CH697667B1 - Doppelparameter-Laseroptikrückkopplung. - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Einrichtung zur Rückkopplungsregelung eines Lasers wird ein Laserstrahl von dem Laser (12) an ein Optikbündel ausgegeben. Die Intensität des Laserstrahls wird an einem Punkt zwischen dem Laser und dem Optikbündel gemessen, und in Reaktion hierauf wird ein vorläufiges Rückkopplungssignal (17) ausgegeben. Das vorläufige Rückkopplungssignal (17) wird mit einem Laserkalibrierfaktor und einem Optikbündelkalibrierfaktor multipliziert und als eingestelltes Rückkopplungssignal (19) ausgegeben. Dann wird eine Steuerung (20) dazu eingesetzt, die Intensität des Lasers in Reaktion auf das eingestellte Rückkopplungssignal zu regeln.

Description

  [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Laserschweissen, und spezieller ein Doppelparameter-Laseroptikrückkopplungssystem zum Kalibrieren der Laserausgangsenergie.

[0002] Laserschweissen wird üblicherweise dazu verwendet, Kunststoff- oder Harzteile, beispielsweise thermoplastische Teile, in einer Schweisszone zu vereinigen. Ein Beispiel für einen derartigen Einsatz von Lasern befindet sich im US-Patent Nr. 4 636 609, das ausdrücklich durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen wird.

[0003] Bekanntlich erzeugen Laser einen halbfokussierten Strahl elektromagnetischer Strahlung bei einer bestimmen Frequenz (also kohärente, monochromatische Strahlung).

   Es ist eine Anzahl an Lasern verfügbar; allerdings stellen Infrarotlaser oder nicht-kohärente Quellen eine relativ kostengünstige Quelle für Strahlungsenergie zum Einsatz in einer Schweisszone zur Verfügung. Ein spezielles Beispiel für Infrarotschweissen ist als Infrarotdurchgangsschweissen (TTIr-Schweissen) bekannt. Beim TTIr-Schweissen wird ein Infrarotlaser eingesetzt, der Infrarotstrahlung erzeugen kann, die durch Linsen, ablenkende Optikbauteile, Faseroptiken, Wellenleiter, Lichtleiter oder Lichtwellenleiter durch ein erstes Kunststoffteil und in ein zweites Kunststoffteil geführt wird. Dieses erste Kunststoffteil wird häufig als das durchlässige Teil bezeichnet, da es im Wesentlichen ermöglicht, dass der Laserstrahl durch es hindurchgeht.

   Das zweite Kunststoffteil wird dagegen häufig als absorbierendes Teil bezeichnet, da dieses Teil im Wesentlichen die Strahlungsenergie des Laserstrahls absorbiert, damit Wärme in der Schweisszone erzeugt wird. Diese Wärme in der Schweisszone führt dazu, dass das durchlässige Teil und das absorbierende Teil schmelzen und in enger Berührung miteinander verschweisst werden.

[0004] Häufig können mehrere Laserstrahlen, die von mehreren Laser- und Lichtleiterbündelanordnungen erzeugt werden, dazu eingesetzt werden, mehrere Zonen zu schmelzen. Beim gleichzeitigen Tiefschweissen werden daher mehrere Laserquellen dazu eingesetzt, gleichzeitig eine einzelne Schweissnaht in einer bestimmten Schweisszone zu erzeugen.

   Der Laserstrahl von jeder der mehreren Laserquellen wird an die Schmelzzone durch ein einzelnes Faseroptikbündel, einen Lichtwellenleiter, und/oder einen Wellenleiter geliefert (nachstehend zusammen als Lichtleiterbündel bezeichnet). Es wird darauf hingewiesen, dass jede spezielle Anordnung aus Laserquelle und Bündel eine bestimmte Laserausgangsintensität hervorruft, die ein Nebenerzeugnis der spezifischen Eigenschaften der Laserquelle und der Bündel darstellt, die eingesetzt werden.

[0005] Es ist häufig erwünscht, verschiedene Bündel bei unterschiedlichen Laserquellen auszutauschen, um einen gewünschten Effekt zu erzielen. Jedoch ruft, wie Fachleute auf diesem Gebiet wissen, der Austausch eines Bündels bei einer unterschiedlichen Laserquelle erneut eine einzigartige Kombination hervor, die eine unterschiedliche Laserausgangsleistung aufweist.

