DE102011016519B4

DE102011016519B4 - Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls

Info

Publication number: DE102011016519B4
Application number: DE102011016519.3A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Lessmüller; Christian Truckenbrodt
Original assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Current assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2031-04-09
Also published as: DE102011016519A1

Abstract

Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (20) mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl (14), enthaltend
eine Bearbeitungsstrahlquelle (10, 12),
eine Überwachungskamera (24) zur Erzeugung eines elektronisch auswertbaren Bildes,
eine Auswerteinheit (36) zur Auswertung des Bildes,
eine Fokuslinse (18) zum Fokussieren des Bearbeitungsstrahls (14) auf eine Auftreffstelle (A) auf der Oberfläche des Werkstücks (20) und zum Fokussieren der Überwachungskamera (24) auf die Auftreffstelle (A),
eine Antriebsvorrichtung (32) zum Verschieben der Fokuslinse (18) senkrecht zu ihrer optischen Achse,
eine ortsauflösende Sensoreinrichtung zur Erzeugung von die Position einer Soll-Auftreffstelle (N) des Werkstücks (20) enthaltenden Daten, und
eine Einrichtung zum Zusammenführen dieser Daten mit dem von der Überwachungskamera (24) aufgenommenen, elektronisch auswertbaren Bild.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls.
Schweiß-, Schneid-, oder Trennbearbeitungen lassen sich mit auf eine Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks fokussierten hochenergetischen Bearbeitungsstrahlen, wie Elektronenstrahlen oder Laserstrahlen präzise durchführen. Dabei ist eine Online-Qualitätskontrolle der jeweiligen Bearbeitung durch elektronische Auswertung eines Bildes der Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück möglich. Voraussetzung für eine gute Qualitätskontrolle ist ein aussagekräftiges Bild der Auftreffstelle, wobei in vielen Anwendungsfällen die Ist-Auftreffstelle mit einer Soll-Auftreffstelle, beispielsweise einer Fuge zwischen zwei Werkstücken, übereinstimmen muss. Weiter besteht häufig die Notwendigkeit, für eine einwandfreie Qualitätskontrolle zusätzlich ein Bild der Auftreffstelle zu haben, das nicht durch Rückstreuung des Bearbeitungsstrahls erzeugt wird, sondern das durch Beleuchtung der Auftreffstelle mit einem auf die Auftreffstelle fokussierten Beleuchtungsstrahl erzeugt wird.
Aus der DE 20 2007 018 689 U1 ist ein System zur aktiven Nachregelung der Fokusposition bei Optiken für Hochleistungs-Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung bekannt, das einen Sensor zur Ermittlung der Fokusposition und einen Steuerrechner enthält, der die Sensordaten verarbeitet und daraus Korrekturdaten ermittelt, entsprechend denen zumindest Teile der Optik zur Veränderung der Fokusposition parallel zur optischen Achse verschoben werden.
Aus der WO 2011/009594 A1 ist ein Laserbearbeitungskopf mit einer Kamera mit einer vor der Kamera im Strahlengang angeordneten Abbildungsoptik zur Beobachtung eines Bearbeitungsbereiches eines mittels des Laserstrahls zu bearbeitenden Werkstückstücks bekannt. Eine Fokussieroptik dient zur Fokussierung des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche und eine Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, die Abbildungsoptik bei einer Veränderung ihrer Brennweite in Richtung ihrer optischen Achse zu verstellen, um das Kamerabild wieder scharf einzustellen. Eine Veränderung der Brennweite kann durch eine Erwärmung der Fokussieroptik verursacht werden.
Aus der DE 10 2009 057 209 A1 ist eine mit einer Scanner-Optik ausgestattete Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laser, insbesondere zum Laserschweißen, bekannt. Die Vorrichtung enthält einen mit der Scanner-Optik mitbeweglichen Bildsensor, der optisch in einen mit der Bearbeitungsposition auf dem Werkstück beginnenden Teilbereich des Strahlengangs der Scanner-Optik eingebunden ist, und mindestens einen mit der Scanner-Optik mitbeweglichen Projektor, der dazu dient, Messlicht in Form von Messstrukturen auf das zu bearbeitende Werkstück zu projizieren. Der Bildsensor ist empfindlich im Wellenlängenbereich des vom Projektor abgestrahlten Messlichts und auf der dem Strahlengang abgewandten Seite einer Ablenkungseinheit, die für den Wellenlängenbereich des vom Projektor abgestrahlten Lichts durchlässig ist und Licht des Wellenlängenbereiches des vom Bearbeitungslaser ausgestrahlten Lichts reflektiert, angeordnet.
