DE102018217940A1 - Verfahren und Bearbeitungsmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (8) mittels eines Bearbeitungsstrahls, umfassend: vor dem Bearbeiten: a) Bewegen eines Bearbeitungskopfs und des Werkstücks (8) relativ zueinander entlang einer vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9'), b) Ermitteln einer Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück (8) bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') mit Hilfe eines optischen Detektors, der fest mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist, und c) Ermitteln einer korrigierten Soll-Bewegungsbahn (9) anhand der ermittelten Relativbewegung, weiter umfassend: Bearbeiten des Werkstücks (8) durch Bewegen des den Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück (8) ausrichtenden Bearbeitungskopfs und des Werkstücks (8) relativ zueinander entlang der korrigierten Soll-Bewegungsbahn (9). Die Erfindung betrifft auch eine zugehörige Bearbeitungsmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks (8). Die Erfindung betrifft auch ein weiteres Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (8) mittels eines Bearbeitungsstrahls, sowie eine zugehörige Bearbeitungsmaschine.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungsstrahls. Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsmaschine, insbesondere eine Laserbearbeitungsmaschine, zum Bearbeiten eines Werkstücks, umfassend: einen Bearbeitungskopf zum Bearbeiten des Werkstücks, der zum Ausrichten eines Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück ausgebildet ist, eine Bewegungseinrichtung zur Bewegung des Bearbeitungskopfs und des Werkstücks relativ zueinander, sowie einen optischen Detektor, der fest mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist.
  • Bei der Bearbeitung eines beispielsweise plattenförmigen Werkstücks, insbesondere eines Blechs, mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere beim Laserschneiden mittels eines Laserstrahls, treten an geschnittenen Werkstückteilen Bauteiltoleranzen auf, die auf eine Abweichung der beim Laserschneiden erzeugten Ist-Bewegungsbahn von einer vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn zurückzuführen sind. Eine solche Abweichung kann durch dynamische Kräfte bei der Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück bei der Bearbeitung erzeugt werden: Insbesondere bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten kann es zu Schwingungen des Gantry-Systems bzw. des Roboters kommen, an dem der Bearbeitungskopf befestigt ist, oder zu Schwingungen des Werkstücks bzw. der Werkstückauflage, die zu Überschwingern beim Schneiden entlang der Schnittkontur führen.
  • In der DE102006017629A1 ist ein Verfahren zur Laserbearbeitung entlang einer vorbestimmten Bearbeitungsbahn an einem Werkstück beschrieben, bei dem eine bei der Relativbewegung des Werkstücks zu dem Laserbearbeitungskopf auftretende Abweichung der Istposition von der Sollposition erfasst und daraus ein Korrekturwert für die Ablenkung des Laserstrahls auf die Sollposition bestimmt und der Laserstrahl entsprechend abgelenkt wird. Hierbei können Überschwinger bei der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Laserbearbeitungskopf erfasst und dabei eine der Relativbewegung entgegengesetzte Ablenkung des Laserstrahls eingestellt werden.
  • In der DE102006049627A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feinpositionierung eines Werkzeugs beschrieben, bei dem eine Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und einem zu bearbeitenden Objekt mit zumindest einem Sensor erfasst und einer Abweichung einer daraus errechneten Ist-Bewegungsbahn des Werkzeugs oder des Objekts von einer Soll-Bewegungsbahn durch eine Nachführung des Werkzeugs oder des Objekts mit einem Aktor entgegengewirkt wird.
  • In der DE102006049627A1 wird auch vorgeschlagen, zur Erfassung der Relativbewegung eine Oberfläche des Objekts im Bereich eines Bearbeitungspunkts mit optischer Strahlung zu beleuchten und von der Oberfläche des Objekts im Bereich des Bearbeitungspunkts reflektierte optische Strahlung wiederholt mit der Kamera zu erfassen, um zeitlich aufeinander folgende optische Reflexionsmuster von überlappenden Oberflächenbereichen des Objekts zu erhalten. Die laterale Relativbewegung wird durch Vergleich der zeitlich aufeinander folgenden Reflexionsmuster ermittelt, wie dies im Detail in der DE102005022095A1 beschrieben ist.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Bearbeitungsmaschine bereitzustellen, mit denen die Konturgenauigkeit beim Bearbeiten eines Werkstücks entlang einer Soll-Bewegungsbahn erhöht werden kann.
  • Gegenstand der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungsstrahls gelöst, umfassend: vor dem Bearbeiten: a) Bewegen eines Bearbeitungskopfs und des Werkstücks relativ zueinander entlang einer vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn, b) Ermitteln einer Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück bei der Bewegung entlang der Soll-Bewegungsbahn mit Hilfe eines optischen Detektors, der fest mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist, und c) Ermitteln einer korrigierten Soll-Bewegungsbahn anhand der ermittelten Relativbewegung, wobei das Verfahren weiter umfasst: Bearbeiten des Werkstücks durch Bewegen des den Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück ausrichtenden Bearbeitungskopfs und des Werkstücks relativ zueinander entlang der korrigierten Soll-Bewegungsbahn.
  • Bei diesem Aspekt wird vorgeschlagen, auf Achsschwingungen oder dergleichen zurückzuführende Kontur-Abweichungen, die beim Bearbeiten des Werkstücks aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück auftreten, dadurch zu korrigieren, dass die vorgegebene Soll-Bewegungsbahn vor dem Bearbeiten des Werkstücks abgefahren und ggf. auftretende Abweichungen korrigiert werden, bevor die Bearbeitung erfolgt. Auf diese Weise kann auf eine Regelung der Relativbewegung während der Bearbeitung des Werkstücks mit Hilfe eines Aktors verzichtet werden, wie dies beispielsweise in der DE102006049627A1 beschrieben ist. Das Abfahren der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn erfolgt hierbei typischerweise mit derselben Relativ- bzw. Vorschubgeschwindigkeit, mit der auch die nachfolgende Bearbeitung durchgeführt wird.
  • Das Verfahren kann beispielsweise bei flächig bearbeitenden Bearbeitungsmaschinen, beispielsweise bei 2D-Laserschneidmaschinen, eingesetzt werden. Bei einer derartigen Bearbeitungsmaschine wird in der Regel der Bearbeitungskopf in zwei Dimensionen (X/Y-Richtung) über das Werkstück bewegt und das Werkstück bleibt ortsfest. Die Bewegung des Bearbeitungskopfs und des Werkstücks relativ zueinander entspricht in diesem Fall einer Bewegung des Bearbeitungskopfs entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn relativ zum ruhenden Werkstück bzw. zum Maschinenrahmen der Bearbeitungsmaschine. An Stelle einer schneidenden Bearbeitung mittels des Bearbeitungsstrahls kann beispielsweise eine schweißende Bearbeitung z.B. mittels eines Laserstrahls erfolgen.
