DE10222786A1 - Verfahren zur Positionierung von Werkstücken bei Laserbearbeitungsprozessen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionierung von Werkstücken (3) vor und/oder während Laserbearbeitungsprozessen, wobei mittels einer Kamera (4) Prozesseigenschaften erfasst werden. Es wird vorgeschlagen, mittels dieser Kamera (4) ein Bild zumindest eines Teils des Werkstücks (3) direkt zu erfassen und aus diesem Bild die Position des Werkstücks (3) zu bestimmen und zu regeln. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit einer gesonderten Mess- und Positionierstation, da Online-Prozessüberwachung und Positionierung in einer Station, auch gleichzeitig, vorgenommen werden können.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionierung von Werkstücken vor und/oder während Laserbearbeitungsprozessen, wobei Prozesseigenschaften mittels einer Kamera erfasst werden.
• Stand der Technik
• Wesentlich für den Erfolg eines Laserbearbeitungsprozesses, wie beispielsweise Laserschweißen, ist die richtige Positionierung des Werkstücks, wobei beim genannten Beispiel des Laserschweißens das Werkstück aus zwei oder mehr miteinander zu verschweißenden Bauteilen besteht. Beim Laserschweißen wird mittels eines fokussierten Laserstrahls Energie in das Werkstück eingebracht, dieses hierdurch lokal aufgeschmolzen sowie teilweise auch verdampft. Dabei ist es zwingend notwendig, die Fügepartner in Relation zum Fokus des Lasers genau zu positionieren. Bei schlechter Positionierung werden die Fügepartner ungenügend miteinander verbunden. Für das Produkt ergeben sich daraus Qualitätsnachteile, wie z. B. eine geringere Festigkeit der Schweißnaht aufgrund eines zu geringen Anbindequerschnitts oder Undichtigkeit aufgrund einer fehlenden Anbindung.
• Durch eine der eigentlichen Bearbeitungsstation vorgeschaltete Station mit Messtaster werden bei bisherigen Laserschweißprozessen die Positionen der Fügepartner bestimmt und an die nächste Bearbeitungsstation zur Justage weitergegeben. Diese Messung wird jedoch aus Taktzeitgründen meist nur punktuell durchgeführt. Bei räumlich ausgedehnten Fügestellen kann mit den bisherigen Messmethoden zudem keine Verkippung im Raum festgestellt werden.
• Eine zusätzliche potentielle Fehlerquelle birgt der Wechsel zwischen Mess- und Bearbeitungsstation in sich. Es ist erstrebenswert, Messung und Positionierung in einer einzigen Bearbeitungsstation durchzuführen.
• Die genannten Messtaster können mechanisch (berührend) oder optisch (berührungslos) sein.
• Eine Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern beim Laserstrahlschweißen ist aus der DE 197 16 293 A1 bekannt. Hier wird als Prozesseigenschaft die Geometrie des beim Schweißprozess gebildeten Schmelzbades mittels einer Kamera detektiert, wobei die Kamera an eine bilddatenverarbeitende Einheit angeschlossen ist, um die erfassten Daten auszuwerten. Länge, Fläche und weitere Geometrieparameter des beim Aufschmelzen des Werkstücks entstehenden Schmelzbades werden bestimmt und hieraus verschiedene Schweißparameter über abgespeicherte Referenzfunktionen berechnet. Zu diesen Schweißparametern gehören die Einschweißtiefe, die Fokuslage, das Entstehen von Spritzern sowie die Nahtlage oder der Spaltversatz. Zur Bestimmung und Regelung der genannten Schweißparameter ist eine exakte Analyse des Schweißbades notwendig, was einen hohen Rechenaufwand erforderlich macht. In der Praxis besitzen die Schweißbäder nur selten eine derart klar umrissene Kontur, dass hieraus die genannten Schweißparameter mit hoher Genauigkeit bestimmbar wären.
• Ein weiterer Nachteil beim Vorgehen gemäss der genannten DE 197 16 293 A1 ist die Notwendigkeit eines Modells, das zuvor durch Referenzmessungen abgesichert und abgespeichert werden muss. Alle genannten Schweißparameter werden über den Umweg dieses Modells berechnet, so dass Fehler beim aufgestellten Modell zu einer falschen Bestimmung der Schweißparameter führen, ohne dass eine unmittelbare Korrektur möglich wäre. Schliesslich gestatten die in der Praxis auftretenden Konturen der Schweißbäder keine exakte Regelung von Nahtlage oder Spaltversatz der zu schweißenden Bauteile.
