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung 64 und vorzugsweise eine zusätzliche Relativbewegung zwischen dem Werkstück W und einem das System 100 tragenden Roboter (nicht gezeigt) sichergestellt werden.
Um den Laserschweißprozess zu überwachen und/oder zu regeln, ist die Messvorrichtung dazu eingerichtet, charakteristische Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad 80 dargestellten geschlossenen geometrischen Figur zu ermitteln. Durch die Kenntnis der genauen Art, Lage und/oder Größe dieser geometrischen Figur kann der hochenergetische Bearbeitungsstrahl präzise entlang des Hauptbearbeitungspfads 80 verlagert werden, wodurch eine ausreichende Schweißnahtgüte sichergestellt werden kann.
Um charakteristische Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad 80 dargestellten geometrischen Figur zu ermitteln, wird der optische Messstrahl 28 zum Erfassen von Messdaten nacheinander zumindest entlang einer ersten diskreten Messlinie 86, entlang einer zweiten diskreten Messlinie 88 und entlang einer dritten diskreten Messlinie 90 jeweils quer zu dem Hauptbearbeitungspfad 80, diesen schneidend, auf dem Werkstück W verlagert. Es versteht sich, dass der optische Messstrahl 28 gemäß dem in 1 gezeigten System 100 beispielsweise mittels der bewegbaren Messstrahlablenkeinrichtung 42 und/oder mittels der bewegbaren Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung 64 auf dem Werkstück W entlang der wenigstens drei diskreten Messlinien 86, 88, 90 verlagerbar ist. Soll beispielsweise eine Überwachung während des Bearbeitungsprozesses durchgeführt werden, so wird der optische Messstrahl 28 mittels der bewegbaren Messstrahlablenkeinrichtung 42 und mittels der bewegbaren Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung 64 auf dem Werkstück W verlagert. Soll dagegen die Überwachung vor oder nach dem Bearbeitungsprozess erfolgen, kann der optische Messstrahl 28 lediglich mittels der Messstrahlablenkeinrichtung 42 oder mittels der Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung 64 auf dem Werkstück W verlagert werden, da in diesem Fall keine Verlagerung des Bearbeitungsstrahls 56 erreicht bzw. berücksichtigt werden muss. Wird die Verlagerung des optischen Messstrahls 28 beispielsweise nur mittels der bewegbaren Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung 64 realisiert, kann auf die zusätzliche bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung der Messvorrichtung 10 verzichtet werden.
Durch ein Abtasten einer Vielzahl von Messpunkten entlang der wenigstens drei diskreten Messlinien 86, 88, 90 sind anhand der so erfassten Messdaten drei Positionen des Hauptbearbeitungspfads 80 auf dem Werkstück W präzise ermittelbar. Daraus sind schließlich charakteristische Merkmale des Hauptbearbeitungspfads 80 ermittelbar. Da es sich in dem gezeigten Beispiel bei der durch den Hauptbearbeitungspfad dargestellten geometrischen Figur um einen Kreis handelt, kann über die allgemeine Kreisgleichung (x - a)² + (y - b)² = r² mit Radius r und Mittelpunktskoordinaten (a|b) der Mittelpunkt M und/oder der Durchmesser D und/oder der Radius r auf bekannte Weise berechnet werden.
Es ist ferner möglich, dass in weiteren Ausführungsformen der optische Messstrahl entlang einer beliebigen Anzahl diskreter Messlinien auf dem Werkstück verlagerbar sein kann. Ein Abtasten von mehr als drei diskreten Messlinien kann beispielsweise erforderlich sein, wenn die durch den Hauptbearbeitungspfad dargestellte geometrische Figur eine andere als ein Kreis ist.
In der im Folgenden beschriebenen Figur sind vergleichbare bzw. gleiche und gleichwirkende Komponenten und Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie in den 1 und 2 versehen. Die Komponenten und Merkmale, die in Bezug auf 3 nicht erneut beschrieben sind, ähneln in ihrer Ausbildung und Funktion den entsprechenden Komponenten und Merkmalen gemäß den 1 und 2.
