DE102020100217B4 - Method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head and laser processing system for processing a workpiece with a laser beam - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse (31) eines Laserbearbeitungskopfes (30), das Verfahren umfassend die Schritte:- Richten eines zum Laserstrahl koaxialen Justierlaserstrahls (21) auf eine Austrittsöffnung (33) der am Laserbearbeitungskopf (30) montierten Düse (31);- Aufnehmen eines Bildes von der Austrittsöffnung (33) sowie von einem die Austrittsöffnung umgebenden Düsenmund (32);- Bestimmen, ob der Justierlaserstrahl (21) durch die Austrittsöffnung (33) tritt; und- Durchführen der folgenden Schritte, falls der Justierlaserstrahl (21) durch die Austrittsöffnung (33) tritt:- Ermitteln einer Position des durch die Austrittsöffnung (33) tretenden Justierlaserstrahls (21) und einer Position der Austrittsöffnung (33) der Düse (31) anhand des aufgenommenen Bildes;- Bestimmen, ob eine Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls (21) von einer vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls (21) größer ist als eine vorgegebene maximale Abweichung, wobei die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls (21) relativ zur Position der Austrittsöffnung (33) vorgegeben ist;- falls die Abweichung größer ist als die vorgegebene maximale Abweichung, Verstellen der Position des Justierlaserstrahls (21) relativ zur Austrittsöffnung (33); und- Wiederholen der Schritte Aufnehmen eines Bildes, Ermitteln der Position des Justierlaserstrahls (21) und der Position der Austrittsöffnung (33), Bestimmen der Abweichung und Verstellen der Position, solange bis die Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls (21) von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls (21) kleiner als oder gleich wie die vorgegebene maximale Abweichung istwobei das Ermitteln der Positionen umfasst:- Bestimmen eines Flächenschwerpunkts (O) der Austrittsöffnung (33) als die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls (21) und/oder Bestimmen eines Flächenschwerpunkts (S) des Justierlaserstrahls (21) als Position des Justierlaserstrahls (21),wobei das Bestimmen des Flächenschwerpunkts (O) der Austrittsöffnung (33) ein Ermitteln einer Innenkontur (34) des Düsenmunds (32) durch Bildanalyse des aufgenommenen Bildes umfasst, und/oderwobei das Bestimmen des Flächenschwerpunkts (S) des Justierlaserstrahls (21) das Bestimmen einer Kontur (24) des Justierlaserstrahls (21) durch Bildanalyse des aufgenommenen Bildes umfasst.Method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle (31) of a laser processing head (30), the method comprising the steps of:- directing an alignment laser beam (21) coaxial with the laser beam onto an exit opening (33) of the nozzle (31) mounted on the laser processing head (30);- taking an image of the exit opening (33) and of a nozzle mouth (32) surrounding the exit opening;- determining whether the alignment laser beam (21) passes through the exit opening (33); and- carrying out the following steps if the alignment laser beam (21) passes through the exit opening (33):- determining a position of the alignment laser beam (21) passing through the exit opening (33) and a position of the exit opening (33) of the nozzle (31) based on the recorded image;- determining whether a deviation of the determined position of the alignment laser beam (21) from a predetermined position of the alignment laser beam (21) is greater than a predetermined maximum deviation, wherein the predetermined position of the alignment laser beam (21) is predetermined relative to the position of the exit opening (33);- if the deviation is greater than the predetermined maximum deviation, adjusting the position of the alignment laser beam (21) relative to the exit opening (33); and- repeating the steps of recording an image, determining the position of the adjustment laser beam (21) and the position of the outlet opening (33), determining the deviation and adjusting the position until the deviation of the determined position of the adjustment laser beam (21) from the predetermined position of the adjustment laser beam (21) is less than or equal to the predetermined maximum deviation, wherein determining the positions comprises:- determining a center of gravity (O) of the outlet opening (33) as the predetermined position of the adjustment laser beam (21) and/or determining a center of gravity (S) of the adjustment laser beam (21) as the position of the adjustment laser beam (21), wherein determining the center of gravity (O) of the outlet opening (33) comprises determining an inner contour (34) of the nozzle mouth (32) by image analysis of the recorded image, and/or wherein determining the center of gravity (S) of the Alignment laser beam (21) comprises determining a contour (24) of the alignment laser beam (21) by image analysis of the recorded image.
Description
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes und ein Laserbearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere eines metallischen Werkstücks, mit einem Laserstrahl, das zur automatisierten Strahlpositionierung eingerichtet ist.The present disclosure relates to a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head and a laser processing system for processing a workpiece, in particular a metallic workpiece, with a laser beam, which is configured for automated beam positioning.
Hintergrundbackground
In einem Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere eines metallischen Werkstücks, wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl, auch „Bearbeitungslaserstrahl“ genannt, mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert oder gebündelt, welches das Werkstück lokal auf Schmelztemperatur erhitzt. Die Bearbeitung kann beispielsweise ein Laserschneiden, -löten oder -schweißen umfassen. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserbearbeitungsvorrichtung, beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf, kurz „Bearbeitungskopf“, beispielsweise einen Laserschneidkopf oder einen Laserschweißkopf, umfassen.In a laser processing system for processing a workpiece, in particular a metallic workpiece, the laser beam emerging from a laser light source or one end of a laser fiber, also called a "processing laser beam", is focused or bundled onto the workpiece to be processed using beam guidance and focusing optics, which locally heats the workpiece to melting temperature. The processing can include, for example, laser cutting, soldering or welding. The laser processing system can include a laser processing device, for example a laser processing head, "processing head" for short, for example a laser cutting head or a laser welding head.
Für die Qualität, Stabilität und Richtungsunabhängigkeit eines Laserbearbeitungsprozesses ist es wichtig für die meisten Anwendungen, dass der Laserstrahl zentriert aus dem Laserbearbeitungskopf austritt. Insbesondere soll der Laserstrahl mittig bzw. zentriert bezüglich einer Austrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfes, durch die der Laserstrahl aus dem Laserbearbeitungskopf austritt, ausgerichtet sein. Die Austrittsöffnung kann beispielsweise in einer Düse, insbesondere einer Schneiddüse, die am Laserbearbeitungskopf montiert ist, ausgebildet sein. Die zentrische Ausrichtung des Laserstrahls, auch „Zentrierung des Laserstrahls“ oder kurz „Strahlzentrierung“ genannt, muss nach jedem Wechsel einer Komponente des Laserbearbeitungskopfes durchgeführt werden, beispielsweise bei einem Wechsel der Düse, einer Optik im Strahlengang des Laserstrahls, der Laserquelle, oder ähnlichem. Die Strahlzentrierung muss insbesondere auch nach einer Kollision des Laserbearbeitungskopfes mit einem Werkstück oder einem sonstigen Gegenstand durchgeführt werden. In anderen Anwendungen muss eine vorgegebene Strahlposition relativ zur Austrittsöffnung der Düse eingestellt werden, z.B. bei einer ovalen Austrittsöffnung eine entlang der langen Achse zum Mittelpunkt der Austrittsöffnung versetzte Strahlposition.For the quality, stability and direction independence of a laser processing process, it is important for most applications that the laser beam exits the laser processing head in a centered manner. In particular, the laser beam should be aligned centrally or centered with respect to an exit opening of the laser processing head through which the laser beam exits the laser processing head. The exit opening can, for example, be formed in a nozzle, in particular a cutting nozzle, which is mounted on the laser processing head. The centric alignment of the laser beam, also called "centering of the laser beam" or "beam centering" for short, must be carried out every time a component of the laser processing head is changed, for example when the nozzle, an optic in the beam path of the laser beam, the laser source, or similar are changed. Beam centering must also be carried out in particular after a collision of the laser processing head with a workpiece or other object. In other applications, a predetermined jet position must be set relative to the nozzle outlet opening, e.g. for an oval outlet opening, a jet position offset along the long axis to the center of the outlet opening.
Die Strahlzentrierung ist üblicherweise ein langwieriger und mühsamer manueller Prozess, was zu einer nicht unerheblichen Prozessnebenzeit führt. Hierfür wird ein transparenter Klebestreifen an die Unterseite der Düse platziert und durch einen kurzen Laserpuls ein Einbrand auf dem Klebestreifen erzeugt (ein sogenannter „Tape Shot“). Dadurch wird die Lage des Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung der Düse sichtbar gemacht. Ein Bediener ist nun in der Lage, durch manuelles Verschieben einer Fokussieroptik die Position des Laserstrahls senkrecht zur Strahlachse zu verändern, bis eine zentrische Ausrichtung des Laserstrahls bezüglich der Austrittsöffnung der Düse festgestellt ist. Dieser Prozess kann je nach Erfahrung des Bedieners mehrere Iterationen umfassen und mehrere Minuten dauern. Weiterhin ist die Genauigkeit der Strahlzentrierung stark vom jeweiligen Bediener abhängig, was wiederum einen direkten Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis bzw. die Bearbeitungsqualität hat.Beam centering is usually a lengthy and laborious manual process, which results in a significant amount of downtime. For this purpose, a transparent adhesive strip is placed on the underside of the nozzle and a short laser pulse is used to create a burn-in on the adhesive strip (a so-called "tape shot"). This makes the position of the laser beam relative to the nozzle's outlet opening visible. An operator is now able to change the position of the laser beam perpendicular to the beam axis by manually moving a focusing optic until a central alignment of the laser beam with respect to the nozzle's outlet opening is determined. Depending on the operator's experience, this process can involve several iterations and take several minutes. Furthermore, the accuracy of the beam centering depends heavily on the respective operator, which in turn has a direct influence on the processing result and the processing quality.