• Ziel vorliegender Erfindung ist es, eine (kontinuierliche) Messung und Regelung der Position eines Werkstücks bei Laserbearbeitungsprozessen zu ermöglichen, wobei möglichst eine räumliche Erfassung des Werkstücks vorgenommen werden soll und die Messung und Positionierung gleichzeitig mit der eigentlichen Laserbearbeitung in direkter Weise vorgenommen werden soll, wobei die obengenannten Nachteile zu vermeiden sind.
• Vorteile der Erfindung
• Erfindungsgemäß wird zur Positionierung des Werkstücks ein Bild zumindest eines Teils des Werkstücks direkt mittels derselben Kamera erfasst, die bestimmte Prozesseigenschaften während des Laserbearbeitungsprozesses überwacht. Aus diesem Bild kann mittels Bildverarbeitung die Position des Werkstücks automatisch bestimmt und geregelt werden.
• Die Erfindung überwindet demnach das Problem zweier getrennter Systeme und setzt das Online- Prozessüberwachungssystem auch zur Positionierung des Werkstückes vor oder während des Laserbearbeitungsprozesses ein.
• Dies gestattet die unmittelbare Bestimmung der Werkstücksposition ohne Notwendigkeit eines Referenzmodells und ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Mess- und Positionierstation. Auf diese Weise kann eine zuverlässigere Positionierung erfolgen, Taktzeiten eingehalten werden und insgesamt die Prozesssicherheit bei gleichzeitiger Verringerung der Kosten in der Produktion erhöht werden.
• Zur Positionsbestimmung kann das Werkstück beleuchtet werden, insbesondere wenn der Prozess es nicht erlaubt, das Prozessleuchten selbst als Beleuchtung zu verwenden.
• Im Falle der zusätzlichen Beleuchtung kann eine auf das Werkstück projizierte Figur, z. B. im einfachsten Fall eine Linie, auf den Sensor der Kamera abgebildet werden. Die Deformation dieser Figur und der bekannte Projektionswinkel erlauben es, die dreidimensionale Gestalt des Werkstücks sowie dessen Position zu berechnen. Diese Daten werden mit der Sollposition verglichen und die Position des Werkstücks gegebenenfalls nachgeregelt.
• Für den Fall, dass das Prozessleuchten selbst ausgenutzt werden kann, wird die generelle Geometrie des Bauteils als bekannt vorausgesetzt. Das vom Prozess ausgestrahlte Leuchten beleuchtet die Umgebung so, dass markante Strukturen oder Kanten über ihren Kontrast von der Bildverarbeitung detektiert werden können. Da die räumlichen Relationen zum jeweiligen Laserbearbeitungspunkt bekannt sind, lässt sich hier ebenfalls die Position des Bauteils berechnen und falls notwendig nachregeln. Für das erfindungsgemässe Verfahren ist es insbesondere vorteilhaft, als Kamera eine CMOS-Kamera, vorzugsweise mit logarithmischer Empfindlichkeit, zu verwenden. Derartige Kameras besitzen, auch gegenüber herkömmlichen CCD-Kameras, mehrere Vorteile:
  Die Messung erfolgt optisch und damit berührungslos, im Gegensatz zu den mechanischen (berührenden) Messtastern.
• CMOS-Kameras besitzen höhere Aufnahme- und Verarbeitungsgeschwindigkeiten. Die logarithmische Kamera kann, je nach Modell, ein Vielfaches mehr als die bisher üblichen 25 (EU) oder 30 (USA) Vollbilder pro Sekunde aufnehmen. Beispielsweise sind 100 Vollbilder pro Sekunde möglich. Als CMOS-Kamera ermöglicht sie den wahlfreien Zugriff auf Unterbereiche des Flächensensors. Dadurch werden entsprechend der kleineren Bildpunkteanzahl weniger Daten ausgelesen, so dass bei gleichbleibender Datenübertragungsgeschwindigkeit mehr dieser Teilbilder übertragen werden können. Auf diese Weise sind Bildraten von bis zu 8000 Teilbilder pro Sekunde realisierbar. Zusätzlich wird die Bildverarbeitungsgeschwindigkeit erhöht, da nur jeweils der Bereich ausgelesen wird, der auch relevante Tnformationen enthält, so dass die Bildverarbeitung nicht mehr diesen sogenannten "area of interest" selbst finden muss.
