Title:
Laserprojektor mit dynamischen anpassbaren Fokus
Kind Code:
A1


Abstract:

Eine Laserprojektionsanordnung zum Projizieren einer Vorlage auf ein Objekt wird bereitgestellt. Die Laserprojektionsanordnung enthält einen Rahmen, eine Laserquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, wobei die Laserquelle an dem Rahmen befestigt ist, eine Sensoranordnung, eine Linsenanordnung und eine Galvanometeranordnung. Die Sensoranordnung ist befestigt an dem Rahmen zum Identifizieren von Oberflächenorten von dreidimensionalen Objekten. Die Linsenanordnung enthält eine abstimmbare Linse zum Verändern eines Fokus von dem Laserstrahl, welcher von der Laserquelle empfangen wird. Die Galvanometeranordnung leitet den Laserstrahl, welcher von der Linsenanordnung empfangen wird, entlang eines Abtastungspfads um. Die Linse ist eingerichtet an einem festgelegten Ort relativ zu der Sensoranordnung und ist abstimmbar in Reaktion auf die Oberflächenorte von den dreidimensionalen Objekten, welche entlang des Abtastungspfads von dem Laserstrahl durch die Sensoranordnung identifiziert werden. embedded image




Inventors:
Rueb, Kurt D. (Ontario, Kitchener, CA)
Application Number:
DE102017218503A
Publication Date:
04/19/2018
Filing Date:
10/17/2017
Assignee:
Virtek Vision International Inc., Ontario (Waterloo, CA)



Foreign References:
92008992015-12-01
2014141609452014-01-22
Attorney, Agent or Firm:
BARDEHLE PAGENBERG Partnerschaft mbB Patentanwälte, Rechtsanwälte, 40213, Düsseldorf, DE
Claims:
Eine Laserprojektionsanordnung zum Projizieren einer Vorlage auf ein Objekt, aufweisend:
einen Rahmen;
eine Laserquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, welche an dem Rahmen befestigt ist;
eine Linsenanordnung enthaltend eine Linse, welche eine rekonfigurierbare Form besitzt zum Verändern eines Fokus von dem Laserstrahl, welcher von der Laserquelle empfangen wurde;
eine Sensoranordnung zum Erfassen von Oberflächenorten von dreidimensionalen Objekten;
eine Galvanometeranordnung zum Umleiten des Laserstrahls,
welcher von der Linsenanordnung empfangen wurde, entlang eines Abtastungspfads; und
wobei die Linse an einem festgelegten Ort relativ zu der Galvanometeranordnung eingerichtet ist und wobei die Form von der Linse rekonfiguriert ist in Reaktion auf die Oberflächenorte von den dreidimensionalen Objekten, welche entlang des Abtastungspfads von dem Laserstrahl durch die Sensoranordnung identifiziert wurden.

Die Anordnung gemäß Anspruch 1, weiter enthaltend eine Photogrammetrie-Anordnung, welche an dem Rahmen befestigt ist in einem maßgenauen Ort relativ zu der Galvanometeranordnung zum Identifizieren von Oberflächenorten von dreidimensionalen Objekten.

Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Laserstrahl von der Laserquelle zu der Linsenanordnung übertragen wird durch ein optisches Kabel.

Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei das optische Laserkabel verbunden ist mit der Laserquelle mit einer Kabelfassung eingerichtet in einem maßgenauen Anschluss relativ zu der Linsenanordnung.

Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Linsenanordnung enthält einen Strahlteiler und die Sensoranordnung enthält einen optischen Sensor, wobei der Strahlteiler einen Teil von dem Laserstrahl in Richtung des optischen Sensors leitet für Bestimmen eines Ausgangsniveaus von der Laserquelle.

Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Linse geometrischen Formmodifikationen unterliegt in Reaktion auf die Oberflächenorte von den dreidimensionalen Objekten, welche entlang des Abtastungspfads von dem Laserstrahl durch die Photogrammetrie-Anordnung identifiziert wurden.

Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Photogrammetrie-Anordnung enthält eine erste Kamera verbunden mit einem ersten Prozessor und eine zweite Kamera verbunden mit einem zweiten Prozessor, wobei der erste Prozessor und der zweite Prozessor miteinander verbunden sind und festgelegt an dem Rahmen angeordnet sind.

Die Anordnung gemäß Anspruch 7, wobei die Anordnung weiter enthält einen dritten Prozessor, welcher elektronisch verbunden ist mit dem ersten Prozessor und dem zweiten Prozessor zum Bereitstellen von Displaylisten-Verarbeitung und elektronischer Kommunikation mit einem Host-Computer.