Ein Schwerpunkt der aktuellen Entwicklungen besteht allerdings in einer zunehmenden Digitalisierung und Automatisierung der Maschinenkomponenten und des Gesamtsystems.However, one focus of current developments is increasing digitalization and automation of machine components and the overall system.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes und ein Laserbearbeitungssystem für die Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl anzugeben, die eine schnelle, präzise und einfache Positionierung des Laserstrahls bezüglich der Düse, insbesondere eine Strahlzentrierung, sowie eine Überprüfung des Düsenzustands ermöglichen. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, die Genauigkeit der Strahlpositionierung zu erhöhen und die für die Strahlpositionierung erforderliche Prozessnebenzeit zu verringern, und somit einen Bearbeitungsprozess, z.B. einen Schneidprozess, Schweißprozess oder Auftragsschweißprozess, effizienter zu gestalten.It is an object of the present disclosure to provide a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head and a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam, which enable fast, precise and simple positioning of the laser beam with respect to the nozzle, in particular beam centering, as well as checking the nozzle condition. It is also an object of the present disclosure to increase the accuracy of the beam positioning and to reduce the downtime required for the beam positioning, and thus to make a processing process, e.g. a cutting process, welding process or deposition welding process, more efficient.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes und ein Laserbearbeitungssystem für die Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl anzugeben, die eine automatisierte bzw. automatische Strahlpositionierung und eine automatisierte bzw. automatische Überprüfung des Zustands der Düse ermöglichen.It is a further object of the present disclosure to provide a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head and a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam, which enable automated beam positioning and automated checking of the condition of the nozzle.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.These objects are achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject matter of dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes angegeben, wobei das Verfahren die folgenden (vorzugsweise automatisiert durchgeführten) Schritte umfasst: Richten eines zum Laserstrahl koaxialen Justierlaserstrahls auf eine Austrittsöffnung einer am Laserbearbeitungskopf montierten Düse; Aufnehmen eines Bildes von der Austrittsöffnung sowie von einem die Austrittsöffnung umgebenden Düsenmund; und Bestimmen, ob der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt, beispielsweise anhand des aufgenommenen Bildes; und falls der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt: Ermitteln einer Position des durch die Austrittsöffnung tretenden Justierlaserstrahls und einer Position der Austrittsöffnung der Düse anhand des aufgenommenen Bildes; Bestimmen, ob eine Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von einer vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls größer ist als eine vorgegebene maximale Abweichung; falls die Abweichung größer ist als die vorgegebene maximale Abweichung, Verstellen der relativen Position zwischen dem Justierlaserstrahl und der Austrittsöffnung; und Wiederholen der Schritte Aufnehmen eines Bildes, Ermitteln der Positionen des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung, Bestimmen der Abweichung und Verstellen der relativen Position, solange bis die Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls kleiner als oder gleich ist als die vorgegebene maximale Abweichung. Hierbei kann die relative Position eine Position des Justierlaserstrahls relativ zur Austrittsöffnung bezeichnen. Die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls ist vorzugsweise relativ zur Position der Austrittsöffnung vorgegeben. Falls der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt, umfasst das aufgenommene Bild also nicht nur ein Bild von der Austrittsöffnung und dem Düsenmund, sondern auch vom Justierlaserstrahl.According to a first aspect of the invention, a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head is specified, the method comprising the following (preferably automated) steps: directing an alignment laser beam coaxial with the laser beam onto an exit opening of a nozzle mounted on the laser processing head; taking an image of the exit opening and of a nozzle mouth surrounding the exit opening; and determining whether the alignment laser beam passes through the exit opening, for example based on the recorded image; and if the alignment laser beam passes through the exit opening: determining a position of the alignment laser beam passing through the exit opening and a position of the exit opening of the nozzle based on the recorded image; determining whether a deviation of the determined position of the alignment laser beam from a predetermined position of the alignment laser beam is greater than a predetermined maximum deviation; if the deviation is greater than the predetermined maximum deviation, adjusting the relative position between the alignment laser beam and the exit opening; and repeating the steps of taking an image, determining the positions of the alignment laser beam and the exit opening, determining the deviation and adjusting the relative position until the deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam is less than or equal to the predetermined maximum deviation. Here, the relative position can refer to a position of the alignment laser beam relative to the exit opening. The predetermined position of the alignment laser beam is preferably predetermined relative to the position of the exit opening. If the alignment laser beam passes through the exit opening, the recorded image therefore includes not only an image of the exit opening and the nozzle mouth, but also of the alignment laser beam.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Laserbearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl angegeben, wobei das Laserbearbeitungssystem umfasst: eine Laserquelle, die eingerichtet ist, den Laserstrahl und einen Justierlaserstrahl zu erzeugen, einen Laserbearbeitungskopf mit einer Düse, wobei die Düse eine Austrittsöffnung zum Austritt des Laserstrahls oder des Justierlaserstrahls aus dem Laserbearbeitungskopf und einen die Austrittsöffnung umgebenden Düsenmund umfasst, eine Verstelleinheit zum Verstellen der relativen Position des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung, eine Ausrichteinheit mit einer optischen Erfassungseinheit, wobei die optische Erfassungseinheit eingerichtet ist, um ein Bild von der Austrittsöffnung sowie vom Düsenmund aufzunehmen; eine Steuervorrichtung, die eingerichtet ist, anhand des aufgenommenen Bildes eine Position des Justierlaserstrahls und eine Position der Austrittsöffnung der Düse zu ermitteln, eine Abweichung der ermittelten Position des durch die Austrittsöffnung tretenden Justierlaserstrahls von einer vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls zu bestimmen, und durch Ansteuern der Verstelleinheit die relative Position zwischen dem Justierlaserstrahl und der Austrittsöffnung zu verstellen, falls die Abweichung größer ist als eine vorgegebene maximale Abweichung.According to a further aspect of the invention, a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam is specified, the laser processing system comprising: a laser source configured to generate the laser beam and an alignment laser beam, a laser processing head with a nozzle, the nozzle comprising an exit opening for the exit of the laser beam or the alignment laser beam from the laser processing head and a nozzle mouth surrounding the exit opening, an adjustment unit for adjusting the relative position of the alignment laser beam and the exit opening, an alignment unit with an optical detection unit, the optical detection unit being configured to record an image of the exit opening and of the nozzle mouth; a control device which is configured to determine a position of the adjustment laser beam and a position of the outlet opening of the nozzle based on the recorded image, to determine a deviation of the determined position of the adjustment laser beam passing through the outlet opening from a predetermined position of the adjustment laser beam, and to adjust the relative position between the adjustment laser beam and the outlet opening by controlling the adjustment unit if the deviation is greater than a predetermined maximum deviation.
Die Steuervorrichtung kann eingerichtet sein, die Schritte Aufnehmen eines Bildes, Ermitteln der Positionen des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung, Bestimmen der Abweichung und Verstellen der relativen Position solange zu wiederholen, bis die Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls kleiner als oder gleich ist als die vorgegebene maximale Abweichung. Insbesondere kann die Steuervorrichtung eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß einem der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele durchzuführen. Hierbei kann die relative Position eine Position des Justierlaserstrahls relativ zur Austrittsöffnung bezeichnen. Die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls ist vorzugsweise relativ zur Position der Austrittsöffnung vorgegeben.The control device can be set up to repeat the steps of taking an image, determining the positions of the alignment laser beam and the exit opening, determining the deviation and adjusting the relative position until the deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam is less than or equal to the predetermined maximum deviation. In particular, the control device can be set up to carry out a method according to one of the embodiments described herein. Here, the relative position can designate a position of the alignment laser beam relative to the exit opening. The predetermined position of the alignment laser beam is preferably specified relative to the position of the outlet opening.
Die Erfindung ermöglicht es, bei einem Laserbearbeitungskopf eines Laserbearbeitungssystems den Laserstrahl vollautomatisch bezüglich einer Austrittsöffnung einer am Laserbearbeitungskopf montierten Düse zu positionieren (sogenannte „Justage des Strahlführungssystems“). Somit ist der Eingriff durch einen Bediener des Laserbearbeitungskopfes bzw. des Laserbearbeitungssystems nicht mehr erforderlich. Gleichzeitig stellt die Erfindung die Möglichkeit bereit, den Zustand der Düse bzw. des Düsenmunds automatisiert zu überprüfen (sogenannte „Düseninspektion“). Demnach ermöglicht die Erfindung sowohl eine automatisierte Strahlpositionierung als auch eine automatisierte Düseninspektion bei einem Laserbearbeitungskopf eines Laserbearbeitungssystems. Die automatisierte Strahlpositionierung und/oder Düseninspektion kann automatisiert nach einem Wechsel der am Laserbearbeitungskopf angebrachten Düse bzw. nach einer Kollision des Laserbearbeitungskopfes oder der Düse mit einem anderen Gegenstand, beispielsweise einem zu bearbeitenden Werkstück, erfolgen. Die automatisierte Strahlpositionierung kann auch manuell durch einen Bediener des Laserbearbeitungssystems gestartet werden. Ferner können alle Schritte des Verfahrens automatisiert und/oder ferngesteuert durchgeführt werden. Dadurch muss sich zur Strahlpositionierung bzw. zur Düseninspektion ein Bediener des Laserbearbeitungssystems nicht mehr in unmittelbarer Nähe zum Laserbearbeitungskopf befinden. Dadurch kann die Arbeitssicherheit erhöht werden.The invention makes it possible to position the laser beam in a laser processing head of a laser processing system fully automatically with respect to an outlet opening of a nozzle mounted on the laser processing head (so-called "adjustment of the beam guidance system"). This means that intervention by an operator of the laser processing head or the laser processing system is no longer necessary. At the same time, the invention provides the possibility of automatically checking the condition of the nozzle or the nozzle mouth (so-called "nozzle inspection"). Accordingly, the invention enables both automated beam positioning and automated nozzle inspection in a laser processing head of a laser processing system. The automated beam positioning and/or nozzle inspection can be carried out automatically after changing the nozzle attached to the laser processing head or after a collision of the laser processing head or the nozzle with another object, for example a workpiece to be processed. The automated beam positioning can also be started manually by an operator of the laser processing system. Furthermore, all steps of the method can be carried out automatically and/or remotely. This means that an operator of the laser processing system no longer needs to be in close proximity to the laser processing head for beam positioning or nozzle inspection. This can increase work safety.
Um die Position des Justierlaserstrahls relativ zur Austrittsöffnung einzustellen, kann entweder die Düse bezüglich des optischen Strahlengangs des Laserbearbeitungskopfs am Laserbearbeitungskopf verschoben und/oder die Position des Laserstrahls im optischen Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs verstellt werden, und zwar vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zum optischen Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs bzw. zur optischen Achse des Laserbearbeitungskopfs. Da die relative Position zwischen dem Justierlaserstrahl und der Austrittsöffnung direkt basierend auf den ermittelten Positionen des Justierlaserstrahls der Austrittsöffnung eingestellt wird, kann die Genauigkeit erhöht werden.In order to adjust the position of the adjustment laser beam relative to the exit opening, either the nozzle can be moved relative to the optical beam path of the laser processing head on the laser processing head and/or the position of the laser beam in the optical beam path of the laser processing head can be adjusted, preferably in a plane perpendicular to the optical beam path of the laser processing head or to the optical axis of the laser processing head. Since the relative position between the adjustment laser beam and the exit opening is adjusted directly based on the determined positions of the adjustment laser beam of the exit opening, the accuracy can be increased.
