DE112020007535T5

DE112020007535T5 - Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112020007535T5
Application number: DE112020007535.4T
Authority: DE
Inventors: Kyohei ISHIKAWA; Masaki Seguchi; Motoaki Nishiwaki; Kenta FUJII; Tomotaka Katsura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2023-06-07
Also published as: US20230321750A1; JPWO2022044209A1; CN116157223A; WO2022044209A1; JP6840307B1

Abstract

Eine Laserbearbeitungsvorrichtung (50) aufweist einen Aktor (5), der relative Positionen eines Bearbeitungskopfes (2) und eines Werkstücks (W) ändert, wobei der Bearbeitungskopf (2) ein Fokussiersystem enthält, das einen von einem Laseroszillator (1) emittierten Laserstrahl zu fokussiert und das Werkstück (W) bestrahlt; eine Steuereinheit (3), die bei der Bearbeitungsausführung den Laseroszillator (1), den Bearbeitungskopf (2) und den Aktor (5) auf der Grundlage eines Bearbeitungsparameters steuert, der ein auf die Laserstrahlbearbeitung bezogener numerischer Parameter ist; eine Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit (52), die aus Prozesslicht (8), das Licht ist, das von dem Werkstück (W) durch Laserstrahlbestrahlung erzeugt wird, Lichtintensitäten in mehreren vorbestimmten Wellenlängenbändern von Interesse als mehrere optische Sensorsignale erfasst; eine Merkmalsextraktionseinheit (53), die zumindest eines von Merkmalen extrahiert, wobei die Merkmale aus einem Korrelationsindex zwischen den mehreren optischen Sensorsignalen und aus einem der optischen Sensorsignale erhältlich sind; und eine Korrekturgrößenberechnungseinheit (55), die den zu korrigierenden Bearbeitungsparameter als einen Korrekturparameter und eine Korrekturgröße für den Korrekturparameter auf der Grundlage des zumindest einen der Merkmale bestimmt.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die ein Werkstück durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl bearbeitet.
Stand der Technik
Die Laserbearbeitung von Blechen beginnt mit einer Bearbeitung von guter Qualität; im weiteren Verlauf der Bearbeitung können jedoch Bearbeitungsfehler durch den Einfluss der Wärmeentwicklung in einer Komponente eines Bearbeitungskopfes und in einem Werkstück auftreten. Bei der Laserbearbeitung von Metallblechen gibt es mehrere Bearbeitungsparameterelemente, wie z. B. Fokuslage, Schneidgeschwindigkeit, Gasdruck und Laserausgangsleistung, und mehrere Bearbeitungsergebniselemente, wie z. B. die Menge des anhaftenden Materials und die Rauheit der bearbeiteten Oberfläche, so dass die Einstellarbeiten relativ viel Zeit erfordern.
Eine Laserbearbeitungsmaschine, die in Patentliteratur 1 offenbart wird, aufweist einen Detektor, der zurückgeworfenes Licht erfasst, das während der Laserlichtbestrahlung von einer Seite, an der sich ein bearbeiteter Punkt befindet, auf einen Laserbearbeitungskopf zusteuert, und einen Überwachungsabschnitt, der einen Laserbearbeitungszustand überwacht, indem er aus dem zurückgeworfenen Licht, das von dem Detektor erfasst wird, ein Zeitreihenniveau von Licht in einem bestimmten Wellenlängenband entsprechend einer Bearbeitungsbedingung auswählt.
Liste der Anführungen
Patentliteratur
Patentliteratur 1: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2019-166543
Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Da die in der Patentliteratur 1 beschriebene Laserbearbeitungsvorrichtung die Überwachung auf der Grundlage des ausgewählten Zeitreihenniveaus von Licht durchführt, hat die Laserbearbeitungsvorrichtung eine geringere Genauigkeit bei der Erkennung des Bearbeitungszustands. Da die in der Patentliteratur 1 beschriebene Laserbearbeitungsvorrichtung außerdem nur feststellt, ob die Bearbeitung gut oder schlecht ist, ist eine Anpassung der Bearbeitungsbedingungen schwierig.
Die vorliegende Offenbarung wurde in Anbetracht der obigen Ausführungen gemacht, und ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Laserbearbeitungsvorrichtung zu erhalten, welche die Erkennung des Bearbeitungszustands und die Anpassung der Bearbeitungsbedingungen mit einer höheren Geschwindigkeit oder mit höherer Genauigkeit durchführt.
Technische Lösung
Um die obengenannte Aufgabe zu lösen und das Ziel zu erreichen, aufweist eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung: einen Aktor, der relative Positionen eines Bearbeitungskopfes und eines zu bearbeitenden Objekts ändert, wobei der Bearbeitungskopf ein Fokussiersystem enthält, um einen von einem Laseroszillator emittierten Laserstrahl zu fokussieren und das zu bearbeitende Objekt zu bestrahlen, sowie eine Bearbeitungsgaszufuhreinheit, um dem zu bearbeitenden Objekt ein Bearbeitungsgas zuzuführen; eine Steuereinheit, die bei der Bearbeitungsausführung den Laseroszillator, den Bearbeitungskopf und den Aktor auf der Grundlage eines Bearbeitungsparameters steuert, wobei der Bearbeitungsparameter ein auf die Laserstrahlbearbeitung bezogener numerischer Parameter ist; eine Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit, die aus Prozesslicht Lichtintensitäten in mehreren vorbestimmten Wellenlängenbändern von Interesse als mehrere optische Sensorsignale erfasst, wobei das Prozesslicht Licht ist, das von dem zu bearbeitenden Objekt durch Laserstrahlbestrahlung erzeugt wird; eine Merkmalsextraktionseinheit, die zumindest eines von Merkmalen extrahiert, wobei die Merkmale aus einem Korrelationsindex zwischen den mehreren optischen Sensorsignalen und aus einem der optischen Sensorsignale erhältlich sind; und eine Korrekturgrößenberechnungseinheit, die den zu korrigierenden Bearbeitungsparameter als einen Korrekturparameter und eine Korrekturgröße für den Korrekturparameter auf der Grundlage des zumindest einen der Merkmale bestimmt.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung bewirkt, dass die Erfassung des Bearbeitungszustands und die Anpassung der Bearbeitungsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit oder mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für einen auf die Bearbeitungsparameteranpassung bezogenen Arbeitsablauf der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
3 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
4 ist ein Diagramm, das Beispiele für Wellenlängenbänder zeigt, deren Licht von einem ersten, einem zweiten und einem dritten optischen Sensor der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform empfangen wird.
5 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt.
6 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt.
7 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer dritten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt.
8 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Bearbeitungszustandsanalysators einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer vierten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt.
9 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Bearbeitungszustandsanalysators einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
10 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines neuronalen Netzwerkmodells gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
11 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
12 ist ein Diagramm, das einen Prozessor in Fällen zeigt, in denen der Prozessor verwendet wird, um zumindest einen Teil einer Steuereinheit, eines Aktors, einer Antriebseinheit für die Positionsänderung einer Sammellinse, der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit, einer Merkmalsextraktionseinheit, einer Bewertungseinheit und einer Korrekturgrößenberechnungseinheit der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zu implementieren.
13 ist ein Diagramm, das eine Verarbeitungsschaltung in Fällen zeigt, in denen die Verarbeitungsschaltung verwendet wird, um zumindest einen Teil der Steuereinheit, des Aktors, der Antriebseinheit für die Positionsänderung der Sammellinse, der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit, der Merkmalsextraktionseinheit, der Bewertungseinheit und der Korrekturgrößenberechnungseinheit der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zu implementieren.

Beschreibung von Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird im Folgenden eine detaillierte Beschreibung von Laserbearbeitungsvorrichtungen gemäß Ausführungsformen gegeben.
Erste Ausführungsform.
1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung 50 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 aufweist einen Laseroszillator 1, einen Bearbeitungskopf 2, einen Aktor 5 und eine Steuereinheit 3. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 aufweist einen Bearbeitungszustandsanalysator 51, der die Steuereinheit 3 enthält. Der Laseroszillator 1 emittiert einen oszillierten Laserstrahl L. Der Laserstrahl L besitzt eine Wellenlänge, die unter Berücksichtigung des Absorptionsvermögens und des Reflexionsvermögens eines mit dem Laserstrahl L zu bearbeitenden Objekts ausgewählt wird. Die Wellenlänge des Laserstrahls L liegt zum Beispiel irgendwo zwischen und einschließlich 0,193 um und 11 um. Das zu bearbeitende Objekt ist ein Werkstück W. Der vom Laseroszillator 1 emittierte Laserstrahl L wird dem Bearbeitungskopf 2 über einen optischen Pfad zugeführt.
Der Bearbeitungskopf 2 aufweist ein Fokussiersystem, das den vom Laseroszillator 1 emittierten Laserstrahl fokussiert, um das Werkstück W, das das zu bearbeitende Objekt ist, zu bestrahlen, und eine Bearbeitungsgaszufuhreinheit, die dem Werkstück W ein Bearbeitungsgas zuführt. Die Bearbeitungsgaszufuhreinheit ist in 1 nicht dargestellt. Das Bearbeitungsgas wird in den Bearbeitungskopf 2 eingespeist und von der Bearbeitungsgaszufuhreinheit auf das Werkstück W gesprüht, wenn das Werkstück W mit dem Laserstrahl L bestrahlt wird. Der Bearbeitungskopf 2 aufweist mehrere Kollimatorlinsen 4 als Linsengruppe und eine Sammellinse 7. Die Kollimatorlinsen 4 und die Sammellinse 7 sind ein Beispiel für das Fokussiersystem. Der vom Laseroszillator 1 emittierte Laserstrahl L wird durch die Kollimatorlinsen 4 kollimiert und durch die Sammellinse 7 konvergiert. Das Werkstück W wird mit dem konvergierten Laserstrahl L bestrahlt. Der Bearbeitungskopf 2 kondensiert den Laserstrahl L und bestrahlt das Werkstück W mit dem Laserstrahl L, wodurch das Werkstück W geschnitten wird.
Der Bearbeitungskopf 2 enthält eine nicht dargestellte Düse. Die Düse hat eine Öffnung auf einem optischen Pfad für den Laserstrahl L zwischen der Sammellinse 7 und dem Werkstück W, und der Laserstrahl L und das Bearbeitungsgas treten durch die Öffnung. Im Allgemeinen sind ein Motor und eine Motorantriebseinheit, die nicht dargestellt sind, an einer Welle, wo der Bearbeitungskopf 2 installiert ist, oder an einem Bearbeitungstisch, auf dem das Werkstück W platziert ist, vorgesehen.
Der Aktor 5 ändert die relativen Positionen des Bearbeitungskopfes 2 und des Werkstücks W. Auf der Grundlage von Bearbeitungsparametern, bei denen es sich um auf die Laserstrahlbearbeitung bezogene numerische Parameter handelt, steuert die Steuereinheit 3 den Laseroszillator 1, den Bearbeitungskopf 2 und den Aktor 5 bei der Durchführung der Bearbeitung. Insbesondere steuert die Steuereinheit 3 die Motorantriebseinheit, und unter der Kontrolle der Steuereinheit 3 steuert die Motorantriebseinheit den Motor. Der Aktor 5 arbeitet bei Betrieb des Motors, um die relativen Positionen des Bearbeitungskopfes 2 und des Werkstücks W zu ändern. Der Bearbeitungskopf 2 enthält eine Antriebseinheit 6 für die Positionsänderung der Sammellinse, die eine Positionsbeziehung zwischen einer Fokuslage des Fokussiersystems für den Laserstrahl L und dem Werkstück W ändert.
Der Laseroszillator 1 ist von nicht einschränkender Art. Der Laseroszillator 1 ist zum Beispiel ein Faserlaseroszillator. Der Laseroszillator 1 könnte ein direkter Diodenlaser, ein Kohlendioxidlaser, ein Kupferdampflaser, einer von verschiedenen Ionenlasern oder ein Festkörperlaser sein. Der Festkörperlaser ist zum Beispiel ein Laser, der einen Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall (YAG) als Anregungsmedium verwendet. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 könnte eine Wellenlängenkonversionseinheit enthalten, die eine Wellenlängenkonversion des vom Laseroszillator 1 erzeugten Laserstrahls durchführt.
In Übereinstimmung mit einem Bearbeitungsprogramm und den Bearbeitungsparametern, welche die Bearbeitungsbedingungen angeben, steuert die Steuereinheit 3 den Laseroszillator 1, die Motorantriebseinheit und die Antriebseinheit 6 für die Positionsänderung der Sammellinse so, dass der Laserstrahl L einen Bearbeitungspfad auf dem Werkstück W abtastet. Beispiele für die Bearbeitungsparameter, die mit der Steuerung der Steuereinheit 3 zusammenhängen, sind unter anderem die Laserausgangsleistung, der Bearbeitungsgasdruck, die Bearbeitungsgeschwindigkeit, die Fokuslage des Fokussiersystems, der Durchmesser des konvergierten Strahls aus dem Fokussiersystem, die Pulsfrequenz des Lasers, das Tastverhältnis eines Laserpulses, die Vergrößerung des Fokussiersystems für den Laser, der Düsendurchmesser, der Abstand zwischen dem Werkstück W und der Düse, die Art der Laserstrahlmode und die Positionsbeziehung zwischen der Mitte eines Düsenlochs und dem Laserstrahl L. Die Bearbeitungsparameter sind nicht auf die oben genannten Beispiele beschränkt. Die Bearbeitungsparameter könnten auf der Grundlage entweder des zu verwendenden Lasertyps oder einer Funktion des Laseroszillators 1 oder auf der Grundlage von beidem bestimmt werden.
