DE102007059505A1

DE102007059505A1 - Anlage zur Qualitätsüberwachung von Laserfüge- oder Laserschneidprozessen

Info

Publication number: DE102007059505A1
Application number: DE102007059505A
Authority: DE
Inventors: Paul-Michael Mickel; Michael Kuhl; Ole Meyer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Volkswagen AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Volkswagen AG
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2008-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage (1) zur Qualitätsüberwachung von Laserfüge- oder Laserschneidprozessen, insbesondere im Karosseriebau. Die Anlage (1) weist mehrere Laserbearbeitungswerkzeuge (2) auf, welche jeweils an einem einzelnen Roboter (5) fixiert und jeweils mit einem Strahlabgang (7) einer mehrere Strahlabgänge (7) aufweisende Laserstrahlquelle (8) verbunden sind. Zur Durchführung der jeweiligen Bearbeitungsprozesse kann ein von der Laserstrahlquelle (8) erzeugter Laserstrahl jeweils auf einen einzelnen der Strahlabgänge (7) geschaltet werden. Zur Erfassung der den jeweiligen Bearbeitungsprozess betreffenden Prozessdaten sind den einzelnen Laserbearbeitungswerkzeugen (2) und/oder der Anlage (1) jeweils Sensoren (10) und/oder Kameras (9) zugeordnet. Weiterhin weist die Anlage eine einzige Speicher- und Auswerteeinrichtung (11) auf, welche zur Erfassung und Bewertung der den jeweils aktuellen Bearbeitungsprozess betreffenden Prozessdaten mit den Sensoren (10) und/oder Kameras (9), und zur Erfassung und Bewertung von Anlagendaten mit einer Anlagensteuereinheit (12) und/oder der Laserstrahlquelle (8) und/oder den Steuereinheiten (13) der Roboter (5) und/oder weiteren Sensoren (10) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Qualitätsüberwachung von Laserfüge- oder Laserschneidprozessen, insbesondere im Karosseriebau.
Im modernen Karosseriebau werden Bauteile, Baugruppen und/oder Gesamtkarosserien durch Laserfügen, beispielsweise durch Laserschweißen oder Laserlöten, gefügt bzw. durch Laserschneidprozesse bearbeitet. Die Fügeprozesse bzw. Schneidprozesse erfolgen in mehreren Arbeitsstationen und teilweise mit mehreren Laserbearbeitungswerkzeugen innerhalb einer Arbeitsstation. Dabei weist die jeweilige Arbeitsstation mehrere Arbeitsfolgen auf, in welchen ein Laserfüge- oder Laserschneidprozess mittels eines entsprechenden Laserbearbeitungswerkzeuges durchgeführt wird. Die Laserbearbeitungswerkzeuge sind hierzu beispielsweise an einem Roboter fixiert und werden durch diesen geführt. Als Laserstrahlquellen kommen vorrangig Festkörperlaser zum Einsatz.
Die DE 199 57 163 C1 beschreibt eine Vorrichtung zur Qualitätskontrolle der Naht an mit einem Laser stumpf geschweißten Blechen, welche mindestens ein hierarchisches künstliches neuronales Netz aufweist. Durch die Verwendung eines neuronalen Netzes mit hierarchischer Netzstruktur ist es möglich, sehr viele Sensoren zur Erfassung von Prozessdaten für die Qualitätsaussage zu nutzen und die Vielzahl der erfassten Sensordaten in ihren vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten auswerten zu können.
