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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der relativen Häufigkeit von Schmelzespritzern beim Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, wobei aus einer vom Bearbeitungsstrahl aufgeschmolzenen Schmelzzone des Werkstücks Schmelzespritzer oder auch Partikel einer beschichteten Oberfläche austreten. Die Erfindung betrifft auch eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Bearbeitungsmaschine mit einem Bearbeitungsstrahlerzeuger zum Erzeugen eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, mit einer Bearbeitungsoptik zum Richten des Bearbeitungsstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück, um in dem Werkstück eine Schmelzzone zu erzeugen, mit einer Bildaufnahmeeinrichtung, die auf die Schmelzzone gerichtet ist, und mit einer Bildverarbeitungseinheit zum Auswerten der von der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Bilder.
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Beim Laserschweißen führen in nahezu allen metallischen Materialien Schmelzespritzer, welche aus der aufgeschmolzenen Schmelzzone des Werkstücks austreten, zu einer Kontamination des Werkstücks, was zu aufwendiger Nacharbeit und hohem Ausschuss führen kann. Zudem fehlt das ausgeworfene Material in der Schweißnaht, was im ungünstigsten Fall ebenfalls eine Nacharbeit erforderlich macht. Auch ergibt sich ein hoher Wartungsaufwand, wenn die Bearbeitungsmaschine entweder beschädigt wird oder häufig gereinigt werden muss. Mögliche Ursachen für das Auftreten von Schmelzespritzern können sein: Spalt oder Versatz zwischen zwei zu verschweißenden Werkstücken; Unreinheit, unregelmäßige Oberfläche, unpräzise Positionierung der zu verschweißenden Werkstücke; falsche Parametrierung von Bearbeitungsparametern. Insgesamt wird ein möglichst spritzerarmer Schweißprozess angestrebt.
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Aus der
EP 3 045 255 A1 ist ein Laserstrahlschweißdiagnoseverfahren bekannt, bei dem von der laserabgewandten Schmelzzone ein Bild aufgenommen wird. Durch die Binarisierung eines vorbestimmten Bereiches in dem aufgenommenen Bild wird ein Graustufenbild mit Pixelwerten zwischen 0 (dunkel) und 255 (hell) erhalten. Danach wird ein Graustufen-Maximalwertbild erzeugt, indem in dem Graustufenbild die Anzahl derjenigen Pixel bestimmt wird, die einen Pixelwert oberhalb eines vordefinierten Schwellwertes aufweisen. Die so bestimmte Pixelanzahl korreliert mit der momentanen Anzahl an Schmelzespritzern (Einzelereignisse) bzw. Schweißdefekten zum Aufnahmezeitpunkt des Bildes und erlaubt einen Rückschluss, ob bei der Werkstückbearbeitung ein gewünschtes Qualitätsniveau über- oder unterschritten worden ist.
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DE 10 2013 017 795 B3 offenbart außerdem eine Prozessüberwachung, bei der aus einem aufgenommenen Bild der Schmelzzone ein Graustufenbild (beispielsweise mit Pixel(helligkeits)werten von 0 bis 255) erzeugt wird. Dieses Graustufenbild wird mit einem bestimmten Grenzwert zu einem Schwarz/Weiß-Binärbild verarbeitet, um anhand der Schwarz/Weiß-Grenze die Schweißnaht zu ermitteln.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen der relativen Häufigkeit von Schmelzespritzern bei der Werkstückbearbeitung sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Bearbeitungsmaschine anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Bestimmen der relativen Häufigkeit von Schmelzespritzern und/oder zum Regeln mindestens eines Bearbeitungsparameters beim Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, gelöst, wobei aus einer vom Bearbeitungsstrahl aufgeschmolzenen Schmelzzone des Werkstücks Schmelzespritzer austreten und wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- - Aufnehmen von mehreren, zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern der Schmelzzone während der Werkstückbearbeitung,
- - Erzeugen eines Intensitätsstufen-Pixelbildes aus jedem aufgenommenen Bild,
- - nach der Bearbeitung Erzeugen eines Extremwertbildes aus den aufgenommenen Bildern, indem in allen Intensitätsstufen-Pixelbildern für jedes Pixel der maximale oder der minimale Intensitätswert (Helligkeitswert) aller Intensitätsstufen-Pixelbilder bestimmt wird, und Bestimmen der Gesamtanzahl derjenigen Pixel im Extremwertbild, deren maximaler Intensitätswert größer bzw. minimale Intensitätswert kleiner als ein vordefinierter Schwellwert ist, und/oder während der Bearbeitung Bestimmen der momentanen Anzahl derjenigen Pixel in jedem Intensitätsstufen-Pixelbild, deren Intensitätswert größer bzw. kleiner als ein vordefinierter Schwellwert ist, und
- - Bestimmen der relativen Häufigkeit der Schmelzespritzer anhand der bestimmten Pixelgesamtanzahl und/oder Regeln mindestens eines Bearbeitungsparameters anhand der bestimmten momentanen Pixelanzahl.
