TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG

Johann-Maus-Strasse 2

D-71254 Ditzingen

Vertreter:

Trumpf Patentabteilung

Trumpf GmbH & Co KG

TH501 Patente und Lizenzen

Johann-Maus-Strasse 2

D-71254 Ditzingen

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Werkstoffart und/oder einer Oberflächenbeschaffenheit eines Werkstücks

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Werkstoffart und/oder einer Oberflächenbeschaffenheit eines bevorzugt metallischen, insbesondere plattenformigen Werkstücks, sowie ein Computerprogramm produkt zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken an einer Werkzeugmaschine, beispielsweise beim Schneiden von Werkstücken mittels eines Hochenergiestrahls, ist es typischer Weise erforderlich, die Werkstoffart (z.B. Baustahl, Edelstahle, Buntmetalle, ...) sowie die Oberflächenbeschaffenheit (z.B. Oxidation der Oberfläche, Rauheit, Beschichtung der Oberfläche z.B. mit Farbe oder Folie, ...) des Werkstücks zu kennen, um Bearbeitungsparameter wie z.B. Vorschub, Laserleistung, Gasart und Gasdruck geeignet anzupassen. Die Werkstoffart bzw. die Oberflächenbeschaffenheit eines zu bearbeitenden Werkstücks wird typischer Weise manuell von einem Bediener der Werkzeugmaschine vorgegeben. Gibt der Bediener an der Werkzeugmaschine eine Werkstoffart bzw. eine Oberflächenbeschaffenheit vor, die nicht mit der tatsächlich zu bearbeitenden Werkstoffart bzw. Oberflächenbeschaffenheit des zu bearbeitenden Werkstücks übereinstimmt, ist typischer Weise ein minderwertiges Ergebnis des Bearbeitungsprozesses die Folge. Aus der DE 10 201 1 005 907 B3 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Reflektivität einer Oberfläche bekannt geworden, die mit einer Auflichtbeleuchtung beleuchtet wird, wobei von der Oberfläche Bilder mit unterschiedlichen Beleuchtungszeiten aufgenommen werden und in jedem der aufgenommenen Bilder derjenige helle Flächenanteil bestimmt wird, in dem eine vorbestimmte Mindesthelligkeit erreicht ist. Aus dem bestimmten hellen Flächenanteil wird in Abhängigkeit von den

unterschiedlichen Belichtungszeiten die Änderung des hellen Flächenanteils mit der Belichtungszeit und hieraus die Reflektivität der Oberfläche bestimmt, um

hochreflektierende und matte Oberflächen zu erkennen und zu unterscheiden. Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche eine automatisierte Bestimmung der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit eines Werkstücks ermöglichen.

Gegenstand der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches folgende Schritte umfasst: Beleuchten einer Oberfläche des Werkstücks mit Beleuchtungsstrahlung, Aufnehmen mindestens eines Bildes der beleuchteten Oberfläche, sowie Bestimmen bzw. Klassifizieren der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks anhand mindestens eines in den Orts-Frequenzraum gewandelten Bildes, typischer Weise anhand einer statistischen Analyse des mindestens einen in den Orts-Frequenzraum gewandelten Bildes. Bei der Beleuchtung der Oberfläche des Werkstücks handelt es sich typischer Weise um eine Hellfeld-Auflichtbeleuchtung, bei welcher die Beleuchtungsstrahlung direkt von der Oberfläche des Werkstücks in die Beobachtungsrichtung zurück reflektiert wird.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine automatisierte Klassifikation von unterschiedlichen Werkstoffarten bzw. Materialien und/oder unterschiedlichen

Oberflächenbeschaffenheiten des Werkstücks vorzunehmen, um - in der Regel ebenfalls automatisiert - Bearbeitungsparameter und/oder Bearbeitungstechnologien auszuwählen, die für die Bearbeitung des Werkstücks in der Werkzeugmaschine optimiert bzw. besonders gut geeignet sind. Die Bestimmung der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks erfolgt anhand der Analyse des mindestens einen aufgenommenen Bildes der Oberfläche des Werkstücks, welches in den Orts-Frequenzraum gewandelt wurde. Im Orts-Frequenzraum können charakteristische Strukturen der Oberfläche des Werkstücks, insbesondere Hell- Dunkel-Strukturen besonders gut erkannt bzw. analysiert werden. Es hat sich insbesondere gezeigt, dass der Orts-Frequenzraum des aufgenommenen Bildes einer gegebenen Oberfläche sich signifikant vom Orts-Frequenzraum anderer Oberflächen unterscheidet, so dass eine Unterscheidung unterschiedlicher

Werkstoffarten und/oder Oberflächenbeschaffenheiten anhand eines in den Orts- Frequenzraum gewandelten Bildes der Oberfläche des Werkstücks besonders vorteilhaft ist.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Werkstoffart und/oder die

Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks anhand einer Anisotropie der

Häufigkeits-Verteilung der Orts-Frequenzen und/oder anhand mindestens einer richtungsunabhängigen Eigenschaft (typischer Weise einem richtungsunabhängigen Streuungsmaß) der Häufigkeits-Verteilung der Orts-Frequenzen des in den Orts- Frequenzraum gewandelten Bildes bestimmt. Die statistische Analyse der Häufigkeits-Verteilung der Orts-Frequenzen des in den Orts-Frequenzraum gewandelten Bildes kann mit Hilfe von bekannten Methoden aus der