• Die logarithmische CMOS-Kamera besitzt auch eine verbesserte Helligkeitsdynamik. Jeder einzelne Bildpunkt empfängt das einfallende Lichtsignal mit logarithmischer Empfindlichkeit. Das bedeutet, dass weniger helle Signale mit höherer Empfindlichkeit erfasst werden, so dass im dunkleren Spektrum eine höhere Dynamik vorliegt, während sehr helle Signale stärker gedämpft werden, so dass Überstrahlungseffekte vermieden werden. Insgesamt kann bei den beispielsweise möglichen 1024 Helligkeitsstufen ein wesentlich grösserer Strahldichtebereich erfasst und mit höherer Dynamik abgebildet werden, als bei herkömmlichen CCD-Kameras.
• Auf Silizium als Sensormaterial basierende CMOS-Kameras detektieren Wellenlängen in einem Bereich von 0,3 bis 1,1 Mikrometer. Durch vorgeschaltete Filter können bestimmte Bereiche ausgeblendet werden. Bei Laserschweißprozessen hat sich bei vorliegender Erfindung der Bereich von 725 bis 1050 nm und/oder 850 bis 1100 nm als besonders vorteilhafter Beobachtungsbereich herausgestellt.
Figuren
• Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden.
• Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Online- Prozessüberwachung von Laserschweißprozessen in schematischer Darstellung.
• Fig. 2 zeigt eine Anordnung zur Positionierung eines Werkstücks bei einem Laserschweißprozess, wobei gleichzeitig eine Überwachung der Prozesseigenschaften erfolgt.
Vorteilhafte Ausführungsformen
• Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 wird zur Online- Prozeßüberwachung beim Laserschweißen eingesetzt und weist einen Bearbeitungskopf 2 sowie eine Kamera 4, vorteilhafterweise eine logarithmische CMOS-Kamera, auf. Das zu bearbeitende Werkstück ist mit 3 gekennzeichnet. In Fig. 1 sind die optischen Strahlengänge mit eingezeichnet.
• Der Laserstrahl gelangt über einen Lichtwellenleiter LWL in den Zuführzweig 2.2, in dem sich eine Kollimationslinse 2.21 befindet, und wird über einen an dessen Ende angeordneten Strahlteiler 2.4 in den Bearbeitungszweig 2.1 des Bearbeitungskopfs 2 geführt. Der Bearbeitungszweig 2.1 weist eine Fokussierlinse 2.11 und ein Schutzglas 2.12 auf. Die Fokussierlinse 2.11 fokussiert den Laserstrahl auf das Werkstück 3, wo beispielsweise zwei Bauteile miteinander verschweißt werden.
• Zur Beobachtung des Laserbearbeitungsprozesses werden der Beobachtungszweig 2.3 sowie die Kamera 4 verwendet, die ihrerseits über eine Anschlussleitung 6, beispielsweise einen Duplex-Lichtwellenleiter, mit einer Bildverarbeitungseinrichtung 5 in Form eines Bildverarbeitungs-PCs verbunden ist.
• Vom Werkstück 3 ausgehende Strahlung, die beispielsweise während des Schweißprozesses entsteht, gelangt über den Bearbeitungszweig 2.1 und den Strahlteiler 2.4 in den Beobachtungszweig 2.3, in dem ein Filter 2.31 und eine Linse 2.32 angeordnet sind, und von dort auf den Bildsensor 4.1 der Kamera 4. Die elektronischen Bildsignale des Bildsensors 4.1 werden über die Anschlussleitung der Bildverarbeitungseinrichtung 5 zur Weiterverarbeitung zugeführt.
• Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beobachtet die (logarithmische CMOS-)Kamera 4 einen Laserschweißprozeß auf der Achse des Laserstrahls, wobei der hierzu vorhandene Strahlteiler 2.4 die Wellenlänge des Laserstrahls reflektiert, hingegen für andere Wellenlängen durchlässig ist. Auf diese Weise kann z. B. das vom Prozeß ausgestrahlte Licht durch den Strahlteiler 2.4 hindurch auf den Bildsensor 4.1 fallen.
• Durch das Zusammenwirken der Kennlinien des Filters 2.31 sowie des Bildsensors 4.1 können beispielsweise Schweißspritzer, die zu Schweißfehlern führen können, detektiert werden. Derartige Schweißspritzer weisen in einem bestimmten Wellenlängenbereich hohe Strahldichtewerte auf. Die eingesetzte CMOS-Kamera ermöglicht auch eine hohe zeitliche Auflösung des Schweißvorgangs, was insbesondere bei Kurzzeitereignissen wie Schweißspritzern von Vorteil ist. Derartige Spritzer und andere Instabilitäten treten auch beim Laserbohren auf. Die dargestellte Vorrichtung 1 erlaubt eine Online-Prozeßüberwachung mit hoher Dynamik hinsichtlich der Strahldichte und Aufnahmegeschwindigkeit.