Die EP 1 567 301 B1 beschreibt eine Bearbeitungsvorrichtung, bei der ein Bearbeitungsstrahl durch einen dichroitischen Spiegel hindurch auf eine Fokuslinse gelangt, die ihn auf eine Werkstückoberfläche fokussiert. Mittels des dichroitischen Spiegels wird in den Bearbeitungsstrahl von einer Lichtquelle eine Linie durch die Fokuslinse hindurch in geringem Abstand von der Auftreffstelle projiziert, um eine Leuchtmarke zu erzeugen. Die Leuchtmarke wird über einen Spiegel auf einen Bildwandler projiziert. Mit Hilfe des von dem Bildwandler erzeugten Bildes der Leuchtmarke kann die Bearbeitungsstelle längs eines Sollweges auf der Objektoberfläche bewegt werden. Dazu ist die Fokuslinse in einer Richtung parallel zur Werkstückoberfläche und in einer Richtung senkrecht zur Werkstückoberfläche verstellbar und ist die gesamte Vorrichtung um eine Achse schwenkbar. Der Beobachtungsstrahlengang von der Leuchtmarke zu dem Bildwandler ist schräg zum Strahlengang des Bearbeitungsstrahls, so dass die Form und Lage der Leuchtmarke, die von der Geometrie einer zu verschweißenden Fügekante abhängt, durch eine Veränderung beispielsweise des Auftreffwinkels des Beobachtungsstrahlengangs auf die Werkstückoberfläche verändert wird. Wenn die Fokuslinie sich infolge einer Erhitzung durch die hohe Leistung des Bearbeitungsstrahls verformt, führt dies dazu, dass sich die Leuchtmarke sowohl hinsichtlich ihrer Position verschiebt als auch hinsichtlich ihrer Geometrie verändert, so dass der Bearbeitungsstrahl entsprechend der veränderten Leuchtmarke nachgeführt wird, obwohl die Lage der Fügekante unverändert geblieben ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls zu schaffen, die bei einfacher Durchführung gute Voraussetzungen für eine Qualitätskontrolle der Bearbeitung des Werkstücks ermöglicht.
Eine Lösung der vorgenannten Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 erzielt.
Die Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 wird mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 6 in vorteilhafter Weise weitergebildet.
Die Erfindung ermöglicht durch die Bewegung einer von dem Bearbeitungsstrahl oder dem Beleuchtungsstrahl durchstrahlten Linse eine gesteuerte Verschiebung der Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück bzw. der vom Beleuchtungsstrahl beleuchteten Stelle des Werkstücks längs der Oberfläche des Werkstücks, wodurch eine Online-Nachführung des Bearbeitungsstrahls entsprechend einem vorgegebenen Bearbeitungsweg auf der Oberfläche des Werkstücks bzw. eine Nachführung des Beleuchtungsstrahls derart, dass die Auftreffstelle beleuchtet wird, möglich ist. Die Steuerung der Bewegung erfolgt bevorzugt durch elektronische Auswertung eines ortsauflösenden Bildes eines Bereiches der Werkstückoberfläche, der die Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls sowie ggfs. zusätzlich das Beleuchtungsfeld eines Beleuchtungsstrahls und/oder eine Soll-Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls als zu bearbeitende Stelle des Werkstücks enthält. Zusätzlich ermöglicht die Erfindung eine Überwachung der Qualität der Bearbeitung des Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In den Figuren stellen dar:

1 eine Prinzipansicht einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls,
2 eine abgeänderte Ausführungsform einer Bearbeitungsvorrichtung, und
3 eine weitere Ausführungsform einer Bearbeitungsvorrichtung, die nicht alle beanspruchten Merkmale zeigt.

1 zeigt schematisch in Seitenansicht eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls.
Im dargestellten Beispiel wird aus einer Lichtleiterfaser 10 austretendes hochenergetisches Laserlicht von einem Kollimator, beispielsweise einer Kollimatorlinse, in einen vorzugsweise zumindest annähernd parallelen Bearbeitungsstrahl 14 umgewandelt. Der Bearbeitungsstrahl 14 wird von einem vorzugsweise dichroitischen Spiegel 16 vorzugsweise parallel zur optischen Achse O einer Fokuslinse 18 reflektiert. In der Brennebene der Fokuslinse 18 befindet sich ein mit dem Bearbeitungsstrahl 14 zu bearbeitendes Werkstück 20. Nach Durchtritt durch die Fokuslinse 18 wird der Bearbeitungsstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks 20 fokussiert bzw. gebündelt und trifft in einer Auftreffstelle A auf das Werkstück auf.