Die Anordnung gemäß Anspruch 7, wobei die erste Kamera und die zweite Kamera im Wesentlichen akkurat lokalisiert sind relativ zu der Linsenanordnung.

Die Anordnung gemäß Anspruch 1, weiter enthaltend ein LED-Stroboskop-Feld, welches kooperationsfähig mit der ersten Kamera und der zweiten Kamera ist zum Bereitstellen von Licht, welches detektierbar durch die erste Kamera und die zweite Kamera ist.

Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Rahmen aufweist eine Wärmesenke und eine Temperatur des Rahmens steuerbar ist durch ein integriertes Kühlelement.

Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Sensoranordnung enthält einen Reflexionslasersensor zum Erfassen des Laserstrahls, der aus der Richtung von dem dreidimensionalen Objekt reflektiert wird zum Detektieren der Oberflächenorte von den dreidimensionalen Objekten, welche entlang des Abtastungspfads von dem Laserstrahl identifiziert werden.

Eine Laserprojektionsanordnung zum Projizieren einer Vorlage auf eine Werkstoffoberfläche von einem Werkstück, aufweisend:
einen Rahmen, welcher im Wesentlichen formstabil ist;
eine Laserquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, welche an dem Rahmen befestigt ist;
eine Galvanometeranordnung montiert an dem Rahmen in einer festgelegten Position zum Umleiten des Laserstrahls entlang eines Abtastungspfads auf der Werkstoffoberfläche, wobei die Galvanometeranordnung dadurch die Vorlage erzeugt;
eine Linsenanordnung, welche den Laserstrahl von der Laserquelle empfängt und welche enthält ein fokussierendes Element zum Fokussieren des Laserstrahls auf die Galvanometeranordnung mit dem fokussierenden Element und wobei die Galvanometeranordnung kooperationsfähig den Laserstrahl fokussiert und umleitet in Reaktion auf die geometrische Konfiguration von der Werkstoffoberfläche; und
wobei die Linsenanordnung und die Galvanometeranordnung an dem Rahmen befestigt sind in einer maßgenauen Einrichtung und
wobei die Laserquelle von der maßgenauen Einrichtung von der Photogrammetrie-Anordnung und der Galvanometeranordnung getrennt ist.

Die Anordnung gemäß Anspruch 13, weiter enthaltend eine Photogrammetrie-Anordnung enthaltend eine Kamera, welche an dem Rahmen in einer maßgenauen, festgelegten Position relativ zu der Galvanometeranordnung montiert ist.

Die Anordnung gemäß Anspruch 13, wobei das fokussierende Element von der Linsenanordnung aufweist eine abstimmbare Linse und einen Reflexionslichtsensor.

Die Anordnung gemäß Anspruch 15, wobei die abstimmbare Linse aufweist eine deformierbare Linse zum Bereitstellen einer schnellen Anpassung von einem Fokus von dem Laserstrahl.

Die Anordnung gemäß Anspruch 13, wobei die Photogrammetrie-Anordnung enthält erste und zweite Kameras zum Erzeugen eines Stereobildes von einer Werkstoffoberfläche von dem Werkstück.

Die Anordnung gemäß Anspruch 13, wobei der Laserstrahl geleitet wird von der Laserquelle zu der Linsenanordnung durch ein faseroptisches Kabel, welches einen Anschluss besitzt und wobei der Anschluss in einer maßgenauen Einrichtung relativ zu der Linsenanordnung lokalisiert ist.

Die Anordnung gemäß Anspruch 17, wobei die erste Kamera elektronisch verbunden ist mit einem ersten Prozessor und die zweite Kamera elektronisch verbunden ist mit einem zweiten Prozessor, wobei der erste Prozessor und der zweite Prozessor festgelegt eingerichtet sind an dem Rahmen.

Die Anordnung gemäß Anspruch 19, wobei der erste Prozessor und der zweite Prozessor elektronisch verbunden sind mit einem Hauptprozessor zum Berechnen von Laserstrahl-Projektionsorten von Bildgebungsdaten, welche empfangen wurden von dem ersten Prozessor und dem zweiten Prozessor.

Description:
FRÜHERE ANMELDUNGEN

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US-amerikanischen provisorischen Anmeldung Nr. 62/408,944, welche am 17. Oktober 2016 eingereicht wurde und deren Inhalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind.

