DE102012216928A1

DE102012216928A1 - Method for determining laser processing parameter of workpiece, involves image processing diagnosis images produced by image processing of recorded consecutive frames of processing area, for determining laser processing parameter

Info

Publication number: DE102012216928A1
Application number: DE201210216928
Authority: DE
Inventors: Steffen Kessler; Volker Rominger
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2014-03-20

Abstract

The method involves several recording consecutive frames of a processing area (3) by receiving a reflected laser radiation (2b) in spatially-resolved manner. The diagnosis images are produced by image processing of the recorded frames. A laser processing parameter is determined by image processing of the diagnosis images. An independent claim is included for device for determining laser processing parameter of workpiece.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Laserbearbeitungskenngrößen beim Laserbearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, sowie eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung.The present invention relates to a method for determining laser processing parameters during laser machining of a workpiece by means of a laser beam, and to a device suitable for carrying out such a method.

Bei bekannten Verfahren wird als Laserbearbeitungskenngröße beispielsweise die vom zu bearbeitenden Werkstück während der Laserbearbeitung reflektierte Laserstrahlung bestimmt (quantifiziert), indem die im Bearbeitungsbereich des Werkstücks lokal unterschiedlich stark reflektierte bzw. absorbierte Laserstrahlung zeitlich integriert bzw. aufsummiert wird. Aus dem so bestimmten Gesamtwert der reflektierten Laserstrahlung lassen sich dann bekanntermaßen Rückschlüsse auf Prozessparameter der Laserbearbeitung, wie z. B. Vorschubgeschwindigkeit oder Laserleistung des Laserstrahls, ziehen. Anhand des prozentualen Anteils der insgesamt reflektierten Laserstrahlung bzw. Laserenergie an der zur Bearbeitung eingesetzten Laserbearbeitungsstrahlung bzw. Laserbearbeitungsenergie kann unmittelbar auf die (aktuelle) Eindringtiefe der Laserbearbeitungsstrahlung geschlossen werden, wie in DE 43 33 501 C2 oder DE 25 22 493 C2 beschrieben ist.In known methods, for example, the laser radiation reflected from the workpiece to be machined during the laser processing is determined (quantified) as the laser radiation locally locally reflected or absorbed in the processing region of the workpiece being temporally integrated or added up. From the thus determined total value of the reflected laser radiation can then be known conclusions on process parameters of the laser processing, such. B. feed rate or laser power of the laser beam pull. On the basis of the percentage of the total reflected laser radiation or laser energy at the laser processing radiation or laser processing energy used for processing can be concluded directly on the (current) penetration depth of the laser processing radiation, as in DE 43 33 501 C2 or DE 25 22 493 C2 is described.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, durch die weitere Laserbearbeitungskenngrößen der Laserbearbeitung zugänglich und verwertbar gemacht werden können.In contrast, it is the object of the present invention to provide a method and a device of the type mentioned, can be made accessible and exploitable by the other laser processing parameters of the laser processing.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln von Laserbearbeitungskenngrößen beim Laserbearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls in einem Bearbeitungsbereich, umfassend folgende Verfahrensschritte: Aufnehmen mehrerer zeitlich aufeinander folgender Einzelbilder des Bearbeitungsbereichs, die jeweils zumindest die reflektierte Laserstrahlung ortsaufgelöst aufnehmen, Erzeugen eines Diagnosebilds durch Bildaufbereiten mehrerer aufgenommener Einzelbilder, und Ermitteln mindestens einer Laserbearbeitungskenngröße durch Bildverarbeiten des Diagnosebilds.This object is achieved according to the invention by a method for determining laser processing parameters during laser processing of a workpiece by means of a laser beam in a processing area, comprising the following method steps: taking a plurality of temporally successive individual images of the processing area, each recording at least the reflected laser radiation spatially resolved, generating a diagnostic image by image processing a plurality of captured individual images, and determining at least one laser processing parameter by image processing of the diagnostic image.

Erfindungsgemäß wird der Bearbeitungsbereich von einer Kamera fortlaufend durch das Erstellen einer Vielzahl von Einzelbildern aufgenommen, d. h. der Bearbeitungsbereich wird sowohl ortsaufgelöst als auch zeitaufgelöst erfasst. Aufeinanderfolgende Einzelbilder des Bearbeitungsbereiches unterscheiden sich in der Regel sehr stark, da sie lediglich kurze bzw. zufällige Momentaufnahmen des in aller Regel instationären Laserbearbeitungsprozesses zeigen, und sind daher zur Gewinnung von Laserbearbeitungskenngrößen nicht geeignet. Erst nach der erfindungsgemäßen Bildaufbereitung mehrerer Einzelbilder zu einem Diagnosebild können aussagefähige Laserbearbeitungskenngrößen durch eine Bildverarbeitung des Diagnosebildes ermittelt werden. Zusätzlich zur reflektierten Laserstrahlung kann auch noch das vom Bearbeitungsbereich emittierte Prozesslicht aufgenommen und anhand des Diagnosebilds mitausgewertet werden. Die Erfindung ist bei jeder Art von Laserbearbeitung anwendbar, also z. B. beim Laserschweißen, Laserbohren oder Laserschneiden.According to the invention, the processing area is continuously recorded by a camera by creating a plurality of individual images, i. H. the editing area is recorded both spatially resolved and time-resolved. Successive individual images of the processing area are generally very different, since they only show short or random snapshots of the normally unsteady laser processing process, and are therefore not suitable for obtaining laser processing parameters. Only after the image processing of a plurality of individual images according to the invention into a diagnostic image can meaningful laser processing parameters be determined by image processing of the diagnostic image. In addition to the reflected laser radiation, the process light emitted by the processing area can also be recorded and also evaluated on the basis of the diagnostic image. The invention is applicable to any type of laser processing, ie z. B. laser welding, laser drilling or laser cutting.