Weiterhin ist aus der DE 102 36 843 A1 eine Vorrichtung zur Überwachung einer Fertigungsanlage bekannt, mittels welcher aktuelle Prozess- und Produktinformationen bereitgestellt und aufbereitet werden.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur Qualitätsüberwachung von Laserfüge- oder Laserschneidprozessen mit einem einfachen Aufbau zur Verfügung zu stellen, mittels welcher eine Vielzahl unterschiedlicher qualitätsbeeinflussender Daten erfasst und bewertet werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Anlage gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also eine Anlage zur Qualitätsüberwachung von Laserfüge- oder Laserschneidprozessen, insbesondere im Karosseriebau, vorgesehen, mit mehreren Laserbearbeitungswerkzeugen, welche jeweils an einem einzelnen Roboter fixiert und jeweils mit einem Strahlabgang einer mehrere Strahlabgänge aufweisenden Laserstrahlquelle verbunden sind, wobei ein von der Laserstrahlquelle erzeugter Laserstrahl jeweils auf einen einzelnen der Strahlabgänge schaltbar ist und den einzelnen Laserbearbeitungswerkzeugen und/oder der Anlage jeweils Sensoren und/oder Kameras zur Erfassung von Prozessdaten zugeordnet sind und mit einer einzigen Speicher- und Auswerteeinrichtung, welche zur Erfassung und Bewertung der den jeweils aktuellen Bearbeitungsprozess betreffenden Prozessdaten mit den Sensoren und/oder Kameras, und zur Erfassung und Bewertung von Anlagendaten mit einer Anlagensteuereinheit und/oder der Laserstrahlquelle und/oder den Steuereinheiten der Roboter und/oder weiteren Sensoren verbunden ist. Hierdurch wird ein Qualitätsüberwachungssystem zur Verfügung gestellt, welches qualitätsbeeinflussende Anlagendaten und die jeweils relevanten Prozessdaten des aktiven Bearbeitungsprozesses in einer einzigen Speicher- und Auswerteeinrichtung erfasst und bewertet. Durch eine Synchronisation der Speicher- und Auswerteeinrichtung mit der Beschaltung der Strahlabgänge der Laserstrahlquelle werden ausschließlich die Prozessdaten des jeweilig aktuellen bzw. aktiven Bearbeitungsprozesses aufgezeichnet und bewertet. Hierdurch kann einerseits die Informationsmenge insgesamt reduziert werden und andererseits eine Auslegung der Bandbreite der Speicher- und Auswerteeinrichtung auf die zu erwartenden Datenströme der nacheinander ablaufenden Prozesse erfolgen. Die Prozessdaten werden durch an den Laserbearbeitungswerkzeugen fixierte Sensoren und Kameras oder durch zentral im Bereich der Anlage oder der Arbeitsstation angeordnete Sensoren erfasst. Zu den erfassten Prozessdaten gehören beispielsweise elektromagnetische Emissionen im UV-, VIS-, NIR- und IR- Bereich, der Laserrückreflex, akustische Emissionen, Material- bzw. Werkstoff- und Massenströme und -geschwindigkeiten, aus Bildverarbeitungssystemen gewonnene Kennwerte, sowie die Laserleistung am Wechselwirkungspunkt. Die von der Speicher- und Auswerteeinrichtung erfassten und bewerteten Anlagendaten werden von der Anlagensteuereinheit, den Steuereinheiten der Roboter bzw. der Laserstrahlquelle zur Verfügung gestellt und umfassen beispielsweise Geschwindigkeiten, Schalt- und Statuszustände, die Laserleistung im Verlauf der Strahlerzeugung, -formung und -führung, die Fokuslage und die Geschwindigkeit in der Wechselwirkungszone (TCP).
Dabei erweist es sich als besonders praxisnah, wenn die Laserbearbeitungswerkzeuge durch eine Strahlführung, insbesondere durch Lichtleiterkabel, mit den Strahlabgängen der Laserstrahlquelle verbunden sind. Hierdurch wird eine besonders prozesssichere und flexible Verbindung zwischen den während des Bearbeitungsprozesses relativ zu den Strahlabgängen der Laserstrahlquelle verfahrbaren Laserbearbeitungswerkzeugen und den Strahlenabgängen der Laserstrahlquelle ermöglicht.
Eine andere besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass die Speicher- und Auswerteeinrichtung, die Sensoren und/oder Kameras, die Laserstrahlquelle, die Anlagensteuereinheit und die Steuereinheiten der Roboter mittels Busleitungen untereinander verbunden sind. Durch die Busleitungen bzw. geeignete Bussysteme, wie beispielsweise FireWire, Interbus, CAN-Bus oder Ethernet, wird eine schnelle und zuverlässige Übertragung der Daten ermöglicht. Das Bussystem kann sowohl zur Übertragung der Prozessdaten als auch zur Übertragung der Anlagendaten genutzt werden. Hierzu sind die Busleitungen als Datenbus-Leitung und/oder als Steuerbus-Leitung ausgebildet.