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine verbesserte Anordnung zum Projizieren von Laser-Vorlagen. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung einen integrierten Laser-Projektor und eine Lokalisations-Anordnung zum Projizieren von Hoch-Präzisions-Laser-Vorlagen auf eine Werkstückoberfläche.

HINTERGRUND

Immer höhere Herstellungstoleranzen erfordern Verbesserungen in den Herstellungstechniken. Eine solche Verbesserung ist die Projektion von Laser-Vorlagen auf eine Werkstückoberfläche zum Leiten eines Herstellungsprozesses. Diese Technik ermöglichte die Herstellung von Produkten mit Toleranzen, die zuvor nicht erreichbar waren. Einschränkungen der bestehenden Technologie haben jedoch eine breitere Verwendung von laserprojizierten Bildern in industriellen Anwendungen begrenzt. Zum Beispiel hat sich das Projizieren einer Vorlage auf eine dreidimensionale Oberfläche als schwierig erwiesen, da es nicht möglich ist, die dreidimensionale Werkstückoberfläche schnell zu identifizieren und den Laserstrahl auf die dreidimensionale Werkstückoberfläche in einer präzisen Weise zu fokussieren, während sie in Betrieb ist in einer Herstellungsumgebung.

Verschiedene Lokalisierungsanordnungen wurden implementiert, um die Genauigkeit der Laserprojektion zu verbessern, Kosten zu reduzieren und schnelle Anpassungen an eine projizierte Laservorlage bereitzustellen, wie in US-Patent Nr. 9,200,899 offenbart, welches hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Während dieses Patent viele der Probleme gelöst hat, die mit dem Lokalisieren eines Laserprojektors relativ zu einem Werkstück und einer Photogrammetrie-Anordnung verbunden sind, stellte es keine Modularität bereit.

Bereitstellen einer modularen Anordnung, die die Anforderungen moderner Herstellungsumgebungen erfüllt, hat sich als schwer zu fassen erwiesen. Die Wartung von Projektoranordnungen, insbesondere von einfachen modularen Anordnungen, hat sich ebenfalls als schwer zu fassen erwiesen. Darüber hinaus hat sich eine schnelle Anpassung eines Fokus eines Laserstrahls über eine dreidimensionale Werkstückoberfläche als Reaktion auf eine dynamische Bewegung verbunden mit einer Herstellungsumgebung ebenfalls als schwer fassbar erwiesen.

Deshalb wäre es wünschenswert, eine modulare Laserprojektoranordnung bereitzustellen, welche wartungsfähig ist, und trotzdem die Vorteile einer schnellen hochwertigen Laserprojektion auf eine komplexe dreidimensionale Oberfläche ermöglicht.

ZUSAMMENFASSUNG

Eine Laserprojektoranordnung zum Projizieren einer Vorlage auf ein Objekt enthält einen Rahmen. Eine Laserquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls ist an dem Rahmen befestigt. Eine Sensoranordnung zum Identifizieren von Oberflächenorten von dreidimensionalen Objekten ist an dem Rahmen befestigt. Eine Linsenanordnung enthält eine abstimmbare Linse zum Verändern eines Fokus von dem Laserstrahl, welcher von der Laserquelle empfangen wurde. Eine Galvanometeranordnung leitet den Laserstrahl, welcher von der Linsenanordnung empfangen wurde, entlang eines Abtastungspfads um. Die Linse ist eingerichtet an einem festgelegten Ort relativ zu der Galvanometeranordnung und ist abstimmbar in Reaktion auf die Oberflächenorte von den dreidimensionalen Objekten, welche entlang des Abtastungspfads von dem Laserstrahl durch die Sensoranordnung identifiziert wurden.

Die Laserquelle der vorliegenden Erfindung benötigt keinen präzisen Ort relativ zu der abstimmbaren Linse oder der Photogrammetrie-Anordnung, was eine einfache Wartung ermöglicht. Deshalb kann die Laserquelle für Wartung ausgetauscht werden ohne Überalterung oder teure Ausrichtungen zu verursachen, wie es bei gegenwärtigen Projektoranordnungen bekannt ist. Um diesen Nachteil zu überkommen wird der Laserstrahl über ein faseroptisches Kabel gegen eine abstimmbare Linse geleitet. Als solches ist ein Anschluss, welcher das faseroptische Kabel und die Linsenanordnung verbindet, alles, was für die Ausrichtung mit den Linsen oder Galvanometern erforderlich ist. Zusätzliche Vorteile, die durch die Laserprojektoranordnung bereitgestellt werden, werden nachfolgend ersichtlich.

Figurenliste

Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne weiteres ersichtlich, wenn sie unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden.