Auf der Grundlage von Korrekturgrößen, die von dem Bearbeitungszustandsanalysator 51 wie später beschrieben berechnet werden, können die Bearbeitungsparameter, die von der Steuereinheit 3 verwendet werden, geändert werden. Mit anderen Worten, die Bearbeitungsparameter können durch den Bearbeitungszustandsanalysator 51 korrigiert werden. Vor der Korrektur durch den Bearbeitungszustandsanalysator 51 werden die Bearbeitungsparameter zum Beispiel entsprechend dem Inhalt der Bearbeitung vordefiniert. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 könnte ein Eingabemittel aufweisen, das Eingaben von einem Arbeiter empfängt, und die Bearbeitungsparameter könnten durch die Eingaben des Arbeiters geändert werden, bevor sie durch den Bearbeitungszustandsanalysator 51 korrigiert werden. Die Bearbeitungsparameter könnten von einer nicht dargestellten Vorrichtung an die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 übermittelt werden, bevor sie durch den Bearbeitungszustandsanalysator 51 korrigiert werden. Bei der oben genannten Vorrichtung handelt es sich zum Beispiel um einen Computer.
Der vom Laseroszillator 1 emittierte Laserstrahl L wird durch die Kollimatorlinsen 4 kollimiert und durch die Sammellinse 7 konvergiert. Das Werkstück W wird mit dem konvergierten Laserstrahl L bestrahlt. Durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl L erfährt das Werkstück W zum Beispiel Phänomene wie Verdampfung und Schmelzen und erzeugt Prozesslicht 8. Das erzeugte Prozesslicht 8 gelangt in den Bearbeitungskopf 2.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 aufweist ferner einen Spiegel 9. Das durch die Sammellinse 7 getretene Prozesslicht 8 wird von dem Spiegel 9 transmittiert. Der Spiegel 9 hat die Eigenschaft, Licht mit anderen Wellenlängen als der Wellenlänge des Laserstrahls L zu transmittieren. Das vom Spiegel 9 transmittierte Prozesslicht 8 wird von einer Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 in Zeitseriensignale umgewandelt. Die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 ist in dem Bearbeitungszustandsanalysator 51 enthalten. Aus dem Prozesslicht 8, d.h. dem Licht, das von dem Werkstück W durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl erzeugt wird, wobei das Werkstück W das zu bearbeitende Objekt ist, erfasst die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 Lichtintensitäten in mehreren vorbestimmten Wellenlängenbändern von Interesse als die mehreren optischen Sensorsignale.
Der Bearbeitungszustandsanalysator 51 aufweist ferner eine Merkmalsextraktionseinheit 53, die ein Merkmal extrahiert, das als Korrelationsindex zwischen den mehreren optischen Sensorsignalen dient; eine Bewertungseinheit 54, die für zumindest eines von mehreren Bearbeitungsfehlerelementen auf der Grundlage des Merkmals ermittelt, ob die Bearbeitung gut oder schlecht ist, um ein Ermittlungsergebnis zu erhalten; und eine Korrekturgrößenberechnungseinheit 55, die einen zu korrigierenden Bearbeitungsparameter als einen Korrekturparameter und eine Korrekturgröße für den Korrekturparameter auf der Grundlage des Merkmals ermittelt. Genauer gesagt, ermittelt die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 den zu korrigierenden Korrekturparameter und die Korrekturgröße für den Korrekturparameter auf der Grundlage des oben erwähnten Ermittlungsergebnisses. Die obigen mehreren Bearbeitungsfehlerelemente weisen zumindest eines von Elementen für Schnittflächenrauheit in Bezug auf Qualität, Fugenhobeln, Krätze oder Ablösen einer Oxidschicht auf. Da die mehreren Bearbeitungsfehlerelemente zumindest eines von Elementen für die Schnittflächenrauheit in Bezug auf die Qualität, das Fugenhobeln, die Krätze oder das Ablösen der Oxidschicht aufweisen, ist die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 in der Lage, die Bearbeitungsparameter merklich zu korrigieren. Die Merkmalsextraktionseinheit 53 extrahiert zumindest eines der Merkmale, wobei die Merkmale aus einem Korrelationsindex zwischen den mehreren optischen Sensorsignalen und aus einem der optischen Sensorsignale gewonnen werden können.
Ferner könnte die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 zumindest einen der Parameter Schneidgeschwindigkeit, Fokuslage, Durchmesser des konvergierten Strahls, Gasdruck oder Laserausgangsleistung als den zu korrigierenden Bearbeitungsparameter bestimmen und die Korrekturgröße für den Bearbeitungsparameter ermitteln. Wenn es sich bei dem Bearbeitungsparameter um den zumindest einen aus Schneidgeschwindigkeit, Fokuslage, Durchmesser des konvergierten Strahls, Gasdruck oder Laserausgangsleistung handelt, ermöglicht die Laserbearbeitungsvorrichtung 50, wenn sich die Bearbeitung in einem Zustand befindet, der als schlechter Bearbeitungszustand definiert ist, eine schnelle Rückkehr der Bearbeitung aus dem Zustand, der als schlechter Bearbeitungszustand definiert ist, zu dem, was als guter Bearbeitungszustand definiert ist.
Die von der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 erhaltenen Zeitreihensignale werden von der Merkmalsextraktionseinheit 53 in die Merkmale umgewandelt, die zur Bestimmung von Bearbeitungszuständen, wie z. B. der Qualität eines Bearbeitungsergebnisses, eines Grades der Bearbeitungsfehlerhaftigkeit, eines Grades der Abweichung von einem guten Bearbeitungsergebnis und eines Vorläufers eines Bearbeitungsfehlers, durch die Bewertungseinheit 54 verwendet werden. Die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 sendet an die Steuereinheit 3 einen Befehl, der den Bearbeitungsparameter auf der Grundlage des von der Bewertungseinheit 54 erhaltenen Ermittlungsergebnisses ändert. Der Bearbeitungsparameter wird durch den Befehl während der aktuellen Bearbeitung geändert, damit die Bearbeitung fortgesetzt werden kann. Die Bewertungseinheit 54 könnte in der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 enthalten sein.
Als Nächstes wird eine Beschreibung des Betriebs gemäß der ersten Ausführungsform gegeben. 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für einen auf die Bearbeitungsparameteranpassung bezogenen Arbeitsablauf der Laserbearbeitungsvorrichtung 50 gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 führt zunächst das Schneiden durch (S1). Als Nächstes gewinnt die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 Prozesslichtsignale aus dem Prozesslicht 8, das durch die Laserstrahlbearbeitung verursacht wird (S2). Die Merkmalsextraktionseinheit 53 extrahiert die Merkmale aus den von der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 gewonnenen Zeitreihensignalen (S3).
Die Bewertungseinheit 54 ermittelt auf der Grundlage der extrahierten Merkmale die Qualität eines Bearbeitungsergebnisses (S4). Wenn die Bewertungseinheit 54 ein gutes Ermittlungsergebnis für die Bearbeitung feststellt (Ja bei S4), geht die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 zu Schritt S2 im Arbeitsablauf über und fährt mit der Bearbeitung fort, ohne irgendwelche Bearbeitungsparameter zu ändern. Wenn die Bewertungseinheit 54 ein schlechtes Ermittlungsergebnis für die Bearbeitung feststellt (Nein bei S4), bestimmt die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 einen zu ändernden Bearbeitungsparameter und berechnet eine Korrekturgröße für den zu ändernden Bearbeitungsparameter (S5). Die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 gibt die berechnete Korrekturgröße an die Steuereinheit 3 aus. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 führt die Bearbeitung auf der Grundlage der Korrekturgröße durch. Der in 2 dargestellte Arbeitsablauf wird an einem Punkt während Produktionsbearbeitung ausgeführt, ist aber nicht darauf beschränkt.
Es wird eine Beschreibung von Details der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 gegeben. 3 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 der Laserbearbeitungsvorrichtung 50 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Die Merkmalsextraktionseinheit 53 ist ebenfalls in 3 dargestellt. Die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 aufweist Strahlenteiler 10, mehrere Wellenlängenfilter 11, mehrere abbildende Linsen 12 und mehrere optische Sensoren 13.
Das Prozesslicht 8, das von dem in 1 dargestellten Spiegel 9 transmittiert wird, wird von den Strahlenteilern 10 geteilt. Jedes der mehreren Wellenlängenfilter 11 transmittiert Prozesslicht 8 mit dem ihm entsprechenden Wellenlängenband in einem Teil des Prozesslichts 8. Die abbildende Linse 12 bewirkt, dass das von jedem der mehreren Wellenlängenfilter 11 transmittierte Prozesslicht 8 von dem entsprechenden optischen Sensor 13 unter den mehreren optischen Sensoren 13 empfangen wird. Jeder der mehreren optischen Sensoren 13 gibt die Lichtintensität des Prozesslichts 8 als Zeitreihensignal aus. Die von den mehreren optischen Sensoren 13 ausgegebenen Signale werden an die Merkmalsextraktionseinheit 53 gesendet.
Es wird eine Beschreibung von Eigenschaften des Prozesslichts 8 gegeben. Das Prozesslicht 8 wird hauptsächlich durch Wärmestrahlung aus dem Werkstück W verursacht. Das durch die Wärmestrahlung verursachte Licht ist Licht mit einem Peak bei einer Wellenlänge, die von der Temperatur des geschmolzenen Metalls abhängt, und seine Wellenlängenverteilung wird ausschließlich durch die Temperatur bestimmt. Mit steigender Temperatur verschiebt sich der Wellenlängenpeak zu einer kürzeren Wellenlänge hin. Die Menge des Prozesslichts 8 variiert und hängt von den bearbeiteten Zuständen ab, unter anderem zum Beispiel von der Form der Schnittbreite und der Form der Schnittfront, die durch die Bearbeitung des Werkstücks W gebildet werden. Außerdem variiert die Menge des Prozesslichts 8, das in den Bearbeitungskopf 2 gelangt, je nach Form der verwendeten Düse. Wenn zum Beispiel die Geschwindigkeit der Blechbearbeitung höher ist, hat die Form der Schnittfront eine stärkere Neigung, so dass der Laserstrahl L auf deren größere Fläche treffen kann. Daher ist die Temperatur des geschmolzenen Metalls höher, und es kehrt eine größere Menge Prozesslicht 8 in das Innere des Bearbeitungskopfes 2 zurück.
Die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 teilt das Prozesslicht 8 zum Zwecke einer genauen Bearbeitungszustandsüberwachung. Die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 weist die mehreren Wellenlängenfilter 11 auf. Jedes der mehreren Wellenlängenfilter 11 transmittiert Licht mit einer Wellenlänge, die sich von einer Wellenlänge des Lichts unterscheidet, das ein anderes Wellenlängenfilter 11 transmittiert. Das von jedem der mehreren Wellenlängenfilter 11 transmittierte Prozesslicht 8 tritt in einen der mehreren optischen Sensoren 13 ein.
Angenommen, die mehreren Sensoren 13 sind ein erster optischer Sensor 13a, ein zweiter optischer Sensor 13b und ein dritter optischer Sensor 13c. 4 ist ein Diagramm, das Beispiele für Wellenlängenbänder zeigt, deren Licht von dem ersten, dem zweiten und dem dritten optischen Sensor 13a, 13b und 13c der Laserbearbeitungsvorrichtung 50 gemäß der ersten Ausführungsform empfangen wird. Zum Beispiel empfängt der erste optische Sensor 13a das Prozesslicht 8 im Band kürzerer Wellenlängen, empfängt der dritte optische Sensor 13c das Prozesslicht 8 im Band längerer Wellenlängen und empfängt der zweite optische Sensor 13b das Prozesslicht 8 im Band mittlerer Wellenlängen zwischen den Lichtwellenlängen, die von dem ersten und dem dritten optischen Sensor 13a und 13c empfangen werden.
Der erste, der zweite und der dritte optische Sensor 13a, 13b und 13c müssen das Prozesslicht 8 nicht in einem Bereich aller Wellenlängen empfangen, sondern könnten das Prozesslicht 8 nur in bestimmten Wellenlängenbereichen empfangen. Die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 ist in der Lage zu beobachten, wie sich die Wellenlängenverteilungen ändern, und zwar auf der Grundlage eines Verhältnisses zwischen den jeweiligen Lichtintensitäten der Wellenlängenbänder, die von dem ersten, dem zweiten und dem dritten optischen Sensor 13a, 13b und 13c empfangen werden, und eines Anteils der Lichtintensität, die von jedem des ersten, des zweiten und des dritten optischen Sensors 13a, 13b und 13c empfangen wird, an der Gesamtintensität. Die Gesamtintensität bezieht sich auf die Gesamtheit der Lichtintensitäten, die von dem ersten, dem zweiten und dem dritten optischen Sensor 13a, 13b und 13c empfangen werden.
