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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses zur Bearbeitung von Werkstücken. Das Verfahren kann insbesondere ein Verfahren zum automatischen Einstellen von Überwachungsparametern und/oder zum automatischen Erkennen von Prozessänderungen umfassen.
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Hintergrund
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In einem Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert oder gebündelt. Die Bearbeitung kann beispielsweise ein Laserschneiden, - löten oder -schweißen umfassen. Das Laserbearbeitungssystem kann auch als „Laserbearbeitungsanlage“ oder kurz „Anlage“ bezeichnet werden. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserbearbeitungsvorrichtung, beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf, etwa einen Laserschneidkopf oder einen Laserschweißkopf, umfassen. Insbesondere beim Laserschweißen oder -löten eines Werkstücks ist es wichtig, den Schweiß- bzw. Lötprozess kontinuierlich zu überwachen, um die Qualität der Bearbeitung zu sichern. Dies schließt die Erkennung von Bearbeitungsfehlern ein.
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Die kontinuierliche Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses erfolgt typischerweise in Echtzeit während der Durchführung des Laserbearbeitungsprozesses, und wird daher auch als Online-Prozessüberwachung oder In-Line-Prozessüberwachung bezeichnet. Bei der Überwachung werden Messsignale verschiedener Messgrößen des Laserbearbeitungsprozesses erfasst und beurteilt, etwa die Intensität einer Prozessstrahlung bzw. -emission.
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Anschließend erfolgt eine Beurteilung, bei der das Messsignal dahingehend überprüft wird, ob gewisse Fehlerbedingungen oder Fehlerkriterien erfüllt sind. Wenn ein oder mehrere Messsignale während eines Bearbeitungsschrittes, der die Bearbeitung eines Werkstücks oder die Bearbeitung eines Teils oder Bereichs des Werkstücks umfassen kann, zuvor festgelegte Fehlerbedingungen erfüllen, wird ein Fehler ausgegeben. Je nachdem, ob ein Bearbeitungsfehler aufgetreten ist, kann ein entsprechendes bearbeitetes Werkstück als „gut“ oder „Gutteil“ (d.h. geeignet für die Weiterverarbeitung oder den Verkauf) oder als „schlecht“ oder „Schlechtteil“ (d.h. als Ausschuss) gekennzeichnet werden.
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Die Beurteilung der Messsignale ist typischerweise komplex, da der Verlauf der Messgrößen stark von den verwendeten Materialien, der eingestellten Laserleistung, der Bearbeitungsgeschwindigkeit, dem Verschmutzungsgrad der Werkstücke und vielem mehr abhängt. Die Einstellung und Anpassung der Fehlerbedingungen ist sehr aufwändig und muss bei Änderungen des Laserbearbeitungsprozesses neu vorgenommen werden. Ferner erfolgen die Einstellung und Anpassung der Fehlerbedingungen typischerweise per Hand.
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DE 43 21 463 A1 beschreibt ein Überwachungssystem für ein Laserverfahren, das Energie von einer Laserquelle an ein Werkstück entlang eines Verarbeitungspfades liefert. Dabei wird ein Temperatursignal mit Temperaturgrenzwerten verglichen und ein Überschreiten der Temperaturgrenzwerte angezeigt.
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DE 10 2018 214 063 A1 beschreibt eine Maschinenlernvorrichtung, ein Maschinenlernsystem und ein Maschinenlernverfahren zum Beurteilen der Qualität optischer Komponenten. Diese umfassen ein Zustandsbeobachtungsmittel, das Bilddaten und Daten die sich auf die Verwendung der optischen Komponente beziehen, als Eingabedaten erfasst, ein Markierungserfassungsmittel, das einen Bewertungswert bezüglich der Qualität der optischen Komponente bestimmt, und ein Lernmittel, das ein Lernmodell zum Beurteilen der Qualität der optischen Komponente mittels der Eingabedaten und des Bewertungswertes berechnet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses zur Bearbeitung von Werkstücken anzugeben, bei dem Überwachungsparameter automatisch eingestellt werden. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses zum Bearbeiten von Werkstücken anzugeben, bei dem Prozessänderungen automatisch erkannt werden, um die Überwachungsparameter neu einzustellen. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses zum Bearbeiten von Werkstücken anzugeben, bei dem Eingriffe durch Bedienpersonal vermieden werden.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses zur Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere von metallischen Werkstücken, angegeben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Für eine Mehrzahl von Bearbeitungsschritten wird ein Messsignal für zumindest eine Messgröße während eines Bearbeitungsschritts erfasst. In einer Einstellphase wird jeweils ein Grenzwert für zumindest einen Überwachungsparameter basierend auf den während der Einstellphase erfassten Messsignalen festgelegt. In einer Überwachungsphase wird ein Wert des Überwachungsparameters für jeden Bearbeitungsschritt basierend auf dem Messsignal des Bearbeitungsschritts ermittelt, der ermittelte Wert des Überwachungsparameters wird mit dem Grenzwert zur Erkennung eines fehlerhaften Bearbeitungsschritts verglichen, und basierend auf dem Messsignal von zumindest einem Bearbeitungsschritt wird ermittelt, ob eine Prozessänderungs-Bedingung erfüllt ist. Hierbei wird von der Einstellphase zur Überwachungsphase nach einem vorgegebenen Einstellzeitintervall oder nach einer vorgegebenen Anzahl von während der Einstellphase ausgeführten Bearbeitungsschritten gewechselt, und von der Überwachungsphase zurück in die Einstellphase wird gewechselt, wenn die Prozessänderungs-Bedingung erfüllt ist.
