DE102022127484A1 - Laserbearbeitungssystem mit Lidar-Sensor und Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses mittels einem solchen - Google Patents

Laserbearbeitungssystem mit Lidar-Sensor und Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses mittels einem solchen Download PDF

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Tom Walde
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Ludwig Weber
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Abstract

Die Offenbarung betrifft einen Laserbearbeitungskopf, der ein Gehäuse (2), in dem mindestens eine Optik (9) zum Richten des Laserstrahls (3) auf einen Bearbeitungspunkt (5) auf dem Werkstück (4) angeordnet ist; wenigstens ein frequenzmodulierter und/oder amplitudenmodulierter Dauerstrich-Lidar-Sensor (11) zum Erfassen eines Abstands zu mindestens einem Punkt auf dem Werkstück (4), wobei der Lidar-Sensor (11) einen Emitter (11a) und einen Detektor (11b) umfasst; und eine Steuerung (100) zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln des Bearbeitungsprozesses basierend auf dem erfassten Abstand umfasst; sowie ein entsprechendes Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Laserbearbeitungssystem mit einem Lidar-Sensor sowie ein Verfahren zum Durchführen, insbesondere zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln, eines Laserbearbeitungsprozesses mittels eines Laserbearbeitungskopfs mit einem Lidar-Sensor.
  • Technischer Hintergrund
  • Die Überwachung oder Durchführung eines Laserbearbeitungsprozesses, wie etwa ein Laserschneiden oder Laserschweißen, beruht in der Regel auf vordefinierten Parametersätzen, die in der Qualifikation des jeweiligen Prozesses als gut empfunden werden. Aufgrund von unvorhersehbaren Einflussgrößen, wie etwa die Materialzusammensetzung, müssen Prozessfenster mit gewissen Puffern ausgestattet werden. Trotzdem können durch unvorhergesehene Parameter Prozessinstabilitäten entstehen. Dies führt zu Ausschuss. Eine aktive Regelung kann Prozessparameter anpassen und so für mehr Stabilität bei der Lasermaterialbearbeitung sorgen. Außerdem können Verbesserungen in der Prozessregelung dazu führen, dass optimierte Bearbeitungsparameter, wie etwa eine höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit oder auch größere Materialstärken, eingesetzt werden können. Dementsprechend kann durch eine Prozessregelung der Prozess mit einem engeren Prozessfenster gefahren und der Applikationsumfang erweitert werden.
  • Bei der sogenannten Remote-Lasermaterialbearbeitung wird die Auslenkung des Bearbeitungsstrahls typischerweise über Ablenkoptiken gesteuert. Durch das Scannen des Bearbeitungsstrahls sind wesentlich höhere Prozessgeschwindigkeiten erreichbar als bei der Bewegung des gesamten Laserbearbeitungskopfes, was auf die wesentlich kleinere Trägheit der Ablenkoptik im Vergleich zur Gesamtmechanik zurückzuführen ist. Über den Abstand und die Ablenkoptik spannt sich ein Bearbeitungsbereich auf, in welchem auch große Bauteile ohne weitere Bewegung des Laserbearbeitungskopfes bearbeiten werden können. Remote-Lasermaterialbearbeitung wird auch häufig für die Bearbeitung komplexerer 3D-Bauteil verwendet. Dementsprechend ist eine Vorrichtung und ein Verfahren nötig, welche die Topografie bzw. den genauen Abstand zwischen Bauteil und Laserbearbeitungskopf ermitteln können. Dies kann wiederum zur Prozesssteuerung und Prozessüberwachung, insbesondere zur Einstellung von Prozessparametern vor dem Start oder während des Prozesses, verwendet werden. Außerdem kann bei der Remote-Laserbearbeitung in der Regel nicht auf übliche Abstandssensorik, wie der kapazitiven Sensorik, zurückgegriffen werden. Dementsprechend wird eine Remote-Abstandsbestimmung mit hinreichend hoher lateraler und axialer Auflösung benötigt.
  • Auch bei Festoptik-Laserbearbeitungsköpfen, d.h. Laserbearbeitungsköpfen ohne Scannervorrichtung bzw. Ablenkoptiken, wird für die Prozessüberwachung bzw. Prozessregelung häufig die Topografie des Bearbeitungsbereichs, wie etwa der Schneidfront oder dem Schweißbad, und der Umgebung vermessen, um eine Aussage über die Bearbeitungsqualität zu treffen oder Prozessparameter anzupassen bzw. einzustellen.
  • DE 28 29 851 A1 beschreibt eine Anordnung zur Messung des Abstands zwischen einem metallischen Werkstück und einem Bearbeitungswerkzeug mittels einer kapazitiven Abstandssensorik, die eine Bearbeitung von Werkstücken mit unregelmäßiger Oberfläche und insbesondere parallel zur Werkzeugbahn verlaufenden Erhebungen ermöglicht.
  • DE 10 2017 201 730 A1 betrifft ein Verfahren zum Schweißen und eine Schweißanordnung, wobei mit einer Time-of-Flight (ToF) Erfassungsvorrichtung ein Beobachtungsfenster auf dem Werkstück erfasst wird, das der Schweißstelle zumindest teilweise vorauseilt.
  • DE 10 2015 015 651 B3 betrifft eine Überwachungsvorrichtung für ein Laserbearbeitungssystem mit einer Messstrahlquelle und einer Registriereinheit, die einen durch die Umgebung reflektierten Anteil des Messstrahls erfasst. Der Messstrahl wird koaxial zum Bearbeitungsstrahl in einen Laserbearbeitungskopf eingekoppelt, sodass Messstrahl und Bearbeitungsstrahl auf gemeinsame Positionen in der Umgebung ausrichtbar sind.
  • DE 10 2012 212 278 A1 betrifft eine Anordnung zum Erzeugen von Bohrungen oder Schweißnähten, wobei mittels einer koaxialen Autofokussiereinheit ein Abstand zwischen Werkstück und Anordnung erfasst wird. Die Autofokussiereinheit kann eine OCT Vorrichtung, eine ToF Kamera oder eine Triangulationseinheit umfassen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laserbearbeitungssystem und ein Verfahren bereitzustellen, um eine präzise Vermessung des Werkstücks zur Prozessüberwachung und/oder Prozesssteuerung zu ermöglichen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laserbearbeitungssystem und ein Verfahren bereitzustellen, um eine dreidimensionale bzw. flächige Vermessung des Werkstücks zur Prozessüberwachung und/oder Prozesssteuerung mit einer Auflösung im sub-Millimeter Bereich zu ermöglichen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laserbearbeitungssystem und ein Verfahren bereitzustellen, um eine dreidimensionale Vermessung des Werkstücks zur Prozessüberwachung und/oder Prozesssteuerung im unmittelbaren TCP-Umgebungsbereich und/oder im (möglichen) Bearbeitungsbereich zu ermöglichen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laserbearbeitungssystem und ein Verfahren bereitzustellen, um eine kostengünstige, flexible und vielseitig einsetzbare Prozessüberwachung und/oder -steuerung für einen Bearbeitungsprozess zu bieten.
  • Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls: ein Gehäuse, in dem mindestens eine Optik zum Richten des Laserstrahls auf einen Bearbeitungspunkt (TCP) auf dem Werkstück angeordnet ist; wenigstens ein Dauerstrich-Lidar-Sensor, insbesondere wenigstens ein frequenzmodulierter Dauerstrich-Lidar-Sensor und/oder wenigstens ein amplitudenmodulierter Dauerstrich-Lidar-Sensor, zum Erfassen eines Abstands zu mindestens einem Punkt auf dem Werkstück; und eine Steuerung zur Prozessbeobachtung, insbesondere zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln des Bearbeitungsprozesses, basierend auf dem erfassten Abstand.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls: einen Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse, in dem mindestens eine Optik zum Richten des Laserstrahls auf einen Bearbeitungspunkt (TCP) auf dem Werkstück angeordnet ist, und mit wenigstens einem Dauerstrich-Lidar-Sensor, insbesondere wenigstens ein frequenzmodulierter Dauerstrich-Lidar-Sensor und/oder wenigstens ein amplitudenmodulierter Dauerstrich-Lidar-Sensor, zum Erfassen eines Abstands zu mindestens einem Punkt auf dem Werkstück; und eine Steuerung zur Prozessbeobachtung, insbesondere zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln des Bearbeitungsprozesses, basierend auf dem erfassten Abstand.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zum Durchführen, insbesondere zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln, eines Laserbearbeitungsprozesses die Schritte: Richten eines Laserstrahls auf einen Bearbeitungspunkt (TCP) auf einem Werkstück; Erfassen eines Abstands zu mindestens einem Punkt auf dem Werkstück durch einen Dauerstrich-Lidar-Sensor, insbesondere wenigstens ein frequenzmodulierter Dauerstrich-Lidar-Sensor und/oder wenigstens ein amplitudenmodulierter Dauerstrich-Lidar-Sensor; und Durchführen, insbesondere Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln, des Laserbearbeitungsprozesses basierend auf dem erfassten Abstand. Der Schritt des Richtens des Laserstrahls auf das Werkstück und der Schritt des Erfassens des Abstandes können zeitlich in dieser Reihenfolge nacheinander, oder zeitlich in umgekehrter Reihenfolge nacheinander oder gleichzeitig erfolgen.
  • Die Steuerung des Laserbearbeitungssystems bzw. des Laserbearbeitungskopfs gemäß einem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann eingerichtet sein, das Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auszuführen.
  • In der vorliegenden Offenbarung wird als Prozessraum ein Raum bezeichnet, innerhalb dessen sich der Laserbearbeitungskopf relativ zum Werkstück bewegen kann, und insbesondere ein Raum, innerhalb dessen sich der Laserbearbeitungskopf relativ zum Werkstück während des Bearbeitungsprozesses und/oder entlang eines für den Bearbeitungsprozess vorgegebenen Bearbeitungspfads bewegen kann. Mit anderen Worten ist der Prozessraum bezüglich des Werkstücks definiert, d.h. das Werkstück ist im Prozessraum stationär. Als Erfassungsraum wird der Bereich bezeichnet, der durch den Lidar-Sensor erfasst werden kann bzw. in dem der Lidar-Sensor Objekte erfassen kann. Der Erfassungsraum ist ein Bereich des Prozessraums, d.h. der Erfassungsraum liegt im Prozessraum. Der Erfassungsraum kann definiert sein durch eine Anbauhöhe des Lidar-Sensors am Laserbearbeitungskopf und/oder einen Erfassungs- bzw. Öffnungswinkel des Lidar-Sensors. Als TCP-Bereich bzw.
  • Bearbeitungsbereich wird der Bereich bezeichnet, in den der Laserstrahl bezüglich des Laserbearbeitungskopfs gerichtet werden kann. Bei einem Festoptik-Laserbearbeitungskopf kann dies lediglich der Strahlverlauf des aus dem Laserbearbeitungskopf ausgetretenen Laserstrahls sein, d.h. eine Linie, die den TCP (tool center point, auch Bearbeitungspunkt genannt) bzw. den Fokuspunkt des Laserstrahls umfasst. Bei einem Scanner-Laserbearbeitungskopf kann dies ein kegelartiger Raum sein, der durch die Strahlauslenkungseigenschaften der Scannervorrichtung bestimmt ist. Hingegen bezeichnet ein TCP-Umgebungsbereich einen Bereich auf dem Werkstück, der den TCP umgibt, z.B. mit einem Radius von 15 cm oder 10 cm oder 5 cm um den Bearbeitungspunkt bzw. TCP.
