DE102007021715B4

DE102007021715B4 - Rückgekoppeltes Regelungssystem zur Regelung einer Laserquelle sowie dazugehörige Verfahren zur Regelung

Info

Publication number: DE102007021715B4
Application number: DE102007021715.5A
Authority: DE
Inventors: Scott Caldwell; William Moreau, Jr.; Hugh McNair; Scott Latona
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: US20070265726A1; US7343218B2; DE102007021715A1; CN101069990A; CN101069990B; JP2008012590A; JP5372340B2; CH698515B1

Abstract

Rückgekoppeltes Regelungssystem (12) zur Regelung einer Laserquelle (14), wobei das rückgekoppelte Regelungssystem (12) umfasst:eine Laserquelle (14), die Laserenergie abgibt;einen optischen Sensor (16), der diese Laserenergie detektiert, wobei der optische Sensor (16) ein gemessenes Signal als Antwort auf einen gemessenen Betrag der Laserenergie ausgibt;eine optische Vorrichtung (18, 20), die diese Laserenergie empfängt und die Laserenergie an einen vorbestimmten Ort leitet, wobei die optische Vorrichtung (18, 20) einen ersten Anteil der Laserenergie in Richtung des optischen Sensors (16) reflektiert; undein Regelungsmodul (17), das das gemessene Signal vom optischen Sensor (16) empfängt, wobei das Regelungsmodul (17) den genannten ersten Anteil der Laserenergie berechnet, wobei das Regelungsmodul (17) die Laserquelle (14) so einstellt, dass sie bezüglich dieses ersten Anteils der Laserenergie, der von der optischen Vorrichtung (18, 20) reflektiert wurde, korrigiert ist, so dass ein vorbestimmter Betrag der Laserenergie an dem vorbestimmten Ort erhalten wird , wobeidie optische Vorrichtung ein Wellenleiter (20) und/oder eine Faseroptik (20) ist undwobei der vorbestimmte Ort eine Schweissstelle (114) ist, die zwischen einem transmissiven Werkstück (110) und einem absorptiven Werkstück (112) angeordnet ist, wobei zumindest eines der Werkstücke bestehend aus dem transmissiven Werkstück (110) und dem absorptiven Werkstück (112) einen zweiten Anteil der Laserenergie reflektiert und/oder absorbiert; undwobei das Regelungsmodul (17) diesen zweiten Anteil der Laserenergie berechnet, wobei das Regelungsmodul (17) die Laserquelle (14) so einstellt, dass sie bezüglich dieses zweiten Anteils der Laserenergie, der von dem mindestens einen der Werkstücke bestehend aus dem transmissiven Werkstück (110) und dem absorptiven Werkstück (112) reflektiert und/oder absorbiert wurde, korrigiert ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf das Kunststoffschweissen und insbesondere auf eine automatische Werkstück- Rückkopplungskompensation beim Laser-Kunststoffschweissen.
Hintergrund und Darstellung der Erfindung
Das technische Gebiet des Schweissens von Kunststoff- oder Harzteilen umfasst gegenwärtig eine Vielzahl von Verfahren wie Ultraschallschweissen, Wärmeschweissen und neuerdings Durchlass-Infrarotschweissen (Überlapplnfrarotschweissen, engl.: Through Transmission Infrared Welding, TTIr Welding).
Beim TTIr-Schweissen wird Infrarotlicht eingesetzt, das durch ein erstes Kunststoffwerkstück hindurch und in ein zweites Kunststoffwerkstück hinein geleitet wird. Beim TTIr-Schweissen kann gemäss dem momentanen Stand der Technik entweder Infrarot-Laserlicht oder inkohärentes Infrarotlicht eingesetzt werden. Das Infrarot-Laserlicht kann im momentanen Stand der Technik durch Faseroptiken, Wellenleiter oder Lichtleiter durch das erste Kunststoffwerkstück hindurch und in ein zweites Kunststoffwerkstück hinein geleitet werden. Dieses erste Kunststoffwerkstück wird oft als transmissives (durchlässiges) Werkstück bezeichnet, da es im Allgemeinen dem vom Laser kommenden Laserstrahl erlaubt, durch es hindurchzutreten. Das zweite Kunststoffwerkstück wird oft als absorptives Werkstück bezeichnet, da dieses Werkstück im Wesentlichen die Strahlungsenergie des Laserstrahls absorbiert und dadurch in der Schweisszone Wärme erzeugt. Diese Wärme in der Schweisszone führt dazu, dass das transmissive Werkstück und das absorptive Werkstück schmelzen und dadurch miteinander verschweisst werden. Die Regelung des Lasers kann jedoch schwierig sein und erfordert zur Zeit eine manuelle Einstellung der Ausgangsleistung der Laserquelle, um die gewünschte Erwärmungswirkung durch den Laser zu erreichen. Diese manuelle Einstellung wird durch eine Versuchs- und Irrtums-Methode („trial and error“) durchgeführt und kann sehr mühselig und zeitaufwändig sein.
Die JP H05-169 284 A offenbart die Messung von Lichtenergie durch zwei Sensoren und die Leistungsregelung eines Lasers anhand der gemessenen Signale, wobei der erste Sensor die Ausgangsleistung des Lasers misst und der zweite Sensor die an einem einfachen Werkstück reflektierte Laserenergie misst.
Die JP H10- 6 064 A offenbart Vorrichtungen und Verfahren zur Leistungsregelung einer Laserquelle mit zwei parallel verlaufenden Strahlengängen, wobei die durch Wellenleiter transmittierte Laserenergie durch strahlabwärts angeordnete Sensoren gemessen wird und die Laserquelle anhand der gemessenen Laserenergie geregelt wird.
Die DE 102 55 497 A1 offenbart eine Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen, wobei Reflektion und Streuung des Laserstrahls vor und zu Beginn der Bearbeitung in der Fügezone erfasst werden und anhand der gemessenen Werte ein Laser-Energieparameter geregelt wird.
Gemäss den Prinzipien der vorliegenden Lehre ist es wünschenswert, die Ausgangsleistung der Laserquelle zu regeln, um so ein einwandfreies Schweissen sicherzustellen; insbesondere ist es erwünscht, die Ausgangsleistung der Laserquelle unter Verwendung eines geschlossenen rückgekoppelten Regelkreises (engl: Closed Loop Feedback Control) zu regeln.
Diese Aufgabe wird jeweils durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Weitere Anwendungsbereiche werden durch die folgende Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur zur Erläuterung dienen und nicht dazu bestimmt sind, den Bereich der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
Figurenliste
Die im Folgenden beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich zur Veranschaulichung und sind nicht dazu vorgesehen, den Bereich der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einzuschränken.

