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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen Beurteilung
von Laserbearbeitungsprozessen nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1, wie es aus der
DE
197 16 293 C2 bekannt ist. Bei dem in der
DE 197 16 293 C2 angegebenen Verfahren
wird bei einem Laserschweißprozess
der Schmelzbereich des Werkstücktmaterials
mittels einer Kamera aufgezeichnet und aufgrund geometrischer Daten
mittels Bildverarbeitung der Schweißprozess geregelt. Zur Datenverarbeitung
werden dabei in der Bildverarbeitungseinrichtung als Tabellenwerte
abgespeicherte Referenzdaten zugrundegelegt, die einen derartigen
Prozess beschreibende Standardwerte darstellen.
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Aus
der
DE 198 22 924
A1 ist weiterhin ein Verfahren zur automatischen Beurteilung
bzw. Messung der Verteilung der Energiefelddichte eines Laserstrahls
bekannt, wobei diese Vorrichtung auch zur On-line-Prozessüberwachung
in der Qualitätssicherung,
beispielsweise bei der Fertigung mit einem Laserschweißverfahren
einsetzbar ist. Dabei wird eine CDD-Kamera zur Messung der Verteilung
der Energiedichte des Laserstrahls eingesetzt, es ist dort jedoch
nicht beschrieben, dass mit dieser Kamera die Prozesse mit hohem
Dynamikbereich hinsichtlich Strahlungsdichte und Aufnahmegeschwindigkeit
aufgezeichnet werden. Die Kamera zeichnet lediglich den Laserstrahl
auf.
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Ferner
ist aus der
DE 197
36 051 A1 ein Kameraaufbau zur Aufnahme von Bildern bekannt,
wobei nicht lineare, vorzugsweise logarithmierende CMOS-Bildsensoren
eingesetzt werden.
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Bei
anderen bisher bekannten standardmäßigen Verfahren werden optische,
eindimensionale Sensoren, wie Fotodioden oder Pyrometer zur Prozessüberwachung
eingesetzt.
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Der Übergang
auf zweidimensionale Sensoren bzw. Kameras mit derartigen Sensoren
war bisher mit folgenden Schwierigkeiten verknüpft: geringe Aufnahme- und Verarbeitungsgeschwindigkeit
wegen der größeren Datenmenge,
die ein Bildsensor gegenüber
einem einzelnen Sensorelement liefern kann, und nicht ausreichende
Dynamik hinsichtlich der zu verarbeitenden Strahldichte- bzw. Leuchtdichteunterschiede überforderten
die bisher verfügbaren
Flächensensoren.
So zeigen übliche
CCD-Kameras schon bei wesentlich geringeren Strahldichteunterschieden
als beim Laserschweißen
deutliche Überstrahlungseffekte,
die die gesuchte Information verdecken.
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So
existiert bisher beispielsweise zum Erkennen von Schmelzspritzern
beim Laserschweißen oder
auch beim Laserbohren noch kein zuverlässiges automatisches Verfahren.
Gründe
hierfür
sind, dass Schmelzspritzer aufgrund der Temperaturstrahlung des
flüssigen
Metalls im nahen Infrarot strahlen, wobei die Strahlstärke des
von den Spritzern ausgehenden Signals im Vergleich zu der Strahlstärke des Schweißprozesses
aber um ein Vielfaches geringer ist. Bei eindimensionalen Sensoren überdecken
die Strahlungseffekte die Spritzersignale. Zudem sind Spritzer sehr
schnell. Sie entstehen in weniger als einer ms und fliegen mit Geschwindigkeiten
der Größenordnung
von 1 m/s. Damit ist es für
normale bildgebende Sensoren sehr schwer diese Ereignisse festzuhalten.
Hinzu kommen Nachteile, die sich aus der Art der Verarbeitung der
aufgezeichneten Prozessdaten ergeben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art bereitzustellen, mit dem eine zuverlässige automatische
Beurteilung von Laserbearbeitungsprozessen erreicht wird.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach
ist vorgesehen, dass die Referenzdaten während oder am Ende des Prozesses
aus den Aufzeichnungen gewonnen werden und dass in einem weiteren
Schritt während
des Prozesses aufgenommene Prozessdaten den Referenzdaten gegenübergestellt
werden und daraus der Prozess beurteilt wird.