Auf der von der Fokuslinse 18 abgewandten Seite des Spiegels 16 befindet sich eine Optik 22 einer insgesamt mit 24 bezeichneten Überwachungskamera mit einem Sensorfeld 26 zur Aufnahme eines elektronisch speicherbaren und auswertbaren Bildes. Die Überwachungskamera 24 ist derart ausgerichtet, dass ihre optische Achse O mit der Mittellinie M des vom Spiegel 16 zur Fokuslinse 18 hin gespiegelten Bearbeitungsstrahls zusammenfällt. Die Optik 22 ist derart eingestellt, dass paralleles einfallendes Licht auf das Sensorfeld 26 fokussiert wird.
Die Fokuslinse 18 ist innerhalb einer ortsfesten Halterung 30 mittels einer Antriebsvorrichtung 32 senkrecht zur Mittellinie M bzw. optischen Achse O bewegbar.
An der Halterung 30 ist eine Zielführungskamera 34 mit integrierter Lichtquelle zum Beleuchten der Oberfläche des Werkstücks 20 montiert. Die Zielführungskamera 34 enthält eine Bildplatte bzw. ein Sensorfeld zum Aufnehmen eines elektronisch auswertbaren, ortsauflösenden Bildes der Werkstückoberfläche.
Zur Auswertung und Steuerung der verschiedenen Vorrichtungen dient eine elektronische Auswert- und Steuereinheit 36, deren Eingänge 38 mit dem Sensorfeld 26 der Überwachungskamera 24 und dem Sensorfeld der Zielführungskamera 34 verbunden sind und deren Ausgänge 40 mit der Antriebsvorrichtung 32 und der Lichtquelle 35 verbunden sind.
Die Funktion der Vorrichtung ist beispielsweise wie folgt:
Sei zunächst angenommen, die Fokuslinse 18 befinde sich in einer Stellung, in der ihre optische Achse O mit der Mittellinie M des Bearbeitungsstrahls 14 zusammenfällt. Der Bearbeitungsstrahl 14 wird dann auf eine Auftreffstelle A auf der Oberfläche des Werkstücks 20 fokussiert, die nicht einer erwünschten Auftreff- bzw. Bearbeitungsstelle entspricht, beispielsweise einer am Werkstück 20 vorhandenen Naht oder Fuge, die im Folgenden als Bearbeitungslinie bzw. zu bearbeitende Stelle bzw. Soll-Auftreffstelle N bezeichnet wird und die mit dem Bearbeitungsstrahl, beispielsweise einem hochenergetischen Laserstrahl, verschweißt bzw. bearbeitet werden soll. Die Bearbeitungslinie N kann auch eine Linie sein, längs der die Werkstückoberfläche umgeschmolzen oder gehärtet werden soll.
Vor Beginn einer Bearbeitung wird von der Einheit 36 gesteuert die Lichtquelle 35 eingeschaltet und der Laser (nicht dargestellt) zur Erzeugung des Bearbeitungsstrahls kurzzeitig mit verminderter Leistung aktiviert. Die Zielführungskamera 34 nimmt somit ein Bild der Oberfläche des Werkstücks 20 auf, auf dem die Bearbeitungslinie N und die Auftreffstelle A des mit verminderter Leistung abgestrahlten Bearbeitungsstrahls 14 sichtbar sind. In der Auswert- und Steuereinheit 36 werden der Abstand zwischen der Auftreffstelle A und der Bearbeitungslinie N sowie die Richtung des Abstandes ermittelt und ein Steuersignal erzeugt, mit dem die Antriebsvorrichtung 32 derart betätigt wird, dass die Fokuslinse 18 gemäß 1 um die Strecke a, die dem Abstand zwischen der Auftreffstelle A bei mit der Mittellinie M zusammenfallender optischen Achse O und der Bearbeitungslinie N entspricht, bewegt wird. Im dargestellten Beispiel liegen A und N in der Papierebene. Bei 2-dimensionaler Verstellbarkeit der Fokuslinse 18 kann der Abstand jedwelche Richtung in der Ebene senkrecht zur optischen Achse O haben. In der dargestellten Position der Fokuslinse 18 fällt die Auftreffstelle A mit der Bearbeitungslinie N zusammen, so dass von der Einheit 36 der nicht dargestellte Laser mit voller Leistung aktiviert werden kann und die Bearbeitung der Bearbeitungslinie N mit Hilfe des Bearbeitungsstrahls 14 erfolgen kann.