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Mit anderen Worten ist in der Einstellphase eine Bewertung des Prozesses („gut“ oder „schlecht“) vorzugsweise nicht aktiv. In der Überwachungsphase wird ermittelt, ob eine Prozessänderungs-Bedingung erfüllt ist. Ist dies der Fall, so wird wieder zurück in die Einstellphase gewechselt. Vorzugsweise bleibt das System in der Überwachungsphase, bis die Prozessänderungs-Bedingung erfüllt ist. Mit anderen Worten bleibt das System bei einem stabilen Prozess (die Prozessänderungs-Bedingung ist nicht erfüllt) vorzugsweise in der Überwachungsphase (sogenannte „zyklische Phase“). Alternativ kann das System bei einem stabilen Prozess, in dem die Prozessänderungs-Bedingung nicht erfüllt ist, nach einem vorgegebenen (zweiten) Einstellzeitintervall oder nach einer vorgegebenen (zweiten) Anzahl von während der Überwachungsphase ausgeführten Bearbeitungsschritten zurück in die Einstellphase wechseln.
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Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung wird ein Laserbearbeitungsprozess mit mehreren gleichartigen oder sich wiederholenden Bearbeitungsschritten eingeteilt in zwei Phasen, nämlich in eine Einstellphase, in der mindestens ein Grenzwert für einen Überwachungsparameter festgelegt wird, und in eine Überwachungsphase, in der mindestens ein Bearbeitungsschritt basierend auf einem für diesen Bearbeitungsschritt ermittelten Wert des Überwachungsparameters überwacht wird. Eine Überwachung des Laserbearbeitungsprozesses erfolgt lediglich während der Überwachungsphase. Zwischen beiden Phasen kann nach bestimmten Kriterien hin und her gewechselt werden. Durch das angegebene Verfahren kann eine Prozessänderung des Laserbearbeitungsprozesses automatisch erkannt werden und es kann automatisch in die Einstellphase zurück gewechselt werden, um die Grenzwerte für die Überwachungsparameter basierend auf dem veränderten Laserbearbeitungsprozess automatisch anzupassen.
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Der Laserbearbeitungsprozess kann eine Mehrzahl von sich wiederholenden und/oder gleichartigen und/oder vergleichbaren Bearbeitungsschritten umfassen. Die Bearbeitung eines Werkstücks kann einen oder mehrere Bearbeitungsschritte umfassen. Mit anderen Worten kann ein Bearbeitungsschritt die Bearbeitung eines Werkstücks oder die Bearbeitung eines Teils oder Bereichs des Werkstücks umfassen. Insbesondere kann ein Bearbeitungsschritt einem Schweißpunkt oder einer Schweißnaht entsprechen. Jedes Messsignal wiederum entspricht einem Bearbeitungsschritt. Die Messsignale können Messwerte umfassen, die eine reelle Zahl sind.
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Sowohl während der Einstellphase als auch während der Überwachungsphase kann während der einzelnen Bearbeitungsschritte jeweils zumindest eine Messgröße erfasst werden. Das Erfassen der Messgröße kann das Erfassen eines Messignals oder eines Messignalverlaufs der zumindest einen Messgröße während eines Bearbeitungsschritts umfassen, d.h. vorzugsweise während eines jeden Bearbeitungsschritts, oder während eines jeden N-ten Bearbeitungsschritts, z.B. während eines jeden zweiten Bearbeitungsschritts oder jeden dritten Bearbeitungsschritts etc.. Jedes Messsignal kann eine Mehrzahl von Messwerten umfassen, die jeweils einem Zeitpunkt des jeweiligen Bearbeitungsschritts zugeordnet sind.
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Die zumindest eine Messgröße kann eine Temperatur, eine Intensität eines vom Werkstück reflektierten Laserlichts, eine Intensität erzeugter Plasmastrahlung, eine Intensität von durch den Laserbearbeitungsprozess erzeugtem Licht im sichtbaren Spektralbereich und/oder eine Intensität von durch den Laserbearbeitungsprozess erzeugtem Licht im infraroten Spektralbereich sein.
