WO2018029259A1 - Method for observing and/or monitoring a laser processing process and observation device - Google Patents
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- B23K9/095—Monitoring or automatic control of welding parameters
- B23K9/0956—Monitoring or automatic control of welding parameters using sensing means, e.g. optical
Definitions
- the invention is based on a method for observing and / or monitoring a laser processing process of a workpiece by means of a camera, wherein the transmission of a in a
- adjustable filter is set.
- Saturation in the recorded image can be avoided.
- Such a limitation is generally determined by an appropriate choice of Aperture, a narrow-band bandpass filter and / or a neutral density filter in the observation beam path of a process zone observing camera tries. Due to the insufficient
- Laser processing method to evaluate back reflections of a laser beam with a sensor There is also an electrically adjustable or
- the attenuator may comprise a motorized gray wedge, an electrochromic element or an LCD screen.
- JPS 58157596 A It is also known from JPS 58157596 A to arrange an adjustable filter in front of a camera with which radiation from a welding zone is detected.
- the amount of light falling on the camera or the sensor can only be set or changed to a limited extent as a function of the observation task. For example, to obtain information from different areas of the workpiece (eg, the process zone and the environment), a repetition with different settings is required.
- the present invention has for its object to provide a method and an apparatus by which an image-based observation of different bright areas of a workpiece during a
- This object is achieved according to the invention by a method for observing and / or monitoring a laser processing process of a workpiece by means of a camera, the transmission of which is arranged in an observation beam path of the camera,
- adjustable filter is set, wherein the transmission of the filter is controlled in at least two different regions of the filter controlled to different degrees of transmission and / or the
- a controlled, flexibly adjustable or switchable filter is used in the observation beam path of the camera.
- controlled adjustment of the filter means that the setting of the filter can be changed depending on the application, in particular that the filter can be controlled by a control unit.
- the transmittances of the filter are variably selectable (eg by a control),
- switching of the filter should be understood as meaning a setting of the filter to a new state or a change in the state of the filter within a relatively short period of time, in particular shorter than 20% of the duration between two successive recording times.
- the transmission of the filter is synchronized with recording times of the camera, the amount of light incident on the camera can be individually adapted to an image acquisition as needed during the processing process.
- Lighting source can also meet the needs of the
- the illumination source can with the transmission of the filter or with the amount of light falling on the camera
- the adjustable filter can almost arbitrarily along the
- An adjustable or switchable filter also allows, in contrast to, for example, iris diaphragms, very fast setting changes. So can changes in transmittance in the range of milliseconds and sometimes in the range of microseconds.
- An adjustable or switchable filter can also work very long-term stable, so that a continuous operation is possible.
- the transmittance of the filter can be adjusted by changing the spectral range of the radiation transmitted through the filter.
- the filter may be formed, for example, as a bandpass filter whose center wavelength and / or its bandwidth is set. If, for example, the central wavelength of a wavelength which is visible within the wavelength range is in the range, for example, in the ultraviolet or in the infrared range
- Transmittance in the wavelength range of visible light set in particular reduced.
- Bandpass filter is designed to select or switch the observed wavelength range, for example, between visible and infrared radiation.
- Wavelength range are set and / or formed for observation in all observed wavelength ranges.
- Brightness changes the illumination source is changed.
- switching times or setting speeds of the filter can be taken into account in a simple manner, so that an image with high reliability can be recorded with the desired transmission of the adjustable filter.
- the transmittance of the filter can vary depending on a
- Measuring task such as a recording of radiation of the
- respective measuring task to be controlled can also be provided to set or select the observed wavelength range depending on the measurement task.
- the brightness of the illumination source the brightness of the illumination source
- Exposure time and / or the recording sensitivity of the camera depending on the set transmission of the filter can be selected.
- Lighting source set in particular on or off, is and then a picture is taken by the camera.
- different adjustment speeds of the filter and / or the illumination source can be taken into account in a simple manner.
- the transmission of the filter in at least two different regions (pixels) of the filter is set to be controlled to different degrees of transmission.
- the adjustable filter can be used as an optical mask. For example, relatively dark zones of the observation area of a workpiece to be observed or processed can be filtered little and, at the same time, very bright zones of the observation area can be very heavily filtered. The settings of the filter areas can remain unchanged during the observed laser processing process.
- the filter can be subdivided into at least two, in particular into many areas (pixels). Physically, this can be an area (pixel) with respect to its
- Transmission behave like a standalone, fast switched filter. It can be set in the areas of different degrees of transmission in a certain contrast ratio. This setting can be spatially resolved before a measurement is started.
- a suitable transmittance can be preset in the filter, which is suitable for the respective measuring task, for example, depending on the workpiece material and / or the laser power.
- a control unit can be provided which allows the transmission levels of the individual areas (pixels) to be adjusted in a controlled manner and, for example, to be communicated to an image processing unit via a corresponding digital interface. Changing the transmittance can also be done independently of a measurement or recording in this process variant. As a result, a communication interface between the control unit of the filter and the image processing unit can also be lower
- Transmission speed can be used.
- a higher contrast of the filter between minimum and maximum transmission can be achieved, as longer setting or switching times are possible.
- the controlled adjustable spatial transmission profile of the filter can depend on a respective desired application or a Messg. Image processing task to be selected.
- the transmission profile for a specific measurement task can be described, for example, as
- Configuration data set may be provided in the control unit and be selectable for example by an operator, by a machine program of a laser processing machine via a corresponding interface and / or by the image processing unit itself.
- Exposure time whereby the measurement speed can be increased.
- the setting of the transmittance in front of the measuring windows can remain unchanged in the course of the measurement in this process variant.
- the transmittances can also be controlled and flexibly changed between two measurements.
- the image acquisition can be done simultaneously in this process variant for all measurement windows.
- image recordings for the individual measurement windows can take place one after the other in order, for example, to be able to use different exposure times of the camera.
- the position of the measurement window and / or the position of individual transmission ranges during a measurement run may be useful to change the position of the measurement window and / or the position of individual transmission ranges during a measurement run, for example to compensate for the influence of heating of the optical components in the laser beam path.
- the tracking of the positions can take place from picture to picture; however, it can also slow down tracking over multiple camera images
- Possible applications of this process variant may be, for example:
- Measuring window between e.g. 80%, if an incident light measurement for seam position control during laser welding is to be used, and 10% when using a light section measurement.
- the scope of the invention further includes a
- Observation device in particular for carrying out the method according to the invention, with a camera, at least one additional illumination source and an adjustable filter arranged in an observation beam path of the camera, wherein the
- Observation device comprises a control unit which is adapted to the transmission of the filter in at least two different
- Synchronization unit which is set up, the transmission at least in an area of the filter with recording times of the camera and / or with times of brightness changes of the additional illumination source (s) synchronized to different
- the filter is designed as a neutral density filter.
- the transmission of the filter can be largely neutral in color be set.
- a neutral density filter also provides a simple
- the camera can be designed as a surface detector.
- the camera may for example comprise a CCD element and / or a CMOS element.
- the filter may comprise at least one liquid crystal element.
- the filter may be formed, for example, as an LCD element.
- Liquid crystal element with an AC voltage preferably with a square-wave AC voltage is driven.
- the filter is formed as an LCD element, so unwanted
- Liquid crystal layer of the LCD element could destroy in the medium term due to unwanted ion migration.
- the filter has a liquid crystal retarder.
- it may be provided to combine individual variable liquid crystal retarders. Also, several can
- Liquid crystal cells are combined. Adjustable transmission can also be achieved by using a liquid crystal module, e.g. monolithic in an optical element combined with polarizers. For adjustment, the polarizers can then be specified
- the filter is a
- Transmission ratio is understood to be the ratio of the maximum transmittance that can be set to a minimum.
- a transmission setting ratio of the adjustable filter of 2: 1 already gives clear advantages over a system without adjustable or switchable filter. In particular, particularly high measurement rates can be achieved during monitoring or observation.
- a transmission setting ratio of 2: 1 already allows approximately a doubling of the achievable measuring rate over one
- the filter has a switching time of at most 5 ms, preferably between 1 s and 5 ms. It is under
- the transmission can be largely changed in the wavelength range of visible light.
- the filter has a free aperture of at least 1 mm, preferably between 1 mm and 20 mm. This ensures that there are no unwanted filters on the filter
- the space requirement of the filter can be kept sufficiently small. It can be provided that the observation beam path runs at least in a section coaxial with a processing beam. Alternatively it can be provided that the observation beam path off-axial to the processing beam, in other words obliquely to
- the synchronization unit When the synchronization unit is designed, it is particularly advantageous for at least a first control signal to be synchronized with respect to time
- the synchronization unit To generate control of the transmission of the filter and / or the recording times of the camera and / or the times of brightness changes of the additional illumination source. It can be provided in particular that the synchronization unit generates a plurality of control signals, in particular in each case at least one element to be controlled.
- the control signals can in particular for temporal
- Synchronization or control of the filter, the camera and / or the additional illumination source serve.
- the control signals can also be used to control other settings, for example to vary the power of the additional illumination source, for
- Brightness control or sensitivity control of the camera and the like are examples of the Brightness control or sensitivity control of the camera and the like.
- the synchronization unit can be designed as a computer unit or a part of a computer unit, in particular the
- Image processing unit form.
- observation device a It can be provided that the observation device a
- Real-time computer program component for generating at least one synchronization control signal.
- the real-time computer program component in a memory area of the Computing unit executable stored. This makes it possible to have the real-time computer program component on the computer unit
- the real-time computer program component includes
- the real-time computer program component can be designed as an independent real-time program component. It can also be provided that the computer unit with a real-time operating system
- the configuration as a real-time computer program component can advantageously ensure that the control signals formed by the synchronization unit can be provided not only correctly but also on time in accordance with the respective control task.
- the synchronization unit can be designed as a trigger board.
- the trigger board can be controlled by a frame grabber processing the images recorded or by a coded process implemented in the latter.
- the frame grabber can also be part of the computer unit.
- the synchronization unit on an independent control board and / or in the camera
- the monitoring device preferably the synchronization unit and / or the real-time computer program component, can be
- the delay element can be formed, for example, as a program element of the real-time computer program component. Also, the delay element may be formed as an electronic circuit, preferably as part of the synchronization unit. Is that for example
- the control signal that controls the camera may be delayed from a control signal that controls the adjustable filter and / or the additional illumination source by at least the amount of time that the adjustable filter sets for setting a next transmittance and / or the additional illumination source for adjustment a next brightness needed.
- the predefined delay the individual components to each other even better timed.
- other delays caused by the components and / or a possible jitter can also be compensated.
- the control unit can be designed as a separate module. It can in particular on a machining head of a
- control unit can also be integrated into the computer unit or the synchronization unit or the trigger board and / or into the real-time computer.
- Computer program component integrated or as more on the
- Computer unit executable installable real-time computer program component be formed.
- the control unit can interface with others
- This interface can be used to parameterize and control the filter.
- Parameterization can be done very easily. Furthermore, it can be provided that the parameterization can be adjusted manually by an operator, automated, via software algorithms and / or external interfaces.
- the observation device has a spectral filter arranged in the observation beam path.
- a spectral filter arranged in the observation beam path.
- cooler and usually darker zones with low color temperature can be filtered weaker and at the same time hotter and therefore generally lighter zones with higher color temperature.
- the spectral filter for example, the adjustable filter and / or the camera against damage from one to
- observation device may have an observation objective arranged in the observation beam path, wherein the spectral filter is arranged between the workpiece and the object
- Observation lens and the camera can be arranged.