Mittels der erläuterten Verschiebbarkeit der Fokuslinse 18 senkrecht zur Richtung des Bearbeitungsstrahls können somit Fehlausrichtungen zwischen dem Werkstück 20 und der Bearbeitungsvorrichtung ausgeglichen werden und ohne eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 20 und der Bearbeitungsvorrichtung, die die Überwachungskamera 24 und die Zielführungskamera 34, den Spiegel 16, den Kollimator 12, die Halterung 30 mit Antriebsvorrichtung 32 und die Fokuslinse 18 enthält, kann eine Verstellung der Auftreffstelle A über einen Bereich erfolgen, der durch die Verschiebbarkeit der Fokuslinse 18 innerhalb der Halterung 30 begrenzt sind.
Die Qualität der Bearbeitung, beispielsweise einer Laserschweißung oder eines Laserschnitts, kann durch Auswertung des von der Überwachungskamera 24 aufgenommenen Bildes der Auftreffstelle A online erfolgen, wobei die geometrische Größe der Auftreffstelle A, die Farbe der Auftreffstelle A, die Helligkeit ohne und mit zusätzlicher Beleuchtung, das Reflexionsprofil des in Richtung der Kamera reflektierten Lichts und ggfs. weitere Größen Schlüsse über die Schweißqualität und die Lage der Auftreffstelle relativ zu der Sollbearbeitungsstelle, beispielsweise der Bearbeitungslinie N, zulassen.
Die beschriebene Vorrichtung kann in vielfältiger Weise abgeändert werden. Beispielsweise kann eine fest mit der Linse verbundene, nicht dargestellte Beleuchtungsquelle vorgesehen sein, die in den Brennpunkt der Linse und damit die jeweilige Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls ein Beleuchtungsfeld erzeugt, so dass auf dem Sensorfeld 26 der Überwachungskamera 24 Bilder der jeweiligen Bearbeitungsstelle erzeugt werden können, die von der reflektierten bzw. rückgestreuten Strahlung des Bearbeitungsstrahls und/oder von der durch die Bearbeitung entstehende Sekundärstrahlung erzeugt werden und, aus anderem Winkel, von dem Beleuchtungsstrahl erzeugt werden. Die Auswertung dieser Bilder lässt besonders gute Rückschlüsse auf die Bearbeitungsqualität zu.
Bei Vorhandensein einer solchen relativ starken Beleuchtungsquelle, die am Ort der Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls ein Beleuchtungsfeld erzeugt, kann die Zielführungskamera 34 entfallen, wenn von der Überwachungskamera 24 ein Bild aufgenommen wird, das das Beleuchtungsfeld, in dessen Mitte die Auftreffstelle A liegt, und die Bearbeitungslinie N zeigt. Durch Auswertung dieses Bildes kann die Auftreffstelle zur Deckung mit der Bearbeitungslinie N gebracht werden. Des Weiteren erlaubt ein solches Bild den Einsatz der Überwachungskamera 24 auch als Zielführungskamera, da auf dem Bild nicht nur die Auftreffstelle A sondern auch ein Bereich der Bearbeitungslinie N sichtbar ist, längs der die Auftreffstelle geführt werden soll.
Eine Beleuchtungsquelle kann vollständig entfallen, wenn die Bildauswertung der Überwachungskamera nicht nur die Qualitätsüberwachung der Bearbeitung sondern auch eine örtliche Übereinstimmung der Bearbeitungsstelle mit einer Sollbearbeitungsstelle, wie der Bearbeitungslinie, ermöglicht. Die Fokuslinie 18 wird bei nicht vorhandener Übereinstimmung entsprechend verstellt.
Wenn die Länge der Bearbeitungslinie N, längs der eine Bearbeitung erfolgen soll, den Verstellbereich der Fokuslinse 18 übersteigt, kann die Auswertung des Bildes der Überwachungskamera 24 zur Steuerung einer nicht dargestellten Antriebsvorrichtung eingesetzt werden, mit der die Bearbeitungsvorrichtung insgesamt relativ zum Werkstück 20 bewegt werden kann.
Die Antriebsvorrichtung 32 kann derart ausgebildet sein, dass die Fokuslinse 18 relativ zur Halterung 30 lediglich linear verschiebbar ist, oder dass sie in der gesamten zur optischen Achse O senkrechten Ebene verschiebbar ist. Zusätzlich kann die Fokuslinse 18 parallel zur optischen Achse O beweglich sein, um Abstandstoleranzen zur Oberfläche des Werkstücks 20 auszugleichen.