Die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 ist in der Lage, die Zeitreihensignale und die sich ändernde Menge des Prozesslichts 8 als Summe der Lichtintensitäten zu beobachten, die jeweils von dem ersten, dem zweiten und dem dritten optischen Sensor 13a, 13b und 13c empfangen werden. Da nur Licht mit der Wellenlänge des Laserstrahls L nicht transmittiert wird, könnten optische Sensoren 13, die das Prozesslicht 8 mit anderen Wellenlängen als der Wellenlänge des Laserstrahls L empfangen, angeordnet werden.
Die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 könnte die Wellenlängen des Lichts, das in die optischen Sensoren 13 eintritt, durch Kombinieren der Strahlenteiler 10 und der Wellenlängenfilter 11 ändern. Die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 könnte durch eine Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52A ersetzt werden, die ein Beugungsgitter 10a enthält, wie in 5 dargestellt. 5 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung 50A gemäß einer ersten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 50A aufweist die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52A, die das Beugungsgitter 10a zur Spektroskopie verwendet. Die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 könnte durch eine Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52B ersetzt werden, die ein Prisma 10b enthält, wie in 6 dargestellt. 6 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung 50B gemäß einer zweiten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 50B aufweist die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52B, die das Prisma 10b zur Spektroskopie verwendet.
Die optischen Sensoren 13, die in der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 enthalten sind, könnten Silizium(Si)-Photodioden sein, die für Licht mit Wellenlängen zwischen und einschließlich 400 nm und 1100 nm empfindlich sind, oder Indium-Gallium-Arsenid(InGaAs)-Photodioden, die für Licht mit Wellenlängen empfindlich sind, die länger als oder gleich eine(r) Nahinfrarot-Wellenlänge sind. Eines der mehreren Wellenlängenfilter 11 könnte ein Kurzpassfilter sein, das Licht mit Wellenlängen transmittiert, die kürzer als oder gleich eine(r) erste(n) Wellenlänge sind. Ein anderes der mehreren Wellenlängenfilter 11 könnte ein Langpassfilter sein, das Licht mit Wellenlängen transmittiert, die länger als oder gleich eine(r) zweite(n) Wellenlänge sind, die länger als die erste Wellenlänge ist. Noch ein anderes der mehreren Wellenlängenfilter 11 könnte ein Bandpassfilter sein, das Licht mit Wellenlängen transmittiert, die länger als die erste Wellenlänge und kürzer als die zweite Wellenlänge sind.
Um das Prozesslicht 8 in einem geeigneteren Wellenlängenband zu erhalten, könnte das Wellenlängenfilter 11 ein Bandpassfilter sein, das durch Kombination eines Kurzpassfilters und eines Langpassfilters erhalten wird. Zum Beispiel könnten ein Kurzpassfilter, das Licht mit Wellenlängen kürzer als 500 nm transmittiert, ein Bandpassfilter, das Licht mit Wellenlängen zwischen und einschließlich 500 nm und 700 nm transmittiert, und ein Hochpassfilter, das Licht mit Wellenlängen länger als 700 nm transmittiert, kombiniert werden.
Eines der mehreren Wellenlängenfilter 11 könnte ein erstes Wellenlängenfilter sein, das Licht mit Wellenlängen kürzer als 525 nm transmittiert. Ein anderes der mehreren Wellenlängenfilter 11 könnte ein zweites Wellenlängenfilter sein, das Licht mit Wellenlängen länger als 700 nm transmittiert. Noch ein anderes der mehreren Wellenlängenfilter 11 könnte ein drittes Wellenlängenfilter sein, das Licht mit Wellenlängen zwischen und einschließlich 530 nm und 700 nm transmittiert.
Eines der mehreren Wellenlängenfilter 11 könnte ein Wellenlängenfilter sein, das Licht mit Wellenlängen zwischen und einschließlich 475 nm und 525 nm transmittiert. Ein anderes der mehreren Wellenlängenfilter 11 könnte ein Wellenlängenfilter sein, das Licht mit Wellenlängen zwischen und einschließlich 575 nm und 625 nm transmittiert. Noch ein anderes der mehreren Wellenlängenfilter 11 könnte ein Wellenlängenfilter sein, das Licht mit Wellenlängen zwischen und einschließlich 675 nm und 725 nm transmittiert.
Eines der mehreren Wellenlängenfilter 11 könnte ein Wellenlängenfilter sein, das Licht mit Wellenlängen zwischen und einschließlich 400 nm und 800 nm transmittiert. Ein anderes der mehreren Wellenlängenfilter 11 könnte ein Wellenlängenfilter sein, das Licht mit Wellenlängen zwischen und einschließlich 475 nm und 525 nm transmittiert. Noch ein anderes der mehreren Wellenlängenfilter 11 könnte ein Wellenlängenfilter sein, das Licht mit Wellenlängen zwischen und einschließlich 675 nm und 725 nm transmittiert. Mit der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, die die oben beschriebenen mehreren Wellenlängenfilter 11 aufweist, ist der Bearbeitungszustandsanalysator 51 zu einer besseren Korrektur der Bearbeitungsparameter und einer genaueren Erkennung von Bearbeitungsfehlerelementen in der Lage.
Einer der mehreren optischen Sensoren 13 könnte an einer Position angeordnet sein, die mit einer Abstrahlrichtung des Laserstrahls L, das der emittierte Laserstrahl des Laseroszillators 1 ist, zu einem Bearbeitungspunkt hin in einer Linie ausgerichtet ist, oder an einer Position, die mit einer Richtung in einer Linie ausgerichtet ist, die sich von der Abstrahlrichtung des Laserstrahls L zum Bearbeitungspunkt hin unterscheidet. Die Anordnung der optischen Sensoren 13 an den beiden Positionen ermöglicht den Vergleich der sich aufgrund der Positionsunterschiede ändernden Intensitätsverhältnisse des Prozesslichts 8 sowie den Vergleich der sich aufgrund der Positionsunterschiede ändernden Wellenlängenverteilungen. Aus dem Vergleich der durch die Positionsunterschiede bedingten Intensitätsverhältnisse kann die Neigung des in den Bearbeitungskopf 2 eintretenden Lichts ermittelt werden. Mit anderen Worten, die Anordnung der optischen Sensoren 13 an den beiden Positionen ermöglicht es der Laserbearbeitungsvorrichtung 50, eine genauere Korrektur der Bearbeitungsparameter durchzuführen.
7 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung 50C gemäß einer dritten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 50C aufweist alle konstituierenden Elemente der Laserbearbeitungsvorrichtung 50, eine Kollimatorlinse 14, die mit dem Bearbeitungskopf 2 gekoppelt ist, und eine optische Faser 15, die die Kollimatorlinse 14 und die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 verbindet. Wie in 7 dargestellt, könnte das Prozesslicht 8 vom Bearbeitungskopf 2 über die optische Faser 15 zur Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 übertragen werden. Obwohl in 7 kein Rahmen dargestellt ist, der den Bearbeitungszustandsanalysator 51 anzeigt, ist die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 in dem Bearbeitungszustandsanalysator 51 enthalten. Da der Bearbeitungszustandsanalysator 51, der die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 enthält, außerhalb des Bearbeitungskopfes 2 angeordnet ist, hat die Laserbearbeitungsvorrichtung 50C den Effekt, dass sie über einen Bearbeitungskopf 2 verfügt, der kleiner und leichter ist. Während der Bearbeitung bestimmt die Laserbearbeitungsvorrichtung 50C auf der Grundlage des Prozesslichts 8, das von dem Bearbeitungskopf 2 durch die optische Faser 15 übertragen wird, eine Korrekturgröße für einen Bearbeitungsparameter oder bestimmt für ein zu korrigierendes Bearbeitungsfehlerelement, ob die Bearbeitung gut oder schlecht ist.
In Fällen, in denen der Laseroszillator 1 ein Faserlaser oder ein Laseroszillator ist, der eine Faserübertragung ermöglicht, ist eine Analyse unter Verwendung des Prozesslichts 8, das in eine Faser zurückkehrt, möglich. Daher kann der Bearbeitungszustandsanalysator 51 innerhalb des Laseroszillators 1 angeordnet werden.
Die Merkmalsextraktionseinheit 53 wandelt die von der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 ausgegebenen Zeitreihensignale in die Merkmale um. Es gibt verschiedene Methoden der Merkmalsaufbereitung. Die Merkmalsextraktionseinheit 53 kann einen Satz von Werten als Merkmal verwenden. Der Wertesatz kann durch Analyse des Zeitreihensignals erhalten werden, und zwar durch die Durchführung einer Mittelwertberechnung, einer statistischen Berechnung wie z. B. der Berechnung der Standardabweichung, einer Frequenzanalyse, einer Filterbankanalyse oder einer Wavelet-Transformation des von der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52 erhaltenen Zeitreihensignals.
Die oben genannten Methoden der Merkmalsaufbereitung sind Beispiele. Die Merkmalsextraktionseinheit 53 könnte die Merkmale unter Verwendung eines allgemeinen Analyseverfahrens für die Zeitreihensignale aufbereiten. Die Merkmalsextraktionseinheit 53 könnte ein Merkmal oder mehrere Merkmale ausgeben. Die Merkmalsextraktionseinheit 53 könnte zu Beginn der Bearbeitung das Merkmal und seine Position in einem Merkmalsraum speichern und eine Veränderung des Merkmals und eine Veränderung der Position ebenfalls als Merkmale verwenden. Dadurch kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 auch einen Übergang des Merkmals aus einem anfänglichen Bearbeitungszustand feststellen und einen Vorläufer eines Bearbeitungsfehlers erkennen.
Die Merkmalsextraktionseinheit 53 könnte die Merkmale extrahieren, die die jeweiligen Ausgabewerte der mehreren optischen Sensoren 13 reflektieren, oder ein Merkmal, das die jeweiligen Ausgabewerte der optischen Sensoren 13 kombiniert.
Auf der Grundlage der von der Merkmalsextraktionseinheit 53 extrahierten Merkmale ermittelt die Bewertungseinheit 54, ob die laufende Bearbeitung gut oder schlecht ist. Die Bewertungseinheit 54 könnte nur ein Ergebnis ausgeben, das eine gute oder schlechte Bearbeitung anzeigt, oder einen Bewertungswert für die Bearbeitung. Anstelle einer binären Bestimmung von „gut“ oder „schlecht“ könnte die Bewertungseinheit 54 einen Wert ermitteln, der sich mit zunehmender Wahrscheinlichkeit von „gut“ 0 und mit zunehmender Wahrscheinlichkeit von „schlecht“ 1 nähert. Der Wert ist einer von fortlaufenden Zahlen. Zum Beispiel könnte die Bewertungseinheit 54 einen Bewertungswert berechnen, der besagt, dass die Wahrscheinlichkeit von „gut“ 90% und die Wahrscheinlichkeit von „schlecht“ 10% beträgt.
In Fällen, in denen das Ermittlungsergebnis für die Bearbeitungsqualität schlecht ist, könnte die Bewertungseinheit 54 eine Ausgabe liefern, die angibt, ob es irgendwelche untergliederten Symptome der Bearbeitungsfehlerelemente gibt oder nicht. Beispiele für solche Elemente sind das Anhaften von geschmolzenem Metall an einer Schnittfläche während des Laserschneidens, die Bildung von Krätze an einer Unterkante der Schnittfläche und periodische Rauheit in einem oberen Teil der Schnittfläche. Die Vertiefungen von Riefen sind tiefer, wenn die Rauheit auftritt, als wenn keine Rauheit auftritt. Die Bewertungseinheit 54 könnte feststellen, ob es ein Symptom für das Ablösen der Oxidschicht auf der Schnittfläche gibt oder nicht. Die Oxidschicht löst sich ab, wenn das beim Schneiden zu verwendende Bearbeitungsgas Sauerstoff ist.
Die Bearbeitungsfehlerelemente sind nicht auf die oben erwähnten Beispiele beschränkt. Zum Beispiel könnte die Bewertungseinheit 54 auch andere Bearbeitungsfehlerelemente untersuchen, wie z. B. die Verfärbung des Werkstücks W und das Vorhandensein oder Fehlen einer vibrierenden Oberfläche. Die Bewertungseinheit 54 könnte die Bearbeitungsfehlerelemente, für die Bestimmungen vorgenommen werden, zum Beispiel entsprechend den Bearbeitungsparametern wie der Laserausgangsleistung, der Bearbeitungsgeschwindigkeit, der Werkstückdicke und einer Bearbeitungsgasart ändern, wobei die Werkstückdicke eine Blechstärke des Werkstücks ist.