   Typischerweise ist es erforderlich, dass diese neue Kombination aus Laserquelle und Bündel erneut kalibriert wird, so dass die exakte Laserausgangsintensität bekannt ist, um unerwünschte Schweissergebnisse zu vermeiden. Es ist daher wünschenswert, dass ermöglicht wird, einfach Bündel bei bestimmten Laserquellen auszutauschen, ohne dass jedes Bündel bei jedem Laser erneut kalibriert werden muss. Hierdurch würde ermöglicht, schnell und einfach Werkzeugbestückungsänderungen durchzuführen, ohne dass teure Stillstandszeiten erforderlich sind.

[0006] Es ist bekannt, einen einzelnen Optiksensor einzusetzen, der in der Nähe der Laserquelle angeordnet ist, um Ausgangsenergieinformation zu liefern. Diese Ausgangsenergieinformation ist jedoch nur dann nützlich, wenn sie in Bezug auf die eingesetzte Kombination auf Laser und Bündel kalibriert ist.

   Bei einer einzelnen Sensoranordnung benötigt daher die Anordnung aus Laserquelle und Bündel immer noch zeitaufwendige Verzögerungen beim Kalibrieren.

[0007] Wenn man die Wahl trifft, nicht die Anordnung aus Laserquelle und Bündel zu kalibrieren, werden übermässige statistische Fehler hervorgerufen. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, stellt sich dann, wenn man einen einzelnen Optiksensor einsetzt, der in der Nähe der Laserquelle angeordnet ist, und zwischen Bündeln umschaltet, die Standardabweichung des vorläufigen Rückkopplungssignal ohne einen Kalibrierfaktor als etwa 57% heraus, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Offensichtlich ist für die meisten Anwendungen diese Standardabweichung nicht akzeptabel. Wie voranstehend geschildert, könnte man diese Abweichung durch das Kalibrieren jeder Kombination aus Laserquelle und Bündel ausschalten.

   Unter Berücksichtigung der Anzahl austauschbarer Bündel zwischen verschiedenen Laserquellen und Maschinen im typischen Einsatz in der Praxis ist es daher nicht durchführbar, den Kalibrierfaktor für jede mögliche Kombination zu berechnen.

[0008] Weitere Einsatzbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung deutlich werden, die nachstehend erfolgt. Es wird darauf hingewiesen, dass die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele zwar die Ausführungsformen der Erfindung angeben, jedoch nur zur Erläuterung dienen sollen, und nicht den Umfang der Erfindung einschränken sollen.

[0009] Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen.

   Es zeigt:
<tb>Fig. 1<sep>ein Diagramm zur Darstellung der Standardabweichung eines herkömmlichen Rückkopplungsregelsystems für verschiedene Kombinationen aus Lasern und Bündeln;


  <tb>Fig. 2<sep>eine schematische Ansicht eines Rückkopplungsregelsystems, das ein Doppelparameter gemäss den Grundlagen der vorliegenden Erfindung einsetzt;


  <tb>Fig. 3<sep>ein Ven-Diagramm einer Kombination aus Laser und Bündel, welches erläutert, dass der Laserkalibrierfaktor sowohl den Wirkungsgrad als auch die Kopplung des Lasers enthält, und die Bündelkalibrierung sowohl den BündeIdurchsatz als auch die Bündelkopplung enthält; und


  <tb>Fig. 4<sep>ein Diagramm zur Erläuterung der Standardabweichung eines Doppelparameters für verschiedene Kombinationen aus Lasern und Bündeln gemäss den Grundlagen der vorliegenden Erfindung.

[0010] Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen stellt an sich nur ein Beispiel dar und soll keinesfalls die Erfindung deren Einsatz oder Verwendungszwecke einschränken. Allerdings wird darauf hingewiesen, dass zwar die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit speziellen Arten einer Ausrüstung erläutert wird, beispielsweise Lasern, Photodetektoren und Bündeln, jedoch die vorliegende Erfindung nicht so verstanden werden soll, dass sie hierauf beschränkt ist. Die Doppelparameterrückkopplungsregelung gemäss der vorliegenden Erfindung kann bei jedem Laser, jedem Photodetektor oder jeder Schaltung eingesetzt werden.

   Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung beim Laserkunststoffschweissen oder zum Steuern eines Lasers bei einem anderen Einsatz verwendet werden.