- the adjustable filter can be placed close to the camera. Furthermore, it is within the scope of the invention
- Laser processing device for processing a workpiece with an observation device according to the invention.
- Laser processing device can be designed as a laser welding device, as a laser cutting device and / or as a laser scanning device.
- Fig. 1 shows a laser processing apparatus with a
- FIG. 2a shows a schematic representation of the control of a camera, an adjustable filter and an illumination source synchronized according to FIGS. 2c to 2c
- Fig. 3 is a schematic representation of an adjustable filter with three areas set to different degrees of transmission.
- 1 shows in a first embodiment of the invention, a laser processing apparatus 1.
- the laser processing apparatus 1 is a laser welding apparatus.
- Laser processing apparatus 1 comprises a laser 2, the one
- Workpiece 3 is processed by means of a machining beam 6, i.
- the laser welding process is monitored by an observation device 4.
- the observation device 4 has a camera 10 for this purpose.
- the camera 10 is designed as a surface detector with a CMOS-based photosensor element.
- the adjustable or switchable filter 11 is as
- the filter 11 acts as a neutral density filter or is designed as such in this spectral range. Light passing through the filter 11 thus becomes corresponding to one, respectively
- the filter 11 Designed as an LCD element, the filter 11 allows pixel-wise to be controlled by suitable electrical control signals and thus different areas of its filter surface to different
- the transmission setting ratio of the filter 11 is at least 2: 1, for example 100: 1.
- an objective 13 is disposed upstream of the adjustable filter 11.
- a spectral filter 14 is disposed in front of it.
- the spectral filter 14 serves for pre-filtering the light incident on the camera 10. Also, the spectral filter 14 serves to protect the adjustable filter 11 and the camera 10 against excessive heat radiation.
- Collimating lens 21 and a beam splitter 22 to be subsequently focused by a focusing lens 23 to a focal point 24 on the workpiece 3.
- Focusing 24 adjacent process zone outgoing radiation in turn passes through the focusing lens 23.
- the incident on this coaxial radiation is deflected into the observation beam 5 of the observation device 4.
- the radiation passes through the spectral filter 14, the objective 13 and the adjustable filter 11 and impinges on the camera 10.
- a additional illumination source 25 in the form of a light-section illumination off-axially, ie obliquely to the processing beam 6, respectively.
- a further additional illumination source 26 is arranged as a reflected-light illumination annularly around the processing beam 6 around.
- a synchronization unit 15 For switching the filter 11 between different degrees of transmission is a synchronization unit 15 via control lines 16a, 16b, 16c, 16d with the additional illumination sources 25 and 26, a
- Control electronics 12 and the camera 10 connected.
- Control electronics 12 is connected via a control line 16e with the
- the synchronization unit 15 is formed by means of the
- Control line 16a, 16b, 16c and 16d transmitted control signals the camera 10, the control electronics 12 and the additional
- Lighting sources 25 and 26 synchronized to control.
- the synchronization unit 15 is a triggerboard one
- Image processing computer unit 17 is formed. In a storage area of the image processing computer unit 17 is a
- Computer program component 18 which is designed as a real-time computer program component executable
- the computer program component 18 is configured to generate synchronization control signals and to the
- Computer program component 18 as a program element
- Delay element 19 delays pulses of a pulse train
- Synchronization control signal for the filter 11 by predefined
- the synchronization unit 15 converts these
- Control electronics 12 and the additional illumination sources 25 and 26 adapted electrical control signals and transmits them via the control lines 16a, 16b, 16c, 16d.
- the control electronics 12 are designed to transmit a control signal via the control line 16e to the adjustable filter 11 as a function of the control signal received via the control line 16b.
- the drive signal is expediently designed as a rectangular alternating voltage and is used to generate a desired
- a control unit 20 is also connected via a
- Control line 16f connected, which generates the necessary for driving a pixel-by-pixel transmission pattern of the filter 11 control signals.
- Various spatial transmission profiles of the filter 11 are each stored as a configuration data set in the control unit 20 and are processed by the image processing computer unit 17 via a control line 16 g, via which the control unit 20 to the image processing unit 17
- the configuration data sets may also be stored by an operator (e.g.
- Control computer of the overall system or be selected by a control program of the laser processing apparatus 1 via a corresponding interface.
- a control program of the laser processing apparatus 1 via a corresponding interface.
- sets a configuration record the position and extent of individual transmission areas of the filter 11 and the there to be adjusted
- a configuration data set may also contain data on the illumination intensity and time of the illumination sources 25, 26 and on exposure times of the camera 10.
- FIG. 2a shows a time profile of the transmission of the
- Transmittance b of the filter 11 is set or switched, b is 50% in this embodiment.
- the transmission of the filter 11 is set or switched to a transmittance a, in this embodiment 10%.
- the transmission of the filter 11 is then set or switched to a transmittance c, in this case 90%.
- the lead times Afi, Af 2 , Af 3 are selected to be slightly longer than the switching time of the filter 11, which in this embodiment is at most 5 ms. Thus, the filter 11 can be safely switched to the desired following transmission before the next image is taken.
- FIG. 2b shows corresponding exposure times of the camera 10.
- each phases 33, 34, 35 are marked, in which the Camera 10 takes an image or the photosensor element of the camera 10 is exposed.
- Exposure time Ak 3 is exposed.
- the shortest exposure time is given by Ak 2 and the longest
- the figure 2c are brightness changes of the additional
- Illumination sources 25 and 26 (Figure 1) can be seen. It can be seen that at the time of recording ai the additional illumination source 25 with the brightness e and at the time of recording 33 the additional
- Illumination source 26 is switched on with the brightness d.
- Illumination sources 25, 26 are provided.
- the brightness of the additional illumination source 25 (laser line for light section) is set to a maximum value e
- the brightness of the illumination source 26 (incident illumination) is set to a lower brightness value d at the time of recording a 3 .
- the settings of the transmission of the filter 11 and the brightness changes of the illumination sources 25, 26 are synchronized to recording times ai, a 2 , a 3 of the camera 10. For example, based on the recording time 33 can also be seen that initially the
- Transmission of the filter 11 is set, then the illumination sources 25, 26 are turned on or off and then an image is taken by the camera 10.
- the time intervals between the recording times ai, a 2 , 33 correspond to the reciprocal of the frame rate or the frame change duration of the camera 10.
- the timing of the filter 11 and the timing of the additional illumination sources 25, 26 are the respective
- Recording time ai is used, for example, for seam quality control with the aid of a light section measurement.
- the recording at the time of recording a 2 serves to monitor the laser focal point 24 (FIG. 1).
- Recording at recording time 33 is used for example for
- the filter 11 is set to the average transmittance b.
- a recording of the radiation takes place at the position of the focal point 24, which must be greatly attenuated.
- the workpiece 3 is illuminated at incident time 33 with incident light from the additional illumination source 26.
- a joint is a high
- Transmittance c only slightly attenuated and recorded by the camera 10.
- the image recordings at the times ai, a 2 and 33 are repeated consecutively during the laser welding process.
- FIG. 3 shows a further variant of the method according to the invention.
- a schematic front view of the camera 10 and of the camera 10 upstream filter 1 1 are shown in the figure.
- the transmission of the filter 1 1 in the areas I, II and III is set to different transmittances b ⁇ a ⁇ c '. Also in this process variant, the smallest transmittance is given by a 'and the highest transmittance by c'.
- the transmittance b 'of the filter 11 is set to a value of 50%, for example.
- the measuring window 31 of the area II is for monitoring the
- the transmittance a 'of the filter 11 is set to a value of 10%, for example. ,
- the measuring window 32 of the area III is designed for seam position control.
- the transmittance c 'of the filter 11 is set to a value of 90%, for example.
- the image acquisition takes place in this process variant for all measurement windows at the same time.
- the image acquisition takes place in this process variant for all measurement windows at the same time.
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Abstract
Description
Verfahren zur Beobachtung und/oder Überwachung eines Method for monitoring and / or monitoring a
Laserbearbeitungsprozesses sowie Beobachtungsvorrichtung Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Beobachtung und/oder Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses eines Werkstücks mittels einer Kamera, wobei die Transmission eines sich in einem The invention is based on a method for observing and / or monitoring a laser processing process of a workpiece by means of a camera, wherein the transmission of a in a
Beobachtungsstrahlengang der Kamera angeordneten, einstellbaren Filters eingestellt wird. Observation beam path of the camera arranged, adjustable filter is set.
Es ist bekannt, einen Laserbearbeitungsprozess, beispielsweise einen Laserschweiß- oder Laserschneidprozess, zur Überwachung kamerabasiert zu beobachten. Dazu muss die Lichtmenge bei einer Bildaufnahme einer von einem Laser bearbeiteten Prozesszone eines Werkstücks während des Laserbearbeitungsprozesses begrenzt werden, damit auch bei sehr hohen Strahlungsintensitäten in der Prozesszone Überbelichtungen bzw. It is known to observe a laser processing process, for example a laser welding or laser cutting process, for camera-based monitoring. For this purpose, the amount of light must be limited during image acquisition of a processed by a laser process zone of a workpiece during the laser processing process, so that even at very high radiation intensities in the process zone overexposures or
Sättigungen im aufgenommenen Bild vermieden werden. Eine solche Begrenzung wird im Allgemeinen durch eine entsprechende Wahl einer Blende, eines schmalbandigen Bandpassfilters und/oder eines Neutraldichtefilters im Beobachtungsstrahlengang einer die Prozesszone beobachtenden Kamera versucht. Aufgrund der nicht ausreichenden Saturation in the recorded image can be avoided. Such a limitation is generally determined by an appropriate choice of Aperture, a narrow-band bandpass filter and / or a neutral density filter in the observation beam path of a process zone observing camera tries. Due to the insufficient
Dynamik der im Stand der Technik verfügbaren Bildsensoren der Kameras können jedoch unter diesen Bedingungen Bearbeitungsbereiche, die außerhalb der eigentlichen Prozesszone liegen, nicht beobachtet werden, da diese dann zu dunkel sind. Durch die Wahl der Kamerabelichtungszeit kann dem bis zu einem gewissen Grad entgegen gewirkt werden, Dynamics of the image sensors of the cameras available in the prior art, however, under these conditions, processing areas that are outside the actual process zone can not be observed, since these are then too dark. By choosing the camera exposure time, this can be counteracted to some extent,
allerdings sind beliebig kurze Belichtungszeiten nicht möglich bzw. die dafür benötigten Kameras sehr teuer. Daher bedarf es einer oder However, arbitrarily short exposure times are not possible or the cameras required for it very expensive. Therefore, it requires one or
mehrerer zusätzlicher Beleuchtungsquelle(n) zur Beleuchtung dunkler Werkstückbereiche, wenn verschiedene Messaufgaben variabel kombiniert werden sollen. several additional illumination source (s) for illuminating dark workpiece areas, if different measuring tasks are to be variably combined.
Aus der DE 10 2009 050 784 B4 und der EP 2 061 621 Bl sind zwei Anordnungen bekannt, die die auf den Bildsensor fallende Lichtmenge über die Belichtungszeit und/oder über die Beleuchtungsintensität steuern. Diese Parameter werden dazu zwischen einzelnen Bildaufnahmen variiert. From DE 10 2009 050 784 B4 and EP 2 061 621 Bl two arrangements are known which control the amount of light falling on the image sensor over the exposure time and / or the illumination intensity. These parameters are varied between individual images.