1 ist eine schematische Ansicht, die ein Durchlass-Infrarotschweisssystem (TTIr-Schweisssystem) veranschaulicht;
2 ist eine schematische Ansicht, die ein Durchlass-Infrarotschweisssystem (TTIr-Schweisssystem) unter Verwendung eines geschlossenen rückgekoppelten Regelkreises veranschaulicht;
3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Infrarotschweissgerät veranschaulicht, welches die Lehre der vorliegenden Offenbarung verwirklicht; und
4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Laserdiodenkammer mit einer Fotodiode und einer Laserdiode veranschaulicht.

Ausführliche Beschreibung
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft von Natur und ist nicht dazu vorgesehen, die vorliegende Offenbarung, deren Einsatz oder Verwendungen zu beschränken.
Wie in der 1 veranschaulicht wird, stellen die Prinzipien der vorliegenden Lehre ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwendung beim Durchlass-Infrarotschweissen (TTIr-Schweissen) zur Verfügung. Im Allgemeinen wird beim TTIr-Schweissen Infrarot-Laserlicht 100 aus einer oder mehreren Laserquellen 102 durch eine optische Vorrichtung, zum Beispiel Lichtleiter, Wellenleiter und/oder Faseroptiken, zu den zu verschweissenden Kunststoffwerkstücken geleitet. Zu diesem Zweck ist das erste Kunststoffwerkstück 110 für Infrarotlicht durchlässig und erlaubt es daher dem Infrarotlicht, durch es hindurchzutreten. Das zweite Kunststoffwerkstück 112 ist absorptiv für Infrarotlicht. Daher tritt das Laserlicht durch das erste durchlässige (transmissive) Werkstück 110 zum zweiten absorptiven Werkstück 112 hin durch, wo es in Wärme umgewandelt wird und dadurch den Kunststoff an der Schweissstelle 114 schmilzt, wodurch die Teile miteinander verschweisst werden. Alternativ können beide Werkstücke für Infrarotlicht durchlässig sein; in diesem Fall kann ein für Infrarotlicht absorptives Medium an der Schweissstelle 114 positioniert werden, um das Infrarotlicht zu absorbieren und es in Wärme umzuwandeln, um so die Werkstücke miteinander zu verschweissen. Gemäss den Prinzipien der vorliegenden Lehre ist es allerdings wünschenswert, den Ausgang der Laserquelle 102 zu regeln, um eine einwandfreie Verschweissung sicherzustellen, und insbesondere ist es wünschenswert, die Ausgangsleistung der Laserquelle 102 unter Verwendung eines neuartigen geschlossenen, rückgekoppelten Regelkreises zu regeln.
Unter Bezugnahme auf die 2 wird in einigen Ausführungsformen ein rückgekoppeltes Regelungssystem 12 eingesetzt, um Rückkopplungsinformation (Feedback-Information) in einem TTIr-Laser-Simultaneinstich-Kunststoffschweisssystem (engl.: TTIr-laser plastics simultaneous plunge welding system) zu erzeugen, um so die Laserintensität strahlabwärts von einer Laserquelle 14 (die ähnlich oder identisch zur Laserquelle 102 sein kann) zu überwachen. Das rückgekoppelte Regelungssystem 12 weist auf: einen optischen Sensor 16, der strahlabwärts von (d.h. in Strahlrichtung nach) der Laserquelle 14 positioniert ist, jedoch strahlaufwärts von (d.h. in Strahlrichtung vor) dem ersten transmissiven Werkstück 110 und dem zweiten absorptiven Werkstück 112; sowie ein Regelungsmodul 17. In einigen Ausführungsformen ist der optische Sensor 16 eine Fotodiode. Das Regelungsmodul 17 ist durch elektrische Kommunikation zusammenwirkend mit dem optischen Sensor 16 gekoppelt, um Echtzeit-Laserintensitätsinformationen von der Laserquelle 14 zu empfangen, und ist durch elektrische Kommunikation zusammenwirkend mit der Laserquelle 14 gekoppelt, um eine Ausgangsintensität der Laserquelle 14 zu regeln.