  • 1 zeigt eine schematische Ansicht der Laserprojektionsanordnung der vorliegenden Erfindung;
  • 2 zeigt eine zweite Lichtquelle, welche Licht auf ein Werkstück überträgt;
  • 3 zeigt Licht von der zweiten Lichtquelle, welche zu einer Photogrammetrie-Anordnung von dem Laserprojektor reflektiert wird;
  • 4 zeigt einen Laserstrahl projiziert durch einen Laserprojektor gegen reflektierende Ziele angeordnet an das Werkstück;
  • 5 zeigt den Laserstrahl, welcher von den reflektierenden Zielen angeordnet an das Werkstück gegen den Laserprojektor reflektiert wird;
  • 6 zeigt eine perspektivische Ansicht von dem Werkstück, auf welches eine Laservorlage von der Laserprojektoranordnung projiziert wird; und
  • 7 zeigt eine perspektivische Ansicht von der Laserprojektoranordnung von der vorliegenden Erfindung.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG

Mit Bezug zu 1, ist eine Laseranordnung der vorliegenden Erfindung allgemein gezeigt an 10. Die Anordnung 10 enthält eine Laserquelle 12, welche genutzt wird, um einen Laserstrahl 14 zu erzeugen. Die Laserquelle 12 liefert den Laserstrahl 14 durch ein faseroptisches Kabel 13 zu einer Linse 16, welche in einer Linsenanordnung 15 enthalten ist. Der Laserstrahl 14 wird projiziert durch die fokussierende Linse 16 gegen einen Strahlteiler 18. Der Strahlteiler 18 leitet den Laserstrahl 14 gegen eine Galvanometeranordnung 20 um. Der Strahlteiler 18 erlaubt einem Teil des Laserstrahls 14 durchzudringen zu einem Lichtsensor 22.

Der Lichtsensor 22 sorgt für eine zuverlässige Leistungsausgangssteuerung durch eine Verarbeitung mit geschlossener Schleife. Als solches ist der Lichtsensor 22 über eine analoge Schaltung zum Erzeugen einer Leistungssteuerschleife mit einem Hauptprozessor 24 verbunden. Der Hauptprozessor 24 ist ein A2o-ARM-Prozessor. Der Hauptprozessor 24 leitet notwendige Leistungsanpassungen an die Laserquelle 12, um die gewünschte Bildauflösung beizubehalten, während der Laserstrahl 14 projiziert wird.

Die Galvoanordnung 20 umfasst einen ersten Galvomotor 30 und einen zweiten Galvomotor 32. Der erste Galvomotor 30 liefert eine Schwenkbewegung zu einem ersten Galvospiegel 34 und der zweite Galvomotor 32 liefert eine Schwenkbewegung zu einem zweiten Galvospiegel 36. Es versteht sich, dass während zwei Galvomotoren 30, 32 in dieser Anmeldung beschrieben sind, zusätzliche Galvomotoren und Spiegelanordnungen innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung liegen, so dass drei, vier oder mehr Galvomotoren in einer Galvoanordnung 20 enthalten sein können, was variable und unterschiedliche Projektionsmerkmale je nach Wunsch bereitstellt.

Der erste Galvospiegel 34 und der zweite Galvospiegel 36 leiten den Laserstrahl 14 durch die Ausgangsöffnung 26 gegen ein Werkstück 38 um, wie nachstehend weiter erläutert wird. Der erste Galvomotor 30 und der zweite Galvomotor 32 sind elektronisch mit dem Hauptprozessor 24 verbunden, so dass der Hauptprozessor 24 kontinuierlich die Orientierung des ersten Galvospiegels 34 und des zweiten Galvospiegels 36 berechnet zum Identifizieren einer Richtung, zu der der Laserstrahl 14 projiziert wird durch die Ausgangsöffnung 26.

Der erste Galvospiegel 34 und der zweite Galvospiegel 36 leiten auch einen reflektierten Laserstrahl 40 durch den Strahlteiler 18 auf einen Reflexionslasersensor 42 um. Der Reflexionslasersensor 42 ist auch elektronisch mit dem Hauptprozessor 24 verbunden, so dass der Hauptprozessor 24 eine Orientierung des ersten Galvospiegels 34 und des zweiten Galvospiegels 36 berechnet, zu der Zeit wenn der reflektierte Laserstrahl 40 den Reflexionslasersensor 42 berührt. Auf diese Weise bestimmt der Hauptprozessor 24 eine Richtung, aus der der reflektierte Laserstrahl 40 stammt, wie weiter unten noch erläutert wird.

