DE102011103282A1 - Method for monitoring the machining and device for machining a workpiece with a high-energy machining beam - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Überwachen der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl enthält folgende Schritte: Aufnehmen eines elektronisch auswertbaren Bildes, das wenigstens die Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück enthält, Erzeugen von Ist-Bilddaten, Vergleichen der Ist-Bilddaten mit Soll-Bilddaten, Erzeugen eines Bildfehlersignals bei einer Abweichung der Ist-Bilddaten von den Soll-Bilddaten und Auslösers von Maßnahmen bei Vorhandensein eines Bildfehlersignals.A method for monitoring the processing of a workpiece with a high-energy processing beam includes the following steps: taking an electronically evaluable image that contains at least the point of impact of the processing beam on the workpiece, generating actual image data, comparing the actual image data with target image data, generating an image error signal when the actual image data deviate from the target image data and trigger measures in the presence of an image error signal.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Bearbeitung wenigstens eines Werkstücks mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl. Unter Überwachung wird im Folgenden sowohl eine lediglich passive Überwachung als auch eine aktive Steuerung bzw. Regelung der Bearbeitung verstanden. Zusätzlich betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls.The invention relates to a method for monitoring the machining of at least one workpiece with a high-energy machining beam. In the following, monitoring is understood to mean both only passive monitoring and active control of the processing. In addition, the invention relates to an apparatus for processing a workpiece by means of a high-energy machining beam.
Schmelzfüge- oder Schneid- bzw. Trennbearbeitungen lassen sich mit auf eine Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks fokussierten hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, wie Elektronenstrahl oder Laserstrahl, aber auch mit einem Lichtbogen präzise durchführen. Dabei sind eine Online-Qualitätskontrolle sowie noch vorteilhafter eine Online-Regelung der Bearbeitung für ein einwandfreies Arbeitsergebnis wichtig.Fusion or cutting or cutting operations can be carried out precisely with focused on a surface of a workpiece to be machined high-energy processing beam, such as electron beam or laser beam, but also with an arc. An online quality control and, more advantageously, an online control of the processing for a perfect work result are important.
Aus der
Aus der
Weiter sind Prozessdatenerfassungssysteme für eine Lasermaterialbearbeitung bekannt, bei der Videobilder der Auftreffstelle des Laserstrahls auf ein Werkstück zeitgleich mit Prozessdaten, wie Bewegungsparametern eines Bearbeitungskopfes relativ zum Werkstück erfasst werden und Signalverläufe auf Sollvorgaben überwacht werden.Furthermore, process data acquisition systems for laser material processing are known, in which video images of the point of impact of the laser beam on a workpiece are recorded simultaneously with process data, such as motion parameters of a machining head relative to the workpiece, and waveforms are monitored for target specifications.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, wie die Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen. Bearbeitungsstrahls verbessert werden kann.The invention has for its object to provide a way, such as the machining of a workpiece by means of a high-energy. Processing beam can be improved.
Der Anspruch 1 ist auf ein Verfahren zur Überwachen der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl gerichtet, bei dem ein Bildfehlersignal bei einer Abweichung zwischen Ist-Bilddaten und Soll-Bilddaten erzeugt wird. Das Vorhandensein eines solchen Bildfehlersignals ist Voraussetzung dafür, dass weitere Maßnahmen für die Überwachung bzw. Steuerung oder Regelung der Bearbeitung ausgelöst werden. Erfindungsgemäß ist somit die Auswertung eines Bildes der Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück integrierter Bestandteil der Überwachung.The
Gemäß dem Anspruch 2 wird bei gleichzeitigem Vorhandensein eines Bildfehlersignals und eines Prozessfehlersignals ein Fehlersignal erzeugt, das wiederum unterschiedliche weitere Maßnahmen auslösen kann. Beispielsweise kann ein Fehlersignal lediglich akustisch oder optisch angezeigt werden oder sein Auftreten kann zusammen mit Daten, die die Zeitfolge oder örtliche Folge der Bearbeitung der Werkstücks aufzeichnen, registriert werden, so dass die Bearbeitung dort, wo ein Fehlersignal auftritt, nachgearbeitet werden kann.According to
Gemäß dem Anspruch 3 kann bei vorhandenem Fehlersignal beispielsweise ein Prozessparameter derart verändert werden, dass die Abweichung des zugehörigen Ist-Prozessparameters von einem Soll-Prozessparameter abnimmt.According to
Soll-Prozessparameter können als zulässige Wertebereiche gespeichert sein oder können gemäß dem Anspruch 4 aus Verknüpfungsrelationen hergeleitet sein, die beispielsweise eine aus Bilddaten erzeugte Rechengröße mit Prozessparametern verknüpfen.Target process parameters may be stored as permissible value ranges or may be derived from link relations according to
Gemäß dem Anspruch 5 können unter Benutzung der Verknüpfungsrelation die Soll-Prozessparameter in Richtung einer Verminderung der Abweichung zwischen Ist-Rechengröße und Soll-Rechengröße verändert werden.According to
Die Verknüpfungsrelation kann gemäß dem Anspruch 5 durch Versuche ermittelt werden, bei denen der Zusammenhang zwischen einem oder mehreren Prozessparametern und Bilddaten bzw. aus den Bilddaten erzeugte Rechengrößen, wie Durchmesser, Farbe, Form, dreidimensionale Kontur des Bildes, usw. ermittelt werden.The relationship can be determined by experiments in which the relationship between one or more process parameters and image data or generated from the image data arithmetic variables such as diameter, color, shape, three-dimensional contour of the image, etc. are determined.
