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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Laservorrichtung und eine solche Laservorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik, wie er in der
DE 196 15 630 A1 offenbart ist, ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Laserleistung bekannt. Dabei wird ein Teilstrahl des Lasers aus einem Laserstrahl ausgekoppelt und der Teilstrahl gemessen.
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Des Weiteren ist aus der
EP 0 419 671 A1 ein Steuerungssystem zum Steuern der Ausgabe eines Lasers, hier eines NC Lasers bekannt. Dabei sind eine numerische Steuerungsvorrichtung (CNC) und ein Gaslaser-Osziallator miteinander gekoppelt. In einem ersten Ausgabesteuerungsmodus ist ein Verschluss vor dem Starten einer Bearbeitung geschlossen. Der Laser wird dabei vorab in Schwingung versetzt, um die Lasergastemperatur einzustellen, so dass die Temperatur an einer Innenwand einer Entladungsröhre konstant gehalten werden kann. In einem zweiten Ausgabesteuerungsmodus wird, nachdem ein Bearbeitungsbefehl eingegeben ist, der Verschluss geöffnet und ein Ausgabewert erhöht, um einen Laserstrahl zu erzeugen.
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Weiter ist aus der
US 5,080,506 die Steuerung der Ausgabe eines Lasers als Lichtquelle bekannt, wobei der Laser mit einem optischen Leiter verbunden ist. Hierbei wird ein Teil eines optischen Signals, das in dem optischen Leiter geführt ist, abgekoppelt, um diesen Teil des optischen Signals zu erfassen und zu bestimmen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Steuern einer Laservorrichtung bereitzustellen.
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Gemäß der Erfindung wird nun ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Laservorrichtung bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- – Bestimmen einer Laserkennlinie durch Einstellen einer vorbestimmten Lasergröße (S1) und Erfassen der sich bei der Lasergröße einstellenden Gesamtlaserleistung oder Gesamtlaserenergie des Laserstrahls der Laservorrichtung (S2); und
- – Steuern und/oder Regeln der Laservorrichtung basierend auf der Laserkennlinie.
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Das Verfahren hat den Vorteil, dass durch das Bestimmen einer Laserkennlinie die Gesamtlaserleistung oder externe Laserleistung bzw. die Gesamtlaserenergie oder externe Laserenergie des Lasers sehr genau eingestellt werden kann, so dass eine konstante Qualität des Laser gewährleistet werden kann, ohne dass eine Nachregelung durch einen Bediener notwendig ist. Da der Laserstrahl oder Gesamtlaserstrahl des Lasers der Vorrichtung zum Bestimmen der Laserkennlinie erfasst oder gemessen wird und kein Teilstrahl des Lasers hierfür ausgekoppelt wird können Leistungsminderungen, welche beispielsweise durch optische Elemente und Verunreinigungen entstehen, berücksichtigt werden. Dadurch kann außerdem auf Korrekturfaktoren verzichtet werden, wie dies beim Auskoppeln eines Teilstrahls notwendig ist, um den Laserstrahl wieder auf die tatsächliche zur Bearbeitung zur Verfügung stehende Gesamtlaserleistung (externe Laserleistung) oder Gesamtlaserenergie (externe Laserenergie) zu korrigieren.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines schwingfähigen PT2-Glieds;
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2 eine schematische Ansicht eines nichtschwingfähigen PT2-Glieds;
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3 ein Diagramm einer Kennlinie eines Lasers einer Laservorrichtung;
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4 ein Ablaufdiagramm einer polynomischen Approximation einer Steuerfunktion;
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5 ein Diagramm einer polynomischen Approximation zur Bildung einer Steuerfunktion;
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6 ein Diagramm einer linearen Interpolation zur Bildung einer steuerfähigen Datenbasis für eine Laservorrichtung;
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7 eine Diagramm welches eine Stützpunktmessung zur Sicherung der Aktualität einer Laserkennlinie zeigt;
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8 ein Ausführungsbeispiel eines Ablaufdiagramms für eine Laservorrichtung im Rahmen einer industriellen Anwendung; und
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9 eine schematische Ansicht einer Laservorrichtung gemäß der Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche Elemente oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, sofern nichts anderes angegeben ist.
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In der Luftfahrtbrache werden besonders die wichtigen Parameter von kritischen Prozessen und Verfahren nach einer recht aufwändigen Qualifizierung nicht mehr verändert. Dies nennt man Einfrieren des Prozesses. Zum einen soll dies der persönlichen Willkür des Bedieners zuvorkommen, der unter Umständen den Prozess so verändern könnte, dass die originäre Auslegung nicht mehr gewährleistet wäre. Zum anderen soll eine gleich bleibende Qualität in unterschiedlichen Standorten und Situationen der Fertigung erzielt werden.