Bevorzugt werden zeitlich fortlaufend Einzelbilder aufgenommen, Diagnosebilder erzeugt und die mindestens eine Laserbearbeitungskenngröße ermittelt. Beispielsweise können in einem Zeitabschnitt zeitlich aufeinanderfolgend eine Mehrzahl von Einzelbildern des Bearbeitungsbereiches (z. B. zehn) ortsaufgelöst aufgenommen werden. Aus einer ersten Gruppe bestehend aus dem ersten bis fünften Einzelbild kann durch Bildaufbereiten ein erstes Diagnosebild erzeugt und durch Bildverarbeiten eine Laserbearbeitungskenngröße zu einem ersten Zeitpunkt ermittelt werden. Weiterhin kann aus einer zweiten Gruppe bestehend aus dem zweiten bis sechsten Einzelbild entsprechend ein zweites Diagnosebild erzeugt und die Laserbearbeitungskenngröße zu einem zweiten, nachfolgenden Zeitpunkt ermittelt werden. Analog kann aus einer dritten Gruppe an Einzelbildern die Laserbearbeitungskenngröße zu einem dritten Zeitpunkt bestimmt werden, sodass insgesamt ein zeitlicher Verlauf der Laserbearbeitungs-Kenngröße ermittelt wird. Im Unterschied zu einem Verfahren, bei dem lange Belichtungszeiten eingesetzt werden, um über die Ereignisse eines definierten Zeitraum zu mitteln, wird auf diese Weise der Laserbearbeitungsprozess mit einer hohen zeitlichen Auflösung beobachtet. Der zeitliche Verlauf der Laserbearbeitungskenngrößen kann weitere Informationen enthalten, die für die Überprüfung der Laserbearbeitung vorteilhaft sind. Beispielsweise können anhand des zeitlichen Verlaufs Aussagen über die Prozessstabilität gemacht werden.Preferably, temporally continuous individual images are recorded, diagnostic images are generated and the at least one laser processing parameter is determined. By way of example, a plurality of individual images of the processing region (eg ten) can be recorded spatially resolved in a time segment in chronological succession. From a first group consisting of the first to fifth individual image, a first diagnostic image can be generated by image processing and a laser processing parameter can be determined by image processing at a first time. Furthermore, a second diagnostic image can be generated correspondingly from a second group consisting of the second to sixth individual image and the laser processing parameter can be determined at a second, subsequent time. Similarly, from a third group of individual images, the laser processing parameter can be determined at a third time, so that overall a time profile of the laser processing parameter is determined. In contrast to a method in which long exposure times are used to average over the events of a defined period of time, in this way the laser processing process is observed with a high temporal resolution. The temporal course of the laser processing parameters may contain further information which is advantageous for checking the laser processing. For example, statements about the process stability can be made on the basis of the time course.

In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Prozessparameter der Laserbearbeitung anhand einer ermittelten Laserbearbeitungskenngröße geregelt. Ist das Verhalten der Regelstrecke bzw. des Systems ”Laserbearbeitungsmaschine und zu bearbeitendes Werkstück” bekannt, können die Laserbearbeitungskenngrößen als Ausgangssignale (Ist-Werte) dieser Regelstrecke aufgefasst und von einer Regeleinrichtung fortlaufend mit gewünschten Soll-Werten verglichen werden. Die Regeleinrichtung kann anschließend zur Einhaltung der Soll-Werte die Eingangssignale (d. h. die Prozessparameter der Laserbearbeitung) entsprechend anpassen bzw. vorgeben. Solche Eingangssignale bzw. Prozessparameter können zum Beispiel beim Laserschweißen die Fokuslage, die Vorschubgeschwindigkeit oder die Laserleistung des Laserstrahls sein. Durch die Regelung der Laserbearbeitung anhand der Laserbearbeitungskenngrößen ist eine besonders sichere und genaue Überwachung bzw. Beeinflussung des Laserbearbeitungsprozesses möglich.In an advantageous variant of the method according to the invention, a process parameter of the laser processing is regulated on the basis of a determined laser processing parameter. If the behavior of the controlled system or of the system "laser processing machine and workpiece to be processed" is known, the laser processing parameters can be understood as output signals (actual values) of this controlled system and continuously compared with desired desired values by a control device. The control device can then adjust or specify the input signals (ie the process parameters of the laser processing) accordingly to maintain the setpoint values. Such input signals or process parameters can be used for Example for laser welding, the focus position, the feed rate or the laser power of the laser beam. By regulating the laser processing based on the laser processing parameters, a particularly secure and accurate monitoring or influencing of the laser processing process is possible.

Zur Überwachung der Laserbearbeitung kann die ermittelte Laserbearbeitungskenngröße mit einer Referenzkenngröße verglichen werden. Definiert beispielsweise eine bekannte Referenzkenngröße ein Mindestmaß der durch den Schweißprozess zu erzielenden Qualität (beispielsweise eine Mindest-Eindringtiefe des Laserstrahls in das Werkstück), kann ein Vergleich sowohl einer einmalig ermittelten Laserbearbeitungskenngröße als auch eines zeitlichen Verlaufs der ermittelten Laserbearbeitungskenngröße mit jeweils der Referenzkenngröße zur Überprüfung bzw. Sicherung der Qualität des Schweißprozesses herangezogen werden.For monitoring the laser processing, the determined laser processing parameter can be compared with a reference parameter. If, for example, a known reference characteristic defines a minimum of the quality to be achieved by the welding process, a comparison can be made both of a once determined laser processing parameter and of a temporal course of the determined laser processing parameter with respectively the reference parameter for checking or calibration Ensuring the quality of the welding process are used.

Besonders bevorzugt wird das Diagnosebild aus den mehreren Einzelbildern durch eine Mittelungsbildgeneration, durch eine Streuungsbildgeneration, durch eine Minimalbildgeneration oder durch eine Maximalbildgeneration erzeugt. Unter einer Mittelungsbildgeneration wird die Erzeugung eines Bildes durch Mittelung mehrerer Einzelbilder verstanden. Durch die Mittelung werden Schwankungen zwischen den Einzelbildern reduziert, sodass prozessrelevante Informationen in das erzeugte Mittelungsbild (das Diagnosebild) einfließen und nachfolgend durch die Bildverarbeitung extrahiert werden können. Die Diagnosebilder werden pixelweise über mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Einzelbilder bestimmt. Für jeden Pixel ergeben sich aus den Einzelbildern eine Folge von Grauwerten, aus denen der Grauwert des entsprechenden Pixels im Diagnosebild bestimmt wird. Beim Maximalbild wird aus den Grauwerten der Maximalwert bestimmt, beim Minimalbild entsprechend der Minimalwert. Beim Mittelwertbild wird das arithmetische Mittel bestimmt, beim Streuungsbild die Standardabweichung der Grauwerte. Beispielsweise lauten bei fünf Einzelbildern die Grauwerte des Pixels mit den Koordinaten (5, 20) die Werte 1345, 2345, 1589, 1365 und 1540. Im Maximalbild wird dem Pixel an der Stelle (5, 20) der Wert 2345 zugeordnet, im Minimalbild der Wert 1345, im Mittelwertbild der Wert (1345 + 2345 + 1589 + 1365 + 1540)/5 = 1636,8, im Streuungsbild der Wert Wurzel(((1345 – 1636,8)^2 + (2345 – 1636,8)^2 + (1589 – 1636,8)^2 + (1365 – 1636,8)^2 + (1540 – 1636,8)^2)/5) = 366,7. Die Mittelungsbildgeneration, Streuungsbildgeneration, Minimalbildgeneration und Maximalbildgeneration stellen statistische Methoden bzw. Verfahren dar, durch die die Einzelbilder behandelt (bzw. aufbereitet) werden. Nach der Bildaufbereitung sind in den aufbereiteten Bildern prozessrelevante Informationen zugänglich.Particularly preferably, the diagnostic image is generated from the plurality of individual images by an averaging image generation, by a scattering image generation, by a minimum image generation or by a maximum image generation. An averaging image generation is understood to mean the generation of an image by averaging a plurality of individual images. The averaging reduces fluctuations between the individual images, so that process-relevant information flows into the generated averaging image (the diagnostic image) and can subsequently be extracted by the image processing. The diagnostic images are determined pixel by pixel over a plurality of temporally successive individual images. For each pixel, a sequence of gray values results from the individual images, from which the gray value of the corresponding pixel in the diagnostic image is determined. For the maximum image, the maximum value is determined from the gray values, and the minimum value for the minimum image. The mean value image determines the arithmetic mean, the scattering image the standard deviation of the gray values. For example, for five individual images, the gray values of the pixel with the coordinates (5, 20) are 1345, 2345, 1589, 1365 and 1540. In the maximum image, the pixel at position (5, 20) is assigned the value 2345, in the minimum image the Value 1345, in the averaged image the value (1345 + 2345 + 1589 + 1365 + 1540) / 5 = 1636.8, in the scattering image the value root (((1345 - 1636,8) ^ 2 + (2345 - 1636,8) ^ 2 + (1589-1636.8) ^ 2 + (1365-1636.8) ^ 2 + (1540-1636.8) ^ 2) / 5) = 366.7. The averaging image generation, scattering image generation, minimum image generation and maximum image generation represent statistical methods and / or methods by which the individual images are treated (or processed). After image processing, process-relevant information is accessible in the edited images.