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In der Einstellphase wird zumindest ein Grenzwert für zumindest einen Überwachungsparameter festgelegt. Der Überwachungsparameter kann auf lediglich einer Messgröße basieren oder auf mehreren Messgrößen. Die Festlegung oder Bestimmung des zumindest einen Grenzwerts erfolgt basierend auf den Messsignalen, die während der in der Einstellphase ausgeführten Bearbeitungsschritte für die Messgröße erfasst wurden, auf der der Überwachungsparameter basiert. Das Festlegen erfolgt beispielsweise basierend auf den Verläufen der erfassten Messsignale und anhand von geeigneten statistischen Methoden, z.B. einer Box-Plot-Analyse. Der Grenzwert kann einen Wertebereich definieren. Vorzugsweise umfasst der Grenzwert für den zumindest einen Überwachungsparameter einen oberen Grenzwert und/oder einen unteren Grenzwert und/oder einen Grenzwertbereich mit einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert. Der Grenzwert kann eine positive reelle Zahl sein. Das Festlegen kann auch als „Einlernen“ oder „Teaching“ bezeichnet werden.
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In der Einstellphase kann beispielsweise eine Mittelwertkurve für die Messgröße basierend auf den für die Messgröße während der Einstellphase erfassten Messsignalen bestimmt werden. Ferner können Hüllkurven (sogenannte „Referenzkurven“ oder kurz „Referenzen“) für die Messgröße basierend auf der Mittelwertkurve bestimmt werden. Die Hüllkurven können eine obere Hüllkurve und eine untere Hüllkurve umfassen, wobei die Mittelwertkurve zwischen der oberen Hüllkurve und der unteren Hüllkurve liegt. Die Mittelwertkurve und/oder die Hüllkurven können mithilfe statistischer Methoden, z.B. einer Box-Plot-Analyse, bestimmt werden. Die Mittelwertkurve kann Mittelwerte und/oder Median-Werte der für die Messgröße während der Einstellphase erfassten Messsignale umfassen. Beispielsweise können die für die Messgröße während der Einstellphase erfassten Messsignale übereinandergelegt werden, sodass die Messsignale der Bearbeitungsschritte zu gleichen Bearbeitungszeitpunkten miteinander verrechnet werden können.
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In der Einstellphase kann der jeweilige Grenzwert für den zumindest einen Überwachungsparameter basierend auf der für die Messgröße bestimmten Mittelwertkurve und/oder auf den für die Messgröße bestimmten Hüllkurven festgelegt werden.
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Die obere Hüllkurve kann insbesondere so festgelegt werden, dass sie einen vorgegebenen ersten Abstand zur Mittelwertkurve aufweist, und die untere Hüllkurve kann so festgelegt werden, dass sie einen vorgegebenen zweiten Abstand zur Mittelwertkurve aufweist. Der erste Abstand und der zweite Abstand können betragsmäßig gleich oder unterschiedlich sein.
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Die Mittelwertkurve und die Hüllkurven können so festgelegt werden, dass sie innerhalb eines vorgegebenen Zulässigkeitsbereichs für die jeweilige Messgröße liegen. Der Zulässigkeitsbereich einer Messgröße kann vorgegeben sein, beispielsweise von einem Benutzer des Laserbearbeitungsverfahrens oder eines Laserbearbeitungssystems. Der Zulässigkeitsbereich einer Messgröße kann einen Bereich für die jeweilige Messgröße festlegen, den ein Messsignal der Messgröße während der Bearbeitung eines Werkstücks durch den Laserbearbeitungsprozess nicht verlassen darf. Verlässt das Messsignal den Zulässigkeitsbereich dennoch, kann der Laserbearbeitungsprozess abgebrochen oder beendet werden.
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Ein Wechsel von der Einstellphase in die Überwachungsphase kann entweder nach einem vorgegebenen Einstellzeitintervall oder nach einer vorgegebenen Anzahl von bearbeiteten Werkstücken oder nach einer vorgegebenen Anzahl von Bearbeitungsschritten, insbesondere gleichartigen Bearbeitungsschritten, erfolgen.
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In der Überwachungsphase werden die Bearbeitungsschritte überwacht, um einen fehlerhaften Bearbeitungsschritt zu erkennen. Die Überwachung kann durch Ermitteln eines Überwachungsparameter-Werts für jeden ausgeführten Bearbeitungsschritt basierend auf dem Messsignal dieses Bearbeitungsschritts erfolgen. Der ermittelte Überwachungsparameter-Wert wird vorzugsweise mit dem entsprechenden festgelegten Grenzwert verglichen, um zu erkennen, ob der ausgeführte Bearbeitungsschritt fehlerhaft ist. Ein Bearbeitungsschritt kann beispielsweise als fehlerhaft erkannt werden, wenn der ermittelte Überwachungsparameter-Wert den entsprechenden Grenzwert überschreitet. Das Verfahren kann ferner das Ausgeben eines Fehlers, wenn ein Bearbeitungsschritt als fehlerhaft erkannt ist, umfassen.