Zum Beispiel kommt es in Fällen, in denen die Bearbeitungsgasart Sauerstoff ist, zur Bildung eines Oxidfilms auf einer Schnittfläche, so dass bestimmt werden muss, ob sich die Oxidschicht ablöst oder nicht. In Fällen, in denen die Bearbeitungsgasart Stickstoff ist, tritt die Oxidfilmbildung auf der Schnittfläche jedoch nicht auf, so dass die Bestimmung, ob ein Ablösen des Oxidfilms vorliegt oder nicht, nicht erforderlich ist. Daher muss die Bewertungseinheit 54 keine Bestimmung über das Ablösen des Oxidfilms vornehmen, wenn die Bearbeitungsgasart Stickstoff ist.
Die Bewertungseinheit 54 könnte ein Ergebnis ausgeben, das eine gute oder schlechte Bearbeitung anzeigt, nachdem sie das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein jedes der Bearbeitungsfehlerelemente umfassend geprüft hat. Wenn die Bewertungseinheit 54 feststellt, dass ein Bearbeitungsergebnis schlecht ist, nachdem sie lediglich ermittelt hat, ob die Bearbeitung gut oder schlecht ist, könnte die Bewertungseinheit 54 die Symptome der Bearbeitungsfehlerelemente analysieren.
Die Bewertungseinheit 54 könnte eine Anzeigeeinheit innerhalb oder außerhalb der Laserbearbeitungsvorrichtung 50 das Ermittlungsergebnis anzeigen lassen. Die Bewertungseinheit 54 könnte die Anzeigeeinheit innerhalb oder außerhalb der Laserbearbeitungsvorrichtung 50 das Ermittlungsergebnis nur dann anzeigen lassen, wenn das Ermittlungsergebnis zur Schnittqualität schlecht ist. Die Anzeigeeinheit ist nicht dargestellt.
Die Bewertungseinheit 54 könnte bei der Vornahme einer Qualitätsbestimmung nicht nur die von der Merkmalsextraktionseinheit 53 ausgegebenen Merkmale verwenden, sondern auch andere Informationen. Ein Beispiel für die anderen Informationen bezieht sich auf einen Teil oder die Gesamtheit der die laufende Bearbeitung betreffenden Bearbeitungsparameter, die Temperatur eines im Bearbeitungskopf 2 enthaltenen optischen Systems, eine Temperaturänderung des optischen Systems im Bearbeitungskopf 2, die Werkstückdicke und ein Bearbeitungsmaterial. Die Werkstückdicke ist eine Dicke des Werkstücks W entlang einer Einfallsrichtung des Laserstrahls. Das Bearbeitungsmaterial ist ein Material, aus dem das Werkstück W besteht.
In Fällen, in denen das von der Bewertungseinheit 54 ausgegebene Ermittlungsergebnis nicht gut ist, berechnet die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 die Korrekturgröße für den Bearbeitungsparameter auf der Grundlage des von der Bewertungseinheit 54 ausgegebenen Ermittlungsergebnisses. Die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 gibt die berechnete Korrekturgröße an die Steuereinheit 3 aus. Die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 ist in der Lage, die in der Steuereinheit 3 eingestellten Bearbeitungsparameter abzurufen und könnte die Korrekturgröße auf der Grundlage des von der Bewertungseinheit 54 ausgegebenen Ermittlungsergebnisses und der aktuell eingestellten Bearbeitungsparameter berechnen.
Auf der Grundlage der von der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 empfangenen Korrekturgröße korrigiert die Steuereinheit 3 den Bearbeitungsparameter und führt dabei die Bearbeitung durch. Somit führt die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 eine Bearbeitung auf der Grundlage einer Bedingung durch, deren Bearbeitungsparameter korrigiert wird, wenn das von der Bewertungseinheit 54 erhaltene Ermittlungsergebnis schlecht ist. Die Korrektur des Bearbeitungsparameters wird so lange wiederholt, bis die Bewertungseinheit 54 ein gutes Ermittlungsergebnis ausgibt.
Als Nächstes wird eine detaillierte Beschreibung der Berechnung der Korrekturgröße für den Bearbeitungsparameter gegeben. Beispiele für den zu korrigierenden Bearbeitungsparameter sind u. a. die Laserausgangsleistung, der Bearbeitungsgasdruck, die Bearbeitungsgeschwindigkeit, die Fokuslage des Fokussiersystems, der Durchmesser des konvergierten Strahls aus dem Fokussiersystem, die Pulsfrequenz des Lasers, das Tastverhältnis des Pulses des Lasers, die Vergrößerung des Fokussiersystems für den Laser, der Durchmesser der Düse, der Abstand zwischen dem Werkstück W und der Düse, die Modenart des Laserstrahls L und die Positionsbeziehung zwischen der Mitte des Düsenlochs und dem Laserstrahl L.
In Fällen, in denen Ermittlungsergebnisse zu den jeweiligen Bearbeitungsfehlerelementen von der Bewertungseinheit 54 als Bewertungswerte ausgegeben werden, könnte die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 (einen) zu korrigierende(n) Bearbeitungsparameter und (eine) Korrekturgröße(n) für den/die Bearbeitungsparameter auf der Grundlage eines Kombinationsmusters ermitteln, das sich aus diesen Qualitätsermittlungsergebnissen zu den jeweiligen Bearbeitungsfehlerelementen zusammensetzt. Das Kombinationsmuster ist zum Beispiel eine Kombination aus drei Bewertungswerten wie etwa 0, 0 und 1, die von der Bewertungseinheit 54 entsprechend den Feststellungen zur Rauheit, zum Ablösen der Oxidschicht und zur Krätze ausgegeben werden, wobei das Ermittlungsergebnis gut ist, wenn der Bewertungswert 1 ist, und schlecht, wenn der Bewertungswert 0 ist.
Wenn zum Beispiel nur der Wert, der der Bestimmung der Krätze entspricht, 1 ist, während die anderen Werte 0 sind, fasst die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 unter den Bearbeitungsparametern die Laserausgangsleistung und den Bearbeitungsgasdruck zur Korrekturgrößenberechnung ins Auge und bestimmt eine Korrekturgröße, die die Laserausgangsleistung erhöht, und eine Korrekturgröße, die den Bearbeitungsgasdruck verringert. Auf diese Weise können der/die zu korrigierende(n) Bearbeitungsparameter und die Korrekturgröße(n) für den oder die Bearbeitungsparameter für jedes der Kombinationsmuster bestimmt werden.
In Fällen, in denen die Qualitätsermittlungsergebnisse zu den jeweiligen Bearbeitungsfehlerelementen von der Bewertungseinheit 54 als Bewertungswerte ausgegeben werden, die jeweils den Grad der Fehlerhaftigkeit angeben, könnte die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 für jedes der Bearbeitungsfehlerelemente die Korrekturgröße(n) für den/die zu korrigierenden Bearbeitungsparameter durch Gewichtung der Korrekturgröße(n) ändern oder den/die zu korrigierenden Bearbeitungsparameter selbst entsprechend dem Bewertungswert für jedes Bearbeitungsfehlerelement ändern.
Angenommen zum Beispiel, die Bewertungseinheit 54 gibt als Bewertungswerte für die jeweiligen Bearbeitungsfehlerelemente Werte aus, die jeweils einer von drei oder mehr Ziffernstufen zwischen und einschließlich 0 und 1 entsprechen. Für die Bestimmung der Krätze ist der Bewertungswert zum Beispiel als 0, 0,3, 0,6 oder 1,0 auf einer vierstufigen Skala definiert, und Korrekturgrößen für die Laserausgangsleistung und den Bearbeitungsgasdruck werden entsprechend dem Bewertungswert der Bestimmung der Krätze festgelegt. Beträgt der Bewertungswert für die Krätze 0,3, so wird in einem konkreten Beispiel die Korrekturgröße für die Laserausgangsleistung auf +0,2 [kW] und die Korrekturgröße für den Bearbeitungsgasdruck auf - 0,01 [MPa] gesetzt. Ist der Bewertungswert 0,6, wird die Korrekturgröße für die Laserausgangsleistung auf +0,5 [kW] und die Korrekturgröße für den Bearbeitungsgasdruck auf - 0,02[MPa] gesetzt.
Die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 ermittelt die Korrekturgrößen auf der Grundlage der oben festgelegten Entsprechungen zwischen den Bewertungswerten und den Korrekturgrößen. Wenn also der Bewertungswert für die Krätze 0,3 ist, erhöht die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 die Laserausgangsleistung um 0,2 [kW] und verringert den Bearbeitungsgasdruck um 0,01 [MPa]. Wenn dieser Bewertungswert 0,6 beträgt, erhöht die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 die Laserausgangsleistung um 0,5 [kW] und senkt den Bearbeitungsgasdruck um 0,02 [MPa]. Die oben genannten Korrekturgrößen sind Beispiele. Korrekturgrößen müssen nur entsprechend den Auswertungswerten bestimmt werden. Die Korrekturgrößen könnten als Werte bestimmt werden, die von den Werten der Bearbeitungsparameter vor der Korrektur abhängen. Die oben beschriebenen Beispiele sind nicht einschränkend dafür, wie die Korrekturgrößen ermittelt werden.
In Fällen, in denen von der Bewertungseinheit 54 eine von fortlaufenden Zahlen als Bewertungswert für jedes Bearbeitungsfehlerelement ausgegeben wird, könnte die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 eine Tabelle verwenden, die Korrespondenzen zwischen Bewertungswerten und Korrekturgrößen anzeigt, um eine Korrekturgröße für jeden der Bearbeitungsparameter durch Extrapolation oder Interpolation zu berechnen. Die Extrapolationsmethode könnte eine Methode sein, die Polynomkurven verwendet, oder eine Methode, die trigonometrische Funktionen oder Kegelschnitte verwendet.
Während in den oben beschriebenen Beispielen das Fallbeispiel einer schlechten Bearbeitungsqualität in Bezug auf die Bearbeitungsfehlerelemente angeführt wird, könnte ein Verbesserungselement hoher Priorität wie z. B. die Qualität der Bearbeitung, die Produktivität oder die Bearbeitungsstabilität je nach Arbeiter unterschiedlich sein. Wenn die Bearbeitungsgeschwindigkeit extrem niedrig ist, könnte sogar eine gute Bearbeitungsqualität nicht angemessen sein. Daher könnte der Bearbeitungszustandsanalysator 51 ein Eingabemittel enthalten, um von dem Arbeiter einen Prioritätsgrad für jeden der Verbesserungselemente als Eingabe zu erhalten.
Die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 könnte eine Korrekturgröße für den Bearbeitungsparameter auf der Grundlage des Prioritätsgrades für jedes Verbesserungselement berechnen. Die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 könnte Korrekturgrößen für den Bearbeitungsparameter auf der Grundlage der Prioritätsgrade für die mehreren Verbesserungselemente, die die Produktivität, das Kombinationsmuster und die Bearbeitungsstabilität aufweisen, bestimmen. So ist es zum Beispiel denkbar, dass abhängig vom Verbesserungselement die Korrekturgröße für denselben Bearbeitungsparameter ein entgegengesetztes Vorzeichen hat. In einem solchen Fall berechnet die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 die Korrekturgröße, die einem zu priorisierenden Arbeitselement entspricht.
Die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 könnte eine Korrekturgröße ermitteln, die entsprechend den Prioritätsgraden gewichtet wurde. Zum Beispiel könnte für jedes Verbesserungselement eine Gewichtung für eine Korrekturgröße für jeden Bearbeitungsparameter voreingestellt werden, und die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 könnte die auszugebende Korrekturgröße ermitteln, indem sie die Korrekturgröße mit der Gewichtung multipliziert, die dem Prioritätsgrad für das Verbesserungselement entspricht, und Korrekturgrößen nach der Multiplikation mit der Gewichtung aufaddiert. Werden die Gewichtungen so festgelegt, dass die Gewichtung für das zu priorisierende Element einen größeren Wert aufweist, so steigt der Beitrag zur auszugebenden Korrekturgröße umso mehr, je höher der Prioritätsgrad ist. Auf diese Weise könnte die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 die Korrekturgröße berechnen, die entsprechend den Prioritätsgraden gewichtet wurde.
In Fällen, in denen der Arbeiter einen Vorläufer des Bearbeitungsfehlers erkennen möchte, könnte die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 den Vorläufer des Bearbeitungsfehlers auf der Grundlage eines von der Bewertungseinheit 54 ausgegebenen Wertes erkennen. Nehmen wir zum Beispiel an, dass der von der Bewertungseinheit 54 ausgegebene Bewertungswert irgendwo zwischen und einschließlich 0 und 1 liegt. Für das Anzeigen einer guten Bearbeitung könnte ein Bereich zwischen 0 (einschließlich) und 0,4 (ausschließlich) festgelegt werden, für das Anzeigen des Vorläufers des Bearbeitungsfehlers könnte ein Bereich zwischen und einschließlich 0,4 und 0,7 festgelegt werden und für das Anzeigen einer schlechten Bearbeitung könnte ein Bereich von 0,7 oder mehr festgelegt werden. Die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 könnte den Bearbeitungsparameter korrigieren, wenn der Bewertungswert größer als oder gleich 0,4 ist.