Bevorzugt werden beim Bildverarbeiten des Diagnosebilds Bildbereiche identifiziert, deren Bildpunkte einen in einem definierten Wertebereich liegenden Helligkeitswert aufweisen. Die Identifizierung der Bildbereiche erfolgt durch Segmentierung, wobei typischerweise ein Schwellwertverfahren eingesetzt wird. Alle Pixel mit Helligkeitswerten auf oder über einem ersten Schwellwert und unter einem zweiten Schwellwert werden einem Bildbereich zugeordnet, wobei die Schwellwerte manuell gesetzt oder automatisiert berechnet werden können. Der Schwellwert kann beispielsweise durch einen festen Absolutwert, einen Relativwert eines Helligkeitswertes im Bild, beispielsweise eines Maximalwerts oder durch ein automatisiertes Schwellwertverfahren, beispielsweise die Otsu's Methode, bestimmt werden. Die so identifizierten Bildbereiche (Isoflächen) charakterisieren beispielsweise eine Kapillaröffnung oder eine halbmondartige Schmelzfront, die sich beim Laserschweißen an dem Werkstück bilden. Bildbereiche, welche durch die Kapillaröffnung charakterisiert werden, werden als Brennfleck bezeichnet, Bildbereiche, die durch die halbmondartige Schmelzfront charakterisiert werden, werden als Frontsichel bezeichnet. So wie die einzelnen Bildbereiche werden auch einzelne Bildpunkte in den identifizierten Bildbereichen, wie beispielsweise die Position des Helligkeitsmaximums in der Nähe des Zentrums des Brennflecks (Mittelmaximum) oder die Position des Helligkeitsminimums zwischen dem Helligkeitsmaximum in der Frontsichel und dem Mittelmaximum (Zwischenminimum) identifiziert. Die Identifizierung erfolgt, indem lokale und/oder globale Extremwerte im Bild oder in entsprechend geeigneten Profilschnitten durch geeignete Algorithmen bestimmt werden.In image processing of the diagnostic image, image areas are preferably identified whose pixels have a brightness value lying within a defined value range. The image areas are identified by segmentation, typically using a threshold value method. All pixels with brightness values at or above a first threshold value and below a second threshold value are assigned to an image area, wherein the threshold values can be set manually or calculated automatically. The threshold value can be determined, for example, by a fixed absolute value, a relative value of a brightness value in the image, for example a maximum value or by an automated threshold value method, for example the Otsu's method. The thus identified image areas (isosurfaces) characterize, for example, a capillary opening or a crescent-like melt front, which form on the workpiece during laser welding. Image areas which are characterized by the capillary opening are referred to as focal spot, image areas characterized by the crescent-like melt front are referred to as front siccles. Like the individual image areas, individual pixels in the identified image areas, such as the position of the maximum brightness near the center of the focal spot (center maximum) or the position of the minimum brightness between the maximum brightness in the front prism and the middle maximum (intermediate minimum) are identified. The identification takes place by determining local and / or global extreme values in the image or in correspondingly suitable profile sections by means of suitable algorithms.