In der dargestellten Ausführungsform ist die einzige Fokuslinse 18 beweglich. Es versteht sich, dass auch optische Systeme mit mehreren Linsen verwendet werden können, von denen wenigstens eine in Querrichtung der optischen Achse des Linsensystems verschiebbar ist.
Für eine genaue Erkennung etwaiger Strukturen auf der Oberfläche des Werkstücks 20 kann die Lichtquelle 35 die Oberfläche des Werkstücks 20 in an sich bekannter Weise mit strukturiertem Licht, beispielsweise einem Liniengitter, beleuchten. Eine Naht, Stufe oder Kante an dem Werkstück 20 kann dann durch elektronische Bildauswertung einfacher bestimmt werden.
Die Position einer zu bearbeitenden Fügekante oder sonstigen Bearbeitungslinie an dem Werkstück 20 muss nicht zwangsläufig mittels optischer Bildauswertung ermittelt werden, sondern kann beispielsweise mit einem ortsauflösenden Wirbelstromsensor erfasst werden und elektronisch dem von dem Sensorfeld 26 aufgenommenen Bild überlagert werden. Auch andere Sensoren, wie kapazitive Sensoren, Ultraschallsensoren usw. sowie mit Berührung arbeitende Sensoren sind möglich.
Die Lichtquelle 35 und deren Anordnung können vielfältig variiert werden. Beispielsweise können um die Fokuslinse 18 herum mehrere Lichtquellen angeordnet werden.
Eine lichtstarke Beleuchtungslichtquelle, die zur Erzeugung eines Bildes der Bearbeitungsstelle bzw. Auftreffstelle A in der Überwachungskamera dient, kann derart ausgebildet sein, dass ihr Licht beispielsweise über einen halbdurchlässigen Spiegel in den Bearbeitungsstrahl 14 eingekoppelt wird, wobei das Beleuchtungslicht nicht parallel sein muss, sondern der eingekoppelte Beleuchtungsstrahl eine leichte Divergenz haben kann, so dass auf der Werkstückoberfläche 20 ein im Vergleich zur Auftreffstelle A des Bearbeitungsstrahls größeres Beleuchtungsfeld entsteht, das bei Verschiebung der Fokuslinse 18 mitwandert.
2 zeigt eine gegenüber 1 abgeänderte Ausführungsform der Vorrichtung, die sich von der der 1 dadurch unterscheidet, dass der dichroitische Spiegel 16 fehlt und ein in die Überwachungskamera 24 gelangender Abbildungsstrahlengang 42 parallel zum Bearbeitungsstrahl 14 ist und entsprechend dem Abstand vom Bearbeitungsstrahl 14 durch die Fokuslinse 18 hindurchtritt. Der Einfachheit halber fehlen in 2 die Auswert- und Steuereinheit 36, die Zielführungskamera 34 und die Halterung 30. Für denen der 1 entsprechende Bauteile sind in 2 dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Die Funktionalität der Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 2 entspricht der der 1.
In 2 ist ein Zusatzelement 44 eingezeichnet, beispielsweise ein Schweißdraht, dessen vorderes Ende an die Bearbeitungslinie N herangeführt wird und von der Zielführungskamera 34 (1) und/oder Überwachungskamera 24 als Soll-Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls erfasst wird.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Bearbeitungsvorrichtung. Für denen der 1 entsprechende Bauteile sind in 3 die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Im Unterschied zu 1 enthält die Ausführungsform gemäß 3 eine Remotebearbeitungsvorrichtung, beispielsweise Laserschweißvorrichtung 50, bei der an einem gemeinsamen Rahmen der an eine Lichtleiterfaser 10 bzw. einen Lichtwellenleiter anschließbare Kollimator 12, der dichroitische Spiegel 16, die Kamera 24 und die Fokuslinse 18 angeordnet sind. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 wird der Bearbeitungsstrahl 14 von dem dichroitischen Spiegel 16 nicht unmittelbar auf die Fokuslinse 18 reflektiert, sondern gelangt über zwei weitere Spiegel 52 und 54, die um zwei vorzugsweise senkrecht aufeinander stehende Achsen von einer Schwenkvorrichtung 56 verschwenkbar sind, durch die bei diesem Ausführungsbeispiel ortsfeste Fokuslinse 18 hindurch auf die Oberfläche des Werkstücks 20. Durch gesteuertes Verschwenken der Spiegel 52 und 54 kann die Auftreffstelle A, an der der auf die Oberfläche des Werkstücks 20 fokussierte Bearbeitungsstrahl 14 auf die Oberfläche des Werkstücks 20 auftrifft, längs einer vorbestimmten Bahn über die Oberfläche des Werkstücks 20 bewegt werden. Das von der Auftreffstelle A rückgestreute oder reflektierte Licht gelangt auf das Sensorfeld 26 der Überwachungskamera 24.