Der Bearbeitungszustandsanalysator 51 könnte eine Korrekturgröße auf der Grundlage von Ergebnissen vergangener Versuche ermitteln. In diesem Fall muss der Bearbeitungszustandsanalysator 51 einen oder mehrere Sätze der Bearbeitungsparameter und Bewertungswerte aus dem/den vergangenen Versuch(en) speichern. 8 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Bearbeitungszustandsanalysators 56 einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer vierten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Modifikation aufweist alle konstituierenden Elemente der Laserbearbeitungsvorrichtung 50 und eine Bearbeitungsbedingungsspeichereinheit 57. Bei der Bearbeitungsbedingungsspeichereinheit 57 handelt es sich beispielsweise um einen Halbleiterspeicher. Die Bearbeitungsbedingungsspeichereinheit 57 ist in dem Bearbeitungszustandsanalysator 56 enthalten. Der Bearbeitungszustandsanalysator 56 bestimmt eine Korrekturgröße auf der Grundlage der Ergebnisse der mehreren Versuche. Der Bearbeitungszustandsanalysator 56 enthält auch die Steuereinheit 3, die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, die Merkmalsextraktionseinheit 53, die Bewertungseinheit 54 und die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55.
Die Bearbeitungsbedingungsspeichereinheit 57 des Bearbeitungszustandsanalysators 56 speichert den einen Satz aus dem ausgegebenen Bewertungsergebnis der Bewertungseinheit 54 vom vorhergehenden Versuch und dem Bearbeitungsparameter, der dem Bewertungsergebnis entspricht, oder die mehreren Sätze aus den ausgegebenen Bewertungsergebnissen der Bewertungseinheit 54 von den mehreren vergangenen Versuchen und dem Bearbeitungsparameter, der den Bewertungsergebnissen entspricht. Auf der Grundlage eines von der Bewertungseinheit 54 ausgegebenen Bewertungsergebnisses und des/der vergangenen Bewertungsergebnisse(s) und des Bearbeitungsparameters, die in der Bearbeitungsbedingungsspeichereinheit 57 gespeichert sind, berechnet die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 die Korrekturgröße für den Bearbeitungsparameter.
Indem nicht nur die aktuellen Informationen, sondern auch die vergangenen Informationen bei der Berechnung der Korrekturgröße verwendet werden, ist die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 in der Lage, eine verbesserte Genauigkeit bei der Berechnung der Korrekturgröße zu erzielen. Zum Beispiel ist die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 imstande, eine Korrekturgröße zu berechnen, indem sie die Sätze aus den mehreren Bewertungsergebnissen und dem Bearbeitungsparameter als diskrete Zustände in einer Markov-Kette verwendet. Bei der tatsächlichen Anpassung der Bearbeitungsbedingungen sind mehrere Kombinationen von Korrekturbedingungen denkbar.
Die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 ist in der Lage, eine genauere Korrekturgrößenberechnung durchzuführen, indem sie einen der Sätze auswählt und bei der Bestimmung einer Korrekturgröße auch berücksichtigt, wie der Fehler sein Muster bei der nachfolgenden probeweisen Bearbeitung ändert. Zum Beispiel berechnet die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 eine Korrekturgröße, die die Fokuslage senkt, die der Bearbeitungsparameter ist, und die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 führt das Schneiden auf der Grundlage der berechneten Korrekturgröße durch.
Zum Beispiel speichert die Bearbeitungsbedingungsspeichereinheit 57 den für die Bearbeitung eingestellten Bearbeitungsparameter und ein Bewertungsergebnis, das einem Ergebnis des Schneidens entspricht. Wenn ein von der Bewertungseinheit 54 ausgegebenes Bewertungsergebnis schlecht ist, bewegt die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Modifikation die Fokuslage nach unten und führt eine probeweise Laserstrahlbearbeitung durch. Wenn nach den zwei Versuchen keine Verbesserung bei der Bestimmung der Krätze, die einer der Bearbeitungsfehlerelemente ist, erzielt wird, könnte die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 auf der Grundlage der Sätze aus dem Bearbeitungsparameter und den Bewertungswerten, die die Bearbeitungsbedingungsspeichereinheit 57 gespeichert hat, eine Korrekturgröße berechnen, die die Fokuslage von einem Punkt, zu dem die Fokuslage mit den zwei Versuchen nach unten bewegt wurde, nach oben bewegt.
Der Bearbeitungszustandsanalysator 51 könnte ein Eingabemittel aufweisen, um als Eingabe vom Arbeiter einen Schwellenwert zu erhalten, der zur Bestimmung eines Niveaus verwendet wird. Das Niveau wird als abgestufter Bewertungswert verwendet, der dem jeweiligen Bearbeitungsfehlerelement entspricht, oder als Bewertungswert, der durch ein binäres Ermittlungsergebnis von gut oder schlecht gegeben ist. Die Bewertungseinheit 54 ermittelt den Bewertungswert mit dem eingegebenen Schwellenwert. In Fällen, in denen der Bearbeitungszustandsanalysator 51 über die Eingabemittel verfügt, ist die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 in der Lage, für jeden Arbeiter ein feines oder grobes Bewertungsniveau für jedes Bearbeitungsfehlerelement entsprechend dem von dem Arbeiter eingegebenen Schwellenwert einzustellen. In Fällen, in denen der Bearbeitungszustandsanalysator 51 über die Eingabemittel verfügt, ist der Arbeiter in der Lage, strengere oder mildere Kriterien für Bewertungswerte einzustellen.
Selbst wenn die Laserstrahlbearbeitung mit einer guten Bearbeitung beginnt, könnten Bearbeitungsfehler auftreten, z. B. aufgrund eines sich ändernden Zustands des Bearbeitungskopfes 2 oder geringfügiger Änderungen im Material des Werkstücks W. Aus diesem Grund haben Arbeiter bei fortlaufender Bearbeitung bisher eine niedrigere Bearbeitungsgeschwindigkeit verwendet als die Bearbeitungsgeschwindigkeit, welche die Bearbeitung tatsächlich ermöglicht. Mit anderen Worten, die Arbeiter haben die Bearbeitung bisher mit einer geringeren Produktivität als der ursprünglichen Kapazität durchgeführt.
Um das oben genannte Problem zu lösen, aufweist die vorliegende Offenbarung die Erfassung des Prozesslichts 8, das während der Bearbeitung erzeugt wird, mit einem Wellenlängenband des Prozesslichts 8, das in die mehreren Wellenlängenbänder unterteilt ist, und die detaillierte Erfassung der Merkmale, die zum Beispiel die sich ändernden Wellenverteilungen während der Bearbeitung aufweisen, wodurch die Erfassung des Bearbeitungsergebnisses, des Bearbeitungsfehlers oder des Vorläufers des Bearbeitungsfehlers ermöglicht wird. Wird der Vorläufer des sich anbahnenden Bearbeitungsfehlers erkannt, ändert die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 den Bearbeitungsparameter. Auf diese Weise kann die Bearbeitung die Produktivität aufrechterhalten, ohne den Bearbeitungsfehler zu verursachen. Selbst wenn der Bearbeitungsfehler auftritt, ist eine autonome Rückkehr zu einer guten Bearbeitung möglich.
Anstatt den Bearbeitungsparameter zu korrigieren, nachdem der Bearbeitungsfehler, das Bearbeitungsfehlerelement und der Vorläufer des Bearbeitungsfehlers erfasst wurden, könnte die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 den Bearbeitungsparameter korrigieren, indem sie die von der Merkmalsextraktionseinheit 53 extrahierten Merkmale direkt von der Merkmalsextraktionseinheit 53 erhält. Auf diese Weise wird ein Effekt erzielt, der für die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 eine reduzierte Rechenlast ermöglicht, weil der Bearbeitungsparameter ohne einen Erfassungsprozess korrigiert wird, wenn auch das Bearbeitungsfehlerelement und der Vorläufer des Bearbeitungsfehlers nicht erfasst werden. Die Merkmale, die bei der Erkennung von Bearbeitungsfehlern verwendet werden, könnten dieselben Merkmale sein, wie sie bei der Korrektur der Bearbeitungsparameter verwendet werden, oder sich von diesen unterscheiden.
Auf der Grundlage der Merkmale könnte die Bewertungseinheit 54 für zumindest eines der mehreren Bearbeitungsfehlerelemente einen Grenzwert zwischen einem guten Bearbeitungsbereich, d.h. einem Bearbeitungsparameterbereich, in dem die Ermittlungsergebnisse gut sind, und einem schlechten Bearbeitungsbereich, d.h. einem Bearbeitungsparameterbereich, in dem die Ermittlungsergebnisse schlecht sind, bestimmen. In Fällen, in denen der auf der Grundlage der Korrekturgröße korrigierte Bearbeitungsparameter in dem schlechten Bearbeitungsbereich enthalten ist, könnte die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 einen Grad der Abweichung bestimmen, der eine Differenz zwischen dem auf der Grundlage der Korrekturgröße korrigierten Bearbeitungsparameter und dem Grenzwert ist, eine Korrekturgröße für den Bearbeitungsparameter bestimmen und den Bearbeitungsparameter während der Bearbeitung korrigieren, wenn der Grad der Abweichung den Grenzwert überschritten hat. Da die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 die Korrekturgröße für den Bearbeitungsparameter bestimmt und den Bearbeitungsparameter während der Bearbeitung korrigiert, wenn der Grad der Abweichung den Grenzwert überschritten hat, ist die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 in der Lage, den Vorläufer des Bearbeitungsfehlers mit relativ hoher Genauigkeit zu erkennen.
Wie oben beschrieben, aufweist die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 gemäß der ersten Ausführungsform die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, die aus dem Prozesslicht 8, das von dem Werkstück W durch die Laserstrahlbestrahlung erzeugt wird, die Lichtintensitäten in den mehreren vorbestimmten Wellenlängenbändern von Interesse als die mehreren optischen Sensorsignale erfasst; die Merkmalsextraktionseinheit 53, die das Merkmal extrahiert, das als Korrelationsindex zwischen den mehreren optischen Sensorsignalen dient; und die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55, die auf der Grundlage des Merkmals den zu korrigierenden Bearbeitungsparameter als den Korrekturparameter und die Korrekturgröße für den Korrekturparameter bestimmt. Da das oben beschriebene Merkmal verwendet wird, erhält die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 mehr Informationen, als wenn Licht in jedem von mehreren Wellenlängenbändern einzeln beobachtet wird, und ist somit in der Lage, den Bearbeitungszustand zu erfassen und die Bearbeitungsbedingung mit einer höheren Geschwindigkeit oder mit höherer Genauigkeit anzupassen. Die Merkmalsextraktionseinheit 53 extrahiert zumindest eines der Merkmale, wobei die Merkmale aus dem Korrelationsindex zwischen den mehreren optischen Sensorsignalen und aus einem der optischen Sensorsignale erhältlich sind.
Bei der Gewinnung des Ermittlungsergebnisses bestimmt die Bewertungseinheit 54 gemäß der ersten Ausführungsform auf der Grundlage der Merkmale, ob die Bearbeitung für den zumindest einen der mehreren Bearbeitungsfehlerelemente gut oder schlecht ist. Die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 bestimmt zum Beispiel den zu korrigierenden Korrekturparameter und die Korrekturgröße für den Korrekturparameter auf der Grundlage des obigen Ermittlungsergebnisses. In diesem Fall ist die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 gemäß der ersten Ausführungsform in der Lage, die Bearbeitungsbedingung mit höherer Genauigkeit und höherer Geschwindigkeit zu ändern und somit eine stabile fortlaufende Bearbeitung zu ermöglichen.
Zweite Ausführungsform.
Eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform enthält anstelle des Bearbeitungszustandsanalysators 51 der Laserbearbeitungsvorrichtung 50 gemäß der ersten Ausführungsform einen in 9 dargestellten Bearbeitungszustandsanalysator 58. 9 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration des Bearbeitungszustandsanalysators 58 der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Laserbearbeitungsvorrichtung 50 dadurch, dass sie den Bearbeitungszustandsanalysator 58 enthält, der in der Laserbearbeitungsvorrichtung 50 nicht enthalten ist. Bei der zweiten Ausführungsform tragen konstituierende Elemente mit den gleichen Funktionen wie bei der ersten Ausführungsform die gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform und werden nicht beschrieben, um Redundanz zu vermeiden. Bei der zweiten Ausführungsform werden hauptsächlich die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben.