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Die Laserbearbeitung ist ebenfalls solch ein kritisches Fertigungsverfahren und müsste nach dem internationalem Regelwert mit eingefrorenen Parametern betrieben werden. Dies ist aber nicht ohne weiteres möglich. Vor allem bei lampengepumpten Laser, wie z. B. Nd:YAG Laser, ist das Werkzeug nicht einfach vorauszuberechnen. Zwar verändert sich die Kontur des Werkzeugs, in Form von Strahldurchmesser, Qualität und Fokussierung nicht sehr, allerdings tritt bei den Laserlampen ebenfalls ein Verschleiß in Form von nachlassender Leistung auf. Durch unterschiedliche Produktionsqualitäten sowie Unterschiede in der Verbauung der Laserlampen tritt eine nicht konstante und maschinenindividuelle Alterung auf. Nach einer gewissen Laufzeit müssen die Lampen ersetzt werden und das System wechselt in einen völlig anderen Leistungszustand. Nun kann man zur Kompensation dieser Alterung in gewissen Abständen die Lampenleistung erhöhen, um eine gleich bleibende Laserleistung zu erreichen. Diese ist aber nicht konstant fallend und von vielen Faktoren abhängig. Aus diesem Grund werden für die Laserbearbeitung in der Luftfahrtindustrie zwar alle wesentlichen Parameter eingefroren, jedoch muss die sich über die Zeit verringernde Leistung durch den Bediener nachgeregelt werden. Vor allem zur Laserperkussionsbearbeitung beispielsweise von Lauf- und Leitschaufeln, wie z. B. HDT(Hochdruckturbinenschaufeln)-Lauf- und Leitschaufeln, wo meist verschiedene Bohrungsdurchmesser zur Anwendung kommen, müssen ganze Parameterblöcke manuell eingestellt werden. Dies erfolgt durch Messungen am produzierten Bauteil in Form von Durchmesserprüfungen und Luftdurchsatzmessungen.
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Zur Kompensation von Leistungsschwund durch Lampenalterung stehen für verschiedene Betriebszustände eine Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung.
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Die Leistungsregelung durch Messung der im Strahlengang anliegenden Laserleistung ist die gängigste Methode (interne Leistung). Hierbei wird ein kleiner Teil des Laserlichts aus dem Strahlengang ausgekoppelt und die Leistung (interne Leistung) durch eine Fotodiode gemessen. Diese Variante wird bei nahezu allen industriell genutzten Laser zur Leistungssteuerung verwendet. Dabei erfolgt jedoch die Messung im Strahlengang und nicht an der Bearbeitungsstelle (wo die externe oder tatsächlich zu verfügende Laserleistung bzw. Gesamtlaserleistung angewendet wird). Leistungsminderungen, welche beispielsweise durch optische Elemente und Verunreinigungen zwangsläufig entstehen, werden nicht berücksichtigt. Zwar kann durch Korrekturfaktoren wieder auf die tatsächliche zur Bearbeitung zur Verfügung stehende Leistung (externe Laserleistung oder Gesamtlaserleistung) korrigiert werden, aber dies funktioniert nur bei konstanter Leistung und nicht bei einer komplexeren Leistungsregelung, da die Unterschiede bei verschiedenen Leistungsbereichen und Alterungszuständen nicht gleich sind.
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Eine weitere Methode kalibriert die am Bauteil anliegende externe Leistung durch ein externes geeichtes Leistungsmessgerät. Für die meisten Prozesse kann dies schon durchaus ausreichend sein, da sich die Bearbeitungsparameter bei vielen Anwendungen wenig ändern. Meist können einige Prozessparameter in einer Art Rezeptsammlung hinterlegt werden.
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Zur Steuerung von gepulsten Laser kommt jedoch erschwerend hinzu, dass nicht die im Resonatorraum anliegende Leistung prozessrelevant ist, sondern die abgegebene Pulsenergie. Zwar werden die Laserlampen auch hier, wie bei Laser im cw-Bertieb durch Regelung der Lampenleistung gesteuert, gemessen wird aber die Pulsenergie. Dies erschwert ebenfalls die Lasersteuerung, da somit erst ein Regelkreis aufgebaut werden muss. Das Energiemessgerät nimmt kontinuierlich die im Resonator anliegende Pulsenergie auf und gibt eine Rückkoppelung an die Lampensteuerung, welche die Leistung regelt. Meist ist dazu ein Parameterwert in Form von Volt oder Leistungsprozent des Lasers zu regeln. Das System ist im Allgemeinen träge, da sowohl die Energiemessung als auch die Steuerung nicht sofort wirkt. Für jede inkrementelle Regelung bedarf es einiger Sekunden, sodass bis zum Anliegen der richtigen Energie Minuten vergehen können. Bei mehreren Leistungssprüngen oder Energiesprüngen während eines CNC-Programmablaufs summieren sich die Regelzeiten zu einem enormen Zeitanteil.
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Es stehen grundsätzlich zwei Arten von Regelungen zur Verfügung. 1 zeigt dabei eine Variante 1, welche ein schwingfähiges PT2-Glied betrifft. Dabei zeigt 1 die Übertragungsfunktion des schwingfähigen PT2-Glieds und ein Diagramm mit einer Sprungantwort 2 des PT2-Glieds. 2 zeigt wiederum eine Variante 2, welche ein nicht schwingfähiges PT2-Glied betrifft. In 2 ist hierbei die Übertragungsfunktion des nicht schwingfähingen PT2-Glieds gezeigt und ein Diagramm mit einer Sprungantwort 2 des PT2-Glieds.