  • Die vorliegende Offenbarung beschäftigt sich also mit der Abstandsmessung und/oder dreidimensionalen (3D) Bildgebung für die Laserbearbeitung, insbesondere für das Laserschneiden und Laserschweißen, und/oder für die Remote-Laserbearbeitung, insbesondere für das Remote-Laserschneiden und Remote-Laserschweißen, mittels mindestens einem Dauerstrich-Lidar-Sensors (Lidar: light detection and ranging, auch bekannt als LaDAR, laser detection and ranging). Der Dauerstrich-Lidar-Sensor kann auch als cw-Lidar-Sensor bezeichnet werden. Im Gegensatz zu einem gepulsten Lidar-Sensor oder einem ToF-Sensor sendet der Dauerstrich-Lidar-Sensor kontinuierlich Licht aus. Der Dauerstrich-Lidar-Sensor kann insbesondere eine Lidar-Kamera sein, wodurch eine flächige bzw. 3D Erfassung möglich wird. Bei dem Dauerstrich-Lidar-Sensor können speziell die beiden Untergruppen der AMCW-Lidar-Sensoren (amplitude-modulated continous wave, auch bekannt als indirektes time-of-flight, iToF) und FMCW-Lidar-Sensoren (frequency-modulated continous wave) zum Einsatz kommen.
  • Vorzugsweise kann ein TCP-Umgebungsbereich vermessen werden, d.h. ein Bereich auf dem Werkstück, der den TCP umgibt, z.B. mit einem Radius < 20cm um den Bearbeitungspunkt bzw. TCP. Dies ermöglicht eine Prozessbeobachtung, die für eine Prozesssteuerung und/oder -regelung verwendet werden kann. Dreidimensionale Information können beispielsweise vom Schnittspalt und/oder der Schneidfront beim Laserschneiden, bzw. von der Schweißnaht und/oder dem Schmelzbad und/oder dem Keyhole beim Laserschweißen gewonnen werden, sowie optional auch von der jeweils angrenzenden Materialoberfläche. Es kann also Information vor, während und/oder nach dem Prozess (Pre-Process, In-Process, Post-Process) aufgenommen und als Vorbereitung, Prozessregelung und Qualitätsanalyse verwendet werden.
  • Regelparameter können beispielsweise wie unten erläutert die Laserfokuslage, die Laserleistung, die Neigung, und/oder der Vorschub sein.
  • Bei einem Laserbearbeitungskopf mit Ablenkvorrichtung bzw. Scannervorrichtung kann insbesondere ein TCP-Bereich bzw. Bearbeitungsbereich vermessen werden, der beispielsweise über die maximale Ablenkung des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene definiert ist. Die maximale Ablenkung kann dabei über die eingesetzten Ablenkoptiken bzw. Scanelemente gegeben sein. Durch Aufnahme von Topografiedaten kann eine präzise Bestimmung der Bauteilgeometrie erreicht werden, so dass Bereiche identifiziert werden können, wo der Laserstrahl das Material prozessieren soll. Außerdem kann eine Prozessbeobachtung für die Prozessregelung oder die Prozessanalyse, beispielsweise zur Feststellung der Fokuslage oder der Schweißnahttiefe, ermöglicht werden.
  • Das erfindungsgemäße Laserbearbeitungssystem bzw. das erfindungsgemäße Verfahren bietet durch die enorme Vielseitigkeit des Lidar-Sensors bei einmaliger Implementierung sehr umfangreiche Möglichkeiten der Prozessbeobachtung. Zudem erlaubt der Einsatz eines Dauerstrich-Lidar-Sensors eine Auflösung im sub-Millimeter Bereich, vorzugsweise eine Auflösung zwischen 0,05 mm und <1,0 mm.
  • Das Laserbearbeitungssystem bzw. das Verfahren gemäß einem der oben aufgeführten Aspekte kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:
    • Der Laserbearbeitungskopf kann ein Laserbearbeitungskopf zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses, insbesondere zum Laserschneiden, Laserschweißen, Laserauftragsschwei-ßen, Laserlöten, Laserbohren etc., an dem Werkstück mittels des Laserstrahls sein. Der Laserbearbeitungskopf kann ein Scanner-Laserbearbeitungskopf sein, d.h. der Laserbearbeitungskopf kann eine Scannervorrichtung mit zumindest einem Scannerelement zum Ablenken des Laserstrahls in zumindest einer Richtung, vorzugsweise in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen, senkrecht zu einer Strahlausbreitungsrichtung umfassen. Die Scannervorrichtung bzw. das Scannerelement kann einen um zumindest eine Achse schwenkbaren Spiegel (Scannerspiegel) umfassen. Im Falle eines Scanner-Laserbearbeitungskopfs bezieht sich die Achse des Strahlengangs des Laserstrahls bzw. der Strahlengang des Laserstrahls auf die „neutrale“ Scannerstellung (x=0, y=0), d.h. auf den unausgelenkten Strahlengang. Der Laserbearbeitungskopf kann eine Fokussieroptik aufweisen. Eine optische Achse der Fokussieroptik verläuft in der Regel identisch bzw. koaxial zur Achse des Strahlengangs des Laserstrahls bzw. zum Strahlengang des Laserstrahls. Im Falle eines Scanner-Laserbearbeitungskopfs kann die Fokussieroptik ein F-Theta Objektiv sein.
  • Die Optik kann eine Kollimationsoptik zum Kollimieren des Laserstrahls und/oder eine Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls umfassen. Die Optik kann hierbei eines oder mehrere optische Elemente umfassen, z.B. eine Linse, eine Linsengruppe, einen Spiegel, einen Strahlteiler, ein Strahlumlenker, einen Ablenk- bzw. Scannerspiegel, etc..
  • Der Laserbearbeitungskopf kann mehrere Lidar-Sensoren umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Lidar-Sensor mehrere Detektoren und/oder mehrere Emitter umfassen.
  • Der Lidar-Sensor ist eingerichtet, einen Abstand zu mindestens einem Punkt auf dem Werkstück bzw. auf der Werkstückoberfläche zu erfassen. Der Abstand kann bezüglich des Laserbearbeitungskopfs und/oder bezüglich des Lidar-Sensors und/oder bezüglich irgendeiner anderen Referenz, z.B. bezüglich eines weiteren Messpunkts auf der Werkstückoberfläche, erfasst werden. Der Lidar-Sensor kann eingerichtet sein, das Werkstück an einem einzelnen Punkt oder in einem Bereich zu vermessen. Der Lidar-Sensor kann eingerichtet sein, ein Raster von Punkten auf dem Werkstück zu vermessen. Eine flächige Vermessung des Werkstücks bzw. eine dreidimensionale Bildgebung kann beispielsweise erzielt werden, wenn der Lidar-Sensor als Lidar-Kamera ausgebildet ist. Der Lidar-Sensor kann eingerichtet sein bzw. so am Laserbearbeitungskopf angeordnet sein, um zumindest einen Abstand innerhalb eines Bearbeitungsbereichs des Laserbearbeitungskopfs auf dem Werkstück und/oder innerhalb eines TCP-Umgebungsbereichs, beispielsweise mit einem Radius von 20 cm, 15 cm oder 10 cm oder 5 cm um den TCP, auf dem Werkstück zu vermessen. Mit anderen Worten kann der Lidar-Sensor für eine dreidimensionale Bildgebung und/oder dreidimensionale Erfassung eines Bearbeitungsbereichs des Laserbearbeitungskopfs und/oder innerhalb eines TCP-Umgebungsbereichs eingerichtet sein. Insbesondere kann der Lidar-Sensor eingerichtet sein, einen Bereich auf der Werkstückoberfläche mit einer Auflösung im sub-Millimeter Bereich zu vermessen.
  • Der Lidar-Sensor umfasst wenigstens einen Emitter zum Aussenden von Messlicht und/oder zum Beleuchten des Werkstücks und/oder zum Beleuchten des Erfassungsraums. Der Lidar-Sensor umfasst ferner wenigstens einen Detektor zum Erfassen von Rückreflexen des Messlichts. Der Emitter und der Detektor können zusammen, z.B. in einem Sensorgehäuse oder Sensormodul, angeordnet sein. Mit anderen Worten können der Emitter und der Detektor einen (nahezu) identischen oder koaxialen Strahlengang aufweisen, d.h. der Beleuchtungsstrahlengang bzw. -strahlverlauf und der Detektionsstrahlengang bzw. -strahlverlauf können identisch oder koaxial sein. Alternativ können der Emitter und der Detektor räumlich getrennt voneinander angeordnet sein. Beispielsweise können der Beleuchtungsstrahlengang bzw. - strahlverlauf und der Detektionsstrahlengang bzw. -strahlverlauf vollständig oder zumindest teilweise voneinander getrennt sein. Pro Detektor können mehrere Emitter vorgesehen sein, oder auch mehrere Detektoren pro Emitter.
  • In einem Beispiel kann der zumindest eine Emitter außerhalb des Gehäuses angeordnet sein, z.B. an der Unterseite des Gehäuses, und ein Strahlengang des Detektors zumindest teilweise im Gehäuse verlaufen.
  • Der Emitter kann für eine möglichst homogene Belichtung des Werkstücks eingerichtet sein. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Emittern ringartig um eine Achse des Strahlengangs des Laserstrahls bzw. um eine optische Achse der Fokussieroptik angeordnet sein und/oder jeweils eine optische Achse aufweisen, die bezüglich der Achse des Strahlengangs des Laserstrahls bzw. der optischen Achse der Fokussieroptik geneigt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Emitter in gleichen Winkelabständen mit konstantem Radius von der Achse des Strahlengangs des Laserstrahls bzw. der optischen Achse der Fokussieroptik angeordnet.
  • In dieser Offenbarung bezeichnet ein Strahlengang des Lidar-Senors einen Strahlverlauf vom Emitter auf das Werkstück und vom Werkstück zum Detektor. Ein Strahlengang des Emitters bezeichnet den Strahlverlauf vom Emitter auf das Werkstück und ein Strahlengang des Detektors bezeichnet den Strahlverlauf vom Werkstück zum Detektor.
  • Der Detektor und/oder der Emitter, oder der Lidar-Sensor kann im Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Im Falle eines Scanner-Laserbearbeitungskopfs kann der Detektor und/oder der Emitter oder der Lidar-Sensor kann einen Strahlengang aufweisen, der über die Scannervorrichtung geführt ist bzw. verläuft. Mit anderen Worten kann der Erfassungsraum des Detektors bzw. des Lidar-Sensors mittels der Scannervorrichtung über das Werkstück geführt bzw. gerastert werden. Die einzelnen Bilder können durch die Steuerung bzw. computergestützt zusammengefügt werden. Der Detektor und/oder der Emitter, oder der Lidar-Sensor kann einen Strahlengang aufweisen, der zumindest teilweise oder vollständig koaxial zu dem Strahlengang des Laserstrahls verläuft. Dies ermöglicht den Einblick in den TCP-Bereich unter steilem Winkel.