Bildverarbeitung, beispielsweise durch Berechnung der zweidimensionalen örtlichen Momente (engl,„spatial moments") erfolgen, bei der die Elliptizität der örtlichen Frequenzverteilung berechnet wird, welche ein Maß für die Anisotropie der

Häufigkeitsverteilung der Orts-Frequenzen in der Oberflächenstruktur darstellt, wobei die örtlichen Momente den maximalen und minimalen Radius der umschließenden Ellipse der Standard-Abweichung, d.h. die Hauptachsen der Standard-Abweichung der Häufigkeits-Verteilung der Orts-Frequenzen liefern. Als richtungsunabhängige Eigenschaft der Häufigkeits-Verteilung der Frequenzen im Orts-Frequenzraum kann beispielsweise ein skalares Streuungsmaß, beispielsweise die (skalare)

Standardabweichung oder die Varianz der Häufigkeits-Verteilung dienen. Sowohl die richtungsunabhängige Eigenschaft auch die Anisotropie im Orts-Frequenzraum, d.h. der richtungsabhängige Orts-Frequenzraum, der beispielsweise durch die

charakteristischen Größen maximaler Radius und minimaler Radius der

umschließenden Ellipse („spatial moments") der Häufigkeits-Verteilung beschrieben werden kann, können als Unterscheidungskriterien zwischen unterschiedlichen Werkstückarten bzw. unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten verwendet werden. Insbesondere können diese beiden Unterscheidungskriterien zusammen mit dem Reflexionsgrad als drittem Unterscheidungskriterium zur Bestimmung der Werkstoffart und/oder zur Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit genutzt werden.

Zusätzlich zur Bestimmung der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit anhand des in den Orts-Frequenzraum gewandelten Bildes ist es auch möglich, für die Bestimmung der Werkstoffart bzw. der Oberflächenbeschaffenheit des

Werkstücks den Reflexionsgrad der Oberfläche des Werkstücks für die

Beleuchtungsstrahlung zu berücksichtigen. Der Reflexionsgrad kann hierbei für eine Wellenlänge, beispielsweise für die Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung, d.h. als absoluter Reflexionsgrad bestimmt werden. Es ist aber auch möglich, den

Reflexionsgrad der Oberfläche des Werkstücks für mehrere unterschiedliche

Wellenlängen der Beleuchtungsstrahlung zu bestimmen und die jeweiligen

Reflexionsgrade miteinander in Beziehung zu setzen (relative Reflexion), um die Oberflächenbeschaffenheit und/oder die Werkstoffart zu bestimmen. Es kann auch der maximale, minimale und mittlere Reflexionsgrad der Oberfläche bestimmt werden. Um unterschiedliche Werkstoffarten und/oder Oberflächenbeschaffenheiten zu unterscheiden, kann zusätzlich zu den aus der Analyse des in den Orts- Frequenzraum gewandelten Bildes gewonnenen Unterscheidungskriterien der (absolute oder relative) Reflexionsgrad als weiteres Unterscheidungskriterium verwendet werden.

Bei einer Weiterbildung werden zum Bestimmen der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks der Reflexionsgrad, die Anisotropie der Orts-Frequenzen und/oder die Häufigkeits-Verteilung der Orts-Frequenzen mit Referenzdaten für unterschiedliche Werkstoffarten und/oder

Oberflächenbeschaffenheiten verglichen. Die Referenzdaten für den Reflexionsgrad, die Anisotropie der Orts-Frequenzen und/oder der Häufigkeits-Verteilung der Orts- Frequenzen für unterschiedliche Werkstoffarten und/oder

Oberflächenbeschaffenheiten können in einer Datenbank hinterlegt sein. Anhand des Vergleichs der bei der Analyse des Bildes ermittelten Werte der obigen

Unterscheidungskriterien mit jeweiligen Referenzdaten kann diejenige Werkstoffart bzw. Oberflächenbeschaffenheit bestimmt werden, die den bei der Analyse des Bildes ermittelten Werten am Nächsten kommt.

Bei einer Weiterbildung erfolgt das Vergleichen mittels eines lernenden Systems, insbesondere mittels eines (künstlichen) Neuronalen Netzes Ein lernendes System kann während einer Lernphase mit Referenzdaten für die Anisotropie der Orts- Frequenzen, die Häufigkeits-Verteilung der Orts-Frequenzen und/oder den

Reflexionsgrad unterschiedlicher bekannter Werkstoffarten und/oder

Oberflächenbeschaffenheiten trainiert werden. Werden die bei der Analyse des Bildes des Werkstücks ermittelten Werte für die Anisotropie, die Häufigkeits- Verteilung und/oder den Reflexionsgrad einem solchen trainierten Neuronalen Netzwerk als Eingangsgrößen zur Verfügung gestellt, ordnet das Neuronale

Netzwerk diesen Eingangsgrößen automatisch diejenige Werkstoffart und/oder Oberflächenbeschaffenheit zu, die den gegebenen Eingangsgrößen am nächsten kommen. An Stelle eines lernenden Systems können andere Verfahren für den Vergleich verwendet werden, beispielsweise das so genannte„Template Matching", bei dem kleine Teilbereiche eines Bildes mit vorgegebenen Bildbestandteilen („Templates") verglichen werden, SAD („sum of absolute difference"), etc.