Der Bearbeitungszustandsanalysator 58 aufweist die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, die Merkmalsextraktionseinheit 53, eine Maschinenlerneinheit 59, die eine Beziehung zwischen Merkmalen und Bewertungswerten für Bearbeitungsfehlerelemente in Bezug auf einen zu korrigierenden Bearbeitungsparameter erlernt, die Bewertungseinheit 54 und die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55. Die Maschinenlerneinheit 59 lernt, die von der Merkmalsextraktionseinheit 53 extrahierten Merkmale und von einem Arbeiter erstellte Bewertungswerte zu verknüpfen. Die von dem Arbeiter erstellten Bewertungswerte sind Werte, die von Bewertungen durch den Arbeiter herrühren. Die Werte, die von den Bewertungen durch den Arbeiter herrühren, könnten zum Beispiel von einem nicht dargestellten Eingabemittel eingegeben werden oder von einer anderen Vorrichtung ausgegeben und von der Maschinenlerneinheit 59 empfangen werden. Die Maschinenlerneinheit 59 könnte eine arithmetische Verarbeitung auf der Grundlage der Merkmale durchführen, um eine Korrekturgröße für den Bearbeitungsparameter auszugeben.
Die Maschinenlerneinheit 59 aufweist eine Lerneinheit 60 und eine Datenerfassungseinheit 61. Die Lerneinheit 60 lernt anhand von Datensätzen, die Eingaben und Ergebnisse enthalten, durch maschinelles Lernen. Die Lerneinheit 60 könnte jeden beliebigen maschinellen Lernalgorithmus verwenden. Der maschinelle Lernalgorithmus, der von der Lerneinheit 60 verwendet wird, ist zum Beispiel ein überwachter Lernalgorithmus. Die Datenerfassungseinheit 61 erhält von der Merkmalsextraktionseinheit 53 die Merkmale als Eingaben für die Lerneinheit 60 und gibt die erhaltenen Merkmale an die Lerneinheit 60 aus. Die Bewertungseinheit 54 könnte die Merkmalsextraktionseinheit 53 und die Lerneinheit 60 aufweisen.
Die Werte, die von den Bewertungen durch den Arbeiter herrühren, werden ebenfalls in die Lerneinheit 60 eingegeben. Jeder der von den Bewertungen durch den Arbeiter herrührenden Werte ist ein Ermittlungsergebnis über die Qualität eines Bearbeitungsergebnisses für jeden der Bearbeitungsfehlerelemente und könnte ein Wert sein, der eine von mehreren Stufen oder eine von fortlaufenden Ziffern angibt, wie bei dem Bewertungswert, der als das Ermittlungsergebnis durch die Bewertungseinheit 54 gemäß der ersten Ausführungsform erhalten wird. Mit anderen Worten, die von den Bewertungen durch den Arbeiter herrührenden Werte entsprechen dem in der ersten Ausführungsform beschriebenen Kombinationsmuster und werden von dem Arbeiter bestimmt. Die Datenerfassungseinheit 61 könnte Zeitreihensignale von Lichtintensitäten, die von den optischen Sensoren 13 ausgegeben und von der Merkmalsextraktionseinheit 53 verarbeitet wurden, als Eingaben für die Lerneinheit 60 erhalten.
Wie oben beschrieben, erhält die Datenerfassungseinheit 61 die Zeitreihendaten von Lichtintensitäten oder die von der Merkmalsextraktionseinheit 53 ausgegebenen Merkmale als Zustandsvariablen und liefert die erhaltenen Zustandsvariablen an die Lerneinheit 60. Unter Verwendung der Datensätze, die sich jeweils aus den Zustandsvariablen und den Bewertungswerten zusammensetzen, führt die Lerneinheit 60 ein maschinelles Lernen der Qualität des Bearbeitungsergebnisses durch. Bei dem Datensatz handelt es sich um Daten, in denen die Zustandsvariablen mit den Bewertungsdaten verknüpft sind.
Die Lerneinheit 60 verwendet ein durch das maschinelle Lernen erlerntes Modell, um den Merkmalen entsprechende Bewertungswerte auszugeben. Daher ist die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 in der Lage, eine genauere Korrektur der Bearbeitungsparameter vorzunehmen. Obwohl die Lerneinheit 60 sowohl die Funktion der Durchführung des maschinellen Lernens der Qualität des Bearbeitungsergebnisses als auch die Funktion des gelernten Modells hat, könnte eine Schlussfolgerungseinheit, die das gelernte Modell zur Ausgabe von Bewertungswerten verwendet, separat von der Lerneinheit 60 bereitgestellt werden. Mit anderen Worten, der Bearbeitungszustandsanalysator 58 könnte die Schlussfolgerungseinheit enthalten, die das gelernte Modell verwendet, das von der Lerneinheit 60 trainiert wurde, um ein informatorisches Kombinationsmuster aus Zeitreihendaten von Lichtintensitäten zu berechnen.
In dem Beispiel von 9 ist die Maschinenlerneinheit 59 in dem Bearbeitungszustandsanalysator 58 enthalten; die Maschinenlerneinheit 59 könnte sich jedoch auch außerhalb des Bearbeitungszustandsanalysators 58 befinden. In diesem Fall sind der Bearbeitungszustandsanalysator 58 und die Maschinenlerneinheit 59 zum Beispiel über ein Netzwerk verbunden. Die Maschinenlerneinheit 59 könnte sich auf einem Cloud-Server befinden.
Der Bearbeitungszustandsanalysator 58 weist die in der ersten Ausführungsform beschriebene Bewertungseinheit 54 auf und könnte über eine Lernfunktion verfügen, die von der Bewertungseinheit 54 ermittelte Ermittlungsergebnisse verwendet. Zum Beispiel könnte der Bearbeitungszustandsanalysator 58, nachdem er beim Lernen mit den oben beschriebenen Datensätzen bis zu einem gewissen Grad vorangeschritten ist, ein durch die Bewertungseinheit 54 erhaltenes Ermittlungsergebnis korrigieren, und die Lerneinheit 60 könnte aus dem korrigierten Ermittlungsergebnis lernen.
Die Lerneinheit 60 verwendet zum Beispiel ein neuronales Netzwerkmodell, um aus den Zeitreihendaten von Lichtintensitäten und den Bewertungsergebnissen über die Qualität des Bearbeitungsergebnisses durch sogenanntes überwachtes Lernen zu lernen. Das überwachte Lernen bezieht sich auf maschinelles Lernen, bei dem Charakteristika anhand von mehreren Datensätzen gelernt werden, Datensätzen, die jeweils Eingaben und Ergebnisse enthalten, und Ergebnisse aus Eingaben geschlussfolgert werden. Die Ergebnisse, die als Daten in den Datensätzen enthalten sind, sind Labels.
Ein neuronales Netzwerk aufweist eine Eingabeschicht mit einer Vielzahl von Neuronen, eine Zwischenschicht mit einer Vielzahl von Neuronen und eine Ausgabeschicht mit einer Vielzahl von Neuronen, wobei die Zwischenschicht auch als verborgene Schicht bezeichnet wird. Es könnte nur eine Zwischenschicht oder zwei oder mehr Zwischenschichten geben.
10 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration des neuronalen Netzwerkmodells gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. X1, X2 und X3 sind Neuronen einer Eingabeschicht, Y1 und Y2 sind Neuronen einer Zwischenschicht und Z1, Z2 und Z3 sind Neuronen einer Ausgabeschicht. In dem in 10 dargestellten dreischichtigen neuronalen Netzwerkmodell wird jeder der drei Eingabewerte, wenn er in eines der Neuronen X1, X2 und X3 eingegeben wird, mit einer entsprechenden Gewichtung w11 bis w16 multipliziert, bevor er in das Neuron Y1 oder Y2 der Zwischenschicht eingegeben wird.
Jeder der von Y1 und Y2 ausgegebenen Werte wird mit einer entsprechenden Gewichtung w21 bis w26 multipliziert, bevor er in das Neuron Z1, Z2 oder Z3 der Ausgabeschicht eingegeben wird. In der Ausgabeschicht werden die Eingabewerte addiert, und ein durch die Addition erhaltener Wert wird als Ausgabeergebnis ausgegeben. Zum Beispiel können die von Z1, Z2 und Z3 ausgegebenen Ergebnisse mit den Bewertungsergebnissen gleichgesetzt werden, die jeweils den Bearbeitungsfehlerelementen entsprechen. Die ausgegebenen Ergebnisse variieren je nach den Gewichtungen w11 bis w16 und den Gewichtungen w21 bis w26.
Bei der zweiten Ausführungsform erfolgt das Lernen unter Verwendung der oben beschriebenen Datensätze, indem die Gewichtungen w11 bis w16 und die Gewichtungen w21 bis w26 im Wert angepasst werden, um die Ausgabeergebnisse des obigen neuronalen Netzes den korrekten Bewertungsergebnissen über die Bearbeitungsqualität anzunähern. 10 veranschaulicht das Beispiel. Die Anzahl der Schichten und die Anzahl der Neuronen in jeder der Schichten in dem beispielhaften neuronalen Netzwerkmodell in 10 sind nicht begrenzt.
Mittels eines neuronalen Netzwerkmodells kann die Lerneinheit 60 die Bewertungsergebnisse über die Bearbeitungsqualität auch durch sogenanntes unüberwachtes Lernen erlernen. Unüberwachtes Lernen ist eine Methode des Lernens, wie zum Beispiel eine Komprimierung, Klassifizierung oder Modellierung auf Eingabedaten anzuwenden ist, und zwar nur auf der Grundlage einer großen Anzahl von Eingabedaten, ohne entsprechende Trainingsausgabedaten zu verwenden, indem gelernt wird, wie die Eingabedaten verteilt sind. Beim unüberwachten Lernen können zum Beispiel ähnliche Merkmale, die in Eingabedatensätzen enthalten sind, zu Clustern zusammengefasst werden. Beim unüberwachten Lernen können Bewertungsergebnisse durch ihre Verteilung auf die geclusterten Ergebnisse vorhergesagt werden, so dass ein Kriterium zur Optimierung der geclusterten Ergebnisse aufgestellt wird.
Es gibt auch das sogenannte halbüberwachte Lernen als Zwischen-Problemsituation zwischen unüberwachtem Lernen und überwachtem Lernen. Beim halbüberwachten Lernen gibt es nur einige Datensätze, die Eingaben und Ergebnisse enthalten, während ein verbleibender Teil nur Eingabedaten enthält. Die Lerneinheit 60 könnte maschinelles Lernen mit halbüberwachtem Lernen durchführen.
Die Maschinenlerneinheit 59 könnte Datensätze von mehreren Bearbeitungszustandsanalysatoren 58 erhalten und Bewertungsergebnisse über die Qualität des Bearbeitungsergebnisses erlernen. Jeder der mehreren Bearbeitungszustandsanalysatoren 58 könnte der Bearbeitungszustandsanalysator 58 gemäß der zweiten Ausführungsform oder der Bearbeitungszustandsanalysator 51 gemäß der ersten Ausführungsform sein. Die mehreren Bearbeitungszustandsanalysatoren 58 könnten der Bearbeitungszustandsanalysator 58 und der Bearbeitungszustandsanalysator 51 sein.
Die Maschinenlerneinheit 59 könnte Datensätze von mehreren Bearbeitungszustandsanalysatoren 58 erhalten, die am selben Standort verwendet werden, oder von mehreren Bearbeitungszustandsanalysatoren 58, die jeweils an mehreren verschiedenen Standorten arbeiten. Der Bearbeitungszustandsanalysator 58, von dem Datensätze erhalten werden, kann auf halbem Wege des Lernprozesses hinzugefügt oder entfernt werden. Die Maschinenlerneinheit 59 könnte separat vom Bearbeitungszustandsanalysator 58 vorgesehen sein. In diesem Fall könnte die Maschinenlerneinheit 59 anhand von Datensätzen lernen, die von einem Bearbeitungszustandsanalysator 58 erhalten wurden, und dann mit einem anderen Bearbeitungszustandsanalysator 58 verbunden werden, um von diesem anderen Bearbeitungszustandsanalysator 58 Datensätze zu erhalten, um daraus erneut zu lernen.
Wie oben beschrieben, erlernt die Maschinenlerneinheit 59 die Beziehung zwischen den Zeitreihendaten von Lichtintensitäten, die von den optischen Sensoren 13 ausgegeben werden, oder den Merkmalen, die von der Merkmalsextraktionseinheit 53 ausgegeben werden, und den Bewertungsergebnissen über die Qualität des Bearbeitungsergebnisses. Die Maschinenlerneinheit 59 könnte eine Beziehung zwischen den von den optischen Sensoren 13 ausgegebenen Zeitreihendaten von Lichtintensitäten oder den von der Merkmalsextraktionseinheit 53 ausgegebenen Merkmalen und Korrekturgrößen für die Bearbeitungsparameter erlernen. In diesem Fall erhält die Datenerfassungseinheit 61 die Zeitreihendaten von Lichtintensitäten, die von den optischen Sensoren 13 ausgegeben werden, oder die Merkmale, die von der Merkmalsextraktionseinheit 53 ausgegeben werden, und die Korrekturgrößen, die von der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 ausgegeben werden. Nach dem Lernen ist die Maschinenlerneinheit 59 in der Lage, auf der Grundlage der von den optischen Sensoren 13 ausgegebenen Zeitreihendaten von Lichtintensitäten oder der von der Merkmalsextraktionseinheit 53 ausgegebenen Merkmale Korrekturgrößen für die Bearbeitungsparameter zu berechnen und auszugeben. In Fällen, in denen ein gelerntes Modell erstellt wird, das von der Maschinenlerneinheit 59 separat ist, enthält der Bearbeitungszustandsanalysator 58 eine Schlussfolgerungseinheit, die mit dem gelernten Modell, das von der Lerneinheit 60 trainiert wurde, auf der Grundlage von Ergebnissen über die Qualität der Bearbeitung Korrekturgrößen für die Bearbeitungsparameter berechnet.