  • Der Detektor und/oder der Emitter, oder der Lidar-Sensor kann beispielsweise an einem Laserstrahl-Eintrittsport, d.h. einem Eintrittsport zum Einkoppeln des Laserstrahls in den Laserbearbeitungskopf, oder an einer Faserbuchse des Laserbearbeitungskopfs angeordnet sein. Die Faserbuchse kann eingerichtet sein, eine Lichtleitfaser zu halten, um den in der Lichtleitfaser geführten Laserstrahl in den Laserbearbeitungskopf einzukoppeln.
  • Der Laserbearbeitungskopf kann einen Strahlteiler umfassen, um einen Strahlengang des Detektors und/oder des Emitters oder des Lidar-Sensors mit dem Strahlengang des Laserstrahls zu koppeln. Mit anderen Worten kann ein Strahlengang des Detektors und/oder des Emitters oder des Lidar-Sensors mittels eines Strahlteilers in den Strahlengang des Laserstrahls eingekoppelt bzw. aus dem Strahlengang des Laserstrahls ausgekoppelt werden. Somit kann der Strahlengang des Detektors und/oder des Emitters oder des Lidar-Sensors teilweise koaxial mit dem Strahlengang des Laserstrahls verlaufen. In diesem Fall kann eine Austrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfs bzw. eine Austrittsöffnung einer Düse des Laserbearbeitungskopfs einen messbaren Bereich auf der Werkstückoberfläche bzw. den Erfassungsraum begrenzen. Da die Austrittsöffnung typischerweise wesentlich größer ist als der TCP-Bereich, ist trotzdem ein wesentlicher Bereich auf der Werkstückoberfläche abgedeckt.
  • Der Detektor und/oder der Emitter, oder der Lidar-Sensor kann außen am Gehäuse angebracht sein. Beispielsweise kann der Detektor und/oder der Emitter oder der Lidar-Sensor an einer Unterseite des Gehäuses und/oder an einer gefasten Kante des Gehäuses und/oder an einem am Gehäuse montierten Stativ angeordnet sein. Dies ermöglicht den Einblick in den TCP-Bereich unter einem flachen Winkel. Zusätzlich oder alternativ kann im Strahlengang des Emitters und/oder des Detektors ein Spiegel mittels einer Halterung am Laserbearbeitungskopf angebracht sein, um den Strahlengang in einem flachen Winkel zur Werkstückoberfläche zu führen (sogenannter gefalteter Strahlengang).
  • In einem Beispiel kann der Detektor einen Strahlengang aufweisen, der zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses und/oder koaxial mit dem Strahlengang des Laserstrahls verläuft, und der Emitter kann einen Strahlengang aufweisen, der vollständig außerhalb des Gehäuses verläuft.
  • Der Detektor und/oder der Emitter oder der Lidar-Sensor kann einen Strahlengang aufweisen, der vollständig außerhalb des Gehäuses verläuft. In einem Beispiel kann der Lidar-Sensor an einer Unterseite des Gehäuses angebracht sein. In einem anderen Beispiel kann der Lidar-Sensor über eine stativartige Halterung außen am Gehäuse, d.h. beabstandet vom Gehäuse, angebracht sein.
  • Ein Winkel und/oder eine Ausrichtung des Detektors und/oder des Emitters kann einstellbar sein, insbesondere manuell, motorisch, oder mittels eines Aktuators einstellbar sein. Der Detektor und/oder der Emitter kann auf einem Piezoelement angeordnet sein, um einen Winkel und/oder eine Ausrichtung und/oder eine Neigung des Detektors bzw. des Emitters einzustellen. Mit anderen Worten kann ein Winkel zwischen dem Werkstück und einer Mittelachse des Erfassungsraums (bzw. einer optischen Achse) des Detektors und/oder einer Mittelachse eines Beleuchtungsraums (bzw. einer optischen Achse) des Emitters mittels des Piezoelements einstellbar sein. Dadurch kann ein Einblick in den Bearbeitungsbereich bzw. TCP-Umgebungsbereich aus verschiedenen Blickwinkeln ermöglicht werden.
  • Im Strahlengang des Lidar-Sensors bzw. des Detektors und/oder des Emitters, beispielsweise zwischen einem Strahlteiler zum Ein- bzw. Auskoppeln in bzw. aus dem Strahlengang des Laserstrahls, und dem Lidar-Sensor bzw. dem Detektor und/oder Emitter kann eine Strahlformungsoptik angeordnet sein. Die Strahlformungsoptik kann außerhalb des Strahlengangs des Laserstrahls angeordnet sein. Die Strahlformungsoptik kann ein diffraktives optisches Element oder einen räumlichen Lichtmodulator umfassen. Insbesondere kann im Strahlengang des Lidar-Sensors bzw. des Detektors und/oder Emitters eine aktive Strahlformungsoptik angeordnet sein, die eingerichtet ist, einen Erfassungswinkel des Lidar-Sensors bzw. des Detektors bzw. einen Beleuchtungswinkel (Divergenzwinkel des Messlichts) des Emitters einzustellen. Die aktive Strahlformungsoptik kann in Kombination mit einer Fokussieroptik des Laserbearbeitungskopfs eine Teleskopanordnung bilden. Auf diese Weise kann die Größe eines durch den Lidar-Sensor bzw. den Detektor erfassbaren Bereichs einstellbar sein und/oder verschiedene Messraster realisiert werden.
  • Der Lidar-Sensor bzw. der Detektor kann zumindest eine Photodiode, ein Diodenarray, einen CMOS Sensor, zumindest eine Avalanche-Photodiode etc. umfassen. Der Lidar-Sensor bzw. der Emitter kann eine Strahlquelle, insbesondere eine Laserstrahlquelle, einen Halbleiterlaser, ein Strahlquellenaray, ein Laserstrahlquellenarray, zumindest eine LED, ein LED-Array, zumindest ein VCSEL, ein VCSEL-Array etc. umfassen. Der Emitter bzw. die Strahlquelle kann eine Laserstrahlquelle oder ein Strahlquellenarray im sichtbaren, nahinfraroten oder infraroten Frequenzbereich sein.
  • Der Lidar-Sensor kann ferner eine Strahlformungsoptik umfassen, beispielsweise einen Diffusor, ein diffraktives Element, ein Weitwinkelobjektiv oder eine Modulationsoptik.
  • Eine Wellenlänge des Laserstrahls zur Bearbeitung des Werkstücks (auch Bearbeitungslaserstrahl genannt) kann von der Wellenlänge bzw. von dem Wellenlängenbereich des Messlichts bzw. des Lidar-Sensors bzw. des Emitters verschieden sein. Der Lidar-Sensor kann einen Filter bzw. spektralen Filter umfassen, der bei einer Wellenlänge des Laserstrahls zur Bearbeitung des Werkstücks blockiert. Denn aufgrund der hohen Intensität des Laserstrahls sollte dessen Rückreflex nicht zum Lidar-Sensor gelangen. Gleichzeitig kann durch einen Filter, z.B. einem Polarisationsfilter, der Rückreflex des Messlichts, so gefiltert werden, dass möglichst unpolarisierte Reflektion des Messlichts auf den Sensor gelangt. Vorzugsweise ist eine Wellenlänge bzw. ein Wellenlängenbereich des Messlichts bzw. des Lidar-Sensors bzw. des Emitters in Abhängigkeit von dem Bearbeitungsprozess und/oder dem Werkstückmaterial gewählt, beispielsweise sodass das Messlicht möglichst wenig von optischen Elementen im Strahlengang des Lidar-Sensors bzw. des Emitters absorbiert oder reflektiert wird, und/oder sodass Reflektions- bzw. Absorptionseigenschaften für unterschiedliche Materialien recht ähnlich sind, bspw. 1550 nm.
  • Alternativ kann der Laserstrahl zur Bearbeitung des Werkstücks dieselbe Wellenlänge aufweisen wie das Messlicht bzw. der Lidar-Sensor bzw. der Emitter, insbesondere wenn die Erfassung durch den Lidar-Sensor und die Bearbeitung durch den Laserstrahl zeitlich getrennt abläuft. Hierdurch kann die Gefahr für chromatische Aberration reduziert werden, da die Optik des Laserbearbeitungskopfs für gewöhnlich auf die Wellenlänge des Laserstrahls ausgelegt ist.
  • Der Lidar-Sensor kann ferner zum Schutz vor Verschmutzung, z.B. durch Schmauch oder Spritzer, ein Schutzglas und/oder eine Crossjet-Vorrichtung zur Erzeugung eines Luftvorhangs umfassen.
  • Der Lidar-Sensor oder der Emitter und/oder der Detektor kann schwenkbar und/oder verschiebbar am Gehäuse angebracht sein, sodass eine Lage des Erfassungsraums und/oder der optischen Achse des Lidar-Sensors bzw. des Emitters bzw. des Detektors einstellbar ist. Der Lidar-Sensor oder der Emitter und/oder der Detektor kann um eine Achse schwenkbar sein, die senkrecht zur optischen Achse der Fokussieroptik und/oder horizontal und/oder parallel zu einer Seite des Gehäuses verläuft. Mit anderen Worten kann ein Abstrahl- und/oder Erfassungswinkel des Lidar-Sensors bzw. des Emitters bzw. des Detektors einstellbar sein. Der Lidar-Sensor oder der Emitter und/oder der Detektor kann parallel zur optischen Achse der Fokussieroptik und/oder in vertikaler Richtung am Gehäuse verschiebbar sein. Mit anderen Worten kann eine Anbauhöhe des Lidar-Sensors bzw. des Emitters bzw. des Detektors einstellbar sein, insbesondere manuell, motorisch, oder mittels eines Aktuators. Die Anbauhöhe und der Abstrahl- bzw. Erfassungswinkel des Lidar-Sensors bzw. des Detektors sind für die Größe des Erfassungsraums und insbesondere für die Größe eines Messbereichs entscheidend.
  • Das Gehäuse kann eine Führung, z.B. eine Schiene, umfassen, entlang der der Lidar-Sensor oder der Emitter und/oder der Detektor verschiebbar ist. Eine Kante des Gehäuses, z.B. eine untere Kante, und/oder eine Ecke des Gehäuses, z.B. eine untere Ecke, kann eine Fase bzw. eine abgeschrägte Fläche aufweisen, an bzw. auf der der Lidar-Sensor oder der Emitter und/oder der Detektor angebracht ist.
  • Der Lidar-Sensor oder der Emitter und/oder der Detektor kann eine Halterung umfassen. Der Lidar-Sensor oder der Emitter und/oder der Detektor kann in der Halterung aufgenommen sein. Die Halterung kann schwenkbar und/oder verschiebbar und/oder lösbar und/oder drehbar am Gehäuse angebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Emitter und/oder der Detektor schwenkbar und/oder verschiebbar in der Halterung angeordnet sein. Der Lidar-Sensor oder der Emitter und/oder der Detektor kann motorisch und/oder automatisiert um eine Achse senkrecht zur optischen Achse der Fokussieroptik und/oder um eine horizontale Achse schwenkbar sein.
  • Der Lidar-Sensor oder der Emitter und/oder der Detektor kann bezüglich einer Mittelachse des Laserbearbeitungskopfs nach innen bzw. zu einer optischen Achse der Optik, insbesondere einer Fokussieroptik, hin ausgerichtet sein. Eine optische Achse des Lidar-Sensors bzw. eine Mittelachse des Erfassungsraums (d.h. die Mittelachse, die durch den Lidar-Sensor führt und/oder den Erfassungswinkel in gleiche Teile teilt) kann einen Winkel ungleich 0° bzw. 180°, d.h. vorzugsweise einen Winkel kleiner 90°, mit einer optischen Achse einer Fokussieroptik des Laserbearbeitungskopfs einschließen.