Aus der DE 10 2009 016 125 AI ist es bekannt, bei einem From DE 10 2009 016 125 AI it is known in a
Laserbearbeitungsverfahren Rückreflektionen eines Laserstrahls mit einem Sensor auszuwerten. Es wird ferner ein elektrisch einstell- oder Laser processing method to evaluate back reflections of a laser beam with a sensor. There is also an electrically adjustable or
veränderbares Dämpfungsglied beschrieben. Das Dämpfungsglied kann einen motorisch verstellbaren Graukeil, ein elektrochromes Element oder einen LCD-Schirm umfassen. variable attenuator described. The attenuator may comprise a motorized gray wedge, an electrochromic element or an LCD screen.
Auch aus der JPS 58157596 A ist es bekannt, vor einer Kamera, mit der Strahlung aus einer Schweißzone detektiert wird, einen einstellbaren Filter anzuordnen. Bei diesen bekannten Vorrichtungen kann die auf die Kamera bzw. den Sensor fallende Lichtmenge in Abhängigkeit von der Beobachtungsaufgabe nur eingeschränkt eingestellt bzw. geändert werden. Um beispielsweise Informationen aus unterschiedlichen Bereichen des Werkstücks (z.B. der Prozesszone und der Umgebung) zu erhalten, ist daher eine Wiederholung mit unterschiedlichen Einstellungen erforderlich. It is also known from JPS 58157596 A to arrange an adjustable filter in front of a camera with which radiation from a welding zone is detected. In these known devices, the amount of light falling on the camera or the sensor can only be set or changed to a limited extent as a function of the observation task. For example, to obtain information from different areas of the workpiece (eg, the process zone and the environment), a repetition with different settings is required.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, durch die eine bildbasierte Beobachtung unterschiedlich heller Bereiche eines Werkstückes während eines The present invention has for its object to provide a method and an apparatus by which an image-based observation of different bright areas of a workpiece during a
Laserbearbeitungsprozesses verbessert wird. Laser processing process is improved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Beobachtung und/oder Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses eines Werkstücks mittels einer Kamera, wobei die Transmission eines sich in einem Beobachtungsstrahlengang der Kamera angeordneten, This object is achieved according to the invention by a method for observing and / or monitoring a laser processing process of a workpiece by means of a camera, the transmission of which is arranged in an observation beam path of the camera,
einstellbaren Filters eingestellt wird, wobei die Transmission des Filters in wenigstens zwei unterschiedlichen Bereichen des Filters gesteuert auf unterschiedliche Transmissionsgrade eingestellt wird und/oder die adjustable filter is set, wherein the transmission of the filter is controlled in at least two different regions of the filter controlled to different degrees of transmission and / or the
Transmission zumindest in einem Bereich des Filters zeitlich mit Transmission at least in a region of the filter with time
Aufnahmezeitpunkten der Kamera und/oder mit Zeitpunkten von Recording times of the camera and / or with times of
Helligkeitsänderungen einer zusätzlichen Beleuchtungsquelle Brightness changes of an additional illumination source
synchronisiert auf unterschiedliche Transmissionsgrade eingestellt wird. Erfindungsgemäß wird also ein gesteuert flexibel einstell- bzw. schaltbarer Filter im Beobachtungsstrahlengang der Kamera eingesetzt. Eine synchronized to different transmission levels is set. Thus, according to the invention, a controlled, flexibly adjustable or switchable filter is used in the observation beam path of the camera. A
gesteuerte Einstellung des Filters bedeutet, dass die Einstellung des Filters applikationsabhängig geändert werden kann, insbesondere, dass der Filter von einer Steuereinheit angesteuert werden kann. Die Transmissionsgrade des Filters sind variabel wählbar (z. B. durch eine Steuerung), controlled adjustment of the filter means that the setting of the filter can be changed depending on the application, in particular that the filter can be controlled by a control unit. The transmittances of the filter are variably selectable (eg by a control),
insbesondere abhängig von einer Messaufgabe. Dabei soll unter„schalten" des Filters eine Einstellung des Filters auf einen neuen Zustand bzw. eine Änderung des Zustands des Filters binnen eines verhältnismäßig kurzen Zeitraums, insbesondere kürzer als 20% der Dauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aufnahmezeitpunkten, verstanden werden. in particular dependent on a measuring task. The term "switching" of the filter should be understood as meaning a setting of the filter to a new state or a change in the state of the filter within a relatively short period of time, in particular shorter than 20% of the duration between two successive recording times.
Wenn die Transmission des Filters mit Aufnahmezeitpunkten der Kamera synchronisiert eingestellt wird, kann die auf die Kamera auftreffende Lichtmenge bedarfsgerecht während des Bearbeitungsprozesses an eine Bildaufnahme individuell angepasst werden. Durch Synchronisation mit Zeitpunkten von Helligkeitsänderungen einer zusätzlichen If the transmission of the filter is synchronized with recording times of the camera, the amount of light incident on the camera can be individually adapted to an image acquisition as needed during the processing process. By synchronization with times of brightness changes of an additional
Beleuchtungsquelle kann zudem bedarfsgerecht der Lighting source can also meet the needs of the
Helligkeitskontrastbereich des aufzunehmenden Bildes zusätzlich Brightness contrast range of the image to be recorded in addition
eingegrenzt werden. Insbesondere kann eine zusätzliche Beleuchtung zur Beleuchtung von außerhalb einer Prozesszone gelegenen Bereichen vorgesehen werden. Die Beleuchtungsquelle kann mit der Transmission des Filters bzw. mit der auf die Kamera fallenden Lichtmenge be limited. In particular, additional lighting may be provided to illuminate areas outside of a process zone. The illumination source can with the transmission of the filter or with the amount of light falling on the camera
synchronisiert gesteuert werden. be controlled synchronously.
Insbesondere im Gegensatz zu beispielsweise einer Aperturblende kann der einstellbare Filter nahezu beliebig entlang des In particular, in contrast to, for example, an aperture stop, the adjustable filter can almost arbitrarily along the
Beobachtungsstrahlengangs positioniert werden. Auch können durch Einsatz des einstellbaren Filters Veränderungen der Schärfentiefe von einer Bildaufnahme zu einer anderen vermieden werden. Dadurch kann die Bildaufnahme mit einer festen, vordefinierbaren Blende erfolgen, wodurch das aufgenommene Bild leichter automatisiert ausgewertet werden kann. Ein einstellbarer bzw. schaltbarer Filter ermöglicht zudem, insbesondere im Gegensatz zu beispielsweise Irisblenden, sehr schnelle Einstellungsänderungen. So können Änderungen des Transmissionsgrads im Bereich von Millisekunden sowie teilweise im Bereich von Mikrosekunden erreicht werden. Ein einstellbarer bzw. schaltbarer Filter kann zudem sehr langzeitstabil arbeiten, so dass auch ein Dauerbetrieb ermöglicht wird. Observation beam to be positioned. Also, by using the tunable filter, changes in depth of field from one shot to another can be avoided. As a result, the image recording can be done with a fixed, predefinable aperture, whereby the recorded image can be easily evaluated automated. An adjustable or switchable filter also allows, in contrast to, for example, iris diaphragms, very fast setting changes. So can changes in transmittance in the range of milliseconds and sometimes in the range of microseconds. An adjustable or switchable filter can also work very long-term stable, so that a continuous operation is possible.
Der Transmissionsgrad des Filters kann eingestellt werden, indem der Spektralbereich der durch den Filter transmittierten Strahlung verändert wird. Dazu kann der Filter beispielsweise als Bandpass-Filter ausgebildet sein, dessen Zentralwellenlänge und/oder dessen Bandbreite eingestellt wird. Wird beispielsweise die Zentralwellenlänge von einer innerhalb des Wellenlängenbereichs sichtbaren Lichts liegenden Wellenlänge zu einer beispielsweise im Ultraviolett- oder im Infrarotbereich befindlichen The transmittance of the filter can be adjusted by changing the spectral range of the radiation transmitted through the filter. For this purpose, the filter may be formed, for example, as a bandpass filter whose center wavelength and / or its bandwidth is set. If, for example, the central wavelength of a wavelength which is visible within the wavelength range is in the range, for example, in the ultraviolet or in the infrared range
Wellenlänge geändert bzw. umgeschaltet, so kann dadurch der Wavelength changed or switched so it can be the
Transmissionsgrad im Wellenlängenbereich sichtbaren Lichts eingestellt, insbesondere reduziert werden. Transmittance in the wavelength range of visible light set, in particular reduced.
Es kann auch vorgesehen werden, insbesondere wenn der Filter als It can also be provided, especially if the filter as
Bandpass-Filter ausgebildet ist, den beobachteten Wellenlängenbereich, beispielsweise zwischen sichtbarer und infraroter Strahlung, auszuwählen bzw. umzuschalten. Vorteilhafterweise kann dazu vorgesehen werden, dass auch weitere Elemente entlang des Beobachtungsstrahlengangs, insbesondere die Kamera, auf den jeweils beobachteten Bandpass filter is designed to select or switch the observed wavelength range, for example, between visible and infrared radiation. Advantageously, it can be provided that also other elements along the observation beam path, in particular the camera, on each observed
Wellenlängenbereich eingestellt werden und/oder zur Beobachtung in allen beobachteten Wellenlängenbereichen ausgebildet sind. Wavelength range are set and / or formed for observation in all observed wavelength ranges.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen werden, nur innerhalb eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs den Transmissionsgrad des Filters einzustellen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Transmission des Filters mit einem vordefinierten Zeitversatz, insbesondere einem zeitlichen Vorlauf, zu den Aufnahmezeitpunkten und/oder den Zeitpunkten der Alternatively or additionally, it may also be provided to set the transmittance of the filter only within a predetermined wavelength range. It is particularly advantageous if the transmission of the filter with a predefined time offset, in particular a time lead, at the recording times and / or the times of the
Helligkeitsänderungen der Beleuchtungsquelle geändert wird. Dadurch können auf einfache Weise Schaltzeiten bzw. Einstellgeschwindigkeiten des Filters berücksichtigt werden, so dass ein Bild mit hoher Sicherheit mit der gewünschten Transmission des einstellbaren Filters aufgenommen werden kann. Brightness changes the illumination source is changed. As a result, switching times or setting speeds of the filter can be taken into account in a simple manner, so that an image with high reliability can be recorded with the desired transmission of the adjustable filter.
Der Transmissionsgrad des Filters kann in Abhängigkeit von einer The transmittance of the filter can vary depending on a
Messaufgabe, beispielsweise einer Aufnahme von Strahlung des Measuring task, such as a recording of radiation of the
Bearbeitungsprozesses, einer Aufnahme unter Auflichtbeleuchtung eines Werkstücks, der Nahtlageregelung und/oder Nahtqualitätskontrolle, eingestellt werden. Somit kann die auf die Kamera während der Aufnahme eintreffende Lichtmenge bedarfsgerecht in Abhängigkeit von der Machining process, a recording under incident illumination of a workpiece, the seam position control and / or seam quality control set. Thus, the amount of light arriving on the camera during the recording can be adjusted as needed in accordance with the
jeweiligen Messaufgabe gesteuert werden. Auch kann vorgesehen werden, den beobachteten Wellenlängenbereich je nach Messaufgabe einzustellen bzw. auszuwählen. respective measuring task to be controlled. It can also be provided to set or select the observed wavelength range depending on the measurement task.