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Vorzugsweise werden die Bilder der Schmelzzone während der Werkstückbearbeitung mit einer Aufnahmefrequenz von mindestens 100 Hz, insbesondere von mindestens 1 kHz, aufgenommen. Bei dem Bearbeitungslaserstrahl handelt es sich um einen thermischen Bearbeitungsstrahl, wie z.B. einen Laserstrahl oder einen Elektronenstrahl. Im Fall eines Laserstrahls muss die Wellenlänge des Laserstrahls zuvor aus dem aufgenommenen Licht geblockt werden.
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Erfindungsgemäß werden während der Werkstückbearbeitung, z.B. eines Schweißprozesses, Spritzer mit Hilfe einer Kamera detektiert, indem ein Extremwertbild aller während der Werkstückbearbeitung aufgenommenen Bilder erzeugt und im Extremwertbild die Gesamtanzahl derjenigen Pixel ausgewertet wird, deren Ausleuchtung sich während der Werkstückbearbeitung ändert. Die Gesamtanzahl der Pixel mit veränderter Ausleuchtung korreliert dabei mit der relativen Spritzerhäufigkeit. Es handelt sich hierbei nur um einen qualitativen Vergleich von relativen Spritzerhäufigkeiten und nicht um die exakte Spritzeranzahl. Mit Hilfe des Extremwertbilds kann der Bearbeitungsprozess eindeutig in „spritzerarm“ und „spritzerbehaftet“ unterschieden werden.
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Erfindungsgemäß wird der gesamte zeitliche Ablauf der Werkstückbearbeitung überwacht. Volle Automatisierbarkeit und Online-Detektion ermöglichen eine Zustandsüberwachung der Werkstückbearbeitung nahezu in Echtzeit. Die Daten werden mit Standardequipment unter konstanten Randbedingungen erzeugt und sind damit gut geeignet für maschinelles Lernen. Der größte Kundennutzen ist, dass Spritzer bereits vom ersten Moment ihrer Entstehung an entdeckt werden und durch Regeln eines oder mehrerer Bearbeitungsparameter Gegenmaßnahmen ergriffen werden können, bevor Ausschuss erzeugt oder umliegende Komponenten verschmutzt oder zerstört wurden. Erfindungsgemäß werden also Spritzer während des Schweißprozesses detektiert und durch eine Prozessregelung behoben, indem mindestens ein Bearbeitungsparameter anhand der bestimmten momentanen Pixelanzahl aktiv geregelt wird. Die gewonnene Information der momentanen Anzahl heller Pixel (also ob Spritzer entstehen oder nicht) wird als Regelgröße genutzt. Dabei ist eine durchgängige Überwachung der Spritzer vorgesehen, was einen Regeleingriff ermöglicht. Zu diesem Zweck kann eine Stellgröße wie z.B. die Fokuslage des Laserstrahls, ausgehend von einem Standardwert, in positive und negative Verstellrichtungen verstellt werden. Der Regelalgorithmus prüft, ob sich die momentane Spritzerhäufigkeit erhöht/verringert, und passt die Stellgröße entsprechend an. Durch diese Regelung kann bereits während der Werkstückbearbeitung Ausschuss reduziert werden.