Eine Photogrammetrie-Anordnung 44 enthält eine erste Kamera 46, die mit einem ersten Photoprozessor 47 verbunden ist, um ein Bild des Werkstücks 38 zu übertragen. In einer alternativen Ausführungsform ist eine zweite Kamera 50 elektronisch mit einem zweiten Photoprozessor 51 verbunden zum Erzeugen eines Bildes der Werkstückoberfläche 48 mit der ersten Kamera 46. Stereobildgebung der Werkstückoberfläche 48 liefert eine bessere Genauigkeit beim Bestimmen eines Ortes der Werkstückoberfläche 48 in einem dreidimensionalen Koordinatensystem. Der erste Photoprozessor 47 und der zweite Photoprozessor 51 sind Dual-Core-A20-ARM-Prozessoren mit integrierten 5-Megapixel-Sensoren, die als Direktschnittstellen-CMOS-Sensor zum lokalen Aufnehmen von Bildern an den Photoprozessoren 47, 51 vorgesehen sind. Es sollte auch verstanden werden, dass ein CCD-Sensor ebenfalls verwendet werden kann, jedoch bei höheren Energieanforderungen. Der erste Photoprozessor 47 und der zweite Photoprozessor 51 sind elektronisch mit dem Hauptprozessor 24 verbunden. Der Hauptprozessor 24 und der erste und der zweite Photoprozessor 47, 51 sind mit einer Prozessorplatine 53 verbunden. Jeder der Prozessoren 47, 51 ist einzeln austauschbar auf der Prozessorplatine 53 zur Wartung, genauso wie der Hauptprozessor 24. Es sollte auch verstanden werden, dass die Sensoranordnung, wie in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung zitiert, optional enthält eine Kombination des Reflexionslasersensors 42 und der ersten Kamera 46 und der zweiten Kamera 50, von denen jede einen CMOS- oder CCD-Sensor enthält.

Der Hauptprozessor 24 implementiert eine Videoanzeige direkt als eine 3-D-Liste, um eine dynamische Fokuseinstellung zu ermöglichen und eine Bewegungskompensationskorrektur zu ermöglichen, wie in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 14/160,945 offenbart, deren Inhalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Die direkte Steuerung aller Funktionen der Kamera 46, 50 zum Aufnehmen von Bildern in den lokalen Speicher des Haupt-ARM-Prozessormoduls 24 wird bereitgestellt durch die Verbindung der Kameras 46, 50 durch die jeweiligen Photoprozessoren 47, 51. Eine erste optische Linse 55 ist mit der ersten Kamera 46 verbunden und eine zweite optische Linse 57 ist mit der zweiten Kamera 50 verbunden. Die Linsen 55, 57 fokussieren eine Ansicht des Werkstücks 38 auf die Sensoren, die in einer Ausführungsform ungefähr ein optisches Sichtfeld von 80 Grad bereitstellen bei einer geringen Verzerrung von 4 Millimeter Brennweite. In alternativen Ausführungsformen, insbesondere für größere oder kleinere Werkstückoberflächen 48, können unterschiedliche optische Sichtfelder verwendet werden.

Eine sekundäre Lichtquelle 52 neben der Laserquelle 12 stellt eine sekundäre Beleuchtung 54 für das Werkstück 38 und für die Werkstückoberfläche 48, 38 bereit. In einer Ausführungsform ist die sekundäre Lichtquelle 52 ein LED-Stroboskop-Feld, das in der Nähe der ersten Kamera 46 und der zweiten Kamera 50 lokalisiert ist. Die sekundäre Lichtquelle 52 erzeugt ein sekundäres Licht 54, das in einer Ausführungsform eine ähnliche oder gleiche Wellenlänge wie der Laserstrahl 14 aufweist. Alternativ können der Laserstrahl 14 und das sekundäre Licht 54 unterschiedliche Wellenlängen enthalten. In noch einer weiteren Ausführungsform kann das sekundäre Licht 54 ein Infrarotlicht oder ein anderes Licht mit nicht-sichtbarer Wellenlänge sein, was für kontinuierliche oder aufeinanderfolgende Lichtblitze durch die zweite Lichtquelle 52 wünschenswert sein kann.