Die automatisierte Strahlpositionierung kann eine automatisierte Strahlzentrierung oder auch eine automatisierte gezielte Strahldezentrierung umfassen. Die automatisierte Strahlpositionierung umfasst also jedes automatisierte Verstellen der relativen Position des Justierlaserstrahl und der Austrittsöffnung. Die relative Position des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung kann sowohl die Position des Justierlaserstrahls relativ zur Position der Austrittsöffnung als auch die Position der Austrittsöffnung relativ zur Position des Justierlaserstrahls umfassen. Die Position des Justierlaserstrahls und die Position der Austrittsöffnung können einer Position des Zentrums bzw. des Mittelpunkts, insbesondere des Flächenschwerpunkts, des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung entsprechen. Die Positionen können in einer zur optischen Ausbreitungsrichtung des Justierlaserstrahls und/oder einer optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes senkrechten Ebene, insbesondere eine Ebene im Bereich der Austrittsöffnung, bestimmt werden. Die Positionen können insbesondere bezüglich zweier orthogonaler Richtungen in dieser Ebene angegeben sein.The automated beam positioning can include automated beam centering or automated targeted beam decentering. The automated beam positioning therefore includes any automated adjustment of the relative position of the alignment laser beam and the exit opening. The relative position of the alignment laser beam and the exit opening can include both the position of the alignment laser beam relative to the position of the exit opening and the position of the exit opening relative to the position of the alignment laser beam. The position of the alignment laser beam and the position of the exit opening can correspond to a position of the center or midpoint, in particular the center of gravity, of the alignment laser beam and the exit opening. The positions can be determined in a plane perpendicular to the optical propagation direction of the alignment laser beam and/or an optical axis of the laser processing head, in particular a plane in the region of the exit opening. The positions can be specified in particular with respect to two orthogonal directions in this plane.
Der Justierlaserstrahl kann der Laserstrahl sein, der zur Laserbearbeitung durch das Laserbearbeitungssystem eingesetzt wird, oder kann vom Laserstrahl verschieden sein. Der Justierlaserstrahl kann dieselbe oder eine geringere Leistung als der Laserstrahl aufweisen und/oder kann dieselbe oder eine andere Wellenlänge wie der Laserstrahl aufweisen. Der Justierlaserstrahl verläuft koaxial zum Laserstrahl. Somit kann durch den Einsatz des Justierlaserstrahls eine automatisierte Positionierung des Laserstrahls durchgeführt werden.The alignment laser beam may be the laser beam used for laser processing by the laser processing system or may be different from the laser beam. The alignment laser beam may have the same or lower power than the laser beam and/or may have the same or different wavelength than the laser beam. The alignment laser beam is coaxial with the laser beam. Thus, automated positioning of the laser beam can be performed by using the alignment laser beam.
Die Düse ist am Laserbearbeitungskopf montiert. Die Düse weist einen Düsenmund und eine Austrittsöffnung zum Austritt des Laserstrahls und des Justierlaserstrahls auf. Mit anderen Worten wird die Austrittsöffnung von dem Düsenmund umgeben. Eine Innenkontur des Düsenmunds begrenzt also die Austrittsöffnung und definiert die Form der Austrittsöffnung. Der Düsenmund und die Austrittsöffnung sind an einem dem durch den Laserbearbeitungskopf zu bearbeitenden Werkstück zugewandten Ende der Düse ausgebildet.The nozzle is mounted on the laser processing head. The nozzle has a nozzle mouth and an outlet opening for the exit of the laser beam and the alignment laser beam. In other words, the outlet opening is surrounded by the nozzle mouth. An inner contour of the nozzle mouth thus limits the outlet opening and defines the shape of the outlet opening. The nozzle mouth and the outlet opening are formed at an end of the nozzle facing the workpiece to be processed by the laser processing head.
Die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls kann relativ zur Position der Austrittsöffnung vorgegeben sein. Die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls kann einem Zentrum bzw. einem Mittelpunkt der Austrittsöffnung entsprechen oder kann einem vorgegebenen Offset vom Zentrum bzw. Mittelpunkt der Austrittsöffnung entsprechen.The predetermined position of the alignment laser beam can be predetermined relative to the position of the exit opening. The predetermined position of the alignment laser beam can correspond to a center or midpoint of the exit opening or can correspond to a predetermined offset from the center or midpoint of the exit opening.
Das Bestimmen, ob der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt, kann mithilfe der optischen Erfassungseinheit erfolgen. Das Bestimmen kann insbesondere das Aufnehmen eines Bildes und/oder eines Videos durch die optische Erfassungseinheit und eine anschließende Bildanalyse umfassen.Determining whether the alignment laser beam passes through the exit opening can be done using the optical detection unit. The determination can in particular include recording an image and/or a video by the optical detection unit and subsequent image analysis.
Wird bestimmt, dass der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt, kann erneut ein zweidimensionales Bild von der Austrittsöffnung und dem durch die Austrittsöffnung tretenden Justierlaserstrahl sowie von dem Düsenmund aufgenommen werden oder das zuvor aufgenommene Bild verwendet werden, um die relative Position zu bestimmen.If it is determined that the alignment laser beam passes through the exit opening, a two-dimensional image of the exit opening and the The alignment laser beam passing through the exit opening and the nozzle mouth can be recorded or the previously recorded image can be used to determine the relative position.
Das Bild kann ein zweidimensionales Bild, ein Foto, ein Video oder bewegte Bildes umfassen. Bei Aufnahme von bewegten Bildern bzw. eines Videos kann die Position des Justierlaserstrahls und/oder die Position der Austrittsöffnung in Echtzeit detektiert werden, z.B. während des Verstellens der relativen Position. Dies kann als „Tracking des Justierlasers“ bezeichnet werden. Basierend darauf kann die Verstelleinheit des Laserbearbeitungssystems angesteuert werden, um die relative Position des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung zu verstellen.The image can include a two-dimensional image, a photo, a video or a moving image. When recording moving images or a video, the position of the alignment laser beam and/or the position of the exit opening can be detected in real time, e.g. while adjusting the relative position. This can be referred to as "tracking the alignment laser". Based on this, the adjustment unit of the laser processing system can be controlled to adjust the relative position of the alignment laser beam and the exit opening.
Die Aufnahme des Bildes kann insbesondere in einer Bildebene außerhalb des Laserbearbeitungskopfes erfolgen, z.B. in einer Ebene unterhalb des Düsenmunds bzw. zwischen dem Düsenmund und der optischen Erfassungseinheit. Vorzugsweise erfolgt die Aufnahme des Bildes bei einer Fokussierung auf den Düsenmund. Die Bildebene kann insbesondere senkrecht zur optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes angeordnet sein und kann zu der zuvor beschriebenen Ebene im Bereich der Austrittsöffnung parallel sein. Die Bildebene kann insbesondere einer Sensorebene oder Sensorfläche der optischen Erfassungseinheit entsprechen.The image can be recorded in particular in an image plane outside the laser processing head, e.g. in a plane below the nozzle mouth or between the nozzle mouth and the optical detection unit. The image is preferably recorded while focusing on the nozzle mouth. The image plane can in particular be arranged perpendicular to the optical axis of the laser processing head and can be parallel to the previously described plane in the area of the outlet opening. The image plane can in particular correspond to a sensor plane or sensor surface of the optical detection unit.
Das Ermitteln der Position des Justierlaserstrahls und der Position der Austrittsöffnung umfasst das Bestimmen eines Flächenschwerpunkts der Austrittsöffnung und/oder ein Bestimmen eines Flächenschwerpunkts des Justierlaserstrahls. Der Flächenschwerpunkt der Austrittsöffnung kann insbesondere als die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls für eine Strahlzentrierung bestimmt werden. Die Positionen und/oder die Flächenschwerpunkte können in der zuvor beschriebenen Bildebene, z.B. im Bereich der Austrittsöffnung bzw. des Düsenmundes, angegeben sein. Das Ermitteln der Positionen und das Bestimmen der Flächenschwerpunkte erfolgt anhand des aufgenommenen Bildes mittels Bildverarbeitung.Determining the position of the alignment laser beam and the position of the outlet opening includes determining a center of gravity of the outlet opening and/or determining a center of gravity of the alignment laser beam. The center of gravity of the outlet opening can be determined in particular as the predetermined position of the alignment laser beam for beam centering. The positions and/or the center of gravity can be specified in the image plane described above, e.g. in the area of the outlet opening or the nozzle mouth. The positions are determined and the center of gravity is determined based on the recorded image using image processing.
Das Bestimmen des Flächenschwerpunkts der Austrittsöffnung kann ein Ermitteln einer Innenkontur des Düsenmunds durch Bildanalyse und/oder Bildverarbeitung des aufgenommenen Bildes umfassen. Das Bestimmen des Flächenschwerpunkts des Justierlaserstrahls kann das Bestimmen einer Kontur des Justierlaserstrahls durch Bildanalyse und/oder Bildverarbeitung des aufgenommenen Bildes umfassen. Die Bildverarbeitung kann eine Bildvorverarbeitung, eine Bildsegmentierung, eine Ermittlung der Konturen und eine Berechnung von Abweichungen umfassen. Die Bildverarbeitung ermöglicht eine unmittelbare, ortsaufgelöste Messung der Position des Justierlaserstrahls bezüglich der Austrittsöffnung. Determining the centroid of the outlet opening can include determining an inner contour of the nozzle mouth by image analysis and/or image processing of the recorded image. Determining the centroid of the alignment laser beam can include determining a contour of the alignment laser beam by image analysis and/or image processing of the recorded image. The image processing can include image preprocessing, image segmentation, determining the contours and calculating deviations. The image processing enables a direct, spatially resolved measurement of the position of the alignment laser beam with respect to the outlet opening.
Die Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls kann einem Abstand der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls entsprechen.The deviation of the determined position of the alignment laser beam from the specified position of the alignment laser beam can correspond to a distance of the determined position of the alignment laser beam from the specified position of the alignment laser beam.
