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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, eine Verwendung einer ereignisbasierten Kamera, ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2017 217 275 A1 offenbart die Verwendung eines eventbasierten Bildsensors zur Erkennung eines Blattrandes bei mit Hilfe eines eventbasierten Bildsensors aufgenommenen Bildern.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2017 207 852 A1 ist eine Branddetektionsvorrichtung zur Detektion eines mögliches Brandes, Feuers oder von Rauch in einem Überwachungsbereich bekannt, wobei die Branddetektionsvorrichtung mindestens einen flächiger Dynamic-Vision-Sensor bzw. einen ereignisbasierten Sensor zur Aufnahme des Überwachungsbereiches umfasst.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 101 03 255 A1 offenbart ein Verfahren zur automatischen Beurteilung eines Laserbearbeitungsprozesses, wobei der Laserbearbeitungsprozess mittels einer Kamera mit hohem Dynamikbereich hinsichtlich Strahlungsdichte und Aufnahmegeschwindigkeit aufgezeichnet wird, wobei hierdurch zuverlässig unterschieden werden kann, ob bei einem Laserschweißprozess unerwünschte Spritzer aufgetreten sind oder nicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere zur Überwachung eines Laserschweißprozesses, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, während des Laserbearbeitungsprozesses entstandene Spritzer durch Auswertung von Sensordaten zu detektieren, wobei eine ereignisbasierte Kamera die auszuwertenden Sensordaten während des Laserbearbeitungsprozesses erzeugt, hat demgegenüber den Vorteil, dass eine aufwändige Nachbearbeitung der erzeugten Sensordaten nicht notwendig ist, da ein Großteil des Erfassungsbereiches der ereignisbasierten Kamera statisch und damit unverändert ist und die von der ereignisbasierten Kamera aufgenommenen Veränderungen hauptsächlich von den Spritzer und von dem einfach zu klassifizierenden Schmelzbad herrühren. Die Detektion von Spritzern soll sowohl die direkte Detektion der Spritzer als ein End- oder Zwischenergebnis der Auswertung als auch die indirekte Verwendung von Sensordaten, die Spritzer betreffen, umfassen.
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Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass eine ereignisbasierte Kamera im Bereich der hochenergiereichen Lasermaterialbearbeitung zur Spritzererkennung besonders vorteilhaft einsetzbar ist.
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Die Auswertung von Ereignissen einer ereignisbasierten Kamera („Dynamic Vision Sensor“ oder „Asynchronous Light Sensoren“) anstelle von Bilddaten einer Hochgeschwindigkeitskamera hat die nachfolgenden Vorteile für die Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere für die Überwachung eines Laserschweißprozesses. Durch die geringe Datenrate sind die Anforderungen an die Auswerteeinheit, insbesondere bezüglich des Speichers, gering. Zudem benötigt eine ereignisbasierte Kamera aufgrund der kompakten Bauform nur einen kleinen Bauraum und kann daher einfach in eine Laserbearbeitungsmaschine integriert werden. Zudem weist eine ereignisbasierte Kamera ein hohes zeitliches Auflösungsvermögen auf und ist daher besonders gut für die Überwachung von hochdynamischen Vorgängen und überraschender Weise auch für die Erkennung hochenergetischer Spritzer geeignet. Zur Spritzerdetektion beim Laserstrahlschweißen lassen sich die Vorteile der ereignisbasierten Kamera nutzen, da der Laserschweißprozess von Events in Form von Spritzern geprägt ist und ein Großteil des Bildes ansonsten statisch ist, so dass keine für die Auswertung unnötigen Datenmengen erzeugt werden. Besonders vorteilhaft ist, dass die beschriebene Vorrichtung eine geregelte Prozessführung bei Laserbearbeitungsprozessen, insbesondere auch bei Serienfertigungen, ermöglicht.