Alternativ kann die Verknüpfungsrelation bzw. können die Verknüpfungsrelationen gemäß dem Anspruch 6 analytisch hergeleitet werden.Alternatively, the linking relation or the linking relations according to
Eine Verknüpfungsrelation kann in Form einer Graphik, in Tabellenform oder als Algorithmus gespeichert werden. A link relation can be stored in the form of a graphic, in tabular form or as an algorithm.
Gemäß dem Anspruch 7 ist es möglich, Ist-Prozessparameter während der Bearbeitung des Werkstücks in kleinen Schritten zu ändern und die Auswirkung der Änderungen auf Änderungen der Bilddaten bzw. wenigstens einer aus den Bilddaten erzeugten Rechengröße zu erfassen. Dabei wird vorteilhaft darauf geachtet, dass der Ist-Wert der Rechengröße, bedingt durch die Änderung des oder der Prozessparameter nicht mehr als zulässig oder nur für kurze Zeit von dem Sollwert der Rechengröße abweicht, damit eine einwandfreie Bearbeitung aufrechterhalten wird. Die Verknüpfungsrelation zwischen dem Prozessparametern und der Rechengröße kann auf diese Weise während der Bearbeitung optimiert bzw. präzisiert werden, indem beispielsweise in einer Formel, die den Zusammenhang zwischen Rechengröße und Prozessparametern beschreibt, Koeffizienten mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate angepasst werden. Das beschriebene Verfahren kann zum Einlernen einer Verknüpfungsrelation verwendet werden, wenn bei Bearbeitungsbeginn von empirisch oder sonstwie ermittelten Startwerten der Prozessparameter ausgegangen wird. Weiter können diejenigen Prozessparameter bestimmt werden, deren Änderung besonders wirksam für eine Änderung der Rechengröße hat, so dass für eine Regelung der Bearbeitung diese Prozessgrößen verändert werden. Zusätzlich können Sollwerte oder zulässige Sollwertbereiche verändert werden, wenn sich beispielsweise herausstellt, dass für die Einhaltung einer Soll-Rechengröße ein Prozessparameter am Rand seines zulässigen Sollwertbereiches liegt. Durch diese Anpassung wird eine hohe Regelungsgüte aufrechterhalten, da der Prozessparameter, dessen Sollwertbereich angepasst wurde, nach der Anpassung im Bedarfsfall nach oben und unten nachgeregelt werden kann. Die vorgenannten Aspekte werden auch unabhängig von deren Integration in ein System zu Überwachung einer Bearbeitung als schutzwürdig angesehen.According to claim 7, it is possible to change actual process parameters during processing of the workpiece in small steps and to detect the effect of the changes on changes in the image data or at least one calculated variable generated from the image data. In this case, it is advantageously ensured that the actual value of the arithmetic variable, due to the change in the process parameter (s), does not deviate more than permissible or only for a short time from the nominal value of the arithmetic variable so that proper processing is maintained. The relationship between the process parameters and the computation variable can be optimized in this way during the processing, for example by adapting coefficients with the aid of the least squares method in a formula which describes the relationship between the computational variable and the process parameters. The method described can be used to teach a linkage relationship if the process parameter is assumed at the beginning of the processing of empirically or otherwise determined starting values. Furthermore, those process parameters can be determined whose change is particularly effective for a change of the arithmetic variable, so that these process variables are changed for a control of the processing. In addition, setpoint values or permissible setpoint ranges can be changed if, for example, it turns out that a process parameter is at the edge of its permissible setpoint range in order to maintain a setpoint calculation variable. This adjustment maintains a high degree of control quality, since the process parameter whose setpoint range has been adjusted can be readjusted upwards and downwards if necessary after the adaptation. The above aspects are also considered to be worthy of protection, irrespective of their integration into a system for monitoring a processing.