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Der zumindest eine Überwachungsparameter kann einen Ausreißerabstand, ein Integral, eine Fläche zwischen dem außerhalb der Hüllkurven liegenden Messsignals und der nächstliegenden Hüllkurve, ein Integral des Messsignals über die Zeit, eine mittlere quadratische Abweichung des Messsignals von der Mittelwertkurve, oder eine Ausreißerhäufigkeit sein. Der Ausreißerabstand kann definiert sein als (maximaler) Abstand zwischen einem Messwert eines während eines Bearbeitungsschritts erfassten Messsignals, der außerhalb der Hüllkurven liegt, und der nächstliegenden Hüllkurve. Das Integral kann ein zeitliches Integral oder ein Integral über eine Anzahl von Messwerten des Messsignals sein. Der zumindest eine Überwachungsparameter kann auch eine von dem Messsignal und einem Referenzwert eingeschlossene Fläche sein. Der zumindest eine Überwachungsparameter kann sich also auf die Mittelwertkurve und/oder die Hüllkurven beziehen. Der Referenzwert kann ein vorgegebener konstanter Wert sein, beispielsweise Null, oder der Mittelwertkurve entsprechen. Der Wert des Überwachungsparameters kann jeweils für einen Bearbeitungsschritt ermittelt werden.
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Zudem wird in der Überwachungsphase ermittelt, ob eine Prozessänderungs-Bedingung erfüllt ist, basierend auf dem Messsignal von zumindest einem ausgeführten Bearbeitungsschritt. Die Ermittlung, ob eine Prozessänderungs-Bedingung erfüllt ist, kann nach jedem ausgeführten Bearbeitungsschritt oder regelmäßig nach einer bestimmten Anzahl von ausgeführten Bearbeitungsschritten erfolgen. Wenn ermittelt wird, dass die Prozessänderungs-Bedingung erfüllt ist, wird von der Überwachungsphase in die Einstellphase zurück gewechselt, um den Grenzwert für den zumindest einen Überwachungsparameter und/oder die Mittelwertkurve und/oder die Hüllkurven neu zu bestimmen.
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Das Ermitteln, ob eine Prozessänderungs-Bedingung erfüllt ist, kann basierend auf einem Messsignal von einer einzelnen Messgröße während eines einzelnen ausgeführten Bearbeitungsschritts, oder basierend auf erfassten Messsignalen von einer einzelnen Messgröße während einer Mehrzahl von ausgeführten Bearbeitungsschritten, oder basierend auf erfassten Messsignalen von einer Mehrzahl von Messgrößen während einer Mehrzahl von ausgeführten Bearbeitungsschritten erfolgen.
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Die Prozessänderungs-Bedingung kann insbesondere erfüllt sein, wenn ein vorgegebener Maximalwert für eine Ausreißerhäufigkeit überschritten ist. Die Ausreißerhäufigkeit kann definiert sein als eine Anzahl von Messwerten eines während eines Bearbeitungsschritts erfassten Messsignals, die außerhalb der Hüllkurven für das Messsignal liegen, bezogen auf eine Gesamtzahl von Messwerten des während des Bearbeitungsschritts erfassten Messsignals. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn sich das Signal-Rausch-Verhältnis des erfassten Messsignals verändert, wenn ein zu bearbeitendes Werkstück schmutzig ist, oder wenn ein Chargenwechsel der zu bearbeitenden Werkstücke vorgenommen wurde. Diese Umstände können als „Prozessänderung“ bezeichnet werden und können dazu führen, dass sich die Messsignale oder die Messsignalverläufe von einem oder mehreren Messgrößen verändern. Beispielsweise kann sich ein Mittelwert und/oder Median der Messwerte verändern, oder es kann sich eine Variabilität, d.h. ein statistischer Streuungsparameter, der Messwerte verändern. Der vorgegebene Maximalwert für die Ausreißerhäufigkeit kann beispielsweise im Bereich von 10-100%, vorzugsweise im Bereich von 50-90% liegen.
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In der Überwachungsphase kann ferner der Grenzwert des zumindest einen Überwachungsparameters angepasst werden. Das Anpassen des Grenzwerts kann basierend auf den für vorausgehende Bearbeitungsschritte erfassten Messsignalen erfolgen. Mit anderen Worten kann der Grenzwert abhängig von den für vorausgehende Bearbeitungsschritte bestimmte Werte des Überwachungsparameters kleiner oder größer bzw. ein Grenzwertbereich enger oder weiter gewählt werden. Durch das Anpassen kann darauf reagiert werden, ob der überwachte Laserbearbeitungsprozess stabil oder instabil verläuft.
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Das Anpassen des Grenzwerts für den zumindest einen Überwachungsparameter kann zyklisch erfolgen, beispielsweise nach einer vorgegebenen Anzahl von Bearbeitungsschritten oder einem vorgegebenen Zeitintervall.