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Durch
die Herleitung der Referenzdaten aus dem jeweiligen aktuellen Bearbeitungsprozess
sind diese mit dem jeweiligen Prozess unmittelbar verknüpft und
für ihn
charakteristisch. Chargenabhängige
Abweichungen wirken sich nicht verfälschend aus. Werden nun die
aufgenommenen Prozessdaten den so gewonnenen Referenzdaten gegenübergestellt
und auf dieser Basis der Prozess beurteilt, so lassen sich zuverlässige Aussagen
stets gleich hoher Güte
erzielen. Auch sind durch die automatische Beurteilung Fehlbeurteilungen
ausgeschlossen, wie sie etwa durch einen ermüdeten menschlichen Betrachter
zustande kommen können.
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Verschiedene
Beurteilungskriterien ergeben sich daraus, dass die Referenz- und
die Prozessdaten zeit-, und/oder ortsaufgelöst erfasst werden.
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Die
Zuverlässigkeit
der Diagnose des Prozesses wird dadurch begünstigt, dass aus der Gegenüberstellung
von Prozess- und Referenzdaten Merkmale gewonnen werden.
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Mit
den Maßnahmen,
dass als Merkmale allgemeine, mit der Kamera und der Bildverarbeitung erfassbare
Merkmale oder für
eine bestimmte Messaufgabe spezifische Merkmale extrahiert werden, wird
bei Erfassen der allgemeinen Merkmale eine große Merkmalsmenge erhalten,
die vielfältige
Auswertemöglichkeiten
bietet, um z.B. unterschiedliche Fragestellungen getrennt behandeln
und beurteilen zu können.
Werden andererseits bereits auf dieser Stufe der Verarbeitung spezifische
Merkmale für
eine bestimmte Messaufgabe extrahiert, so ergibt sich eine Datenreduktion,
die z.B. sinnvoll sein kann, wenn es von vornherein lediglich auf
die Beurteilung nur einer bestimmten, eindeutig beschreibbaren Prozesseigenschaft
ankommt.
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Ist
vorgesehen, dass für
eine bestimmte Messaufgabe aus der Menge der allgemeinen Merkmale
spezifische Merkmale für
die Beurteilung herangezogen werden, so lassen sich aufgrund der
gewonnenen allgemeinen Merkmale ein oder mehrere verschiedene Prozesseigenschaften
beurteilen.
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Eine
zuverlässige
Unterscheidung der Ausprägungen
der jeweiligen Merkmale ergibt sich dadurch, dass die hohe Dynamik
der Kamera hinsichtlich Aufnahmegeschwindigkeit und/oder Strahlungsdichte
ausgenutzt wird, um die Ausprägung
der allgemeinen und/oder der spezifischen Merkmale festzustellen.
Beispielsweise kann aufgrund der mit hoher Dynamik erfassten Strahlungsdichte
zuverlässig
unterschieden werden, ob bei einem Laserschweißprozess unerwünschte Spritzer
aufgetreten sind oder nicht. Dabei kann auch die hohe Dynamik hinsichtlich der
Aufnahmegeschwindigkeit genutzt werden, wobei zur Verbesserung der
Zuverlässigkeit
auch eine kombinierte Auswertung von Strahlungsdichte und Geschwindigkeit
vorgenommen werden kann.
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Für die Zuverlässigkeit
einer Beurteilung ist auch vorteilhaft, dass die Ausprägung der
spezifischen Merkmale für
eine automatisierte Beurteilung eines Fertigungsprozesses herangezogen
wird.
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Bei
in sich gleichmäßigen Prozessen
ist es in der Regel günstig,
die Referenzdaten lediglich aus dem jeweiligen Prozess zu gewinnen,
da dann eine chargenunabhängige
Beurteilung erzielt wird. Sind aber einzelne Prozesse relativ instationär, so kann
es bei an sich ähnlichen
Prozessen günstig
sein, dass zur Bildung der Referenzdaten zusätzlich weitere Prozesse herangezogen
werden. Hierdurch können Einzelstörungen innerhalb
der Prozesse beim Gewinnen der Referenzdaten kompensiert werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel
für eine
Vorrichtung zur automatischen Beurteilung von Laserschweißprozessen
in schematischer Darstellung,
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2A und 2B Diagramme von (z. B.) Strahldichteverläufen über Einzelbildern
während
der Aufzeichnung eines Laserschweißprozesses.
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Bei
der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 zur automatischen
Beurteilung von Laserschweißprozessen
weist ein Schweiß-Bearbeitungskopf 2 einen Zuführzweig 2.2 für den Laserstrahl,
einen Bearbeitungszweig 2.1, über den der Laserstrahl zu
einem Werkstück 3 geführt wird,
sowie einen Beobachtungszweig 2.3 auf, der zu einer Kamera 4 mit
einem Bildsensor 4.1 führt.