Die in 3 gezeigte Gesamtanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung ähnelt im Wesentlichen der zuvor erläuterten, in 1 gezeigten Gesamtanordnung gemäß des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Aus diesem Grund wird im Folgenden insbesondere auf die Unterschiede des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 3 gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 eingegangen.
Das erfindungsgemäße System 100 des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst ebenfalls eine Messvorrichtung 10 und eine damit verbundene Bearbeitungsvorrichtung 12.
In der in 3 gezeigten Messvorrichtung 10 sind aus Übersichtsgründen von dem optischen Kohärenztomographen 16 lediglich der Strahlteiler 20 sowie die damit verbundenen optischen Fasern 22, 24 und 34 dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass der optische Kohärenztomograph 16 des zweiten Ausführungsbeispiels denselben Aufbau wie in 1 aufweist.
Der optische Messstrahl 28 wird über die Schnittstelle 38 in die Messoptik 36 eingekoppelt und durchtritt die verlagerbare Kollimationslinse 40. Anschließend trifft der optische Messstrahl 28 in der Messoptik 36 auf die bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung 42. Diese ist in 3 ebenfalls in Form eines Galvanometerscanners ausgebildet ist, der sich in Richtung der Pfeile 44, 46 um zwei Achsen bewegen lässt, um den optischen Messstrahl 28 in gewünschter Weise abzulenken und auf unterschiedliche Messpositionen bzw. -punkte auf dem Werkstück W zu verlagern. Alternativ dazu kann die Messstrahlablenkeinrichtung 42 in weiteren Ausführungsbeispielen auch als eine nicht bewegbare oder in Form einer sonstigen verlagerbaren optischen Komponente ausgebildet sein, wie beispielsweise in Form eines Taumelspiegels, einer rotierenden Keilplatte oder ähnlichem.
Während die Messoptik 36 der Messvorrichtung 10 des zweiten Ausführungsbeispiels im Wesentlichen der Messoptik 36 der Messvorrichtung 10 des ersten Ausführungsbeispiels entspricht, unterscheidet sich die Bearbeitungsoptiken 12 der beiden Ausführungsbeispiele voneinander.
Wie aus 3 zu erkennen ist, breitet sich der hochenergetische Bearbeitungsstrahl 56 ausgehend von der Schnittstelle 52 aus und durchtritt in der Bearbeitungsoptik 50 eine optische Anordnung 57 mit der verlagerbaren Kollimationslinse 58, die in Richtung des Pfeils 60 verstellbar ist. Es ist jedoch möglich, dass die optische Anordnung 57 noch weitere den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 56 beeinflussende bewegbare und/oder nicht bewegbare optische Komponenten umfassen kann.
Im Anschluss an die optische Anordnung 57 bzw. an die verlagerbare Kollimationslinse 58 trifft der hochenergetische Bearbeitungsstrahl 56 auf den halbdurchlässigen Spiegel 62 und wird von diesem umgelenkt bzw. in Richtung einer bewegbaren Fokuslinse 92 reflektiert. Die bewegbare Fokuslinse 92 ist in dem in 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel in Richtung der Pfeile 94, 96 quer zu der Richtung einer optischen Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 56 und quer zu der Richtung einer optischen Achse des optischen Messstrahls verlagerbar. Somit stellt die bewegbare Fokuslinse 92 gemäß 3 eine bewegbare Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung dar. Es versteht sich, dass die Pfeile 94, 96 lediglich beispielhafte Verlagerungsrichtungen der Fokuslinse 92 darstellen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Fokuslinse 92 jedoch in beliebige Richtungen quer zu der optischen Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 56 und/oder des optischen Messstrahls 28 verlagerbar ausgebildet sein. Ferner kann die Fokuslinse 92 in weiteren Ausführungsformen der Erfindung in Richtung der optischen Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 56 verlagerbar sein (nicht dargestellt), um eine Brennebene des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 56 einzustellen.
Eine zusätzliche Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung in Form eines Galvanometerscanners ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen.