Vorzugsweise kann die Helligkeit der Beleuchtungsquelle, die Preferably, the brightness of the illumination source, the
Belichtungszeit und/oder die Aufnahmeempfindlichkeit der Kamera in Abhängigkeit von der eingestellten Transmission des Filters gewählt werden. Somit können weitere Aufnahmeparameter, die die auf die Exposure time and / or the recording sensitivity of the camera depending on the set transmission of the filter can be selected. Thus, other recording parameters, the on the
Kamera auftreffende Lichtmenge und/oder die Bildqualität zusätzlich steuern, abgestimmt zur Transmission des Filters eingestellt bzw. Camera incident light quantity and / or additionally control the image quality, tuned to the transmission of the filter set or
geschaltet werden. be switched.
Insbesondere kann vorgesehen werden, dass zunächst die Transmission des Filters eingestellt wird, anschließend oder zeitgleich die In particular, it can be provided that first the transmission of the filter is adjusted, then or at the same time
Beleuchtungsquelle eingestellt, insbesondere ein- oder ausgeschaltet, wird und sodann ein Bild durch die Kamera aufgenommen wird. Somit können auf einfache Weise unterschiedliche Einstellgeschwindigkeiten des Filters und/oder der Beleuchtungsquelle berücksichtigt werden. Lighting source set, in particular on or off, is and then a picture is taken by the camera. Thus, different adjustment speeds of the filter and / or the illumination source can be taken into account in a simple manner.
In einer alternativen Verfahrensvariante wird die Transmission des Filters in wenigstens zwei unterschiedlichen Bereichen (Pixeln) des Filters auf unterschiedliche Transmissionsgrade gesteuert eingestellt. Somit kann der einstellbare Filter als optische Maske verwendet werden. Beispielsweise können verhältnismäßig dunkle Zonen des Beobachtungsbereichs eines zu beobachtenden bzw. zu bearbeitenden Werkstücks wenig gefiltert werden und gleichzeitig besonders helle Zonen des Beobachtungsbereichs sehr stark gefiltert werden. Die Einstellungen der Filterbereiche können dabei während des beobachteten Laserbearbeitungsprozesses unverändert bleiben. In an alternative variant of the method, the transmission of the filter in at least two different regions (pixels) of the filter is set to be controlled to different degrees of transmission. Thus, the adjustable filter can be used as an optical mask. For example, relatively dark zones of the observation area of a workpiece to be observed or processed can be filtered little and, at the same time, very bright zones of the observation area can be very heavily filtered. The settings of the filter areas can remain unchanged during the observed laser processing process.
Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Filter in mindestens zwei, insbesondere in viele Bereiche (Pixel) unterteilt werden. Physikalisch kann sich dabei ein Bereich (Pixel) bezüglich seiner In this variant of the method according to the invention, the filter can be subdivided into at least two, in particular into many areas (pixels). Physically, this can be an area (pixel) with respect to its
Transmission wie ein eigenständiger, schnell geschalteter Filter verhalten. Es lassen sich in den Bereichen unterschiedliche Transmissionsgrade in einem gewissen Kontrastverhältnis einstellen. Diese Einstellung kann ortsaufgelöst erfolgen, bevor eine Messung gestartet wird. Transmission behave like a standalone, fast switched filter. It can be set in the areas of different degrees of transmission in a certain contrast ratio. This setting can be spatially resolved before a measurement is started.
Innerhalb des von der Kamera aufgenommenen Bildes können mehrere Messbereiche bzw. Messfenster vorgesehen werden, wobei die Auswertung der gewonnenen Bilddaten auf diese Messfenster beschränkt werden kann. Within the image recorded by the camera, several measurement areas or measurement windows can be provided, wherein the evaluation of the acquired image data can be limited to these measurement windows.
Für jeden gewünschten Messbereich bzw. jedes Messfenster, For each desired measuring range or measuring window,
beispielsweise vor- und nachlaufend zum Prozessort und am Prozessort, kann im Filter ein geeigneter Transmissionsgrad voreingestellt werden, der für die jeweils anstehende Messaufgabe, beispielsweise abhängig vom Werkstückmaterial und/oder der Laserleistung, geeignet ist. for example, leading and trailing to the processing location and at the processing location, a suitable transmittance can be preset in the filter, which is suitable for the respective measuring task, for example, depending on the workpiece material and / or the laser power.
Zur Einstellung der Bereiche kann eine Steuereinheit vorgesehen werden, welche es erlaubt, die Transmissionsgrade der einzelnen Bereiche (Pixel) gesteuert einzustellen und beispielsweise über eine entsprechende digitale Schnittstelle mit einer Bildverarbeitungseinheit zu kommunizieren. Das Verändern des Transmissionsgrads kann in dieser Verfahrensvariante auch unabhängig von einer Messung bzw. Aufnahme erfolgen. Dadurch kann auch eine Kommunikationsschnittstelle zwischen der Steuereinheit des Filters und der Bildverarbeitungseinheit mit geringer To set the areas, a control unit can be provided which allows the transmission levels of the individual areas (pixels) to be adjusted in a controlled manner and, for example, to be communicated to an image processing unit via a corresponding digital interface. Changing the transmittance can also be done independently of a measurement or recording in this process variant. As a result, a communication interface between the control unit of the filter and the image processing unit can also be lower
Übertragungsgeschwindigkeit verwendet werden. Zudem kann ein höherer Kontrast des Filters zwischen minimaler und maximaler Transmission erreicht werden, da längere Einstell- bzw. Umschaltzeiten ermöglicht werden. Transmission speed can be used. In addition, a higher contrast of the filter between minimum and maximum transmission can be achieved, as longer setting or switching times are possible.
Das gesteuert einstellbare räumliche Transmissionsprofil des Filters kann abhängig von einer jeweils gewünschten Anwendung bzw. einer Messbzw. Bildverarbeitungsaufgabe gewählt werden. Das Transmissionsprofil für eine bestimmte Messaufgabe kann beispielsweise als The controlled adjustable spatial transmission profile of the filter can depend on a respective desired application or a Messbzw. Image processing task to be selected. The transmission profile for a specific measurement task can be described, for example, as
Konfigurationsdatensatz in der Steuereinheit vorgesehen werden und beispielsweise durch einen Bediener, durch ein Maschinenprogramm einer Laserbearbeitungsmaschine über eine entsprechende Schnittstelle und/oder durch die Bildverarbeitungseinheit selbst auswählbar sein. Configuration data set may be provided in the control unit and be selectable for example by an operator, by a machine program of a laser processing machine via a corresponding interface and / or by the image processing unit itself.
Bei dieser Verfahrensvariante kann die Bildaufnahme für verschiedene Messfenster zeitgleich über einen großen Bildbereich mit derselben In this variant of the method, the image acquisition for different measurement windows at the same time over a large image area with the same
Belichtungszeit erfolgen, wodurch die Messgeschwindigkeit gesteigert werden kann. Die Einstellung des Transmissionsgrads vor den Messfenstern kann bei dieser Verfahrensvariante im Verlauf der Messung unverändert bleiben. Exposure time, whereby the measurement speed can be increased. The setting of the transmittance in front of the measuring windows can remain unchanged in the course of the measurement in this process variant.
Angepasst an die Mess- bzw. Beobachtungsaufgabe und an die Parameter des zu beobachtenden Prozesses können die Transmissionsgrade jedoch auch gesteuert und flexibel zwischen zwei Messungen verändert werden. Adapted to the measuring or observation task and to the parameters of the process to be observed, however, the transmittances can also be controlled and flexibly changed between two measurements.
Die Bildaufnahme kann in dieser Verfahrensvariante für alle Messfenster zeitgleich erfolgen. Alternativ können Bildaufnahmen für die einzelnen Messfenster nacheinander erfolgen, um beispielsweise unterschiedliche Belichtungszeiten der Kamera nutzen zu können. The image acquisition can be done simultaneously in this process variant for all measurement windows. Alternatively, image recordings for the individual measurement windows can take place one after the other in order, for example, to be able to use different exposure times of the camera.
Außerdem kann es sinnvoll sein, die Position der Messfenster und/oder die Position einzelnen Transmissionsbereiche während eines Messlaufs zu ändern, um beispielsweise den Einfluss von Erwärmung der optischen Komponenten im Laserstrahlengang zu kompensieren. Die Nachführung der Positionen kann dabei von Bild zu Bild erfolgen; es kann jedoch auch ein langsameres Nachführen über mehrere Kamerabilder hinweg In addition, it may be useful to change the position of the measurement window and / or the position of individual transmission ranges during a measurement run, for example to compensate for the influence of heating of the optical components in the laser beam path. The tracking of the positions can take place from picture to picture; however, it can also slow down tracking over multiple camera images
vorgesehen werden. be provided.
Mögliche Anwendungen dieser Verfahrensvariante können beispielsweise sein : Possible applications of this process variant may be, for example:
- Umschalten des Transmissionsgrads in einem vorlaufenden - Switching the transmittance in a leading
Messfenster zwischen z.B. 80%, wenn eine Auflichtmessung zur Nahtlageregelung beim Laserschweißen genutzt werden soll, und 10% beim Einsatz einer Lichtschnittmessung. Measuring window between e.g. 80%, if an incident light measurement for seam position control during laser welding is to be used, and 10% when using a light section measurement.
- Gesteuerte Anpassung der räumlichen Position und/oder - Controlled adjustment of the spatial position and / or
Ausdehnung eines den Laser-Brennfleck beinhaltenden Messfensters an eine Verschiebung (Drift) der Laser-Brennfleckposition im Extension of a measuring window containing the laser focal spot to a shift (drift) of the laser focal spot position in
Kamerabild. Camera image.
- Anpassung des Abstands des vorlaufenden und/oder nachlaufenden Messfensters von der Position des Laser-Brennflecks in Abhängigkeit von Prozessparametern. - Adjustment of the distance of the leading and / or trailing measurement window from the position of the laser focal spot in dependence on process parameters.
- Ändern des Transmissionsgrads des einstellbaren Filters an der Changing the transmittance of the adjustable filter at the
Position des Laser-Brennflecks zwischen Einrichtbetrieb und Position of the laser focal spot between setup mode and
Prozessbetrieb: Process mode:
• Einrichten: z.B. 80% Transmission für Auflichtmessung einer • Setup: e.g. 80% transmission for incident light measurement
Referenzmarke an einem Testwerkstück. Reference mark on a test workpiece.
• Prozessbetrieb: z.B. 10% Transmission für die Messung des • process operation: e.g. 10% transmission for the measurement of
Laserbrennflecks. Laser focal spot.
In den Rahmen der Erfindung fällt des Weiteren eine The scope of the invention further includes a
Beobachtungsvorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, mit einer Kamera, mindestens einer zusätzlichen Beleuchtungsquelle und einem in einem Beobachtungsstrahlengang der Kamera angeordneten einstellbaren Filter, wobei die Observation device, in particular for carrying out the method according to the invention, with a camera, at least one additional illumination source and an adjustable filter arranged in an observation beam path of the camera, wherein the
Beobachtungsvorrichtung eine Steuereinheit aufweist, die eingerichtet ist, die Transmission des Filters in wenigstens zwei unterschiedlichen Observation device comprises a control unit which is adapted to the transmission of the filter in at least two different
Bereichen des Filters auf unterschiedliche Transmissionsgrade Areas of the filter to different transmittances
einzustellen, und/oder wobei die Beobachtungsvorrichtung eine adjust, and / or wherein the observation device a
Synchronisationseinheit aufweist, die eingerichtet ist, die Transmission zumindest in einem Bereich des Filters mit Aufnahmezeitpunkten der Kamera und/oder mit Zeitpunkten von Helligkeitsänderungen der zusätzlichen Beleuchtungsquelle(n) synchronisiert auf verschiedene Synchronization unit, which is set up, the transmission at least in an area of the filter with recording times of the camera and / or with times of brightness changes of the additional illumination source (s) synchronized to different
Transmissionsgrade einzustellen. Adjust transmission levels.