  • Bei einer Variante umfasst das Ermitteln der Relativbewegung: Beleuchten einer Oberfläche des Werkstücks im Bereich des Bearbeitungskopfs mit Beleuchtungsstrahlung, ortsaufgelöstes Erfassen von an der Oberfläche des Werkstücks im Bereich des Bearbeitungskopfes reflektierter Beleuchtungsstrahlung, um zeitlich aufeinander folgende Reflexionsmuster von überlappenden Oberflächenbereichen des Werkstücks bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn zu erhalten, sowie Ermitteln der Relativbewegung durch Vergleichen der zeitlich aufeinander folgenden Reflexionsmuster.
  • Das Ermitteln der Relativbewegung bzw. einer Lateralverschiebung von Oberflächenbereichen durch Vergleichen der zeitlich aufeinander folgenden Reflexionsmuster kann beispielsweise auf die in der DE102006049627A1 oder in der DE102005022095A1 beschriebene Weise - typischerweise mit Hilfe einer Berechnung einer Ähnlichkeitsfunktion - erfolgen, vgl. auch Seiten 67-74 der Dissertation „Geometriebasierte Prozessüberwachung und -regelung beim Laserstrahlschweißen durch koaxiale Beobachtung des Schmelzbades mit Fremdbeleuchtung“ von B. Regaard, RWTH Aachen, 2012, die allesamt durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht werden. Für das Ermitteln der Relativbewegung bzw. des lateralen Versatzes werden mit Hilfe der Ähnlichkeitsfunktion Bildausschnitte maximaler Ähnlichkeit der Reflexionsmuster der überlappenden Oberflächenbereiche bestimmt. An jeder Position entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn, an der ein Oberflächenbereich ortsaufgelöst erfasst wurde, kann somit die Richtung und der Betrag der (instantanen) Vorschubgeschwindigkeit ermittelt werden. Anhand eines Vergleichs der Vorschubgeschwindigkeit, die sich bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn ergibt, kann die Abweichung der Ist-Bewegungsbahn von der Soll-Bewegungsbahn ermittelt werden. Die Soll-Bewegungsbahn kann entsprechend korrigiert werden, indem eine der Abweichung entgegen gesetzte Relativbewegung in die Soll-Bewegungsbahn eingerechnet wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungsstrahls, umfassend: vor dem Bearbeiten: a) Bewegen eines Bearbeitungskopfs und des Werkstücks relativ zueinander entlang einer vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn mit einer ersten Relativgeschwindigkeit, Bewegen des Bearbeitungskopfs und des Werkstücks relativ zueinander entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn mit einer zweiten, größeren Relativgeschwindigkeit, b) Ermitteln einer Abweichung zwischen der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn mit der ersten Relativgeschwindigkeit und der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn mit der zweiten Relativgeschwindigkeit mit Hilfe eines optischen Detektors, der fest mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist, und c) Ermitteln einer korrigierten Soll-Bewegungsbahn anhand der ermittelten Abweichung, wobei das Verfahren weiter umfasst: Bearbeiten des Werkstücks durch Bewegen des den Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück ausrichtenden Bearbeitungskopfs und des Werkstücks relativ zueinander entlang der korrigierten Soll-Bewegungsbahn. Die Reihenfolge der Bewegungen entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn in Schritt a) ist beliebig, d.h. es kann zunächst eine Bewegung mit der ersten Relativgeschwindigkeit und zeitlich nachfolgend eine Bewegung mit der zweiten Relativgeschwindigkeit erfolgen, oder umgekehrt.
  • Bei diesem Aspekt der Erfindung werden wie beim ersten Aspekt der Erfindung Kontur-Abweichungen beim Bearbeiten des Werkstücks, die auf Achsschwingungen oder dergleichen zurückzuführen sind, dadurch korrigiert, dass die vorgegebene Soll-Bewegungsbahn vor dem Bearbeiten des Werkstücks abgefahren und erforderlichenfalls korrigiert wird, bevor die Bearbeitung erfolgt. Im Gegensatz zum weiter oben beschriebenen ersten Aspekt wird die vorgegebene Soll-Bewegungsbahn jedoch zwei Mal mit unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten abgefahren: Die erste Relativgeschwindigkeit ist vergleichsweise gering, so dass die vorgegebene Soll-Bewegungsbahn langsam und mit hoher Genauigkeit abgefahren wird. Die zweite Relativgeschwindigkeit entspricht im Wesentlichen der Soll-Relativgeschwindigkeit bei der nachfolgenden Bearbeitung. Anhand der Abweichung zwischen den Bewegungen entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn bei den beiden unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten kann die vorgegebene Soll-Bewegungsbahn korrigiert werden, beispielsweise indem eine der Abweichung entgegen gesetzte Korrektur in die Soll-Bewegungsbahn eingerechnet wird.
  • Bei einer Variante umfasst das Ermitteln der Abweichung: Beleuchten einer Oberfläche des Werkstücks im Bereich des Bearbeitungskopfs mit Beleuchtungsstrahlung, ortsaufgelöstes Erfassen von an der Oberfläche des Werkstücks im Bereich des Bearbeitungskopfes reflektierter Beleuchtungsstrahlung, um bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn mit der ersten Relativgeschwindigkeit erste Reflexionsmuster und bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn mit der zweiten Relativgeschwindigkeit zweite Reflexionsmuster von überlappenden Oberflächenbereichen des Werkstücks zu erhalten, sowie Ermitteln der Abweichung durch Vergleichen der ersten und zweiten Reflexionsmuster.
  • Das Ermitteln der Abweichung erfolgt anhand eines Vergleichs der ersten und zweiten Reflexionsmuster, wobei Reflexionsmuster miteinander verglichen werden, die beim ersten bzw. zweiten Abfahren der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn mit zwei unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten erhalten wurden. Die ersten Reflexionsmuster, welche bei der Bewegung mit der geringeren Relativgeschwindigkeit erhalten wurden, stellen eine Referenz bzw. einen Soll-Zustand dar, von dem die zweiten, bei der Bewegung mit der größeren Relativgeschwindigkeit erhaltenen Reflexionsmuster durch einen lateralen Versatz abweichen. Das Vergleichen der ersten und zweiten Reflexionsmuster zum Ermitteln der Abweichung bzw. des lateralen Versatzes kann analog zum weiter oben beschriebenen Vorgehen, d.h. beispielsweise auf die in der DE102006049627A1 oder in der DE102005022095A1 beschriebene Weise - typischerweise mit Hilfe einer Berechnung einer Ähnlichkeitsfunktion - vorgenommen werden.
  • Bei einer Variante erfolgen das Beleuchten und das ortsaufgelöste Erfassen der Oberflächenbereiche durch eine Bearbeitungsoptik, insbesondere durch eine Fokussieroptik, des Bearbeitungskopfs hindurch. Die Beleuchtung des Oberflächenbereichs erfolgt in diesem Fall in der Regel koaxial oder nur leicht geneigt zum Bearbeitungsstrahl, der auf das Werkstück ausgerichtet wird. Eine solche Beleuchtung hat sich als günstig erwiesen, da bei dieser Art der Beleuchtung von dem Oberflächenbereich reflektierte Beleuchtungsstrahlung unregelmäßige Reflexionsmuster in dem Bild auf dem Detektor erzeugt, die einen Vergleich zwischen den Bildern der ortsaufgelöst erfassten Oberflächenbereiche erleichtern. Auch eine koaxiale Beobachtung bzw. Erfassung des Oberflächenbereichs, die beispielsweise mit Hilfe einer Abbildungsoptik erfolgt, hat sich für die Durchführung des Vergleichs als günstig erwiesen. In diesem Fall ist der Detektor, bei dem es sich z.B. um eine Kamera handelt, typischerweise koaxial zum Bearbeitungsstrahl bzw. zu einer Verlängerung der Strahlachse des Bearbeitungsstrahls angeordnet.