Alternativ kann die Vorrichtung gemäß 3 derart aufgebaut sein, dass der Bearbeitungsstrahl 14 nicht durch Verschwenken der Spiegel sondern durch Bewegen der Fokuslinie 18 senkrecht zu ihrer optischen Achse, ähnlich wie gemäß 1, längs der Oberfläche des Werkstücks 20 bewegt wird.
Wie bereits erläutert, ist für eine Online-Qualitätsauswertung beispielsweise einer Schweißung vorteilhaft, die Auftreffstelle A nicht nur durch Auswerten der in Folge des Auftreffens des Bearbeitungsstrahls 14 auf das Werkstück erzeugten Strahlung zu analysieren, sondern zusätzlich mit dem von einer Beleuchtungslichtquelle 60 erzeugten Beleuchtungsstrahl 61 einer zweckmäßigen Wellenlänge. Das Licht der Beleuchtungslichtquelle 60 gelangt durch eine Kollimatorlinse 62 und eine Fokuslinse 64, von der es auf die Oberfläche des Werkstücks 20 derart fokussiert wird, dass ein Beleuchtungsfeld B entsteht, das etwas größer sein kann als die Auftreffstelle A des Bearbeitungsstrahls 14. Das Beleuchtungsfeld B ist durch Verschieben der Fokuslinse 64 senkrecht zu ihrer optischen Achse bewegbar. Dazu ist die Fokuslinse 64 in einer Halterung 30 aufgenommen, in der sie mittels einer Antriebseinheit 33 in einer senkrecht zu der optischen Achse der Fokuslinse 64 gerichteten Ebene verschiebbar ist. Die Beleuchtungslichtquelle 60, die Kollimatorlinse 62, die Halterung 30 und die Antriebseinheit 33 sind vorteilhafterweise starr mit dem Rahmen der Remotebearbeitungsvorrichtung 50 verbunden. Mit der Remotebearbeitungsvorrichtung 50 ist weiter eine Zielführungskamera 70 verbunden, die ein elektronisches Bild der Oberfläche des Werkstücks 20 aufnehmen kann mit der Auswert- und Steuereinheit 36 verbunden ist.
Damit das Beleuchtungsfeld B der über die Oberfläche des Werkstücks 20 bewegbaren Auftreffstelle A folgt, nimmt die Zielführungskamera 70 ein Bild der Werkstückoberfläche auf, das die Auftreffstelle A und das Beleuchtungsfeld B enthält. Die Auswert- und Steuereinheit 36 wertet dieses Bild im Hinblick auf die jeweilige Lage der Auftreffstelle und des Beleuchtungsfeldes aus und errechnet Steuersignale für die Antriebseinheit 33, die die Fokuslinse 64 derart verschiebt, dass das Beleuchtungsfeld B die Auftreffstelle A überdeckt. Somit folgt das Beleuchtungsfeld B der Auftreffstelle A online, so dass eine Online-Qualitätsüberwachung der Schweißung möglich ist, indem sowohl das vom Bearbeitungsstrahl erzeugte Bild als auch das von der Beleuchtungslichtquelle 60 erzeugte Bild, die jeweils von der Überwachungskamera 24 aufgenommen und gegebenenfalls unmittelbar überlagert werden, ausgewertet werden.
Mit den vorstehend beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen, deren Merkmale in unterschiedlicher Weise miteinander kombiniert werden können, wurde erläutert, wie eine senkrecht zu ihrer optischen Achse verschiebbaren Linse in unterschiedlichster Weise für Verschiebungen einer Auftreffstelle einer durch sich hindurchgehenden Strahlung auf eine Werkstückoberfläche verwendet werden kann. Dies kann zum Zweck eines Toleranzausgleiches, zum Zweck einer Wegverfolgung oder für sonst welche Zwecke erfolgen.
Bei den geschilderten Beispielen ist der Bearbeitungsstrahl ein Laserstrahl. Auch bei Elektronenstrahlbearbeitungen kann die Auftreffstelle eines Elektronenstrahls auf eine Werkstückoberfläche durch Verschieben einer Elektronenstrahllinse senkrecht zu ihrer Achse verschoben werden.
Weitere Aspekte der vorliegenden Offenbarung:

1. Verfahren zum Steuern der Bearbeitung eines Werkstücks (20) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (14), dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (14) und/oder ein Beleuchtungsstrahl (61) durch eine Linse (18; 64) hindurchtritt, die zum Verschieben einer Auftreffstelle (A) des Bearbeitungsstrahls (14) auf das Werkstück (20) und/oder eines vom Beleuchtungsstrahl (61) auf dem Werkstück (20) erzeugten Beleuchtungsfeldes (B) senkrecht zu ihrer optischen Achse (O) bewegt wird.