Die Kamera 4 ist über
eine Anschlussleitung 6, beispielsweise einen Duplex-Lichtwellenleiter
mit einer Bildverarbeitungseinrichtung 5 in Form eines
Bildverarbeitungs-PCs verbunden.
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Der
Laserstrahl gelangt über
einen Lichtwellenleiter LWL in den Zuführzweig 2.2, in dem
sich eine Kollimationslinse 2.21 befindet, und wird an
einem an dessen Ende angeordneten Strahlteiler 2.4 in den
Bearbeitungszweig 2.1 über
eine Fokussierlinse 2.11 und ein Schutzglas 2.12 zu
dem Werkstück 3 geführt. Von
dem Werkstück 3 gelangt
beim Schweißprozess
entstehende Strahlung über
den Bearbeitungszweig 2.1 und den Strahlteiler 2.4 in
den Beobachtungszweig 2.3, in dem ein Filter 2.31 und eine
Linse 2.32 angeordnet sind, auf den Bildsensor 4.1 der
Kamera 4. Die elektronischen Bildsignale des Bildsensors 4.1 werden über die
Anschlussleitung 6 der Bildverarbeitungseinrichtung 5 zur
Weiterverarbeitung zugeführt.
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Wie
die 2A, 2B zeigen, ergeben sich während eines
Schweißprozesses
mit einem Schweißvorgang
CW Schwankungen in der Strahldichte, die zum Teil hohe Spitzen aufweisen.
Während
eines Einschwingvorgangs EV treten derartige Spitzen z.B. beim Herstellen
von Heftpunkten HP auf. Beim anschließenden Start LA des Lasers
für den Schweißvorgang
CW entsteht abermals eine hohe Strahldichte-Spitze. Tritt ein Spritzer
SP auf, so zeigt sich dieser durch einen weiteren Strahldichte-Impuls, wogegen
die Schwankungen der Strahldichte während des eigentlichen Schweißvorgangs
CW relativ gering sind und deutlich unterhalb eines Schwellwerts
SW liegen. Der Schweißvorgang
CW endet beim Stop LE des Lasers.
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Die
Kamera ist zur Verarbeitung der hohen Strahldichteunterschiede und
schnellen zeitlichen Vorgänge
mit einer hohen Dynamik hinsichtlich Strahldichte und Aufzeichnungsgeschwindigkeit
ausgestattet und vorzugsweise als logarithmische CMOS-Kamera aufgebaut,
die eine relativ hohe Empfindlichkeit bei niedrigeren Strahldichten
und eine abnehmende Empfindlichkeit bei hohen Strahldichten aufweist.
Auch einer solchen logarithmischen Kennlinie angenäherte, z.
B. stückweise
lineare Dynamikverläufe
kommen in Frage. Die CMOS-Kamera mit hoher Dynamik kann je nach
Modell z.B. bis zu 100 Vollbilder pro Sekunde liefern. Als CMOS-Kamera
ermöglicht
sie auch einen wahlfreien Zugriff auf Unterbereiche des flächenhaften
Bildsensors 4.1. Dadurch werden entsprechend der kleineren
Bildpunkteanzahl weniger Daten ausgelesen. Bei einer gleichbleibenden
Datenübertragungsgeschwindigkeit
bedeutet dies, dass mehr dieser Teilbilder übertragen werden können. So
sind Bildraten von bis zu 8000 Teilbilder pro Sekunde realisierbar.
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Zusätzlich wird
die Bildverarbeitungsgeschwindigkeit erhöht, indem nur der Bereich ausgelesen
wird, der auch Informationen enthält, so dass die Bildverarbeitung
nicht selbst den interessierenden Bereich finden muss.
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Jeder
einzelne Bildpunkt empfängt
das einfallende Lichtsignal mit logarithmischer Empfindlichkeit.
Dabei werden sehr helle Signale stärker gedämpft als weniger helle. Damit
kann innerhalb der z.B. 1.024 möglichen
Helligkeitsstufen eine sehr große
Strahldichtedynamik bzw. Leuchtdichtedynamik erfasst werden. Überstrahlungseffekte
wie etwa bei einer üblichen
CCD-Kamera werden vermieden.
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Während der
Schweißung
bewegt sich das Werkstück 3 relativ
zu dem Laser-Bearbeitungskopf bzw.
Schweiß-Bearbeitungskopf 2.