  • Alternativ kann der Lidar-Sensor oder der Emitter und/oder der Detektor bezüglich einer Mittelachse des Laserbearbeitungskopfs nach außen bzw. von einer optischen Achse der Optik, insbesondere einer Fokussieroptik, weg gerichtet sein. In diesem Fall kann im Strahlengang des Lidar-Sensors oder des Emitters und/oder des Detektors ein Spiegel mittels einer Halterung am Laserbearbeitungskopf angebracht sein, um den Strahlengang in den TCP-Bereich bzw. in den TCP-Umgebungsbereich zu richten.
  • Der Erfassungsraum des Lidar-Sensors kann den Bearbeitungspunkt (TCP) enthalten. Alternativ kann der TCP außerhalb des Erfassungsraums des Lidar-Sensors liegen. Der Erfassungsraum des Lidar-Sensors kann den Bearbeitungspunkt (TCP) sowie einen TCP-Umgebungsbereich enthalten. Der TCP-Umgebungsbereich kann als Bereich auf dem Werkstück innerhalb eines Radius von 20 cm, 15 cm oder von 10 cm oder von 5 cm um den TCP definiert sein. Der Erfassungsraum des Lidar-Sensors kann zumindest teilweise innerhalb des TCP-Bereichs liegen und/oder einen Bereich der Werkstückoberfläche umfassen. Der Erfassungsraum des Lidar-Sensors kann auch vollständig innerhalb des TCP-Bereichs liegen. Der Erfassungsraum des Lidar-Sensors kann durch den Erfassungswinkel des Lidar-Sensors und durch das Werkstück bzw. die Werkstückoberfläche begrenzt sein. Der Erfassungsraum des Lidar-Sensors kann (zumindest teilweise) im Vorlauf und/oder Nachlauf des Laserbearbeitungskopfs angeordnet sein, und/oder seitlich vom Laserbearbeitungskopf. Im Vorlauf des Laserbearbeitungskopfs liegt ein zu bearbeitender Bereich des Werkstücks (z.B. eine Fügekante), im Nachlauf liegt ein schon bearbeiteter Bereich des Werkstücks (z.B. eine Schweißnaht oder Schnittkante).
  • Die Steuerung kann eingerichtet sein, basierend auf dem erfassten Abstand zumindest einen Prozessparameter einzustellen. Der Prozessparameter kann ausgewählt sein aus: Bearbeitungsgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit (d.h. Relativgeschwindigkeit zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstück), Laserleistung, Laserleistungsmodulation, Puls-An-Zeit, Puls-Aus-Zeit, Pulsspitzenleistung, Fokuslage des Laserstrahls, Position des Laserstrahls, Abbildungsverhältnis der optischen Elemente des Laserbearbeitungskopfs (d.h. beispielsweise im Strahlengang des Laserstrahls), Einstrahlwinkel des Laserstrahls auf das Werkstück, einen Winkel eines Scannerelements zum Ablenken des Laserstrahls, und Druck eines Prozessgases.
  • Die Steuerung kann eingerichtet sein, basierend auf dem erfassten Abstand bzw. auf den erfassten Abständen zumindest einen der folgenden Parameter des Bearbeitungsprozesses zu bestimmen bzw. zu vermessen: eine Bauteilgeometrie, eine Position einer Schneidfront, eine Position einer Schnittkante, einen Schneidfrontwinkel, eine Schneidfrontlänge, eine Keyhole-Tiefe, eine Keyhole-Topografie, eine Keyhole-Stabilität, eine Schweißnahtposition, eine Schweißnahtgeometrie, eine Fügekante zwischen zwei zu verschweißenden Werkstücken, einen Schnittspaltverschluss, eine Spritzerbildung, ein Durchmesser eines Einstechlochs, eine Auswurfhöhe eines Einstechlochs, ein Auswurfdurchmesser eines Einstechlochs, eine Einstechtiefe und einen Durchstich. Basierend darauf kann das Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln des Laserbearbeitungsprozesses erfolgen und/oder eine Bearbeitungsqualität bestimmt und/oder Prozessparameter angepasst bzw. eingestellt werden.
  • Die Steuerung kann eingerichtet sein, basierend auf dem erfassten Abstand bzw. auf den erfassten Abständen einen Defekt im Bearbeitungsbereich, insbesondere einen Defekt des Werkstücks bzw. der Werkstücke oder einen Defekt einer Werkstückhalterung bzw. einer Spannvorrichtung, zu erkennen, wie z.B. einen kaputten Niederhalter, abstehende Kontaktdrähte, Wölbungen oder sonstige mechanische Veränderung abseits der Norm.
  • Die Steuerung kann eingerichtet sein, basierend auf dem durch den Lidar-Sensor erfassten Signal einen Verschmutzungsgrad der Optik zu bestimmen.
  • Der Lidar-Sensor kann eine laterale Auflösung von weniger als 1,0 mm, vorzugsweise von weniger als 0,5 mm, insbesondere zwischen 0,005 und 1,0 mm, aufweisen. Der Lidar-Sensor kann eingerichtet sein, seinen Erfassungsraum mit verschiedenen (lateralen und/oder axialen) Auflösungen zu erfassen. Mit anderen Worten kann eine (laterale und/oder axiale) Auflösung des Lidar-Sensors einstellbar sein. Die Steuerung kann eingerichtet sein, eine (laterale und/oder axiale) Auflösung des Lidar-Sensors einzustellen.
  • Der Laserbearbeitungskopf kann ein Modul umfassen, das den zumindest einen Lidar-Sensor oder den zumindest einen Emitter enthält und das lösbar am Gehäuse befestigt ist. Das Modul kann koaxial am Gehäuse befestigt sein. Das Modul kann eine Öffnung für den Strahlengang des Laserstrahls aufweisen, d.h. um den Laserstrahl mittig hindurchtreten zu lassen. Das Modul kann zwischen dem Gehäuse und einer Düse oder an einer Unterseite des Gehäuses anbringbar sein. Das Modul kann eine Schnittstelle umfassen, um Daten von dem Lidar-Sensor bzw. von dem Detektor an eine externe Steuerung oder Recheneinheit zu übermitteln. Das Modul kann ein elektronisches Bauteil, beispielsweise eine Modulsteuerung und/oder eine Lidar-Steuerung zum Steuern des zumindest einen Lidar-Sensors bzw. des Emitters und ggf. weiterer Komponenten des Moduls, umfassen. Die Modulsteuerung bzw. Lidar-Steuerung kann auf Basis von FPGA programmiert sein. Das Modul kann einen Gas-Anschluss für eine Crossjet-Vorrichtung umfassen. Das Modul kann eine Unterkante mit einer Fase bzw. eine abgeschrägte Unterkante und/oder eine abgeschrägte Ecke umfassen, auf der zumindest einer der Lidar-Sensoren oder der Emitter angeordnet ist.
  • Der Emitter und/oder der Detektor, oder der Lidar-Sensor kann an einer gefasten, dem Bearbeitungspunkt zugewandten Kante bzw. Unterkante des Gehäuses oder des Moduls angeordnet sein. Alternativ kann der Emitter und/oder der Detektor, oder der Lidar-Sensor kann an einer gefasten, vom Bearbeitungspunkt abgewandten Kante bzw. Unterkante des Gehäuses oder des Moduls angeordnet sein, wobei mittels einer Spiegelanordnung der Strahlengang in den Bearbeitungsbereich des Laserbearbeitungskopfs und/oder in den TCP-Umgebungsbereich gerichtet wird. Die Spiegelanordnung kann stativartig am Gehäuse oder am Modul befestigt sein. Ein Winkel der Spiegelanordnung kann einstellbar sein.
  • Das Modul kann mehrere, insbesondere zumindest vier, Lidar-Sensoren umfassen, die ringsum die optische Achse der Fokussieroptik angeordnet sind. Das Modul oder zumindest ein Teil davon kann motorisch oder händisch drehbar am Gehäuse befestigt sein.
  • Die Steuerung kann zum Steuern des zumindest einen Lidar-Sensors und/oder zum Auswerten von Daten des zumindest einen Lidar-Sensors eingerichtet sein. Die Steuerung kann eingerichtet sein, aus den erfassten Daten des zumindest einen Lidar-Sensors ein Abstandssignal zu erzeugen. Die Steuerung kann eingerichtet sein, zur Verstärkung des Signal-zu-Rausch (SNR)-Verhältnisses das Lock-in Verfahren zu verwenden. Dabei kann das durch den Detektor erfasste Signal mit der Amplituden- bzw. Frequenz-Modulationsperiode moduliert werden, und entsprechend dazu korrelierte Rückreflexe vom Hintergrund des Laserstrahls über Fourieranalyse gefiltert werden. Die Steuerung kann mit einer externen Steuerung oder Recheneinheit (drahtgebunden oder drahtlos) zum unidirektionalen oder bidirektionalen Austausch von Daten verbunden sein, oder in diese integriert sein.
  • Eine Vielzahl von Lidar-Sensoren oder eine Vielzahl von Emittern und/oder eine Vielzahl von Detektoren kann ringartig um den Strahlengang des Laserstrahls und/oder um eine optische Achse der Fokussieroptik herum und/oder mit variabler Neigung zum TCP angeordnet sein. Ein Ringmittelpunkt kann auf einer Achse des Strahlengangs und/oder auf der optischen Achse der Fokussieroptik liegen. Vorzugsweise sind die Lidar-Sensoren oder Emitter oder Detektoren in gleichen Winkelabständen mit konstantem Radius um den TCP und/oder um den Strahlengang des Laserstrahls und/oder um die optische Achse der Fokussieroptik herum angeordnet. Die Vielzahl von Lidar-Sensoren oder von Emittern und/oder von Detektoren kann radial, vorzugsweise in gleichmäßigen Winkelsegmenten bzw. -abständen, um die Faserbuchse bzw. den Laserstrahl-Eintrittsport des Laserbearbeitungskopfs oder auf einer Unterseite des Gehäuses angeordnet sein. Die einzelnen Lidar-Sensoren oder Emitter und/oder Detektoren können hierbei gleiche oder voneinander verschiedene Neigungswinkel bezüglich des Strahlengangs des Laserstrahls bzw. bezüglich einer optischen Achse der Fokussieroptik aufweisen. Die Neigungswinkel der Lidar-Sensoren bzw. Emitter bzw. Detektoren können einstellbar sein, beispielsweise manuell, motorisch, oder mittels eines Aktuators etwa mittels Piezoelementen. Der Neigungswinkel der Lidar-Sensoren bzw. Emitter bzw. Detektoren ist hier zu einer optischen Achse der Lidar-Sensoren bzw. Emitter bzw. Detektoren und/oder zu einer Mittelachse des Erfassungsraums bzw. des Beleuchtungsraums definiert. Dies ermöglicht den Einblick in den TCP-Bereich unter steilem Winkel und/oder aus verschiedenen um den TCP angeordneten Blickwinkeln.
  • Eine Vielzahl von Lidar-Sensoren oder von Emittern und/oder von Detektoren kann (z.B. motorisch oder händisch) drehbar um den Strahlengang des Laserstrahls und/oder um eine optische Achse der Fokussieroptik am Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Dadurch kann bei jeglicher Bearbeitungskontur von hinten in Vorschubrichtung der TCP bzw. der Bearbeitungsbereich, beispielsweise die Schneidfront, betrachtet werden.