Die Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls kann eine erste Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls in einer ersten Richtung und eine zweite Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls in einer zweiten Richtung umfassen. Die erste Richtung und die zweite Richtung können senkrecht zueinander sein und in der zuvor beschriebenen Ebene im Bereich der Austrittsöffnung verlaufen. Die erste Richtung und/oder die zweite Richtung können mit Bezug auf die Austrittsöffnung definiert sein und insbesondere durch den Mittelpunkt der Austrittsöffnung verlaufen. Die erste Richtung und die zweite Richtung können insbesondere einer ersten Achse und einer zweiten Achse eines kartesischen Koordinatensystems entsprechen, wobei der Ursprung des kartesischen Koordinatensystems dem Mittelpunkt der Austrittsöffnung entspricht. Bei einer ovalen Austrittsöffnung können die erste Richtung und die zweite Richtung entlang der langen Achse und der kurzen Achse verlaufen.The deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam can comprise a first deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam in a first direction and a second deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam in a second direction. The first direction and the second direction can be perpendicular to one another and run in the plane described above in the region of the exit opening. The first direction and/or the second direction can be defined with reference to the exit opening and in particular run through the center of the exit opening. The first direction and the second direction can in particular correspond to a first axis and a second axis of a Cartesian coordinate system, wherein the origin of the Cartesian coordinate system corresponds to the center of the exit opening. In the case of an oval exit opening, the first direction and the second direction can run along the long axis and the short axis.
Die vorgegebene maximale Abweichung kann eine erste vorgegebene maximale Abweichung entlang der ersten Richtung und eine zweite vorgegebene maximale Abweichung entlang der zweiten Richtung umfassen. Es kann bestimmt werden, dass die Abweichung größer ist als die vorgegebene maximale Abweichung, falls die erste Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls in der ersten Richtung größer ist als die erste vorgegebene maximale Abweichung und/oder falls die zweite Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls in der zweiten Richtung größer ist als die zweite vorgegebene maximale Abweichung.The predetermined maximum deviation may include a first predetermined maximum deviation along the first direction and a second predetermined maximum deviation along the second direction. It may be determined that the deviation is greater than the predetermined maximum deviation if the first deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam in the first direction is greater than the first predetermined maximum deviation and/or if the second deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam in the second direction is greater than the second predetermined maximum deviation.
Falls die Abweichung größer ist als die vorgegebene maximale Abweichung, kann die relative Position des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung verstellt werden. Falls die Abweichung gleich oder kleiner als die vorgegebene maximale Abweichung ist, kann das Verfahren beendet werden. Das Aufnehmen eines zweidimensionalen Bildes, das Ermitteln der Positionen des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung, das Bestimmen der Abweichung und das Verstellen der relativen Position werden vorzugsweise solange wiederholt, bis die Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls kleiner als oder gleich ist als die vorgegebene maximale Abweichung. If the deviation is greater than the specified maximum deviation, the relative position of the alignment laser beam and the exit aperture can be adjusted. If the deviation is equal to or smaller than the specified maximum deviation, the procedure can be terminated. Taking a two-dimensional image that Determining the positions of the alignment laser beam and the exit opening, determining the deviation and adjusting the relative position are preferably repeated until the deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam is less than or equal to the predetermined maximum deviation.
Das Aufnehmen des Bildes kann durch die optische Erfassungseinheit erfolgen. Die optische Erfassungseinheit ist außerhalb des Laserbearbeitungskopfes bzw. getrennt davon angeordnet. Das Verfahren kann daher das Bewegen des Laserbearbeitungskopfes zur optischen Erfassungseinheit umfassen, sodass die Austrittsöffnung und der Düsenmund der am Laserbearbeitungskopf montierten Düse im Gesichtsfeld der optischen Erfassungseinheit liegt. Vorzugsweise wird der Laserbearbeitungskopf zur optischen Erfassungseinheit so ausgerichtet, sodass eine optische Achse der optischen Erfassungseinheit im Wesentlichen parallel oder koaxial zu einer optischen Achse des Laserbearbeitungskopfs verläuft. Mit anderen Worten kann der Laserbearbeitungskopf zur optischen Erfassungseinheit bewegt werden, sodass die Austrittsöffnung mit einer Sensorfläche der optischen Erfassungseinheit in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes und/oder zur optischen Achse der optischen Erfassungseinheit überlappt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein von der optischen Erfassungseinheit aufgenommenes Bild zumindest die Austrittsöffnung vollständig zeigt.The image can be recorded by the optical detection unit. The optical detection unit is arranged outside the laser processing head or separately therefrom. The method can therefore comprise moving the laser processing head to the optical detection unit so that the exit opening and the nozzle mouth of the nozzle mounted on the laser processing head are in the field of view of the optical detection unit. Preferably, the laser processing head is aligned with the optical detection unit so that an optical axis of the optical detection unit runs substantially parallel or coaxially with an optical axis of the laser processing head. In other words, the laser processing head can be moved to the optical detection unit so that the exit opening overlaps with a sensor surface of the optical detection unit in a direction perpendicular to the optical axis of the laser processing head and/or the optical axis of the optical detection unit. This can ensure that an image recorded by the optical detection unit shows at least the exit opening completely.
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen eines Düsenzustands anhand zumindest eines aufgenommenen Bildes umfassen. Das Verfahren kann ferner das Bestimmen anhand zumindest eines aufgenommenen Bildes umfassen, ob eine Düsenzustandsbedingung erfüllt ist, und, falls die Düsenzustandsbedingung nicht erfüllt ist, das Ausgeben eines Fehlers. Der Schritt des Bestimmens des Düsenzustands bzw. der Erfüllung der Düsenzustandsbedingung kann gleichzeitig oder unmittelbar vor bzw. nach dem Schritt des Bestimmens erfolgen, ob der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt, und kann vorzugsweise anhand desselben aufgenommenen Bildes erfolgen.The method may further comprise determining a nozzle state based on at least one captured image. The method may further comprise determining whether a nozzle state condition is met based on at least one captured image and, if the nozzle state condition is not met, outputting an error. The step of determining the nozzle state or the fulfillment of the nozzle state condition may occur simultaneously or immediately before or after the step of determining whether the alignment laser beam passes through the exit opening and may preferably occur based on the same captured image.
Das Bestimmen, ob die Düsenzustandsbedingung erfüllt ist, kann das Bestimmen eines Werts eines Düsenzustandsparameters anhand des aufgenommenen Bildes, und das Vergleichen des bestimmten Werts mit zumindest einem vorgegeben Wert für den Düsenzustandsparameter umfassen. Der Wert des Düsenzustandsparameters kann durch Bildanalyse und/oder Bildverarbeitung bestimmt werden. Dadurch kann eine mögliche Verformung der Düse bzw. des Düsenmunds und/oder der Austrittsöffnung festgestellt werden. Außerdem kann eine Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit der Düse bzw. des Düsenmunds festgestellt werden.Determining whether the nozzle state condition is met can include determining a value of a nozzle state parameter based on the recorded image and comparing the determined value with at least one predetermined value for the nozzle state parameter. The value of the nozzle state parameter can be determined by image analysis and/or image processing. This makes it possible to determine a possible deformation of the nozzle or the nozzle mouth and/or the outlet opening. In addition, a change in the surface condition of the nozzle or the nozzle mouth can be determined.
Der Düsenzustandsparameter kann einen geometrischen Düsenzustandsparameter, der eine Innenkontur des Düsenmunds, eine Elliptizität der Innenkontur des Düsenmunds, einen Durchmesser der Innenkontur des Düsenmunds und/oder einen Formfaktor der Innenkontur des Düsenmunds umfasst, umfassen. Die Elliptizität der Innenkontur des Düsenmunds kann auf einem Verhältnis zwischen einer kurzen Achse der Austrittsöffnung und einer langen Achse der Austrittsöffnung umfassen. Die Elliptizität kann einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen, wobei 1 einer kreisförmigen Austrittsöffnung entspricht. Der Formfaktor der Innenkontur des Düsenmunds kann auf einer Fläche der Austrittsöffnung und/oder eines Umfangs der Innenkontur des Düsenmunds basieren.The nozzle state parameter may comprise a geometric nozzle state parameter comprising an inner contour of the nozzle mouth, an ellipticity of the inner contour of the nozzle mouth, a diameter of the inner contour of the nozzle mouth, and/or a shape factor of the inner contour of the nozzle mouth. The ellipticity of the inner contour of the nozzle mouth may be based on a ratio between a short axis of the outlet opening and a long axis of the outlet opening. The ellipticity may take a value between 0 and 1, where 1 corresponds to a circular outlet opening. The shape factor of the inner contour of the nozzle mouth may be based on an area of the outlet opening and/or a circumference of the inner contour of the nozzle mouth.
Der Düsenzustandsparameter kann einen optischen Düsenzustandsparameter umfassen, der eine Reflektivität des Düsenmunds umfasst. Die Reflektivität des Düsenmunds kann auch als „Reflexionsverhalten des Düsenmunds“ bezeichnet werden und kann auf einem Grauwert, d.h. einer relativen Lichtintensität, des Düsenmunds basieren. Falls der ermittelte Grauwert nicht einem vorgegebenen Grauwert entspricht, kann auf eine Beschädigung und/der Verschmutzung der Düse bzw. des Düsenmunds geschlossen werden.The nozzle state parameter can include an optical nozzle state parameter that includes a reflectivity of the nozzle mouth. The reflectivity of the nozzle mouth can also be referred to as the "reflection behavior of the nozzle mouth" and can be based on a gray value, i.e. a relative light intensity, of the nozzle mouth. If the determined gray value does not correspond to a predetermined gray value, it can be concluded that the nozzle or nozzle mouth is damaged and/or dirty.
Das Bestimmen, ob eine Düsenzustandsbedingung erfüllt ist, kann das Bestimmen eines Werts von mehreren Düsenzustandsparametern und das Vergleichen der bestimmten Werte mit den jeweiligen vorgegebenen Werten umfassen.Determining whether a nozzle state condition is met may include determining a value of a plurality of nozzle state parameters and comparing the determined values to the respective predetermined values.
Das Verfahren kann ferner das Beleuchten der Düse bzw. des Düsenmunds, insbesondere von einer Außenseite der Düse bzw. des Düsenmunds, umfassen. Das Beleuchten kann während dem Bestimmen, ob der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt, während dem Aufnehmen des Bildes und/oder während des Bestimmens, ob eine Düsenzustandsbedingung erfüllt ist, erfolgen.The method may further comprise illuminating the nozzle or nozzle mouth, in particular from an outside of the nozzle or nozzle mouth. The illumination may take place while determining whether the alignment laser beam passes through the exit opening, while capturing the image and/or while determining whether a nozzle state condition is met.