Bei einer Variante wird die Werkstoffart bestimmt aus einer Gruppe, die Baustahl, Edelstahl und Buntmetalle umfasst, d.h. das Werkstück wird als Baustahl, Edelstahl oder als Buntmetall klassifiziert. Die Klassifizierung der Werkstoffart muss sich nicht zwingend auf die Einteilung in eine der drei oben angegebenen Arten von

Werkstücken beschränken. Vielmehr können ggf. unterschiedliche Arten von

Baustählen unterschieden werden und/oder es kann in der Material klasse der Buntmetalle eine Bestimmung eines jeweiligen Buntmetalls, z.B. Kupfer, Aluminium etc. erfolgen.

Bei einer weiteren Variante umfasst das Bestimmen der Oberflächenbeschaffenheit das Erkennen einer gewalzten Oberfläche des Werkstücks. Da gewalzte Bleche eine von der Walzrichtung abhängige Riefenstruktur aufweisen, kann anhand der

Anisotropie der Orts-Frequenzen im in den Orts-Frequenzraum umgewandelten bzw. transformierten Bild erkannt werden, ob es sich um ein gewalztes Werkstück handelt. Insbesondere kann hierbei ein gewalztes von einem z.B. im Druckgussverfahren hergestellten oder mit Farbe, Folie oder dergleichen beschichteten Werkstück unterschieden werden, da derartige Werkstücke in der Regel keine im Orts- Frequenzraum als Anisotropie zu erkennende Vorzugsrichtung aufweisen. Zusätzlich oder alternativ zur Walzrichtung des Werkstücks können auch andere

Oberflächeneigenschaften, z.B. die Rauheit oder die Oxidation der Oberfläche, bestimmt werden. Bei einer weiteren Variante werden beim Aufnehmen des Bildes eine Belichtungszeit und/oder eine Beleuchtungsintensität an den Reflexionsgrad der Oberfläche des Werkstücks angepasst. Die Beleuchtungsintensität bzw. die Belichtungszeit werden hierbei so gewählt, dass das aufgenommene Bild einen möglichst hohen Kontrast aufweist. Anhand der für die Erzeugung eines hohen Kontrasts erforderlichen

Belichtungszeit bzw. Beleuchtungsintensität kann indirekt auf den Reflexionsgrad der Oberfläche geschlossen werden, d.h. es ist nicht erforderlich, den Reflexionsgrad der Oberfläche mittels einer separaten Reflektivitätsmessung zu bestimmen.

Bei einer weiteren Variante umfasst das Bestimmen der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit das Bilden eines Mittelwerts aus einer Zahl zwischen 10 und 1000 in den Orts-Frequenzraum gewandelter Bilder. Die Bestimmung der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks anhand von gemittelten Bildsequenzen ist gegenüber der Bestimmung anhand eines einzigen Bildes in der Regel deutlich verbessert. Die Analyse des Orts-Frequenzbereichs eines einzelnen Bildes ermöglicht häufig bereits eine eindeutige Unterscheidung unterschiedlicher Materialarten bzw. Oberflächenbeschaffenheiten.

In einer weiteren Variante erfolgt das Beleuchten der Oberfläche des Werkstücks mit Laserstrahlung als Beleuchtungsstrahlung, d.h. mit Beleuchtungsstrahlung, die (mindestens) eine diskrete Wellenlänge aufweist. Bei der Beleuchtungsquelle der Beleuchtungseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Diodenlaser handeln, der Beleuchtungsstrahlung bei einer Wellenlänge von beispielsweise 660nm, 808nm, 915nm, 980nm nm erzeugt. Das Beleuchten der Oberfläche sollte möglichst homogen erfolgen. Die Beleuchtungsstrahlung kann beispielsweise über eine Faser oder einen Glasstab homogenisiert werden. Die Beleuchtung der Oberfläche erfolgt bevorzugt als Auflichtbeleuchtung, da bei der Auflichtbeleuchtung durch die natürliche Rauigkeit der Oberfläche des Werkstücks ein hoher Kontrast erzeugt wird. Beleuchtungsstrahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen kann dazu verwendet werden, um den Reflexionsgrad bzw. die Reflexionsintensität der Oberfläche bei unterschiedlichen Wellenlängen zu bestimmen und die Reflexionsintensitäten zu vergleichen. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann der Reflexionsgrad bei unterschiedlichen Wellenlängen als weiteres Unterscheidungskriterium zwischen unterschiedlichen Werkstoffarten und/oder Oberflächenbeschaffenheiten dienen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Beleuchtungsstrahlung koaxial zu einem Hochenergiestrahl zur Bearbeitung des Werkstücks auf die Oberfläche eingestrahlt. Bei der Bearbeitung des Werkstücks mit einem Hochenergiestrahl, beispielsweise mit einem Laserstrahl, z.B. beim Laserstrahlschneiden oder beim Laserstrahlschweißen, oder mit einem Plasmastrahl, hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Beleuchtung der Oberfläche des Werkstücks und/oder die Beobachtung der Oberfläche des Werkstücks koaxial zum Hochenergiestrahl erfolgt. Auf diese Weise wird eine minimale Störkontur erzeugt und die Bestimmung der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit kann sowohl unmittelbar vor der Bearbeitung als auch während der Bearbeitung (d.h. hauptzeitparallel) erfolgen. Die Einkopplung der Beleuchtungsstrahlung in sowie die Auskopplung des

Beobachtungsstrahlengangs aus dem Strahlengang des Hochenergiestrahls kann beispielsweise durch eine örtliche (z.B. seitliche) Ein- bzw. Auskopplung oder durch einen teildurchlässigen Spiegel (Dichroit) erfolgen.