Bevorzugt wird als Laserbearbeitungskenngröße die Abmessung eines identifizierten Bildbereichs und/oder der Abstand zwischen identifizierten Bildbereichen bzw. Bildbereichsrändern und/oder die Positionen eines identifizierten Bildbereichs innerhalb des Diagnosebilds und/oder ein für den definierten Wertebereich, in dem die Helligkeitswerte der Bildpunkte eines identifizierten Bildbereichs liegen, charakteristischer Wert, wie beispielsweise der Mittelwert der Helligkeitswerte der Bildpunkte, ermittelt. Weitere Laserbearbeitungskenngrößen sind u. a. die Halbwertsbreiten der Helligkeitsverteilung in verschiedenen Richtungen vom hellsten oder dunkelsten Punkt des Bildbereichs aus gesehen, die Position beispielsweise des geometrischen Schwerpunkts der Helligkeitsverteilung, Abstände zwischen verschiedenen Bildbereichsschwerpunkten, sowie die Helligkeit der einzelnen Bildbereiche, beispielsweise die minimale, mittlere oder maximale Helligkeit. Ebenso können Merkmale einzelner Bildpunkte, wie beispielsweise deren Position, deren Abstand zu bestimmten Bildbereichen oder deren Helligkeitswert Laserbearbeitungskenngrößen sein. Für den Prozess relevante Merkmale sind u. a. die Länge und Breite des Brennflecks, die Position des Brennflecks im Kamerabild sowie dessen horizontal bzw. vertikal im Kamerabild gelegener Beginn und das entsprechende Ende, die Existenz einer Frontsichel, die Position und Helligkeit des Helligkeitsmaximums in der Frontsichel sowie deren Länge und Breite, die Position und Helligkeit des Helligkeitsmaximums in der Nähe des Zentrums des Brennflecks (Mittelmaximum), die vertikal bzw. horizontal gemessenen Halbwertsbreite(n) der Helligkeitsverteilung um das Mittelmaximum, die Position des Minimums zwischen dem Helligkeitsmaximum in der Frontsichel und dem Mittelmaximum (Zwischenminimum). Diese Merkmale des Bildbereichs korrelieren typischerweise mit Prozessparametern der Laserbearbeitung und ermöglichen daher einen Rückschluss auf den (Ist-)Zustand der Laserbearbeitung, insbesondere auf den (Ist-)Zustand des bearbeiteten Werkstücks. So sind beispielsweise die Länge und Breite bzw. der Durchmesser der Kapillaröffnung oder des Brennflecks in direkter Weise von der Fokuslage des Laserstrahls abhängig. Die Helligkeit und die Halbwertsbreiten des Mittelmaximums korrelieren mit der Einschweißtiefe und die Position des Zwischenminimums mit dem Spaltmaß bzw. einer fehlenden Anbindung der miteinander zu verschweißenden Werkstücke beim/am Überlappstoß. Auch zur Ableitung der Laserbearbeitungskenngrößen auf der Grundlage der vorbeschriebenen Merkmale des Bildbereichs können die bereits beschriebenen Bildbearbeitungsalgorithmen eingesetzt werden.The dimension of an identified image region and / or the distance between identified image regions or image region edges and / or the positions of an identified image region within the diagnostic image and / or a defined value region in which the brightness values of the pixels of an identified image region lie are preferred as the laser processing parameter , characteristic value, such as the average of the brightness values of the pixels, determined. Other laser processing parameters include the half-widths of the brightness distribution in different directions from the brightest or darkest point of the image area, the position, for example, the geometric centroid of the brightness distribution, distances between different image area centers, as well as the brightness of the individual image areas, such as the minimum, average or maximum brightness , Likewise, features of individual pixels, such as their position, their distance from certain image areas or their brightness value can be laser processing characteristics. Features relevant to the process include length and Width of the focal spot, the position of the focal spot in the camera image and its beginning and the corresponding end located horizontally or vertically in the camera image, the existence of a front lens, the position and brightness of the maximum brightness in the front prism and their length and width, the position and brightness of the front Brightness maximum near the center of the focal spot (center maximum), the vertical or horizontal measured half width (s) of the brightness distribution around the center maximum, the position of the minimum between the maximum brightness in the front cone and the middle maximum (intermediate minimum). These features of the image area typically correlate with process parameters of the laser processing and therefore allow a conclusion on the (actual) state of the laser processing, in particular on the (actual) state of the machined workpiece. Thus, for example, the length and width or the diameter of the capillary or the focal spot in a direct manner on the focus position of the laser beam. The brightness and the half-widths of the central maximum correlate with the welding depth and the position of the intermediate minimum with the gap dimension or a lack of connection of the workpieces to be welded together at / on the lap joint. The already described image processing algorithms can also be used to derive the laser processing parameters on the basis of the above-described features of the image area.

Vorzugsweise werden die Einzelbilder mit einer Bildwiederholungsrate von mindestens 1 kHz erzeugt. Somit können die bei der Laserbearbeitung (insbesondere beim Laserschweißen) auftretenden Schwankungen der reflektierten Laserstrahlung zeitlich bei der Aufnahme der Einzelbilder aufgelöst werden und in die Bildaufbereitung einfließen. Abhängig von der Komplexität der Messaufgabe kann der Laserbearbeitungsprozess zudem nicht nur überwacht, sondern anhand der ermittelten Laserbearbeitungskenngrößen auch geregelt werden. Grundsätzlich gilt, je höher die Bildwiederholungsrate, desto besser ist die zeitliche Auflösung. Ebenfalls besonders bevorzugt werden die Einzelbilder mit einer örtlichen Auflösung von mindestens 64 Bildpunkte pro Zeile × 64 Bildpunkte pro Spalte aufgenommen. Somit ist die örtliche Auflösung des Bearbeitungsbereiches ausreichend genau, um charakteristische räumliche Informationen des Laserbearbeitungsprozesses zu erfassen. Die Länge der Zeilen und Spalten entspricht dabei in der Regel der geometrischen Erstreckung des Bearbeitungsbereichs oder die räumliche Ausdehnung des Bearbeitungsbereiches wird durch eine entsprechende Abbildungsoptik auf die Länge der Zeilen und Spalten abgebildet.Preferably, the frames are generated at a refresh rate of at least 1 kHz. Thus, the fluctuations in the reflected laser radiation occurring during laser processing (in particular during laser welding) can be resolved in time during the acquisition of the individual images and incorporated into the image processing. Depending on the complexity of the measurement task, the laser processing process can not only be monitored, but also be controlled based on the determined laser processing parameters. Basically, the higher the refresh rate, the better the temporal resolution. Also particularly preferably, the individual images are recorded with a local resolution of at least 64 pixels per line x 64 pixels per column. Thus, the local resolution of the processing area is sufficiently accurate to capture characteristic spatial information of the laser processing process. The length of the rows and columns usually corresponds to the geometric extent of the processing area or the spatial extent of the processing area is mapped by a corresponding imaging optics on the length of the rows and columns.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Vorrichtung umfassend einen Laserbearbeitungskopf zur Ausrichtung eines Laserstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück in dem Bearbeitungsbereich, eine Kamera zur ortsaufgelösten Aufnahme von Einzelbildern des Bearbeitungsbereiches bei zumindest der reflektierten Laserstrahlung, eine Bildaufbereitungseinrichtung, die programmiert ist, aus mehreren Einzelbildern ein Diagnosebild des Bearbeitungsbereichs zu erzeugen, und eine Bildverarbeitungseinrichtung, die programmiert ist, aus dem Diagnosebild mindestens eine Laserbearbeitungskenngröße zu ermitteln.The object is also achieved by a device comprising a laser processing head for aligning a laser beam on the workpiece to be machined in the processing area, a camera for spatially resolved recording of individual images of the processing area at least the reflected laser radiation, an image processing device that is programmed from several individual images to generate a diagnostic image of the processing area, and an image processing device which is programmed to determine from the diagnostic image at least one laser processing parameter.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens unter Nutzung der bereits oben genannten Vorteile. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung ferner eine Regelungseinrichtung zur Regelung von Prozessparametern der Laserbearbeitung anhand der ermittelten Laserbearbeitungskenngrößen oder eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung der Laserbearbeitung durch Vergleich einer ermittelten Laserbearbeitungskenngröße mit einer Referenzkenngröße.The device according to the invention makes it possible to carry out the above-described method according to the invention using the advantages already mentioned above. Preferably, the device further comprises a control device for controlling process parameters of the laser processing based on the determined laser processing parameters or a monitoring device for monitoring the laser processing by comparing a determined laser processing parameter with a reference characteristic.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. Likewise, the features mentioned above and the features listed further can be used individually or in combination in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention.