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Die Funktionsweise einer ereignisbasierten Kamera ist ähnlich der Arbeitsweise der menschlichen Retina. Beispielsweise ist die ereignisbasierte Kamera ausgebildet, statt dem unnötigen Übersenden vollständiger Bilder in konstanter Framerate, nur lokale Änderung in Zellen und/oder Pixeln der ereignisbasierten Kamera zu senden, wobei die Änderungen beispielsweise von einer Bewegung wie bei Spritzern und/oder einer Veränderung in der von der ereignisbasierten Kamera zu erfassenden Szene, wie beim Schmelzbad, herrührt. Daher wird die ereignisbasierte Kamera auch als der Dynamic-Vision-Sensor (DVS) oder ereignisbasierter Sensor oder Event basierter Sensor oder Eventsensor oder event based sensor oder Veränderungssensor bezeichnet. Insbesondere ist die ereignisbasierte Kamera ausgebildet, Veränderungen in den Pixeln und/oder Zellen zu dem Zeitpunkt zu senden, an dem sie auftreten. Dies führt beispielsweise zu einer zeitlichen Auflösung im Mikrosekundenbereich. Die ereignisbasierte Kamera umfasst eine Zellenmatrix mit Zellen. Insbesondere können die Zellen der Zellenmatrix als Pixel aufgefasst werden. Die ereignisbasierte Kamera ist ausgebildet, Intensitätsänderungen in einer Zelle der Zellenmatrix als Intensitätsdaten zu bestimmen. Insbesondere ist die ereignisbasierte Kamera ausgebildet, die Intensitätsänderungen in einem vorbestimmten Zeitintervall t1 zu detektieren, in dem sie auftreten. Vorzugsweise ergibt sich das Zeitinterwall t1 aus den der ereignisbasierten Kamera detektierten Zeitpunkten einer Intensitätsänderung. Ereignisbasierte Kameras stellen daher eine änderungssensitive Form einer Kamera da, deren Funktionsweise aus der Biologie des menschlichen Auges heraus adaptiert wurde. Die ereignisbasierte Kamera nimmt nicht wie klassische Bildsensoren, wie beispielsweise CMOS-Bildsensoren, in äquidistanten Zeitschritten Bilder auf, sondern misst Intensitätsdifferenzen somit an einzelnen Pixelpositionen und sendet nur diese unverzüglich mit Mikrosekundengenauigkeit und Millisekunden-Latenz. Wenn sich die Intensität eines Pixels nicht oder nur geringfügig ändert, wird somit kein Ereignis (Event) ausgelöst und für diesen Pixel keine Daten gesendet. Zusammenfassend weist die ereignisbasierte Kamera eine hohe Dynamik von > 120 dB bei einer hohen zeitlichen Auflösung von < 1 µs auf. Ferner weist die ereignisbasierte Kamera eine geringe Latenz von < 10 µs auf. Durch die geringe Datenrate sind die Anforderungen an die Bandbreite, die Speicher und die Computerleistung für die Übertragung, die Speicher und die Nachverarbeitung gering. Zudem zeichnet sich die ereignisbasierte Kamera durch eine kompakte Bauform aus. Im Vergleich zu technisch aufwendigen Hochgeschwindigkeitskameras ist die ereignisbasierte Kamera zudem vergleichsweise kostengünstig.
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Vorteilhaft ist, dass die Ereignisdaten eine Zeitangabe des Ereignisses und/oder eine Positionsangabe des Ereignisses und/oder Intensitätsänderungsangabe des Ereignisses umfassen, da dies eine Beschreibung des Ereignisses ermöglicht.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die ereignisbasierte Kamera eingerichtet ist, die Ereignisdaten in Form von Textdaten auszugeben, da Textdaten zum einen ein einfach zu verarbeitendes Dateiformat sind und zum anderen auch von einem Überwachungspersonal zu lesen und damit kontrollierbar sind.