  • Bei einer Variante werden die Schritte a) und b) mindestens ein weiteres Mal durchlaufen, wobei die im vorausgehenden Schritt c) ermittelte korrigierte Soll-Bewegungsbahn die vorgegebene Soll-Bewegungsbahn für den weiteren Durchlauf der Schritte a) und b) bildet. Insbesondere für den Fall, dass die korrigierte Soll-Bewegungsbahn deutlich von der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn abweicht, kann es sinnvoll sein, die Bewegungsbahn mindestens ein weiteres Mal abzufahren und hierbei die Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück bzw. die Abweichung zu erfassen. Für den Fall, dass die Abweichung bzw. der Restfehler zwischen der Ist-Bewegungsbahn und der Soll-Bewegungsbahn noch vergleichsweise groß ist, kann auch Schritt c) erneut durchgeführt werden, um eine weitere korrigierte Soll-Bewegungsbahn zu erzeugen. Dieses Vorgehen, d.h. das Durchlaufen der Schritte a), b) sowie ggf. des Schrittes c) kann mehrere Male erfolgen, bis der Restfehler bzw. die Soll-Ist-Abweichung klein genug ist.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine der eingangs genannten Art, weiter umfassend: eine Steuerungseinrichtung, die ausgebildet bzw. programmiert / konfiguriert ist, vor dem Bearbeiten den Bearbeitungskopf und das Werkstück relativ zueinander entlang einer vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn zu bewegen, eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet bzw. programmiert / konfiguriert ist, mit Hilfe des optischen Detektors eine Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück bei der Bewegung entlang der Soll-Bewegungsbahn zu ermitteln sowie anhand der ermittelten Relativbewegung eine korrigierte Soll-Bewegungsbahn zu bestimmen, wobei die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, beim Bearbeiten den Bearbeitungskopf und das Werkstück relativ zueinander entlang der korrigierten Soll-Bewegungsbahn zu bewegen. Bei der Bearbeitungsmaschine kann es sich beispielsweise um eine Laserschweiß- oder eine Laserschneidmaschine handeln.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist der optische Detektor zum ortsaufgelösten Erfassen von an der Oberfläche des Werkstücks im Bereich des Bearbeitungskopfes reflektierter Beleuchtungsstrahlung ausgebildet, um zeitlich aufeinander folgende Reflexionsmuster von überlappenden Oberflächenbereichen des Werkstücks bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn zu erhalten, und die Auswerteeinrichtung ist zum Ermitteln der Relativbewegung durch Vergleichen der zeitlich aufeinander folgenden Reflexionsmuster ausgebildet. Wie weiter oben in Zusammenhang mit dem ersten Aspekt beschrieben wurde, kann die jeweilige momentane Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück durch Berechnen einer Ähnlichkeitsfunktion bzw. durch das Auffinden von Bildausschnitten maximaler Ähnlichkeit der Reflexionsmuster der überlappenden Oberflächenbereiche ermittelt werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine der eingangs genannten Art, weiter umfassend: eine Steuerungseinrichtung, die ausgebildet bzw. programmiert / konfiguriert ist, vor dem Bearbeiten den Bearbeitungskopf und das Werkstück relativ zueinander mit einer ersten Relativgeschwindigkeit und mit einer zweiten, größeren Relativgeschwindigkeit entlang einer vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn zu bewegen, eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet bzw. programmiert / konfiguriert ist, mit Hilfe des optischen Detektors eine Abweichung zwischen der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn mit der ersten Relativgeschwindigkeit und der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn mit der zweiten Relativgeschwindigkeit zu ermitteln sowie anhand der ermittelten Abweichung eine korrigierte Soll-Bewegungsbahn zu ermitteln, wobei die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, beim Bearbeiten den Bearbeitungskopf und das Werkstück relativ zueinander entlang der korrigierten Soll-Bewegungsbahn zu bewegen. Wie weiter oben in Zusammenhang mit dem zugehörigen Verfahren dargestellt wurde, erfolgt die Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn mit der ersten Relativgeschwindigkeit vergleichsweise langsam, so dass das Auftreten von Überschwingern vermieden wird. Die zweite Relativgeschwindigkeit entspricht typischerweise der Soll-Relativgeschwindigkeit beim nachfolgenden Bearbeiten des Werkstücks.
  • Bei einer Ausführungsform ist der optische Detektor zum ortsaufgelösten Erfassen von an der Oberfläche des Werkstücks im Bereich des Bearbeitungskopfs reflektierter Beleuchtungsstrahlung ausgebildet, um bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn mit der ersten Relativgeschwindigkeit erste Reflexionsmuster und bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn mit der zweiten Relativgeschwindigkeit zweite Reflexionsmuster von überlappenden Oberflächenbereichen des Werkstücks zu erhalten; die Auswerteeinrichtung ist zum Ermitteln der Abweichung durch Vergleichen der ersten und zweiten Reflexionsmuster ausgebildet. Zum Ermitteln der Abweichung in Form eines lateralen Versatzes bzw. eines Differenz-Betrags wird ein jeweiliges erstes Reflexionsmuster eines ersten Oberflächenbereichs mit einem zweiten Reflexionsmuster eines zweiten, mit dem ersten überlappenden Oberflächenbereichs des Werkstücks verglichen, das in der Regel derselben Position entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn entspricht. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann auf diese Weise eine korrigierte Soll-Bearbeitungsbahn ermittelt werden und auf Achsschwingungen oder dergleichen zurückzuführende Abweichungen können bereits vor dem Bearbeiten kompensiert werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsmaschine eine Beleuchtungsquelle zum Beleuchten einer Oberfläche des Werkstücks mit Beleuchtungsstrahlung, bevorzugt koaxial zum Bearbeitungsstrahl. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es für das Erfassen der Oberflächenbereiche günstig, wenn diese mit Beleuchtungsstrahlung beleuchtet werden. Die Beleuchtung koaxial zum Bearbeitungsstrahl und somit typischerweise durch eine Bearbeitungsoptik des Bearbeitungskopfs hindurch ist günstig, aber nicht zwingend erforderlich. Die Beleuchtung kann beispielsweise auch mittels einer an der Außenseite des Bearbeitungskopfs angebrachten Beleuchtungsquelle erfolgen, wobei sich in diesem Fall der Strahlengang der Beleuchtungsstrahlung nicht mit dem Strahlengang des Bearbeitungsstrahls in dem Bearbeitungskopf überschneidet. Gegebenenfalls kann auch auf eine Beleuchtungsquelle zur Beleuchtung der Oberfläche verzichtet werden, sofern in der Umgebung eine ausreichende Beleuchtung vorhanden ist.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Bearbeitungsmaschine ausgebildet, das Beleuchten der Oberfläche des Werkstücks und das ortsaufgelöste Erfassen der Oberflächenbereiche durch eine Bearbeitungsoptik, insbesondere durch eine Fokussieroptik, des Bearbeitungskopfs hindurch vorzunehmen. Wie oben im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurde, erfolgt die Beleuchtung bevorzugt in der Regel koaxial oder nur leicht geneigt zu einem Bearbeitungsstrahl, der auf das Werkstück ausgerichtet wird. Auch eine koaxiale Beobachtung des Oberflächenbereichs, die beispielsweise mit Hilfe einer Abbildungsoptik vorgenommen wird, hat sich als günstig erwiesen. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist der Detektor, bei dem es sich z.B. um eine hochauflösende Kamera handeln kann, typischerweise ebenfalls koaxial zum Bearbeitungsstrahl bzw. zu einer Verlängerung der Strahlachse des Bearbeitungsstrahls angeordnet.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
    • 1 eine Laserbearbeitungsmaschine zum schneidenden Bearbeiten eines Werkstücks,
    • 2a,b Darstellungen eines Laserbearbeitungskopfs der Laserbearbeitungsmaschine von 1,
    • 3 eine schematische Darstellung eines Werkstücks mit einer vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn des Laserbearbeitungskopfs von 2a,b,
    • 4a,b zwei Darstellungen der von einem Detektor aufgenommenen Reflexionsmuster von an einer Oberfläche des Werkstücks an zwei Oberflächenbereichen reflektierter Beleuchtungsstrahlung, sowie
    • 5a,b zwei Darstellungen analog zu 4a,b von einem ersten und zweiten Reflexionsmuster, die beim Abfahren der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn mit zwei unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten erhalten wurden.