Die Steuervorrichtung kann eingerichtet sein, das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen. Die Steuervorrichtung kann die optische Erfassungseinheit, die Ausrichteinheit, die Laserquelle und die Verstelleinheit ansteuern und/oder kann als Kommunikationsschnittstelle zwischen diesen Elementen dienen. Die Steuervorrichtung kann in eine Steuereinheit des Laserbearbeitungskopfes integriert sein und/oder Teile der Funktionalität der Steuervorrichtung können von der Steuereinheit des Laserbearbeitungskopfes übernommen werden. Die Steuervorrichtung kann in eine Steuereinheit des Laserbearbeitungssystems, auch „CNC“ oder „Maschinensteuerung“ genannt, integriert sein und/oder Teile der Steuervorrichtung können von der Steuereinheit des Laserbearbeitungssystems übernommen werden. Die Steuervorrichtung kann zur Bildanalyse und/oder zur Bildverarbeitung eingerichtet sein.The control device can be set up to carry out the method described above. The control device can control the optical detection unit, the alignment unit, the laser source and the adjustment unit and/or can serve as a communication interface between these elements. The control device can be integrated into a control unit of the laser processing head and/or parts of the functionality of the control device can be taken over by the control unit of the laser processing head. The control device can be integrated into a control unit of the laser processing system, also called "CNC" or "machine control", and/or parts of the control device can be taken over by the control unit of the laser processing system. The control device can be set up for image analysis and/or image processing.
Die Verstelleinheit kann im oder am Laserbearbeitungskopf angeordnet oder montiert sein. Die Verstelleinheit kann in den Laserbearbeitungskopf integriert sein und/oder kann ferngesteuert werden. Die Verstelleinheit kann zumindest eine am oder im Laserbearbeitungskopf angeordnete, insbesondere fernsteuerbare, Bewegungseinheit umfassen. Die Bewegungseinheit kann eingerichtet sein, um zumindest eines der folgenden Elemente in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserbearbeitungssystems zu bewegen: zumindest ein im Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs angeordnetes optisches Element, zumindest ein Teil einer Fokussieroptik des Laserbearbeitungskopfs, zumindest ein Teil einer Kollimationsoptik des Laserbearbeitungskopfs, ein Faserende einer den Justierlaserstrahl und/oder den Laserstrahl dem Laserbearbeitungskopf zuführenden Lichtleitfaser, eine Faserbuchse zum Koppeln einer den Justierlaserstrahl und/oder den Laserstrahl führenden Lichtleitfaser am Laserbearbeitungskopf, und die Düse. Die Fokussieroptik kann eine Fokussierlinse und/oder ein Fokussierlinsenpaket, insbesondere eine Fokussiereinheit, umfassen. Ebenso kann die Kollimationsoptik eine Kollimationslinse und/oder ein Kollimationslinsenpaket, insbesondere eine Kollimationseinheit, umfassen.The adjustment unit can be arranged or mounted in or on the laser processing head. The adjustment unit can be integrated into the laser processing head and/or can be remotely controlled. The adjustment unit can comprise at least one movement unit arranged on or in the laser processing head, in particular a remotely controllable one. The movement unit can be set up to move at least one of the following elements in a plane perpendicular to the optical axis of the laser processing system: at least one optical element arranged in the beam path of the laser processing head, at least a part of a focusing optics of the laser processing head, at least a part of a collimation optics of the laser processing head, a fiber end of an optical fiber feeding the adjustment laser beam and/or the laser beam to the laser processing head, a fiber socket for coupling an optical fiber guiding the adjustment laser beam and/or the laser beam to the laser processing head, and the nozzle. The focusing optics can comprise a focusing lens and/or a focusing lens package, in particular a focusing unit. Likewise, the collimation optics can comprise a collimation lens and/or a collimation lens package, in particular a collimation unit.
Das Verstellen der relativen Position des Justierlaserstrahls und der Austrittsöffnung kann das Bewegen zumindest eines dieser Elemente in der Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserbearbeitungssystems umfassen. Das Bewegen kann das Bewegen des Elements in einer ersten Richtung und/oder in einer zweiten Richtung in dieser Ebene umfassen, wobei die erste Richtung von der zweiten Richtung verschieden, und insbesondere orthogonal zur zweiten Richtung, ist. Vorzugsweise führt das Bewegen des zumindest einen Elements in der ersten Richtung zu einer Bewegung des Justierlaserstrahls in einer ersten Richtung, und das Bewegen des zumindest einen Elements in der zweiten Richtung führt zu einer Bewegung des Justierlaserstrahls in einer zweiten Richtung. Mit anderen Worten kann der Justierlaserstrahl vorzugsweise unabhängig voneinander in der ersten und der zweiten Richtung in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserbearbeitungskopfs im Bereich der Austrittsöffnung durch eine Bewegung des zumindest einen Elements bewegt werden.Adjusting the relative position of the alignment laser beam and the exit opening can comprise moving at least one of these elements in the plane perpendicular to the optical axis of the laser processing system. The movement can comprise moving the element in a first direction and/or in a second direction in this plane, wherein the first direction is different from the second direction and in particular orthogonal to the second direction. Preferably, moving the at least one element in the first direction leads to a movement of the alignment laser beam in a first direction, and moving the at least one element in the second direction leads to a movement of the alignment laser beam in a second direction. In other words, the alignment laser beam can preferably be moved independently of one another in the first and second directions in a plane perpendicular to the optical axis of the laser processing head in the region of the exit opening by moving the at least one element.
Das Verfahren kann ferner die folgenden Schritte umfassen: falls der Justierlaserstrahl nicht durch die Austrittsöffnung tritt, Wiederholen der folgenden Schritte so lange, bis bestimmt wird, dass der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt: Bewegen des zumindest einen Elements in der Ebene senkrecht zur optischen Achse entlang eines vorgegebenen Pfades und Bestimmen, ob der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung tritt. Diese Schritte können insbesondere nötig sein, wenn die Düse bzw. der Düsenmund den Justierlaserstrahl abschattet, sodass die optische Erfassungseinheit den Justierlaserstrahl nicht detektieren bzw. erfassen kann. Mit anderen Worten wäre der Justierlaserstrahl nicht auf dem durch die optische Erfassungseinheit aufgenommenen Bild sichtbar. Dieser Fall kann beispielsweise bei einem kleinen Durchmesser der Austrittsöffnung und/oder einer falschen Position oder Ausrichtung des Justierlaserstrahls eintreten. Das Bewegen des zumindest einen Elements in der Ebene senkrecht zur optischen Achse entlang eines vorgegebenen Pfades kann auch als „Referenzzyklus“ bezeichnet werden. Der vorgegebene Pfad kann unterschiedliche Bewegungsmuster und/oder Bewegungsrichtungen des zumindest einen Elements umfassen, beispielsweise kann der Pfad zickzack förmig oder mäanderförmig sein. Das Bewegen des zumindest einen Elements kann insbesondere in einer Zickzack-Bewegung oder einer Mäanderbewegung des Justierlaserstrahls in der zur optischen Achse senkrechten Ebene resultieren. Die Zickzack-Bewegung bzw. die Mäanderbewegung kann so lange durchgeführt werden, bis die optische Erfassungseinheit den Justierlaserstrahl detektieren kann. Der vorgegebene Pfad kann auch das Bewegen des zumindest einen Elements bis zu einer ersten Endposition in einer ersten Richtung und anschließend das Bewegen des zumindest einen Elements bis zu einer zweiten Endposition in einer zweiten Richtung umfassen. Das zumindest eine Element wird anschließend in eine Mittelposition in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung bewegt. Bei der Mittelposition kann es sich um eine theoretische und/oder berechnete Mittelposition handeln.The method may further comprise the following steps: if the alignment laser beam does not pass through the exit opening, repeating the following steps until it is determined that the alignment laser beam passes through the exit opening: moving the at least one element in the plane perpendicular to the optical axis along a predetermined path and determining whether the alignment laser beam passes through the exit opening. These steps may be necessary in particular if the nozzle or nozzle mouth shades the alignment laser beam so that the optical detection unit cannot detect or capture the alignment laser beam. In other words, the alignment laser beam would not be visible in the image recorded by the optical detection unit. This case may occur, for example, if the diameter of the exit opening is small and/or the alignment laser beam is incorrectly positioned or aligned. Moving the at least one element in the plane perpendicular to the optical axis along a predetermined path may also be referred to as a “reference cycle”. The predetermined path can comprise different movement patterns and/or movement directions of the at least one element, for example the path can be zigzag-shaped or meander-shaped. The movement of the at least one element can in particular result in a zigzag movement or a meandering movement of the alignment laser beam in the plane perpendicular to the optical axis. The zigzag movement or the meandering movement can be carried out until the optical detection unit can detect the alignment laser beam. The predetermined path can also comprise moving the at least one element to a first end position in a first direction and then moving the at least one element to a second end position in a second direction. The at least one element is then moved to a middle position in the first direction and in the second direction. The middle position can be a theoretical and/or calculated middle position.
Die Bewegungseinheit der Verstelleinheit kann zumindest einen Aktuator umfassen, der am Laserbearbeitungskopf montiert ist, und eingerichtet ist, um eine Rotationsbewegung bereitzustellen. Die Rotationsbewegung kann durch ein Element des Aktuators, insbesondere eine Welle oder Achse, bereitgestellt werden. Die Bewegungseinheit kann insbesondere zwei derartige Aktoren umfassen, die vorzugsweise unabhängig voneinander ansteuerbar sein können. Die Bewegungseinheit kann ferner zumindest eine mechanische Einheit umfassen. Die zumindest eine mechanische Einheit kann eingerichtet sein, die von dem zumindest einen Aktuator bereitgestellte Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung umzuwandeln, um das Element in zumindest einer Richtung entlang der zur optischen Achse senkrechten Ebene zu bewegen. Insbesondere kann die zumindest eine mechanische Einheit eingerichtet sein, die von einem ersten Aktuator bereitgestellte Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung des zumindest einen optischen Element in die erste Richtung und die von einem zweiten Aktuator bereitgestellte Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung des zumindest einen optischen Element in die zweite Richtung umzuwandeln. Dadurch kann das optische Element unabhängig voneinander in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung bewegt werden.The movement unit of the adjustment unit can comprise at least one actuator which is mounted on the laser processing head and is designed to provide a rotational movement. The rotational movement can be provided by an element of the actuator, in particular a shaft or axis. The movement unit can in particular comprise two such actuators, which can preferably be controlled independently of one another. The movement unit can further comprise at least one mechanical unit. The at least one mechanical unit can be designed to convert the rotational movement provided by the at least one actuator into a translational movement in order to move the element in at least one direction along the plane perpendicular to the optical axis. In particular, the at least one mechanical unit can be configured to convert the rotational movement provided by a first actuator into a translational movement of the at least one optical element in the first direction and the rotational movement provided by a second actuator into a translational movement of the at least one optical element in the second direction. As a result, the optical element can be moved independently of one another in the first direction and in the second direction.