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Hierbei ist beispielsweise nur Variante 2 von Bedeutung. Variante 1 könnte vor allem in einem oberen Leistungsbereich eine Laserlampe unter Umständen zu stark beanspruchen oder gar schädigen.
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Es wird nun gemäß der Erfindung ein systemtechnischer Vorschlag zur Regelung und/oder Steuerung der Laserleistung und/oder Laserenergie einer Laservorrichtung bereitgestellt.
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Wie in 3 gezeigt ist, wird zunächst eine Kennlinie 3 für die Leistung oder Energie einer Laservorrichtung aufgezeichnet in Abhängigkeit von einer Lasergröße. In dem Ausführungsbeispiel in 3 wird genauer gesagt eine maschinentypische oder anlagentypische Lampenkennlinie aufgezeichnet. Diese beinhaltet Leistungsmessungen oder Energiemessungen. Im vorliegenden Beispiel erfolgt eine Leistungsmessung des Laserstrahles bzw. gesamten Laserstrahls eines Lasers einer Laservorrichtung über einen vorbestimmten Leistungsbereich, z. B. den gesamten Leistungsbereich oder zumindest einen Leistungsteilbereich des Lasers oder genauer der Laserlampe bei einem lampengepumpten Laser. Ebenso kann auch eine Energiemessung bei dem Laserstrahl oder gesamten Laserstrahl des Lasers der Laservorrichtung erfolgen, wobei die Energiemessung über einen vorbestimmten Energiebereich erfolgt, z. B. den gesamten Energiebereich oder zumindest einen Energieteilbereich des Lasers oder genauer der Laserlampe bei einem lampengepumpten Laser.
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Hierzu werden z. B. immer gleiche Lasergrößen (Laserregelgröße in 3) als Eingangsgröße eingestellt und die resultierende Ausgangsgröße, hier externe Leistung (Gesamtlaserleistung) oder externe Energie (Gesamtlaserenergie), aufgezeichnet. Mit anderen Worten, es wird in wenigstens einem vorbestimmten Bereich für eine Lasergröße die sich daraus ergebende Leistung (Gesamtlaserleistung) und/oder Energie (Gesamtlaserenergie) des Laserstrahls des Lasers bestimmt bzw. erfasst oder gemessen. Dabei werden verschiedene Werte der Lasergröße eingestellt, welche in dem vorbestimmten Bereich liegen und die sich für den jeweils eingestellten Wert der Lasergröße ergebende externe Energie (Gesamtlaserenergie) und/oder externe Leistung (Gesamtlaserenergie) des Lasers erfasst und abgespeichert.
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Somit entsteht eine individuelle und zeitlich nur vorübergehend konstante Kurve, welche genau beschreibt mit welcher Voreinstellung oder Eingangsgröße, d. h. Lasergröße, eine gewisse Ausgangsgröße, hier eine Ausgangsleistung und/oder Ausgangsenergie, zu erzielen ist.
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Ein Beispiel einer Kennlinie einer Laseranlage ist in 3 dargestellt. Dabei wird als eine Eingangsgröße eine Lasergröße (hier als Laserregelgröße bezeichnet) in einem vorbestimmten Bereich eingestellt. Der in 3 gezeigte Bereich erstreckt sich dabei zwischen den Werten 260 und 760 für eine vorbestimmte Lasergröße. Hierbei ergibt sich eine entsprechende Leistung oder Energie des Laserstrahls des Lasers. Der dargestellte Bereich der Lasergröße und die sich hieraus ergebende Energie oder Leistung des Lasers ist dabei rein fiktiv und dient nur zur Veranschaulichung des Prinzips der Erfindung.
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Als Lasergröße, für welche in wenigstens einem vorbestimmten Bereich die sich ergebende Leistung (W) und/oder Energie (J) als Ausgangsgröße gemessen und aufgezeichnet wird, kann beispielsweise die Laserspannung (V), der Laserstrom (A), die Lasersteuerleistung (%), die Pumpleistung bei einem lampengepumpten Laser, der Laserfokus (z. B. Durchmesser des Laserfokus), der Abstand des Resonators usw. gewählt werden. Die Erfindung ist auf die genannten Beispiele für eine Lasergröße jedoch nicht beschränkt. Grundsätzlich kann jede Lasergröße gewählt werden, die die Leistung und/oder Energie des Lasers beeinflusst.
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Da bei jeder Messung ein gewisser Fehler sowohl durch die Messung, z. B. mittels eines thermoaktiven Messgeräts, als auch durch die leicht schwankende Ausgangsleistung oder Ausgangsenergie auftreten kann, wird beispielsweise eine gewisse oder vorbestimmte Anzahl von Messpunkten 4 aufgezeichnet, um somit statistisch den Fehler möglichst gering zu halten.