In einigen Ausführungsformen kann der optische Sensor 16 strahlaufwärts von einem faseroptischen Element 18 und/oder einem Wellenleiter 20 (dargestellt) positioniert werden, oder er kann strahlabwärts von einem oder mehreren der faseroptischen Elemente 18 und Wellenleiter 20 positioniert werden. Jedoch sollte vor dem Beginn der Überwachung die Laserquelle 14 auf einen vorgegebenen Wert kalibriert werden. Idealerweise wird diese Kalibrierung durchgeführt, ohne dass Werkstücke oder andere Werkzeuge vorhanden sind. In einigen Ausführungsformen wird der optische Rückkopplungssensor 16 strahlaufwärts von den Werkzeugen wie dem faseroptischen Element 18 und/oder dem Wellenleiter 20 positioniert, wodurch die Notwendigkeit eliminiert wird, den optischen Rückkopplungssensor 16 oder das rückgekoppelte Regelungssystem 12 während Werkstück- oder Werkzeugwechseln zu verändern oder auszutauschen.
Die Lehre der vorliegenden Offenbarung kompensiert automatisch solche Einflüsse wie Werkstück- und Werkzeugreflektivität in einem TTIr-Schweisssystem 10, indem ein geschlossener, rückgekoppelter Regelkreis eingesetzt wird, wodurch schnelle und bequeme Werkzeugwechsel möglich werden. Insbesondere ermöglicht die Lehre der vorliegenden Offenbarung Werkzeugwechsel und Werkstückwechsel, nachdem das rückgekoppelte Regelungssystem 12 anfänglich kalibriert wurde, ohne das Rückkopplungssignal zu verfälschen oder nachteilig zu beeinflussen.
Schritt 1 - Um das rückgekoppelte Regelungssystem 12 des TTIr-Schweisssystems 10 anfänglich zu kalibrieren, wird die Laserquelle 14 zunächst mit offenem Regelkreis in Abwesenheit von jeglichem Werkzeug (das heisst faseroptisches Element 18 und/oder Wellenleiter 20) oder zu verschweissendem Werkstück ausgelöst, und zwar bei einem anfänglichen Leistungsprozentsatz %P_initial, das durch ein externes Messinstrument verifiziert wurde. Das Signal des optischen Rückkopplungssensors 16 wird in diesem Zustand als ein anfängliches optisches Rückkopplungssignal V_initial gemessen, elektronisch gespeichert und als Basislinie verwendet. Dies kann durchgeführt werden, wenn das TTIrSchweisssystem 10 erstmals hergestellt wird, oder zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt; es braucht jedoch nur ein einziges Mal durchgeführt zu werden.
Schritt 2 - Die Laserquelle 14 kann dann bei offenem Regelkreis in Anwesenheit des faseroptischen Elements 18 und/oder Wellenleiters 20 bei einem bekannten Leistungsprozentsatz %P_tool ausgelöst werden. Das optische Rückkopplungssignal wird dann als V_tool gemessen und elektronisch gespeichert. Das optische Rückkopplungssignal mit Werkzeug, V_tool, wird höher sein als das anfängliche optische Rückkopplungssignal V_initial, da reflektiertes Licht vom Werkzeug zurückkehrt. In anderen Worten wird das Licht, wenn es von der Laserquelle 14 abgegeben wird, durch das faseroptische Element 18 und/oder den