Bei einer weiteren Variante umfasst das Verfahren zusätzlich: Festlegen mindestens eines Bearbeitungsparameters zum Bearbeiten des Werkstücks abhängig von der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit. Wie weiter oben beschrieben wurde, können anhand der auf die oben beschriebene Weise bestimmten

Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit die Bearbeitungsparameter des Bearbeitungsprozesses, z.B. eines Laserschweißprozesses oder eines

Laserschneidprozesses, wie z.B. die Vorschubgeschwindigkeit, die Laserleistung, die Art des dem Werkstück als Hilfsgas oder als Schneidgas zugeführten Gases sowie der Gasdruck eines solchen Gases optimiert werden. Abhängig von der Werkstoffart und/oder von der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks kann auch eine

Auswahl von geeigneten Bearbeitungstechnologien zur Bearbeitung des Werkstücks, beispielsweise die Auswahl eines für die Bearbeitung geeigneten Lasers bzw. einer geeigneten Laserwellenlänge, erfolgen.

Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, welches zur

Durchführung aller Schritte des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage abläuft. Bei der Datenverarbeitungsanlage kann es sich beispielsweise um eine Steuereinrichtung, eine Regeleinrichtung oder um eine Auswerteeinrichtung handeln, die Teil einer Bearbeitungsmaschine für das Werkstück ist. Es kann sich aber auch um eine externe Einrichtung, beispielsweise einen PC, handeln, welche mit der

Bearbeitungsmaschine zum Austausch von Daten in Verbindung steht. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, umfassend: eine Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung von

Beleuchtungsstrahlung zum Beleuchten einer Oberfläche des Werkstücks, eine Bilderfassungseinrichtung zur Aufnahme mindestens eines Bildes der beleuchteten Oberfläche des Werkstücks, sowie eine Auswerteeinrichtung, die zur Bestimmung der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks anhand des mindestens einen in den Orts-Frequenzraum gewandelten Bildes ausgebildet bzw. programmiert ist. Wie weiter oben im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurde, kann mit Hilfe der Vorrichtung eine automatisierte Bestimmung der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks erfolgen. Die Vorrichtung kann beispielsweise als Bearbeitungskopf, insbesondere als Laserbearbeitungskopf, ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Auswerteeinrichtung typischer Weise in den Bearbeitungskopf integriert. Bei der Vorrichtung kann es sich auch um eine

Bearbeitungsmaschine, insbesondere um eine Laserbearbeitungsmaschine, handeln. In diesem Fall ist die Auswerteeinrichtung typischer Weise vom

Bearbeitungskopf separiert angeordnet. Bei einer Ausführungsform ist die Bilderfassungseinrichtung zur Aufnahme des mindestens einen Bildes eines durch eine Fokussierlinse zum Fokussieren eines Hochenergiestrahls auf das Werkstück verlaufenden Beobachtungsstrahlengangs ausgebildet. Die Bilderfassungseinrichtung ist derart angeordnet bzw. ausgerichtet, dass der Beobachtungsstrahlengang durch die Fokussierlinse verläuft, durch die auch ein Hochenergiestrahl, beispielsweise ein Laserstrahl oder ein Plasmastrahl, hindurch tritt, der zur Bearbeitung eines Werkstücks verwendet wird. Für die

Realisierung eines solchen Beobachtungsstrahlengangs kann der

Bilderfassungseinrichtung eine Abbildungsoptik mit einem oder mehreren geeignet positionierten optischen Elementen, z.B. in Form einer oder mehrerer Linsen, zugeordnet sein.

Bei einer Weiterbildung ist die Bilderfassungseinrichtung ausgebildet, das

mindestens eine Bild aus einer Beobachtungsrichtung koaxial zur Hauptachse der Fokussierlinse aufzunehmen. Die Strahlachse des Hochenergiestrahls stimmt im Idealfall mit der Hauptachse der Fokussierlinse überein, die zentrisch durch die Fokussierlinse verläuft, d.h. der Hochenergiestrahl tritt zentrisch durch die

Fokussierlinse hindurch. Durch die koaxiale Beobachtung der typischer Weise senkrecht zur Hauptachse der Fokussierlinse ausgerichteten planen

Werkstückoberfläche kann eine richtungsunabhängige Beobachtung realisiert werden, was für die Bestimmung der Werkstoffart und/oder der

Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks günstig ist.