  • In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
  • 1 zeigt eine Laserbearbeitungsmaschine 1 mit einer Laserquelle 2, einem Laserbearbeitungskopf 4 und einer Werkstückauflage 5. Ein von der Laserquelle 2 erzeugter Laserstrahl 6 wird mittels einer Strahlführung 3 mit Hilfe von (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln zum Laserbearbeitungskopf 4 geführt und in diesem fokussiert sowie mit Hilfe von ebenfalls nicht bildlich dargestellten Spiegeln senkrecht zur Oberfläche 8a eines Werkstücks 8 ausgerichtet, d.h. die Strahlachse (optische Achse) des Laserstrahls 6 verläuft senkrecht zum Werkstück 8. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Laserquelle 2 um eine CO2-Laserquelle. Alternativ kann der Laserstrahl 6 beispielsweise durch einen Festkörperlaser erzeugt werden.
  • Zum Laserschneiden des Werkstücks 8 wird mit dem Laserstrahl 6 zunächst eingestochen, d.h. das Werkstück 8 wird an einer Einstechposition E punktförmig aufgeschmolzen oder oxidiert und die hierbei entstehende Schmelze wird ausgeblasen. Nachfolgend wird der Laserstrahl 6 über das Werkstück 8 bewegt, so dass eine durchgängige Schnittkontur 9 entsteht, an der entlang der Laserstrahl 6 das Werkstück 8 durchtrennt.
  • Sowohl das Einstechen als auch das Laserschneiden können durch Hinzufügen eines Gases unterstützt werden. Als Schneidgase 10 können Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft und/oder anwendungsspezifische Gase eingesetzt werden. Entstehende Partikel und Gase können mit Hilfe einer Absaugeinrichtung 11 aus einer Absaugkammer 12 abgesaugt werden.
  • Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst auch eine Bewegungseinrichtung 13 zur Bewegung des Laserbearbeitungskopfs 4 und des Werkstücks 8 relativ zueinander. Im gezeigten Beispiel ruht das Werkstück 8 während der Bearbeitung auf der Werkstückauflage 5 und der Laserbearbeitungskopf 4 wird bei der Bearbeitung entlang von zwei Achsen X, Y eines XYZ-Koordinatensystems bewegt. Zu diesem Zweck weist die Bewegungseinrichtung 13 ein mit Hilfe eines durch einen Doppelpfeil angedeuteten Antriebs in X-Richtung verschiebbares Portal 14 auf. Der Laserbearbeitungskopf 4 kann mit Hilfe eines weiteren durch einen Doppelpfeil angedeuteten Antriebs der Bewegungseinrichtung 13 in X-Richtung verschoben werden, um an beliebige Bearbeitungskopf-Positionen B in X-Richtung und in Y-Richtung in einem durch die Verschiebbarkeit des Laserbearbeitungskopfs 4 bzw. durch das Werkstück 8 vorgegebenen Arbeitsfeld bewegt zu werden. An einer jeweiligen Bearbeitungskopf-Position B weist der Laserstrahl 6 eine (instantane) Vorschubgeschwindigkeit V auf.
  • Wie in 2a zu erkennen ist, wird der Laserstrahl 6 für die Durchführung einer schneidenden Bearbeitung an dem Werkstück 8 mittels einer Fokussiereinrichtung in Form einer Fokussierlinse 15 auf das Werkstück 8 fokussiert. Bei der Fokussierlinse 15 handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine Linse aus Zinkselenid, die den Laserstrahl 6 durch eine Laserbearbeitungsdüse 16, genauer gesagt durch deren Düsenöffnung 16a, auf das Werkstück 8 fokussiert, und zwar im gezeigten Beispiel auf eine Fokusposition F an der Oberseite 8a des Werkstücks 8. Der Laserstrahl 6 bildet dort einen Wechselwirkungsbereich 17 mit dem Werkstück 8, hinter dem entgegen der Bearbeitungsrichtung V bzw. entgegen der Schnittrichtung des Laserschneidprozesses die in 1 gezeigte Schnittkontur 9 erzeugt wird. Im Falle eines Laserstrahls 6 aus einem Festkörperlaser kann eine Fokussierlinse bspw. aus Quarzglas eingesetzt werden.
  • In 2a ebenfalls zu erkennen ist ein teildurchlässig ausgebildeter Umlenkspiegel 18, welcher den einfallenden Laserstrahl 6 (bspw. mit einer Wellenlänge von ca. 10,6 µm) reflektiert und für eine Prozessüberwachung relevante Beobachtungsstrahlung zu einem weiteren teildurchlässigen Umlenkspiegel 19 transmittiert. Der Umlenkspiegel 18 ist im gezeigten Beispiel für Beobachtungsstrahlung in Form von Wärmestrahlung bei Wellenlängen λ von ca. 700 nm bis 2000 nm teildurchlässig ausgebildet. Eine Beleuchtungsquelle 21 dient zur koaxialen Beleuchtung des Werkstücks 8 mit Beleuchtungsstrahlung 22. Die Beleuchtungsstrahlung 22 wird von dem weiteren teiltransmissiven Umlenkspiegel 19 sowie von dem Umlenkspiegel 18 transmittiert und durch die Düsenöffnung 16a der Laserbearbeitungsdüse 16 hindurch auf das Werkstück 8 gelenkt.