Wellenleiter 20 wandern. Der optische Rückkopplungssensor 16 wird teilweise dieses abgegebene Licht detektieren. Jedoch wird der optische Rückkopplungssensor 16 auch einen Teil des Lichts detektieren, das vom faseroptischen Element und/oder Wellenleiter 20 zum optischen Rückkopplungssensor 16 zurückreflektiert wird. Daher umfasst das optische Rückkopplungssignal mit Werkzeug, V_tool, die Summe des tatsächlich abgegebenen Lichts der Laserquelle 14 und der Lichtmenge, die aufgrund des Werkzeugs zum optischen Rückkopplungssensor 16 zurückreflektiert wird. Dieser Schritt braucht nur dann durchgeführt zu werden, wenn das Werkzeug verändert wird.
Schritt 3 - Die Laserquelle 14 kann dann bei offenem Regelkreis bei einem Prozentsatz %Pmirror der vollen Ausgangsleistung ausgelöst werden, und zwar bei vorhandenem Werkzeug und mit einem Spiegel mit einer bekannten Reflektivität R_mirror, der dort positioniert ist, wo später die Werkstücke 110, 112 positioniert werden. Die optische Rückkopplung wird als Vmirror gemessen und elektronisch gespeichert. Dieser Schritt braucht nur dann durchgeführt zu werden, wenn das Werkzeug verändert wird.
Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, dass die Messung des optischen Rückkopplungssignals bei offenem Regelkreis in Anwesenheit des Werkzeugs (das heisst Schritt 2) und bei offenem Regelkreis in Anwesenheit sowohl des Werkzeugs als auch des Spiegels (das heisst Schritt 3) keine notwendigen Schritte sind, um die Laserleistung, die auf die Oberseite des Werkstücks 110 abgegeben wird, zu korrigieren. Diese Schritte sind vielmehr notwendig, um die Laserleistung, die durch das Werkstück 110 hinab zur Schweisszone 114 geliefert wird, zu kompensieren. In anderen Worten kann die Reflektivität und/oder Absorption des Werkstücks 110 die Menge des Laserlichts reduzieren, die zur Schweissstelle 114 durchdringt, und daher sollte die Laserquelle 14 hinsichtlich dieses Effekts kompensiert werden.
Schritt 4 - Schliesslich wird die Laserquelle 14 dann bei offenem Regelkreis in Anwesenheit sowohl des Werkzeugs als auch der Werkstücke 110, 112 bei einem bestimmten Prozentsatz %P_part] der vollen Ausgangsleistung ausgelöst. Dieses optische Rückkopplungssignal wird als V_part gemessen und wiederum elektronisch gespeichert. Dieser Schritt kann einmalig bei einem neuen Werkstück vor einem ersten Betrieb mit dem Werkstück durchgeführt werden, oder vor einer Serie von neuen Werkstücken, um Veränderungen zwischen Werkstückserien zu berücksichtigen, oder sogar vor jedem einzelnen Werkstück, um Variationen zwischen einzelnen Werkstücken zu berücksichtigen. Da lediglich ein bestimmter Prozentsatz der vollen Laserleistung eingesetzt wird, kann diese Leistung so eingestellt werden, dass sie unterhalb der Schweissschwelle der Werkstücke 110, 112 liegt. So kann das Rückkopplungssignal gemessen werden, ohne die Integrität der Werkstücke 110, 112 zu opfern.
Während der tatsächlichen Verschweissung bei geschlossenem Regelkreis wird das Rückkopplungssignal V_actual wie folgt zu einem korrigierten Wert V_corrected verändert: $V_{c o r r e c t e d} = V_{a c t u a l} \frac{(\frac{V_{i n i t i a l}}{% P_{i n i t i a l}})}{(\frac{V_{P a r t}}{% P_{p a r t}})}$
Dabei bedeuten:

