DE10103255B4

DE10103255B4 - Verfahren zur automatischen Beurteilung von Laserbearbeitungsprozessen

Info

Publication number: DE10103255B4
Application number: DE2001103255
Authority: DE
Inventors: Roland Klinnert; Walter Happold; Juergen Dr. Rapp; Werner Dr. Frie; Gerhard Reber; Martin Brocke; Hauke Dr. Schmidt; geb. Müller Matthias Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-01-25
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: DE10103255A1

Abstract

Verfahren zur automatischen Beurteilung von Laserbearbeitungsprozessen, bei dem die Prozesse mittels einer Kamera (4) mit hohem Dynamikbereich hinsichtlich Strahlungsdichte und Aufnahmegeschwindigkeit aufgezeichnet und mittels Bildverarbeitung auf der Grundlage von Referenzdaten weiterverarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet,
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.

Description

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.

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.

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.

Bei anderen bisher bekannten standardmäßigen Verfahren werden optische, eindimensionale Sensoren, wie Fotodioden oder Pyrometer zur Prozessüberwachung eingesetzt.

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.

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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem eine zuverlässige automatische Beurteilung von Laserbearbeitungsprozessen erreicht wird.

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.

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.

Verschiedene Beurteilungskriterien ergeben sich daraus, dass die Referenz- und die Prozessdaten zeit-, und/oder ortsaufgelöst erfasst werden.

Die Zuverlässigkeit der Diagnose des Prozesses wird dadurch begünstigt, dass aus der Gegenüberstellung von Prozess- und Referenzdaten Merkmale gewonnen werden.

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.

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.

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.

Für die Zuverlässigkeit einer Beurteilung ist auch vorteilhaft, dass die Ausprägung der spezifischen Merkmale für eine automatisierte Beurteilung eines Fertigungsprozesses herangezogen wird.

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.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur automatischen Beurteilung von Laserschweißprozessen in schematischer Darstellung,
2A und 2B Diagramme von (z. B.) Strahldichteverläufen über Einzelbildern während der Aufzeichnung eines Laserschweißprozesses.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zur automatischen Beurteilung von Laserbearbeitungsprozessen, bei dem die Prozesse mittels einer Kamera (4) mit hohem Dynamikbereich hinsichtlich Strahlungsdichte und Aufnahmegeschwindigkeit aufgezeichnet und mittels Bildverarbeitung auf der Grundlage von Referenzdaten weiterverarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, 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.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz- und die Prozessdaten zeit-, und/oder ortsaufgelöst erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Gegenüberstellung von Prozess- und Referenzdaten Merkmale gewonnen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Merkmale allgemeine, mit der Kamera (4) und der Bildverarbeitung erfassbare Merkmale oder für eine bestimmte Messaufgabe spezifische Merkmale extrahiert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für eine bestimmte Messaufgabe aus der Menge der allgemeinen Merkmale spezifische Merkmale für die Beurteilung herangezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hohe Dynamik der Kamera (4) hinsichtlich Aufnahmegeschwindigkeit und/oder Strahlungsdichte ausgenutzt wird, um die Ausprägung der allgemeinen und/oder der spezifischen Merkmale festzustellen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausprägung der spezifischen Merkmale für eine automatisierte Beurteilung eines Fertigungsprozesses herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Referenzdaten zusätzlich weitere Prozesse herangezogen werden.