Der zumindest eine Aktuator kann einen Elektromotor, einen Drehstrommotor, einen Linearmotor, einen Wechselstrommotor und/oder einen Schrittmotor umfassen. Die Motoren können am oder im Laserbearbeitungskopf montiert sein oder in diesen integriert sein.The at least one actuator can comprise an electric motor, a three-phase motor, a linear motor, an AC motor and/or a stepper motor. The motors can be mounted on or in the laser processing head or integrated into it.
Die optische Achse der optischen Erfassungseinheit und die optische Achse des Laserbearbeitungskopfes können parallel zueinander oder koaxial verlaufen.The optical axis of the optical detection unit and the optical axis of the laser processing head can be parallel to each other or coaxial.
Die Ausrichteinheit kann ferner zumindest eines der folgenden Elemente umfassen: eine Abdeckung, die fernsteuerbar zu öffnen und zu schließen ist; eine Beleuchtungseinrichtung, die eingerichtet ist, um den Düsenmund zu beleuchten; eine Abbildungsoptik, die eingerichtet ist, um den Düsenmund und den Justierlaserstrahl auf eine Sensorebene und/oder eine Bildebene der optischen Erfassungseinheit abzubilden, und/oder zumindest einen optischen Filter, der eingerichtet ist, um eine Wellenlänge des Justierlaserstrahls und eine Wellenlänge der Beleuchtungseinrichtung passieren zu lassen. Die Abbildungsoptik kann ein Festbrennweitenobjektiv und/oder ein Zoomobjektiv umfassen. Der zumindest eine optische Filter kann einen Bandpassfilter umfassen. Die Beleuchtungseinrichtung ermöglicht eine optimale Ausleuchtung des Düsenmundes bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und ermöglicht einen optimalen Kontrast für die Aufnahme des Bildes bzw. zum Ermitteln der Innenkontur des Düsenmundes. Die Beleuchtungseinrichtung kann als eine ringförmige Beleuchtungseinrichtung ausgebildet sein, und kann insbesondere als eine Beleuchtungseinrichtung ausgebildet sein, die im roten Farbspektrum Licht emittiert. Die Beleuchtungseinrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, die Düse bzw. den Düsenmund seitlich zu beleuchten.The alignment unit can further comprise at least one of the following elements: a cover that can be opened and closed remotely; an illumination device that is designed to illuminate the nozzle mouth; an imaging optic that is designed to image the nozzle mouth and the alignment laser beam onto a sensor plane and/or an image plane of the optical detection unit, and/or at least one optical filter that is designed to allow a wavelength of the alignment laser beam and a wavelength of the illumination device to pass through. The imaging optic can comprise a fixed focal length lens and/or a zoom lens. The at least one optical filter can comprise a bandpass filter. The illumination device enables optimal illumination of the nozzle mouth under different ambient conditions and enables optimal contrast for recording the image or for determining the inner contour of the nozzle mouth. The illumination device can be designed as an annular illumination device and can in particular be designed as an illumination device that emits light in the red color spectrum. The lighting device can in particular be designed to illuminate the nozzle or the nozzle mouth from the side.
Die optische Erfassungseinheit kann zumindest eines der folgenden umfassen: ein Kamerasystem, eine Kamera, einen CCD-Sensor, einen CMOS-Sensor, ein Photodioden-Array. Die optische Erfassungseinheit kann insbesondere eingerichtet sein, Objekte, insbesondere Düsen, mit einer Größe von mindestens 5mm x 5mm, vorzugsweise im Bereich von 10mm x 10mm, zu erfassen bzw. zu detektieren.The optical detection unit can comprise at least one of the following: a camera system, a camera, a CCD sensor, a CMOS sensor, a photodiode array. The optical detection unit can in particular be set up to detect objects, in particular nozzles, with a size of at least 5mm x 5mm, preferably in the range of 10mm x 10mm.
Das Laserbearbeitungssystem kann ferner eine Bewegungseinheit umfassen, die eingerichtet ist, um den Laserbearbeitungskopf zu bewegen. Die Steuervorrichtung oder eine übergeordnete Steuereinheit des Laserbearbeitungssystems kann eingerichtet sein, um die Bewegungseinheit zu steuern, um den Laserbearbeitungskopf zur Ausrichteinheit zu bewegen und so auszurichten, dass die optische Achse der optischen Erfassungseinheit im Wesentlichen koaxial mit einer optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes verläuft.The laser processing system may further comprise a movement unit configured to move the laser processing head. The control device or a higher-level control unit of the laser processing system may be configured to control the movement unit to move the laser processing head to the alignment unit and align it such that the optical axis of the optical detection unit is substantially coaxial with an optical axis of the laser processing head.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
Ausführungsformen der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; -
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; -
4A und B ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
5 eine schematische und beispielhafte Darstellung eines Bildes, das von einer optischen Erfassungseinheit eines Laserbearbeitungssystems zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgenommenen wurde; -
6 eine schematische Darstellung einer Innenkontur eines Düsenmundes gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; -
7 im oberen Teil eine schematische Darstellung einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und im unteren Teil einen beispielhaften Grauwertverlauf der Düse; -
8 und9 schematische Darstellungen von Bewegungen eines Laserstrahls entlang eines vorgegebenen Pfades gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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1 a schematic representation of a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to an embodiment of the present invention; -
2 a schematic representation of a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to embodiments of the present invention; -
3 shows a flowchart of a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head according to embodiments of the present invention; -
4A and B is a flow chart of a method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head according to an embodiment of the present invention; -
5 a schematic and exemplary representation of an image captured by an optical detection unit of a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to embodiments of the present invention; -
6 a schematic representation of an inner contour of a nozzle mouth according to embodiments of the present invention; -
7 in the upper part a schematic representation of a nozzle of a laser processing head according to an embodiment of the present invention and in the lower part an exemplary gray value curve of the nozzle; -
8th and9 schematic representations of movements of a laser beam along a predetermined path according to embodiments of the present invention.
Ausführungsformen der OffenbarungEmbodiments of the disclosure
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleich und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.In the following, unless otherwise stated, the same reference symbols are used for identical and equivalent elements.
Die Figuren zeigen ein Laserbearbeitungssystem 10 zum Bearbeiten eines Werkstücks (nicht gezeigt) mit einem Laserstrahl (nicht gezeigt). Das Laserbearbeitungssystem 10 ist eingerichtet, das Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung des Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Außerdem ist das Laserbearbeitungssystem 10 vorzugsweise eingerichtet, eine automatisierte Düseninspektion durchzuführen.The figures show a
Das Laserbearbeitungssystem 10 umfasst eine Laserquelle 20, einen Laserbearbeitungskopf 30, eine Verstelleinheit 40, eine Ausrichteinheit 50 und eine Steuervorrichtung 60. Die Laserquelle 20 ist eingerichtet, den Laserstrahl und einen Justierlaserstrahl 21, auch „Pilotlaser“ oder „Pilotlaserstrahl“ genannt, zu erzeugen. Der Laserstrahl bzw. der Justierlaserstrahl 21 werden über eine Lichtleitfaser 22 und eine Faserbuchse 22a in den Laserbearbeitungskopf eingekoppelt. Der Justierlaserstrahl 21 verläuft zum Laserstrahl koaxial. Dadurch kann durch die Positionierung des Justierlaserstrahls 21 auch der Laserstrahl eingestellt werden. Der Laserstrahl kann ein Bearbeitungslaserstrahl zum Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere eines metallischen Werkstücks, sein. Alternativ kann auch der Laserstrahl selbst als Justierlaserstrahl 21 eingesetzt werden, beispielsweise mit einer geringeren Leistung als zur Materialbearbeitung.The
Der Laserbearbeitungskopf 30 weist eine Düse 31 auf. Die Düse 31, die eine Düsenelektrode sein kann, umfasst einen Düsenmund 32 und eine Austrittsöffnung 33 zum Austritt des Laserstrahls und des Justierlaserstrahls aus dem Laserbearbeitungskopf 30. Die Düse 31 kann integral mit dem Laserbearbeitungskopf 30 verbunden sein, oder kann am Laserbearbeitungskopf 30 beweglich montiert sein. Der Laserbearbeitungskopf 30 kann mehrere optische Elemente, Optiken und/oder optische Einheiten, auch „Pakete“ genannt, umfassen. Dazu zählen beispielsweise Linsen, Linsenpakete, und Spiegel. Gemäß Ausführungsformen umfassen die optischen Elemente bzw. die optischen Einheiten Elemente bzw. Einheiten, die den Laserstrahl und den Justierlaserstrahl transmittieren und/oder Elemente bzw. Einheiten, die den Laserstrahl und den Justierlaserstrahl zumindest teilweise reflektieren. Wie in