Jede der Komponenten der Laseranordnung 10 ist an einem formstabilen Rahmen 60 montiert, der aus einer Aluminiumlegierung oder einer äquivalenten Legierung hergestellt oder geformt ist, von der bekannt ist, dass sie gegenüber Temperaturänderungen im Arbeitsraum oder innerhalb des Gehäuses 28 unempfindlich ist. Trotzdem ist ein Lüfter 62 an dem Gehäuse befestigt, um eine gleichbleibende Temperatur des Rahmens 60 aufrechtzuerhalten und eine Ausdehnung zu verhindern, die mit einem Temperaturkriechen des Rahmens 60 verbunden ist. Zusätzlich dient der Rahmen 60 als eine Wärmesenke zum Absorbieren und Verteilen von Wärmeenergie, die durch die Komponenten von der Laseranordnung 10 erzeugt wird. Daher stellt der Rahmen 60 einen formstabilen Ort zwischen der Photogrammetrie-Anordnung 44 und der Linsenanordnung 15 bereit. Dies reduziert die Notwendigkeit, kontinuierlich einen Ort der Photogrammetrie-Anordnung 44. innerhalb eines dreidimensionalen Koordinatensystems relativ zu der Linsenanordnung 15 zu berechnen, um eine akkurate Laserprojektion zu berechnen, wodurch die Antwortzeit zum Projizieren der Laservorlage 56 weiter erhöht wird.

Wie oben dargelegt, liefert die Laserquelle 12 den Laserstrahl 14 über ein faseroptisches Kabel 13 an die Linsenanordnung 15. In einer Ausführungsform hält das faseroptische Kabel 13 die Polarisation des Laserstrahls 14 aufrecht, um eine effiziente Übertragung durch den Strahlteiler 18 zu dem Lichtsensor 22 zu ermöglichen. Das optische Kabel 13 ist an der Linsenanordnung 15 mit einer Verbindungs-/Montageplatten 64-Verbindung gesichert. Die Verbindungs-/Montageplatte 64 ist in einer formstabilen Beziehung zu der Linse 16 gesichert. Deshalb ist ein Ort von der Laserquelle 12 jetzt getrennt von der Linsenanordnung 15 bezüglich des Aufrechterhaltens einer akkuraten Projektion, die abhängig ist von dem akkuraten Ort von der Laserquelle. Solange die Kopplungs-/Montageplatte 64 in einer maßgenauen Einrichtung relativ zu der Linse 16 angeordnet ist, ist es nicht länger notwendig, die Laserquelle 12 in einer maßgenauen Beziehung zu der Photogrammetrie-Anordnung 44 zu lokalisieren. Als solches, kann Reparatur oder Austausch der Laserquelle 12 leicht erreicht werden, ohne dass eine maßgenaue Anordnung der Laserquelle 12 relativ zu der Photogrammetrie-Anordnung 44 neu kalibriert oder überprüft werden muss, um eine gewünschte akkurate Projektion des Laserstrahls 14 zu erzielen.

Die Linse 16 ist in einer Ausführungsform elektrisch durch Verformung abstimmbar, um die Brennweite für eine schnelle Anpassung eines Fokus des Laserstrahls 14 zu ändern, um präzise Vorlagenmuster 56 auf der Werkstückoberfläche 48 aufrechtzuerhalten. Die Linse 16 wird abgestimmt in Zusammenarbeit mit der dreidimensionalen Projektion eines Laserstrahls 14 auf die dreidimensionale Werkstückoberfläche 48, während die Laseranordnung 10 das Muster der Vorlage 56 für eine präzise Registrierung abtastet. Als solches wird eine schnelle Brennpunktkorrektur sowohl während des Projizierens auf einer dreidimensionalen Werkstückoberfläche 48 als auch während des Projizierens einer zweidimensionalen Werkstückoberfläche erreicht.

Die Linse 16 der vorliegenden Erfindung stellt die Fähigkeit bereit, eine gleichbleibende Punktgröße des Laserstrahls 14 auf der Werkstückoberfläche 48 aufrechtzuerhalten, selbst wenn eine Zykluszeit einer bestimmten Mustervorlage 56 eine Bildwiederholfrequenz von 40 Hz oder mehr enthält, wodurch das bei Linsen des Standes der Technik übliche Wahrnehmungsflackern eliminiert wird. Die Linse 16 stellt ein Merkmal mit variablem Fokus zur Verfügung, anstatt sich auf die Translation der Bewegung einer herkömmlichen Linse zu verlassen. Das Modifizieren eines Brennpunkts der Linse 16 durch Verändern einer Konfiguration der Linse 16 ermöglicht eine schnelle Anpassung des Laserfokus des Laserstrahls 14 sogar auf komplexen dreidimensionalen Werkstückoberflächen 48. Daher weist die Linse 16 eine rekonfigurierbare Form zum Verändern eines Fokus des von der Laserquelle empfangenen Laserstrahls auf.