Zusätzliche Möglichkeiten der Verwendung bzw. Auswertung der erfassten Daten werden dadurch erreicht, dass die Speicher- und Auswerteeinrichtung mit einer übergeordneten Qualitätssicherungseinrichtung und/oder einer Qualitätsmanagementeinrichtung verbunden ist.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage zur Qualitätsüberwachung wird auch dadurch geschaffen, dass die Speicher- und Auswerteeinrichtung mit einer Prozesssteuer- und Regeleinrichtung verbunden ist. Hierdurch besteht die Möglichkeit der Rückführung der Ergebnisse der in der Speicher- und Auswerteeinrichtung durchgeführten Auswertung der Prozess- und Anlagendaten in zentrale oder dezentrale Prozesssteuer- und Regeleinrichtungen unter Nutzung der bestehenden Busleitungen, sodass zeitnah Maßnahmen ergriffen werden können, einem festgestellten Qualitätsverlust, beispielsweise in der Ausbildung der Fügenaht, entgegen zu wirken.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Diese zeigt in der einzigen Figur eine erfindungsgemäße Anlage 1 zur Qualitätsüberwachung von Laserfüge- oder Laserschneidprozessen in einer schematischen Darstellung. Die Anlage 1 weist mehrere Laserbearbeitungswerkzeuge 2 zur Durchführung unterschiedlicher Bearbeitungsprozesse an Karosseriebauteilen 3 innerhalb einer Arbeitsstation 4 auf. Die Laserbearbeitungswerkzeuge 2 sind jeweils an einem einzelnen Roboter 5 fixiert und werden von diesem während des jeweiligen Bearbeitungsprozesses geführt. Die Laserbearbeitungswerkzeuge 2 sind jeweils durch eine Strahlführung, insbesondere durch Lichtleiterkabel 6 mit den Strahlabgängen 7 einer vorzugsweise sechs Strahlabgänge 7 aufweisenden Laserstrahlquelle 8 verbunden. Ein in der Laserstrahlquelle 8 erzeugter Laserstrahl kann jeweils auf einen einzelnen Strahlabgang 7 geschaltet werden, sodass der Laserstrahl über das jeweilige Lichtleiterkabel 6 zu dem jeweiligen Laserbearbeitungswerkzeug 2 geführt wird. In dem in der Figur dargstellten Ausführungsbeispiel wird ausschließlich derjenige Strahlabgang 7 mit dem Laserstrahl beschaltet, welcher über das mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Lichtleiterkabel 6 mit dem Laserbearbeitungswerkzeug 2 verbunden ist, wobei ausschließlich dieses Laserbearbeitungswerkzeug 2 einen Laser-Bearbeitungsprozess an dem Karoseriebauteil 3 durchführen kann. In den übrigen Arbeitsfolgen der Arbeitsstation 4 also mit den Laserbearbeitungswerkzeugen 2, welche über die gestrichelt dargestellten Lichtleiterkabel 6 mit der Laserstrahlquelle 8 bzw. den Strahlabgängen 7 der Laserstrahlquelle 8 verbunden sind, kann kein Laserbearbeitungsprozess durchgeführt werden. In diesen Arbeitsfolgen werden dann Bauteileinlege-, Bauteilpositionier- oder Spannoperationen oder andere laserfreie Prozesse durchgeführt. Weiterhin sind in der erfindungsgemäßen Anlage 1 Kameras 9 und Sensoren 10 zur Erfassung von Prozessdaten des jeweils aktuellen Bearbeitungsprozesses vorgesehen, welche an den Laserbearbeitungswerkzeugen 2 fixiert und/oder in der Umgebung der zu bearbeitenden Karosseriebauteile 3 angeordnet sind.
Weiterhin weist die Anlage 1 eine einzige zentrale Speicher- und Auswerteeinrichtung 11, eine Anlagensteuereinheit 12 sowie den einzelnen Robotern 5 zugeordnete Steuereinheiten 13 auf. Die Speicher- und Auswerteeinrichtung 11 ist zur Erfassung und Bewertung der den jeweils aktuellen Bearbeitungsprozess betreffenden Prozessdaten mit den Kameras 9 und Sensoren 10 und zur Erfassung und Bewertung von Anlagendaten mit der Anlagensteuereinheit 12, der Laserstrahlquelle 8, sowie den Steuereinheiten 13 der Roboter 5 verbunden. Die Laserstrahlquelle 8, die Kameras 9 und Sensoren 10, die Speicher- und Auswerteeinrichtung 11, die Anlagensteuereinheit 12 sowie die Steuereinheiten 13 der Roboter 5 sind jeweils durch Busleitungen 14 bzw. ein Bus-Netzwerk, insbesondere durch einen Datenbus und/oder Steuerbus, unter- bzw. miteinander verbunden. Dabei werden ausschließlich die Prozessdaten des jeweils aktuell durchgeführten Bearbeitungsprozesses an die Speicher- und Auswerteeinrichtung 11 übermittelt, wobei die Übermittlung dieser Daten in der Figur durch eine durchgezogene Linie zwischen den Kameras 9 und den Sensoren 10, welche den aktuellen Bearbeitungsprozess an dem Karosseriebauteil 3 beobachten, bzw. zwischen der Steuereinheit 13 des Roboters 5, welche das Laserbearbeitungswerkzeug 2 führt und der einzigen Speicher- und Auswerteeinrichtung 11 dargestellt ist. Von den Kameras 9 und Sensoren 10, welche den übrigen Arbeitsfolgen, in denen kein Bearbeitungsprozess mit einem Laserstrahl durchgeführt wird, zugeordnet sind, werden keine Prozessdaten an die Steuer- und Auswerteeinrichtung 11 übermittelt, was in der Figur durch die gestrichelt ausgeführte Linie zwischen den Kameras 9 und Sensoren 10 und der Speicher- und Auswerteeinrichtung 11 dargestellt ist.