Bei einer Weiterbildung ist die Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der

Oberfläche des Werkstücks durch die Fokussierlinse, bevorzugt koaxial zur

Hauptachse der Fokussierlinse, ausgebildet. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist eine Auflichtbeleuchtung der Oberfläche des Werkstücks günstig, da hierbei aufgrund der natürlichen Rauigkeit der Werkstückoberfläche ein hoher Kontrast erzeugt wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Beleuchtungseinrichtung als Beleuchtungsquelle mindestens einen Laser, insbesondere einen Diodenlaser, oder eine Leuchtdiode. Für die Bestimmung der Werkstückart und/oder der

Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Beleuchtung bei mindestens einer diskreten Wellenlänge sowie mit einer homogenen Beleuchtungsquelle mit hoher Strahlqualität, beispielsweise mit einem Diodenlaser, erfolgt. Die Einkopplung der Beleuchtungsstrahlung in den

Strahlengang des Hochenergiestrahls kann beispielsweise seitlich oder mittels eines teiltransmissiven Spiegels erfolgen.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet bzw. programmiert, die Werkstoffart und/oder die Oberflächenbeschaffenheit des

Werkstücks anhand einer Anisotropie der Häufigkeits-Verteilung der Orts- Frequenzen und/oder mindestens einer richtungsunabhängigen Eigenschaft der Häufigkeits-Verteilung der Orts-Frequenzen des in den Orts-Frequenzraum gewandelten Bildes zu bestimmen. Wie weiter oben im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurde, kann der richtungsabhängige örtliche Frequenzraum bzw. die Anisotropie der Orts-Frequenzen sowie die mindestens eine

richtungsunabhängige Eigenschaft der Häufigkeits-Verteilung der Orts-Frequenzen mit Hilfe von bekannten Methoden der Bildverarbeitung berechnet werden, beispielsweise durch die Berechnung der örtlichen Momente.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, zum Bestimmen der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks zusätzlich der Reflexionsgrad der Oberfläche des Werkstücks zu berücksichtigen. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann der Reflexionsgrad der Oberfläche, ggf. gemessen für unterschiedliche Wellenlängen der

Beleuchtungsstrahlung, als zusätzliches Unterscheidungskriterium dienen, um unterschiedliche Werkstoffarten und/oder Oberflächenbeschaffenheiten

unterscheiden zu können.

In einer Weiterbildung ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet bzw. programmiert, zum Bestimmen der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit den Reflexionsgrad, die Anisotropie der Orts-Frequenzen und/oder die Häufigkeits- Verteilung der Orts-Frequenzen mit Referenzdaten für unterschiedliche

Werkstoffarten und/oder Oberflächenbeschaffenheiten zu vergleichen. Die

Referenzdaten für den Reflexionsgrad, die Anisotropie der Orts-Frequenzen und/oder der Häufigkeits-Verteilung der Orts-Frequenzen für unterschiedliche Werkstoffarten und/oder Oberflächenbeschaffenheiten können in einer Datenbank hinterlegt sein. Anhand des Vergleichs der drei Unterscheidungskriterien mit den jeweiligen Referenzdaten kann diejenige Werkstoffart bzw.

Oberflächenbeschaffenheit bestimmt werden, die den bei der Analyse des Bildes ermittelten Werten am Nächsten kommt. Die Auswerteeinrichtung kann insbesondere ausgebildet sein, das Vergleichen mittels eines selbstlernenden Systems,

beispielsweise mittels eines (künstlichen) Neuronalen Netzes, durchzuführen. Es ist aber auch möglich, den Vergleich bzw. die Suche ähnlicher Parameter in der Datenbank mit Hilfe einer herkömmlichen Minimierungsfunktion durchzuführen, beispielsweise durch die Minimierung der kleinsten Fehlerquadrate.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie- ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer

Laserbearbeitungsmaschine zur Bestimmung einer Werkstoffart und/oder einer Werkstoffbeschaffenheit eines zu bearbeitenden Werkstücks, Fig. 2a-c Darstellungen von drei Bildern im Ortsraum sowie von drei in den Orts- Frequenzraum gewandelten Bildern einer Werkstückoberfläche eines plattenförmigen Werkstücks, sowie

Fig. 3a-d Darstellungen von vier Bildern von Werkstückoberflächen von

Werkstücken unterschiedlicher Baustahlsorten.

Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Vorrichtung in Form einer

Laserbearbeitungsmaschine 1 , die einen Bearbeitungskopf 3 zur Fokussierung eines Laserstrahls 2 auf ein von dem Bearbeitungskopf 3 beabstandetes Werkstück 4 umfasst. Der Laserstrahl 2 wird im gezeigten Beispiel von einem CO2-Laser erzeugt. Alternativ kann der Laserstrahl 2 beispielsweise durch einen Festkörperlaser erzeugt werden. Der Laserstrahl 2 wird zur Durchführung einer Werkstückbearbeitung an dem Werkstück 4, beispielsweise in Form eines Laserschweiß- oder

Laserschneidprozesses, mittels einer Fokussiereinrichtung in Form einer

Fokussierlinse 5 auf das Werkstück 4 fokussiert.

Der Bearbeitungskopf 3 umfasst des Weiteren eine Bearbeitungsdüse 6, wobei die Fokussierlinse 5 im gezeigten Beispiel den Laserstrahl 2 durch die Bearbeitungsdüse 6, genauer gesagt durch eine Öffnung 7 an der Innenseite der Bearbeitungsdüse 6, auf das Werkstück 4 fokussiert, und zwar auf eine an der Oberseite des Werkstücks 4 gebildete Werkstückoberfläche 8, an welcher der Laserstrahl 2 im gezeigten Beispiel an einer Fokusposition F auftrifft.