Es kann vorgesehen sein, dass der Filter als Neutraldichtefilter ausgebildet ist. Somit kann die Transmission des Filters weitgehend farbneutral eingestellt werden. Ein Neutraldichtefilter stellt ferner eine einfache It can be provided that the filter is designed as a neutral density filter. Thus, the transmission of the filter can be largely neutral in color be set. A neutral density filter also provides a simple
Möglichkeit dar, die Transmission ohne Veränderungen der Schärfentiefe des aufzunehmenden Bildes einzustellen. Possibility to adjust the transmission without changing the depth of field of the image to be recorded.
Die Kamera kann als Flächendetektor ausgebildet sein. Die Kamera kann beispielsweise ein CCD-Element und/oder ein CMOS-Element aufweisen. The camera can be designed as a surface detector. The camera may for example comprise a CCD element and / or a CMOS element.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Transmission des Filters elektrisch geschaltet auf unterschiedliche Transmissionsgrade einstellbar ist. Dazu kann der Filter wenigstens ein Flüssigkristall-Element aufweisen. Der Filter kann beispielsweise als LCD-Element ausgebildet sein. It is particularly advantageous if the transmission of the filter is electrically switched to different degrees of transmission is adjustable. For this purpose, the filter may comprise at least one liquid crystal element. The filter may be formed, for example, as an LCD element.
Dabei kann es besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass das It may be particularly preferred that the
Flüssigkristall-Element mit einer Wechselspannung, bevorzugt mit einer Rechteckwechselspannung, angesteuert wird. Insbesondere, wenn der Filter als LCD-Element gebildet ist, können so unerwünschte Liquid crystal element with an AC voltage, preferably with a square-wave AC voltage is driven. In particular, when the filter is formed as an LCD element, so unwanted
Gleichspannungs-Kriechströme vermieden werden, die eine DC creepage currents are avoided, the one
Flüssigkristallschicht des LCD-Elements aufgrund einer unerwünschten Ionenmigration mittelfristig zerstören könnten. Liquid crystal layer of the LCD element could destroy in the medium term due to unwanted ion migration.
Es kann vorgesehen werden, dass der Filter einen Flüssigkristall-Retarder aufweist. Es kann insbesondere vorgesehen werden, einzelne variable Flüssigkristall-Retarder zu kombinieren. Auch können mehrere It can be provided that the filter has a liquid crystal retarder. In particular, it may be provided to combine individual variable liquid crystal retarders. Also, several can
Flüssigkristall-Zellen kombiniert werden. Eine einstellbare Transmission kann auch dadurch erreicht werden, dass ein Flüssigkristallmodul, z.B. monolithisch in einem optischen Element, mit Polarisatoren kombiniert wird. Zur Einstellung können dann die Polarisatoren um vorgebbare Liquid crystal cells are combined. Adjustable transmission can also be achieved by using a liquid crystal module, e.g. monolithic in an optical element combined with polarizers. For adjustment, the polarizers can then be specified
Winkel und in vorgebbare Drehrichtungen rotiert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Filter ein Angle and be rotated in predetermined directions of rotation. It is particularly advantageous if the filter is a
Transmissionseinstellverhältnis von mindestens 2: 1 aufweist. Unter Transmissionseinstellverhältnis wird dabei das Verhältnis des maximal zum minimal einstellbaren Transmissionsgrad verstanden. Bereits ein Transmissionseinstellverhältnis des einstellbaren Filters von 2: 1 ergibt bereits deutliche Vorteile gegenüber einem System ohne einstellbaren bzw. schaltbaren Filter. Insbesondere können dadurch besonders hohe Messraten während der Überwachung bzw. Beobachtung erreicht werden. Ein Transmissionseinstellverhältnis von 2: 1 ermöglicht bereits ungefähr eine Verdopplung der erzielbaren Messrate gegenüber einer Transmission setting of at least 2: 1. Transmission ratio is understood to be the ratio of the maximum transmittance that can be set to a minimum. Already a transmission setting ratio of the adjustable filter of 2: 1 already gives clear advantages over a system without adjustable or switchable filter. In particular, particularly high measurement rates can be achieved during monitoring or observation. A transmission setting ratio of 2: 1 already allows approximately a doubling of the achievable measuring rate over one
herkömmlichen Beobachtung ohne einstellbaren Filter. Somit kann der Laserbearbeitungsprozess mit verbesserter Genauigkeit beobachtet werden. conventional observation without adjustable filter. Thus, the laser processing process can be observed with improved accuracy.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Filter eine Schaltzeit von höchstens 5ms, bevorzugt zwischen l s und 5ms, aufweist. Dabei ist unter It is particularly preferred if the filter has a switching time of at most 5 ms, preferably between 1 s and 5 ms. It is under
Schaltzeit die Zeitdauer von einer Einstellung eines Transmissionsgrades zu einer nächsten Einstellung zu verstehen. Auf diese Weise wird eine erforderliche Synchronisation des Einstellvorganges mit der Bildaufnahme durch die Kamera prozesssicher ermöglicht. Switching time to understand the length of time from a setting of a transmittance to a next setting. In this way, a required synchronization of the adjustment process with the image acquisition by the camera is reliably possible.
Wenn der Filter in einem Spektralbereich von 400 bis 950 nm When the filter is in a spectral range of 400 to 950 nm
transmittiert, kann die Transmission weitgehend im Wellenlängenbereich sichtbaren Lichts geändert werden. transmits, the transmission can be largely changed in the wavelength range of visible light.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Filter eine freie Apertur von mindestens 1 mm, bevorzugt zwischen 1mm und 20mm aufweist. So kann sichergestellt werden, dass am Filter keine unerwünschten It can preferably be provided that the filter has a free aperture of at least 1 mm, preferably between 1 mm and 20 mm. This ensures that there are no unwanted filters on the filter
Beugungseffekte auftreten. Gleichzeitig kann der Bauraumbedarf des Filters hinreichend klein gehalten werden. Es kann vorgesehen sein, dass der Beobachtungsstrahlengang zumindest in einem Abschnitt koaxial zu einem Bearbeitungsstrahl verläuft. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Beobachtungsstrahlengang off-axial zu dem Bearbeitungsstrahl, mit anderen Worten schräg zum Diffraction effects occur. At the same time, the space requirement of the filter can be kept sufficiently small. It can be provided that the observation beam path runs at least in a section coaxial with a processing beam. Alternatively it can be provided that the observation beam path off-axial to the processing beam, in other words obliquely to
Bearbeitungsstrahl, verläuft. Processing beam, runs.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Synchronisationseinheit ausgebildet ist, wenigstens ein erstes Steuersignal zur zeitlich synchronisierten When the synchronization unit is designed, it is particularly advantageous for at least a first control signal to be synchronized with respect to time
Steuerung der Transmission des Filters und/oder der Aufnahmezeitpunkte der Kamera und/oder der Zeitpunkte von Helligkeitsänderungen der zusätzlichen Beleuchtungsquelle zu generieren. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Synchronisationseinheit mehrere Steuersignale, insbesondere jeweils wenigstens eines je zu steuerndem Element, erzeugt. Die Steuersignale können insbesondere zur zeitlichen To generate control of the transmission of the filter and / or the recording times of the camera and / or the times of brightness changes of the additional illumination source. It can be provided in particular that the synchronization unit generates a plurality of control signals, in particular in each case at least one element to be controlled. The control signals can in particular for temporal
Synchronisation bzw. Steuerung des Filters, der Kamera und/oder der zusätzlichen Beleuchtungsquelle dienen. Die Steuersignale können auch zur Steuerung weiterer Einstellungen genutzt werden, beispielsweise zur Variation der Leistung der zusätzlichen Beleuchtungsquelle, zur Synchronization or control of the filter, the camera and / or the additional illumination source serve. The control signals can also be used to control other settings, for example to vary the power of the additional illumination source, for
Helligkeitsregelung bzw. Empfindlichkeitsregelung der Kamera und dergleichen. Brightness control or sensitivity control of the camera and the like.
Dazu kann die Synchronisationseinheit als Rechnereinheit ausgebildet sein oder einen Teil einer Rechnereinheit, insbesondere der For this purpose, the synchronization unit can be designed as a computer unit or a part of a computer unit, in particular the
Bildverarbeitungsrechnereinheit, bilden. Image processing unit, form.
Es kann vorgesehen sein, dass die Beobachtungsvorrichtung eine It can be provided that the observation device a
Echtzeit-Computerprogrammkomponente zur Generierung wenigstens eines Synchronisationssteuersignales aufweist. Vorteilhafterweise kann die Echtzeit-Computerprogrammkomponente in einem Speicherbereich der Rechnereinheit ausführbar abgespeichert sein. Dadurch ist es möglich, die Echtzeit-Computerprogrammkomponente auf der Rechnereinheit Real-time computer program component for generating at least one synchronization control signal. Advantageously, the real-time computer program component in a memory area of the Computing unit executable stored. This makes it possible to have the real-time computer program component on the computer unit
auszuführen. perform.
Die Echtzeit-Computerprogrammkomponente kann insbesondere In particular, the real-time computer program component
ausgebildet sein, das wenigstens eine Synchronisationssteuersignal zu generieren und an die Synchronisationseinheit zu liefern. Somit können auf einfache Weise zur synchronisierten Steuerung erforderliche be configured to generate the at least one synchronization control signal and to deliver to the synchronization unit. Thus, in a simple way required for synchronized control
Steuerungsaufgaben realisiert werden. Control tasks are realized.
Die Echtzeit-Computerprogrammkomponente kann dazu als eigenständige Echtzeit-Programmkomponente gestaltet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Rechnereinheit mit einem Echtzeit-Betriebssystem The real-time computer program component can be designed as an independent real-time program component. It can also be provided that the computer unit with a real-time operating system
ausgestattet ist, das die Echtzeit-Computerprogrammkomponente unter Echtzeitbedingungen ausführt. Durch die Ausgestaltung als Echtzeit- Computerprogrammkomponente kann in vorteilhafter Weise sichergestellt werden, dass die von der Synchronisationseinheit gebildeten Steuersignale entsprechend der jeweiligen Steueraufgabe nicht nur korrekt sondern auch rechtzeitig bereitgestellt werden können. equipped real-time computer program component under real-time conditions. The configuration as a real-time computer program component can advantageously ensure that the control signals formed by the synchronization unit can be provided not only correctly but also on time in accordance with the respective control task.