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Die in 3 aufgezeichneten Messpunkte 4 der Kennlinie 3 werden nun in einem weiteren Schritt in eine Steuerungs- und/oder Regelfunktion für die Laservorrichtung umgewandelt. Anhand dieser Steuerfunktion kann die Laservorrichtung bestimmen, für welche externe Laserleistung oder Laserenergie des Laserstrahls bzw. gesamten Laserstrahls in 3, welcher Wert für die Lasergröße eingestellt werden muss.
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In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel muss beispielsweise um eine Leistung oder eine Energie des Lasers mit einem Wert 10 zu erzielen, die Lasergröße mit dem Wert 560 eingestellt werden.
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Die Umsetzung einer so aufgezeichneten Kennlinie, wie in dem Beispiel in 3 gezeigt, in eine zur Maschinensteuerung nutzbare Gestalt kann nun auf verschiedene Arten geschehen:
In 4 ist ein Schema zur Approximation, z. B. zur polynomischen Approximation, einer Steuer- und/oder Regelfunktion gezeigt, um die Kennlinie 3 als eine Funktion auszudrücken oder die Messpunkte 4 der Kennlinie 3 möglichst genau durch eine Kurve anzunähern.
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Zur Steuerung eines Programms einer Laservorrichtung, wie beispielsweise eines CNC-Programms, muss die Kennlinie 3, wie beispielhaft in 3 gezeigt ist, in eine Funktion umgewandelt werden. Genauer gesagt muss die Kennlinie 3 in eine Kennlinien-Funktion umgewandelt werden, welche als Eingangsgröße die externe Laserleistung (W) oder Laserenergie (J) aufweist und als Ausgangsgröße die Lasergröße. Wie zuvor beschrieben kann als Lasergröße beispielsweise die Lasersteuerleistung z. B. in Leistungsprozent (%), in Volt (V) oder in Ampere (A), die Pumpleistung bei einem lampengepumpten Laser, der Laserfokus (z. B. Durchmesser des Laserfokus), der Abstand des Resonators usw. gewählt werden. Für die gewünschte Leistung (Gesamtlaserleistung) oder Energie (Gesamtlaserenergie) des Lasers kann dann die Lasergröße auf den hierfür erforderlichen Wert geregelt werden.
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Das Ausdrücken der Kennlinie 3 als Kennlinien-Funktion kann durch Standardsoftware leicht realisiert werden. Es entsteht hierbei beispielsweise ein Polynom n-ten Grades, welches die Kennlinie 3 oder deren Kurve abbildet, insbesondere möglichst genau abbildet. Die dabei entstehende Funktion der Kennlinie lässt sich wiederum einfach in jeder Maschinensteuerung einer Maschinenanlage, insbesondere einer Laservorrichtung, verwenden.
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4 stellt den Ablauf schematisch dar. In dem Ablaufdiagramm werden Schritte aufgeführt zum Erstellen einer Kennlinie als Funktion für eine Laseranlage.
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Dabei wird gemäß dem Ablaufdiagramm in 4 in einem ersten Schritt S1 zunächst ein Wert für eine Lasergröße Y n / I (Lasersteuergröße) eingestellt, beispielsweise eine bestimmte Laserspannung (V). In dem anschließenden Schritt S2 wird die sich aufgrund des eingestellten Werts für die Lasergröße Y n / I ergebende Leistung X n / I und/oder Energie X n / I des Lasers bestimmt oder gemessen. Es wird dabei die externe oder tatsächliche Leistung X n / I des Lasers bestimmt. Entsprechendes gilt auch für die Energie, so wird die externe oder tatsächliche Laserenergie des Lasers bestimmt. Im Falle des Messens eines ausgekoppelten Teilstrahls eines Lasers wird dagegen nur die Leistung oder Energie des Teilstrahls gemessen und über Korrekturfaktoren die tatsächliche oder externe Laserleistung (Gesamtlaserleistung) berechnet.
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Die Schritte S1 und S2 werden beispielsweise für n-Werte eines vorbestimmten Bereichs der Lasergröße Y n / I wiederholt, und die sich für die n-Werte ergebende Leistung X n / I und/oder Energie X n / I des Lasers bestimmt und als Punkte einer Kennlinie abgespeichert. Die n-Werte können dabei so gewählt werden, dass sie einen vorbestimmten Bereich für die Lasergröße Y n / I möglichst abdecken, beispielsweise möglichst über die gesamte Breite des Bereichs gleichmäßig abdecken.
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Die Kennlinie bzw. die Punkte X 1 / I, Y 1 / I bis X n / I, Y n / I der Kennlinie werden in einem Schritt S3 in eine Funktion F umgewandelt. Mit anderen Worten, in Schritt S3 wird die Kennlinie bzw. deren Punkte approximiert, beispielsweise polynomisch approximiert. Dabei wird die Kennlinie bzw. deren Messpunkte in eine Kennlinien-Funktion umgewandelt bzw. als Funktion ausgedrückt, in dem beispielsweise ein Polynom an die Kennlinie bzw. deren Punkte angenähert wird. Hierbei entsteht beispielsweise ein Polynom n-ten Grades, welches die Kennlinie abbildet, vorzugsweise möglichst genau abbildet.