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Vorteilhaft ist ferner, dass die ereignisbasierte Kamera eingerichtet ist, die Ereignisdaten für jeden Pixel unmittelbar dann auszugeben, sobald die ereignisbasierte Kamera ein Ereignis detektiert. Die Ereignisdaten werden somit zeitlich asynchron und unabhängiger von einer Taktung erzeugt und ausgegeben. Dies hat den Vorteil, dass nur dann Ereignisdaten ausgegeben werden, wenn tatsächlich ein Ereignis detektiert wurde bzw. wenn tatsächlich eine Änderung in der beobachteten Szene stattgefunden hat. Insgesamt führt dies zu einer geringen Datenmenge. Die ereignisbasierte Kamera ist dabei eingerichtet, die Ereignisdaten als x-y-Positions-Adresse auf einem asynchronen Bus auszugeben. Dabei sind die Pixel der ereignisbasierten Kamera eingerichtet, ohne Synchronisationssignale autonom Ereignisdaten zu erzeugen und auszugeben, so dass keine Bildrahmen („frames“) erzeugt werden.
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Besonders vorteilhaft ist, dass eine Auswerteeinheit eingerichtet ist, die detektierten Spritzer in Form von Ausgangsdaten auszugeben, wobei die Ausgangsdaten insbesondere Angaben zur Anzahl der detektierten Spritzer und/oder Angaben zur Größe des oder der detektierten Spritzer und/oder Angaben zur Geschwindigkeit des oder der detektierten Spritzer und/oder Angaben zur Richtung des oder der detektierten Spritzer umfassen. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass die innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters entstandenen Ereignisse in einem x-y-Ortsdiagramm eingetragen werden und die Angaben zur Größe der detektierten Spritzer und/oder die Angaben zur Geschwindigkeit der detektierten Spritzer und/oder die Angaben zur Richtung der detektierten Spritzer daraus abgeleitet werden, indem beispielsweise aus der Breite der Gerade oder der Bahnkurve die Größe des detektierten Spritzers und/oder aus der Länge der Geraden oder der Bahnkurve die Geschwindigkeit des detektierten Spritzers und/oder aus der Richtung der Geraden oder der Bahnkurve die Richtung des erzeugten Spritzers abgeleitet wird. Diese Auswertung hat den Vorteil, dass die entstandenen Spritzer besser klassifizierbar sind und somit eine darauf aufbauende Regelung des Laserbearbeitungsprozesses genauer arbeiten kann.
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Vorteilhaft ist ferner, dass die Vorrichtung eine Regelungseinheit umfasst, wobei die Regelungseinheit eingerichtet ist, den Laserbearbeitungsprozess in Abhängigkeit der Sensordaten der ereignisbasierten Kamera und/oder in Abhängigkeit der Ausgangsdaten der Auswerteeinheit den Laserbearbeitungsprozess derart zu regeln, dass eine Anzahl der Spritzer minimiert wird. Besonders vorteilhaft ist die Regelung des Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere des Laserschweißprozesses, unmittelbar in Abhängigkeit der Sensordaten der ereignisbasierten Kamera ohne eine weitere Auswertung der erzeugten Sensordaten, da hierdurch geringe Hardwareressourcen benötigt werden und die Regelung zudem schnell und insgesamt effizient erfolgen kann. Die Regelung erfolgt beispielsweise dadurch, dass als Ist-Größe die Anzahl der Ereignisse pro Zeiteinheit mit einer gewünschten Anzahl von Ereignissen pro Zeiteinheit als Soll-Größe verglichen wird und als Stellgröße ein oder mehrere Prozessparameter, beispielsweise die Laserleistung, eingestellt werden. In einer Variante ist vorgesehen, dass lediglich Ereignisse aus einem vorgegebenen Erfassungsbereich der ereignisbasierten Kamera verwendet werden, indem beispielsweise lediglich der Erfassungsbereich verwendet wird, in dem sich kein Schmelzbad befindet, aber in dem mit dem Auftreten von Spritzer zu rechnen ist.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, eine Beschädigung von Bauteilbereichen durch Spritzer und/oder eine Veränderung an Betriebsmitteln zur Durchführung des Laserbearbeitungsprozesses zu detektieren. Diese zusätzliche Funktionalität trägt dazu bei, eine aktuelle oder eine wahrscheinliche zukünftige Beschädigung empfindlicher Bereiche von Bauteilen zu erkennen und den Laserbearbeitungsprozess entweder zu verändern und/oder zu stoppen. Auch kann hierdurch frühzeitig eine Veränderung von Betriebsmitteln, wie dem Laser oder einer Laseroptik, erkannt werden und dadurch insbesondere Bauteilausschuss vermieden werden.