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Wird mit den Bildern allein die Wärmestrahlung aus dem Prozessleuchten der Schmelzzone erfasst, so erscheinen in den aufgenommenen Bildern Schmelze und Schmelzespritzer hell. In diesem Fall wird ein Maximalwertbild erzeugt, indem aus den aufgenommenen Bildern jeweils Intensitätsstufen-Pixelbilder erzeugt werden und in allen Intensitätsstufen-Pixelbildern für jedes Pixel der maximale Intensitätswert aller Intensitätsstufen-Pixelbilder bestimmt wird. Anschließend wird die Gesamtanzahl derjenigen Pixel im Maximalwertbild bestimmt, deren maximaler Intensitätswert größer als ein vordefinierter Schwellwert ist.
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Wird die Schmelzzone zusätzlich mit einer Beleuchtungsquelle beleuchtet, so erscheinen in den aufgenommenen Bildern hingegen Schmelze und Schmelzespritzer dunkel und beleuchtetes festes Material hell. In diesem Fall wird ein Minimalwertbild erzeugt, indem aus den aufgenommenen Bildern jeweils Intensitätsstufen-Pixelbilder erzeugt werden und in allen Intensitätsstufen-Pixelbildern für jedes Pixel der minimale Intensitätswert aller Intensitätsstufen-Pixelbilder bestimmt wird. Anschließend wird die Anzahl derjenigen Pixel im Minimalwertbild bestimmt, deren minimaler Intensitätswert kleiner als ein vordefinierter Schwellwert ist. Als Beleuchtungsquelle kann ein Beleuchtungslaser oder auch eine andere Lichtquelle mit einer roten oder nahinfraroten Wellenlänge, wie z.B. eine LED, zum Einsatz kommen.
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Genauer gesagt erscheinen die Spritzer dunkel, wenn die Beleuchtung so eingestellt ist, dass der Hintergrund, beispielsweise ein reflektierender Fotoschirm aus Aluminium, Kupfer oder hellem Kunststoff, hell erstrahlt; in diesem Fall muss das Minimalwertbild ausgewertet werden. Falls der Hintergrund hingegen abgedunkelt ist (schwarzer Hintergrund), so erscheinen die Spritzer bei ausreichender Beleuchtung hell, und das Maximalwertbild muss ausgewertet werden.
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Bevorzugt wird nur in einem Bildausschnitt des Extremwertbildes die Pixelgesamtanzahl und jeweils nur in einem Bildausschnitt der Intensitätsstufen-Pixelbilder die momentane Pixelanzahl bestimmt. Der Teilbereich sollte ausreichend weit von der Schmelzzone entfernt sein, da deren Pixelwerte stets extrem sind und zur Spritzerhäufigkeit nichts beitragen.
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Weiterhin können als weitere Messgröße die zeitliche Änderung der bestimmten momentanen Pixelanzahl („Pixeländerungsgeschwindigkeit“) in den Intensitätsstufen-Pixelbildern und/oder deren zeitliche Änderung („Pixeländerungsbeschleunigung“) bestimmt werden. So können dynamische Bildveränderung durch Spritzerzunahme erfasst werden.
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Besonders bevorzugt werden die Intensitätsstufen-Pixelbilder in Form von Graustufen-Pixelbildern erzeugt. In allen Graustufen-Pixelbildern kann für jedes Pixel der maximale bzw. minimale Graustufen(helligkeits)wert aller Graustufen-Pixelbilder bestimmt und anschließend die Gesamtanzahl derjenigen Pixel bestimmt werden, deren maximaler Graustufenwert größer bzw. minimaler Graustufenwert kleiner als ein vordefinierter Schwellwert ist. Zusätzlich oder alternativ kann die momentane Anzahl derjenigen Pixel in jedem Graustufen-Pixelbild bestimmt werden, deren maximaler Graustufenwert größer bzw. minimaler Graustufenwert kleiner als ein vordefinierter Schwellwert ist.