Die Synchronisationseinheit kann als Triggerboard ausgebildet sein. Das Triggerboard kann in besonders vorteilhaften Ausführungen durch von einem die aufgenommenen Bilder weiterverarbeitenden Framegrabber bzw. einem in diesem implementierten codierten Ablauf gesteuert werden. Der Framegrabber kann ebenfalls Teil der Rechnereinheit sein. Auch kann in alternativen Ausführungen vorgesehen sein, die Synchronisationseinheit auf einer eigenständigen Steuerplatine und/oder in der Kamera The synchronization unit can be designed as a trigger board. In particularly advantageous embodiments, the trigger board can be controlled by a frame grabber processing the images recorded or by a coded process implemented in the latter. The frame grabber can also be part of the computer unit. Also may be provided in alternative embodiments, the synchronization unit on an independent control board and / or in the camera
auszubilden. Die Beobachtungsvorrichtung, vorzugsweise die Synchronisationseinheit und/oder die Echtzeit-Computerprogrammkomponente, kann ein train. The monitoring device, preferably the synchronization unit and / or the real-time computer program component, can be
Verzögerungselement zur Verzögerung eines Steuersignals aufweisen. Das Verzögerungselement kann beispielsweise als Programmelement der Echtzeit-Computerprogrammkomponente gebildet sein. Auch kann das Verzögerungselement als elektronische Schaltung, vorzugsweise als Teil der Synchronisationseinheit, gebildet sein. Ist beispielsweise das Have delay element for delaying a control signal. The delay element can be formed, for example, as a program element of the real-time computer program component. Also, the delay element may be formed as an electronic circuit, preferably as part of the synchronization unit. Is that for example
Steuersignal Impuls-basiert, so kann das Verzögerungselement die Control signal pulse-based, so the delay element can
Impulse des Steuersignals um eine vordefinierte Zeitdauer verzögern. Delay pulses of the control signal by a predefined period of time.
Durch das Verzögerungselement kann insbesondere eines der In particular, one of the
Steuersignale der Synchronisationseinheit gegenüber einem der anderen Steuersignale der Synchronisationseinheit zeitlich verzögert bzw. versetzt werden. Insbesondere kann das Steuersignal, das die Kamera steuert, gegenüber einem Steuersignal, das den einstellbaren Filter und/oder die zusätzliche Beleuchtungsquelle steuert, um wenigstens die Zeitdauer verzögert werden, die der einstellbare Filter zur Einstellung eines nächsten Transmissionsgrades und/oder die zusätzliche Beleuchtungsquelle zur Einstellung einer nächsten Helligkeit benötigt. Somit können durch die vordefinierte Verzögerung die einzelnen Komponenten zueinander noch besser zeitlich abgestimmt werden. Insbesondere können auch sonstige durch die Komponenten verursachte Verzögerungen und/oder ein möglicher Jitter ausgeglichen werden. Control signals of the synchronization unit with respect to one of the other control signals of the synchronization unit delayed or offset. In particular, the control signal that controls the camera may be delayed from a control signal that controls the adjustable filter and / or the additional illumination source by at least the amount of time that the adjustable filter sets for setting a next transmittance and / or the additional illumination source for adjustment a next brightness needed. Thus, the predefined delay, the individual components to each other even better timed. In particular, other delays caused by the components and / or a possible jitter can also be compensated.
Die Steuereinheit kann als separates Modul ausgebildet sein. Sie kann insbesondere an einem Bearbeitungskopf einer The control unit can be designed as a separate module. It can in particular on a machining head of a
Laserbearbeitungsmaschine, in einem Schaltschrank oder in der Laser processing machine, in a control cabinet or in the
Bildverarbeitungsrechnereinheit angeordnet sein. Alternativ kann die Steuereinheit auch in die Rechnereinheit bzw. die Synchronisationseinheit bzw. das Triggerboard und/oder in die Echtzeit- Computerprogrammkomponente integriert oder als weitere auf der Be arranged image processing computer unit. Alternatively, the control unit can also be integrated into the computer unit or the synchronization unit or the trigger board and / or into the real-time computer. Computer program component integrated or as more on the
Rechnereinheit ausführbar installierbare Echtzeit- Computerprogrammkomponente ausgebildet sein. Computer unit executable installable real-time computer program component be formed.
Die Steuereinheit kann eine Schnittstelle zu weiteren The control unit can interface with others
Bildverarbeitungseinheiten, zu weiteren Sensorik- und/oder zu weiteren Maschinensteuerungen aufweisen. Über diese Schnittstelle kann eine Parametrisierung und Ansteuerung des Filters erfolgen. Die Have image processing units, to further sensor and / or other machine controls. This interface can be used to parameterize and control the filter. The
Parametrisierung kann dadurch besonders einfach erfolgen. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Parametrisierung manuell durch einen Bediener, automatisiert, über Softwarealgorithmen und/oder externe Schnittstellen angepasst werden kann. Parameterization can be done very easily. Furthermore, it can be provided that the parameterization can be adjusted manually by an operator, automated, via software algorithms and / or external interfaces.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Beobachtungsvorrichtung einen im Beobachtungsstrahlengang angeordneten spektralen Filter aufweist. Somit können beispielsweise kühlere und in der Regel dunklere Zonen mit niedriger Farbtemperatur schwächer und gleichzeitig heißere und somit in der Regel hellere Zonen mit höherer Farbtemperatur stärker gefiltert werden. Auch kann der spektrale Filter beispielsweise den einstellbaren Filter und/oder die Kamera vor Beschädigung durch von einem zu Furthermore, it can be provided that the observation device has a spectral filter arranged in the observation beam path. Thus, for example, cooler and usually darker zones with low color temperature can be filtered weaker and at the same time hotter and therefore generally lighter zones with higher color temperature. Also, the spectral filter, for example, the adjustable filter and / or the camera against damage from one to
bearbeitenden bzw. zu beobachtenden Werkstück ausgehender machining or observing workpiece outgoing
Rückreflexion bzw. Abstrahlung von Wärmestrahlung schützen. Protect back reflection or radiation from heat radiation.
Ferner kann es vorgesehen sein, dass die Beobachtungsvorrichtung ein im Beobachtungsstrahlengang angeordnetes Beobachtungsobjektiv aufweist, wobei der spektrale Filter zwischen dem Werkstück und dem Furthermore, provision may be made for the observation device to have an observation objective arranged in the observation beam path, wherein the spectral filter is arranged between the workpiece and the object
Beobachtungsobjektiv und der einstellbare Filter zwischen dem Observation lens and the adjustable filter between the
Beobachtungsobjektiv und der Kamera angeordnet sein können. Observation lens and the camera can be arranged.
Insbesondere kann der einstellbare Filter dicht vor der Kamera angeordnet werden. Des Weiteren fällt in den Bereich der Erfindung eine In particular, the adjustable filter can be placed close to the camera. Furthermore, it is within the scope of the invention
Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einer Beobachtungsvorrichtung gemäß der Erfindung. Die Laser processing device for processing a workpiece with an observation device according to the invention. The
Laserbearbeitungsvorrichtung kann dabei als Laserschweißvorrichtung, als Laserschneidvorrichtung und/oder als Laserscanvorrichtung ausgebildet sein. Laser processing device can be designed as a laser welding device, as a laser cutting device and / or as a laser scanning device.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Further advantages of the invention will become apparent from the following
Beschreibung von Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein. Es zeigen : Description of variants of the method according to the invention and of exemplary embodiments of the devices according to the invention, with reference to the figures of the drawing, which show details essential to the invention, as well as from the claims. The features shown there are not necessarily to scale and presented in such a way that the features of the invention can be made clearly visible. The various features may be implemented individually for themselves or for a plurality of combinations in variants of the invention. Show it :
Fig. 1 eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Fig. 1 shows a laser processing apparatus with a
Beobachtungsvorrichtung gemäß der Erfindung; Observation device according to the invention;
Fig. 2a eine schematische Darstellung der aus einer gemäß der bis 2c Erfindung synchronisierten Steuerung einer Kamera, einem einstellbaren Filter und einer Beleuchtungsquelle FIG. 2a shows a schematic representation of the control of a camera, an adjustable filter and an illumination source synchronized according to FIGS. 2c to 2c
resultierenden Zeitverläufe und resulting time courses and
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines einstellbaren Filters mit drei auf unterschiedliche Transmissionsgrade eingestellten Bereichen. Die Figur 1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Laserbearbeitungsvorrichtung 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 ein Laserschweißgerät. Die Fig. 3 is a schematic representation of an adjustable filter with three areas set to different degrees of transmission. 1 shows in a first embodiment of the invention, a laser processing apparatus 1. In this embodiment, the laser processing apparatus 1 is a laser welding apparatus. The
Laserbearbeitungsvorrichtung 1 weist einen Laser 2 auf, der ein Laser processing apparatus 1 comprises a laser 2, the one
Werkstück 3 mittels eines Bearbeitungsstrahls 6 bearbeitet, d.h. Workpiece 3 is processed by means of a machining beam 6, i.
laserschweißt. laser welded.
Der Laserschweißvorgang, allgemein der Laserbearbeitungsprozess, wird durch eine Beobachtungsvorrichtung 4 beobachtet bzw. überwacht. Die Beobachtungsvorrichtung 4 weist dazu eine Kamera 10 auf. Die Kamera 10 ist als Flächendetektor mit einem CMOS-basierten Fotosensorelement ausgebildet. The laser welding process, generally the laser processing process, is monitored by an observation device 4. The observation device 4 has a camera 10 for this purpose. The camera 10 is designed as a surface detector with a CMOS-based photosensor element.
Entlang ihres Beobachtungsstrahlenganges 5 ist ein gesteuert einstellbarer bzw. zwischen verschiedenen Transmissionsgraden schaltbarer Filter 11 angeordnet. Der einstellbare bzw. schaltbare Filter 11 ist als Along its observation beam path 5 is a controllable adjustable or switchable between different degrees of transmission filter 11 is arranged. The adjustable or switchable filter 11 is as
teiltransparentes LCD-Element ausgebildet. Er weist einen Spektralbereich von 400 bis 950 nm und eine freie Apertur von 20mm auf. In diesem Spektralbereich wirkt der Filter 11 als Neutraldichtefilter bzw. ist als solcher in diesem Spektralbereich ausgebildet. Durch den Filter 11 hindurchtretendes Licht wird somit entsprechend einem jeweils partially transparent LCD element formed. It has a spectral range of 400 to 950 nm and a free aperture of 20mm. In this spectral range, the filter 11 acts as a neutral density filter or is designed as such in this spectral range. Light passing through the filter 11 thus becomes corresponding to one, respectively
eingestellten Transmissionsgrad weitgehend farbneutral geschwächt. adjusted transmittance largely neutral color neutral.
Als LCD-Element ausgebildet, erlaubt es der Filter 11, pixelweise durch geeignete elektrische Steuersignale angesteuert zu werden und somit unterschiedliche Bereiche seiner Filterfläche auf unterschiedliche Designed as an LCD element, the filter 11 allows pixel-wise to be controlled by suitable electrical control signals and thus different areas of its filter surface to different
Transmissionsgrade einzustellen. Somit kann auf dem Filter 11 ein einstellbares Muster mit unterschiedlichen Transmissionsgraden erzeugt werden. Dabei beträgt das Transmissionseinstellverhältnis des Filters 11 mindestens 2: 1, beispielsweise 100: 1. Adjust transmission levels. Thus, an adjustable pattern with different degrees of transmission can be produced on the filter 11 become. The transmission setting ratio of the filter 11 is at least 2: 1, for example 100: 1.
Mit seiner Filterfläche überdeckt der einstellbare Filter 11 das With its filter surface of the adjustable filter 11 covers the
Fotosensorelement der Kamera 10. Photosensor element of the camera 10.
Entlang des Beobachtungsstrahlenganges 5 ist ein Objektiv 13 dem einstellbaren Filter 11 vorgelagert. Along the observation beam path 5, an objective 13 is disposed upstream of the adjustable filter 11.