[0011] In Fig. 2 ist eine Rückkopplungsregelungsvorrichtung 10 zum Einsatz bei einer herkömmlichen Laserquelle 12, beispielsweise einer Laserdiode, und einem Lichtleiterbündel 14 dargestellt. Die Rückkopplungsregelungsvorrichtung 10 stellt eine Rückkopplungsschleife dar, welche die Ausgangsleistung der Laserquelle 12 steuern kann. Die Laserquelle 12 kann jeder herkömmliche Laser sein. Entsprechend kann das Lichtleiterbündel 14 jede Anzahl oder Kombination herkömmlicher Optikbauteile aufweisen, beispielsweise Laserlichtsender oder Reflektoren, so zum Beispiel, wobei dies keine Einschränkung darstellt, Faseroptiken, Wellenleiter und Lichtwellenleiter.

   Die vorliegende Erfindung sollte nicht so verstanden werden, dass sie auf die speziellen Optikbauteile oder Laser beschränkt ist, die eingesetzt werden.

[0012] Die Rückkopplungsregelungsvorrichtung 10 verwendet einen einzelnen Optiksensor 16, beispielsweise eine Infrarot-Festkörperphotodiode, die zwischen dem Ausgang der Laserquelle 12 und dem Eingang des Lichtleiterbündels 14 angeordnet ist. Der Optiksensor 16 ist so betreibbar, dass er die Intensität der Laserenergie misst, die von der Laserquelle 12 abgegeben wird.

   Der Optiksensor 16 gibt ein vorläufiges Rückkopplungssignal 17 aus, speziell ein Analogsignal, in Reaktion auf die gemessene Laserenergieintensität.

[0013] Eine Verarbeitungseinheit 18 empfängt ein vorläufiges Rückkopplungssignal 17 und multipliziert das vorläufige Rückkopplungssignal 17 mit zwei Kalibrierfaktoren, um ein eingestelltes Rückkopplungssignal 19 zu erzeugen. Die beiden Kalibrierfaktoren umfassen einen Laserkalibrierfaktor CL und einen Bündelkalibrierfaktor CB. Das eingestellte Rückkopplungssignal wird dann an eine Steuerung 20 zurückgeschickt, vorzugsweise eine digitale IC-Steuerung, welche das Ausgangssignal der Laserquelle 12 über eine gepulste Spannung der Gleichspannungsstromversorgung der Laserquelle 12 in Reaktion auf das eingestellte Rückkopplungssignal einstellt.

   Eine externe oder Benutzersteuerung 22 ist ebenfalls betriebsmässig mit der Steuerung 20 so gekoppelt, dass ein bevorzugtes Laserausgangssignal 24 variiert wird.

[0014] Die folgende Vorgehensweise und folgende Gleichungen werden dazu verwendet, den Wert von CL und CB festzulegen.
 <EMI ID=2.0> 
Hierbei ist:
<tb>n<sep>= Anzahl an Lasern


  <tb>p<sep>= Anzahl an Bündeln


  <tb>L<sep>= Laserindex


  <tb>B<sep>= Bündelindex


  <tb>mLB<sep>= Steigung der einzelnen Responsen von Kombinationen aus Laser und Bündel 


  <tb>CB<sep>= Bündelkalibrierfaktor für jedes Bündel


  <tb>CL<sep>= Laserkalibrierfaktor für jeden Laser


  <tb>s<sep>= Standardabweichung nicht auflösbaren Rauschens

[0015] Unter Verwendung der voranstehenden Gleichungen wird eine Matrix der Steigungen verschiedener Kombinationen von Lasern und Bündeln, mLB, experimentell für eine statistische Probe gemessen. Ein externes Lichtleistungsmessgerät, das nur zum Kalibrieren verwendet wird und am Laserlichtausgang 24 angeordnet ist, wird dazu verwendet, die gemessene Laserausgangsleistung des Systems zu bestimmen. Die Spannung des gemessenen, vorläufigen Rückkopplungssignals 17 wird durch die gemessene Laserausgangsleistung des Systems dividiert, um die Steigung der Response, mLB, zu erhalten. Dann können die Kalibrierfaktoren CL und CB unter Verwendung der voranstehenden Gleichungen berechnet werden.