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Vorteilhaft ist eine im Wesentlichen koaxiale Erfassung der Laserbearbeitungszone des Laserbearbeitungsprozesses durch die ereignisbasierte Kamera. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die koaxiale Erfassung der Laserbearbeitungszone im Vergleich zu anderen Erfassungswinkeln den größten Informationsgehalt bezüglich der entstandenen Spritzern aufweist. Die koaxiale Erfassung erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die ereignisbasierte Kamera selbst koaxial zum Laserstrahl ausgerichtet ist. In einer Variante erfolgt die koaxial Erfassung indem über eine Umlenkeinheit, beispielsweise einen Strahlteiler oder Umlenkspiegel, lediglich der Erfassungsbereich koaxial zum Laserstrahl ausgerichtet ist, während die ereignisbasierte Kamera abweichend von der koaxialen Ausrichtung ausgerichtet ist. In einer Variante sind der Strahlteiler und/oder der Umlenkspiegel wellenlängensensitiv beschichtet.
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Besonders vorteilhaft ist ferner, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, aus zeitlich aufeinanderfolgenden Ereignisdaten der Spritzer und/oder Ereignisdaten eines Schmelzbades ein Standbild zu fusionieren. Dabei ist die Auswerteeinheit insbesondere eingerichtet, einzelne Pixel des als x-y-Ortsdiagramm ausgebildeten Standbildes dann zu aktivieren, wenn die ereignisbasierte Kamera an der vorgegebenen Pixelposition ein Ereignis während eines vorgegebenen Zeitraumes detektiert hat und die Pixel inaktiv zu belassen, an deren Pixelposition die ereignisbasierte Kamera während des vorgegebenen Zeitraumes kein Ereignis detektiert hat. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit eingerichtet, aus dem fusionierten Standbild die Ausgangsdaten zu den detektierten Spritzern, wie Angaben zur Anzahl der detektierten Spritzer und/oder Angaben zur Größe der detektierten Spritzer und/oder Angaben zur Geschwindigkeit der detektierten Spritzer und/oder Angaben zur Richtung der detektierten Spritzer, zu berechnen. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Vorrichtung eine Anzeigeeinheit, wobei die Anzeigeeinheit eingerichtet ist, das Standbild anzuzeigen. Das Standbild hat den Vorteil, dass zum einen die Auswertung der Ereignisdaten vereinfacht und zum anderen die Visualisierung der detektierten Spritzer verbessert wird. In einer Variante ist die Auswerteeinheit eingerichtet, Ansichten der zeitlichen Verlaufsfolge der Ereignisdaten zu berechnen. Dies ist besonders vorteilhaft zur Visualisierung der Bewegung detektierter Spritzer und/oder einer zeitlichen Veränderung des Schmelzbades. Dabei ist die Visualisierung insbesondere so eingerichtet, dass x-t und/oder y-t Zeitdiagramme und/oder dreidimensionale x-y-t Diagramme dargestellt werden. Die Ansicht der zeitlichen Verlaufsfolge der Ereignisdaten hat den Vorteil, dass die Visualisierung der zeitabhängigen Veränderungen der detektierten Spritzer und/oder des Schmelzbades verbessert wird.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere zur Überwachung eines Laserschweißprozesses, wobei während des Laserbearbeitungsprozesses entstandene Spritzer durch Auswertung von Sensordaten detektiert werden, wobei die während des Laserbearbeitungsprozesses von einer ereignisbasierten Kamera erzeugten Sensordaten zur Detektion der Spritzer ausgewertet werden. Zudem betrifft die Erfindung die Verwendung einer ereignisbasierten Kamera zur Detektion von während eines Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere während eines Laserschweißprozesses, entstandenen Spritzern.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das beschriebene Verfahren durchzuführen. Hierbei kann das Verfahren beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware in der Vorrichtung, Auswerteeinheit und/oder der Regeleinheit implementiert sein. Hierzu umfasst die Vorrichtung vorzugsweise eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Eingangsschnittstelle, insbesondere zu der ereignisbasierten Kamera und zumindest eine Ausgangsschnittstelle zum Ausgeben von Daten. Die Verarbeitungseinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flashspeicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Eingangsschnittstelle und/oder die Ausgangsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, das auf einem maschinenlesbaren, insbesondere nicht flüchtigen Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt wird.