In einer Ausführungsform ändert ein Prinzip der Elektrobenetzung die Grenze von zwei Flüssigkeiten, die verschiedene optische Dichten aufweisen, wodurch ein Rekonfigurieren der Form der Linse 16 erreicht wird. Aufteilen der Grenze der zwei Flüssigkeiten durch elektrische Strom- oder Druckdifferenzierung liefert eine schnelle Antwort, wie sie durch den Prozessor 24 basierend auf Feedback von der Photogrammetrie-Anordnung 44 oder dem Reflexionslichtsensor 42 diktiert wird. Eine alternative Linse 16 mit rekonfigurierbaren Eigenschaften liefert ein Polymer, das seine Form ändert, wenn Druck auf die Linse 16 ausgeübt wird. Schnelle Modifikation des Fokus von der Linse 16 durch Verändern der Konfiguration der Form der Linse 16 hat sich als die Genauigkeit des Vorlagenbildes 56 erhöhend erwiesen, selbst wenn auf komplexe dreidimensionale Werkstückoberflächen 48 mit einer Geschwindigkeit projiziert wird, die vorher nicht für möglich gehalten wurde.

Es wird angenommen, dass Temperaturschwankungen die geometrische Konfiguration der Linse beeinflussen, was eine Abnahme der optischen Qualität des Laserstrahls verursacht, obwohl der Fokus des Laserstrahls durch die Steuerschaltung in dem Prozessor 24 augenblicklich modifiziert wird. Temperaturschwankungen werden auf verschiedene Arten addressiert. Zuerst wird die Temperatur kontinuierlich überwacht und mathematische Korrekturen werden an den Prozessor 24 als Reaktion auf Temperaturschwankungen angewendet. Um die schnelle Steuerung und Anpassung der Konfiguration der Linse 16 weiter zu unterstützen, ist ein Beschleunigungsmesser 66 in die Linse 16 integriert, um schnelle Fluktuationen der Konfiguration der Linse 16 aufgrund nicht nur der Temperaturfluktuation, sondern auch aufgrund der dynamischen Bewegung der Laserprojektionsanordnung 10 zu erfassen. Der Beschleunigungsmesser 66 identifiziert eine Beschleunigung aus der Bewegung der Linse 16 und signalisiert dem Hauptprozessor 24, schnell auf eine solche Bewegung zu reagieren. Zusätzlich liefert die Photogrammetrie-Anordnung 44 eine zusätzliche sensorische Eingabe bezüglich der Qualität des durch den Laserstrahl 14 erzeugten Laserpunkts, und signalisiert ebenfalls dem Hauptprozessor 24, die Konfiguration der Linse 16 zu modifizieren, wodurch eine zusätzliche Fähigkeit zum genauen Projizieren der Laservorlagen bereitgestellt wird. Um Temperaturschwankungen des Rahmens 60 weiter anzupassen, dreht der Lüfter 62, um eine im Wesentlichen konstante Temperatur des Rahmens 60 aufrechtzuerhalten. Daher wird der Effekt der Kontraktion und Expansion des Rahmens 60 auf die Linse 16 minimiert.

Wie am besten in 7 dargestellt, ist das Gehäuse 28 der Anordnung 10 eine vollständig modulare Einheit, die an jeder gewünschten Stelle montiert oder angeordnet werden kann. Das Gehäuse 28 wird durch einen Griff 68 getragen, der an der Angel 70 am Gehäuse 28 befestigt ist. Das Gehäuse enthält eine obere Abdeckung 62, die die Ausgangsöffnung 26 und die Photogrammetrieöffnungen 72 definiert. Der Hauptprozessor 24 kommuniziert über ein Ethernetkabel (nicht gezeigt), ein drahtloses System oder ein anderes Verfahren an einen entfernten Computer 74, der CAD-Daten koordiniert und mit mehreren Anordnungen 10 kommuniziert, wenn sie verwendet werden.