  • Alternativ zu den teildurchlässigen Umlenkspiegeln 18, 19 können auch Scraperspiegel oder Lochspiegel, welche einfallende Strahlung nur aus einem Randbereich reflektieren, eingesetzt werden, um die Beleuchtungsstrahlung 22 dem Werkstück 8 zuzuführen. Auch mindestens ein seitlich in den Strahlengang des Laserstrahls 6 eingebrachter Spiegel kann verwendet werden, um die Beobachtung zu ermöglichen.
  • Als Beleuchtungsquelle 21 können Diodenlaser oder LEDs oder Blitzlampen vorgesehen werden, die wie in 2a gezeigt koaxial, aber auch off-axis zur Laserstrahlachse 24 angeordnet werden können. Die Beleuchtungsquelle 21 kann beispielsweise auch außerhalb (insbesondere neben) dem Laserbearbeitungskopf 4 angeordnet und auf das Werkstück 8 gerichtet sein; alternativ kann die Beleuchtungsquelle 21 innerhalb des Laserbearbeitungskopfs 4 angeordnet, jedoch nicht koaxial zum Laserstrahl 6 auf das Werkstück 8 ausgerichtet sein.
  • Gegebenenfalls kann der Laserbearbeitungskopf 4 auch ohne eine Beleuchtungsquelle 21 betrieben werden.
  • In einem Beobachtungsstrahlengang 23 hinter dem weiteren teildurchlässigen Umlenkspiegel 19 ist ein ortsauflösender Detektor in Form einer geometrisch hochauflösenden Kamera 25 angeordnet. Bei der Kamera 25 kann es sich um eine Hochgeschwindigkeitskamera handeln, die koaxial zur Laserstrahlachse 24 bzw. zur Verlängerung der Laserstrahlachse 24 und somit richtungsunabhängig angeordnet ist. Beim dargestellten Beispiel erfolgt die Aufnahme von Bildern durch die Kamera 25 im Auflichtverfahren im NIR/IR-Wellenlängenbereich, um das Prozesseigenleuchten bzw. ein Wärmebild des Schneidprozesses aufzunehmen. Bei dem in 2a gezeigten Beispiel kann ein Filter vor der Kamera 25 angeordnet werden, wenn weitere Strahlungs- bzw. Wellenlängenanteile von der Erfassung mit der Kamera 25 ausgeschlossen werden sollen. Der Filter kann z.B. als schmalbandiger Bandpassfilter mit einer Halbwertsbreite von beispielsweise ca. 15 nm ausgebildet sein, der Wellenlängen λ im Bereich um ca. 800 nm transmittiert.
  • Zur ortsaufgelösten Erfassung von in 4a,b gezeigten Oberflächenbereichen O, O' des Werkstücks 8 auf einer Detektorfläche 25a der Kamera 25 weist der Laserbearbeitungskopf 4 eine Abbildungsoptik 27 auf. Im gezeigten Beispiel weist die Abbildungsoptik 27 eine Blende 28 auf, die um eine zentrale Drehachse D drehbar gelagert ist, so dass sich bei der Drehung die Position einer exzentrisch angeordneten Blendenöffnung 28a auf einem Kreisbogen um die Drehachse D bewegt (vgl. 2b).
  • Durch die Anordnung der Blende 28 in dem mittels einer Linse 29 fokussierten Strahlengang der Abbildungsoptik 27 tritt nur ein Teil des Beobachtungsstrahlengangs 23, welcher einen Randbereich der Fokussierlinse 15 durchläuft und im konvergenten Strahlengang nach der Fokussierlinse 15 unter einem Winkel β zur Strahlachse 24 des Laserstrahls 6 ausgerichtet ist, durch die exzentrisch zur Verlängerung der Strahlachse 24 des Laserstrahls 6 angeordnete Blendenöffnung 28a hindurch und bildet einen Beobachtungsstrahl 23a, welcher auf der Detektorfläche 25a abgebildet wird. Bei dem in 2a gezeigten Beispiel verläuft eine Beobachtungsrichtung R1 des Beobachtungsstrahls 23a in der Projektion in die XY-Ebene bzw. in die Werkstückebene parallel zur Richtung des Bearbeitungsvektors V, entlang derer der Laserstrahl 6 und das Werkstück 8 in der XY-Ebene relativ zueinander bewegt werden, um die gewünschte Schnittkontur zu bilden, d.h. es erfolgt eine stechende Beobachtung. Der Winkel β, unter dem die Beobachtungsrichtung R1 zur Strahlachse 24 des Laserstrahls 6 ausgerichtet ist, liegt im gezeigten Beispiel zwischen ca. 1° und ca. 5°, beispielsweise bei ca. 4°.
  • An Stelle einer mechanisch verstellbaren Blende 28 kann auch eine elektrisch verstellbare Blende, beispielsweise in Form eines LCD-Arrays, verwendet werden, bei der einzelne Pixel oder Pixelgruppen elektronisch an- bzw. ausgeschaltet werden, um die Blendenwirkung zu erzeugen. Auch kann die mechanische Blende 28 anders als in 2a,b gezeigt quer zum Beobachtungsstrahlengang 23, beispielsweise in der YZ-Ebene, bewegt bzw. verschoben werden, um unterschiedliche Teile des Beobachtungsstrahlengangs 23 abzuschatten bzw. für die Beobachtung zu öffnen. Die Blende 28 kann auch in Form eines oder mehrerer auf- und zuklappbarer mechanischer Elemente realisiert werden. Anders als dies in 2a,b dargestellt ist, kann auf die Blende 28 auch vollständig verzichtet werden, d.h. der Bearbeitungsstrahlengang 23 als Ganzes wird auf die Detektorfläche 25a abgebildet.
  • 3 zeigt das zu bearbeitende Werkstück 8, genauer gesagt die Oberfläche 8a des Werkstücks, mit einer vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9', entlang derer das Werkstück 8 schneidend bearbeitet werden soll, um die in 1 dargestellte Soll-Schnittkontur 9 zu erzeugen. Die vorgegebene Soll-Bewegungsbahn 9' verläuft von der weiter oben beschriebenen Einstechposition E zu einer Endposition T und weist einen halbkreisförmigen Bahnabschnitt auf, an den sich ein geradliniger Bahnabschnitt anschließt. Aufgrund von Achsschwingungen des Bearbeitungskopfs 4, genauer gesagt der Antriebsachsen der Bewegungseinrichtung 13, stimmt die (nicht bildlich dargestellte) Ist-Schnittkontur, die bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' des Bearbeitungskopfs 4 erzeugt wird, nicht exakt mit der in 1 gezeigten (Soll-)Schnittkontur 9 überein, die bei der schneidenden Bearbeitung an dem Werkstück 8 erzeugt werden soll.
  • Um die aufgrund der Schwingungen auftretenden Konturabweichungen zu korrigieren, werden vor dem Bearbeiten folgende Schritte durchgeführt: In Schritt a) wird der Laserbearbeitungskopf 4 entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' über das ortsfeste Werkstück 8 bewegt, d.h. der Laserbearbeitungskopf 4 wird an der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' zwischen der Einstechposition E und der Endposition T entlang geführt. Die Bewegung des Laserbearbeitungskopfs 4 wird mittels einer Steuerungseinrichtung 34 (vgl. 1) gesteuert, die auch andere Steuerungsaufgaben der Laserschneidmaschine 1 übernimmt und die mit einer Auswerteeinrichtung 30 in signaltechnischer Verbindung steht.