  • Wenn sich die Erfassungsräume der Lidar-Sensoren überlappen, können die Lidar-Sensoren mit überlappenden Erfassungsräumen für unterschiedliche Wellenlängen(bereiche) empfindlich sein. Beispielsweise können vor den Detektoren der Lidar-Sensoren mit überlappenden Erfassungsräumen Filter für unterschiedliche Wellenlängen(bereiche) angeordnet sein, und/oder die Emitter der Lidar-Sensoren mit überlappenden Erfassungsräumen können in verschiedenen Wellenlängen(bereichen) emittieren. Die Lidar-Sensoren mit überlappenden Erfassungsräumen können auch alternierend angesteuert werden, z.B. durch eine gemeinsame Lidar-Steuerung der Lidar-Sensoren, die auch die Steuerung des Laserbearbeitungskopfs sein oder in dieser integriert sein kann. Mit anderen Worten können diese Lidar-Sensoren so angesteuert werden, dass sich ihre Erfassungszeiträume und/oder ihre Emissions- bzw. Beleuchtungszeiträume nicht überlappen.
  • Die Steuerung kann eingerichtet sein, einen Abstand des Laserbearbeitungskopfs zur Werkstückoberfläche, z.B. entlang der optischen Achse der Fokussieroptik, zu bestimmen. Der Lidar-Sensor kann somit auch verwendet werden, um den Abstand der Schneiddüse zur Blechoberseite oder zu seitlich liegenden Konturen zu vermessen. So könnte eine kapazitive Abstandssensorik in absoluten Einheiten kalibriert oder gar ersetzt werden.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
    • 1a und 1b schematische Darstellungen des Laserbearbeitungskopf mit wenigstens einem Lidar-Sensor, dessen Strahlengang im Gehäuse des Laserbearbeitungskopfs verläuft, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung;
    • 2a und 2b schematische Darstellungen des Laserbearbeitungskopfs mit wenigstens einem Lidar-Sensor, der außerhalb des Gehäuses des Laserbearbeitungskopf angeordnet sind, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung;
    • 3a und 3b schematische Darstellungen des Laserbearbeitungskopfs mit getrennt angeordneten Detektoren und Emittern eines Lidar-Sensors, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung;
    • 4a eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfs mit einem über eine stativartige Halterung am Gehäuse befestigten Lidar-Sensor, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
    • 4b eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfs mit einem über eine stativartige Halterung am Gehäuse befestigten Detektor und einem Emitter, der außerhalb des Gehäuses des Laserbearbeitungskopfs angeordnet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
    • 5a und 5b schematische Darstellungen des Laserbearbeitungskopf, wobei wenigstens ein Lidar-Sensor an einer gefasten Unterkante einer Sensorhalterung angeordnet sind, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung;
    • 6a bis 6d verschiedene Anordnungen von Detektoren und Emittern von Lidar-Sensoren, die auf einer Unterseite des Gehäuses des Laserbearbeitungskopfs angeordnet sind, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung;
    • 7a eine schematische Darstellung einer Abstandsmessung durch wenigstens einen Lidar-Sensor beim Laserschneiden, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
    • 7b eine schematische Darstellung einer Abstandsmessung durch wenigstem einen Lidar-Sensor beim Laserschweißen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; und
    • 8 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
  • Ausführliche Beschreibung der Figuren
  • Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Diese Erfindung soll die Topografie des Prozessbereiches, wie etwa der Schneidfront oder dem Schweißbad, mittels einer oder mehrerer Lidar-Sensoren, beispielsweise Lidar-Kameras, dreidimensional vermessen. Dabei kann Information über einen Abstand zu zumindest einen Punkt auf dem Werkstück präzise vermessen werden, um den Bearbeitungsprozess zu beobachten, insbesondere zu überwachen und/oder zu steuern bzw. zu regeln. Beispielsweise kann basierend auf einem erfassten Abstand zumindest ein Prozessparameter, wie etwa eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Vorschubgeschwindigkeit, eine Laserleistung, eine Fokuslage des Laserstrahls, eine Position des Laserstrahls, ein Einstrahlwinkel des Laserstrahls auf das Werkstück, ein Winkel eines Scanelements zum Ablenken des Laserstrahls, und ein Druck eines Prozessgases festgelegt bzw. bestimmt werden.
  • 1 bis 5 zeigen einen Laserbearbeitungskopf 1, zum Beispiel zum Laserschneiden oder Laserschweißen, mit einer Faserbuchse bzw. einem Laserstrahl-Eintrittsport 30, durch die bzw. den ein Laserstrahl 3 in das Gehäuse 2 eingekoppelt wird. Anschließend wird der Laserstrahl 3 durch eine Kollimationsoptik 20 kollimiert und darauffolgend durch eine Fokussieroptik 9 fokussiert. Der fokussierte Laserstrahl 3 trifft, nachdem der fokussierte Laserstrahl 3 durch eine Austrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfs, beispielsweise von einer Düse 8 des Laserbearbeitungskopfs, aus dem Laserbearbeitungskopf 1 austritt, auf das Werkstück 4 und bildet auf dem Werkstück 4 einen Bearbeitungspunkt oder TCP 5. In dem Bearbeitungspunkt 5 wird das Werkstück aufgeschmolzen, um beispielsweise eine Schneidfuge in einem Werkstück 4 oder eine Schweißnaht zwischen zwei Werkstücken 4 auszubilden. Ferner ist am Laserbearbeitungskopf 1 ein Dauerstrich-Lidar-Sensor 11, 11a, 11b angeordnet, der wenigstens einen Abstand zu einem Punkt auf dem Werkstück misst bzw. erfasst. Der Lidar-Sensor kann als frequenzmodulierter oder amplitudenmodulierter Dauerstrich-Lidar-Sensor ausgebildet sein. Der Abstand zum Werkstück kann mit Bezug auf den Lidar-Sensor 11 oder den Laserbearbeitungskopf 2, insbesondere mit Bezug auf eine Unterseite des Gehäuses 2 oder eine Unterseite einer Düse 8, erfasst werden. Alternativ kann die Messung durch mindestens einen weiteren Messpunkt referenziert werden. Hierbei wird die Tiefeninformation nicht absolut, sondern relativ zu diesem sogenannten Triggermesspunkt bestimmt. Der Triggermesspunkt kann auf der Werkstückoberfläche liegen oder durch die Öffnung der Düse 8 gegeben sein.
  • 1 bis 5 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen eines Laserbearbeitungskopfs 1, die beliebig miteinander kombiniert werden können. In 1a, 1b, 2a, 2b, 4a, 5a und 5b sind verschiedene Anordnungen von wenigstens einem Lidar-Sensor 11 am Laserbearbeitungskopf 1 gezeigt, der wenigstens einen Emitter und wenigstens einen Detektor in einer gemeinsamen Anordnung (nur als Sensor 11 dargestellt) umfasst. In 3a, 3b und 4b sind verschiedene Anordnungen von wenigstens einem Lidar-Sensor am Laserbearbeitungskopf 1 gezeigt, bei dem der wenigstens eine Emitter 11a und der wenigstens eine Detektor 11b getrennt voneinander angeordnet sind. Bei dem Lidar-Sensor 11 mit gemeinsam angeordnetem Detektor und Emitter können der Strahlengang des Emitters (auch Beleuchtungsstrahlengang genannt) und der Strahlengang des Detektors (auch Detektionsstrahlengang genannt) weitgehend identisch verlaufen, d.h. die optischen Achsen des Emitters und des Detektors können parallel oder sogar koaxial verlaufen. Bei dem Lidar-Sensor 11 mit getrennt angeordnetem Detektor und Emitter kann beispielsweise der Strahlengang des Emitters außerhalb des Gehäuses und der Strahlengang des Detektors im Gehäuse verlaufen. Die Ausrichtung des Lidar-Sensors 11 bzw. des Emitters 11a und/oder des Detektors 11b kann einstellbar sein, insbesondere manuell, motorisch, oder mittels eines Aktuators, z.B. eines Piezoelements.
  • Weiter weist der Laserbearbeitungskopf 1 eine Steuerung 100 zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln des Bearbeitungsprozesses basierend auf dem wenigstens einen erfassten Abstand auf. Die Steuerung kann ein Verfahren zur Durchführung eines Laserbearbeitungsprozesses durchführen. In dem Verfahren wird der Laserstrahls 3 auf den Bearbeitungspunkt 5 auf dem Werkstück 4 gerichtet und ein Abstand zu mindestens einem Punkt auf dem Werkstück 4 durch den Lidar-Sensor 11 erfasst. Der Lidar-Sensor 11 kann Daten während des Bearbeitungsprozesses erfassen, oder auch vor bzw. nach dem Bearbeitungsprozess. Der Lidar-Sensor 11 kann einen Abstand zu einem oder mehreren Punkten im Vorlauf zum Bearbeitungspunkt 5 (Pre-Prozess: z.B. an einer Fügekante), am Bearbeitungspunkt 5 (In-Prozess: z.B. im Keyhole) oder im Nachlauf zum Bearbeitungspunkt 5 (Post-Prozess: z.B. auf einer Schweißnaht) erfassen. Das heißt, der wenigstens eine Punkt auf dem Werkstück 3, zu dem der Abstand bestimmt wird, kann beispielsweise den Bearbeitungspunkt 5 und/oder einen Punkt in der Schneidfuge bzw. auf der Schweißnaht 6 und/oder einen Punkt in einem noch zu bearbeitendem Bereich auf dem Werkstück umfassen. Der Lidar-Sensor 11 kann auch eine Fläche auf dem Werkstück im Vorlauf zum Bearbeitungspunkt, um den Bearbeitungspunkt oder im Nachlauf zum Bearbeitungspunkt erfassen. Anschließend kann der Laserbearbeitungsprozess basierend auf dem erfassten Abstand überwacht und/oder gesteuert werden. Daten von einem noch zu bearbeitenden Bereich des Werkstücks, d.h. von einem Bereich des Werkstücks im Vorlauf, und/oder von einem Bereich um den Bearbeitungspunkt 5 können zur Steuerung bzw. Regelung des Bearbeitungsprozesses verwendet werden. Daten von einem schon bearbeiteten Bereich des Werkstücks, d.h. von einem Bereich des Werkstücks im Nachlauf, können zur Prozessüberwachung, insbesondere zur Qualitätsbestimmung, und/oder zur Regelung verwendet werden.
  • Die einzelnen Anordnungen bzw. Kombinationen des wenigstens einen Lidar-Sensors und/oder des wenigstens einen Emitters 11a und Detektors 11b im oder am Gehäuse des Laserbearbeitungskopfs 1, die in den 1 bis 5 dargestellten sind, können beliebig miteinander kombiniert werden und sind daher keinesfalls als einschränkend anzusehen.