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In Schritt S4 wird die approximierte Kennlinie oder die approximierten Punkte der Kennlinie in eine Funktion F(xi) = yi wie beispielsweise eine Steuerfunktion für eine Laservorrichtung umgesetzt mittels der die Laservorrichtung die Leistung und/oder die Energie des Lasers steuern und/oder regeln kann.
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Beim Umsetzen der Kennlinie in eine Funktion oder Steuerfunktion in Schritt S4 zum Steuern und/oder Regeln der Laservorrichtung, kann die Kennlinie beispielsweise derart als Funktion ausgedrückt werden, so dass aus der Funktion F(xi) = yi anhand der Laserenergie XI oder Laserleistung XI die entsprechende zugehörige Lasergröße YI bzw. der entsprechende Wert oder Betrag für die Lasergröße YI berechnet werden kann.
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Auf diese Weise kann mittels der Kennlinie bzw. der Funktion der Kennlinie sichergestellt werden, dass immer eine benötigte Gesamtlaserenergie oder Gesamtlaserleistung automatisch bereitgestellt werden kann, ohne dass z. B. eine manuelle Nachregelung durch einen Bediener notwendig ist, um Alterungserscheinungen des Lasers der Laservorrichtung auszugleichen.
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Statt die Laserkennlinie in Schritt S3 polynomisch zu approximiren kann auch jedes andere Verfahren eingesetzt werden, das geeignet ist, die Kennlinie in eine Funktion umzuwandeln oder die Kennlinie durch eine Funktion anzunähern. Weitere Beispiele um die Kennlinie in eine Funktion umzuwandeln werden im Folgenden anhand der 6 und 7 erläutert, welche eine lineare Interpolation und eine sog. Spline-Interpolation betreffen. Die Erfindung ist auf die in den 5, 6 und 7 beschriebenen Beispiele zur Darstellung einer Kennlinie als Funktion nicht beschränkt. Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass eine Vielzahl von Möglichkeiten existieren eine Kennlinie in eine Funktion umzuwandeln oder als eine Funktion auszudrücken.
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In 5 ist die Laserkennlinie 3 gemäß 3 dargestellt. Dabei ist außerdem ein Polynom gezeigt, welches an die Laserkennlinie 3 angenähert ist, um die Laserkennlinie 3 in eine Funktion umzuwandeln oder als eine Funktion auszudrücken. 5 verdeutlicht dabei die Annäherung eines Polynoms an die Laserkennlinie 3 und deren Messpunkte 4. Schwankungen können dabei durch eine Vielzahl an Einzelmessungen statistisch kompensiert werden.
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Neben einer polynomischen Approximation einer Kennlinie zur Bildung einer Steuer- und/oder Regelfunktion, wie zuvor anhand der 4 und 5 erläutert wurde, kann auch eine sog. lineare Interpolation eingesetzt werden, wie in nachfolgender 6 gezeigt ist.
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In 6 ist ebenfalls die Kennlinie 3 oder Laserkennlinie gemäß 3 dargestellt, sowie eine Kurve, welche an die Laserkennlinie 3 und ihre Messpunkte 4 hierbei mittels linearer Interpolation angenähert ist.
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Die Laserkennlinie lässt sich auch durch Interpolation, beispielsweise eine lineare Interpolation, in eine Form bringen (Funktion), die von der Maschinensteuerung einer Laservorrichtung zur Regelung und/oder Steuerung verwendet werden kann. Dazu kann gleichzeitig ein gleitender Durchschnitt gebildet werden der Messfehler kompensiert.
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6 zeigt als Beispiel einer Interpolation eine linear interpolierte Kurve. Ein Vorteil liegt dabei vor allem darin, dass Kurven welche Polynome höherer Ordnung (z. B. > 5. Grades) zu Approximation bedürfen, sicher darstellbar sind. Auf diese Weise kann mittels einer beispielsweise linearen Interpolation eine steuerungsfähige Datenbasis gebildet werden.
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Zur Annäherung von Kennlinien 3, welche beispielsweise durch polynomische Approximation nicht mehr sicher dargestellt werden können, kann z. B. eine Spline-Interpolation verwendet werden.
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Anhand der beschriebenen Polynomfunktion, wie zuvor mit Bezug auf 5 beschrieben, oder den interpolierten Werten, wie z. B. mittels der linearen Interpolation oder Spline-Interpolation, kann eine zur Bearbeitung benötigte Leistung und/oder Energie des Lasers der Laservorrichtung immer gleich eingestellt werden. Dies erfolgt über eine Art Bearbeitungsrezept, welches insbesondere Bauteil spezifisch erstellt wird. Mit anderen Worten, die Kernlinie kann als Funktion umgewandelt in einer internen oder externen Speichereinrichtung einer Laservorrichtung abgespeichert und von einer Steuerungs- und/oder Regelungs-Einrichtung der Laservorrichtung abgerufen werden. Anhand der Funktion der Kennlinie kann die Laservorrichtung beispielsweise für eine benötigte Ausgangsleistung oder Ausgangsenergie eine zugehörige Lasergröße, wie z. B. die Laserspannung, die Laserleistung in Prozent, die Laserstromstärke usw. bestimmen und einstellen oder einregeln. Für immer gleiche Zustände können auch gleiche Parameter verwendet werden. Da für die Steuerung nun kein Regelungsglied im eigentlichen Sinne mehr unbedingt nötig ist, kann der Laser direkt über die ermittelte Funktion mit seiner gewünschten Lasersteuerleistung oder Lasersteuerenergie aufgrund einer zugeordneten Lasergröße [%, V, A, ...] betrieben werden. Das gewünschte Leistungsniveau oder Energieniveau stellt sich schneller ein.