• Erfindungsgemäß wird nunmehr mit der Kamera 4 ein Bild des Werkstücks 3 (oder zumindest eines Abschnittes dieses Werkstücks 3) direkt erfasst und aus diesem Bild mittels der nachgeschalteten Bildverarbeitungsanlage 5 die Position des Werkstücks 3 bestimmt. Diese Ist-Position wird mit der vorgegebenen Soll-Position verglichen und über die Maschinensteuerung 7 wird die Position des Werkstücks gegebenenfalls nachgeregelt, wobei hierzu die Maschinensteuerung 7 die Linear- und Rotationsachsen 8 der Werkstückzuführung ansteuert (vgl. Fig. 2). Oft wird umgekehrt der Laserbearbeitungskopf in seiner Lage angesteuert.
• In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Werkstück 3 durch eine externe Beleuchtungseinheit 9 zusätzlich beleuchtet, wobei eine geometrische Figur auf die Oberfläche des Werkstücks 3 projiziert wird. Die vom Werkstück 3 in die Fokussierlinse 2.11 reflektieren Strahlen werden über die Linse 2.32 auf den Bildsensor 4.1 der (logarithmischen CMOS-)Kamera 4 abgebildet. Das (deformierte) Bild der projizierten Figur erlaubt es, die dreidimensionale Gestalt des Werkstücks 3 zu berechnen. Diese Berechnung wird im Bildverarbeitungs-PC 5 vorgenommen.
• Die Erfindung ermöglicht eine Online-Prozeßüberwachung zusätzlich zu oder gleichzeitig mit der Positionierung des Werkstücks 3 vor oder während des Laserbearbeitungsprozesses vorzunehmen. Die Kosten für eine gesonderte Messstation entfallen und die Prozesssicherheit wird erhöht.
• Zur erfindungsgemäßen Positionierung des Werkstücks 3 ist es vorteilhaft, die Umgebung des Bearbeitungsortes mit abzubilden, um eine möglichst exakte Positionsbestimmung vornehmen zu können.
• Es sei darauf hingewiesen, dass die Kamera 4 den Prozeß auch unter einem Winkel von der Seite aus überwachen und von dort aus die Positionierung regeln kann. Mittels der Linse 2.32 kann der Abbildungsmaßstab und damit das Blickfeld festgelegt werden. Mit der dargestellten Vorrichtung kann eine Positionierung des Werkstücks bereits vor Aufnahme des Laserbearbeitungsprozesses erfolgen. Weiterhin kann das System mittels der Online- Prozessüberwachung automatisch als fehlerhaft erkannte Teile ausschleusen. Auch während des Laserbearbeitungsprozesses ist die Positionierung intervallweise oder kontinuierlich möglich.
• Oft werden auch vor dem eigentlichen Laserschweißprozeß die Fügepartner mit dem Laser geheftet. Diese der Schweißung vorangehenden Laserpulse können, wie beschrieben, verwendet werden, um anhand markanter Bauteilstrukturen das Werkstück zwischen Heften und Schweißen zu positionieren. Die Laserpulse können hierbei ein zur Positionsbestimmung und -regelung ausreichendes Prozessleuchten bewirken.
• Schliesslich können mit der geschilderten Vorrichtung in den Phasen vor und nach dem Prozeß Bildverarbeitungsaufgaben, wie etwa Vollständigkeitskontrolle oder Oberflächenanalyse der Schweißnaht, übernommen werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Positionierung von Werkstücken (3) vor und/oder während Laserbearbeitungsprozessen, wobei Prozesseigenschaften mittels einer Kamera (4) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bild zumindest eines Teils des Werkstücks (3) direkt mittels dieser Kamera (4) erfasst und aus diesem Bild die Position des Werkstücks (3) bestimmt und geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Werkstücks (3) mittels Bildverarbeitung automatisch bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (3) beleuchtet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Figur auf das Werkstück (3) projiziert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (3) durch das Prozessleuchten beleuchtet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Kamera (4) eine CMOS-Kamera, vorzugsweise mit logarithmischer Empfindlichkeit, verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamerabilder im nahen Infrarot, vorzugsweise im Bereich 725 bis 1050 nm und/oder 850 bis 1100 nm, aufgenommen werden.

8. Verwendung einer CMOS-Kamera (4) zur Bestimmung der Position eines Werkstücks (3) vor und/oder während eines Laserbearbeitungsprozesses sowie zur Erfassung von Prozeßeigenschaften während des Laserbearbeitungsprozesses.