Die logarithmische CMOS-Kamera 4 beobachtet
den Laserschweißprozess
entweder auf der Achse des Laserstrahls entsprechend 1 oder unter einem Winkel von
der Seite. Für
die Beobachtung des Prozesses auf der Laserstrahlachse ist der Strahlteiler 2.4 erforderlich.
Bei dem hier dargestellten Bearbeitungskopf 2 reflektiert
der Strahlteiler 4 den Laserstrahl, ist aber für alle anderen
Wellenlängen
durchlässig.
So kann das von dem Prozess ausgestrahlte Licht durch den Strahlteiler 4 hindurch
auf den logarithmischen CMOS-Bildsensor 4.1 der Kamera 4 fallen.
Auf dem Weg dorthin passiert das Prozesslicht Filter 2.31,
die z.B. das Licht der Spritzer hindurchlassen aber andere Wellenlängen abschwächen, und
die Linse 2.12, mit der der Abbildungsmaßstab und
damit das Blickfeld festgelegt werden kann.
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Die
Auswertung der Bilddaten, die während des
Prozesses aufgezeichnet werden, erfolgt in der Bildverarbeitungseinrichtung 5 in
Form eines Rechners bzw. PCs. Je nach Umfang der Überwachungs- bzw.
Beurteilungsaufgabe beginnt die Auswertung der aufgenommenen Bilder
entweder schon während oder
nach Ende der Aufzeichnung des Prozesses. Am Ende der Auswertung
werden aufgrund der Bildverarbeitung, die mit programmierten Algorithmen durchführbar und
entsprechend einer jeweiligen Aufgabenstellung anpassbar ist, direkt
die Ergebnisse der Beurteilung auf dem Bildschirm und/oder einem Schreiber
angezeigt und können
gewünschtenfalls auch
akustisch signalisiert werden. Zur Herleitung des Ergebnisses werden
zur Beurteilung von Spritzern beispielsweise die stark unterschiedlichen Strahldichtewerte
in bestimmten Bildbereichen und/oder deren Abstände und/oder Abstandsänderungen
zwischen verschiedenen Aufzeichnungen herangezogen. Über eine
Schnittstelle zur Maschinensteuerung (SPS) können erkannte Schlechtteile
automatisch ausgeschleust werden.
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Auf
der Basis von Referenzdaten, die während oder am Ende eines Prozesses
entweder direkt aus den Aufzeichnungen erfasst oder durch statistische
Auswertungen gewonnen werden, werden ebenfalls während des Prozesses oder am
Ende des Prozesses hergeleitete Prozessdaten bewertet. Weiterhin
werden aus der Bildverarbeitung allgemein erkennbare Merkmale ermittelt,
die Aussagen hinsichtlich verschiedener Aufgabenstellungen zulassen. Auch
können
anstelle der allgemeinen Merkmale schon für eine bestimmte Aufgabenstellung
spezifische Merkmale oder aus den zunächst gewonnenen allgemeinen
Merkmalen für
eine bestimmte Aufgabenstellung spezifische Merkmale ermittelt werden. Die
Gewinnung der allgemeinen Merkmale lässt es zu, aus diesen für unterschiedliche
Aufgabenstellungen jeweils charakteristische spezifische Merkmale als
Untermenge zu entnehmen, um bestimmte Prozesseigenschaften, wie
z.B. die Spritzerbildung beim Schweißprozess, Spritzer beim Laserbohren
oder Instabilitäten
beim Laserbohren zu erkennen. Die hohe Dynamik hinsichtlich der
Strahldichte und Aufnahmegeschwindigkeit lässt es dabei zu, die Ausprägungen der
einzelnen Merkmale, wie etwa Strahldichte, Größe, Anzahl, Kontur, Bewegungscharakteristik,
zu erfassen und eine hohe Zuverlässigkeit
der Beurteilung mittels statistischer Auswertung zu erzielen. Aufwendige
Bildverarbeitungsschritte können
eingespart werden. Beispielsweise ergibt sich durch die hohe Dynamik ein
großer
Abstand einer Merkmalsausprägung
gegenüber
der Schwelle SW bei nicht vorhandener Spritzerbildung gegenüber einer
auftretenden Spritzerbildung.
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Mit
der beschriebenen Vorgehensweise ergeben sich neben einer gleichbleibend
zuverlässigen Beurteilung
eines Bearbeitungsergebnisses auch erhebliche Kosteneinsparungen
in der Produktion sowie eine flexible Anpassbarkeit an unterschiedliche Aufgabenstellungen,
da die Auswerteverfahren über die
Software auf die jeweilige Aufgabenstellung zugeschnitten werden
können.