  • 1a zeigt mehrere Lidar-Sensoren 11, die um die Faserbuchse bzw. den Laserstrahl-Eintrittsport 30 an einer oberen Seite des Gehäuses 2 des Laserbearbeitungskopfs 1 angeordnet sind. Die Lidar-Sensoren 11 können im Kreis bzw. ringartig (vorzugsweise mit gleichmäßigen Abständen voneinander) um die Faserbuchse 30 und/oder den Laserstrahl-Eintrittsport und/oder um den Strahlengang des Laserstrahls 3 angeordnet sein. Es kann auch nur ein Lidar-Sensor 11 neben der Faserbuchse 30 und/oder neben dem Strahlengang des Laserstrahls 3 angeordnet sein. Der Lidar-Sensor 11 ist eingerichtet, Abstände zu Punkten bzw. Objekten in einem Erfassungsraum 111 zu erfassen. Der Strahlengang des Lidar-Sensors 11 verläuft hier im Inneren des Gehäuses 2 durch die Kollimationsoptik 20 und die Fokussieroptik 9. Der Strahlengang des Lidar-Sensors 11 kann parallel, möglicherweise sogar koaxial, zum Strahlengang des Laserstrahls 3 verlaufen.
  • 1b zeigt einen Lidar Sensor 11, dessen Strahlengang über einen Strahlteiler 40 in den Strahlengang des Laserstrahls 3 eingekoppelt ist. Der Strahlengang des Lidar-Sensors 11 verläuft über den Strahlteiler 40, beispielsweise einen dichroitischen Spiegel, und die Fokussieroptik 9 und tritt anschließend aus dem Laserbearbeitungskopf aus. Mit anderen Worten wird der Strahlengang des Lidar-Sensors 11 durch den Strahlteiler 40 mit dem Strahlengang des Laserstrahls 3 gekoppelt. Der Strahlengang des Lidar-Sensors 11 verläuft hier im Inneren des Gehäuses 2 strecken- bzw. abschnittsweise parallel, möglicherweise sogar koaxial, zum Strahlengang des Laserstrahls 3.
  • Bei den in 1a und 1b gezeigten Anordnungen wird der messbare Bereich durch die Austrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfs 1 bzw. der Düse 8 begrenzt. Da aber die Austrittsöffnung üblicherweise wesentlich größer ist als der Bearbeitungsbereich, ist trotzdem ein wesentlicher Teil der Werkstückoberfläche abgedeckt.
  • 2a zeigt mehrere Lidar-Sensoren 11, die auf einer Unterseite des Gehäuses 2 angeordnet sind. Die Lidar-Sensoren 11 können im Kreis bzw. ringartig (vorzugsweise mit gleichmäßigen Abständen voneinander) um den Strahlengang des Laserstrahls 3 bzw. um die optische Achse der Fokussieroptik 9 angeordnet sein. Die Lidar-Sensoren 11 können insbesondere ringsum eine Düse 8 des Laserbearbeitungskopfs auf einer Außenfläche des Gehäuses 2 angeordnet sein, an dem die Düse 8 befestigt ist. Der Strahlengang der Lidar-Sensoren 11 verläuft vollständig außerhalb des Gehäuses 2. Auf diese Weise können optische Fehler, z.B. chromatische Aberration, durch optische Elemente vermieden werden. Die Lidar-Sensoren 11 können schwenkbar am Gehäuse 2 befestigt sein, z.B. um eine horizontale Achse bzw. um eine Achse, die senkrecht auf der optischen Achse des Lidar-Sensors 11 und/oder auf der optischen Achse der Fokussieroptik 9 steht. Beispielsweise kann durch ein Piezoelement eine Ausrichtung des Lidar-Sensors 11 einstellbar sein. Es kann natürlich auch nur ein Lidar-Sensor 11 auf der Unterseite des Gehäuses 2 angeordnet sein.
  • 2b zeigt mehrere Lidar-Sensoren 11, deren Strahlengang ebenfalls vollständig außerhalb des Gehäuses 2 des Laserbearbeitungskopf 1 verläuft. Die Lidar-Sensoren 11 können im Kreis bzw. ringartig (vorzugsweise mit gleichmäßigen Abständen voneinander) um den Strahlengang des Laserstrahls 3 bzw. um die optische Achse der Fokussieroptik 9 angeordnet sein. Im Unterschied zu 2a sind die Lidar-Sensoren 11 in 2b in einem Modul 50 angeordnet, das lösbar am Gehäuse 2 befestigt ist, beispielsweise an einer Unterseite des Gehäuses 2 oder zwischen dem Gehäuse 2 und der Düse 8. Die Sensoranordnung des Moduls 50 kann drehbar sein, z.B. um eine optische Achse der Fokussieroptik 9 bzw. um den Strahlengang des Laserstrahls 3. Beispielsweise kann die Sensoranordnung des Moduls 50 durch eine motorische Einheit des Moduls gedreht werden. Eine Drehachse kann koaxial zur optischen Achse der Fokussieroptik 9 verlaufen. Zusätzlich oder alternativ können die Lidar-Sensoren 11 schwenkbar am Modul 50 befestigt sein, z.B. um eine horizontale Achse bzw. um eine Achse, die senkrecht auf der optischen Achse des Lidar-Sensors 11 und/oder auf der optischen Achse der Fokussieroptik 9 steht. Beispielsweise kann die Ausrichtung eines Lidar-Sensors 11 durch ein Piezoelement einstellbar sein.
  • 3a zeigt mehrere Lidar-Sensoren, bei denen Emitter 11a und Detektor 11b getrennt angeordnet sind. Beispielsweise können die Emitter 11a außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sein bzw. einen Strahlengang aufweisen, der vollständig außerhalb des Gehäuses 2 verläuft. Die Detektoren 11b können hingegen einen Strahlengang aufweisen, der innerhalb des Gehäuses 2 verläuft, bzw. können innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sein. Die Emitter 11a können entsprechend den Lidar-Sensoren 11 von 2a und 2b angeordnet sein. Die Detektoren 11b können entsprechend den Lidar-Sensoren 11 von 1a angeordnet sein.
  • 3b zeigt ebenfalls mehrere Lidar-Sensoren, bei denen Emitter 11a und Detektor 11b getrennt angeordnet sind. Wiederum können die Emitter 11a außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sein bzw. einen Strahlengang aufweisen, der vollständig außerhalb des Gehäuses 2 verläuft, und die Detektoren 11b können einen Strahlengang aufweisen, der innerhalb des Gehäuses 2 verläuft, bzw. können innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sein. Die Emitter 11a können entsprechend den Lidar-Sensoren 11 von 2a und 2b angeordnet sein. Die Detektoren 11b können entsprechend den Lidar-Sensoren 11 von 1b angeordnet sein, d.h. einen Strahlengang aufweisen, der mittels eines Strahlteilers 40 mit dem Strahlengang des Laserstrahls 3 gekoppelt ist.
  • Jeder Detektor 11b weist einen Erfassungsraum 111 auf, jeder Emitter 11a einen Beleuchtungsraum 114. Die Beleuchtungsräume 114 von verschiedenen Emittern 11a bzw. die Erfassungsräume von verschiedenen Detektoren 11b können voneinander getrennt sein oder sich überlappen. Ein Detektor 11b kann Rückreflexe von Licht von mehreren Emittern 11a empfangen. Daher kann auch nur ein Detektor 11b und mehrere Emitter 11a am Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Ebenso kann ein Emitter 11a das Werkstück für mehrere Detektoren 11b beleuchten. In diesem Fall kann nur ein Emitter 11a und mehrere Detektoren 11b am Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Selbstverständlich kann auch nur ein Emitter 11a und ein Detektor 11b am Laserbearbeitungskopf angeordnet sein.
  • 4a zeigt einen Lidar-Sensor 11, der am Gehäuse 2 durch eine stativartige Sensorhalterung 115 befestigt ist. Auf diese Weise kann der Lidar-Sensor 11 beabstandet vom Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Es können natürlich auch mehrere Lidar-Sensoren 11 auf solche Weise am Gehäuse 2 befestigt sein. Der Lidar-Sensor 11 kann schwenkbar an der Sensorhalterung 115 angeordnet sein, z.B. um eine horizontale Achse bzw. um eine Achse, die senkrecht auf der optischen Achse des Lidar-Sensors 11 und/oder auf der optischen Achse der Fokussieroptik 9 steht. Somit kann eine Ausrichtung des Lidar-Sensors 11 bzw. eine Ausrichtung der optischen Achse des Lidar-Sensors bzw. der Erfassungsraum 112 des Lidar-Sensors 11 einstellbar sein. Der Erfassungsraum 112 des Lidar-Sensors 11 wird durch den Erfassungswinkel 113 des Lidar-Sensors 11 und die Ausrichtung des Lidar-Sensors 11 bestimmt. Bei mehreren Lidar-Sensoren 11 können unterschiedliche Ausrichtungen eingestellt werden.
  • 4b zeigt einen Detektor 11b, der am Gehäuse 2 durch eine stativartige Sensorhalterung 115 befestigt ist. Es können natürlich auch mehrere Detektoren 11b auf solche Weise am Gehäuse 2 befestigt sein. Der Detektor 11b kann schwenkbar an der Sensorhalterung 115 angeordnet sein, z.B. um eine horizontale Achse bzw. um eine Achse, die senkrecht auf der optischen Achse des Lidar-Sensors 11 und/oder auf der optischen Achse der Fokussieroptik 9 steht. Ein oder mehrere Emitter 11a können außerhalb des Gehäuses 2, z.B. an einer Unterseite des Gehäuses 2, angeordnet sein. Die Emitter 11a können wie Lidar-Sensoren 11 in 2a und 2b angeordnet sein.
  • 5a und 5b zeigen Lidar-Sensoren 11, deren Strahlengänge außerhalb des Gehäuses 2 verlaufen. Die Lidar-Sensoren 11 sind an bzw. auf einer Fase 7, 7` angeordnet, die an einer Sensorhalterung 115 oder am Gehäuse 2 selbst, insbesondere an einer Unterkante des Gehäuses, ausgebildet ist. Die Fase 7, 7` bildet eine Fläche, die in einem Winkel zur optischen Achse der Fokussieroptik 9 bzw. zum Strahlengang des Laserstrahls 3 verläuft. Die Lidar-Sensoren 11 können an der Fase 7, 7` so angeordnet sein, dass eine optische Achse des jeweiligen Lidar-Sensors 11 bzw. eine Mittelachse des Erfassungsraum des jeweiligen Lidar-Sensors 11 im Wesentlichen senkrecht zur Fase 7, 7` ausgerichtet ist. Die Sensorhalterung 115 kann drehbar sein, d.h. um die optische Achse der Fokussieroptik 9 bzw. um den Strahlengang des Laserstrahls 3, oder aber auch fest mit dem Gehäuse 2 verbunden bzw. einstückig mit diesem ausgebildet sein. Die Fase 7, 7` kann auch direkt am Gehäuse 2 ausgebildet sein. Die Lidar-Sensoren 11 können an der Fase 7, 7`, beispielsweise durch Piezoelemente schwenkbar angeordnet sein, z.B. um eine horizontale Achse bzw. um eine Achse, die senkrecht auf der optischen Achse des Lidar-Sensors 11 und/oder auf der optischen Achse der Fokussieroptik 9 steht, sodass eine Ausrichtung der Lidar-Sensoren 11 einstellbar ist.
  • In 5a ist die Fase 7 nach innen gerichtet, d.h. dem Strahlengang des Laserstrahls 3 bzw. der optischen Achse der Fokussieroptik 9 zugewandt. Mit anderen Worten ist die Fase 7 so ausgerichtet, dass der Strahlengang der Lidar-Sensoren 11 direkt (d.h. ohne Strahlumlenkungsmittel) in Richtung des Bearbeitungspunkts 5 ausgerichtet ist. Es können auch wenigstens ein Emitter 11a und/oder wenigstens ein Detektor 11b an der einwärts gerichteten Fase 7 angeordnet sein.