V_corrected = korrigiertes Rückkopplungssignal, das tatsächlich im Prozessor des geschlossenen Regelkreises eingesetzt wird;
V_actual = Rückkopplungssignal, das durch den optischen Rückkopplungssensor 16 während eines tatsächlichen Schweisszyklus ausgelesen wird;
V_initial = Rückkopplungssignal, das anfänglich in Abwesenheit von Werkzeug und Werkstück ausgelesen wurde;
%P_initial = Prozentsatz der Gesamtleistung, der in Abwesenheit von Werkzeug und Werkstück bei offenem Regelkreis verwendet wurde;
V_part = Rückkopplungssignal, das anfänglich bei offenem Regelkreis in Anwesenheit von Werkzeug und Werkstück bei einem bestimmten Prozentsatz der Gesamtleistung ausgelesen wurde; und
%P_part = Prozentsatz der Gesamtleistung, der bei offenem Regelkreis in Anwesenheit von Werkzeug und Werkstück verwendet wurde.

Der korrigierte Rückkopplungswert V_corrected, der durch den Prozessor des geschlossenen Regelkreises verwendet wird, wird niedriger sein als das tatsächliche Rückkopplungssignal V_actual, das vom optischen Rückkopplungssensor 16 gesehen wird. Das tatsächliche Rückkopplungssignal enthält zusätzlich verfälschendes reflektiertes Signal. Bei der korrigierten Rückkopplung wird dieser zusätzliche verfälschende Anteil ausgeglichen. Dies erlaubt es, die im geschlossenen Regelkreis geregelte Laserleistung an der Oberseite des Werkstücks mit einem bekannten Betrag abzugeben, der durch die anfängliche Kalibrierung des Geräts spezifiziert ist.
Lediglich Schritte 1 und 4 brauchen gemessen zu werden, um das Rückkopplungssignal so zu korrigieren, dass ein bekannter Betrag der Laserleistung die Oberfläche des Werkstücks 110 erreicht. Werkstück 110 hat eine gewisse Reflektivität, die einen bestimmten Prozentsatz der abgegebenen Leistung von der Schweissstelle 114 zurückwirft, was an einer distalen Oberfläche des Werkstücks 110 geschieht. Dieser Effekt kann zusätzlich durch die Schritte 2 und 3 kompensiert werden. Mit einer bekannten tatsächlichen Reflektivität des Werkstücks 110 kann die Leistung der Laserquelle 14 angehoben werden, um die abgegebene Leistung an der Schweissstelle 114 dem erwünschten Betrag anzugleichen (abzüglich der Dispersion der Laserleistung im Werkstück 110).
Die Reflektivität des Werkstücks, R_part, kann wie folgt berechnet werden: $R_{p a r t} = \frac{(\frac{V_{p a r t}}{% P_{p a r t}}) - (\frac{V_{t o o l}}{% P_{t o o l}})}{(\frac{V_{m i r r o r}}{% P_{m i r r o r}}) - (\frac{V_{t o o l}}{% P_{t o o l}})} \times R_{m i r r o r}$
Dabei bedeutet:

R_part = Reflektivität des Werkstücks;
Rmirror = Reflektivität eines bekannten teilweise reflektierenden Spiegels;
V_tool = Rückkopplungssignal, das bei offenem Regelkreis in Anwesenheit eines Werkzeugs, aber in Abwesenheit eines Werkstücks ausgelesen wurde;
%P_tool = Prozentsatz der Gesamtleistung, der bei offenem Regelkreis in Anwesenheit eines Werkzeugs, aber in Abwesenheit eines Werkstücks verwendet wurde;
Vmirror = Rückkopplungssignal, das bei offenem Regelkreis in Anwesenheit eines Werkzeugs und eines bekannten teilweise reflektierenden Spiegels ausgelesen wurde; und
%Pmirror = Prozentsatz der Gesamtleistung, der bei offenem Regelkreis in Anwesenheit eines Werkzeugs und eines bekannten teilweise reflektierenden Spiegels verwendet wurde.