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Zur Kontrolle können außerdem beispielsweise stichprobenartige Zwischenmessungen durchgeführt werden, die den aktuellen Zustand bestätigen. Solange die Zwischenmessungen nicht zu weit von der Kennlinie entfernt liegen oder innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegen, kann die Kennlinie beibehalten werden.
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Sollten die vorgegebenen Grenzwerte oder der Toleranzbereich überschritten werden, kann beispielsweise eine neue Kennlinie aufgezeichnet und als neue Funktion oder Steuer- und/oder Regelfunktion abgelegt werden.
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Bei Zwischenmessungen bietet sich an, nicht nur eine Messung, sondern mehrere Messungen hintereinander mit beispielsweise gleicher Energie und/oder Leistung durchzuführen, da somit wieder eine Kleinstatistik entsteht, welche Messfehler und schwankende Ausgangsleistungen und/oder Ausgangsenergien kompensiert. Zeitlich ist der Aufwand nicht zu groß, da kein neuer Leistungszustand und/oder Energiezustand eingestellt werden muss.
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7 zeigt Stützpunktmessungen zu einer Leistungs- oder Energiekennlinie mit einer oberen Grenze 5 und einer unteren Grenze 6 bzw. einer oberen und einer unteren Toleranzgrenze. Streuungen der Ausgangsleistung oder der Ausgangsenergie sind hier ebenfalls dargestellt, sowie der daraus ermittelte Mittelwert der jeweiligen Zwischenmessung.
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Wie aus 7 entnommen werden kann, wird zunächst eine Kennlinie erstellt, wie zuvor z. B. mit Bezug auf 3 beschrieben wurde. Dabei kann außerdem beispielsweise eine obere Grenze bzw. obere Toleranzgrenze 5 und eine untere Grenze bzw. untere Toleranzgrenze 6 für die Kennlinie bzw. Laserkennlinie, festgelegt werden, wie in 7 gezeigt ist.
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Liegt die Leistung oder Energie bei einem jeweiligen Wert für die Lasergröße innerhalb dieser Grenzen oder auf einer dieser Grenzen, so liegt die Lasergröße beispielsweise innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs und die Kennlinie kann beibehalten werden. Überschreitet dagegen eine Lasergröße mit ihrer resultierenden Leistung oder Energie die obere Grenze 5 oder unterschreitet eine Lasergröße mit ihrer resultierenden Leistung oder Energie die untere Grenze 6, so liegt die Lasergröße außerhalb des Toleranzbereichs und es kann beispielsweise eine neue Kennlinie, hier Laserkennlinie, erstellt werden.
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Wie weiter in 7 gezeigt ist, können eine oder mehrere Zwischenmessungen durchgeführt werden. In dem in 7 gezeigten Beispiel ist eine erste Zwischenmessung bei einer ersten Lasergröße, hier 350, eine zweite Zwischenmessung bei einer zweiten Lasergröße, hier 450, und eine dritte Zwischenmessung bei einer dritten Lasergröße, hier 600, durchgeführt worden.
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Eine Zwischenmessung umfasst dabei wenigstens eine oder insbesondere mehrere Messungen der Leistung oder der Energie des Laserstrahls oder gesamten Laserstrahls des Lasers, bei der jeweils zugeordneten Lasergröße. Mit anderen Worten es kann beispielsweise für eine Lasergröße von 350 in dem Beispiel in 7 die Leistung oder Energie einmal oder mehrmals bestimmt werden. Im Fall dass die Messung für denselben Wert der Lasergröße, z. B. 350, mehrmals durchgeführt wird, wird ein Mittelwert aus den erfassten Messwerten gebildet, der als Ergebnis der jeweiligen Zwischenmessung, hier z. B. der ersten Zwischenmessung bestimmt wird. Entsprechend kann für die zweite und dritte Zwischenmessung verfahren werden. So kann bei der ersten, zweiten und dritten Zwischenmessung die entsprechende Streuung gleich mit berücksichtigt werden.