Mit Bezug auf die 2 bis 5 wird nun das Verfahren zum akkuraten Projizieren der Laservorlage 56 auf die Werkstückoberfläche 48 erläutert. Reflektierende Ziele 58 sind an der Werkstückoberfläche 48 des Werkstücks 38 befestigt. In einer Ausführungsform sind die Ziele 58 an einem relevanten Bezugspunkt einer dreidimensionalen Werkstückoberfläche 48 befestigt, so dass dreidimensionale Merkmale der Werkstückoberfläche 58 von einem Ort des Ziels 58 genau berechnet werden können. Eine Mehrzahl von Zielen 58 kann an beabstandeten Orten an der Werkstückoberfläche 48 angebracht sein. In einer Ausführungsform stellen vier Ziele genügend reflektierende Information bereit, um dreidimensionale Konturen der Werkstückoberfläche 48 genau zu berechnen. Mehr oder weniger Ziele 58 können basierend auf einer bestimmten Anwendung ausgewählt werden.

Zu Beginn eines Ausrichtungszyklus überträgt die sekundäre Lichtquelle 52 das sekundäre Licht 54 zu dem Werkstück 38. Die sekundäre Lichtquelle blitzt das sekundäre Licht 54 anstatt sekundäres Licht 54 für eine ausgedehnte Zeitperiode zu projizieren. Die Photogrammetrie-Anordnung 44 empfängt das von der Werkstückoberfläche 48 des Werkstücks 38 reflektierte sekundäre Licht und auch das sekundäre Licht, das von den Zielen reflektiert wird. Lokalisieren der Ziele 58 in einer bekannten Position relativ zur Werkstückoberfläche 48, wie beispielsweise auf den Bezugspunkt, ermöglicht der Photogrammetrie-Anordnung 44 die Zielkonfiguration 58 zu verwenden, um die dreidimensionale Konfiguration des Werkstücks 38 zu lokalisieren, um schließlich einen Ort der dreidimensionalen Oberfläche 48 in einem dreidimensionalen Koordinatensystem zu bestimmen. Auf diese Weise signalisiert die Photogrammetrie-Anordnung 44 dem Prozessor 24, Änderungen der Kontur zu berechnen, die die dreidimensionale Werkstückoberfläche 48 definieren.

Wie oben dargelegt, detektiert die Photogrammetrie-Anordnung 44 auch das von den Zielen 58 reflektierte sekundäre Licht 54. Der Prozessor 24 bestimmt auch eine allgemeine Position der Ziele 58 in dem dreidimensionalen Koordinatensystem, wenn dies durch die Photogrammetrie-Anordnung 44 signalisiert wird. Basierend auf den Zielkoordinaten 58 von dem sekundären Licht 54 richten die GalvoMotoren 30, 32 den von der Laserquelle 12 erzeugten Laserstrahl 14 aus, um die Ziele 58 mit dem Laserstrahl 14 direkt abzutasten. Als solches erkennt der Prozessor 24 ein Ziel 54 Muster und berechnet den erforderlichen Ort, um die Ziele 58 mit dem Laserstrahl 14 abzutasten, um einen akkuraten Ort der Laservorlage 56 auf der Werkstückoberfläche 48 zu berechnen.

Sobald die Ziel 58 Koordinaten berechnet sind, wird der Laserstrahl 14 durch die Laserquelle 12 auf die Ziele 58 projiziert, wie in 4 gezeigt. 5 zeigt den Laserstrahl 14, der von den Zielen 58 durch die Ausgangsöffnungen zurück zu der Projektoranordnung 10 reflektiert wird. Mittels Retroreflexion wird der Rückkehrlaserstrahl 40 durch den ersten Galvospiegel 34 und den zweiten Galvospiegel 36 durch den Strahlteiler 18 auf den Reflexionslasersensor 42 umgeleitet. Zu diesem Zeitpunkt empfängt der Reflexionslasersensor 42 den reflektierten Laserstrahl 40, der erste Galvomotor 30 und der zweite Galvomotor 32 signalisieren dem Prozessor einen Ort, von dem der Rückkehrlaserstrahl 40 stammt. Unter Verwendung der Orientierung des Galvomotors 30, 32 berechnet der Prozessor 24 einen genauen Ort der Ziele 58 und ist daher in der Lage, die Laservorlage 56, wie in 6 gezeigt, akkurat zu projizieren.

Die Erfindung wurde auf anschauliche Weise beschrieben, und es versteht sich, dass die Terminologie so verwendet wurde, dass sie als Beschreibung und nicht als Beschränkung zu verstehen ist. Offensichtlich sind im Lichte der obigen Lehren viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Es ist daher zu verstehen, dass innerhalb der Beschreibung die Bezugszeichen lediglich der Zweckmäßigkeit dienen und in keiner Weise einschränkend sein sollen, da die Erfindung anders als speziell beschrieben ausgeführt werden kann.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 62/408944 [0001]
  • US 9200899 [0004]
  • US 14160945 [0016]