  • Die Fase 7` in 5b ist nach außen gerichtet, d.h. vom Strahlengang des Laserstrahls 3 bzw. der optischen Achse der Fokussieroptik 9 abgewandt. Hier kann ein Spiegel 116 vorgesehen sein, um den Strahlengang des auf der Fase 7` angeordneten Lidar-Sensors 11 in Richtung des Bearbeitungspunkts 5 auszurichten. Der Spiegel 116 kann schwenkbar sein, um den Erfassungsraum 111 des Lidar-Sensors 11 einzustellen. Auf diese Weise kann der Bearbeitungsbereich in unterschiedlichen Winkeln erfasst werden. Es können auch wenigstens ein Emitter 11a und/oder wenigstens ein Detektor 11b an der auswärts gerichteten Fase 7` angeordnet sein. Wie in 5b gezeigt ist, können auch eine einwärts gerichtete Fase 7 und eine auswärts gerichtete Fase 7` am Gehäuse 2 bzw. an der Sensorhalterung 115 vorgesehen sein, auf denen jeweils zumindest ein Lidar-Sensor 11 bzw. zumindest ein Detektor 11b oder ein Emitter 11a angeordnet ist.
  • 6a bis 6d zeigen Emitter 11a und Detektoren 11b, die in verschiedener Anzahl und unterschiedlicher Anordnung auf einer Unterseite des Gehäuses 2 angeordnet sind. Die Emitter 11a und Detektoren 11b können auch an dem Modul 50, wie zu 2b beschrieben, angeordnet sein, das beispielsweise zwischen dem Gehäuse 2 und der Düse 8 am Laserbearbeitungskopf 1 befestigt ist. Die Emitter 11a und Detektoren 11b können auch auf der Fase 7 oder 7` des Gehäuses 2 oder der Sensorhalterung 115, wie zu 5a und 5b beschrieben, angebracht sein. Auch wenn das Gehäuse 2 in dieser Offenbarung mit einer rechteckigen Grundform dargestellt wird, kann das Gehäuse im Querschnitt auch eine runde oder jede andere Form aufweisen.
  • 6a zeigt eine Unterseite des Gehäuses 2, an der eine Vielzahl von Emittern 11a (hier: vier) und eine Vielzahl von Detektoren 11b (hier: vier) angeordnet sind. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die konkrete in der Figur gezeigte Anzahl beschränkt. Die Emitter 11a sind jeweils in gleichem Abstand von einem Mittelpunkt der Unterseite bzw. von dem Strahlengang des Laserstrahls 2 bzw. von der optischen Achse der Fokussieroptik 9 angeordnet, wobei sich jeweils zwei Emitter 11a gegenüberliegen. Die Detektoren 11b sind ebenfalls jeweils in gleichem Abstand von einem Mittelpunkt bzw. von dem Strahlengang des Laserstrahls 2 bzw. von der optischen Achse der Fokussieroptik 9 angeordnet, wobei sich jeweils zwei Detektoren 11b gegenüberliegen. Die Emitter 11a und die Detektoren 11b sind alternierend angeordnet, d.h. zwischen zwei Emittern 11a ist ein Detektor angeordnet. Bei einem rechteckigen Querschnitt des Gehäuses 2 können die Emitter 11a jeweils in den Seitenmitten und die Detektoren 11b in den Ecken angeordnet sein. Die Detektoren 11b können einen grö-ßeren Abstand zum Strahlengang des Laserstrahls 3 als die Emitter 11a aufweisen.
  • 6b zeigt eine Unterseite des Gehäuses 2, an der eine Vielzahl von Emittern 11a (hier: acht) und eine Vielzahl von Detektoren 11b (hier: vier) angeordnet sind. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die konkrete in der Figur gezeigte Anzahl beschränkt. Die Emitter 11a sind entlang einer Kreislinie um einen Mittelpunkt der Unterseite bzw. um den Strahlengang des Laserstrahls 2 bzw. um die optische Achse der Fokussieroptik 9 angeordnet. Die Detektoren 11b sind ebenfalls jeweils in gleichem Abstand von einem Mittelpunkt bzw. von dem Strahlengang des Laserstrahls 2 bzw. von der optischen Achse der Fokussieroptik 9 angeordnet, wobei sich jeweils zwei Detektoren 11b gegenüberliegen. Die Detektoren 11b können jeweils an einer Ecke des Gehäuses 2 angeordnet sein. Die Detektoren 11b können einen größeren Abstand zum Strahlengang des Laserstrahls 3 als die Emitter 11a aufweisen.
  • 6c zeigt eine Unterseite des Gehäuses 2, an der eine Vielzahl von Emittern 11a (hier: vier) und eine Vielzahl von Detektoren 11b (hier: vier) angeordnet sind. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die konkrete in der Figur gezeigte Anzahl beschränkt. Die Emitter 11a und die Detektoren 11b sind j eweils auf einer Kreislinie um den Strahlengang des Laserstrahls 3 bzw. um die optische Achse der Fokussieroptik 9 angeordnet. Die Kreislinie, entlang der die Emitter 11a angeordnet sind, kann einen anderen Radius (größer oder kleiner) als die Kreislinie aufweisen, entlang der die Detektoren 11b angeordnet sind. Die Emitter 11a und die Detektoren 11b können auch auf derselben Kreislinie angeordnet sein.
  • 6d zeigt eine Unterseite des Gehäuses 2, an der eine Vielzahl von Emittern 11a (hier: acht) und ein Detektor 11b angeordnet sind. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die konkrete in der Figur gezeigte Anzahl beschränkt. Die Emitter 11a sind entlang einer Kreislinie um den Strahlengang des Laserstrahls 3 bzw. um die optische Achse der Fokussieroptik 9 angeordnet. Der Detektor 11b ist entlang einer Seitenkante des Gehäuses 2 ausgebildet. Beispielsweise weist der Detektor 11b eine rechteckige Form auf und ist symmetrisch zu einem Mittelpunkt der Seitenkante des Gehäuses 2 angeordnet.
  • Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Dauerstrich-Lidar-Sensors können je nach Prozessart unterschiedliche Probleme gelöst werden. Dabei kann die durch den Sensor erlangte Information zur Regelung der Prozessparameter, insbesondere der Vorschubgeschwindigkeit, Laserleistung, Fokuslage des Laserstrahls, Zuführung etwaiger Schutz- oder Brenngase oder des Einstrahlwinkels des Laserstrahls, verwendet werden.
  • 7a zeigt einen Vorgang beim Laserschneiden, d.h. beim Ausbilden einer Schneidfuge 6 im Werkstück 4. Oben ist eine Aufsicht auf das Werkstück 4 und den Bearbeitungspunkt 5 gezeigt, unten eine Schnittansicht entlang der Achse AB. Die 7a zeigt ein Abtastraster 112 von wenigstens einem Lidar-Sensor 11 und/oder wenigstens einem Detektor 11b gemäß irgendeiner der oben beschriebenen Anordnungen. Die einzelnen Messpunkte des Abtastraster 112 (gepunktet dargestellt) können einen gleichmäßigen und/oder unregelmäßigen Abstand aufweisen.
  • Beim Laserschneiden kann beispielsweise die Schneidfront entweder an einzelnen Punkten oder mit einem Raster vermessen werden, so dass ein etwaiges Abreißen der Schneidfront durch Regelung der genannten Prozessparameter verhindert werden kann. Es kann sowohl der Schneidfrontwinkel als auch die -neigung und -länge vermessen werden. Beim Brennschneiden kann insbesondere ein etwaiger Schnittspaltverschluss durch die Schlacke im Nachlauf detektiert werden. Beim Schmelzschneiden kann etwaige Spritzerbildung auf der Blechoberseite im Nachlauf detektiert und zur Qualitätsanalyse registriert werden. Beim Einstechen (auch bekannt als Piercing) in das Werkstück kann der Einstich-Fortschritt bzw. die Einstechtiefe gemessen werden. In dieser Anwendung muss der genaue Abstand nicht zwingend bekannt sein, sondern es kann auch lediglich ein Mindestabstand, der durch die Materialstärke gegeben ist, bekannt sein. Überschreitet der gemessene Wert den vorgegebenen Mindestwert, kann das so gewertet werden, dass das Einstechen abgeschlossen ist. Des Weiteren kann auch die Intensität des erfassten Rückreflexes gemessen werden, um eine Aussage über das Durchstechen zu treffen.
  • 7b zeigt einen Vorgang beim Laserschweißen, d.h. beim Ausbilden einer Schweißnaht zwischen zwei Werkstücken 4. Oben ist eine Aufsicht auf das Werkstück 4 und den Bearbeitungspunkt 5 gezeigt, unten eine Schnittansicht entlang der Achse CD. Die 7b zeigt Abtastraster 112 von wenigstens einem Lidar-Sensor 11 und/oder wenigstens einem Detektor 11b gemäß irgendeiner der oben beschriebenen Anordnungen. Die einzelnen Messpunkte des Abtastrasters 112 (gepunktet dargestellt) können einen gleichmäßigen Abstand aufweisen, diese können jedoch auch einen unregelmäßigen Abstand aufweisen.
  • Beim Laserschweißen kann die Keyhole-Tiefe, -topografie, -stabilität und/oder -fluktuation an einem oder mehreren einzelnen Punkten oder mit einem Raster vermessen werden, so dass eine Qualitätsbeurteilung der Schweißnaht In-Prozess („in-process“) ermöglicht wird. Ein Abweichen kann zur Regelung der Prozessparameter führen und/oder zu einer nachgelagerten Reparatur. Außerdem kann im Vorlauf („pre-process“) die Nahtposition und/oder -geometrie vermessen werden. Im Nachlauf („post-process“) kann die Naht bzw. eine Nahttopograhpie vermessen werden. Beispielsweise kann die Geometrie, die periodische Welligkeit, die Lage, die Schuppung der Naht, die Nahtoberraupe, Nahtporen, Nahtfehler und/oder Nahtrisse bestimmt werden. Die Auftragsraupengeometrie beim Laserauftragsschweißen kann auch dreidimensional vermessen werden.
  • In 7a und 7b ist ein Teil des Abtastrasters 112 auf die Schneidfuge 6 im Werkstück 4 bzw. auf die Schweißnaht 6 auf dem Werkstück 4 gerichtet (Post-Prozess Bereich), ein zweiter Teil des Abtastrasters 112 umfasst den Bearbeitungspunkt 5 und/oder die Schneidfront 51 bzw. das Keyhole 51 (In-Prozess Bereich) und ein dritter Teil des Abtastrasters ist auf einen noch unbearbeiteten Bereich des Werkstücks 4 gerichtet (Pre-Prozess Bereich). Selbstverständlich kann das Abtastraster 112 auch nur einen oder zwei dieser Bereiche umfassen. Der Lidar-Sensor bzw. Detektor kann derart ausgerichtet sein, dass das Abtastraster 112 einen TCP-Umgebungsbereich mit einem vorgegebenen Radius um den Bearbeitungspunkt bzw. TCP 5 umfasst. Der Radius kann beispielsweise 15 cm, 10cm oder 5 cm betragen.