Ein Beispiel für die vorgenannten Aspekte ist Folgendes: Sei angenommen, zwischen den Prozessparametern Leistung L des Bearbeitungsstrahls, Relativgeschwindigkeit v zwischen der Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls und dem Werkstück, Vorschubgeschwindigkeit vg eines Schweißdrahtes und Schutzgaszufuhr sg und dem Durchmesser D des Schmelzbereiches der Auftreffstelle als Rechengröße bestehe ein funktionaler Zusammenhang D = f(L, v, vg, sg). Diese Funktion kann, ausgehend von einer angenommenen Funktion zu Beginn der Bearbeitung, durch Änderungen der Prozessparameter währen der Bearbeitung laufend überprüft und optimiert werden.An example of the aforementioned aspects is the following: Suppose between the process parameters power L of the machining beam, relative velocity v between the point of impact of the machining beam and the workpiece, feed rate vg of a welding wire and inert gas sg and the diameter D of the melting area of the point of impact as a calculation size einher functional relationship D = f (L, v, vg, sg). This function can be continuously checked and optimized, starting from an assumed function at the beginning of processing, by changing the process parameters during processing.
Der Anspruch 8 ist auf Beispiele von Bilddaten, sowie aus den Bilddaten erzeugbaren Rechengrößen gerichtet.The claim 8 is directed to examples of image data, as well as from the image data generating computational variables.
Der Anspruch 9 ist auf Beispiele von Prozessparametern gerichtet.Claim 9 is directed to examples of process parameters.
Der Anspruch 10 ist auf den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls gerichtet, in der wenigstens eines der erfindungsgemäßen Verfahren ablaufen kann.The
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird mit den Merkmalen der Unteransprüche 11 bis 15 vorteilhaft weitergebildet.The device according to the invention is advantageously developed with the features of the subclaims 11 to 15.
Die Bearbeitung eines Werkstücks mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl umfasst das Schneiden, Umschmelzhärten sowie das Umschmelzfügen, wie Löten oder Schweißen. Der Begriff Werkstück beinhaltet somit ein einzelnes Bauteil, beispielsweise ein Blech, das durchtrennt werden soll, und Bauteile, die durch Schmelzfügen miteinander verbunden werden sollen, beispielsweise zwei Bleche. Der Bearbeitungsstrahl kann beispielsweise ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl oder ein Lichtbogen sein.The machining of a workpiece with a high-energy machining beam includes cutting, remelting and remelting, such as brazing or welding. The term workpiece thus includes a single component, such as a sheet to be cut, and components to be joined by fusing, for example, two sheets. The processing beam may be, for example, a laser beam, an electron beam or an arc.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.The invention is explained below with reference to schematic drawings, for example, and with further details.
In den Figuren stellen dar:In the figures represent:
Gemäß
Der Bearbeitungskopf
Optional enthält der Bearbeitungskopf
Der Bearbeitungskopf
Zum Umwandlung und Auswertung der von der Kamera
Ein Druckluftregler
A compressed air regulator
Mit
Mit den geschilderten Einheiten Druckluftregler
Je nach beabsichtigtem Bearbeitungsprozess sind den einzelnen geregelten Prozessparametern Soll-Werte zugeordnet, die errechnet, in Versuchen ermittelt oder sonst wie vorbestimmt sind und die während einer Bearbeitung eingehalten werden sollen, damit eine einwandfreie Bearbeitungsqualität sichergestellt ist.Depending on the intended processing process, set values are assigned to the individual controlled process parameters which are calculated, determined in tests or otherwise predetermined and which are to be maintained during processing in order to ensure faultless processing quality.