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Vorzugsweise wird, wenn die bestimmte Pixelgesamtanzahl und/oder die bestimmte momentane Pixelanzahl einen vorgegebenen Schwellwert über- bzw. unterschreitet, eine Warnmeldung ausgegeben. Beispielsweise können die Messwerte und das Extremwertbild (rein informell) an die HMI (Human Machine Interface) weitergegeben und, sobald ein Bearbeitungsprozess spritzerbehaftet ist, Warnhinweise ausgegeben werden. Anhand dieser Information kann der Maschinenbediener den Bearbeitungsprozess bewerten und anschließend die Bearbeitungsoptik und/oder Bearbeitungsparameter überprüfen.
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Die erfindungsgemäß bestimmte Pixelgesamtanzahl samt zugehörigen Bearbeitungsparametern kann in einer Datenbank gespeichert werden, um die gespeicherten Daten, insbesondere mittels künstlicher Intelligenz (KI), auszuwerten. Die ausgewerteten Daten geben Aufschluss über weitere Qualitätsmerkmale oder Maschinen- oder Optikzustände. Die KI regelt den Bearbeitungsprozess in einem geschlossenen Regelkreis und passt die Bearbeitungsparameter, wie z.B. Leistungsaufteilung auf eine den Laserstrahl führende Doppelcladfaser, Fokuslagenposition, Leistung oder Vorschub, an die jeweilige Bearbeitungssituation an. Die Bearbeitungsmaschine erzeugt keinen bzw. minimalen Ausschuss und nähert sich durch kontinuierliche Verbesserungsschleifen und maschinelles Lernen der physikalischen maximalen Produktivität und Qualität an.
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Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Bearbeitungsmaschine mit einem Bearbeitungsstrahlerzeuger zum Erzeugen eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, mit einer Bearbeitungsoptik zum Richten des Bearbeitungsstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück, um in dem Werkstück eine Schmelzzone zu erzeugen, mit einer Bildaufnahmeeinrichtung, die auf die Schmelzzone gerichtet ist, und mit einer Bildverarbeitungseinheit zum Auswerten der von der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Bilder, wobei die Bildverarbeitungsvorrichtung eine Intensitätsstufen-Pixelbild-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Intensitätsstufen-Pixelbildern aus den aufgenommenen Bildern sowie eine Pixelanzahl-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Gesamtanzahl derjenigen Pixel in einem Intensität-Extremwertbild aller Intensitätsstufen-Pixelbilder, deren maximaler Intensitätswert größer oder minimaler Intensitätswert kleiner als ein vordefinierter Schwellwert ist, und/oder zum Bestimmen der momentanen Anzahl derjenigen Pixel in jedem Intensitätsstufen-Pixelbild, deren Intensitätswert größer bzw. kleiner als ein vordefinierter Schwellwert ist, aufweist.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Aufnahmeeinrichtung um eine Kamera oder Photodiode, die parallel oder koaxial zu dem auf das Werkstück auftreffenden Bearbeitungsstrahl ausgerichtet sein kann.
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Weiter bevorzugt weist die erfindungsgemäße Bearbeitungsmaschine eine Regelung, die mindestens einen Bearbeitungsparameter der Bearbeitungsmaschine anhand der bestimmten momentanen Pixelanzahl regelt, sowie eine Datenbank auf, in der die bestimmten Pixelanzahlen samt ihren zugehörigen Bearbeitungsparametern gespeichert sind.
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Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung einer Bearbeitungsmaschine abläuft.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar. 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.
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Es zeigen:
- 1 schematisch eine erfindungsgemäße Bearbeitungsmaschine zum Laserstrahlschweißen von Werkstücken;
- 2a-2e wesentliche Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Häufigkeit von beim Laserstrahlschweißen erzeugter Schmelzespritzer; und
- 3a-3d wesentliche Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln eines Bearbeitungsparameters beim Laserstrahlschweißen.