Die bewegbare Fokuslinse 92 fokussiert den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 56 auf das zu bearbeitende Werkstück W und kann durch ein Verlagern der Fokuslinse 92 quer zu der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls 56 dessen Position auf dem Werkstück W ändern. Durch ein Zusammenwirken der Verlagerung der optischen Komponenten 58, 92 der Bearbeitungsoptik und einer möglichen Roboterbewegung eines mit dem System 100 gekoppelten Roboters kann die Position des aktuellen Bearbeitungsbereichs verändert werden, um diesen beispielsweise entlang des Hauptbearbeitungspfads 80 auf dem Werkstück W zu bewegen.
Die Bearbeitungsoptik 50 und die Messoptik 36 sind über die gemeinsame Schnittstelle 48 miteinander verbunden. Über diese gemeinsame Schnittstelle 48 wird der optische Messstrahl 28 nach dem Ablenken durch die Messstrahlablenkeinrichtung 42 in die Bearbeitungsoptik 50 eingekoppelt. Genauer gesagt trifft der optische Messstrahl 28 in der Bearbeitungsoptik 50 auf den halbdurchlässigen Spiegel 62 und durchtritt diesen, wodurch der optische Messstrahl 28 den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 56 überlagern kann. Da der halbdurchlässige Spiegel 62 in Bezug auf die Wellenlängenbereiche des optischen Messstrahls 28 durchlässig ist, beeinflusst dieser den optischen Messstrahl 28 nicht.
Nach dem Durchtreten des halbdurchlässigen Spiegels 62 durchläuft der optische Messstrahl 28 ebenfalls die bewegbare Fokuslinse 92 und trifft anschließend auf das zu bearbeitende Werkstück W.
Um charakteristische Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad 80 dargestellten geometrischen Figur zu ermitteln, wird der optische Messstrahl 28 auch gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zum Erfassen von Messdaten nacheinander zumindest entlang der ersten diskreten Messlinie 86, entlang der zweiten diskreten Messlinie 88 und entlang der dritten diskreten Messlinie 90 jeweils quer zu dem Hauptbearbeitungspfad 80, diesen schneidend, auf dem Werkstück W verlagert.
Hierzu ist der optische Messstrahl 28 gemäß dem in 3 gezeigten System 100 beispielsweise mittels der bewegbaren Messstrahlablenkeinrichtung 42 und/oder mittels der bewegbaren Fokuslinse 92 auf dem Werkstück W entlang der wenigstens drei diskreten Messlinien 86, 88, 90 verlagerbar. Soll beispielsweise eine Überwachung während des Bearbeitungsprozesses durchgeführt werden, so wird der optische Messstrahl 28 mittels der bewegbaren Messstrahlablenkeinrichtung 42 und mittels der bewegbaren Fokuslinse 92 auf dem Werkstück W verlagert. Soll dagegen die Überwachung vor oder nach dem Bearbeitungsprozess erfolgen, kann der optische Messstrahl 28 lediglich mittels der Messstrahlablenkeinrichtung 42 oder mittels der Fokuslinse 92 auf dem Werkstück W verlagert werden, da in diesem Fall keine Verlagerung des Bearbeitungsstrahls 56 erreicht bzw. berücksichtigt werden muss. Wird die Verlagerung des optischen Messstrahls 28 beispielsweise nur mittels der bewegbaren Fokuslinse 92 realisiert, kann auf die zusätzliche bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung der Messvorrichtung 10 verzichtet werden.