Es zeigen:Show it:

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln von Laserbearbeitungskenngrößen beim Laserbearbeiten eines Werkstücks; 1 a device according to the invention for carrying out a method according to the invention for determining laser processing parameters in the laser machining of a workpiece;

2 schematisch den Bearbeitungsbereich des mittels eines Laserstrahls bearbeiteten Werkstücks in einer Schnittansicht; 2 schematically the processing region of the machined by a laser beam workpiece in a sectional view;

3a bis 3f sechs zeitlich nacheinander aufgenommene Einzelbilder des beim Laserschweißen an einem Werkstück auftretenden Bearbeitungsbereiches; 3a to 3f six successive recorded individual images of the occurring during laser welding on a workpiece processing area;

4a, 4b jeweils ein Diagnosebild des Bearbeitungsbereiches, das durch eine Mittelung (4a) oder durch Bilden der Standardabweichung (4b) der in 3 gezeigten Einzelbilder aufbereitet wurde; 4a . 4b in each case a diagnostic image of the processing area, which is averaged by 4a ) or by forming the standard deviation ( 4b ) the in 3 processed individual images was processed;

5 verschiedene aus dem Diagnosebild der 4a bestimmbare Laserbearbeitungskenngrößen; 5 different from the diagnostic image of the 4a determinable laser processing parameters;

6a, 6b Diagnosebilder des Bearbeitungsbereiches analog zu 4a, 4b, wobei im Vergleich zu 4 der Laserstrahl mit halber Vorschubgeschwindigkeit über das Werkstück bewegt wurde; 6a . 6b Diagnostic images of the processing area analogous to 4a . 4b , where compared to 4 the laser beam has been moved over the workpiece at half the feed speed;

7a bis 7f aus den 3a bis 3f durch Graustufengeneration erzeugte Graustufenbilder; 7a to 7f from the 3a to 3f grayscale images generated by grayscale generation;

8a, 8b jeweils ein Graustufen-Diagnosebild des Bearbeitungsbereiches analog zu 4a, 4b; 8a . 8b one grayscale diagnostic image of the processing area analogous to 4a . 4b ;

9 verschiedene aus dem Graustufen-Diagnosebild der 8a bestimmbare Laserbearbeitungskenngrößen analog zu 5; und 9 different from the grayscale diagnostic image of 8a determinable laser processing parameters analogous to 5 ; and

10a, 10b jeweils ein Graustufen-Diagnosebild des Bearbeitungsbereiches analog zu 6a, 6b. 10a . 10b one grayscale diagnostic image of the processing area analogous to 6a . 6b ,

Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 umfasst zur Ausrichtung eines Laserstrahls 2a auf ein in einem Bearbeitungsbereich 3 zu bearbeitendes Werkstück 4 einen Laserbearbeitungskopf 5. Der aus dem Laserbearbeitungskopf 5 austretende Laserstrahl 2a wird entsprechend der aktuellen Form bzw. Gestalt einer am Werkstück 4 gebildeten Kapillare 6 bzw. eines am Werkstück 4 gebildeten Brennflecks reflektiert und zumindest teilweise in Richtung auf den Laserbearbeitungskopf 5 als reflektierte Laserstrahlung 2b zurückgeworfen.In the 1 shown device 1 includes for aligning a laser beam 2a on one in a editing area 3 workpiece to be machined 4 a laser processing head 5 , The one from the laser processing head 5 emerging laser beam 2a is according to the current shape or shape of the workpiece 4 formed capillary 6 or one on the workpiece 4 formed focal spot and at least partially toward the laser processing head 5 as reflected laser radiation 2 B thrown back.

Die Vorrichtung 1 weist eine Kamera 7, insbesondere eine CMOS- oder InGaAs-Kamera, zur Aufnahme des Bearbeitungsbereiches 3 und eine vorgeschaltete Optik 8 zur Abbildung des Bearbeitungsbereiches 3 auf die Kamera 7 auf. Die Optik 8 umfasst einen Strahlteiler 9 (z. B. einen teildurchlässigen Spiegel), eine Blende 10, einen Bandpassfilter 11, Linsen 12 und ggf. einen hier nicht dargestellten Abschwächungsfilter. Die reflektierte Laserstrahlung 2b wird durch den Strahlteiler 9 vom Strahlengang des Laserstrahls 2a getrennt und durch die Blende 10, den Bandpassfilter 11 und die Linsen 12 auf die Kamera 7 gerichtet. Der Bandpassfilter 11 trennt dabei die reflektierte Laserstrahlung 2b von weiterer vom Bearbeitungsbereich 3 ausgehender Strahlung, beispielsweise von durch die Laserbearbeitung am Werkstück 4 entstehendem Prozesslicht.The device 1 has a camera 7 , in particular a CMOS or InGaAs camera, for receiving the processing area 3 and an upstream optics 8th for mapping the processing area 3 to the camera 7 on. The optics 8th includes a beam splitter 9 (eg, a partially transmissive mirror), an aperture 10 , a bandpass filter 11 , Lenses 12 and possibly an attenuation filter, not shown here. The reflected laser radiation 2 B is through the beam splitter 9 from the beam path of the laser beam 2a separated and through the aperture 10 , the bandpass filter 11 and the lenses 12 to the camera 7 directed. The bandpass filter 11 separates the reflected laser radiation 2 B from further from the editing area 3 outgoing radiation, for example from the laser processing on the workpiece 4 arising process light.

Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Bildaufbereitungseinrichtung 13, die programmiert ist, durch Bildaufbereitung mehrerer mit der Kamera 7 aufgenommener Einzelbilder (Fotos) des Bearbeitungsbereiches 3 jeweils ein Diagnosebild zu erzeugen, und eine Bildverarbeitungseinrichtung 14, die programmiert ist, durch Bildverarbeitung des Diagnosebilds Laserbearbeitungskenngrößen zu ermitteln. Die Bildaufbereitungseinrichtung 13 und die Bildverarbeitungseinrichtung 14 sind Teile eines Auswertesystem 15 der Vorrichtung 1 bzw. des Laserbearbeitungskopfes 5. Die Laserbearbeitungskenngrößen werden einer Regelungseinrichtung 16 zugeführt, die dann Prozessparameter des Laserbearbeitungsprozesses, wie beispielsweise Vorschubgeschwindigkeit oder Laserleistung, anhand der Laserbearbeitungskenngrößen einstellt. Alternativ oder zusätzlich zur Regelungseinrichtung 16 kann auch eine Vergleichseinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen sein, welche die ermittelten Laserbearbeitungskenngrößen mit Referenzkenngrößen vergleicht und so den Laserbearbeitungsprozess überwacht.The device 1 further comprises an image processing device 13 , which is programmed by imaging several with the camera 7 captured frames (photos) of the editing area 3 respectively generate a diagnostic image, and an image processing device 14 , which is programmed to determine laser processing characteristics by image processing of the diagnostic image. The image processing device 13 and the image processing device 14 are parts of an evaluation system 15 the device 1 or the laser processing head 5 , The laser processing parameters become a control device 16 supplied, which then sets process parameters of the laser processing process, such as feed rate or laser power, based on the laser processing parameters. Alternatively or in addition to the control device 16 It is also possible to provide a comparison device (not shown) which compares the determined laser processing parameters with reference parameters and thus monitors the laser processing process.