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Die vorstehend beschriebenen Vorteile der Vorrichtung gelten entsprechend für die Verwendung der ereignisbasierten Kamera, das Verfahren, das Computerprogramm und das Speichermedium. Zudem sind die Merkmale der Vorrichtung auch entsprechende Merkmale der Verwendung, des Verfahrens, des Computerprogrammes und des Speichermediums.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Figuren und aus den abhängigen Ansprüchen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses,
- 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses,
- 3 ein an einer Anzeigeeinheit angezeigtes Standbild, und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Nachfolgend wird eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere zur Überwachung eines Laserschweißprozesses, beschrieben. Die Vorrichtung ist eingerichtet, während des Laserbearbeitungsprozesses entstandene Spritzer durch Auswertung von Sensordaten zu detektieren, wobei die Vorrichtung eine ereignisbasierte Kamera umfasst, wobei die ereignisbasierte Kamera die auszuwertenden Sensordaten während des Laserbearbeitungsprozesses erzeugt. Ferner wird ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses beschrieben, wobei während des Laserbearbeitungsprozesses entstandene Spritzer durch Auswertung von Sensordaten detektiert werden, wobei die während des Laserbearbeitungsprozesses von einer ereignisbasierten Kamera erzeugten Sensordaten zur Detektion der Spritzer ausgewertet werden. Zudem wird die Verwendung einer ereignisbasierten Kamera zur Detektion von während eines Laserbearbeitungsprozesses entstandenen Spritzern, sowie ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium beschrieben.
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Bei dem nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zur Prozessbeobachtung bei der Laser-Materialbearbeitung ein „Event based Vision“ Sensor auf die Laserbearbeitungszone, vorzugsweise koaxial, gerichtet. Die Sensordaten werden anschließend derart verarbeitet, dass Spritzer eindeutig identifiziert und hinsichtlich Anzahl, Größe, Geschwindigkeit und/oder Richtung charakterisiert werden. Durch die Detektion der Spritzer kann eine Beschädigung schweißnahtnaher Bauteilbereiche durch Spritzer überwacht werden, Veränderungen an Betriebsmittel registriert und/oder der Prozess hinsichtlich minimaler Spritzeranzahl optimiert werden. Dabei kann die Optimierung derart ausgeführt sein, dass als Regelsignal die Ereignisse (events) des Event based Vision Sensors herangezogen werden. Die Verwendung der Erfindung kann durch die eingesetzte Kameratechnik in Form des Event based Vision Sensors anhand des Aufbaus der Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses identifiziert werden. Des Weiteren ist es möglich anhand des Datenformates in Form von Text („txt“ mit Event und Zeitdaten, anstelle von rahmenbasierten Bilddaten) die Verwendung der ereignisbasierten Beobachtungstechnologie nachzuweisen.