  • Mittels der Auswerteeinrichtung 30, die mit dem Detektor 25 in signaltechnischer Verbindung steht, wird in Schritt b) eine Relativbewegung 31 zwischen dem Laserbearbeitungskopf 4 und dem Werkstück 8 unter Verwendung des optischen Detektors 25 ermittelt, wie weiter unten näher beschrieben wird. Anhand der ermittelten Relativbewegung 31 zwischen dem Laserbearbeitungskopf 4 und dem Werkstück 8 wird in der Auswerteeinrichtung 30, in der Steuerungseinrichtung 34 oder in einer anderen Einrichtung in einem Schritt c) eine korrigierte Soll-Bewegungsbahn 9 ermittelt, die in 3 ebenfalls dargestellt ist. Die korrigierte Soll-Bewegungsbahn 9 kompensiert den Bahnfehler, der auf die weiter oben beschriebene Schwingung der Antriebsachsen des Laserbearbeitungskopfs 4 zurückzuführen ist. Wird der Laserbearbeitungskopf 4 entlang der in 3 gezeigten, korrigierten Soll-Bewegungsbahn 9 bewegt, so entsteht beim nachfolgenden Bearbeiten die in 1 gezeigte, gewünschte Schnittkontur 9 beim Schneiden des Werkstücks 8, die der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' (ohne Berücksichtigung der Abweichung bzw. der Überschwinger) entspricht.
  • Um die Relativbewegung 31 bzw. eine Ist-Bewegungsbahn beim Bewegen des Laserbearbeitungskopfs 4 entlang der Soll-Bewegungsbahn 9' zu ermitteln, wird die Oberfläche 8a des Werkstücks 8 durch die Düsenöffnung 16a der Bearbeitungsdüse 16 hindurch mit der Beleuchtungsstrahlung 22 der Beleuchtungsquelle 21 beleuchtet. Ein an der Oberfläche 8a des Werkstücks 8 im Bereich des Bearbeitungskopfs 4 bzw. an einer jeweiligen Bearbeitungskopf-Position B entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' durch die Düsenöffnung 16a hindurch erfasster Oberflächenbereich O wird mittels der Abbildungsoptik 27 auf die Detektorfläche 25a des ortsauflösenden Detektors 25 abgebildet.
  • 4a zeigt die an dem in 3 dargestellten Oberflächenbereich O reflektierte Beleuchtungsstrahlung 22, genauer gesagt ein Reflexionsmuster 32 der Oberfläche 8a des Werkstücks 8 in dem Oberflächenbereich O an der in 3 gezeigten Bearbeitungskopf-Position B. 4b zeigt ein Reflexionsmuster 32' bzw. ein Bild eines Oberflächenbereichs O', das zu einem späteren Zeitpunkt als das in 4a gezeigte Reflexionsmuster 32 an einer weiteren Bearbeitungskopf-Position B' aufgenommen wurde. Der zeitliche Versatz zwischen der Aufnahme der beiden Bilder der Oberflächenbereiche O, O' bzw. der zugehörigen Reflexionsmuster 32, 32' wurde so gewählt, dass die beiden Oberflächenbereiche O, O' sich (teilweise) überlappen, wie in 4b angedeutet ist.
  • Anhand eines Vergleichs zwischen den zeitlich aufeinander folgenden Reflexionsmustern 32, 32' der beiden Oberflächenbereiche O, O' kann die Relativbewegung 31, genauer gesagt ein lateraler Versatz zwischen den beiden Oberflächenbereichen O, O', ermittelt werden. Der laterale Versatz 31 entspricht der Richtung und dem Betrag der Vorschubgeschwindigkeit V des Bearbeitungskopfs 4 an der Bearbeitungskopf-Position B des in 3 gezeigten Oberflächenbereichs O. Wie in 4b zu erkennen ist, verläuft der laterale Versatz 31 nicht horizontal bzw. in negativer Y-Richtung, wie dies bei der in 3 gezeigten vorgegebenen Soll-Bahnkurve 9' in dem geradlinigen Bahnabschnitt der Fall sein müsste, vielmehr weicht die Richtung des lateralen Versatzes 31 von der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' ab, und zwar um einen in 4b dargestellten Differenz-Betrag (Abweichung) 33 in X-Richtung.
  • Bei der Bewegung des Laserbearbeitungskopfs 4 entlang der in 3 gezeigten vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' kann die Abweichung 33 der Ist-Bewegungsbahn an jeder Bearbeitungskopf-Position B bestimmt werden, indem die zeitlich aufeinander folgenden Reflexionsmuster 32, 32' der sich jeweils überlappenden Oberflächenbereiche O, O' ausgewertet werden. Auf diese Weise kann in der Auswerteeinrichtung 30, in der Steuerungseinrichtung 34 oder in einer anderen Einrichtung der Laserbearbeitungsmaschine 1 oder einer mit dieser in signaltechnischer Verbindung stehenden Einrichtung die in 3 gezeigte korrigierte Soll-Bearbeitungsbahn 9 ermittelt werden. Bei der korrigierten Soll-Bearbeitungsbahn 9 wird die Abweichung 33 durch eine Veränderung der vorgegebenen Soll-Bearbeitungsbahn 9' kompensiert, so dass der gewünschte, geradlinige Bahnabschnitt der in 1 gezeigten Schnittkontur 9 erzeugt wird.
  • Alternativ zur Ermittlung der Abweichung 33 anhand der Relativbewegung 31 kann die Abweichung 33 auch auf die weiter unten in Zusammenhang mit 5a,b beschriebene Weise ermittelt werden. Hierbei werden vor dem Bearbeiten folgende Schritte durchgeführt: In einem ersten Schritt a) wird der Laserbearbeitungskopf 4 entlang der in 3 gezeigten vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' über das ortsfeste Werkstück 8 bewegt, d.h. der Laserbearbeitungskopf 4 wird an der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' zwischen der Einstechposition E und der Endposition T entlang geführt. Die (erste) Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' erfolgt mit einer ersten Relativ- bzw. Vorschubgeschwindigkeit v1 , die so gering ist, dass praktisch keine schwingungsbedingten Abweichungen von der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' auftreten, d.h. der Laserbearbeitungskopf 4 bewegt sich praktisch genau entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9'.
  • Bei der Bewegung erfolgt ein ortsaufgelöstes Erfassen von an der Oberfläche 8a des Werkstücks 8 im Bereich des Bearbeitungskopfes 4 reflektierter Beleuchtungsstrahlung 22, wie dies weiter oben in Zusammenhang mit 4a,b beschrieben wurde. 5a zeigt für den Oberflächenbereich O an der in 3 gezeigten Bearbeitungskopf-Position B die ortsaufgelöst erfasste reflektierte Beleuchtungsstrahlung 22, genauer gesagt ein Reflexionsmuster 32a der Oberfläche 8a des Werkstücks 8 in dem Oberflächenbereich O.