Zur Eingabe in die Lerneinheit 60 könnte die Datenerfassungseinheit 61 entweder die Dicke des Werkstücks W oder das Material des Werkstücks W oder beides zusätzlich zu den von den optischen Sensoren 13 ausgegebenen Zeitreihendaten von Lichtintensitäten oder den von der Merkmalsextraktionseinheit 53 ausgegebenen Merkmalen erhalten. Von der Lerneinheit 60 könnte tiefes Lernen (Deep Learning), bei dem die Extraktion von Merkmalen selbst erlernt wird, als Lernalgorithmus verwendet werden. Die Lerneinheit 60 könnte maschinelles Lernen unter Verwendung einer anderen allgemein bekannten Methode durchführen, wie z. B. genetische Programmierung, funktionale Logikprogrammierung, eine Support-Vektor-Maschine, ein Fishersches Diskriminanzverfahren, eine Unterraummethode oder eine Diskriminanzanalyse unter Verwendung des Mahalanobis-Raums.
Von der Lerneinheit 60 könnten ein Entscheidungsbaum, ein Random Forest, eine logistische Regression, der k-Nächste-Nachbarn-Algorithmus, die Unterraummethode, eine CLAFIC-Methode (Class-Featuring Information Compression), Isolation Forest, der LOF (Local Outlier Factor), Boosting, AdaBoost, LogitBoost, eine Einklassen-Support-Vektor-Maschine (Ein-Klassen-SVM) oder ein Gaußsches Mischmodell als Lernalgorithmus verwendet werden. In Fällen, in denen die Merkmalsextraktion aus Bildern erlernt wird, wie z. B. bei Deep Learning oder einem konvolutionalen neuronalen Netzwerk, muss die Merkmalsextraktionseinheit 53 nicht vorgesehen sein. Die Maschinenlerneinheit 59 könnte für jedes Bearbeitungsfehlerelement vorgesehen sein. Die einzelne Maschinenlerneinheit 59 könnte den mehreren Bearbeitungsfehlerelementen entsprechen.
Wie oben beschrieben, führt die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform das maschinelle Lernen der Ermittlungsergebnisse über die Qualität der Bearbeitung durch, indem sie die von den optischen Sensoren 13 ausgegebenen Zeitreihendaten von Lichtintensitäten oder die von der Merkmalsextraktionseinheit 53 ausgegebenen Merkmale und die Bewertungsergebnisse über die Qualität des Bearbeitungsergebnisses verwendet. Daher erzeugt die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform die gleichen Effekte wie die Laserbearbeitungsvorrichtung 50 gemäß der ersten Ausführungsform und ist in der Lage, eine Korrekturgröße (oder Korrekturgrößen) für den/die Bearbeitungsparameter genauer zu bestimmen als die Laserbearbeitungsvorrichtung 50.
Die Maschinenlerneinheit 59 könnte eine Beziehung zwischen den Merkmalen und den Bewertungswerten erlernen, die angeben, ob die Bearbeitung in Bezug auf die zu bewertenden Bearbeitungsfehlerelemente gut oder schlecht ist. Die Maschinenlerneinheit 59 könnte eine arithmetische Verarbeitung auf der Grundlage der Merkmale durchführen, um Bewertungswerte für die Bearbeitungsfehlerelemente auszugeben. In diesem Fall ist die Laserbearbeitungsvorrichtung in der Lage, eine genauere Bewertung der Bearbeitungsfehlerelemente vorzunehmen.
Dritte Ausführungsform.
11 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung 50D gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 50D aufweist alle konstituierenden Elemente der Laserbearbeitungsvorrichtung 50 gemäß der ersten Ausführungsform, einen Temperatursensor 17 und eine Einheit 62 zur Schätzung der Strahlkonzentrationsposition. Die Einheit 62 zur Schätzung der Strahlkonzentrationsposition schätzt eine Strahlkonzentrationsposition, die eine Position auf dem Werkstück W ist, an der ein Laserstrahl konzentriert ist, wodurch eine geschätzte Strahlkonzentrationsposition erhalten wird. Bei der dritten Ausführungsform tragen die konstituierenden Elemente mit den gleichen Funktionen wie bei der ersten Ausführungsform die gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform und werden nicht beschrieben, um Redundanz zu vermeiden. Bei der dritten Ausführungsform werden hauptsächlich die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben.
Der Bearbeitungskopf 2 enthält im Inneren eine optische Komponente, die den Laserstrahl, das auf das Werkstück W zusteuert, transmittiert oder reflektiert. Ein Beispiel für die optische Komponente ist die Sammellinse 7. Die Einheit 62 zur Schätzung der Strahlkonzentrationsposition erfasst eine Temperaturänderung der optischen Komponente und schätzt die Strahlkonzentrationsposition auf der Grundlage der Temperatur der optischen Komponente, um so die geschätzte Strahlkonzentrationsposition zu erhalten. Auf der Grundlage eines Ermittlungsergebnisses und der geschätzten Strahlkonzentrationsposition bestimmt die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 einen zu korrigierenden Bearbeitungsparameter und eine Korrekturgröße für den Bearbeitungsparameter und korrigiert den Bearbeitungsparameter während der Bearbeitung.
Der Laserstrahl erwärmt Materie durch Absorption und bewirkt Änderungen der Dichte und des Brechungsindex eines erwärmten Teils der Materie. Die transmissive optische Komponente ist mit einer Antireflexionsbeschichtung aus einem Material versehen, das für die Wellenlänge des Laserstrahls optimiert ist. Während ein Großteil des Strahls von der optischen Komponente durchgelassen wird, wird ein Teil des Laserstrahls von der optischen Komponente absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die Wärme verursacht einen Unterschied im Brechungsindex zwischen der optischen Komponente und einer Peripherie der optischen Komponente, und der Unterschied im Brechungsindex bewirkt eine Linsenfunktion in der optischen Komponente. Das Phänomen, bei dem die Wärme die Linsenfunktion in der optischen Komponente verursacht, wird als thermischer Linseneffekt bezeichnet. Die reflektive optische Komponente ist mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen; ein Teil des Laserstrahls wird jedoch absorbiert und in Wärme umgewandelt, was wie bei der transmissiven optischen Komponente zu dem thermischen Linseneffekt führt.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 50D verwendet den Temperatursensor 17 zur Messung des thermischen Linseneffekts und schätzt eine Änderung der Brennweite auf der Grundlage eines vom Temperatursensor 17 ausgegebenen Wertes, der Leistung des aktuellen ausgegebenen Laserstrahls L und eines Bestrahlungsdurchmessers auf der Linse. Der Temperatursensor 17 könnte ein Wärmestromsensor sein, der den Wärmestrom der optischen Komponente misst. Die Leistung des Laserstrahls L und der Bestrahlungsdurchmesser auf der Linse könnten von der Steuereinheit 3 gelesen werden.
Die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 passt die Brennweite auf der Grundlage der Änderung der Brennweite an. Auf diese Weise ist die Laserbearbeitungsvorrichtung 50D gemäß der dritten Ausführungsform in der Lage, die Brennweite nicht nur unter Verwendung von Zeitreihendaten des Prozesslichts, sondern auch eines anderen Merkmals anzupassen. Folglich ist die Laserbearbeitungsvorrichtung 50D in der Lage, die Anpassung der Bearbeitungsbedingungen mit höherer Genauigkeit vorzunehmen. Zudem ist die Laserbearbeitungsvorrichtung 50D in der Lage, eine Wahrscheinlichkeit der Genauigkeit eines von der Bewertungseinheit 54 ausgegebenen Wertes zu bewerten. Ferner verwendet die Laserbearbeitungsvorrichtung 50D nicht nur die von den optischen Sensoren 13 erhaltenen Informationen, sondern auch die Informationen über die Temperatur der optischen Komponente und kann daher die Fokuslage mit höherer Genauigkeit einstellen.
12 ist ein Diagramm, das einen Prozessor 91 in Fällen zeigt, in denen der Prozessor 91 verwendet wird, um zumindest einen Teil der Steuereinheit 3, des Aktors 5, der Antriebseinheit 6 für die Positionsänderung einer Sammellinse, der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Bewertungseinheit 54 und der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 der Laserbearbeitungsvorrichtung 50 gemäß der ersten Ausführungsform zu implementieren. Mit anderen Worten, es könnte zumindest ein Teil der Funktionen der Steuereinheit 3, des Aktors 5, der Antriebseinheit 6 für die Positionsänderung der Sammellinse, der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Bewertungseinheit 54 und der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 mit dem Prozessor 91 implementiert werden, der Programme ausführt, die in einem Speicher 92 gespeichert sind. Der Prozessor 91 ist eine Zentraleinheit (CPU), eine Verarbeitungseinheit, ein Rechenwerk, ein Mikroprozessor oder ein digitaler Signalprozessor (DSP). Der Speicher 92 ist ebenfalls in 12 dargestellt.
In Fällen, in denen der zumindest eine Teil der Funktionen der Steuereinheit 3, des Aktors 5, der Antriebseinheit 6 für die Positionsänderung der Sammellinse, der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Bewertungseinheit 54 und der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 mit dem Prozessor 91 implementiert wird, wird der zumindest eine Teil der Funktionen mit dem Prozessor 91 und Software, Firmware oder einer Kombination aus Software und Firmware implementiert. Die Software oder die Firmware wird als Programme bezeichnet und ist im Speicher 92 gespeichert. Der Prozessor 91 liest die im Speicher 92 gespeicherten Programme und führt sie aus, um den zumindest einen Teil der Funktionen der Steuereinheit 3, des Aktors 5, der Antriebseinheit 6 für die Positionsänderung der Sammellinse, der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Bewertungseinheit 54 und der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 zu implementieren.
In Fällen, in denen der zumindest eine Teil der Funktionen der Steuereinheit 3, des Aktors 5, der Antriebseinheit 6 für die Positionsänderung der Sammellinse, der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Bewertungseinheit 54 und der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 mit dem Prozessor 91 implementiert wird, ist der Speicher 92 in der Laserbearbeitungsvorrichtung 50 enthalten, um die Programme zu speichern, mit denen zumindest ein Teil der Schritte für die Steuereinheit 3, den Aktor 5, die Antriebseinheit 6 für die Positionsänderung der Sammellinse, die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, die Merkmalsextraktionseinheit 53, die Bewertungseinheit 54 und die Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 schließlich ausgeführt wird. Man kann sagen, dass die im Speicher 92 gespeicherten Programme einen Computer veranlassen, zumindest einen Teil der Prozeduren oder Methoden der Steuereinheit 3, des Aktors 5, der Antriebseinheit 6 für die Positionsänderung der Sammellinse, der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Bewertungseinheit 54 und der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 auszuführen.
Der Speicher 92 ist zum Beispiel ein nichtflüchtiger oder flüchtiger Halbleiterspeicher wie ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Festwertspeicher (ROM), ein Flash-Speicher, ein löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EPROM) oder ein elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM) (eingetragenes Warenzeichen), eine Magnetplatte, eine Floppy-Disk, eine optische Speicherplatte, eine Compact-Disk, eine Minidisk, eine DVD oder dergleichen.
13 ist ein Diagramm, das die Verarbeitungsschaltung 93 in Fällen zeigt, in denen die Verarbeitungsschaltung 93 verwendet wird, um zumindest einen Teil der Steuereinheit 3, des Aktors 5, der Antriebseinheit 6 für die Positionsänderung der Sammellinse, der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Bewertungseinheit 54 und der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 der Laserbearbeitungsvorrichtung 50 gemäß der ersten Ausführungsform zu implementieren. Mit anderen Worten, es könnte der zumindest eine Teil der Steuereinheit 3, des Aktors 5, der Antriebseinheit 6 für die Positionsänderung der Sammellinse, der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Bewertungseinheit 54 und der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 mit der Verarbeitungsschaltung 93 implementiert werden.
Die Verarbeitungsschaltung 93 ist dedizierte Hardware. Die Verarbeitungsschaltung 93 ist zum Beispiel eine einzelne Schaltung, eine zusammengesetzte Schaltung, ein programmierter Prozessor, ein parallel programmierter Prozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) oder eine Kombination davon.
Ein Teil der Steuereinheit 3, des Aktors 5, der Antriebseinheit 6 für die Positionsänderung der Sammellinse 6, der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Bewertungseinheit 54 und der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 könnte mit anderer dedizierter Hardware separat von einem übrigen Teil implementiert werden.