1: Anlage
2: Laserbearbeitungswerkzeug
3: Karosseriebauteil
4: Arbeitsstation
5: Roboter
6: Lichtleiterkabel
7: Strahlabgang
8: Laserstrahlquelle
9: Kamera
10: Sensor
11: Speicher- und Auswerteeinrichtung
12: Anlagensteuereinheit
13: Steuereinheit
14: Busleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19957163 C1 [0003]
- DE 10236843 A1 [0004]

Claims

Anlage (1) zur Qualitätsüberwachung von Laserfüge- oder Laserschneidprozessen, insbesondere im Karosseriebau, mit mehreren Laserbearbeitungswerkzeugen (2), welche jeweils an einem einzelnen Roboter (5) fixiert und jeweils mit einem Strahlabgang (7) einer mehrere Strahlabgänge (7) aufweisenden Laserstrahlquelle (8) verbunden sind, wobei ein von der Laserstrahlquelle (8) erzeugter Laserstrahl jeweils auf einen einzelnen der Strahlabgänge (7) schaltbar ist und den einzelnen Laserbearbeitungswerkzeugen (2) und/oder der Anlage (1) jeweils Sensoren (10) und/oder Kameras (9) zur Erfassung von Prozessdaten zugeordnet sind und mit einer einzigen Speicher- und Auswerteeinrichtung (11), welche zur Erfassung und Bewertung der den jeweils aktuellen Bearbeitungsprozess betreffenden Prozessdaten mit den Sensoren (10) und/oder Kameras (9), und zur Erfassung und Bewertung von Anlagendaten mit einer Anlagensteuereinheit (12) und/oder der Laserstrahlquelle (8) und/oder den Steuereinheiten (13) der Roboter (5) und/oder weiteren Sensoren (10) verbunden ist.
Anlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungswerkzeuge (2) durch eine Strahlführung, insbesondere durch Lichtleiterkabel (6), mit den Strahlabgängen (7) der Laserstrahlquelle (8) verbunden sind.
Anlage (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher- und Auswerteeinrichtung (11), die Sensoren (10) und/oder Kameras (9), die Laserstrahlquelle (8), die Anlagensteuereinheit (12) und die Steuereinheiten (13) der Roboter (5) mittels Busleitungen (14) untereinander verbunden sind.
Anlage (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher- und Auswerteeinrichtung (11) mit einer Qualitätssicherungseinrichtung und/oder einer Qualitätsmanagementeinrichtung verbunden ist.
Anlage (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher- und Auswerteeinrichtung (11) mit einer Prozesssteuer- und Regleinrichtung verbunden ist.
Verfahren zur Qualitatsüberwachung von Laserfüge- oder Laserschneidprozessen, insbesondere im Karosseriebau, mit einer Anlage nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anlage mehrere Laserbearbeitungswerkzeuge (2) aufweist, welche jeweils an einem einzelnen Roboter (5) fixiert und jeweils mit einem Strahlabgang (7) einer mehrere Strahlabgänge (7) aufweisenden Laserstrahlquelle (8) verbunden sind, bei welchem ein von der Laserstrahlquelle (8) erzeugter Laserstrahl auf einen einzelnen der Strahlabgänge (7) geschaltet wird und bei welchem mittels den einzelnen Laserbearbeitungswerkzeugen (2) und/oder der Anlage (1) zugeordneten Sensoren (10) und/oder Kameras (9) Prozessdaten erfasst werden, wobei die den jeweils aktuellen Bearbeitungsprozess betreffenden Prozessdaten und die von einer Anlagensteuereinheit (12) und/oder der Laserstrahlquelle (8) und/oder den Steuereinheiten (13) der Roboter (5) und/oder weiteren Sensoren (10) zur Verfügung gestellten Anlagendaten in einer einzigen Speicher- und Auswerteeinrichtung (11) erfasst und bewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Sensoren (10) und/oder Kameras (9), die Laserstrahlquelle (8), die Anlagensteuereinheit (12) und die Steuereinheiten (13) der Roboter (5) erfassten Prozessdaten und/oder Anlagendaten über Busleitungen an die Speicher- und Auswerteeinrichtung (11) übertragen werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Speicher- und Auswerteeinrichtung (11) erfassten und bewerteten Prozessdaten und/oder Anlagendaten an eine Qualitätssicherungseinrichtung und/oder eine Qualitätsmanagementeinrichtung übertragen werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Speicher- und Auswerteeinrichtung (11) erfassten und bewerteten Prozessdaten und/oder Anlagendaten an eine Prozesssteuer- und Regeleinrichtung übertragen werden.