In Fig. 1 ebenfalls zu erkennen ist ein teildurchlässiger Spiegel 10, durch den der von einer Strahlführung einfallende Laserstrahl 2 hindurch tritt und auf die Fokussierlinse 5 trifft. An dem teildurchlässigen Spiegel 10 wird Beobachtungsstrahlung

(beispielsweise im sichtbaren Wellenlängenbereich) eines in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Beobachtungsstrahlengangs 12 umgelenkt und gelangt über eine weitere Linse 9 sowie einen weiteren teildurchlässigen Spiegel 14 auf eine Bilderfassungseinrichtung 13 in Form einer Kamera. Bei der

Bilderfassungseinrichtung 13 kann es sich um eine hochauflösende Kamera handeln, die insbesondere als Hochgeschwindigkeitskamera ausgebildet sein kann. Im dargestellten Beispiel erfolgt die Aufnahme von Bildern durch die

Bilderfassungseinrichtung 13 im NIR-Wellenlängenbereich. Auch eine Aufnahme von Bildern im VIS- oder UV-Bereich ist möglich. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel kann ein Filter vor der Bilderfassungseinrichtung 13 angeordnet werden, wenn weitere Strahlungs- bzw. Wellenlängenanteile von der Erfassung mit der

Bilderfassungseinrichtung 13 ausgeschlossen werden sollen. Der Filter kann z.B. als schmalbandiger Bandpassfilter ausgebildet sein.

Die weitere Linse 9 dient gemeinsam mit der Fokussierlinse 5 als Abbildungsoptik zur Abbildung der Werkstückoberfläche 8 auf eine Detektorfläche 13a der Kamera 13. Die Abbildungsoptik bzw. die Kamera 13 sind so angeordnet, dass der

Beobachtungsstrahlengang 12 koaxial zur in Fig. 1 strichpunktiert dargestellten Laserstrahlachse 19 bzw. deren Verlängerung verläuft. Da die Laserstrahlachse 19 mit der Hauptachse 5a der Fokussierlinse 5 übereinstimmt, erfolgt die Beobachtung der Werkstückoberfläche 8 bzw. die Aufnahme des Bildes der Werkstückoberfläche 8 in einer Beobachtungsrichtung R koaxial zur Hauptachse 5a der Fokussierlinse 5 sowie zur Längsachse der typischer Weise rotationssymmetrischen

Bearbeitungsdüse 6 und somit richtungsunabhängig.

Der Bearbeitungskopf 3 umfasst weiterhin eine Beleuchtungseinrichtung 15, die der Beleuchtung der von dem Bearbeitungskopf 3 beabstandeten Oberfläche 8 des Werkstücks 4 dient. Die Beleuchtungseinrichtung 15 weist eine Beleuchtungsquelle 16 auf, die einen in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Beleuchtungsstrahl 17 erzeugt. Als Beleuchtungsquelle 16 kann insbesondere ein Diodenlaser oder ggf. eine LED vorgesehen werden, z.B. bei einer Wellenlänge λ _Β von 660nm, 808nm, 915nm oder 980nm. Der Beleuchtungsstrahl 17 tritt durch den weiteren teildurchlässigen Spiegel 14 sowie die weitere Linse 9 hindurch und wird an dem teildurchlässigen Spiegel 10 in Richtung auf die Fokussierlinse 5 umgelenkt, wobei der Beleuchtungsstrahl 17 koaxial zum Laserstrahl 2 bzw. zur Hauptachse 5a der Fokussierlinse 5 ausgerichtet wird, so dass dieser durch die Öffnung 7 der Bearbeitungsdüse 6 tritt und die

Oberfläche 8 des Werkstücks 4 beleuchtet. Nachfolgend wird ein Verfahren beschrieben, wie mit Hilfe der in Fig. 1 gezeigten Laserbearbeitungsmaschine 1 die Werkstoffart und/oder die

Oberflächenbeschaffenheit der Oberfläche 8 des Werkstücks 4 bestimmt werden können. Es versteht sich, dass die Bestimmung der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks 4 nicht zwingend während der in Fig. 1 gezeigten Werkstückbearbeitung erfolgen muss, sondern dass diese insbesondere auch kurz vor dem Beginn der Werkstückbearbeitung erfolgen kann. In Fig. 2a-c oben ist jeweils ein von der Kamera 13 aufgenommenes Bild B der Oberfläche 8 eines Werkstücks 4 dargestellt. Eine kreisförmige Randkontur der Bearbeitungsdüse 6 bildet eine Begrenzung des Beobachtungsbereichs, durch den die Oberfläche 8 des Werkstücks 4 beobachtet werden kann. Der durch die Öffnung 7 hindurch erkennbare Ausschnitt der Werkstückoberfläche 8 weist eine jeweils unterschiedliche, charakteristische Oberflächenbeschaffenheit auf.

Bei dem Werkstück 4, dessen Oberfläche 8 in den in Fig. 2a-c gezeigten Bildern B dargestellt ist, handelt es sich in allen drei Fällen um ein gewalztes Edelstahlblech. In Fig. 2a handelt es sich bei dem Werkstück 4 um ein blankes Edelstahlblech, d.h. das Bild B ist eine Abbildung der blanken Oberfläche 8 des Edelstahlblechs. Bei dem in Fig. 2b gezeigten Bild B ist das Edelstahlblech mit einer nicht schneidfähigen Folie beschichtet und bei dem in Fig. 2c gezeigten Bild B ist das Edelstahlblech mit einer schneidfähigen Folie beschichtet. Um anhand der in Fig. 2a-c gezeigten Bilder B die unterschiedlichen