Die Ausrichteinheit 50 umfasst eine optische Erfassungseinheit 51, die eingerichtet ist, um ein zweidimensionales Bild von der Austrittsöffnung 33 und dem durch die Austrittsöffnung tretenden Justierlaserstrahl 21 sowie vom Düsenmund 32 aufzunehmen. Die Steuervorrichtung 60 ist eingerichtet, anhand des aufgenommenen Bildes eine Position des Justierlaserstrahls 21 und eine Position der Austrittsöffnung 33 der Düse 31 zu ermitteln, eine Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls 21 von einer vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls 21 zu bestimmen, und durch Ansteuern der Verstelleinheit 40 die Position des Justierlaserstrahls 31 relativ zur Position der Austrittsöffnung 33 zu verstellen, falls die Abweichung größer ist als eine vorgegebene maximale Abweichung.The
Die Verstelleinheit 40 ist eingerichtet, die Position des Justierlaserstrahls 31 relativ zur Position der Austrittsöffnung 33 zu verstellen. Die Verstelleinheit 40 kann im oder am Laserbearbeitungskopf 30 angeordnet oder montiert sein. Die Verstelleinheit 40 kann auch in den Laserbearbeitungskopf 30 integriert sein.The
Die Verstelleinheit umfasst eine am oder im Laserbearbeitungskopf 30 angeordnete Bewegungseinheit 41. Die Bewegungseinheit 41 ist eingerichtet, ein Element, insbesondere ein optisches Element bzw. eine optische Einheit, in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse z des Laserbearbeitungskopfes 30 zu bewegen, verschieben oder positionieren. Das Bewegen des Elements hat zur Folge, dass die Position des Justierlaserstrahls 21 relativ zur Position der Austrittsöffnung 33 oder die Position der Austrittsöffnung 33 relativ zur Position des Justierlasers 21 in einer Ebene im Bereich der Austrittsöffnung, die senkrecht zur optischen Achse angeordnet ist, verstellt wird.The adjustment unit comprises a
In
Gemäß den gezeigten Ausführungsformen ist die Bewegungseinheit 41 eingerichtet, zumindest einen Teil der Fokussieroptik 36 zu bewegen. Die Fokussieroptik 36 kann eine Fokussierlinse und/oder ein Fokussierlinsenpaket umfassen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die Bewegungseinheit 41 eingerichtet sein, zumindest ein Teil einer Kollimationsoptik des Laserbearbeitungskopfes 30, ein Faserende der den Justierlaserstrahl 21 und/oder den Laserstrahl dem Laserbearbeitungskopf 30 zuführenden Lichtleitfaser 22, eine Faserbuchse 22a zum Koppeln der den Justierlaserstrahl 21 und/oder den Laserstrahl führenden Lichtleitfaser 22 am Laserbearbeitungskopf 30 und/oder die Düse 31 zu bewegen.According to the embodiments shown, the
Die Bewegungseinheit 41 umfasst zumindest einen Aktuator, insbesondere eine motorische Einheit bzw. einen Motor. Der zumindest eine Aktuator kann insbesondere als Elektromotor, z.B. Drehstrom-, Linear-, Schritt- oder Wechselstrommotor ausgebildet sein. Gemäß der in
Der zumindest eine Aktuator ist eingerichtet, eine rotatorische Bewegung, insbesondere über eine Welle oder Achse, bereitzustellen. Gemäß der in
Die Bewegungseinheit 41 umfasst ferner zumindest eine mechanische Einheit (nicht gezeigt), auch „Mechanik“ genannt. Die zumindest eine mechanische Einheit ist eingerichtet, um die von dem zumindest einen Aktuator bereitgestellte Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung in der zur Strahlausbreitungsrichtung z senkrechten Ebene x-y umzuwandeln. Wie in
Die optische Erfassungseinheit 51, die auch als „bildgebender Detektor“ bezeichnet werden kann, kann beispielsweise eine Kamera und/oder einen Sensor, insbesondere einen Bildsensor, umfassen. Die optische Erfassungseinheit 51 umfasst vorzugsweise zumindest einen CCD-Sensor (CCD: „charge-coupled device“) oder einen CMOS-Sensor (CMOS: „complementary metal-oxide-semiconductor“). Erfindungsgemäß wird vorzugsweise ein CMOS-Sensor eingesetzt.The
Die Ausrichteinheit 50 umfasst ferner eine Abbildungsoptik 51, auch „Objektiv“ genannt. Die Abbildungsoptik 51 bildet sowohl den Justierlaserstrahl 21 als auch den Düsenmund 32, d.h. einen gewissen Bereich der Unterseite der Düse 31, auf die optische Erfassungseinheit 51 ab, insbesondere auf eine Sensorfläche oder Sensorebene der optischen Erfassungseinheit 51. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können zumindest Objekte mit einer Größe von 5 mm x 5 mm detektiert werden. Vorzugsweise werden Objekte bis zu einer Größe von 10 mm x 10 mm detektiert. Die Abbildungsoptik 51 kann ein Festbrennweitenobjektiv oder ein Zoomobjektiv umfassen. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise ein Festbrennweitenobjektiv verwendet.The
Die Ausrichteinheit 50 kann außerdem eine Beleuchtungseinrichtung 54 und/oder eine optische Filtereinheit 53 mit zumindest einem optischen Filter und/oder einem optischem Filterpaket umfassen. Vorzugsweise werden Bandpassfilter eingesetzt, die das Umgebungslicht filtern und die Wellenlänge des Justierlaserstrahls 21 und den Wellenlängenbereich der Beleuchtungseinrichtung 54 transmittieren. Die Beleuchtungseinrichtung 54 dient zur optimalen Ausleuchtung des Düsenmundes 32 bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und sorgt für einen optimalen Kontrast für die Detektion der Düseninnenkontur bei der Bildverarbeitung. Vorzugsweise kommt eine Ringbeleuchtung zum Einsatz, die im roten Farbspektrum Licht emittiert. Weiterhin ist eine seitliche Beleuchtung der Düse 31 möglich.The
Weiterhin umfasst die Ausrichteinheit 50 eine Abdeckung 55, die sich automatisch bzw. ferngesteuert öffnen und schließen lässt. Eine Umhausung 56, auch „Gehäuse“ genannt, schützt die darin enthaltenen Elemente der Ausrichteinheit 50, etwa die optische Erfassungseinheit 51, die Abbildungsoptik 52, die optische Filtereinheit 53 und die Beleuchtungseinrichtung 54, vor diversen Umgebungseinflüssen, wie z.B. Schmutz, Staub und Wasser. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Ausrichteinheit 50 als eigenständige Station im Laserbearbeitungssystem vorgesehen, oder in ein Düsenwechsler System integriert.The
Die Steuervorrichtung 60, auch als „Auswerteinheit“ bezeichnet, ist eingerichtet, die optische Erfassungseinheit 51, die Ausrichteinheit 50, die Laserquelle 20 und/oder die Verstelleinheit 40 zu steuern. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung dient die Steuervorrichtung 60 als Kommunikationsschnittstelle zwischen diesen Elementen.The
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kommuniziert die Steuervorrichtung 60 anderem mit einer übergeordneten Steuerung, beispielsweise einer sogenannten „CNC“ oder einer Maschinensteuerung (nicht dargestellt). Die Hauptaufgabe der Steuervorrichtung 60 liegt darin, Steuer- und Informationssignale zwischen der Verstelleinheit 40 und der optischen Erfassungseinheit 51 bzw. der Ausrichteinheit 50 zu verarbeiten und zu übertragen. Dabei wird das Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung des Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch die CNC gestartet und die CNC erhält wiederum das Signal von der Steuervorrichtung 50 über das Ende des Verfahrens.According to one embodiment of the present invention, the
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vereint die Steuervorrichtung 60 die Aufgaben zur Maschinensteuerung und zur automatisierten Strahlpositionierung des Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Dabei kommuniziert die Steuervorrichtung 60 sowohl mit der Laserquelle 20, mit den Maschinenkomponenten (nicht gezeigt), der Verstelleinheit 40 und der optischen Erfassungseinheit 51 bzw. der Ausrichteinheit 50.According to a further embodiment of the present invention, the
Bei beiden Ausführungsformen übernimmt die Steuervorrichtung 60 die Aufgabe der Bildverarbeitung, der Steuerung der Beleuchtungsvorrichtung 54, der Steuerung der Verstelleinheit 40 und das Öffnen und Schließen der Ausrichteinheit 50.In both embodiments, the
Nach dem Start (S0) wird ein zum Laserstrahl koaxialer Justierlaserstrahl 21 auf eine Austrittsöffnung 33 einer am Laserbearbeitungskopf 30 montierten Düse 31 gerichtet (S1). Anschließend wird ein Bild von der Austrittsöffnung 33 sowie von einem die Austrittsöffnung umgebenden Düsenmund 32 aufgenommen (S2). Anschließend wird beispielsweise anhand des aufgenommenen Bildes bestimmt, ob der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung 33 tritt (S3).After the start (S0), an
Falls der Justierlaserstrahl durch die Austrittsöffnung 33 tritt (Y1), werden die folgenden weiteren Schritte ausgeführt: Ermitteln einer Position des durch die Austrittsöffnung 33 tretenden Justierlaserstrahls 21 und einer Position der Austrittsöffnung 33 der Düse 31 anhand des aufgenommenen Bildes (S4), Bestimmen, ob eine Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls ΔX, ΔY von einer vorgegebenen Position O des Justierlaserstrahls 21 größer ist als eine vorgegebene maximale Abweichung, wobei die vorgegebene Position des Justierlaserstrahls relativ zur Position der Austrittsöffnung vorgegeben ist (S5). Falls die Abweichung größer ist als die vorgegebene maximale Abweichung (Y2), wird die Position des Justierlaserstrahls 21 relativ zur Austrittsöffnung 33 verstellt (S6).If the alignment laser beam passes through the exit opening 33 (Y1), the following further steps are carried out: determining a position of the
Die Schritte Aufnehmen eines Bildes, Ermitteln der Position des Justierlaserstrahls und der Position der Austrittsöffnung, Bestimmen der Abweichung und Verstellen der Position, werden solange durchgeführt, bis bestimmt wird, dass die Abweichung der ermittelten Position des Justierlaserstrahls von der vorgegebenen Position des Justierlaserstrahls kleiner als oder gleich wie die vorgegebene maximale Abweichung ist (N2). In diesem Fall kann das Verfahren beendet werden (S8).The steps of taking an image, determining the position of the alignment laser beam and the position of the exit opening, determining the deviation and adjusting the position are carried out until it is determined that the deviation of the determined position of the alignment laser beam from the predetermined position of the alignment laser beam is less than or equal to the predetermined maximum deviation (N2). In this case, the method can be terminated (S8).
Falls der Justierlaserstrahl nicht durch die Austrittsöffnung tritt (N1), kann ein nachfolgend beschriebener Referenzzyklus durchgeführt werden (S7).If the alignment laser beam does not pass through the exit opening (N1), a reference cycle described below can be carried out (S7).