Die geschilderten Regler sowie die Kamera
Die Funktion der beschriebenen Vorrichtung wird im Folgenden anhand
Im linken oberen Bereich des Bildschirms
Zu einer innerhalb des zulässigen Sollwertes liegenden Laserstrahlleistung gehört eine Auftreffstelle
Zum Zeitpunkt t2 übersteigt die Laserleistung das vorgegebene Limit. Die Kontur des Bildes zum Zeitpunkt t2 ist im Bildfeld
Sei angenommen im Schritt
Die Erfindung wurde anhand der
Mit dem geschilderten System wird eine hohe Sicherheit bei der Qualitätsbeurteilung bzw. Prozessregelung erzielt, da Prozessfehler, die Auswirkungen auf die Bearbeitung haben, sicher erkannt werden. Wenn beispielsweise lediglich die Optik des Systems derart verschmutzt, dass das von der Kamera aufgenommene Bild beeinflusst wird, ohne dass Ist-Prozessparameter von den Soll-Prozessparametern abweichen, wird dies nicht als Fehler erkannt und führt nicht zu einer Nachregelung. Wenn eine Abweichung zwischen Istwert und Sollwert angezeigt wird, beispielsweise dadurch verursacht, dass ein Durchflusssensor eines Gassensors fehlerhaft ist, führt dies ebenfalls zu keiner Prozessparameteränderung, insbesondere solange die Bilddaten im Hinblick auf die Auswirkungen dieses Prozessparameters einwandfrei sind.The described system achieves a high degree of safety in quality assessment or process control, since process errors that have an effect on processing are reliably detected become. If, for example, only the optics of the system are so contaminated that the image recorded by the camera is influenced without actual process parameters deviating from the desired process parameters, this is not recognized as an error and does not lead to readjustment. Also, if a deviation between the actual value and the target value is indicated, for example caused by a flow sensor of a gas sensor being faulty, this does not lead to a process parameter change, in particular as long as the image data are faultless with regard to the effects of this process parameter.
Es sei darauf hingewiesen, dass unterschiedlichste Arten der Bilderzeugung und des Vergleiches der Ist-Bilddaten mit Soll-Bilddaten möglich sind, beispielsweise eine spektrale Auswertung des Bildes, ein Vergleich der Lage der Auftreffstelle relativ zur Werkstückoberfläche mit einer Solllage, die gegebenenfalls zu einem Eingriff in die Steuerung der Aktoren
Die Erfindung wurde vorstehend beispielhaft mit Ausführungsformen beschrieben, bei denen in der elektronischen Einrichtung jeweils Soll-Bilddaten und Sollwerte der Prozessparameter, die als Soll-Prozessparameter bezeichnet wurden, gespeichert sind. Alternativ können in der elektronischen Einrichtung
Die funktionalen Zusammenhänge müssen nicht auf Zusammenhänge nur zwischen den Prozessparametern beschränkt sein, sondern können zusätzlich Bilddaten enthalten, beispielsweise den Abstand des erkalteten Nahbereiches
Ein weiteres Beispiel einer Weiterbildung bzw. Durchführungsform der Erfindung ist folgendes:
Sei beispielsweise angenommen, bei der Schweißung einer Kehlnaht weist eine flache, möglichst breite Ausfüllung der Kehle auf eine maximale Anbindung und damit feste Verbindung hin. Aus den Ist-Bilddaten können in der Datenerarbeitung
Suppose, for example, when welding a fillet weld, a flat, as wide as possible filling of the throat indicates a maximum connection and therefore firm connection. From the actual image data can be used in data processing
Ein oder mehrere Verknüpfungsrelationen können ein Regelwerk bilden, das durch Versuche oder sonstwie ermittelt wird und fest voreingestellt ist. Die Verknüpfungsrelationen können aber beispielsweise auch eingelernt werden oder durch Lernen optimiert werden, indem beispielsweise an einer vorbestimmten kritischen Stelle in vorherigen Schweißengen die Veränderung eines Prozessparameters erfolgreich war, so dass diese Veränderung gegenüber anderen Veränderungen bei weiteren ähnlich gelagerten notwenigen Eingriffen stärker gewichtet wird. So kann das Regelwerk im Laufe der Anwendung schneller und besser auf Veränderungen der bevorzugt aus Bilddaten gewonnen Rechengröße zu reagieren.One or more link relations may form a set of rules that is determined by trial or otherwise and is preset. However, the linking relations can also be learned or optimized by learning, for example, by the change of a process parameter having been successful at a predetermined critical location in previous welding conditions, so that this change is weighted more heavily than other changes in further similar necessary interventions. Thus, in the course of the application, the rules can react more quickly and better to changes in the arithmetic variable, preferably obtained from image data.