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Durch solche Stützpunktmessungen kann die Aktualität der Kennlinie bzw. Laserkennlinie gesichert werden. Wie in dem Beispiel in 7 gezeigt ist, liegen die Zwischenmessungen beispielsweise im Toleranzbereich, d. h. innerhalb der vorbestimmten oberen und unteren Toleranzgrenze. Somit kann die gezeigte Laserkennlinie weiter verwendet werden und es muss keine neue Laserkennlinie bestimmt und in eine Funktion umgewandelt werden. Würde dagegen eine der Zwischenmessungen außerhalb der oberen oder unteren Toleranzgrenze liegen, so kann festgelegt werden, dass eine neue Kennlinie bzw. Laserkennlinie bestimmt wird.
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8 verdeutlicht ein Ausführungsbeispiel für einen Ablauf, wie er in einem industriellen Umfeld als sinnvoll erscheinen kann. Da die Steuerung des Lasers nur durch seine externe Wirkleistung oder Wirkenergie Störquellen ausblendet, wie beispielsweise optische Elemente und Verschmutzungen nach einem Resonator, ist es sinnvoll, die Strahlqualität des Lasers einer Laservorrichtung regelmäßig zu beobachten.
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Ein Einbrechen der Leistung, beispielsweise in Folge eines Lampenversagens eines Lasers einer Laservorrichtung, kann dadurch schon frühzeitig erkannt werden.
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Wie in dem Beispiel in 8 gezeigt ist, erfolgt in einem ersten Schritt S1* eine Kontrolle der Strahlqualität des Lasers. Dabei wird, wie zuvor mit Bezug auf die 3 bis 6 beschrieben wurde, zunächst eine Kennlinie oder Laserkennlinie bestimmt und als eine Funktion F ausgedrückt, beispielsweise mittels polynomischer Approximation oder Interpolation (z. B. linearer Interpolation oder Spline-Interpolation) usw.. Die Funktion F der Kennlinie kann dabei beispielsweise in einer Speichereinrichtung einer Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln der Laservorrichtung abrufbar abgespeichert sein.
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Basierend auf einer vorbestimmten oder gewünschten Leistung oder Energie des Lasers der Laservorrichtung kann anhand der Funktion F der Kennlinie die dafür notwendige Lasergröße bestimmt und eingestellt werden, beispielsweise eine erforderliche Laserspannung.
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In einem nächsten Schritt S2* erfolgt eine Zwischenkontrolle der Leistung oder Energie extern zu der Kennlinie. Dabei erfolgt wenigstens eine Zwischenmessung für wenigstens eine Lasergröße. Genauer gesagt wird in einer Zwischenmessung für einen oder mehrere Werte einer Lasergröße die resultierende Leistung oder Energie des Lasers bestimmt und als Zwischenwert oder Zwischenmesspunkt abgespeichert. Im Fall, dass mehrmals für denselben Wert der Lasergröße die Leistung oder Energie des Lasers bestimmt wird, kann aus den Messergebnissen ein Mittelwert gebildet werden und als Zwischenwert oder Zwischenmesspunkt abgelegt werden.
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In einem weiteren Schritt S3* wird bestimmt, ob der jeweils ermittelte Zwischenwert oder Zwischenmesspunkt innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs liegt, welcher z. B. durch eine obere Toleranzgrenze und eine untere Toleranzgrenze festgelegt ist, wie zuvor in 7 gezeigt wurde. Liegt der Zwischenwert innerhalb des Toleranzbereichs, d. h. gilt in Schritt S3* ”OK = JA”, so wird in dem anschließenden Schritt S5* ein entsprechendes Programm gestartet, hier z. B. ein CNC-Programm, zum Betätigen des Lasers der Laservorrichtung auf Basis der vorhandenen Kennlinie bzw. vorhandenen Funktion F dieser Kennlinie.
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Wird in Schritt S3* dagegen festgestellt, dass der wenigstens eine ermittelte Zwischenwert nicht innerhalb des Toleranzbereichs liegt, sondern in dem Beispiel in 7 entweder die obere Toleranzgrenze überschritten hat oder die untere Toleranzgrenze unterschritten hat, so gilt in Schritt ”OK = NEIN” und es erfolgt in einem Schritt S4* das Ermitteln einer neuen Kennlinie oder Laserkennlinie und das Umwandeln dieser Kennlinie in eine Funktion F, wie beispielhaft zuvor anhand der 3–6 beschrieben wurde.
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In dem daran anschließenden Schritt S5* wird ein entsprechendes Programm zum Betätigen des Lasers gestartet auf Basis der neuen Kennlinie bzw. der Funktion F der neuen Kennlinie, wie sie zuvor in Schritt S5* ermittelt wurde.
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Anschließend an Schritt S5* erfolgt in dem nachfolgenden Schritt S2* wieder eine Zwischenkontrolle der Leistung und/oder Energie extern zur Kennlinie.
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In 9 ist eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Laservorrichtung 7 gemäß der Erfindung gezeigt. Die Laservorrichtung 7 weist dabei eine Kennlinien-Einrichtung 8 auf zum Bestimmen einer Laserkennlinie und einer Funktion der Kennlinie. Die Kennlinien-Einrichtung 8 weist hierbei eine Einstelleinrichtung 9 zum Einstellen einer vorbestimmten Lasergröße und eine Erfassungseinrichtung 10 zum Erfassen und Abspeichern der sich bei der Lasergröße einstellenden Laserleistung (Gesamtlaserleistung oder externe Laserleistung) oder Laserenergie (Gesamtlaserenergie oder externe Laserenergie) des Laserstrahls auf.