Es versteht sich für den Fachmann, dass im Rahmen der Erfindung die vorstehend beschriebenen Komponenten und Merkmale des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung beliebig miteinander kombiniert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102001016519 A1 [0004]
DE 102015007142 A1 [0007]
DE 102014113283 A1 [0008]
EP 1977850 A1 [0009]
DE 102012212278 A1 [0010]

Claims

Messvorrichtung (10) zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses, insbesondere eines Laserschweißprozesses, wobei die Messvorrichtung (10) mit einer Bearbeitungsvorrichtung (12) zum Bearbeiten eines Werkstücks (W) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (56) verbunden oder verbindbar ist, der entlang eines linienförmigen oder eines einer Kontur einer offenen oder geschlossenen geometrischen Figur entsprechenden Hauptbearbeitungspfads (80) relativ zu dem Werkstück (W) verlagerbar ist, wobei die Messvorrichtung (10) einen optischen Kohärenztomographen (16) mit einer Messstrahlquelle (26) zum Erzeugen eines optischen Messstrahls (28) umfasst, der mittels wenigstens einer bewegbaren Ablenkeinrichtung (42, 64, 92) auf dem Werkstück (W) verlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Messstrahl (28) zum Erfassen von Messdaten mittels der wenigstens einen bewegbaren Ablenkeinrichtung (42, 64, 92) entlang wenigstens einer ersten diskreten Messlinie (86) quer zu dem Hauptbearbeitungspfad (80) und diesen schneidend auf dem Werkstück (W) verlagerbar ist, wobei die Messvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, nach Maßgabe der erfassten Messdaten charakteristische Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad (80) dargestellten geometrischen Figur zu ermitteln.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Figur ein Kreis ist, wobei die Messvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, nach Maßgabe der erfassten Messdaten eine Position (a, b) eines Mittelpunkts (M) des Kreises auf dem Werkstück (W) und/oder einen Durchmesser (D) des Kreises zu ermitteln.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die charakteristischen Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad (80) dargestellten geometrischen Figur während des Bearbeitungsprozesses zu ermitteln.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine bewegbare Ablenkeinrichtung (42) eine Messstrahlablenkeinrichtung der Messvorrichtung (10) ist.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Messstrahl (28) ferner mittels einer bewegbaren Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung (64, 92) der Bearbeitungsvorrichtung (12) ablenkbar ist, wobei die Messstrahlablenkeinrichtung (42) dazu eingerichtet ist, den optischen Messstrahl (28) unter Berücksichtigung einer Ablenkbewegung des optischen Messstrahls (28) durch die Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung (64, 92) zu verlagern.
Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine bewegbare Ablenkeinrichtung (42, 64) ein verlagerbares zweiachsiges Scannersystem umfasst.
Messvorrichtung (10), nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine bewegbare Ablenkeinrichtung (92) eine lateral zu einer optischen Achse des optischen Messstrahls (28) verlagerbare Fokus- oder Kollimationslinse umfasst.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) mittels eines mit der Messvorrichtung (10) gekoppelten Roboters relativ zu dem Werkstück (W) bewegbar ist, wobei die wenigstens eine Ablenkeinrichtung (42, 64, 92) dazu eingerichtet ist, den optischen Messstrahl (28) unter Berücksichtigung einer Bewegung der Messvorrichtung (10) durch den Roboter zu verlagern.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen von Messdaten mittels der wenigstens einen bewegbaren Ablenkeinrichtung (42, 64, 92) die Messvorrichtung (10) zusätzlich entlang einer zweiten diskreten Messlinie (88), vorzugsweise zusätzlich entlang einer dritten diskreten Messlinie (90), quer zu dem Hauptbearbeitungspfad (80) und diesen schneidend auf dem Werkstück (W) verlagerbar ist.
System (100) zum Bearbeiten und Überwachen eines Werkstücks (W), mit einer Bearbeitungsvorrichtung (12) und einer mit der Bearbeitungsvorrichtung (12) verbundenen Messvorrichtung (10), wobei die Bearbeitungsvorrichtung (12) dazu eingerichtet ist, das Werkstück (W) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (56) zu bearbeiten, der mittels einer bewegbaren Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung (64, 92) der Bearbeitungsvorrichtung (12) entlang eines einer Kontur einer geschlossenen geometrischen Figur entsprechenden Hauptbearbeitungspfads (80) auf dem Werkstück (W) verlagerbar ist, wobei die Messvorrichtung (10) einen optischen Kohärenztomographen (16) mit einer Messstrahlquelle (26) zum Erzeugen eines optischen Messstrahls (28) umfasst, der mittels wenigstens einer bewegbaren Messstrahlablenkeinrichtung (42) der Messvorrichtung (10) und/oder der bewegbaren Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung (64, 92) der Bearbeitungsvorrichtung (12) auf dem Werkstück (W) verlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Messstrahl (28) zum Erfassen von Messdaten mittels der wenigstens einen bewegbaren Messstrahlablenkeinrichtung (42) der Messvorrichtung (10) und/oder der bewegbaren Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung (64, 92) der Bearbeitungsvorrichtung (12) entlang wenigstens einer ersten diskreten Messlinie (86) jeweils quer zu dem Hauptbearbeitungspfad (80) und diesen schneidend, auf dem Werkstück (W) verlagerbar ist, wobei die Messvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, nach Maßgabe der erfassten Messdaten charakteristische Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad (80) dargestellten geometrischen Figur zu ermitteln.