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Das Anpassen des Grenzwerts für den zumindest einen Überwachungsparameter kann erfolgen, wenn eine vorgegebene Anzahl von aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten als fehlerhaft erkannt werden, oder, wenn eine maximale Fehlerrate überschritten ist. Eine Fehlerrate kann definiert sein als eine Anzahl von Bearbeitungsschritten, bei denen der Grenzwert des zumindest einen Überwachungsparameters überschritten ist, bezogen auf eine vorgegebene Gesamtzahl von Bearbeitungsschritten. Die Fehlerrate kann beispielsweise in Prozent (also bezogen auf 100 Bearbeitungsschritte) oder in Promille (also bezogen auf 1000 Bearbeitungsschritte) angegeben werden. Die maximale Fehlerrate kann zwischen 0,1% und 100% liegen. Die vorgegebene Anzahl von aufeinanderfolgenden fehlerhaften Bearbeitungsschritten kann zwischen 3 und 1000, vorzugsweise zwischen 5 und 10 liegen.
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Das Anpassen des Grenzwerts für den zumindest einen Überwachungsparameter kann das Verkleinern des Grenzwerts oder das Vergrößern des Grenzwerts umfassen. Das Verkleinern des Grenzwerts kann das Verringern eines Betrags des Grenzwerts umfassen, und das Vergrößern kann das Erhöhen eines Betrags des Grenzwerts umfassen. Das Anpassen des Grenzwerts für den zumindest einen Überwachungsparameter kann basierend auf Messsignalen einer vorgegebenen Anzahl von vorausgehenden Bearbeitungsschritten erfolgen. Beispielsweise kann das Anpassen des Grenzwerts für den zumindest einen Überwachungsparameter basierend auf den während der letzten n ausgeführten Bearbeitungsschritte erfassten Messsignalen der Messgröße erfolgen, wobei n eine natürliche Zahl ist. Beispielsweise kann basierend auf den während der letzten n ausgeführten Bearbeitungsschritte erfassten Messsignalen ein Trend, eine Steigung oder ein Mittelwert oder ein Median der Messgröße berechnet werden. Die Anpassung des Grenzwerts kann beispielsweise eine relative oder eine absolute Anpassung des Grenzwerts sein.
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Das Anpassen kann das Entscheiden, ob der Laserbearbeitungsprozess stabil oder instabil verläuft, umfassen. Das Anpassen kann ferner das Anpassen des Grenzwerts basierend auf der Entscheidung umfassen. Bei der Anpassung von Grenzwerten von Überwachungsparametern kann also berücksichtigt werden, ob der Laserbearbeitungsprozess stabil oder instabil ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserbearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls angegeben, welches dazu eingerichtet ist, das vorstehende Verfahren auszuführen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben. In den Figuren zeigt:
- 1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses zum Bearbeiten von Werkstücken gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ein Flussdiagramm einer Einstellphase eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 3 ein Flussdiagramm einer Überwachungsphase eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 4A eine schematische Darstellung einer Mittelwertkurve und von Hüllkurven, die durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung festgelegt werden; und
- 4B ein während eines Bearbeitungsschritts für eine Messgröße erfasstes Messsignal und eine Veranschaulichung von Überwachungsparametern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden werden, sofern nichts anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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Der Laserbearbeitungsprozess kann beispielsweise einen Laserschneid- und/oder eine Laserschweißprozess umfassen. Das Verfahren zur Überwachung wird während des Laserbearbeitungsprozesses ausgeführt. Im Laserbearbeitungsprozess werden nacheinander eine Mehrzahl von sich wiederholenden Bearbeitungsschritten ausgeführt. Hierbei kann ein Bearbeitungsschritt pro Werkstück oder mehrere Bearbeitungsschritte pro Werkstück ausgeführt werden.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst das Verfahren eine Einstellphase 101 und eine Überwachungsphase 102, wobei sowohl in der Einstellphase als auch in der Überwachungsphase fortlaufend die sich wiederholenden Bearbeitungsschritte durchgeführt werden. Nach einem vorgegebenen Einstellintervall oder nach einer vorgegebenen Anzahl von während der Einstellphase 101 ausgeführten Bearbeitungsschritten kann von der Einstellphase 101 in die Überwachungsphase 102 gewechselt werden (Pfeil 103). Von der Überwachungsphase 102 kann in die Einstellphase 101 gewechselt werden, wenn eine Prozessänderungs-Bedingung erfüllt ist (Pfeil 104), wie nachstehend beschrieben ist.
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Sowohl in der Einstellphase 101 als auch in der Überwachungsphase 102 werden während eines jeden Bearbeitungsschritts ein Signalverlauf bzw. ein Messsignal mindestens einer Messgröße erfasst oder aufgenommen. Dabei wird während der Bearbeitung von Werkstücken die Messgröße kontinuierlich erfasst bzw. gemessen, um ein entsprechendes Messsignal zu erhalten. Die Messsignale der Messgrößen werden anschließend für jeden Bearbeitungsschritt beurteilt.