Oberflächenbeschaffenheiten (blanke Oberfläche bzw. unterschiedliche

Beschichtungen) besser unterscheiden zu können, werden die in Fig. 2a-c gezeigten Bilder B der Oberfläche 8 des Werkstücks 4 in den Orts-Frequenzraum umgewandelt (d.h. Fourier-transformiert), wobei sich die in Fig. 2a-c unten dargestellten Bilder B' im Orts-Frequenzraum ergeben. In dem in Fig. 2a gezeigten, in den Orts- Frequenzraum gewandelten Bild B' ist deutlich eine Anisotropie der Orts-Frequenzen bzw. ein richtungsabhängiger Orts-Frequenzraum mit einer gestrichelt angedeuteten Vorzugsrichtung V zu erkennen, die auf die Riefenstruktur des entlang einer

Walzrichtung gewalzten Edelstahlblechs zurückzuführen ist. Die in Fig. 2b und Fig. 2c dargestellten, in den Orts-Frequenzraum gewandelten Bilder B' sind im Orts- Frequenzraum im Wesentlichen isotrop, unterscheiden sich aber in Streuung der Werte der Häufigkeits-Verteilung der Orts-Frequenzen, d.h. das in Fig. 2b gezeigte, in den Orts-Frequenzraum transformierte Bild B' weist eine stärkere Streuung der Ortsfrequenzen auf, während das in Fig. 2c gezeigte, in den Orts-Frequenzraum transformierte Bild B' stärker um das Zentrum bei niedrigen Orts-Frequenzen konzentriert ist. Die Unterschiede zwischen den in Fig. 2b und in Fig. 2c dargestellten Häufigkeits-Verteilungen können gut durch ein richtungsunabhängiges (skalares) Streuungsmaß für Häufigkeits-Verteilungen beschrieben werden, beispielsweise durch die mittlere absolute Abweichung der einzelnen Werte der Häufigkeits- Verteilung vom Mittelwert der Häufigkeits-Verteilung oder durch die

(richtungsunabhängige) Standard-Abweichung bzw. Varianz.

Die Oberflächenbeschaffenheit der Werkstücke 4 lässt sich somit anhand der drei in Fig. 2a-c gezeigten, in den Orts-Frequenzraum gewandelten Bilder B' bestimmen, indem ein Streuungsmaß, welches die Anisotropie der Orts-Frequenzen der

Häufigkeits-Verteilung und/oder mindestens ein richtungsunabhängiges

Streuungsmaß der Häufigkeits-Verteilung der Orts-Frequenzen berechnet werden. Eine solche Berechnung des Streuungsmaßes kann mit Hilfe von aus der

Bildverarbeitung bekannten Methoden, beispielsweise durch Berechnung der örtlichen Momente des in den Orts-Frequenzraum gewandelten Bildes B' erfolgen. Die örtlichen Momente bilden ein zweidimensionales Streuungsmaß, aus dem sich die Anisotropie der Häufigkeits-Verteilung ergibt. Für eine derartige Berechnung ist in der Laserbearbeitungsmaschine 1 eine Auswerteeinrichtung 20 vorgesehen, die mit der Kamera 13 in signaltechnischer Verbindung steht. Die Auswerteeinrichtung 20 kann in die Laserbearbeitungsmaschine 1 beispielsweise in Form eines PCs oder dergleichen integriert sein sowie mit einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung 21 in signaltechnischer Verbindung stehen. Um anhand der Anisotropie der Häufigkeits-Verteilung der Orts-Frequenzen und/oder anhand mindestens einer richtungsunabhängigen Eigenschaft, typischer Weise eines Streuungsmaßes, der Häufigkeits-Verteilung der Orts-Frequenzen eines jeweiligen in den Orts-Frequenzraum gewandelten Bildes B' die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks 4 zu bestimmen, ist die Auswerteeinrichtung 20 ausgebildet, die bei der Analyse des jeweiligen Bildes B' erhaltenen Werte mit Referenzdaten bzw.

Referenzwerten für unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten zu vergleichen, die typischer Weise in einer Datenbank hinterlegt sind, auf weiche die

Auswerteeinrichtung 20 Zugriff hat. Für das Vergleichen kann in der

Auswerteeinrichtung 20 ein lernendes System, beispielsweise in Form eines künstlichen Neuronalen Netzes, implementiert sein. An Stelle eines lernenden Systems kann die Auswerteeinrichtung 20 andere Verfahren für den Vergleich verwenden, beispielsweise das so genannte„Template Matching", bei dem kleine Teilbereiche eines Bildes mit vorgegebenen Bildbestandteilen („Templates") verglichen werden, SAD, etc. Es ist aber auch möglich, dass die Auswerteeinrichtung 20 den Vergleich bzw. die Suche ähnlicher Parameter in der Datenbank mit Hilfe einer herkömmlichen Minimierungsfunktion durchführt, beispielsweise durch die Minimierung der kleinsten Fehlerquadrate. Zusätzlich zur Unterscheidung bzw. zur Klassifizierung von Werkstücken 4 hinsichtlich ihrer Oberflächenbeschaffenheit kann die Auswerteeinrichtung 20 auch unterschiedliche Werkstoffarten bestimmen. Zu diesem Zweck können

Referenzdaten bzw. Referenzwerte für unterschiedliche Werkstoffarten in der Datenbank hinterlegt werden und ebenfalls mit der jeweils bei der Analyse

bestimmten Werten für die skalaren oder richtungsabhängigen Eigenschaften der Häufigkeits-Verteilung der Orts-Frequenzen verglichen werden.