   Wie schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, sind CL und CB statistisch unabhängig, erhalten jedoch beide einen Teil der Information bezüglich der Kopplung zwischen den Laserquellen und den Bündeln. Ein Teil des Kalibrierfaktors für die Laserquelle berücksichtigt daher den Wirkungsgrad des Lasers, wogegen ein Teil des Kalibrierfaktors des Bündels den Durchsatz des Bündels berücksichtigt. Unter Verwendung dieses statischen Verfahrens berücksichtigt jedoch jeder Kalibrierfaktor auch die Abhängigkeit der Laser und der Bündel vom Kopplungswirkungsgrad zwischen den Lasern und den Bündeln.

   Der statistisch abhängige Anteil der Kopplung stellt nicht auflösbares Rauschen dar, das unter Verwendung der voranstehenden, letzten Gleichung berechnet werden kann.

[0016] Sobald eine statistische Probe aus Kombinationen aus einer Laserquelle und einem Bündel gemessen wurde, um CL und cB zu bestimmen, kann jedes einzelne Bündel oder jeder einzelne Laser aus der ursprünglichen, statistischen Probe dazu verwendet werden, Bündel und Laserquellen zu kalibrieren, die sich ursprünglich nicht in der statistischen Probe befanden. Es hat sich herausgestellt, dass anstatt des Vorsehens eines einzelnen Kalibrierfaktors wie beim Stand der Technik, nämlich durch Einsatz von zwei Kalibrierfaktoren wie gemäss der vorliegenden Erfindung, die Standardabweichung von 57% auf 7% verringern lässt, wie dies aus einem Vergleich von den Fig. 1 und 4 hervorgeht.

   Die übrige Standardabweichung von 7% stellt das Rauschen der unterschiedlichen Kopplung zwischen verschiedenen Kombinationen aus Laser und Bündel dar, die nicht mit exakt einem Laser oder einem Bündel korreliert werden kann.

[0017] Um getrennte Kalibrierungen zusätzlicher Laser und Bündel zu erzielen, und nachdem die statistische Probe von Kombinationen erhalten wurde, kann jede der ursprünglichen Proben, die kalibriert wurden, als "Goldstandard" zum Kalibrieren von anderen eingesetzt werden. Eine kalibrierte "Goldstandard-Laserquelle" kann daher dazu eingesetzt werden, alle zusätzlichen Bündel ausserhalb der Probe zu kalibrieren. Entsprechend kann ein vorkalibriertes "Goldstandard-Bündel" dazu verwendet werden, jede zusätzliche Laserquelle zu kalibrieren.

   Im Ergebnis erhält man ein Laserintensitätsrückkopplungssystem, das einen freien Austausch von Werkzeugbestückungen ermöglicht, bei dem nur eine Änderung bis zu etwa 7% gegenüber der tatsächlichen Laserintensität vorhanden ist, die der tatsächlichen Schweisszone zugeführt wird.

[0018] Die vorliegende Erfindung, bei welcher ein statistisches Abziehen halbabhängiger Parameter mit einem Rückkopplungsregelsystem zum Einsatz bei einem Laser erfolgt, kann bei zwei, drei oder mehr Parametern eingesetzt werden und kann auch bei jedem Rückkopplungssystem eingesetzt werden, das eingesetzt wird, soweit die Parameter den Gesamtdurchsatz einer bestimmten Grösse repräsentieren, beispielsweise, jedoch nicht hierauf beschränkt, Wärme, Licht, Leistung, Fluidfluss, mechanische Bewegung und dergleichen.

   Dieses Abziehen von Parametern ermöglicht einen freien Austausch von Komponenten, welche die Parameter repräsentieren, mit minimalem Rauschen. Dieser Vorgang schaltet das Erfordernis aus, einzeln jede Kombination aus Laserquelle und Bündel kalibrieren zu müssen, ohne übermässiges statistisches Rauschen und/oder eine übermässige Standardabweichung hervorzurufen. Anders ausgedrückt, können Laserquellen und Optikbündel bei einem Infrarotlaser-Kunststoffschweisssystem ausgetauscht werden, ohne eine Mitkopplungsregelung einzusetzen. Es müssen nicht sämtliche Kombinationen aus Lasern und Bündeln gemessen werden, um die ursprüngliche Kalibrierung zu ermöglichen.