Durch die Reflektivität des Werkstücks wird nicht nur das Rückkopplungssignal durch die reflektierten Signale vergrössert, sondern es gelangt auch weniger Laserleistung zur Schweissstelle 114. Wenn die Ausgangsleistung der Laserquelle 14 um den Betrag der reflektierten Leistung angehoben wird, wird die Reduktion der Laserleistung an der Schweissstelle 114 auf Grund der Reflexion kompensiert. Die neue kompensierte Rückkopplung, V_compensated, die notwendig ist, um dieses neue Leistungsniveau zu erreichen, beträgt: $V_{c o m p e n s a t e d} = V_{c o r r e c t e d} \times \frac{1}{(R_{p a r t} + 1)}$
Dabei bedeutet:

V_compensated = durch den Mikrocontroller des geschlossenen Regelkreises verwendetes Rückkopplungssignal, das die zur Schweissstelle 114 abgegebene Laserleistung anhebt, um die Reflektivität des Werkstücks zu kompensieren.

Das TTIr-Schweisssystem 10 wird nun bei geschlossenen Regelkreis betrieben, wobei die tatsächliche optische Rückkopplung V_actual zu der neuen kompensierten Rückkopplung V_compensated verändert wurde, so dass die benötigte Laserleistung nun automatisch zur Schweissstelle 114 abgegeben wird.
Die Absorption von Licht innerhalb der Werkstücke 110, 112 vermindert ebenfalls den Betrag der Laserleistung, der zur Schweissstelle 114 gelangt. Indem die Leistung der Laserquelle 14 sowohl um den Betrag der reflektierten Leistung als auch der absorbierten Leistung angehoben wird, wird die von der Laserquelle 14 abgegebene Leistung, welche die Schweissstelle 114 erreicht, exakt dem spezifizierten Betrag entsprechen.
Die obigen Gleichungen (1), (2) und (3) gehen davon aus, dass das Rückkopplungssignal sich linear zur Lichtmenge verhält, die auf den optischen Sensor 16 auftrifft. Falls in einigen Ausführungsformen das Verhalten nichtlinear ist, kann eine geeignete Lookup-Tabelle für den optischen Sensor 16 verwendet werden, so dass das Signal derart angepasst werden kann, dass ein lineares Verhalten resultiert.
Der Rückkopplungskreis, der zur Regelung der Laserquelle 14 verwendet wird, kann in elektronischer Hardware, mechanischer Hardware, Firmware, Software usw. eingebettet sein. In einigen Ausführungsformen können Software und Firmware zu einer höheren Flexibilität hinsichtlich der Implementierung führen.
Die Lehre der vorliegenden Offenbarung wurde auf einem Branson IRAM L-5 386FAi-Infrarotlaser-Kunststoffschweissgerät getestet (siehe 3). Wie man in der 4 sehen kann, wird das Licht einer Laserdiode 202 in der Laserdiodenkammer 204 durch eine Fotodiode 206 detektiert, und zwar strahlaufwärts von jeglichem Werkzeug aus Faseroptik oder Wellenleitern. Die verschiedenen Rückkopplungssignale bei offenem Regelkreis werden in einem Speicher abgelegt, und der Regelungsalgorithmus für die verschiedenen Gerätezustände, die für die Kompensation benötigt werden, residiert in Software im Gerätecontroller.
Indem eine automatische Signalkorrektur in einem geschlossenen rückgekoppelten Regelkreis bezüglich reflektierter Signale vom Werkzeug und von den Werkstücken strahlabwärts vom optischen Rückkopplungssensor 16 eingesetzt wird, resultiert ein besonderer Vorteil. Die Leistung der Laserquelle 14, die das Werkstück erreicht, wird quantitativ bekannt sein, und das Verfahren ist automatisch. Frühere Verfahren erforderten eine zeitaufwändige iterative Vorgehensweise, bei der manuell die Leistung eingestellt wurde, um das gewünschte Leistungsniveau in einem geschlossenen Regelungssystem zu erreichen, weil das Rückkopplungssignal durch Reflexion vom Werkstück verändert wurde. Die Lehre der vorliegenden Erfindung stellt eine automatische Kalibrierung der Laserquelle unter Verwendung einer präzisen Basislinie zu Verfügung. Das Rückkopplungssignal wird dann hinsichtlich dieser Kalibrierung kompensiert. Die präzise Basislinie und die Regelung mit geschlossenem Regelkreis ermöglichen eine zuverlässige Abgabe der Laserleistung in die Schweisszone.