Wiederum dem Objektiv 13 entlang des Beobachtungsstrahlengangs 5 vorgelagert ist ein spektraler Filter 14. Der spektrale Filter 14 dient zur Vorfilterung des auf die Kamera 10 eintreffenden Lichtes. Auch dient der spektrale Filter 14 zum Schutz des einstellbaren Filters 11 und der Kamera 10 gegenüber zu intensiver Wärmestrahlung. In front of the objective 13 along the observation beam path 5, a spectral filter 14 is disposed in front of it. The spectral filter 14 serves for pre-filtering the light incident on the camera 10. Also, the spectral filter 14 serves to protect the adjustable filter 11 and the camera 10 against excessive heat radiation.
Ausgehend vom Laser 2 durchtritt ausgestrahltes Laserlicht 6 eine Starting from the laser 2 passes emitted laser light 6 a
Kollimationslinse 21 sowie einen Strahlteiler 22, um nachfolgend durch eine Fokussierlinse 23 auf einen Brennpunkt 24 am Werkstück 3 fokussiert zu werden. Collimating lens 21 and a beam splitter 22 to be subsequently focused by a focusing lens 23 to a focal point 24 on the workpiece 3.
Vom Werkstück 3 bzw. vom Brennpunkt 24 sowie von einer an den From the workpiece 3 and the focal point 24 and from one to the
Brennpunkt 24 angrenzenden Prozesszone ausgehende Strahlung gelangt wiederum durch die Fokussierlinse 23. Am Strahlteiler 22 wird die auf diesen koaxial auftreffende Strahlung in den Beobachtungsstrahlengang 5 der Beobachtungsvorrichtung 4 umgelenkt. Somit tritt die Strahlung durch den spektralen Filter 14, das Objektiv 13 und den einstellbaren Filter 11 und trifft auf die Kamera 10. Focusing 24 adjacent process zone outgoing radiation in turn passes through the focusing lens 23. At the beam splitter 22, the incident on this coaxial radiation is deflected into the observation beam 5 of the observation device 4. Thus, the radiation passes through the spectral filter 14, the objective 13 and the adjustable filter 11 and impinges on the camera 10.
Um das Werkstück 3 außerhalb des Brennpunktes 24 zusätzlich zu beleuchten und dort ebenfalls beobachten zu können, ist ferner eine zusätzliche Beleuchtungsquelle 25 in Form einer Lichtschnitt-Beleuchtung off-axial, d. h. schräg zum Bearbeitungsstrahl 6, angeordnet. Außerdem ist eine weitere zusätzliche Beleuchtungsquelle 26 als Auflicht-Beleuchtung ringförmig um den Bearbeitungsstrahl 6 herum angeordnet. In order to additionally illuminate the workpiece 3 outside of the focal point 24 and also to be able to observe there, is also a additional illumination source 25 in the form of a light-section illumination off-axially, ie obliquely to the processing beam 6, respectively. In addition, a further additional illumination source 26 is arranged as a reflected-light illumination annularly around the processing beam 6 around.
Zum Schalten des Filters 11 zwischen verschiedenen Transmissionsgraden ist eine Synchronisationseinheit 15 über Steuerleitungen 16a, 16b, 16c, 16d mit den zusätzlichen Beleuchtungsquellen 25 und 26, einer For switching the filter 11 between different degrees of transmission is a synchronization unit 15 via control lines 16a, 16b, 16c, 16d with the additional illumination sources 25 and 26, a
Ansteuerelektronik 12 sowie der Kamera 10 verbunden. Die Control electronics 12 and the camera 10 connected. The
Ansteuerelektronik 12 ist über eine Steuerleitung 16e mit dem Control electronics 12 is connected via a control line 16e with the
einstellbaren Filter 11 verbunden. adjustable filter 11 connected.
Die Synchronisationseinheit 15 ist ausgebildet, mittels über die The synchronization unit 15 is formed by means of the
Steuerleitung 16a, 16b, 16c und 16d übertragenen Steuersignalen die Kamera 10, die Ansteuerelektronik 12 sowie die zusätzlichen Control line 16a, 16b, 16c and 16d transmitted control signals the camera 10, the control electronics 12 and the additional
Beleuchtungsquellen 25 und 26 synchronisiert anzusteuern. Lighting sources 25 and 26 synchronized to control.
Die Synchronisationseinheit 15 ist als Triggerboard einer The synchronization unit 15 is a triggerboard one
Bildverarbeitungsrechnereinheit 17 ausgebildet. In einem Speicherbereich der Bildverarbeitungsrechnereinheit 17 ist eine Image processing computer unit 17 is formed. In a storage area of the image processing computer unit 17 is a
Computerprogrammkomponente 18, die als Echtzeit- Computerprogrammkomponente ausgebildet ist, ausführbar Computer program component 18, which is designed as a real-time computer program component executable
abgespeichert. Die Computerprogrammkomponente 18 ist eingerichtet, Synchronisationssteuersignale zu generieren und an die stored. The computer program component 18 is configured to generate synchronization control signals and to the
Synchronisationseinheit 15 zu liefern. Dazu weist die Synchronization unit 15 to deliver. For this purpose, the
Computerprogrammkomponente 18 ein als Programmelement Computer program component 18 as a program element
ausgebildetes Verzögerungselement 19 auf. Das Verzögerungselement 19 verzögert Impulse eines als Impulsfolge ausgebildeten trained delay element 19. Delay element 19 delays pulses of a pulse train
Synchronisationssteuersignals für den Filter 11 um vordefinierte Synchronization control signal for the filter 11 by predefined
Zeitspannen und bildet hieraus Synchronisationssteuersignale bzw. Impulsfolgen für die zusätzlichen Beleuchtungsquellen 25, 26 und die Kamera 10. Time intervals and forms from this synchronization control signals or Pulse trains for the additional illumination sources 25, 26 and the camera 10.
Die Synchronisationseinheit 15 wandelt diese The synchronization unit 15 converts these
Synchronisationssteuersignale in auf die Kamera 10, die Synchronization control signals in on the camera 10, the
Ansteuerelektronik 12 sowie die zusätzlichen Beleuchtungsquellen 25 und 26 angepasste elektrische Steuersignale um und überträgt diese über die Steuerleitungen 16a, 16b, 16c, 16d. Control electronics 12 and the additional illumination sources 25 and 26 adapted electrical control signals and transmits them via the control lines 16a, 16b, 16c, 16d.
Die Ansteuerelektronik 12 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von dem über die Steuerleitung 16b empfangenen Steuersignal ein Ansteuersignal über die Steuerleitung 16e an den einstellbaren Filter 11 zu übertragen. Das Ansteuersignal ist dazu zweckmäßigerweise als Rechteckwechselspannung ausgebildet und wird zur Erzeugung eines gewünschten The control electronics 12 are designed to transmit a control signal via the control line 16e to the adjustable filter 11 as a function of the control signal received via the control line 16b. The drive signal is expediently designed as a rectangular alternating voltage and is used to generate a desired
Transmissionsgrads an den schaltbaren bzw. einstellbaren Filter 11 übertragen. Transmittance transmitted to the switchable or adjustable filter 11.
Mit der Ansteuerelektronik 12 des als LCD-Element ausgebildeten einstellbaren Filters 11 ist ferner eine Steuereinheit 20 über eine With the control electronics 12 of the adjustable filter 11 designed as an LCD element, a control unit 20 is also connected via a
Steuerleitung 16f verbunden, die die zur Ansteuerung eines pixelweisen Transmissionsmusters des Filters 11 notwendigen Steuersignale erzeugt. Verschiedene räumliche Transmissionsprofile des Filters 11 sind jeweils als Konfigurationsdatensatz in der Steuereinheit 20 gespeichert und werden durch die Bildverarbeitungsrechnereinheit 17 über eine Steuerleitung 16g, über die die Steuereinheit 20 mit der Bildverarbeitungseinheit 17 Control line 16f connected, which generates the necessary for driving a pixel-by-pixel transmission pattern of the filter 11 control signals. Various spatial transmission profiles of the filter 11 are each stored as a configuration data set in the control unit 20 and are processed by the image processing computer unit 17 via a control line 16 g, via which the control unit 20 to the image processing unit 17
verbunden ist, ausgewählt. In einer alternativen Ausgestaltung können die Konfigurationsdatensätze auch durch einen Bediener (z.B. am connected, selected. In an alternative embodiment, the configuration data sets may also be stored by an operator (e.g.
Steuerrechner des Gesamtsystems) oder durch ein Steuerprogramm der Laserbearbeitungsvorrichtung 1 über eine entsprechende Schnittstelle ausgewählt werden. In Abhängigkeit von einer vordefinierten Messaufgabe legt ein Konfigurationsdatensatz die Position und Ausdehnung einzelner Transmissionsbereiche des Filters 11 sowie den dort einzustellenden Control computer of the overall system) or be selected by a control program of the laser processing apparatus 1 via a corresponding interface. Depending on a predefined measurement task sets a configuration record the position and extent of individual transmission areas of the filter 11 and the there to be adjusted
Transmissionsgrad fest. Außerdem kann ein Konfigurationsdatensatz auch Daten zu Beleuchtungsstärke und -zeit der Beleuchtungsquellen 25, 26 sowie zu Belichtungszeiten der Kamera 10 enthalten. Transmittance fixed. In addition, a configuration data set may also contain data on the illumination intensity and time of the illumination sources 25, 26 and on exposure times of the camera 10.
Anhand der Figuren 2a bis 2c sowie der Figur 3 werden nun das Verfahren gemäß der Erfindung sowie hieraus resultierende zeitliche Abfolgen näher erläutert. With reference to Figures 2a to 2c and Figure 3, the method according to the invention and resulting temporal sequences are now explained in more detail.
Figur 2a zeigt dazu einen zeitlichen Verlauf der Transmission des FIG. 2a shows a time profile of the transmission of the
einstellbaren Filters 11 der Figur 1. Der Figur 2a sind Aufnahmezeitpunkte ai, a2, a3 der Kamera 10 (Figur 1) zu entnehmen. Vor dem adjustable filter 11 of Figure 1. Figure 2a recording times ai, a 2 , a3 of the camera 10 (Figure 1) can be seen. Before the
Aufnahmezeitpunkt ai wird mit einem zeitlichen Vorlauf Afi ein Recording time ai starts with a time lead Afi
Transmissionsgrad b des Filters 11 eingestellt bzw. geschaltet, b beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 50%. Transmittance b of the filter 11 is set or switched, b is 50% in this embodiment.
Mit einem zeitlichen Vorlauf Af2 zum darauffolgenden Aufnahmezeitpunkt a2 wird die Transmission des Filters 11 auf einen Transmissionsgrad a, in diesem Ausführungsbeispiel 10%, eingestellt bzw. geschaltet. Mit einem weiteren zeitlichen Vorlauf Af3 zum darauffolgenden Aufnahmezeitpunkt 33 wird dann die Transmission des Filters 11 auf einen Transmissionsgrad c, in diesem Fall 90%, eingestellt bzw. geschaltet. Die Vorlaufdauern Afi, Af2, Af3 sind etwas länger als die Schaltzeit des Filters 11 gewählt, die in diesem Ausführungsbeispiel höchstens 5ms beträgt. Somit kann der Filter 11 sicher auf die gewünschte folgende Transmission umgeschaltet werden, bevor das nächste Bild aufgenommen wird. With a time advance Af 2 to the subsequent recording time a 2 , the transmission of the filter 11 is set or switched to a transmittance a, in this embodiment 10%. With a further time advance Af 3 for the subsequent recording time 33, the transmission of the filter 11 is then set or switched to a transmittance c, in this case 90%. The lead times Afi, Af 2 , Af 3 are selected to be slightly longer than the switching time of the filter 11, which in this embodiment is at most 5 ms. Thus, the filter 11 can be safely switched to the desired following transmission before the next image is taken.