2 zeigt schematisch den Bearbeitungsbereich 4 mit der durch den Laserstrahl 2a in das Werkstück 4 eingebrachten Kapillare 6 zu einem bestimmten Zeitpunkt. Der in 2 dargestellte Zustand der Kapillare 6 (d. h. ihre Form bzw. Gestalt) entspricht einer Momentaufnahme (einem Zufallsbild) des Laserbearbeitungsprozesses, der in aller Regel ein instationärer, insbesondere hochdynamischer Prozess ist. Die Dynamik des Laserbearbeitungsprozesses ist durch eine stark variierende Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl 2a und dem Werkstückmaterial bedingt und äußert sich in einer zeitlichen und räumlichen Veränderung der Form der Kapillare 6 (beispielhaft angedeutet durch einzelne, die Form der Kapillare 6 approximierende, „schwenkbare” Flächenelemente 17). Die auf die Kapillare 6 auftreffende Laserstrahlung 2a wird folglich entsprechend der aktuellen Form der Kapillare 6 unterschiedlich reflektiert. Beispielsweise werden in dem in 2 dargestellten Zustand der Kapillare 6 zwei auf den Randbereich (bzw. eine Flanke) der Kapillare 6 einfallende Laserstrahlen 2a mehrfach weiter in das Innere der Kapillare 6 reflektiert, wohingegen ein einfallender mittlerer Laserstrahl 2a am Grund der Kapillare 6 lediglich einfach reflektiert wird und wieder aus der Kapillare 6 austritt. Zu unterschiedlichen Zeitpunkten liegen jeweils unterschiedliche Kapillarformen und unterschiedliche räumliche Verteilungen der reflektierten Laserstrahlung 2b vor. Folglich ergibt sich zu jedem Zeitpunkt ein anderes Bild des Bearbeitungsbereichs 3 bzw. der Kapillare 6. 2 schematically shows the processing area 4 with the laser beam 2a into the workpiece 4 introduced capillary 6 at a certain time. The in 2 illustrated state of the capillary 6 (ie its shape or shape) corresponds to a snapshot (a random image) of the laser processing process, which is usually a transient, especially highly dynamic process. The dynamics of the laser processing process is due to a widely varying interaction between the laser beam 2a and the workpiece material and manifests itself in a temporal and spatial change in the shape of the capillary 6 (exemplified by individual, the shape of the capillary 6 approximating, "swiveling" surface elements 17 ). The on the capillary 6 incident laser radiation 2a will therefore be according to the current shape of the capillary 6 reflected differently. For example, in the in 2 illustrated state of the capillary 6 two on the edge area (or a flank) of the capillary 6 incident laser beams 2a several times further into the interior of the capillary 6 whereas an incident medium laser beam 2a at the bottom of the capillary 6 is simply reflected and back out of the capillary 6 exit. At different times in each case different Kapillarformen and different spatial distributions of the reflected laser radiation 2 B in front. Consequently, a different image of the processing area results at any time 3 or the capillary 6 ,

Beim Laserschweißen zweier Werkstücke 4 wird der Laserstrahl 2a in dem Bearbeitungsbereich 3 auf die beiden Werkstücke 4 gerichtet, und der Laserbearbeitungskopf 5 und die Werkstücke 4 werden relativ zueinander entlang einer Vorschubrichtung 18 mit einer Vorschubgeschwindigkeit v bewegt, um zwischen den beiden Werkstücken 4 eine Schweißnaht zu erzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen von Laserbearbeitungskenngrößen beim Laserschweißen wird im Folgenden anhand der 3 bis 6 näher erläutert.When laser welding two workpieces 4 becomes the laser beam 2a in the editing area 3 on the two workpieces 4 directed, and the laser processing head 5 and the workpieces 4 become relative to each other along a feed direction 18 Moved at a feed rate v to move between the two workpieces 4 to create a weld. The method according to the invention for determining laser processing parameters in laser welding will be described below with reference to FIG 3 to 6 explained in more detail.

Die 3a bis 3f zeigen mehrere (hier beispielhaft sechs) zeitlich nacheinander mit der Kamera 7 aufgenommene Einzelbilder (Fotos) 20 des Bearbeitungsbereiches 3 bei konstant gehaltenen Laserschweißparametern (Laserleistung, Vorschub, Fokuslage, Blechstärke), wobei durch den Bandpassfilter 11 ausschließlich die reflektierte Laserstrahlung 2b auf den Einzelbildern 20 aufgenommen wurde und die Belichtungszeit eines Einzelbildes 20 typischerweise zwischen 1 und 100 μs liegt. Die Einzelbilder 20 zeigen dabei den sich entsprechend der Vorschubgeschwindigkeit v des Laserbearbeitungskopfes 5 im Werkstück 4 mitbewegenden Bearbeitungsbereich 3. Anhand der in den verschiedenen Einzelbildern 20 unterschiedlich ausgebildeten Bildstrukturen (dunkle/helle Bereiche) ist erkennbar, dass die aus dem Bearbeitungsbereich 3 reflektierte Laserstrahlung 2b jeweils ein dem momentanen (zufälligen) Zustand der Kapillare 6 entsprechendes Bild wiedergibt. The 3a to 3f show several (here exemplarily six) in chronological succession with the camera 7 captured frames (photos) 20 of the editing area 3 at constant held laser welding parameters (laser power, feed, focus position, plate thickness), through the bandpass filter 11 only the reflected laser radiation 2 B on the individual pictures 20 was taken and the exposure time of a single frame 20 typically between 1 and 100 μs. The single pictures 20 show in accordance with the feed rate v of the laser processing head 5 in the workpiece 4 moving machining area 3 , Based on in the different frames 20 differently formed image structures (dark / light areas) is recognizable, that from the processing area 3 reflected laser radiation 2 B each one the current (random) state of the capillary 6 corresponding image plays.