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Bei der Messgröße kann es sich um eine Temperatur, einen Wellenlängenbereich der Prozessemissionen, eine Intensität einer durch die Bearbeitung entstehenden Plasmastrahlung, die Intensität von Prozessemissionen im infraroten Spektralbereich des Lichts, wie Temperaturstrahlung, die Intensität von Prozessemissionen im sichtbaren Spektralbereich des Lichts oder die Intensität eines zurückgestreuten oder reflektierten Teil des Laserbearbeitungsstrahls handeln.. Das Messsignal kann eine Mehrzahl von Messpunkten oder Messwerten umfassen, die unterschiedlichen Zeitpunkten des Bearbeitungsschrittes zugeordnet sind. Mit anderen Worten ist das Messsignal eine Menge dieser über die Zeitdauer eines Bearbeitungsschritts aufgenommenen Messwerte. Im Allgemeinen wird in jedem Bearbeitungsschritt ein Messsignal pro Messgröße aufgenommen.
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2 zeigt ein Flussdiagramm einer Einstellphase eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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In 2 umfasst die Einstellphase 101 gemäß Ausführungsformen das Bestimmen einer Mittelwertkurve (Schritt 201), und das Bestimmen von Hüllkurven (Schritt 202) für jede Messgröße. Das Bestimmen der Mittelwertkurve basiert auf den für die jeweilige Messgröße während der Einstellphase 101 in einer Mehrzahl von Bearbeitungsschritten erfassten Messsignalen, was nachfolgend mit Bezug auf 4A und 4B beschrieben ist. Die Hüllkurven werden anschließend anhand der Mittelwertkurve bestimmt.
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Das Verfahren umfasst in der Einstellphase 101 ferner das Festlegen eines Grenzwerts für jeden Überwachungsparameter (Schritt 203). In einem Beispiel kann pro ausgeführtem Bearbeitungsschritt ein Messsignal jeweils für eine oder mehrere Messgrößen erfasst werden. Für jede dieser Messgrößen sind ein oder mehrere Überwachungsparameter definiert. Basierend auf den Messsignalen, die während der Einstellphase 101 für eine Mehrzahl von Bearbeitungsschritten erfasst wurden, wird in der Einstellphase 101 ein Grenzwert jeden Überwachungsparameter festgelegt. Gemäß einer Ausführungsform kann der jeweilige Grenzwert basierend auf der Mittelwertkurve und/oder basierend auf den Hüllkurven festgelegt werden. Wenn in der Überwachungsphase der zuvor festgelegte Grenzwert eines vorgegebenen Überwachungsparameters überschritten wird, wird der entsprechende Bearbeitungsschritt als fehlerhaft gewertet. In der Einstellphase findet zumindest keine Überwachung der Grenzwerte oder gar keine Prozessüberwachung statt.
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3 zeigt ein Flussdiagramm einer Überwachungsphase 102 eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Ziel der Überwachungsphase ist das automatische Erkennen von Änderungen am Schweißprozess (Prozessänderung) und das Anpassen der Überwachung. Die Überwachung in der Überwachungsphase erfolgt parametrisiert anhand von vorgegebenen Überwachungsparametern, die jeweils abhängig von einer oder von mehreren Messgrößen definiert sind.
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Die Überwachungsphase 102 umfasst das Ermitteln eines Werts für jeden Überwachungsparameter für einen während der Überwachungsphase 102 ausgeführten Bearbeitungsschritt (Schritt 301). Der Überwachungsparameter-Wert wird basierend auf dem während des Bearbeitungsschritts erfassten Messsignals der mindestens einen Messgröße, von der der Überwachungsparameter abhängig ist, ermittelt. Anschließend wird der ermittelte Überwachungsparameter-Wert für den Bearbeitungsschritt mit dem in der Einstellphase 101 oder Überwachungsphase 102 festgelegten Grenzwert für diesen Überwachungsparameter verglichen (Schritt 302). Der Vergleich dient zur Erkennung eines fehlerhaften Bearbeitungsschritts. Gemäß einer Ausführungsform wird ein Bearbeitungsschritt als fehlerhaft erkannt oder gekennzeichnet, wenn der ermittelte Überwachungsparameter-Wert den entsprechenden Grenzwert überschreitet. Vorzugsweise wird dann ein Fehler ausgegeben. Der Fehler kann beispielsweise an einen Benutzer des Laserbearbeitungsprozesses ausgegeben oder angezeigt werden, oder kann in einem Fehlerspeicher abgespeichert werden. Zudem kann das Werkstück, welches in dem Bearbeitungsschritt bearbeitet wurde, als „schlecht“ oder „fehlerhaft“ markiert werden.