Ein Teil der mehreren Funktionen der Steuereinheit 3, des Aktors 5, der Antriebseinheit 6 für die Positionsänderung der Sammellinse, der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Bewertungseinheit 54 und der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 könnte mit Software oder Firmware implementiert werden, während ein übriger Teil der mehreren Funktionen mit dedizierter Hardware implementiert werden könnte. Wie oben beschrieben, sind die mehreren Funktionen der Steuereinheit 3, des Aktors 5, der Antriebseinheit 6 für die Positionsänderung der Sammellinse 6, der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Bewertungseinheit 54 und der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 mit der Hardware, der Software, der Firmware oder einer Kombination davon implementierbar.
Zumindest ein Teil der Funktionen der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Maschinenlerneinheit 59, der Bewertungseinheit 54 und der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 des Bearbeitungszustandsanalysators 58 der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform könnte mit einem Prozessor implementiert werden, der in einem Speicher gespeicherte Programme ausführt. Der Speicher ist der gleiche wie der Speicher 92, und der Prozessor ist der gleiche wie der Prozessor 91. Zumindest ein Teil der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Maschinenlerneinheit 59, der Bewertungseinheit 54 und der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55, die oben erwähnt sind, könnte mit einer Verarbeitungsschaltung implementiert werden. Die Verarbeitungsschaltung ist die gleiche wie die Verarbeitungsschaltung 93.
Zumindest ein Teil der Funktionen der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Bewertungseinheit 54, der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 und der Einheit 62 zur Schätzung der Strahlkonzentrationsposition der Laserbearbeitungsvorrichtung 50D gemäß der dritten Ausführungsform könnte mit einem Prozessor implementiert werden, der in einem Speicher gespeicherte Programme ausführt. Der Speicher ist der gleiche wie der Speicher 92, und der Prozessor ist der gleiche wie der Prozessor 91. Zumindest ein Teil der Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit 52, der Merkmalsextraktionseinheit 53, der Bewertungseinheit 54, der Korrekturgrößenberechnungseinheit 55 und der Einheit 62 zur Schätzung der Strahlkonzentrationsposition, die oben erwähnt sind, könnte mit einer Verarbeitungsschaltung implementiert werden. Die Verarbeitungsschaltung ist die gleiche wie die Verarbeitungsschaltung 93.
Die obigen in den Ausführungsbeispielen dargestellten Konfigurationen sind illustrativ, können mit anderen, allgemein bekannten Techniken kombiniert werden und können teilweise weggelassen oder geändert werden, ohne vom Kerngedanken abzuweichen. Die Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Laseroszillator;
2: Bearbeitungskopf;
3: Steuereinheit;
4, 14: Kollimatorlinse;
5: Aktor;
6: Antriebseinheit für die Positionsänderung der Sammellinse;
7: Sammellinse;
8: Prozesslicht;
9: Spiegel;
10: Strahlenteiler;
10a: Beugungsgitter;
10b: Prisma;
11: Wellenlängenfilter;
12: abbildende Linse;
13: optischerSensor;
13a: erster optischer Sensor;
13b: zweiter optischerSensor;
13c: dritter optischer Sensor;
15: optische Faser;
17: Temperatursensor;
50, 50A, 50B, 50C, 50D: Laserbearbeitungsvorrichtung;
51, 56, 58: Bearbeitungszustandsanalysator;
52, 52A, 52B: Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit;
53: Merkmalsextraktionseinheit;
54: Bewertungseinheit;
55: Korrekturgrößenberechnungseinheit;
57: Bearbeitungsbedingungsspeichereinheit;
59: Maschinenlerneinheit;
60: Lerneinheit;
61: Datenerfassungseinheit;
62: Einheit zur Schätzung derStrahlkonzentrationsposition;
91: Prozessor;
92: Speicher;
93: Verarbeitungsschaltung.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2019166543 [0004]

Claims

Laserbearbeitungsvorrichtung, aufweisend: einen Aktor, um relative Positionen eines Bearbeitungskopfes und eines zu bearbeitenden Objekts zu ändern, wobei der Bearbeitungskopf ein Fokussiersystem enthält, um einen von einem Laseroszillator emittiertes Laserstrahl zu fokussieren und das zu bearbeitende Objekt zu bestrahlen, sowie eine Bearbeitungsgaszufuhreinheit, um dem zu bearbeitenden Objekt ein Bearbeitungsgas zuzuführen; eine Steuereinheit, um bei der Bearbeitungsausführung den Laseroszillator, den Bearbeitungskopf und den Aktor auf der Grundlage eines Bearbeitungsparameters zu steuern, wobei der Bearbeitungsparameter ein auf die Laserstrahlbearbeitung bezogener numerischer Parameter ist; eine Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit, um aus Prozesslicht Lichtintensitäten in mehreren vorbestimmten Wellenlängenbändern von Interesse als mehrere optische Sensorsignale zu erfassen, wobei das Prozesslicht Licht ist, das von dem zu bearbeitenden Objekt durch Laserstrahlbestrahlung erzeugt wird; eine Merkmalsextraktionseinheit, um zumindest eines von Merkmalen zu extrahieren, wobei die Merkmale aus einem Korrelationsindex zwischen den mehreren optischen Sensorsignalen und aus einem der optischen Sensorsignale erhältlich sind; und eine Korrekturgrößenberechnungseinheit, um den zu korrigierenden Bearbeitungsparameter als einen Korrekturparameter und eine Korrekturgröße für den Korrekturparameter auf der Grundlage des zumindest einen der Merkmale zu bestimmen.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Korrekturgrößenberechnungseinheit eine Bewertungseinheit aufweist, um beim Erlangen eines Ermittlungsergebnisses für zumindest einen von mehreren Bearbeitungsfehlerelementen auf der Grundlage des zumindest einen der Merkmale zu bestimmen, ob die Bearbeitung gut oder schlecht ist, und den zu korrigierenden Korrekturparameter und eine Korrekturgröße für den Korrekturparameter auf der Grundlage des Ermittlungsergebnisses bestimmt.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Maschinenlerneinheit, um eine Beziehung zwischen dem zumindest einen der Merkmale und einem Bewertungswert für ein Bearbeitungsfehlerelement in Bezug auf einen zu korrigierenden Bearbeitungsparameter zu erlernen, wobei die Maschinenlerneinheit bei der Ausgabe einer Korrekturgröße für den Bearbeitungsparameter eine arithmetische Verarbeitung auf der Grundlage des zumindest einen der Merkmale durchführt.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, ferner aufweisend eine Maschinenlerneinheit, um eine Beziehung zwischen dem zumindest einen der Merkmale und einem Bewertungswert zu erlernen, der anzeigt, ob die Bearbeitung in Bezug auf ein zu bewertendes Bearbeitungsfehlerelement gut oder schlecht ist, wobei die Maschinenlerneinheit bei der Ausgabe eines Bewertungswerts für das Bearbeitungsfehlerelement eine arithmetische Verarbeitung auf der Grundlage des zumindest einen der Merkmale durchführt.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, ferner aufweisend eine Einheit zur Schätzung einer Strahlkonzentrationsposition, um beim Erlangen einer geschätzten Strahlkonzentrationsposition eine Strahlkonzentrationsposition zu schätzen, die eine Position auf dem zu bearbeitenden Objekt ist, an der der Laserstrahl konzentriert ist, wobei der Bearbeitungskopf im Inneren eine optische Komponente enthält, die den Laserstrahl, der auf das zu bearbeitende Objekt zusteuert, transmittiert oder reflektiert, die Einheit zur Schätzung der Strahlkonzentrationsposition beim Erlangen der geschätzten Strahlkonzentrationsposition eine Temperaturänderung der optischen Komponente erfasst und die Strahlkonzentrationsposition auf der Grundlage der Temperatur der optischen Komponente schätzt, und die Korrekturgrößenberechnungseinheit auf der Grundlage des Ermittlungsergebnisses und der geschätzten Strahlkonzentrationsposition den zu korrigierenden Bearbeitungsparameter und eine Korrekturgröße für den Bearbeitungsparameter bestimmt und den Bearbeitungsparameter während der Bearbeitung korrigiert.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit einen ersten optischen Sensor aufweist, der an einer Position angeordnet ist, die mit einer Abstrahlrichtung des emittierten Laserstrahls des Laseroszillators zu einem Bearbeitungspunkt hin in einer Linie ausgerichtet ist, sowie einen zweiten optischen Sensor, der an einer Position angeordnet ist, die mit einer Richtung in einer Linie ausgerichtet ist, die sich von der Abstrahlrichtung des emittierten Laserstrahls des Laseroszillators zum Bearbeitungspunkt hin unterscheidet.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 4 und 5, wobei die Bewertungseinheit auf der Grundlage des zumindest einen der Merkmale für zumindest eines der mehreren Bearbeitungsfehlerelemente einen Grenzwert zwischen einem guten Bearbeitungsbereich und einem schlechten Bearbeitungsbereich bestimmt, wobei der gute Bearbeitungsbereich ein Bearbeitungsparameterbereich ist, in dem das Ermittlungsergebnis gut ist, und der schlechte Bearbeitungsbereich ein Bearbeitungsparameterbereich ist, in dem das Ermittlungsergebnis schlecht ist, und in Fällen, in denen der auf der Grundlage der Korrekturgröße korrigierte Bearbeitungsparameter in dem schlechten Bearbeitungsbereich enthalten ist, die Korrekturgrößenberechnungseinheit einen Grad der Abweichung bestimmt, eine Korrekturgröße für den Bearbeitungsparameter bestimmt und den Bearbeitungsparameter während der Bearbeitung korrigiert, wenn der Grad der Abweichung den Grenzwert überschritten hat, wobei der Grad der Abweichung eine Differenz zwischen dem auf der Grundlage der Korrekturgröße korrigierten Bearbeitungsparameter und dem Grenzwert ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 4, 5 und 7, wobei die mehreren Bearbeitungsfehlerelemente zumindest eines der Elemente für Schnittflächenrauheit in Bezug auf Qualität, Fugenhobeln, Krätze oder Ablösen einer Oxidschicht aufweisen.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Korrekturgrößenberechnungseinheit zumindest eines aus Schneidgeschwindigkeit, Fokuslage, Durchmesser eines konvergierten Strahls, Gasdruck oder Laserausgangsleistung als zu korrigierenden Bearbeitungsparameter ermittelt und eine Korrekturgröße für den Bearbeitungsparameter ermittelt.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit ein Kurzpassfilter zum Transmittieren von Licht mit einer Wellenlänge, die kürzer als oder gleich eine(r) erste(n) Wellenlänge ist, ein Langpassfilter zum Transmittieren von Licht mit einer Wellenlänge, die länger als oder gleich eine(r) zweiten(n) Wellenlänge ist, und ein Bandpassfilter zum Transmittieren von Licht mit einer Wellenlänge, die länger als die erste Wellenlänge und kürzer als die zweite Wellenlänge ist, aufweist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit ein erstes Wellenlängenfilter zum Transmittieren von Licht mit einer Wellenlänge kürzer als 525 nm, ein zweites Wellenlängenfilter zum Transmittieren von Licht mit einer Wellenlänge länger als 700 nm und ein drittes Wellenlängenfilter zum Transmittieren von Licht mit einer Wellenlänge zwischen und einschließlich 530 nm und 700 nm aufweist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit ein Wellenlängenfilter zum Transmittieren von Licht mit einer Wellenlänge zwischen und einschließlich 475 nm und 525 nm, ein Wellenlängenfilter zum Transmittieren von Licht mit einer Wellenlänge zwischen und einschließlich 575 nm und 625 nm und ein Wellenlängenfilter zum Transmittieren von Licht mit einer Wellenlänge zwischen und einschließlich 675 nm und 725 nm aufweist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Bearbeitungszustandsüberwachungseinheit ein Wellenlängenfilter zum Transmittieren von Licht mit einer Wellenlänge zwischen und einschließlich 400 nm und 800 nm, ein Wellenlängenfilter zum Transmittieren von Licht mit einer Wellenlänge zwischen und einschließlich 475 nm und 525 nm und ein Wellenlängenfilter zum Transmittieren von Licht mit einer Wellenlänge zwischen und einschließlich 675 nm und 725 nm aufweist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung während der Bearbeitung auf der Grundlage des Prozesslichts, das von dem Bearbeitungskopf durch eine optische Faser übertragen wird, eine Korrekturgröße für den Bearbeitungsparameter bestimmt oder für ein zu korrigierendes Bearbeitungsfehlerelement bestimmt, ob die Bearbeitung gut oder schlecht ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Bewertungseinheit aufweist: eine Merkmalsextraktionseinheit, um das zumindest eine der Merkmale zu extrahieren; und eine Lerneinheit, um eine Beziehung zwischen dem zumindest einen der Merkmale und dem Ermittlungsergebnis zu erlernen und das Ermittlungsergebnis auf der Grundlage eines erlernten Ergebnisses zu bestimmen.