   Dies ermöglicht den Einsatz verschiedener Lasermaschinen und Laserbündelwerkzeuge zu unterschiedlichen Zeiten und an unterschiedlichen Orten, ermöglicht jedoch immer noch einen Austausch von Laserbündelwerkzeugbestückungen zwischen Maschinen. Bei einer vorgegebenen, einzelnen Maschine können die Laserbündel von einem Werkzeug auch zwischen unterschiedlichen Laserkanälen ausgetauscht werden, was eine Rekonfiguration des Werkzeugs ohne erneute Kalibrierung ermöglicht.

[0019] Die Beschreibung der Erfindung ist nur als beispielhaft zu verstehen, so dass Abänderungen, die vom Wesen der Erfindung nicht abweichen, vom Umfang der Erfindung erfasst werden sollen. Derartige Abänderungen sollen nicht als Abweichung vom Wesen und Umfang der Erfindung verstanden werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Rückkopplungsregelung eines Lasers, mit folgenden Schritten: Ausgabe eines Laserstrahls von dem Laser an ein Optikbündel; Messung der Intensität des Laserstrahls zwischen dem Laser und dem Optikbündel, und Ausgabe eines vorläufigen Rückkopplungssignals in Reaktion hierauf; Multiplizieren des vorläufigen Rückkopplungssignals mit einem Laserkalibrierfaktor und einem Optikbündelkalibrierfaktor, und Ausgabe eines eingestellten Rückkopplungssignals; und Empfangen des eingestellten Rückkopplungssignals, und Regeln des Lasers in Reaktion auf das eingestellte Rückkopplungssignal.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: Bestimmung des Werts des Laserkalibrierfaktors und des Optikbündelkalibrierfaktors mittels Test einer Probe aus Kombinationen aus Laser und Optikbündel.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Wertes des Laserkalibrierfaktors und des Optikbündelkalibrierfaktors umfasst: Messung einer Response-Steigung der Probe von Kombinationen aus Laser und Optikbündel; und Berechnen des Laserkalibrierfaktors und des Optikbündelkalibrierfaktors in Reaktion auf die Response-Steigung der Probe aus Kombinationen von Laser und Optikbündel.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laser ein erster Laser ist, der betriebsmässig mit einem Optikbündel gekoppelt ist, gekennzeichnet durch: Bestimmung des Werts des Laserkalibrierfaktors und des Optikbündelkalibrierfaktors mittels Test zumindest eines zweiten Lasers und zumindest eines zweiten Optikbündels.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Werts des Laserkalibrierfaktors und des Optikbündelkalibrierfaktors umfasst: Messung einer Response-Steigung des zweiten Lasers und des zweiten Optikbündels; und Berechnen des Laserkalibrierfaktors und des Optikbündelkalibrierfaktors in Reaktion auf die Response-Steigung des zweiten Lasers und des zweiten Optikbündels.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkalibrierfaktor und der Bündelkalibrierfaktor durch statistische Probenahme bestimmt werden.

7. Rückkopplungsregelsystem zum Einsatz bei mehreren Laserquellen und mehreren Optikbündeln, wobei eine der mehreren Laserquellen betriebsmässig mit einem der mehreren Optikbündel gekoppelt ist, um Ausgangslaserlicht zu liefern, wobei das Rückkopplungsregelsystem umfasst: einen optischen Sensor, der zwischen der einen der mehreren Laserquellen und dem einen der mehreren Optikbündel anschliessbar ist, wobei der optische Sensor so betreibbar ist, dass er ein vorläufiges Rückkopplungssignal in Reaktion auf eine gemessene Intensität von Ausgangslaserlicht von einer der mehreren Laserquellen ausgibt;

eine Verarbeitungseinheit, die betriebsmässig mit dem optischen Sensor gekoppelt ist, um das vorläufige Rückkopplungssignal zu empfangen, wobei die Verarbeitungseinheit so betreibbar ist, dass sie das vorläufige Rückkopplungssignal mit einem Laserkalibrierfaktor und einem Bündelkalibrierfaktor multipliziert, um ein eingestelltes Rückkopplungssignal zu erzeugen; und eine Steuerung, die betriebsmässig mit der Verarbeitungseinheit gekuppelt ist, um das eingestellte Rückkopplungssignal zu empfangen, wobei die Steuerung an die eine der mehreren Laserquellen anschliessbar ist, um den Ausgang der einen der mehreren Laserquellen in Reaktion auf das eingestellte Rückkopplungssignal zu steuern.

8. Rückkopplungsregelungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor eine Photodiode ist.