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Parallel zu den Schritten 301 und 302 wird in der Überwachungsphase 102 basierend auf zumindest einem Messsignal von zumindest einem Bearbeitungsschritt, der während der Überwachungsphase ausgeführt wurde, ermittelt, ob eine Prozessänderungs-Bedingung erfüllt ist. Das Ermitteln, ob eine Prozessänderungs-Bedingung erfüllt ist, kann beispielsweise basierend auf erfassten Messsignalen von einer einzelnen Messgröße während einer Mehrzahl von ausgeführten Bearbeitungsschritten bzw. basierend auf erfassten Messsignalen von einer Mehrzahl von Messgrößen während eines einzelnen Bearbeitungsschritts bzw. basierend auf erfassten Messsignalen von einer Mehrzahl von Messgrößen während einer Mehrzahl von ausgeführten Bearbeitungsschritten erfolgen.
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Zu Änderungen des Laserbearbeitungsprozesses, oder kurz „Prozessänderungen“, zählen beispielsweise die Änderungen des Materials der zu bearbeitenden Werkstücke, die Änderung des Verschmutzungsgrads der zu bearbeitenden Werkstücke, die Anpassung der Laserleistung, ein Chargenwechsel der zu bearbeitenden Werkstücke etc.. Dies hat eine Änderung der Messsignale der einzelnen Messgrößen zu Folge. Ein Erkennen einer Prozessänderung führt daher erfindungsgemäß zum erneuten Durchführen der Einstellphase, um zumindest eines der Hüllkurven, der Mittelwertkurve und der Grenzwerte für die Überwachungsparameter erneut zu ermitteln. Die Prozessänderungs-Bedingung kann beispielsweise erfüllt sein, wenn eine Ausreißerhäufigkeit einen vorgegebenen Wert überschreitet. Ein Ausreißer ist hier definiert als ein Messwert des Messsignals, der außerhalb der Hüllkurven liegt. Beispielsweise wird von der Überwachungsphase zurück in die Einstellphase gewechselt wenn mehr als 80% des Messsignals außerhalb der Hüllkurven liegt.
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Auch ohne Prozessänderung kann ein Laserbearbeitungsprozess unterschiedlich stabil verlaufen. Vorzugsweise können die Grenzwerte regelmäßig abhängig davon eingestellt oder angepasst werden, ob der Laserbearbeitungsprozess eine stabile oder eine instabile Phase durchläuft. Bei einem stabil verlaufenden Laserbearbeitungsprozess können die Fehlerbedingungen, insbesondere die Grenzwerte für die Überwachungsparameter, enger oder strenger eingestellt werden, bei einem instabil verlaufenden Laserbearbeitungsprozess hingegen können die Fehlerbedingungen weiter oder großzügiger bzw. toleranter eingestellt werden. Diese automatische Anpassung eines Grenzwerts für einen Überwachungsparameter kann basierend auf den für mehrere vorausgehende Bearbeitungsschritte ermittelten Werten des Überwachungsparameters erfolgen. Beispielsweise kann der Grenzwert verkleinert werden, wenn die Überwachungsparameter-Werte der letzten z.B. zehn Bearbeitungsschritte weniger als z.B. 80% des Grenzwerts betrugen. Die Anpassung der Grenzwerte in der Überwachungsphase (d.h. ohne Anpassung der Mittelwertkurve oder der Hüllkurven) kann ausgelöst werden bei einer vorgegebenen Anzahl von Bearbeitungsschritten, beispielsweise nach 10 Bearbeitungsschritten. Das kann auch als zyklische Anpassung bezeichnet werden. Darüber hinaus kann die Anpassung der Grenzwerte in der Überwachungsphase ausgelöst werden, wenn eine vorgegebene Anzahl von Folgefehlern überschritten wird, d.h. eine vorgegebene Anzahl von aufeinanderfolgenden und als fehlerhaft bewerteten Bearbeitungsschritten, oder wenn eine vorgegebene Fehlerrate überschritten wird, z.B. wenn mehr als 1% der durchgeführten Bearbeitungsschritte als fehlerhaft bewertet werden.
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4A zeigt eine schematische Darstellung einer Mittelwertkurve und von Hüllkurven, die durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung festgelegt wurden.
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Wie in 4A gezeigt, enthält das Diagramm mehrere Messsignale einer Messgröße (gestrichelte Linien), die jeweils in einem Bearbeitungsschritt während der Einstellphase 101 erfasst wurden. Die Messsignale werden also für gleichartige, nacheinander in der Einstellphase ausgeführte Bearbeitungsschritte erfasst und in dem Diagramm übereinandergelegt. Die Zeitdauer eines Bearbeitungsschritts ist mit tB gekennzeichnet. Gemäß einer Ausführungsform werden basierend auf diesen Messsignalen eine Mittelwertkurve 401, sowie eine obere Hüllkurve 402 und eine untere Hüllkurve 403 für die Messgröße bestimmt. Die Bestimmung erfolgt gemäß einer Ausführungsform basierend auf statistischen Methoden, beispielsweise einer Box-Plot-Analyse, einer Mittelwertberechnung etc.