  • In Schritt a) wird der Laserbearbeitungskopf 4 nachfolgend erneut entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' über das ortsfeste Werkstück 8 bewegt, d.h. der Laserbearbeitungskopf 4 wird erneut an der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' zwischen der Einstechposition E und der Endposition T mit einer zweiten, größeren Relativ- bzw. Vorschubgeschwindigkeit v2 entlang geführt. Die zweite Relativgeschwindigkeit v2 entspricht hierbei der Soll-Relativgeschwindigkeit beim nachfolgenden Bearbeiten des Werkstücks 8. Bei der zweiten Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' erfolgt ebenfalls ein ortsaufgelöstes Erfassen von an der Oberfläche 8a des Werkstücks 8 reflektierter Beleuchtungsstrahlung 22. 5b zeigt ein Reflexionsmuster 32b bzw. ein Bild eines Oberflächenbereichs O', das bei der zweiten Bewegung an einer Bearbeitungskopf-Position B' aufgenommen wurde, die der in 3 gezeigten Bearbeitungskopf-Position B entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' entspricht, aber aufgrund der Achsschwingungen lateral (in X-Richtung) zu dieser versetzt ist.
  • In einem zweiten Schritt b) wird mittels der Auswerteeinrichtung 30, die mit dem Detektor 25 in signaltechnischer Verbindung steht, durch einen Vergleich zwischen dem ersten und zweiten Reflexionsmuster 32a, 32b der beiden einander überlappenden Oberflächenbereiche O, O' ein Differenz-Betrag bzw. eine Abweichung 33 zwischen den Bearbeitungskopf-Positionen B, B' ermittelt. Wie durch einen Vergleich zwischen 4b und 5b erkennbar ist, wird bei dem in Zusammenhang mit 5a,b beschriebenen Verfahren derselbe Betrag der Abweichung 33 wie bei dem weiter oben beschriebenen Verfahren ermittelt. In einem nachfolgenden Schritt c) erfolgt die Korrektur der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn 9' bzw. eine Kompensation der Bahnfehler auf die weiter oben beschriebene Weise, d.h. durch die Bestimmung und Korrektur der Abweichung 33 an jeder Bearbeitungskopf-Position B entlang der vorgegebenen Soll-Bearbeitungsbahn 9'.
  • Die weiter oben beschriebenen Schritte a) und b) können ggf. wiederholt werden, um zu überprüfen, ob beim Bewegen des Laserbearbeitungskopfs 4 entlang der korrigierten Soll-Bearbeitungsbahn 9 die gewünschte Schnittkontur 9 auf dem Werkstück 8 erzeugt wird, d.h. ob beim Bewegen des Bearbeitungskopfs 4 entlang der korrigierten Soll-Bewegungsbahn 9 möglichst exakt die vorgegebene Soll-Bewegungsbahn 9' auf dem Werkstück 8 reproduziert wird. Ist dies nicht der Fall, kann ggf. Schritt c) erneut durchgeführt werden, d.h. es kann eine weitere korrigierte Soll-Bewegungsbahn 9 ermittelt werden und die Schritte a) und b) können erneut durchgeführt werden, um zu prüfen, ob die Abweichung 33 der korrigierten Soll-Bewegungsbahn 9' von der Ist-Bewegungsbahn klein genug ist. Ggf. können die Schritte a), b) und c) mehrmals hintereinander ausgeführt werden, bis die Abweichung 33 entlang der gesamten korrigierten Soll-Bewegungsbahn 9 einen vorgegebenen Wert unterschreitet oder bis ein Abbruchkriterium, z.B. eine vorgegebene Anzahl von Wiederholungen, erreicht ist.
  • Für das Vergleichen der Reflexionsmuster 32, 32'; 32a, 32b zum Ermitteln der Relativbewegung 31 bzw. der Abweichung 33 wird in der Auswerteeinrichtung 30 ein Mustererkennungsalgorithmus ausgeführt, der eine Ähnlichkeitsfunktion zwischen den beiden Reflexionsmustern 32, 32'; 32a, 32b berechnet, anhand derer Bildausschnitte maximaler Ähnlichkeit der Reflexionsmuster 32, 32'; 32a, 32b in den überlappenden Oberflächenbereichen O, O' bestimmt werden. Für Details eines Beispiels für einen solchen Mustererkennungsalgorithmus sei auf die eingangs zitierte DE102005022095A1 bzw. die DE102006049627A1 verwiesen.
  • Zusammenfassend kann auf die oben beschriebene Weise die beim schneidenden Bearbeiten zu erzeugende Schnittkontur 9 mit hoher Genauigkeit reproduziert werden, ohne dass es erforderlich ist, die Dynamik, d.h. die Bearbeitungsgeschwindigkeit, beim schneidenden Bearbeiten zu reduzieren. Das weiter oben beschriebene Verfahren kann auch bei anderen Bearbeitungsprozessen, beispielsweise bei der schweißenden Bearbeitung eines Werkstücks 8 durchgeführt werden, um eine korrigierte Soll-Bewegungsbahn 9 vorzugeben, um die zu erzeugende Schweißnaht bzw. Schweißkontur mit möglichst hoher Präzision zu erzeugen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006017629 A1 [0003]
    • DE 102006049627 A1 [0004, 0005, 0008, 0011, 0015, 0052]
    • DE 102005022095 A1 [0005, 0011, 0015, 0052]

Claims (12)

  1. Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (8) mittels eines Bearbeitungsstrahls (6), umfassend: vor dem Bearbeiten: a) Bewegen eines Bearbeitungskopfs (4) und des Werkstücks (8) relativ zueinander entlang einer vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9'), b) Ermitteln einer Relativbewegung (31) zwischen dem Bearbeitungskopf (4) und dem Werkstück (8) bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') mit Hilfe eines optischen Detektors (25), der fest mit dem Bearbeitungskopf (4) verbunden ist, und c) Ermitteln einer korrigierten Soll-Bewegungsbahn (9) anhand der ermittelten Relativbewegung (31), weiter umfassend: Bearbeiten des Werkstücks (8) durch Bewegen des den Bearbeitungsstrahl (6) auf das Werkstück (8) ausrichtenden Bearbeitungskopfs (4) und des Werkstücks (8) relativ zueinander entlang der korrigierten Soll-Bewegungsbahn (9).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ermitteln der Relativbewegung umfasst: Beleuchten einer Oberfläche (8a) des Werkstücks (8) im Bereich des Bearbeitungskopfs (4) mit Beleuchtungsstrahlung (22), ortsaufgelöstes Erfassen von an der Oberfläche (8a) des Werkstücks (8) im Bereich des Bearbeitungskopfes (4) reflektierter Beleuchtungsstrahlung (22), um zeitlich aufeinanderfolgende Reflexionsmuster (32, 32') von überlappenden Oberflächenbereichen (O, O') des Werkstücks (8) bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') zu erhalten, sowie Ermitteln der Relativbewegung (31) durch Vergleichen der zeitlich aufeinander folgenden Reflexionsmuster (32, 32').