Durch Bildaufbereiten mehrerer nacheinander aufgenommener Einzelbilder 20 des Bearbeitungsbereichs 3 wird ein Diagnosebild erzeugt, und zwar beispielsweise das in 4a gezeigte Diagnosebild 21a durch Mittelung der Einzelbilder 20 (Mittelungsbildgeneration) oder das in 4b gezeigte Diagnosebild 21b durch Bilden der Standardabweichung der Einzelbilder 20 (Streuungsbildgeneration). Aufgrund der Mittelung bzw. Bildung der Standardabweichung erscheinen in den Diagnosebildern 21a, 21b gleichmäßigere zusammenhängende Bildstrukturen, und die Fluktuationen (die lokalen, unregelmäßigen Bildstrukturen) sind unterdrückt bzw. abgeschwächt.By preparing several consecutively captured single images 20 of the editing area 3 a diagnostic image is generated, for example, the in 4a shown diagnostic image 21a by averaging the individual images 20 (Averaging image generation) or the in 4b shown diagnostic image 21b by forming the standard deviation of the frames 20 (Scattering image generation). Due to the averaging or formation of the standard deviation appear in the diagnostic images 21a . 21b more uniform coherent image structures, and the fluctuations (the local, irregular image structures) are suppressed or attenuated.

Wie in 5 am Beispiel des Diagnosebildes 21a der 4a gezeigt ist, können aus dem Diagnosebild durch Bildverarbeitung Laserbearbeitungskenngrößen bestimmt werden, die die Laserbearbeitung des Werkstücks 4 charakterisieren und somit wertvolle Informationen für den Laserbearbeitungsablauf darstellen. Solche Laserbearbeitungskenngrößen können aus einem Einzelbild 20 allein nicht extrahiert werden, da die Einzelbilder 20 lediglich eine Moment- bzw. Zufallsaufnahme des Bearbeitungsbereiches 3 bzw. der Kapillare 6 sind. Durch die Erzeugung des Diagnosebilds 21a, 21b wird folglich die Grundlage für die Bestimmung von prozessrelevanten Laserbearbeitungskenngrößen gelegt. Die Bildaufbereitung kann beispielsweise durch Vermessen von Details des Diagnosebildes 21a, wie in 6 gezeigt, oder alternativ durch eine Minimalbild- oder Maximalbildgeneration erfolgen.As in 5 using the example of the diagnostic image 21a of the 4a is shown, can be determined from the diagnostic image by image processing laser processing parameters that the laser processing of the workpiece 4 characterize and thus represent valuable information for the laser processing process. Such laser processing parameters can be from a single image 20 alone can not be extracted because the frames 20 only a moment or random recording of the processing area 3 or the capillary 6 are. By generating the diagnostic image 21a . 21b Consequently, the basis is laid for the determination of process-relevant laser processing parameters. The image processing can be done, for example, by measuring details of the diagnostic image 21a , as in 6 shown, or alternatively done by a minimum image or maximum image generation.

Bei der Bildverarbeitung des Diagnosebilds 21a werden diejenigen Bildbereiche identifiziert, deren Bildpunkte einen in einem definierten Wertebereich liegenden Wert aufweisen, also zum Beispiel das vom Kapillarengrund bewirkte Helligkeitsmaximum 22 (Mittelmaximum), die vom Kapillarendurchmesser bewirkte Kreisstruktur (Brennfleck) 23 und die von der in Vorschubrichtung 18 vorderen Kapillarenflanke (Laserschneidfront) bewirkte halbmondförmige Struktur (Frontsichel) 24. Die Abmessung dieser Bildbereiche, also z. B. Länge und Breite 22a, 22b des Mittelmaximums 22, Länge und Breite 23a, 23b des Brennflecks 23 und/oder Durchmesser, sowie charakteristische Helligkeitswerte, wie beispielsweise der Mittelwert der Helligkeitswerte der Bildpunkte dieser Bildbereiche werden dann als Laserbearbeitungskenngröße bestimmt. Ebenso können die Abstände der einzelnen Bildbereiche zueinander und die Positionen der Bildbereiche innerhalb des Diagnosebilds 21a, die Abstände der einzelnen charakteristischen Bildpunkte zueinander und ihre Positionen innerhalb der entsprechenden Bildbereiche, sowie alle anderen bereits in der Beschreibung aufgeführten Merkmale als Laserbearbeitungskenngröße bestimmt werden. So ist beispielsweise der Abstand des Mittelmaximums vom äußeren Rand der Frontsichel eine weitere Laserbearbeitungskenngröße, welche mit der Einschweißtiefe und Kapillarneigung korreliert.During image processing of the diagnostic image 21a those image areas are identified whose pixels have a value lying in a defined value range, that is, for example, the brightness maximum caused by the capillary reason 22 (Center maximum), the circle structure caused by the capillary diameter (focal spot) 23 and that of the feed direction 18 front capillary flank (laser cutting front) caused crescent-shaped structure (frontal sickle) 24 , The dimension of these image areas, ie z. B. Length and width 22a . 22b the median maximum 22 , Length and width 23a . 23b the focal spot 23 and / or diameter, as well as characteristic brightness values, such as the mean value of the brightness values of the pixels of these image areas are then determined as a laser processing parameter. Likewise, the distances of the individual image areas to each other and the positions of the image areas within the diagnostic image 21a , the distances of the individual characteristic pixels to one another and their positions within the corresponding image areas, as well as all other features already mentioned in the description, are determined as a laser processing parameter. For example, the distance of the center maximum from the outer edge of the front prism is a further laser processing parameter, which correlates with the depth of penetration and Kapillarneigung.

6a, 6b zeigen ebenfalls jeweils ein aus sechs Einzelbildern durch Mittelung aufbereitetes Diagnosebild 21a, 21b des Bearbeitungsbereiches 3, wobei im Unterschied zu 4 der Laserstrahl 2a mit halber Vorschubgeschwindigkeit ½v, aber bei ansonsten gleichbleibenden Laserschweißparametern über das Werkstück 4 bewegt wurde. 6a . 6b also each show a processed from six frames by averaging diagnostic image 21a . 21b of the editing area 3 , unlike 4 the laser beam 2a with half the feed rate ½v, but with otherwise constant laser welding parameters over the workpiece 4 was moved.

Der Vergleich der beiden in 4a und 6a gezeigten Diagnosebilder 21a sowie weiterer Versuchsreihen zeigt, dass sich mit zunehmender (doppelter) Vorschubgeschwindigkeit ein typischerweise mittig angeordneter und rund ausgebildeter Brennfleck 23 entgegen der Vorschubrichtung 18, hier also nach links, bewegt bzw. versetzt ist und eine längliche bzw. ovalere Form annimmt. Der Vergleich zeigt auch, dass sich im Bereich der in Vorschubrichtung 18 vorderen Kapillarenflanke mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit eine zunehmend ausgeprägtere (spitzere bzw. gekrümmtere) halbmondförmige Struktur (Sichel) 24 ausbildet, deren Intensität bzw. Helligkeit mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit ebenfalls zunimmt.The comparison of the two in 4a and 6a shown diagnostic images 21a as well as further test series shows that with increasing (double) feed speed a typically centrally arranged and round trained focal spot 23 against the feed direction 18 , so here to the left, is moved or offset and assumes an elongated or oval shape. The comparison also shows that in the area of the feed direction 18 an increasingly pronounced (more pointed or curved) crescent-shaped structure (sickle) at the anterior capillary flank 24 forms whose intensity or brightness also increases with increasing feed rate.