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Die Hüllkurven 402 und 403 können, wie in 4A gezeigt, denselben Abstand von der Mittelwertkurve 401 haben, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Wie in 4A gezeigt, wurde der Abstand der Hüllkurven 402 so bestimmt, dass alle Messsignale innerhalb des durch die obere Hüllkurve 402 und untere Hüllkurve 403 gebildeten Korridors oder Fensters liegen. Die Hüllkurven 402 und 403 können direkt basierend auf den Messsignalen für die jeweilige Messgröße festgelegt werden. Alternativ werden die Hüllkurven 402 und 403 basierend auf der Mittelwertkurve 401 festgelegt, beispielsweise können die obere bzw. untere Hüllkurve durch eine Abweichung von +20% bzw. -20% von der Mittelwertkurve 401 bestimmt sein.
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4B zeigt ein Messsignal 501, das während eines Bearbeitungsschritts in der Überwachungsphase für eine Messgröße erfasst worden ist, und veranschaulicht mehrere Überwachungsparameter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 4B zeigt ferner die während der Einstellphase festgelegte Mittelwertkurve 401 und die Hüllkurven 402 und 403.
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Die Überwachungsparameter umfassen beispielsweise einen Ausreißerabstand. Ein Ausreißer bezeichnet hierbei gemäß Ausführungsformen einen Messwert, der außerhalb der Hüllkurven 402, 403 liegt. Der Ausreißerabstand ist entsprechend definiert als der Abstand zwischen einem Messwert des Messsignals 501, der außerhalb der Hüllkurven 402, 403 liegt, und der nächstliegenden Hüllkurve 402, 403. Wie in 4B gezeigt, weist das Messsignal 501 zwei Bereiche 502a, 502b auf, bei denen das Messsignal 501 außerhalb der Hüllkurven 402, 403, d.h. außerhalb des durch die Hüllkurven 402, 403 definierten Fensters oder Korridors, liegt. Gemäß Ausführungsformen kann der Ausreißerabstand als maximaler Abstand 503 eines Messwerts des Messsignals 501, der außerhalb der Hüllkurven 402, 403 liegt, und der nächstliegenden Hüllkurve 402, 403 definiert sein.
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Die Überwachungsparameter können ferner eine Fläche oder das Integral des zum Ausreißerabstand gehörigen Bereichs 502b des Messsignals 501 außerhalb der Hüllkurven 402, 403 umfassen. Bei dem Integral kann es sich um ein Integral über denjenigen Bereich des Messsignals 501, der außerhalb der Hüllkurven 402, 403 liegt und den Ausreißer-Messwert umfasst, handeln. Bei der Fläche oder dem Integral kann es sich um eine Summe von Beträgen mehrerer Flächen oder ein Integral über Bereiche 502a, 502b des Messsignals 501 außerhalb der Hüllkurven 402, 403 handeln. Bei dem in 4B gezeigten Messsignal 501 liegen die Messwerte in den Bereichen 502a, 502b außerhalb der Hüllkurven 402, 403. Diesen Bereichen 502a, 502b ist jeweils eine Fläche oder Integral gemäß der oben genannten Definition zugeordnet (schraffierte Flächen). Die Fläche oder das Integral kann auch die Fläche oder das Integral sein, welches dem Bereich 502b mit dem maximalen Ausreißerabstand 503 entspricht. Bei dem in 4B gezeigten Messsignal 501 entspricht dies der Fläche, die dem Bereich 502b zugeordnet ist, da dieser den Messwert mit dem maximalen Ausreißerabstand 503 enthält.
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Die Überwachungsparameter können ferner ein Integral des Messsignals 501 über die Dauer tB des Bearbeitungsschritts umfassen. Das Integral des Messsignals 501 kann beispielsweise ein Integral über die Zeit eines Abstands 505 des Messsignals 501 von einem Referenzwert 504 sein. Wie in 4A gezeigt, kann der Referenzwert 504 ein konstanter Wert, auch gleich Null, sein, er ist darauf jedoch nicht beschränkt.
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Durch das offenbarte Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses zur Bearbeitung von Werkstücken können Überwachungsparameter automatisch neu eingestellt oder entsprechend der Prozessstabilität angepasst werden. Die Überwachungsparameter können insbesondere nach dem Erkennen von größeren Prozessänderungen durch den Wechsel von der Überwachungsphase zurück in die Einstellphase automatisch neu eingestellt werden. Ferner können Grenzwerte von Überwachungsparametern in der Überwachungsphase an kleinere Prozessänderungen bzw. an Änderungen der Prozessstabilität angepasst werden, d.h. basierend darauf, ob ein Bearbeitungsschritt des Laserbearbeitungsprozesses stabiler oder instabiler als in vorausgehenden Bearbeitungsschritten verläuft. Dadurch wird ein manuelles Eingreifen und Anpassen der Überwachungsparameter überflüssig und der Laserbearbeitungsprozess kann fortlaufend in einer Abfolge von mehreren Einstellphasen und Überwachungsphasen erfolgen.