Claims

Rückgekoppeltes Regelungssystem (12) zur Regelung einer Laserquelle (14), wobei das rückgekoppelte Regelungssystem (12) umfasst: eine Laserquelle (14), die Laserenergie abgibt; einen optischen Sensor (16), der diese Laserenergie detektiert, wobei der optische Sensor (16) ein gemessenes Signal als Antwort auf einen gemessenen Betrag der Laserenergie ausgibt; eine optische Vorrichtung (18, 20), die diese Laserenergie empfängt und die Laserenergie an einen vorbestimmten Ort leitet, wobei die optische Vorrichtung (18, 20) einen ersten Anteil der Laserenergie in Richtung des optischen Sensors (16) reflektiert; und ein Regelungsmodul (17), das das gemessene Signal vom optischen Sensor (16) empfängt, wobei das Regelungsmodul (17) den genannten ersten Anteil der Laserenergie berechnet, wobei das Regelungsmodul (17) die Laserquelle (14) so einstellt, dass sie bezüglich dieses ersten Anteils der Laserenergie, der von der optischen Vorrichtung (18, 20) reflektiert wurde, korrigiert ist, so dass ein vorbestimmter Betrag der Laserenergie an dem vorbestimmten Ort erhalten wird , wobei die optische Vorrichtung ein Wellenleiter (20) und/oder eine Faseroptik (20) ist und wobei der vorbestimmte Ort eine Schweissstelle (114) ist, die zwischen einem transmissiven Werkstück (110) und einem absorptiven Werkstück (112) angeordnet ist, wobei zumindest eines der Werkstücke bestehend aus dem transmissiven Werkstück (110) und dem absorptiven Werkstück (112) einen zweiten Anteil der Laserenergie reflektiert und/oder absorbiert; und wobei das Regelungsmodul (17) diesen zweiten Anteil der Laserenergie berechnet, wobei das Regelungsmodul (17) die Laserquelle (14) so einstellt, dass sie bezüglich dieses zweiten Anteils der Laserenergie, der von dem mindestens einen der Werkstücke bestehend aus dem transmissiven Werkstück (110) und dem absorptiven Werkstück (112) reflektiert und/oder absorbiert wurde, korrigiert ist.
Rückgekoppeltes Regelungssystem gemäss dem Anspruch 1, wobei das Regelungsmodul (17) ein Anfangsausgangsleistungsniveau der Laserquelle (14) sowie ein Anfangssignal von dem optischen Sensor (16) aufzeichnet, und des Weiteren ein Werkstückausgangsleistungsniveau der Laserquelle (14) und ein Werkstücksignal von dem optischen Sensor (16) aufzeichnet, wenn ein zu verschweissendes Werkstück zum Verschweissen positioniert wurde, wobei das Regelungsmodul (17) ein kompensiertes Signal ermittelt, indem das gemessene Signal mit einem Verhältnis des Anfangssignals, dividiert durch das Anfangsausgangsleistungsniveau, zum Werkstücksignal, dividiert durch das Werkstückausgangsleistungsniveau, multipliziert wird, wobei das Regelungsmodul (17) die Laserquelle (14) unter Verwendung des kompensierten Signals einstellt.
Verfahren zur Regelung einer Laserquelle (14), die Laserenergie zur Verwendung beim Verschweissen eines ersten Werkstücks (110) mit einem zweiten Werkstück (112) abgibt, wobei das Verfahren umfasst: Aktivieren der Laserquelle (14) bei einem anfänglichen Leistungsniveauprozentsatz %P_initial, um Laserenergie abzugeben, und Messen dieser Laserenergie als anfängliches optisches Rückkopplungssignal V_initial; Aktivieren der Laserquelle (14) bei einem Werkstück-Leistungsniveauprozentsatz %P_part, um Laserenergie abzugeben, Führen der Laserenergie zu mindestens einem der Werkstücke ausgewählt aus dem ersten Werkstück (110) und dem zweiten Werkstück (112), Messen der Laserenergie als Werkstück-Rückkopplungssignal V_part; Bestimmen eines korrigierten Regelungswerts V_corrected gemäss der folgenden Beziehung: $V_{c o r r e c t e d} = V_{a c t u a l} \frac{(\frac{V_{i n i t a l}}{% P_{i n i t i a l}})}{(\frac{V_{P a r t}}{% P_{p a r t}})}$