2. Verfahren nach Aspekt 1, wobei die Linse (18; 64) aufgrund von Steuersignalen bewegt wird, die aus einer elektronischen Auswertung eines Bildes der Werkstückoberfläche erzeugt werden, das die Orte wenigstens von zwei der folgenden Elemente enthält: Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls (A), Soll-Auftreffstelle (N), Beleuchtungsfeld (B).
3. Verfahren nach Aspekt 1 oder 2, wobei die Linse (18; 64) aufgrund von Steuersignalen bewegt wird, die durch Auswertung von Signalen erzeugt werden, die von einem Eigenschaften der Werkstückoberfläche erfassenden Sensor erzeugt werden.
4.. Verfahren nach Aspekt 2 oder 3, wobei durch Bewegen der Linse (18) die Auftreffstelle (A) zur Deckung mit der Soll-Auftreffstelle (N) gebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Aspekte 2 bis 4, wobei durch Bewegen der Linse (18) das Beleuchtungsfeld (B) in Überdeckung mit der Auftreffstelle (N) gebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 5, wobei eine Überwachungskamera (24) durch die bewegbare Linse (18) hindurch ein Bild der Auftreffstelle (A) aufnimmt, das zur Überwachung der Qualität der an der Auftreffstelle (A) erfolgenden Werkstückbearbeitung elektronisch ausgewertet wird.
7. Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 6, wobei der Bearbeitungsstrahl ein Elektronenstrahl für eine Schweißbearbeitung des Werkstücks ist.
8. Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 6, wobei der Bearbeitungsstrahl (14) ein Laserstrahl ist.
9. Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (20) mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl (14), enthaltend eine Bearbeitungsstrahlquelle (10, 12), eine Überwachungskamera (24) zur Erzeugung eines elektronisch auswertbaren Bildes, eine Auswerteinheit (36) zur Auswertung des Bildes, eine Fokuslinse (18) zum Fokussieren des Bearbeitungsstrahls (14) auf eine Auftreffstelle (A) auf der Oberfläche des Werkstücks (20) und zum Fokussieren der Überwachungskamera auf die Auftreffstelle (A) und eine Antriebsvorrichtung (32) zum Verschieben der Fokuslinse (18) senkrecht zu ihrer optischen Achse.
10. Vorrichtung nach Aspekt 9, enthaltend einen dichroitischen Spiegel (16), der den Bearbeitungsstrahl (14) auf die Fokuslinse (18) umlenkt, wobei die Überwachungskamera (24) auf der von der Fokuslinse (18) abgewandten Seite des dichroitischen Spiegels (16) in der Verlängerung der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls angeordnet ist.
11. Vorrichtung zum Steuern der Bearbeitung eines Werkstücks (20) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, enthaltend eine Bearbeitungsstrahlquelle (10, 12), eine Remoteoptik (52, 54, 56), mit der eine Auftreffstelle (A) des Bearbeitungsstrahls (14) längs der Oberfläche des Werkstücks (20) bewegbar ist, eine Beleuchtungsstrahlquelle (60, 62) zum Erzeugen eines Beleuchtungsstrahls, der zur Erzeugung eines Beleuchtungsfeldes (B) mittels einer Fokuslinse (64) auf die Oberfläche des Werkstücks (20) fokussierbar ist und eine Antriebseinheit (32) zum Verschieben der Fokuslinse (64) senkrecht zu ihrer optischen Achse, so dass das Beleuchtungsfeld (B) zur Deckung mit der Auftreffstelle (A) bringbar ist.
12. Vorrichtung zum Steuern der Bearbeitung eines Werkstücks (20) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, enthaltend eine Bearbeitungsstrahlquelle (10, 12), eine Optik mit einer Linse (18), die senkrecht zu ihrer optischen Achse bewegbar ist, so dass eine Auftreffstelle (A) des Bearbeitungsstrahls (14) längs der Oberfläche des Werkstücks (20) bewegbar ist, eine Beleuchtungsstrahlquelle (60, 62) zum Erzeugen eines Beleuchtungsstrahls, der zur Erzeugung eines Beleuchtungsfeldes (B) mittels einer Fokuslinse (64) auf die Oberfläche des Werkstücks (20) fokussierbar ist und eine Antriebseinheit (32) zum Verschieben der Fokuslinse (64) senkrecht zu ihrer optischen Achse, so dass das Beleuchtungsfeld (B) zur Deckung mit der Auftreffstelle (A) bringbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Aspekte 6 bis 11, enthaltend eine Zielführungskamera (34) zur Aufnahme eines elektronisch auswertbaren Bildes, das wenigstens zwei der Elemente Auftreffstelle (A), Soll-Auftreffstelle (N) und Beleuchtungsfeld (B) enthält, und eine Bildauswerteinrichtung (70, 36) zum Erzeugen eines Steuersignals bei einer Abweichung zwischen den wenigstens zwei Elementen, wobei das Steuersignal die Antriebseinrichtung (32) derart steuert, dass die Abweichung abnimmt.