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Genauer gesagt stellt die Einstelleinrichtung 9 mehrere Werte für die Lasergröße ein und die Erfassungseinrichtung 10 erfasst oder misst die Laserleistung oder die Laserenergie des Laserstrahls der Laservorrichtung 7 für den jeweils vorbestimmten Wert der Lasergröße. Das Ergebnis wird als jeweiliger Messpunkt in der Kennlinien-Einrichtung 8 abgespeichert und die Messpunkte in eine Funktion umwandelt, insbesondere durch Approximation der Messpunkte.
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Zum Steuern und/oder Regeln kann dann die Funktion bzw. Kennlinie von einer Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln der Laservorrichtung 11 abgerufen werden, um beispielsweise für eine gewünschte Laserleistung oder Laserenergie des Laserstrahls des Lasers der Laservorrichtung 7, eine Lasergröße, wie z. B. die Laserspannung usw., auf Basis der als Funktion ausgedrückten Kennlinie entsprechend einzustellen.
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Des Weiteren weist die Laservorrichtung 7 eine Zwischenmesspunkt-Einrichtung 12 auf, welche die Laserleistung oder die Laserenergie des Laserstrahls der Laservorrichtung 7 für wenigstens einen vorgegebenen Wert der Lasergröße erfasst oder misst und den erhaltenen Zwischenmesspunkt auswertet und mit einem vorbestimmten Toleranzbereich vergleicht. Die Kennlinien-Einrichtung 8 kann dabei eine neue Kennlinie bestimmen, wenn der Zwischenmesspunkt der Zwischenmesspunkt-Einrichtung 12 außerhalb des vorbestimmten Toleranzbereichs liegt.
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Die Laservorrichtung 7 in 9 stellt lediglich ein Ausführungsbeispiel dar. Die Kennlinien-Einrichtung 8, die Einstelleinrichtung 9, die Erfassungseinrichtung 10, die Einrichtung zum Steuern und/oder Regelnder Laservorrichtung 11 sowie die Zwischenmesspunkt-Einrichtung sowie Teile dieser Einrichtungen können sowohl in der Laservorrichtung integriert oder mit dieser gekoppelt sein.
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Die zuvor anhand von Ausführungsbeispielen beschriebene Erfindung hat den Vorteil, dass die Steuerung unterschiedlicher Laserleistungen oder Laserenergien deutlich schneller erfolgt als bei einer Regelung über die interne Energiemessung. Es wird ein direkter Lampenparameter vorgegeben und nicht über eine Regelung gesteuert.
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Durch die Messung der tatsächlich am Bauteil anliegenden externen Leistung oder externen Energie ist sichergestellt, dass das Produktionsergebnis ebenfalls immer in der gleichen Art bearbeitet wird. Daraus ergibt sich ein geringerer Prüfaufwand der Herstellmerkmale.
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Durch den sich selbst regelnden Zyklus kann eine mögliche Automatisierung einfacher umgesetzt werden. Es ist nicht zu befürchten, dass sich das Produktionsergebnis im Laufe der Zeit durch die Alterung der Blitzlampe ändert. Ein Eingreifen des Personals ist nicht mehr nötig. Aufwändige Rüstszenarien, wobei Vorgabewerte anhand von Erfahrungswerten vorgegeben werden, sind nicht mehr erforderlich.
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Bei einem Bauteilwechsel kann ohne Korrekturen im gleichen Zustand, wie bei der letzen Produktionsfahrt gearbeitet werden. Die Maschine stellt die dazu nötigen Voraussetzungen ein und anhand eines bauteilspezifischen „Kochrezepts” werden die Bauteile hergestellt.
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Eine Überlastung der Laserlampen durch zu starke Schwingungsauslenkung bei der Leistungsregelung oder Energieregelung ist nicht gegeben. Es wird immer das gleiche Muster aufgezeichnet.
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Das Messgerät zur Bestimmung der Kennlinie oder Laserkennlinie oder zumindest die Kennlinien-Einrichtung, kann in die Maschine bzw. die Laservorrichtung integriert werden und so ein sich selbst steuerndes System entstehen. Durch CNC-Zyklen beispielsweise kann solch eine Steuerung auch in bereits vorhandenen Maschinen leicht nachgerüstet werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern ist auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere sind die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale davon.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Sprungantwort
- 3
- Kennlinie
- 4
- Messpunkt
- 5
- obere Grenze
- 6
- untere Grenze
- 7
- Laservorrichtung
- 8
- Kennlinien-Einrichtung
- 9
- Einstelleinrichtung
- 10
- Erfassungseinrichtung
- 11
- Eirnichtung zum Steuern und/oder Regeln der Laservorrichtung
- 12
- Zwischenmesspunkt-Einrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19615630 A1 [0002]
- EP 0419671 A1 [0003]
- US 5080506 [0004]