wobei V_actual ein Rückkopplungssignal ist, das während eines tatsächlichen Schweissvorgangs gemessen wurde; und Regeln der Laserquelle (14) in Antwort auf den korrigierten Regelungswert V_corrected.
Verfahren gemäss Anspruch 3, welches ausserdem umfasst: Zur-Verfügung-Stellen einer optischen Vorrichtung (18, 20), welche Laserenergie von der Laserquelle (14) empfängt, und Führen der Laserenergie zu einem vorbestimmten Ort, wobei die optische Vorrichtung (18, 20) einen ersten Anteil der Laserenergie reflektiert; und Aktivieren der Laserquelle (14) bei einem Werkzeug-Leistungsprozentsatz %P_tool, um Laserenergie abzugeben, und Messen der Laserenergie als ein Werkzeug-Rückkopplungssignal V_tool, wobei das Werkzeug-Rückkopplungssignal eine Antwort auf die Laserenergie, die direkt von der Laserquelle (14) empfangen wurde, und auf den ersten Anteil der Laserenergie, der von der optischen Vorrichtung (18, 20) reflektiert wurde, darstellt.
Verfahren gemäss Anspruch 4, welches ausserdem umfasst: Zur-Verfügung-Stellen eines Substrats, welches eine bekannte Reflektivität Rsubstrate aufweist; und Aktivieren der Laserquelle (14) bei einem Substrat-Leistungsniveauprozentsatz %P_substrate, um Laserenergie an das Substrat abzugeben, und Messen der Laserenergie als ein SubstratRückkopplungssignal V_substrate.
Verfahren gemäss Anspruch 5, welches ausserdem umfasst: Bestimmen einer Reflektivität R_part mindestens eines der Werkstücke bestehend aus dem ersten Werkstück (110) und dem zweiten Werkstück (112) gemäss der folgenden Beziehung: $R_{p a r t} = \frac{(\frac{V_{p a r t}}{% P_{p a r t}}) - (\frac{V_{t o o l}}{% P_{t o o l}})}{(\frac{V_{s u b s t r a t e}}{% P_{s u b s t r a t e}}) - (\frac{V_{t o o l}}{% P_{t o o l}})} \times R_{s u b s t r a t e}$
Verfahren gemäss Anspruch 6, welches ausserdem umfasst: Bestimmen eines kompensierten Regelungswerts V_compensated, welcher den Verlust an Laserenergie aufgrund der Absorption wenigstens eines der Werkstücke bestehend aus dem ersten Werkstück (110) und dem zweiten Werkstück (112) kompensiert, gemäss der folgenden Beziehung: $V_{c o m p e n s a t e d} = V_{c o r r e c t e d} \times \frac{1}{(R_{p a r t} + 1)}$
Verfahren zur Regelung einer Laserquelle (14), welche Laserenergie zur Verwendung beim Verschweissen eines ersten Werkstücks (110) mit einem zweiten Werkstücks (112) abgibt, wobei die Laserquelle (14) Laserenergie durch eine optische Vorrichtung (18, 20) in Richtung wenigstens eines der Werkstücke bestehend aus dem ersten Werkstück (110) und dem zweiten Werkstück (112) abgibt, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen eines Verlustbetrags der Laserenergie im Zusammenhang mit Reflexion innerhalb der optischen Vorrichtung (18, 20); Bestimmen eines Verlustbetrags der Laserenergie im Zusammenhang mit Reflexion an mindestens einem Werkstück bestehend aus dem ersten Werkstück (110) und dem zweiten Werkstück (112); Bestimmen eines Verlustbetrags der Laserenergie im Zusammenhang mit Absorption der Laserenergie innerhalb mindestens eines der Werkstücke bestehend aus dem ersten Werkstück (110) und dem zweiten Werkstück (112); und Einstellen der Ausgangsleistung der Laserquelle (14), um den Verlust der Laserenergie im Zusammenhang mit Reflexion innerhalb der optischen Vorrichtung (18, 20), den Verlust von Laserenergie im Zusammenhang mit Reflexion an mindestens einem der Werkstücke bestehend aus dem ersten Werkstück (110) und dem zweiten Werkstück (112), und den Verlust von Laserenergie im Zusammenhang mit Absorption der Laserenergie innerhalb mindestens eines der Werkstücke bestehend aus dem ersten Werkstück (110) und dem zweiten Werkstück (112) auszugleichen.