Der Figur 2b sind nun zugehörige Belichtungszeiten der Kamera 10 zu entnehmen. Dazu sind jeweils Phasen 33, 34, 35 markiert, in denen die Kamera 10 ein Bild aufnimmt bzw. das Fotosensorelement der Kamera 10 belichtet wird. FIG. 2b shows corresponding exposure times of the camera 10. For this purpose, each phases 33, 34, 35 are marked, in which the Camera 10 takes an image or the photosensor element of the camera 10 is exposed.
Zu erkennen ist, dass beginnend mit Aufnahmezeitpunkt ai die Kamera 10 mit einer Belichtungsdauer Aki, zum Aufnahmezeitpunkt a2 mit einer Belichtungsdauer Ak2 und zum Aufnahmezeitpunkt 33 mit einer It can be seen that starting with recording time ai the camera 10 with an exposure time Aki, at the recording time a 2 with an exposure time Ak 2 and at the recording time 33 with a
Belichtungsdauer Ak3 belichtet wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist die kürzeste Belichtungsdauer durch Ak2 gegeben und die längste Exposure time Ak 3 is exposed. In this embodiment, the shortest exposure time is given by Ak 2 and the longest
Belichtungsdauer durch Aki. Exposure time by Aki.
Der Figur 2c sind Helligkeitsänderungen der zusätzlichen The figure 2c are brightness changes of the additional
Beleuchtungsquellen 25 und 26 (Figur 1) zu entnehmen. Zu erkennen ist, dass zum Aufnahmezeitpunkt ai die zusätzliche Beleuchtungsquelle 25 mit der Helligkeit e und zum Aufnahmezeitpunkt 33 die zusätzliche Illumination sources 25 and 26 (Figure 1) can be seen. It can be seen that at the time of recording ai the additional illumination source 25 with the brightness e and at the time of recording 33 the additional
Beleuchtungsquelle 26 mit der Helligkeit d eingeschaltet ist. Zum Illumination source 26 is switched on with the brightness d. To the
Aufnahmezeitpunkt a2 sind die zusätzlichen Beleuchtungsquellen 25, 26 ausgeschaltet. Die Helligkeitsänderungen bzw. -einstellungen erfolgen mit einem zeitlichen Vorlauf Abi zum Aufnahmezeitpunkt ai, Ab2 zum Recording time a 2 , the additional illumination sources 25, 26 are turned off. The brightness changes or adjustments take place with a time lead Abi at the time of recording ai, Ab 2 for
Aufnahmezeitpunkt a2 bzw. Ab3 zum Aufnahmezeitpunkt 33. Auch diese zeitlichen Vorläufe Abi, Ab2, Ab3 sind abgestimmt und etwas länger gewählt als die jeweiligen Einstelldauern der zusätzlichen Recording time a 2 or from 3 to the recording time 33. These time lapses Abi, Ab 2 , Ab 3 are tuned and selected a little longer than the respective setting times of the additional
Beleuchtungsquellen 25, 26. Illumination sources 25, 26.
Zu erkennen ist ferner, dass zum Aufnahmezeitpunkt ai die Helligkeit der zusätzlichen Beleuchtungsquelle 25 (Laserlinie für Lichtschnitt) auf einen Maximalwert e eingestellt ist, wohingegen zum Aufnahmezeitpunkt a3 die Helligkeit der Beleuchtungsquelle 26 (Auflichtbeleuchtung)auf einen geringeren Helligkeitswert d eingestellt ist. Somit erfolgen die Einstellungen der Transmission des Filters 11 sowie die Helligkeitsänderungen der Beleuchtungsquellen 25, 26 synchronisiert zu Aufnahmezeitpunkten ai, a2, a3 der Kamera 10. Beispielsweise anhand des Aufnahmezeitpunkts 33 ist auch zu erkennen, dass zunächst die It can also be seen that, at the time of recording ai, the brightness of the additional illumination source 25 (laser line for light section) is set to a maximum value e, whereas the brightness of the illumination source 26 (incident illumination) is set to a lower brightness value d at the time of recording a 3 . Thus, the settings of the transmission of the filter 11 and the brightness changes of the illumination sources 25, 26 are synchronized to recording times ai, a 2 , a 3 of the camera 10. For example, based on the recording time 33 can also be seen that initially the
Transmission des Filters 11 eingestellt wird, dann die Beleuchtungsquellen 25, 26 ein- oder ausgeschaltet werden und sodann ein Bild durch die Kamera 10 aufgenommen wird. Transmission of the filter 11 is set, then the illumination sources 25, 26 are turned on or off and then an image is taken by the camera 10.
Die zeitlichen Abstände zwischen den Aufnahmezeitpunkten ai, a2, 33 entsprechen im Übrigen in diesem Ausführungsbeispiel dem Kehrwert der Bildwiederholrate bzw. der Bildwechseldauer der Kamera 10. Incidentally, in this embodiment, the time intervals between the recording times ai, a 2 , 33 correspond to the reciprocal of the frame rate or the frame change duration of the camera 10.
Die zeitliche Steuerung des Filters 11 sowie die zeitliche Steuerung der zusätzlichen Beleuchtungsquellen 25, 26 sind der jeweiligen The timing of the filter 11 and the timing of the additional illumination sources 25, 26 are the respective
Aufnahmeaufgabe angepasst ausgestaltet. Die Aufnahme zum Reception task designed adapted. The admission to
Aufnahmezeitpunkt ai dient beispielsweise zur Nahtqualitätskontrolle mit Hilfe einer Lichtschnittmessung. Die Aufnahme zum Aufnahmezeitpunkt a2 dient zur Überwachung des Laserbrennpunktes 24 (Figur 1). Die Recording time ai is used, for example, for seam quality control with the aid of a light section measurement. The recording at the time of recording a 2 serves to monitor the laser focal point 24 (FIG. 1). The
Aufnahme zum Aufnahmezeitpunkt 33 dient beispielsweise zur Recording at recording time 33 is used for example for
Nahtlageregelung durch Erkennung der Fügestelle mit Hilfe einer Seam position control by detecting the joint with the help of a
Auflichtbeleuchtung. Incident illumination.
Daher ist den Figuren 2a bis 2c auch zu entnehmen, dass zum Therefore, it can be seen from FIGS. 2 a to 2 c that the
Aufnahmezeitpunkt ai das Werkstück 3 (Figur 1) mit einer hohen Recording time ai the workpiece 3 (Figure 1) with a high
Intensität zusätzlich beleuchtet wird, wobei der Filter 11 auf den mittleren Transmissionsgrad b eingestellt ist. Intensity is additionally illuminated, the filter 11 is set to the average transmittance b.
Zum Aufnahmezeitpunkt a2 erfolgt eine Aufnahme der Strahlung an der Position des Brennpunkts 24, die stark abgeschwächt werden muss. Zur Nahtlageregelung wird das Werkstück 3 am Aufnahmezeitpunkt 33 mit Auflicht aus der zusätzlichen Beleuchtungsquelle 26 beleuchtet. Zur sicheren Erkennung beispielsweise einer Fügestelle wird eine hohe At the time of recording a 2 , a recording of the radiation takes place at the position of the focal point 24, which must be greatly attenuated. For seam position control, the workpiece 3 is illuminated at incident time 33 with incident light from the additional illumination source 26. For safe detection, for example, a joint is a high
Lichtintensität auf dem Fotosensorelement der Kamera 10 benötigt. Daher wird das Bild durch den Filter 1 1 mit dem vergleichsweise hohen Light intensity on the photosensor element of the camera 10 is required. Therefore, the image through the filter 1 1 with the comparatively high
Transmissionsgrad c nur geringfügig abgeschwächt und von der Kamera 10 aufgenommen . Transmittance c only slightly attenuated and recorded by the camera 10.
Die Bildaufnahmen zu den Zeitpunkten ai, a2 und 33 werden während des Laserschweißprozesses fortlaufend nacheinander wiederholt. The image recordings at the times ai, a 2 and 33 are repeated consecutively during the laser welding process.
Der Figur 3 ist nun eine weitere Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung zu entnehmen. Dazu sind in der Figur 3 eine schematische Frontansicht der Kamera 10 sowie des der Kamera 10 vorgelagerten Filters 1 1 abgebildet. FIG. 3 shows a further variant of the method according to the invention. For this purpose, a schematic front view of the camera 10 and of the camera 10 upstream filter 1 1 are shown in the figure.
Zu erkennen ist, dass in dieser Variante die Transmission des Filters 1 1 in den Bereichen I, II und III auf unterschiedliche Transmissionsgrade b\ a\ c' eingestellt wird . Auch in dieser Verfahrensvariante ist der kleinste Transmissionsgrad durch a' und der größte Transmissionsgrad durch c' gegeben. It can be seen that in this variant, the transmission of the filter 1 1 in the areas I, II and III is set to different transmittances b \ a \ c '. Also in this process variant, the smallest transmittance is given by a 'and the highest transmittance by c'.
Zu erkennen sind Messfenster 30, 31 und 32, d . h . Bereiche des To recognize are measuring windows 30, 31 and 32, d. H . Areas of the
Kamerabilds der Kamera 10, die zur Prozessüberwachung ausgewertet werden. Vor den Messfenstern 30, 31 , 32 sind jeweils unterschiedliche Transmissionsgrade in den unterschiedlichen Bereichen I, II und III des Filters 1 1 eingestellt. Das Messfenster 30 des Zustands I ist zur Nahtqualitätskontrolle Camera image of the camera 10, which are evaluated for process monitoring. In front of the measuring windows 30, 31, 32 different transmittances in the different regions I, II and III of the filter 1 1 are set. The measuring window 30 of state I is for seam quality control
ausgebildet. Der Transmissionsgrad b' des Filters 11 ist beispielsweise auf einen Wert von 50% eingestellt. educated. The transmittance b 'of the filter 11 is set to a value of 50%, for example.
Das Messfenster 31 des Bereichs II ist zur Überwachung des The measuring window 31 of the area II is for monitoring the
Laserbrennpunktes 24 ausgebildet. Der Transmissionsgrad a' des Filters 11 ist beispielsweise auf einen Wert von 10% eingestellt. . Laser focal point 24 is formed. The transmittance a 'of the filter 11 is set to a value of 10%, for example. ,
Das Messfenster 32 des Bereichs III ist zur Nahtlageregelung ausgebildet. Der Transmissionsgrad c' des Filters 11 ist beispielsweise auf einen Wert von 90% eingestellt. The measuring window 32 of the area III is designed for seam position control. The transmittance c 'of the filter 11 is set to a value of 90%, for example.
Die Bildaufnahme erfolgt in dieser Verfahrens Variante für alle Messfenster zeitgleich. Angepasst an die Mess- bzw. Beobachtungsaufgabe und an die Parameter des zu beobachtenden Prozesses können die The image acquisition takes place in this process variant for all measurement windows at the same time. Adapted to the measuring or observation task and to the parameters of the process to be observed, the
Transmissionsgrade a b c' bedarfsweise gesteuert und flexibel zwischen zwei Messungen verändert werden. Transmittances a b c 'controlled as needed and flexibly changed between two measurements.
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