14. Vorrichtung nach Aspekt 13, enthaltend eine Lichtquelle (35) zum Beleuchten des Werkstücks (20) mit strukturiertem Licht.
15. Vorrichtung nach einem der Aspekte 9, 10 oder 13, wobei eine Soll-Auftreffstelle durch eine vorbestimmte Position an einem für die Bearbeitung erforderlichen Zusatzelement (44) bestimmt ist.

Bezugszeichenliste

10: Lichtleiterfaser
12: Kollimator
14: Bearbeitungsstrahl
16: Spiegel
18: Fokuslinse
20: Werkstück
22: Optik
24: Überwachungskamera
26: Sensorfeld
30: Halterung
32: Antriebsvorrichtung
34: Zielführungskamera
35: Lichtquelle
36: Auswert- und Steuereinheit
38: Eingänge
40: Ausgänge
42: Abbildungsstrahlengang
44: Zusatzelement
50: Remotebearbeitungsvorrichtung
52: Spiegel
54: Spiegel
56: Schwenkvorrichtung
60: Beleuchtungslichtquelle
61: Beleuchtungsstrahl
62: Kollimatorlinse
64: Fokuslinse
70: Zielführungskamera
O: optische Achse der Fokuslinse
M: Mittellinie des Bearbeitungsstrahls
A: Auftreffstelle
N: Soll-Auftreffstelle
B: Beleuchtungsfeld

Claims

Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (20) mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl (14), enthaltend eine Bearbeitungsstrahlquelle (10, 12), eine Überwachungskamera (24) zur Erzeugung eines elektronisch auswertbaren Bildes, eine Auswerteinheit (36) zur Auswertung des Bildes, eine Fokuslinse (18) zum Fokussieren des Bearbeitungsstrahls (14) auf eine Auftreffstelle (A) auf der Oberfläche des Werkstücks (20) und zum Fokussieren der Überwachungskamera (24) auf die Auftreffstelle (A), eine Antriebsvorrichtung (32) zum Verschieben der Fokuslinse (18) senkrecht zu ihrer optischen Achse, eine ortsauflösende Sensoreinrichtung zur Erzeugung von die Position einer Soll-Auftreffstelle (N) des Werkstücks (20) enthaltenden Daten, und eine Einrichtung zum Zusammenführen dieser Daten mit dem von der Überwachungskamera (24) aufgenommenen, elektronisch auswertbaren Bild.
Vorrichtung nach Anspruch 1, enthaltend einen dichroitischen Spiegel (16), der den Bearbeitungsstrahl (14) auf die Fokuslinse (18) umlenkt, wobei die Überwachungskamera (24) auf der von der Fokuslinse (18) abgewandten Seite des dichroitischen Spiegels (16) in der Verlängerung der optischen Achse des Bearbeitungsstrahls (14) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, enthaltend eine Lichtquelle (35) zum Beleuchten des Werkstücks (20) mit strukturiertem Licht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, enthaltend eine Beleuchtungslichtquelle, die zur Erzeugung eines Bildes der Auftreffstelle (A) in der Überwachungskamera (24) dient, deren Licht über einen halbdurchlässigen Spiegel in den Bearbeitungsstrahl (14) eingekoppelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, enthaltend eine Zielführungskamera (34) zur Aufnahme eines elektronisch auswertbaren Bildes, das wenigstens zwei der Elemente Auftreffstelle (A), Soll-Auftreffstelle (N) und Beleuchtungsfeld (B) enthält, und die Auswerteinheit (36) zum Erzeugen eines Steuersignals bei einer Abweichung zwischen den wenigstens zwei Elementen, wobei das Steuersignal die Antriebsvorrichtung (32) derart steuert, dass die Abweichung abnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Soll-Auftreffstelle (N) durch eine vorbestimmte Position an einem für die Bearbeitung erforderlichen Zusatzelement (44) bestimmt ist.