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Die in 1 schematisch gezeigte Bearbeitungsmaschine 1 dient zum Schweißen eines Werkstücks 2 mittels eines Laserstrahls 3.
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Die Bearbeitungsmaschine 1 umfasst einen Laserstrahlerzeuger 4 zum Erzeugen des Laserstrahls 3, einen Bearbeitungskopf 5 mit einer Bearbeitungsoptik 6 zum Richten des Laserstrahls 3 auf ein zu bearbeitendes Werkstück 2, um in dem Werkstück 2 eine aufgeschmolzene Schmelzzone 7 zu erzeugen, eine auf die Schmelzzone 7 gerichtete Bildaufnahmeeinrichtung in Form einer Kamera 8, sowie eine Bildverarbeitungseinheit 9 zum Auswerten der von der Kamera 8 aufgenommenen Bilder. Beim Laserschweißen von metallischen Werkstücken 2 treten aus der Schmelzzone 7 Schmelzespritzer 10 aus, die sich negativ auf das Bearbeitungsergebnis auswirken.
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Der vom Laserstrahlerzeuger 4 erzeugte Laserstrahl 3 trifft auf einen dichroitischen Spiegel 11, der für die Wellenlänge des Bearbeitungslaserstrahls 3 reflektiv ist. Vom dichroitischen Spiegel 11 wird der Laserstrahl 3 durch eine hier nicht gezeigte Fokussiereinrichtung (z.B. Fokussierlinse) auf die Bearbeitungsoptik 6 reflektiert und von dort auf das Werkstück 2 gerichtet. Die Bearbeitungsoptik 6 kann beispielsweise ein Laserscanner sein, der zwei jeweils um zueinander rechtwinklig stehende Achsen drehbare Spiegel aufweist, um den Laserstrahl 3 auf dem Werkstück 2 zweidimensional abzulenken.
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Durch die Kamera 8 werden von der Schmelzzone 7 ausgehende Bildstrahlen 12 erfasst, die über die Bearbeitungsoptik 6, den für die Bildstrahlen 12 durchlässigen dichroitischen Spiegel 11 und einen für die Bildstrahlen 12 reflektiven, weiteren dichroitischen Spiegel 13 zu der Kamera 8 gelangen und dort das Bild der Schmelzzone 7 abbilden. Wie gezeigt, kann die Kamera 8 mittels des weiteren dichroitischen Spiegels 13 koaxial zum Laserstrahl 3 ausgerichtet sein. Zwischen dem weiteren dichroitischen Spiegel 13 und der Kamera 8 sind noch ein optischer Filter 14 und eine Kollimationslinse 15 zur Fokussierung der Bildstrahlen 12 angeordnet. Der optische Filter 14 blockt die Wellenlänge des Laserstrahls 3, um so nur das von der Schmelzzone 7 ausgehende Prozessleuchten, nicht aber den am Werkstück 2 reflektierten Laserstrahl 3 durchzulassen. Die Kamera 8 kann zur Aufnahme von Einzelbildern oder aber als eine Videokamera zur Aufnahme einer Videosequenz ausgeführt sein, wobei die Aufnahmefrequenz bevorzugt mindestens 100 Hz beträgt.
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Die Detektion von Spritzern 10 während des Schweißprozesses ist besonders von Interesse, falls
- - die Leistungsaufteilung auf eine den Laserstrahl 3 führende Doppelcladfaser nicht korrekt ist.
- - die Fokuslage des Laserstrahls 3 falsch eingestellt ist oder durch Fokusshift aufgrund der Verschmutzung optischer Komponenten verstellt ist.
- - Änderungen von Material- und Chargenschwankungen auftreten.
- - Positions- oder Vorrichtungsdefizite auftreten.