Das Regelwerk bzw. die Verknüpfungsrelationen können auch so gestaltet werden, dass auch bei fehlender Abweichung der Ist-Rechengröße von der Soll-Rechengröße leichte Veränderungen von Prozessparametern erfolgen und die daraus resultierende Änderung der Rechengröße ermittelt wird. Bei Veränderung der beobachteten Rechengröße im Sinne einer Verbesserung der Bearbeitung wird die Einstellung des Prozessparameters beibehalten oder in eine Richtung verstellt, bis ein Optimum der Rechengröße überschritten ist. Sobald sich die beobachtete Rechengröße verschlechtert, wird die Einstellung des Prozessparameters zurückgenommen, so dass das Optimum der Rechengröße erhalten bleibt. Auf diese Weise kann der Bearbeitungsprozess sich selbst auf ein Optimum regeln.The set of rules or the linking relations can also be designed in such a way that slight changes in process parameters occur even in the absence of deviation of the actual arithmetic variable from the nominal arithmetic variable and the resulting change in the arithmetic variable is determined. When the observed arithmetic variable is changed in the sense of improving the processing, the setting of the process parameter is maintained or adjusted in one direction until an optimum of the arithmetic quantity is exceeded. As soon as the observed As a result, the setting of the process parameter is reduced, so that the optimum of the arithmetic quantity is maintained. In this way, the machining process can self-regulate to an optimum.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung wird an folgendem Beispiel erläutert:
Sei angenommen, dass die Breite der flachen Nahtoberseite einer Kehlnaht einen großen Wert aufweist, der auf eine gute Anbindung und damit hohe Nahtfestigkeit schließen lässt. Sei angenommen, der Drahtvorschub ist dabei etwas unter einem voreingestellten oberen Grenzwert des Prozessparameters Drahtvorschub. Erfindungsgemäß kann unter Auswertung der Verknüpfung zwischen Drahtvorschub und Breite der Nahtoberseite der obere Grenzwert des Prozessparameters Drahtvorschub angehoben werden, so dass das Optimum im Bereich des Mittelwertes des zulässigen Drahtvorschubintervalls liegt und bei Abweichungen eine bessere Regelung möglich ist. Auf diese Weise können gespeicherte Soll-Prozessparameter selbsttätig an das jeweilige Prozessoptimum angepasst werden.Another aspect of the invention is illustrated by the following example:
Suppose that the width of the flat seam top of a fillet weld has a high value, which suggests a good connection and thus high seam strength. Suppose the wire feed is slightly below a preset upper limit of the wire feed process parameter. According to the invention, the upper limit of the process parameter wire feed can be increased by evaluating the relationship between wire feed and width of the seam top, so that the optimum lies in the range of the mean value of the permissible wire feed interval and better control is possible in the event of deviations. In this way, stored desired process parameters can be automatically adapted to the respective process optimum.
Insgesamt ermöglicht die Erfindung die Erfassung aller zur Beurteilung des Gesamtprozesses einer Bearbeitung notwendigen Größen und beispielsweise anhand eines Satzes von Verknüpfungsrelationen eine zielführende Regelung der Prozessparameter zum Erreichen eines optimalen Bearbeitungsergebnisses.Overall, the invention makes it possible to detect all variables necessary for the assessment of the overall process of a machining and, for example, based on a set of linkage relations, a targeted control of the process parameters to achieve an optimal machining result.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- BasisBase
- 1212
- Werkstückworkpiece
- 1414
- Bearbeitungskopfprocessing head
- 1616
- Laserstrahlquellelaser beam source
- 1818
- Laserstrahllaser beam
- 2020
- Spiegelmirror
- 2222
- Fokussierlinsefocusing lens
- 2424
- Fokussierlinsefocusing lens
- 2626
- BildwandlerfeldImage converter box
- 2828
- elektronische Kameraelectronic camera
- 3030
- HilfsmaterialeinrichtungAuxiliary material facility
- 3232
- Beleuchtungsquellelighting source
- 3434
- Konsoleconsole
- 3636
- Roboterrobot
- 3838
- Aktorenactuators
- 4040
- Gestellframe
- 4242
- Elektronische EinrichtungElectronic device
- 5050
- DruckluftreglerAir Regulator
- 5252
- BearbeitungsoptikreglerProcessing optics regulator
- 5454
- SchutzgasreglerBlanket Gas Regulators
- 5656
- FeldbusverteilerFieldbus
- 5858
- Datenverarbeitungdata processing
- 6060
- Anlagesteuerungsystem control
- 6262
- Bildschirmscreen
- 6464
- ProzessparameterauswahlfeldProcess parameters selection field
- 6666
- ProzessparameterfeldProcess parameter field
- 6868
- Bildfeldfield
- 7070
- Auftreffstelleimpingement
- 7272
- geschmolzener Bereichmelted area
- 7474
- erkalteter Bereichcooled area
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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