System (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Figur ein Kreis ist, wobei die Messvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, nach Maßgabe der erfassten Messdaten eine Position (a, b) eines Mittelpunkts (M) des Kreises auf dem Werkstück (W) und/oder einen Durchmesser (D) des Kreises zu ermitteln.
System (100) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die charakteristischen Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad (80) dargestellten geometrischen Figur während des Bearbeitens des Werkstücks (W) durch die Bearbeitungsvorrichtung (12) zu ermitteln.
System (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung (42) der Messvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist, den optischen Messstrahl (28) unter Berücksichtigung einer Ablenkbewegung des optischen Messstrahls (28) durch die Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung (64, 92) der Bearbeitungsvorrichtung (12) zu verlagern.
System (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung (42) der Messvorrichtung (10) und/oder die bewegbare Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung (64) der Bearbeitungsvorrichtung (12) ein verlagerbares zweiachsiges Scannersystem umfasst.
System (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung der Messvorrichtung (10) und/oder die bewegbare Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung (92) der Bearbeitungsvorrichtung (12) eine lateral zu einer optischen Achse des Messstrahls (28) verlagerbare Fokus- oder Kollimationslinse umfasst.
System (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das System (100) mittels eines mit dem System (100) gekoppelten Roboters relativ zu dem Werkstück (W) bewegbar ist, wobei die wenigstens eine Messstrahlablenkeinrichtung (42) der Messvorrichtung (10) und/oder die bewegbaren Bearbeitungsstrahlablenkeinrichtung (64, 92) der Bearbeitungsvorrichtung (12) dazu eingerichtet ist, den optischen Messstrahl (28) unter Berücksichtigung einer Bewegung des Systems (100) durch den Roboter zu verlagern.
System (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen von Messdaten mittels der wenigstens einen bewegbaren Ablenkeinrichtung (42, 64, 92) die Messvorrichtung (10) zusätzlich entlang einer zweiten diskreten Messlinie (88), vorzugsweise zusätzlich entlang einer dritten diskreten Messlinie (90), quer zu dem Hauptbearbeitungspfad (80) und diesen schneidend auf dem Werkstück (W) verlagerbar ist.
Verfahren zum Überwachen eines Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks (W) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (56) einer Bearbeitungsvorrichtung (12), der entlang eines einer Kontur einer geschlossenen geometrischen Figur entsprechenden Hauptbearbeitungspfads (80) auf dem Werkstück (W) verlagert wird, wobei das Verfahren insbesondere mittels einer Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgeführt wird, und wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Erzeugen eines optischen Messstrahls (28) mittels einer Messstrahlquelle (26) eines optischen Kohärenztomographen (16), und - Verlagern des optischen Messstrahls (28) auf dem Werkstück (W) mittels wenigstens einer bewegbaren Ablenkeinrichtung (42, 64, 92), dadurch gekennzeichnet, dass der optische Messstrahl (28) zum Erfassen von Messdaten mittels der wenigstens einen bewegbaren Ablenkeinrichtung (42, 64, 92) entlang wenigstens einer ersten diskreten Messlinie (86) jeweils quer zu dem Hauptbearbeitungspfad (80) und diesen schneidend, auf dem Werkstück (W) verlagert wird, wobei mittels der Messvorrichtung (10) nach Maßgabe der erfassten Messdaten charakteristische Merkmale der durch den Hauptbearbeitungspfad (80) dargestellten geometrischen Figur ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Messstrahl (28) zum Erfassen von Messdaten mittels der wenigstens einen bewegbaren Ablenkeinrichtung (42, 64, 92) die Messvorrichtung (10) zusätzlich entlang einer zweiten diskreten Messlinie (88), vorzugsweise zusätzlich entlang einer dritten diskreten Messlinie (90), quer zu dem Hauptbearbeitungspfad (80) und diesen schneidend auf dem Werkstück (W) verlagert wird.