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Um die relative Häufigkeit der beim Laserschweißen des Werkstücks 2 auftretenden Spritzern 10 zu bestimmen, wird wie folgt vorgegangen.
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Während der Werkstückbearbeitung werden mit der Kamera 8 fortlaufend Bilder 16 der Schmelzzone 7 aufgenommen (2a). Von der Kamera 8 wird allein die Wärmestrahlung aus dem Prozessleuchten der Schmelzzone 7 erfasst, so dass in den aufgenommenen Bildern 16 Schmelze und Spritzer 10 hell erscheinen.
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In einer Graustufen-Pixelbild-Erzeugungseinrichtung 9a der Bildverarbeitungsvorrichtung 9 werden aus den aufgenommenen Bildern 16 jeweils Graustufen-Pixelbilder 17 mit Pixelwerten zwischen 0 (dunkel) und 255 (hell) erzeugt (2b). In allen Graustufen-Pixelbildern 17 wird dann für jedes Pixel der maximale Graustufen(Helligkeits)wert aller Graustufen-Pixelbilder 17 bestimmt, um so ein Graustufen-Maximalwertbild 18 zu erzeugen (2c).
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Aus diesem Maximalwertbild 18 wird von der Bildverarbeitungsvorrichtung 9 ein Bildausschnitt 18a im Randbereich (neben der Schmelzzone 7) definiert (2d). Anschließend wird in einer Pixelanzahl-Bestimmungseinrichtung 9b der Bildverarbeitungsvorrichtung 9 die Gesamtanzahl N derjenigen Pixel bestimmt, deren maximaler Graustufenwert größer als ein vordefinierter Schwellwert S ist (2e). Die so bestimmte Gesamtanzahl N der Pixel mit veränderter Ausleuchtung korreliert dabei mit der relativen Spritzerhäufigkeit. Es handelt sich hierbei nur um einen qualitativen Vergleich von relativen Spritzerhäufigkeiten und nicht um die exakte Spritzeranzahl. Mit Hilfe des Maximalwertbilds 18 kann der Bearbeitungsprozess eindeutig in „spritzerarm“ und „spritzerbehaftet“ unterschieden werden.
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Zur Referenzierung der Kamera 8 wird ein Referenzbild erzeugt, dass einem definierten, spritzerarmen bzw. -freien Zustand entspricht. Da in dem in 2e gezeigten Beispiel die Grauwerte innerhalb des Bereichs mit Metalldampf Werte bis zu ca. 100 erreichen, ist der Schwellwert S des Graustufenwerts auf 130 gesetzt. Zur Kalibrierung der Kamera 8 ist es also zwingend erforderlich, den Schwellwert S so einzustellen, dass Spritzer 10 eindeutig von Störfaktoren wie Dampf oder Oberflächenreflektionen unterschieden werden können.
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Zur Beleuchtung der Schmelzzone 7 kann die Bearbeitungsmaschine 1 einen Beleuchtungslaser 19 aufweisen, dessen Beleuchtungsstrahl 20 durch die beiden für die Wellenlänge des Beleuchtungsstrahls 16 in dieser Richtung transmissiven dichroitischen Spiegel 11, 13 hindurch koaxial zum Laserstrahl 3 in den Bearbeitungskopf 5 eingekoppelt und auf die Schmelzzone 7 gerichtet. Der am Werkstück 2 reflektierte Beleuchtungsstrahl 20 gelangt auf dem umgekehrten Weg zurück zum weiteren dichroitischen Spiegel 13, der in dieser Richtung reflektiv ist und den Beleuchtungsstrahl 20 auf die Kamera 8 lenkt. Hierbei erscheinen in den aufgenommenen Bildern 16 Schmelze und Spritzer 10 dunkel und beleuchtetes festes Material hell. In diesem Fall muss - statt des oben beschriebenen Maximalwertbilds - ein Minimalwertbild erzeugt werden, dessen Auswertung invers wie oben beschrieben erfolgt. Aus den aufgenommenen Bildern 16 werden jeweils Graustufen-Pixelbilder 17 erzeugt, und in allen Graustufen-Pixelbildern 17 wird für jedes Pixel der minimale Graustufenwert aller Graustufen-Pixelbilder 17 bestimmt, um so das Graustufen-Minimalwertbild 18 zu erhalten. Anschließend wird die Gesamtanzahl N derjenigen Pixel im Minimalwertbild 18 bestimmt, deren minimaler Graustufenwert kleiner als ein vordefinierter Schwellwert S ist. Um Störreflektionen von der Oberfläche der Schmelzzone 7 auszublenden, kann der Kamera 8 noch ein Polarisationsfilter (s-Polarisation) vorgeordnet sein. Statt dem Beleuchtungslaser 19 kann als Beleuchtungsquelle auch eine andere Lichtquelle mit einer roten oder nahinfraroten Wellenlänge, wie z.B. eine LED, zum Einsatz kommen.