Zusätzlich zu den beiden weiter oben beschriebenen Unterscheidungskriterien für unterschiedliche Werkstoffe und/oder unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten kann als weiteres Unterscheidungskriterium der Reflexionsgrad der Oberfläche 8 des Werkstücks 4 herangezogen werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Belichtungszeit t _A (vgl. Fig. 3a-d), mit der die Kamera 13 ein jeweiliges Bild B aufnimmt, und/oder die Beleuchtungsintensität I (vgl. Fig. 1 ) angepasst werden, bis das Bild B einen ausreichenden Kontrast aufweist.

Anhand der angepassten Belichtungszeit t _A und der angepassten

Beleuchtungsintensität I kann auf den Reflexionsgrad der Oberfläche 8 des

Werkstücks 4 geschlossen werden, der ein erstes Indiz für die Werkstoffart und/oder die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks 4 liefert. Der Reflexionsgrad kann auch bei mehreren Wellenlängen der Beleuchtungsstrahlung 17 bestimmt werden, um die Klassifizierung unterschiedlicher Werkstoffarten bzw.

Oberflächenbeschaffenheiten zu verbessern. In diesem Fall können die für unterschiedliche Wellenlängen der Beleuchtungsstrahlung 17 bestimmten

Reflexionsgrade miteinander in Beziehung gesetzt werden (relative Reflexion), um die Oberflächenbeschaffenheit und/oder die Werkstoffart zu bestimmen.

Fig. 3a-d zeigen vier mit der Kamera 13 aufgenommene Bilder B von

unterschiedlichen Baustahlsorten, wobei die in Fig. 3a, b gezeigten Bilder B mit einer Belichtungszeit t _A von 15 s und die in Fig. 3c,d gezeigten Bilder B mit einer

Belichtungszeit t _A von 30 s aufgenommen wurden. Eine Unterscheidung zwischen den Baustahlsorten ist durch den unterschiedlichen Reflexionsgrad Ro sowie anhand der Riefenstruktur möglich, die anhand der in Fig. 3a-d nicht dargestellten, in den Orts-Frequenzraum umgewandelten Bilder der Oberfläche 8 des Werkstücks 4 analysiert werden kann.

Auf die oben beschriebene Weise können insbesondere die Werkstoffarten Baustahl, Edelstahl und Buntmetalle voneinander unterschieden werden, wobei auch

unterschiedliche Buntmetalle und unterschiedliche Baustahlsorten unterschieden werden können. Anders als im Zusammenhang mit Fig. 2a-c und Fig. 3a-d

beschrieben wurde, ist es günstig, an Stelle eines einzelnen in den Orts- Frequenzraum gewandelten Bildes einen (pixelweisen) Mittelwert aus einer Mehrzahl von zeitlich aufeinander folgend aufgenommenen Bildern, z.B. zwischen 10 und 1000 in den Orts-Frequenzbereich gewandelten Bildern B' zu bilden und die Bestimmung der Werkstoffart und/oder der Oberflächenbeschaffenheit anhand dieses Mittelwerts vorzunehmen. Der Mittelwert wird in diesem Fall zum Vergleich mit den jeweiligen Referenzdaten herangezogen. Es kann ggf. günstig sein, auch für die Bestimmung des Reflexionsgrades einen Mittelwert aus einer Mehrzahl von zeitlich aufeinander folgend aufgenommenen Bildern zu bestimmen.

Abhängig von der auf die oben beschriebene Weise bestimmten Werkstoffart und/oder Oberflächenbeschaffenheit können Bearbeitungsparameter des

Bearbeitungsprozesses, im vorliegenden Beispiel eines Laserschweißprozesses oder eines Laserschneidprozesses, z.B. die Vorschubgeschwindigkeit, die Laserleistung, die Art des dem Werkstück als Hilfsgas oder als Schneidgas zugeführten Gases sowie dessen Gasdruck geeignet gewählt werden. Die Auswahl der Bearbeitungsparameter kann automatisiert in der Steuer- und/oder

Regeleinrichtung 21 erfolgen, die zu diesem Zweck auf eine Datenbank

zurückgreifen kann. Auch kann in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 21 ggf. eine Auswahl von geeigneten Bearbeitungstechnologien, beispielsweise die Auswahl einer für die Bearbeitung geeigneten Laserquelle erfolgen, wenn in der

Laserbearbeitungsmaschine 1 zwischen mehreren Laserquellen zur Erzeugung des Laserstrahls 2 ausgewählt werden kann.

Durch die automatisierte Erkennung bzw. Bestimmung der Werkstoffart und der Oberflächenbeschaffenheit können Fehlerquellen bei der manuellen Eingabe der Materialart durch einen Bediener vermieden werden. Auch kann eine Zerstörung der Bearbeitungsmaschine durch Rückreflexion des Laserstrahls 2 an

hochreflektierenden Werkstoffen vermieden werden. Auch kann eine automatische Optimierung der Bearbeitungsparameter erfolgen, wobei beispielsweise eine automatische Vorbehandlung folierter Werkstücke vorgenommen werden kann. Auch können die Beleuchtungseinrichtung 15 und die Bilderfassungseinrichtung 13 in vorteilhafter Weise für die Messung bzw. Bestimmung anderer für den

Bearbeitungsprozess relevanter Messgrößen verwendet werden.