  3. Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (8) mittels eines Bearbeitungsstrahls (6), umfassend: vor dem Bearbeiten: a) Bewegen eines Bearbeitungskopfs (4) und des Werkstücks (8) relativ zueinander entlang einer vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') mit einer ersten Relativgeschwindigkeit (v1), Bewegen des Bearbeitungskopfs (4) und des Werkstücks (8) relativ zueinander entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') mit einer zweiten, größeren Relativgeschwindigkeit (v2), b) Ermitteln einer Abweichung (33) zwischen der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') mit der ersten Relativgeschwindigkeit (v1) und der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') mit der zweiten Relativgeschwindigkeit (v2) mit Hilfe eines optischen Detektors (25), der fest mit dem Bearbeitungskopf (4) verbunden ist, und c) Ermitteln einer korrigierten Soll-Bewegungsbahn (9) anhand der ermittelten Abweichung (33), weiter umfassend: Bearbeiten des Werkstücks (8) durch Bewegen des den Bearbeitungsstrahl (6) auf das Werkstück (8) ausrichtenden Bearbeitungskopfs (4) und des Werkstücks (8) relativ zueinander entlang der korrigierten Soll-Bewegungsbahn (9).
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Ermitteln der Abweichung (33) umfasst: Beleuchten einer Oberfläche (8a) des Werkstücks (8) im Bereich des Bearbeitungskopfs (4) mit Beleuchtungsstrahlung (22), ortsaufgelöstes Erfassen von an der Oberfläche (8a) des Werkstücks (8) im Bereich des Bearbeitungskopfes (4) reflektierter Beleuchtungsstrahlung (22), um bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') mit der ersten Relativgeschwindigkeit (v1) erste Reflexionsmuster (32a) und bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') mit der zweiten Relativgeschwindigkeit (v2) zweite Reflexionsmuster (32b) von überlappenden Oberflächenbereichen (O, O') des Werkstücks (8) zu erhalten, sowie Ermitteln der Abweichung (33) durch Vergleichen der ersten und zweiten Reflexionsmuster (32a, 32b).
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 4, bei dem das Beleuchten und das ortsaufgelöste Erfassen der Oberflächenbereiche (O, O') durch eine Bearbeitungsoptik, insbesondere durch eine Fokussieroptik (15), des Bearbeitungskopfs (4) hindurch erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schritte a) und b) mindestens ein weiteres Mal durchlaufen werden, wobei die im vorausgehenden Schritt c) ermittelte korrigierte Soll-Bewegungsbahn (9) die vorgegebene Soll-Bewegungsbahn (9') beim weiteren Durchlaufen der Schritte a) und b) bildet.
  7. Bearbeitungsmaschine, insbesondere Laserbearbeitungsmaschine (1), zum Bearbeiten eines Werkstücks (8), umfassend: einen Bearbeitungskopf (4) zum Bearbeiten des Werkstücks (8), der zum Ausrichten eines Bearbeitungsstrahls (6) auf das Werkstück (8) ausgebildet ist, eine Bewegungseinrichtung (13) zur Bewegung des Bearbeitungskopfs (4) und des Werkstücks (8) relativ zueinander, sowie einen optischen Detektor (25), der fest mit dem Bearbeitungskopf (4) verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung (34), die ausgebildet ist, vor dem Bearbeiten den Bearbeitungskopf (4) und das Werkstück (8) relativ zueinander entlang einer vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') zu bewegen, eine Auswerteeinrichtung (30), die ausgebildet ist, mit Hilfe des optischen Detektors (25) eine Relativbewegung (31) zwischen dem Bearbeitungskopf (4) und dem Werkstück (8) bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') zu ermitteln sowie anhand der ermittelten Relativbewegung (31) eine korrigierte Soll-Bewegungsbahn (9) zu ermitteln, und wobei die Steuerungseinrichtung (34) ausgebildet ist, beim Bearbeiten den Bearbeitungskopf (4) und das Werkstück (8) relativ zueinander entlang der korrigierten Soll-Bewegungsbahn (9) zu bewegen.
  8. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 7, bei welcher der optische Detektor (25) zum ortsaufgelösten Erfassen von an der Oberfläche (8a) des Werkstücks (8) im Bereich des Bearbeitungskopfes (4) reflektierter Beleuchtungsstrahlung (22) ausgebildet ist, um zeitlich aufeinander folgende Reflexionsmuster (32, 32') von überlappenden Oberflächenbereichen (O, O') des Werkstücks (4) bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') zu erhalten, und bei dem die Auswerteeinrichtung (30) zum Ermitteln der Relativbewegung (31) durch Vergleichen der zeitlich aufeinander folgenden Reflexionsmuster (32, 32') ausgebildet ist.
  9. Bearbeitungsmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung (34), die ausgebildet ist, vor dem Bearbeiten den Bearbeitungskopf (4) und das Werkstück (8) relativ zueinander mit einer ersten Relativgeschwindigkeit (v1) und mit einer zweiten, größeren Relativgeschwindigkeit (v2) entlang einer vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') zu bewegen, eine Auswerteeinrichtung (30), die ausgebildet ist, mit Hilfe des optischen Detektors (25) eine Abweichung (33) zwischen der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') mit der ersten Relativgeschwindigkeit (v1) und der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') mit der zweiten Relativgeschwindigkeit (v2) zu ermitteln sowie anhand der ermittelten Abweichung (33) eine korrigierte Soll-Bewegungsbahn (9) zu ermitteln, und wobei die Steuerungseinrichtung (34) ausgebildet ist, beim Bearbeiten den Bearbeitungskopf (4) und das Werkstück (8) relativ zueinander entlang der korrigierten Soll-Bewegungsbahn (9) zu bewegen.
  10. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 9, bei welcher der optische Detektor (25) zum ortsaufgelösten Erfassen von an der Oberfläche (8a) des Werkstücks (8) im Bereich des Bearbeitungskopfes (4) reflektierter Beleuchtungsstrahlung (22) ausgebildet ist, um bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') mit der ersten Relativgeschwindigkeit (v1) erste Reflexionsmuster (32a) und bei der Bewegung entlang der vorgegebenen Soll-Bewegungsbahn (9') mit der zweiten Relativgeschwindigkeit (v2) zweite Reflexionsmuster (32b) von überlappenden Oberflächenbereichen (O, O') des Werkstücks (8) zu erhalten, und bei welcher die Auswerteeinrichtung (30) zum Ermitteln der Abweichung (33) durch Vergleichen der ersten und zweiten Reflexionsmuster (32a, 32b) ausgebildet ist.
  11. Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, weiter umfassend: eine Beleuchtungsquelle (21) zum Beleuchten einer Oberfläche (8a) des Werkstücks (8) mit Beleuchtungsstrahlung (22).
  12. Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 8 oder 10, die ausgebildet ist, das Beleuchten der Oberfläche (8a) des Werkstücks (8) und das ortsaufgelöste Erfassen der Oberflächenbereiche (O, O') durch eine Bearbeitungsoptik, insbesondere durch eine Fokussieroptik (15), des Bearbeitungskopfs (4) hindurch vorzunehmen.
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