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1 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung 10 zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses umfassend eine ereignisbasierte Kamera 12. Die ereignisbasierte Kamera 12 ist derart ausgerichtet, dass die ereignisbasierte Kamera 12 eine Laserbearbeitungszone des Laserbearbeitungsprozesses koaxial erfasst. Die ereignisbasiere Kamera 12 ist eingerichtet, Ereignisdaten in Form von Sensordaten 24 zeitlich unabhängig dann auszugeben, sobald die ereignisbasierte Kamera 12 ein Ereignis detektiert. Die Sensordaten 24 werden zu einer Auswerteeinheit 14 und/oder zu einer Regelungseinheit 16 übertragen. Die Auswerteeinheit 14 ist eingerichtet, durch Auswertung der übertragenen Sensordaten 24 die während des Laserbearbeitungsprozesses entstandenen Spritzer zu detektieren und die detektierten Spritzer in Form von Ausgangsdaten 26 auszugeben. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die Ausgangsdaten 26 vorzugsweise Angaben zur Anzahl der detektierten Spritzer und/oder Angaben zur Größe der detektierten Spritzer und/oder Angaben zur Geschwindigkeit der detektierten Spritzer und/oder Angaben zur Richtung der detektierten Spritzer. Die Auswerteeinheit 14 überträgt die Ausgangsdaten 26 beispielsweise an die Regelungseinheit 16. Die Regelungseinheit 16 ist wiederum datentechnisch mit einem Laser 20 verbunden, wobei der Laser 20 eingerichtet ist, einen Laserstrahl 22 zur Durchführung des Laserbearbeitungsprozesses zu erzeugen. In einer Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels überträgt die ereignisbasierte Kamera 12 Sensordaten 24 an die Regelungseinheit 16. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Regelungseinheit 16 eingerichtet, den Laserbearbeitungsprozess und im speziellen den Laser 20 unmittelbar in Abhängigkeit der Sensordaten 24 der ereignisbasierten Kamera 12 derart zu regeln, dass eine Anzahl der Spritzer minimiert wird. In einer Variante ist die Regelungseinheit 16 eingerichtet, den Laserbearbeitungsprozess und im speziellen den Laser 20 alternativ oder zusätzlich in Abhängigkeit der Ausgangsdaten 26 der Auswerteeinheit 14 derart zu regeln, dass eine Anzahl der Spritzer minimiert wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinheit 14 alternativ oder zusätzlich eingerichtet, durch Auswertung der Sensordaten 24 eine Beschädigung von Bauteilbereichen durch Spritzer und/oder eine Veränderung an Betriebsmitteln zur Durchführung des Laserbearbeitungsprozesses, wie dem Laser 20, zu detektieren. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Auswerteeinheit 14 den Verlauf der Spritzer überwacht und/oder eine Veränderung der Größe des Schmelzbades detektiert. Die Auswerteeinheit 14 ist ferner dazu eingerichtet, aus zeitlich aufeinanderfolgenden Ereignisdaten der Spritzer und/oder Ereignisdaten eines Schmelzbades ein Standbild zu fusionieren. Dieses fusionierte Standbild wird von der Auswerteeinheit 14 in Form von Bilddaten 48 an eine Anzeigeeinheit 18 übertragen, wobei die Anzeigeeinheit 18 eingerichtet ist, das in den Bilddaten 48 übertragene Standbild anzuzeigen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung 10 zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses nach der 1. Mittels eines von dem Laser 20 erzeugten Laserstrahls 22 wird als Laserbearbeitungsprozess ein Laserschweißprozess durchgeführt, bei dem zwei Teile des Bauteils 30 an einer Stoßkante verschweißt werden. Die eigentliche Verschweißung findet mittels