  • In 8 ist ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Das Verfahren kann durch die Steuerung 100 des oben gezeigten Laserbearbeitungskopfs 1 ausgeführt werden. In Schritt S100 wird der Laserstrahl 3 durch den Laserbearbeitungskopf 1 auf das Werkstück gerichtet, um den Bearbeitungsprozess, z.B. ein Laserschneiden oder -schweißen, durchzuführen. Vor, während oder nach dem Durchführen des Bearbeitungsprozesses wird in Schritt S200 ein Abstand zu mindestens einem Punkt auf dem Werkstück durch einen am Laserbearbeitungskopf 1 angeordneten Dauerstrich-Lidar-Sensor 11 erfasst bzw. gemessen. In Schritt 300 wird basierend auf diesem Abstand der Laserbearbeitungsprozess überwacht und/oder gesteuert. Die gewonnene Information bzw. die erfassten Abstände können mit vorhandenen Daten oder gewissen Zielgrößen verglichen und zur Entscheidungsfindung verwendet werden.
  • Das Überwachen des Laserbearbeitungsprozesses kann umfassen, eine Qualität des Bearbeitungsprozesses zu bestimmen, beispielsweise durch Vermessen des Bearbeitungsergebnisses, d.h. der Schweißnaht bzw. der Schneidfuge, mittels des Lidar-Sensors. Das Überwachen des Laserbearbeitungsprozesses kann auch umfassen, einen Zustand von Teilen des Laserbearbeitungskopfs 1 zu bestimmen. Beispielsweise kann durch eine Vermessung der Düse 8 Rückschlüsse auf deren Verschleiß- bzw. Verschmutzungszustand gezogen werden. Durch eine Intensitätsmessung der vom Lidar-Sensor 11 erfassten Rückreflexe kann ein Verschmutzungsgrad einer Optik, wie etwa eines Schutzglases, bestimmt werden.
  • Das Steuern und/oder Regeln des Laserbearbeitungsprozesses kann umfassen, basierend auf dem erfassten Abstand zumindest einen Prozessparameter einzustellen. Der Prozessparameter kann beispielsweise einer der folgenden sein: Bearbeitungsgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, Laserleistung, Fokuslage des Laserstrahls, Position des Laserstrahls, Einstrahlwinkel des Laserstrahls auf das Werkstück, einen Winkel eines Scannerelements zum Ablenken des Laserstrahls, und Druck eines Prozessgases. Das Steuern und/oder Regeln des Laserbearbeitungsprozesses kann auch umfassen, eine Mittenlage des Laserstrahls 3 bezüglich der Austrittsöffnung bzw. der Düse 8 zu bestimmen und/oder zu justieren.
  • Der Lidar-Sensor 11 kann als Abstandssensorik des Laserbearbeitungskopfs 1 verwendet werden, um einen Abstand zwischen dem Werkstück 4 und dem Laserbearbeitungskopf 1 zu bestimmen. Der Abstand zwischen dem Werkstück 4 und dem Laserbearbeitungskopf 1 kann für die Prozesssteuerung bzw. -regelung verwendet werden. In einer Ausführung kann mittels dieser Abstandsmessung eine kapazitive Abstandssensorik präzise kalibriert oder ersetzt werden.
  • Das Verfahren kann ferner das Bestimmen von Werkstückparametern umfassen, wie beispielsweise eines der folgenden Parameter: Bauteilgeometrie, Position einer Schneidfront, Position einer Schnittkante, Schneidfrontwinkel, Schneidfrontlänge, Schnittfugenbreite, Keyhole-Tiefe, Keyhole-Topografie, Keyhole-Stabilität, Schweißnahtposition, Schweißnahtgeometrie, Fügekante zwischen zwei zu verschweißenden Werkstücken, Schnittspaltverschluss, Spritzerbildung, Durchmesser eines Einstechlochs, Auswurfhöhe eines Einstechlochs, Auswurfdurchmesser eines Einstechlochs, Einstechtiefe und Durchstich. Diese Parameter können wiederum in Schritt S300 bei dem Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln des Bearbeitungsprozesses berücksichtigt werden.
  • Durch die enorme Vielseitigkeit des Dauerstrich-Lidar-Sensors können somit bei einmaliger und einfacher Implementierung von zumindest einem Sensor an einem Laserbearbeitungskopf sehr umfangreiche Möglichkeiten der Prozessbeobachtung bereitgestellt werden, wie etwa eine dreidimensionale Vermessung des Bearbeitungsbereichs.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Laserbearbeitungskopf
    2
    Gehäuse
    3
    Laserstrahl
    4
    Werkstück
    5
    Bearbeitungspunkt (TCP)
    51
    Keyhole
    6
    Schneidfuge und/oder Schweißnaht
    7, 7`
    Fase
    8
    Düse
    9
    Fokussieroptik
    11
    Lidar-Sensor
    11a
    Emitter
    11b
    Detektor
    111
    Erfassungsraum
    112
    Abtastraster
    113
    Erfassungswinkel
    114
    Beleuchtungsraum
    115
    Sensorhalterung
    116
    Spiegel
    20
    Kollimationsoptik
    30
    Faserbuchse
    40
    Strahlteiler
    50
    Modul
    100
    Steuerung
    S100
     
    S200
     
    S300
     
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 2829851 A1 [0005]
    • DE 102017201730 A1 [0006]
    • DE 102015015651 B3 [0007]
    • DE 102012212278 A1 [0008]

Claims (15)

  1. Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks (4) mittels eines Laserstrahls (3), umfassend: einen Laserbearbeitungskopf (1) mit einem Gehäuse (2), in dem mindestens eine Optik (9) zum Richten des Laserstrahls (3) auf einen Bearbeitungspunkt (5) auf dem Werkstück (4) angeordnet ist, und wenigstens einem frequenzmodulierten und/oder amplitudenmodulierten Dauerstrich-Lidar-Sensor (11) zum Erfassen eines Abstands zu mindestens einem Punkt auf dem Werkstück (4), wobei der Lidar-Sensor (11) einen Emitter (11a) und einen Detektor (11b) umfasst; und eine Steuerung (100) zum Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln des Bearbeitungsprozesses basierend auf dem erfassten Abstand.
  2. Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 1, wobei der Lidar-Sensor (11) eingerichtet ist, Abstände zu einer Vielzahl von Punkten auf dem Werkstück (4) innerhalb eines TCP-Umgebungsbereichs mit einem Radius von 20 cm um den Bearbeitungspunkt (5) und/oder innerhalb eines Bearbeitungsbereichs des Laserbearbeitungskopfs (1) zu vermessen.
  3. Laserbearbeitungssystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, die Steuerung (100) eingerichtet ist, basierend auf dem erfassten Abstand zumindest einen Prozessparameter einzustellen, wobei der zumindest eine Prozessparameter ausgewählt ist aus: Bearbeitungsgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, Laserleistung, Laserleistungsmodulation, Puls-An-Zeit, Puls-Aus-Zeit, Pulsspitzenleistung, Fokuslage des Laserstrahls, Position des Laserstrahls, Abbildungsverhältnis, Einstrahlwinkel des Laserstrahls auf das Werkstück, einen Winkel eines Scannerelements zum Ablenken des Laserstrahls, und Druck eines Prozessgases.
  4. Laserbearbeitungssystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei eine Ausrichtung des Detektors (11b) und/oder des Emitters (11a) einstellbar ist.
  5. Laserbearbeitungssystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Lidar-Sensoren (11) oder eine Vielzahl von Emittern (11a) und/oder eine Vielzahl von Detektoren (11b) ringartig und/oder drehbar um den Strahlengang des Laserstrahls (3) herum angeordnet ist.
  6. Laserbearbeitungssystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Emitter (11a) und/oder der Detektor (11b), oder der Lidar-Sensor (11) an einer gefasten, dem Bearbeitungspunkt (5) zugewandten Kante angeordnet ist.
  7. Laserbearbeitungssystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Emitter (11a) und/oder der Detektor (11b), oder der Lidar-Sensor (11) an einer gefasten, dem Bearbeitungspunkt (5) abgewandten Kante des Gehäuses (2) angeordnet ist und eine Spiegelanordnung (116) am Laserbearbeitungskopf (1) vorgesehen ist, um den jeweiligen Strahlengang in den Bearbeitungsbereich des Laserbearbeitungskopfs (1) und/oder in den TCP-Umgebungsbereich zu richten.
  8. Laserbearbeitungssystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Lidar-Sensor (11) oder der Detektor (11b) einen Strahlengang aufweist, der koaxial zu dem Strahlengang des Laserstrahls (3) ist.
  9. Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 8, wobei der Lidar-Sensor (11) oder der Detektor (11b) an einem Laserstrahl-Eintrittsport oder an einer Faserbuchse (30) des Laserbearbeitungskopfs (1) zum Einkoppeln des Laserstrahls (3) angeordnet ist.
  10. Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Strahlteiler und/oder einen Strahlumlenker zum Koppeln eines Strahlengangs des Lidar-Sensors (11) oder eines Strahlengangs des Detektors (11b) mit dem Strahlengang des Laserstrahls (3).
  11. Laserbearbeitungssystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Lidar-Sensor (11) oder der Emitter (11a) außen am Gehäuse (2) angebracht ist und/oder ein Strahlengang des Lidar-Sensors (11) oder des Emitters (11a) vollständig außerhalb des Gehäuses (2) verläuft.
  12. Laserbearbeitungssystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Lidar-Sensor (11) schwenkbar und/oder verschiebbar am Gehäuse (2) angebracht ist, sodass eine Lage des Erfassungsraums (111) und/oder die Mittelachse des Erfassungsraums (114) und/oder die optische Achse des Lidar-Sensors (1) einstellbar ist.
  13. Laserbearbeitungssystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Laserbearbeitungskopf (1) ein Modul (50) umfasst, das den zumindest einen Lidar-Sensor (11) enthält und an dem Gehäuse (2) lösbar befestigt ist, oder eine Sensorhalterung (115), um den zumindest einen Lidar-Sensor (11) in einem vorgegebenen Abstand vom Gehäuse (2) am Gehäuse (2) zu befestigen.
  14. Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses, umfassend die Schritte: Richten (S100) eines Laserstrahls (3) auf einen Bearbeitungspunkt (5) auf einem Werkstück (4) für den Laserbearbeitungsprozess; Erfassen (S200) eines Abstands zu mindestens einem Punkt auf dem Werkstück (4) durch einen frequenzmodulierten und/oder amplitudenmodulierten Dauerstrich-Lidar-Sensor (11); und Überwachen und/oder Steuern und/oder Regeln (S300) des Laserbearbeitungsprozesses basierend auf dem erfassten Abstand.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend: Bestimmen, basierend auf dem erfassten Abstand, zumindest eines der folgenden Parameter: eine Bauteilgeometrie, eine Position einer Schneidfront, eine Position einer Schnittkante, eine Schnittfugenbreite, ein Schneidfrontwinkel, eine Schneidfrontlänge, eine Keyhole-Tiefe, eine Keyhole-Topografie, eine Keyhole-Stabilität, eine Schweißnahtposition, eine Schweißnahtgeometrie, eine Fügekante zwischen zwei zu verschweißenden Werkstücken, ein Schnittspaltverschluss, eine Spritzerbildung, ein Durchmesser eines Einstechlochs, eine Auswurfhöhe eines Einstechlochs, ein Auswurfdurchmesser eines Einstechlochs, eine Einstechtiefe und ein Durchstich.
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