Indem fortlaufend Diagnosebilder 21a, 21b erzeugt und daraus Laserbearbeitungskenngrößen 22a, 22b, 23a, 23b bestimmt werden, kann der Laserbearbeitungsprozess zeitlich und örtlich aufgelöst verfolgt werden. Diese fortlaufend bestimmten Laserbearbeitungskenngrößen werden der Regelungseinrichtung 16 zugeführt, die anhand der Laserbearbeitungskenngrößen Prozessparameter des Laserbearbeitungsprozesses, wie z. B. Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit v, Fokuslage usw., entsprechend regelt. Hierzu kann die Regelungseinrichtung 16 datenübertragungs- bzw. regelungstechnisch mit einer Bearbeitungsoptik 27 und einem Antrieb des Laserbearbeitungskopfs 3 verbunden sein. Die Regelungseinrichtung 16 kann beispielsweise den als Laserbearbeitungskenngröße bestimmten aktuellen Abstand zwischen Frontsichel und Mittelmaximum 22a des Brennflecks 22 mit einem Referenz-Sollwert vergleichen und bei einer nicht (mehr) tolerierbaren Abweichung einen entsprechenden Prozessparameter (hier zum Beispiel die Vorschubgeschwindigkeit oder die Laserleistung) entsprechend anpassen bzw. regeln (erhöhen bzw. verringern). Bei einer nicht (mehr) tolerierbaren Abweichung der als Laserbearbeitungskenngröße bestimmten Breite des Brennflecks 22 von einem Referenz-Sollwert kann die Ragelungseinrichtung 16 entsprechend als entsprechenden Prozessparameter die Fokuslage anpassen.By continuously displaying diagnostic images 21a . 21b generates and from this laser processing characteristics 22a . 22b . 23a . 23b can be determined, the laser processing process can be tracked temporally and spatially resolved. These continuously determined laser processing parameters become the control device 16 fed, the basis of the laser processing parameters process parameters of the laser processing process, such. As laser power, feed rate v, focus position, etc., controls accordingly. For this purpose, the control device 16 data transmission or control technology with a processing optics 27 and a drive of the laser processing head 3 be connected. The control device 16 can, for example, the current distance between the front prism and the center maximum determined as the laser processing parameter 22a the focal spot 22 Compare with a reference setpoint and adjust (increase or decrease) a corresponding process parameters (here, for example, the feed rate or the laser power) for a no (more) tolerable deviation accordingly. For a not (more) tolerable deviation of the width of the focal spot determined as the laser processing parameter 22 from a reference setpoint, the rollover device can 16 accordingly adjust the focus position as appropriate process parameter.

Die 7 bis 10 zeigen die in den 3 bis 6 gezeigten Bilder nunmehr als Graustufenbilder, die durch Graustufengeneration (10 Graustufen) gewonnen wurden. Insbesondere zeigt 9, dass die Laserbearbeitungskenngrößen 22a, 22b, 23a, 23b auch aus einem Graustufen-Diagnosebild bestimmt werden können.The 7 to 10 show the in the 3 to 6 now shown as grayscale images obtained by grayscale generation (10 shades of gray). In particular shows 9 in that the laser processing parameters 22a . 22b . 23a . 23b can also be determined from a gray scale diagnostic image.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4333501 C2 [0002]
DE 2522493 C2 [0002]

Claims

Method for determining laser processing parameters ( 22a . 22b . 23a . 23b ) when laser machining a workpiece ( 4 ) by means of a laser beam ( 2a ) in a processing area ( 3 ), comprising the following method steps: recording a plurality of temporally successive individual images ( 20 ) of the editing area ( 3 ), each at least the reflected laser radiation ( 2 B ) spatially resolved, generating a diagnostic image ( 21a . 21b ) by processing several recorded individual images ( 20 ), and determining at least one laser processing parameter ( 22a . 22b . 23a . 23b ) by image processing the diagnostic image ( 21a . 21b ).

Method according to Claim 1, characterized in that individual images ( 20 ), diagnostic images ( 21a . 21b ) and the at least one laser processing parameter ( 22a . 22b . 23a . 23b ) be determined.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that at least one process parameter of the laser processing based on a determined laser processing parameter ( 23 - 26 ) is regulated.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for monitoring the laser processing process, the at least one determined laser processing parameter ( 22a . 22b . 23a . 23b ) is compared with a reference parameter.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the diagnostic image ( 21a . 21b ) from the several individual images ( 20 ) is generated by an averaging image generation, a scattering image generation, a minimum image generation, or a maximum image generation.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that during image processing of the diagnostic image ( 21a . 21b ) Image areas are identified whose pixels have a brightness value lying within a defined value range.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that during image processing of the diagnostic image ( 21a . 21b ) Pixels whose brightness value represent a local or global extreme value in the diagnostic image.

A method according to claim 6, characterized in that the dimension of an identified image area and / or the distance between identified image areas and / or the positions of an identified image area within the diagnostic image ( 21a . 21b ) be determined.

Method according to Claims 6 to 8, characterized in that a characteristic value, in particular brightness value, is determined as the laser processing parameter for the defined range of values in which the brightness values of the pixels of an identified image area lie.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the individual images ( 20 ) are generated at a refresh rate of at least 1 kHz.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the individual images ( 20 ) with a local resolution of at least 64 pixels per line x 64 pixels per column.

Contraption ( 1 ) for carrying out the method according to one of the preceding claims, comprising: a laser processing head ( 5 ) for aligning a laser beam ( 2a ) on the workpiece to be machined ( 4 ) in the editing area ( 3 ), a camera ( 7 ) for the spatially resolved recording of individual images ( 20 ) of the processing area ( 3 ) at least the reflected laser radiation ( 2 B ), an image processing device ( 13 ), which is programmed from several individual images ( 20 ) a diagnostic image ( 21a . 21b ) of the editing area ( 3 ), and an image processing device ( 14 ) programmed from the diagnostic image ( 21a . 21b ) at least one laser processing parameter ( 22a . 22b . 23a . 23b ) to investigate.

Device according to claim 12, characterized in that the camera ( 7 ) in the laser processing head ( 5 ) is arranged.

Apparatus according to claim 12 or 13, further comprising a control device ( 16 ) for the regulation of process parameters of laser processing on the basis of the determined laser processing parameters ( 22a . 22b . 23a . 23b ).

Device according to one of claims 12 to 14, further comprising a monitoring device ( 16 ) for monitoring the laser processing by comparing a determined laser processing parameter with a reference characteristic.