des durch den Laserstrahl 22 erzeugten Schmelzbades 32 im Bereich einer Laserbearbeitungszone 34 statt. Während des Laserschweißprozesses entstehen Spritzer 36. Die Spritzer 36 sind als ovale Materialflecke dargestellt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 10 derart eingerichtet, dass die ereignisbasierte Kamera 12 eine Laserbearbeitungszone 34 des Laserbearbeitungsprozesses im Wesentlichen koaxial erfasst. Im Ausführungsbeispiel ist die ereignisbasierte Kamera 12 senkrecht zum Laserstrahl 22 angeordnet. Durch einen Strahlteiler oder Umlenkspiegel 28 erfasst die ereignisbasierte Kamera 12 die Laserbearbeitungszone 34 mit einem Erfassungsbereich koaxial zum Laserstrahl. Die ereignisbasierte Kamera 12 stellt als Sensordaten Ereignisdaten 40 von Ereignissen 42 zur Verfügung. Aus auf einer Zeitachse 38 aufgetragenen Ereignisse 42 ist ersichtlich, dass die Ereignisse 42 im zeitlichen Verlauf unregelmäßig auftreten. Die Ereignisdaten 40 umfassen eine Zeitangabe des oder der Ereignisse 42 und/oder eine Positionsangabe des oder der Ereignisse 42 und/oder eine Intensitätsänderungsangabe des oder der Ereignisse 42. Wie vorstehend mit Bezug auf die 1 bereits erläutert erzeugt die Auswerteeinheit durch Fusion der einzelnen Ereignisse 42 ein Standbild 44 in Form von Bilddaten 48. Dies geschieht dadurch, indem über einen vorgegebenen Zeitraum an jeder Positionsangabe einer Vielzahl von auftretenden Ereignissen 42 ein Pixel des Standbildes 44 aktiviert wird. Das Standbild 44 wird durch die Anzeigeeinheit 18 dargestellt. Auf dem dargestellten Standbild 44 ist vorliegend das Schmelzbad 32, sowie die Flugbahn 46 von zwei Spritzern zu erkennen.
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3 zeigt das an einer Anzeigeeinheit angezeigte Standbild 44 aus der 2 in einer Detaildarstellung. Jeder Punkt repräsentiert dabei ein einzelnes Ereignis 42. Durch Überlagerung der einzelnen Punkte ist als ovale Form das Schmelzbad 32 und linienförmig die Flugbahnen 46 von zwei Spritzern zu erkennen.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, wobei das Verfahren insbesondere mittels der vorstehend mit Bezug auf die 1 bis 3 beschriebenen Vorrichtung durchgeführt wird. In einem ersten Verfahrensschritt 50 wird der Laserbearbeitungsprozess mittels einer ereignisbasierten Kamera beobachtet. Dabei zeichnet die ereignisbasierte Kamera Sensordaten von der Laserbearbeitungszone und damit insbesondere von dem Schmelzbad, sowie dem umliegenden Bereich des Schmelzbades und damit auch von während des Laserbearbeitungsprozesses entstandenen Spritzern auf. Die ereignisbasierte Kamera erzeugt als Sensordaten Ereignisdaten, insbesondere Ereignisdaten der entstandenen Spritzern und/oder des Schmelzbades als Ereignisse. Die Ereignisdaten umfassen für jedes Ereignis eine Zeitangabe des Ereignisses und/oder eine Positionsangabe des Ereignisses und/oder eine Intensitätsänderungsangabe des Ereignisses. Dabei gibt die ereignisbasierte Kamera die Ereignisdaten in Form einer Textdatei aus. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens gibt die ereignisbasierte Kamera die Ereignisdaten der Ereignisse ungetaktet, insbesondere zeitlich unabhängig und/oder zeitlich asynchron, dann aus, sobald die ereignisbasierte Kamera ein Ereignis detektiert. Ein Ereignis wird dabei dann detektiert, sobald sich die Intensität eines Bildpunktes der ereignisbasierten Kamera um eine vorgegebene Differenz vergrößert oder verkleinert hat. Im zweiten Verfahrensschritt 52 werden die erzeugten Ereignisdaten analysiert und ausgewertet, um entstandene Spritzer zu detektieren. Hierzu werden alle detektierten Ereignisse aus einem vorbestimmten Zeitraum entsprechend der Positionsangabe in einem x-y-Ortsdiagramm als Ereignispunkt positionsrichtig eingetragen. Anschließend wird eine Objekterkennung durchgeführt, wobei Ereignispunkte, die eine Gerade oder eine Bahnkurve bilden als Spritzer und Ereignispunkte in Form eines Kreises oder eines Ovals als Schmelzbad klassifiziert werden. Daran anschließend werden die detektierten Spritzer weiter ausgewertet. Dabei wird aus der Breite der Gerade oder der Bahnkurve die Größe des detektierten Spritzers und aus der Länge der Geraden die Geschwindigkeit des detektierten Spritzers abgeleitet. Ferner wird aus der Richtung der Geraden die Richtung des erzeugten Spritzers bestimmt. In einem daran anschließenden dritten Verfahrensschritt 54 werden als Ausgangsdaten die bestimmten Angaben zur Anzahl der detektierten Spritzer und/oder Angaben zur Größe der detektierten Spritzer und/oder die bestimmten Angaben zur Geschwindigkeit der detektierten Spritzer und/oder die bestimmten Angaben zur Richtung der detektierten Spritzer ausgegeben. In einem daran anschließenden optionalen vierten Verfahrensschritt 56 wird der Laserbearbeitungsprozess in Abhängigkeit der Ausgangsdaten der Auswerteeinheit derart geregelt, dass eine Anzahl der Spritzer minimiert wird. Dies erfolgt dadurch, dass als Ist-Größe die Anzahl der tatsächlichen Spritzer pro Zeiteinheit mit einer gewünschten Anzahl von Spritzer pro Zeiteinheit als Soll-Größe verglichen wird und als Stellgröße ein oder mehrere Prozessparameter, beispielsweise die Laserleistung, eingestellt werden. In einer Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels wird alternativ oder auch zusätzlich zum zweiten, dritten und vierten Verfahrensschritt der Laserbearbeitungsprozess unmittelbar in Abhängigkeit der Sensordaten der ereignisbasierten Kamera derart geregelt, dass eine Anzahl der Spritzer minimiert wird. Dies erfolgt dadurch, dass als Ist-Größe die Anzahl Ereignisse pro Zeiteinheit mit einer gewünschten Anzahl von Ereignissen pro Zeiteinheit als Soll-Größe verglichen wird und als Stellgröße ein oder mehrere Prozessparameter, beispielsweise die Laserleistung, eingestellt werden. Parallel zum vierten Verfahrensschritt 56 wird in einem optionalen fünften Verfahrensschritt 58 eine Beschädigung von Bauteilbereichen durch Spritzer und/oder eine Veränderung an Betriebsmitteln zur Durchführung des Laserbearbeitungsprozesses detektiert. Die potentielle Beschädigung von Bauteilbereichen wird dadurch erkannt, indem bestimmte Richtungen der Spritzer als potentiell bauteilschädigend klassifiziert werden. Beim Vorliegen einer Anzahl von Spritzer über einem vorbestimmten Schwellenwert pro Zeiteinheit wird dies als eine Veränderung von Betriebsmitteln, beispielsweise dem Laser, klassifiziert und als Kriterium verwendet, um den Laserbearbeitungsprozess abzubrechen. Parallel zum vierten Verfahrensschritt 56 wird in einem optionalen sechsten Verfahrensschritt 60 aus zeitlich aufeinanderfolgenden Ereignisdaten der Spritzer und/oder Ereignisdaten eines Schmelzbades einer vorbestimmten Zeitdauer ein Standbild fusioniert. Dieses Standbild wird vorzugsweise über eine Anzeigeeinheit angezeigt und/oder zur Visualisierung und/oder Detektion der Spritzer verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017217275 A1 [0002]
- DE 102017207852 A1 [0003]
- DE 10103255 A1 [0004]