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren, automatisch, beispielsweise durch die Steuervorrichtung 60, nach einem Wechsel der Düse 31 am Laserbearbeitungskopf 30 oder nach einer Kollision des Laserbearbeitungskopfes 30 bzw. der Düse 31 mit einem Gegenstand, beispielsweise einem zu bearbeitenden Werkstück, gestartet. Ferner kann das Verfahren auch manuell durch einen Bediener über eine bestimmte Schnittstelle (beispielsweise eine GUI) zur Steuervorrichtung 60 gestartet werden.According to embodiments of the present invention, the method is started automatically, for example by the
Zu Beginn des Verfahrens wird die Abdeckung 55 der Ausrichteinheit 50 bzw. der Düsenwechsler automatisch geöffnet. Der Laserbearbeitungskopf 30 wird durch Maschinenachsen des Laserbearbeitungssystems 10 auf die Position, bei der der Zentriervorgang erfolgen soll, verfahren. Mit anderen Worten wird der Laserbearbeitungskopf 30 auf die Ausrichteinheit 50 verfahren, sodass die optische Achse des Laserbearbeitungskopfes 30 und die optische Achse der Ausrichteinheit 50 im Wesentlichen koaxial verlaufen. Somit ist der Düsenmund 32 der am Laserbearbeitungskopf 30 montierten Düse 31 vollständig im Gesichtsfeld der optischen Erfassungseinheit 51. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein von der optischen Erfassungseinheit 51 aufgenommenes Bild den Düsenmund 32 bzw. die Austrittsöffnung 33 vollständig zeigt.At the start of the process, the
Die Steuervorrichtung 60 aktiviert die Beleuchtung durch die Beleuchtungseinrichtung 54 und stellt die optimalen Beleuchtungsparameter (beispielsweise die Helligkeit) ein. Die Steuervorrichtung 60 überprüft ferner, z.B. mittels eines Auswertealgorithmus, ob ein Düsenmund 32 und eine Innenkontur 34 des Düsenmunds 32 (siehe
Nach erfolgreicher Überprüfung des Düsenzustands wird zunächst eine Soll-Fokuslage eingestellt und anschließend der Justierlaserstrahl aktiviert. Dies kann dem Schritt S1 in
Wird hingegen der Justierlaserstrahl 21 detektiert, so ermittelt die Steuervorrichtung 60, z.B. mittels Bildverarbeitung den Flächenschwerpunkt S des Justierlaserstrahls 21 und den Flächenschwerpunkt O der Austrittsöffnung 32 (siehe
Wenn hingegen eine oder beide relativen Abweichungen ΔX, ΔY größer als die vordefinierte maximale Abweichung ist bzw. sind, d.h. ΔX>Soll-µm und ΔY>Soll-µm, (entsprechend Y2 in
Die Bildverarbeitung, auch „Bildanalyse“ genannt, umfasst die Punkte Bildgewinnung, Bildvorverarbeitung, Bildsegmentierung, Ermittlung der Konturen und die Berechnung der relativen Abweichungen.Image processing, also called “image analysis,” includes image acquisition, image preprocessing, image segmentation, contour determination, and the calculation of relative deviations.
Das erfindungsgemäße bildgebende Verfahren, umfassend die Aufnahme eines Bildes von der Düse 31, dem Düsenmund 32 und dem durch die Austrittsöffnung 33 tretenden Justierlaserstrahl 21 und die anschließende Bildverarbeitung, ermöglicht eine unmittelbare ortsaufgelöste Messung der relativen Position des Justierlaserstrahls 21 zur Mitte bzw. Flächenschwerpunkt der Austrittsöffnung 33.The imaging method according to the invention, comprising the recording of an image of the
Sobald die Innenkontur 34 des Düsenmundes 33 und die Kontur 23 des Justierlaserstrahls 21 durch die Bildverarbeitung ermittelt wurden, werden die beiden Flächenschwerpunkte S und O berechnet (vgl.
Für die Überprüfung des Düsenzustands, d.h. die Düseninspektion, wird zumindest ein geometrischer oder optischer Parameter, welcher durch die Bildverarbeitung ermittelt wird, mit einem Soll-Parameter abgeglichen. Dabei liegt der Fokus auf einer möglichen Verformung der Düse 31 und auf dessen Oberflächenbeschaffenheit.To check the nozzle condition, i.e. the nozzle inspection, at least one geometric or optical parameter, which is determined by image processing, is compared with a target parameter. The focus is on a possible deformation of the
Zu den geometrischen Parametern zählen der Formfaktor der Innenkontur 34 des Düsenmunds 32, die Elliptizität der Innenkontur 34 und der Innendurchmesser der Düse 31, d.h. dem Durchmesser der Austrittsöffnung 33. Der Formfaktor der Innenkontur 34 ist abhängig von der ermittelten Fläche und des ermittelten Umfangs der Austrittsöffnung 33.The geometric parameters include the shape factor of the
Bei der Elliptizität wird das Verhältnis aus einer Nebenachse zu einer Hauptachse der Austrittsöffnung 33 gebildet. Die Nebenachse ist definiert als die Strecke vom Flächenschwerpunkt O zu einem Punkt P2 auf der Innenkontur 34 des Düsenmunds 33 (siehe
Bei dem Parameter „Innendurchmesser der Düse 31“ wird der Soll-Wert, welcher in der Steuervorrichtung 60 Auswerteeinheit hinterlegt ist, mit dem ermittelten Ist-Wert verglichen. Der Innendurchmesser der Düse 31 entspricht einem Durchmesser der Austrittsöffnung 33 und kann basierend auf der Innenkontur 34 des Düsenmunds 32 mittels Bildverarbeitung ermittelt werden.For the parameter “inner diameter of the
Ein optischer Parameter ist beispielsweise das Reflexionsverhalten des Düsenmundes 32. Das Reflexionsverhalten kann durch die Grauwerte der Pixel, d.h. eine relative Lichtintensität, des von der optischen Erfassungseinheit 51 aufgenommenen Bildes (
Die beschriebenen geometrischen und optischen Parameter können in einer beliebigen Konstellation zur Düseninspektion verwendet werden.The described geometric and optical parameters can be used in any configuration for nozzle inspection.
Ein Referenzzyklus ist erforderlich, wenn die Düse 31 den Justierlaserstrahl 21 abschattet und die optische Erfassungseinheit 51 somit den Justierlaserstrahl 21 nicht detektieren kann. Dies kann beispielsweise bei einem kleinen Innendurchmesser der Düse 31 und/oder einer falschen Position oder Ausrichtung des Justierlaserstrahls 21 der Fall sein.A reference cycle is required if the
Der Referenzzyklus kann unterschiedliche Bewegungsmuster des durch die Verstelleinheit 40 bewegten Elements umfassen, die zu einem bestimmten Bewegungsmuster bzw. Bewegungspfad des Justierlasers 21 in der Ebene im Bereich der Austrittsöffnung 33 führt.The reference cycle can comprise different movement patterns of the element moved by the
Der Referenzzyklus kann eine definierte Mäanderbewegung des durch die Verstelleinheit 40 bewegten Elements umfassen (siehe
Durch das Verfahren zur automatisierten Strahlpositionierung eines Laserstrahls bezüglich einer Düse eines Laserbearbeitungskopfes und das Laserbearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, sowohl eine automatisierte bzw. automatisierte und motorische Strahlpositionierung, insbesondere eine Strahlzentrierung bezüglich der Düsenmitte, als auch eine automatisierte bzw. automatisierte und motorische Düseninspektion durchzuführen.By the method for automated beam positioning of a laser beam with respect to a nozzle of a laser processing head and the Laser processing system for processing a workpiece with a laser beam according to embodiments of the invention, it is possible to carry out both an automated or automated and motorized beam positioning, in particular a beam centering with respect to the nozzle center, as well as an automated or automated and motorized nozzle inspection.
Das Verfahren und das Laserbearbeitungssystem ermöglichen durch die Bereitstellung eines Referenzzyklus für die Bewegung eines Justierlasers die automatisierte bzw. automatisierte Strahlpositionierung und die automatisierte bzw. automatisierte Düseninspektion auch dann, wenn der Justierlaser von der am Laserbearbeitungskopf montierten Düse abgeschattet wird.By providing a reference cycle for the movement of an alignment laser, the method and the laser processing system enable automated beam positioning and automated nozzle inspection even when the alignment laser is shadowed by the nozzle mounted on the laser processing head.
Durch die Verstelleinheit, die am oder im Laserbearbeitungskopf montiert ist oder mit dem Laserbearbeitungskopf integral ausgebildet ist, wird eine zur Strahlpositionierung und Düseninspektion integrierte Lösung bereitgestellt.The adjustment unit, which is mounted on or in the laser processing head or is integrally formed with the laser processing head, provides an integrated solution for beam positioning and nozzle inspection.
Ferner wird durch die optische Erfassungseinheit bzw. die Ausrichteinheit eine unmittelbare, ortsaufgelöste Messung der Position des Justierlasers relativ zur Mitte der Düse bzw. der Austrittsöffnung ermöglicht und basiert somit nicht auf einer indirekten Messmethode, beispielsweise mithilfe von akustischen oder thermischen Sensoren oder Photodioden.Furthermore, the optical detection unit or the alignment unit enables a direct, spatially resolved measurement of the position of the alignment laser relative to the center of the nozzle or the outlet opening and is therefore not based on an indirect measurement method, for example using acoustic or thermal sensors or photodiodes.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- LaserbearbeitungssystemLaser processing system
- 2020
- LaserquelleLaser source
- 2121
- JustierlaserstrahlAlignment laser beam
- 2222
- LichtleitfaserOptical fiber
- 22a22a
- FaserbuchseFiber socket
- 2323
- Kontur des JustierlaserstrahlsContour of the alignment laser beam
- 3030
- LaserbearbeitungskopfLaser processing head
- 30a30a
- optische Achse des Laserbearbeitungskopfsoptical axis of the laser processing head
- 3131
- Düsejet
- 3232
- DüsenmundNozzle mouth
- 32a32a
- Beschädigung oder VerschmutzungDamage or contamination
- 3333
- AustrittsöffnungOutlet opening
- 3434
- Innenkontur des DüsenmundsInner contour of the nozzle mouth
- 3535
- KollimationsoptikCollimation optics
- 3636
- FokussieroptikFocusing optics
- 4040
- VerstelleinheitAdjustment unit
- 4141
- BewegungseinheitMovement unit
- 42a, 42b42a, 42b
- AktuatorActuator
- 5050
- AusrichteinheitAlignment unit
- 5151
- optische Erfassungseinheitoptical detection unit
- 5252
- AbbildungsoptikImaging optics
- 5353
- optische Filtereinheitoptical filter unit
- 5454
- BeleuchtungseinrichtungLighting equipment
- 5555
- Abdeckungcover
- 5656
- UmhausungEnclosure
- 6060
- SteuervorrichtungControl device
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-
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