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Die Bilder 16, die Graustufen-Pixelbilder 17 und das Maximalwertbild 18 können von der Bildverarbeitungseinheit rein informell an die HMI (Human Machine Interface) 21 weiterleitet werden: Sobald ein Schweißprozess spritzerbehaftet ist, kann von einer Maschinensteuerung 22 ein Warnhinweis ausgegeben werden. Anhand dieser Information kann der Maschinenbediener die Schweißung bewerten (in Ordnung / nicht in Ordnung) und anschließend die Bearbeitungsoptik 6 und/oder die Schweißparameter überprüfen.
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Die bestimmten Pixelgesamtanzahlen N samt zugehörigen Schweißparametern werden in einer Datenbank 23 gespeichert und insbesondere mittels künstlicher Intelligenz (KI) ausgewertet. Die ausgewerteten Daten geben Aufschluss über weitere Qualitätsmerkmale oder Maschinen- oder Optikzustände. Die KI regelt den Bearbeitungsprozess in einem geschlossenen Regelkreis und passt die Bearbeitungsparameter, wie z.B. Leistungsaufteilung auf eine den Laserstrahl führende Doppelcladfaser, Fokuslagenposition, Leistung oder Vorschub, an die jeweilige Bearbeitungssituation an.
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Das beschriebene Verfahren wird beispielsweise von der Maschinensteuerung 22 gesteuert.
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Alternativ oder zusätzlich kann, wie in den 3a bis 3d gezeigt, auch mindestens ein Bearbeitungsparameter während der Bearbeitung anhand der auftretenden Spritzer 10 geregelt werden. In 3a und 3b werden, analog zu den 2a und 2b, mit der Kamera 8 fortlaufend Bilder 16 der Schmelzzone 7 aufgenommen und daraus in der Graustufen-Pixelbild-Erzeugungseinrichtung 9a Graustufen-Pixelbilder 17 erzeugt. Aus den Graustufen-Pixelbildern 17 wird von der Bildverarbeitungsvorrichtung 9 jeweils ein gleicher Bildausschnitt 17a im Randbereich (neben der Schmelzzone 7) definiert (3c). Während der Bearbeitung wird die momentane Anzahl Ni derjenigen Pixel in jedem Graustufen-Pixelbild 17 bestimmt, deren Intensitätswert größer bzw. kleiner als ein vordefinierter Schwellwert S ist (3d). Abhängig von der so bestimmten momentanen Pixelanzahl Ni wird von einer Regeleinrichtung 24, welche Teil der Maschinensteuerung 22 sein kann, aber nicht muss, ein Schweißparameter, wie z.B. die optische Weichenstellung für die Leistungsaufteilung auf eine den Laserstrahl 3 führende Doppelcladfaser oder die Fokuslage des Laserstrahls 3, geregelt. Der Regelalgorithmus prüft, ob sich die Spritzeraktivität verbessert oder verringert, und passt die Stellgrößen entsprechend an. Dies ermöglichst eine aktive Reduzierung von Ausschuss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3045255 A1 [0003]
- DE 102013017795 B3 [0004]
