DE19736075A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung eines oder mehrerer Qualitätsparameter bei der Bearbeitung von Werkstücken - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung eines oder mehrerer Qualitätsparameter bei der Bearbeitung von WerkstückenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von derzeit gebräuchlichen Vorrichtungen
zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Vorrichtungen werden
beispielsweise zur Beschriftung von Werkstücken, insbesondere
von Dieselpumpen verwendet, die in unterschiedlichen
Ausführungen von unterschiedlichen Herstellern stammen können.
Bei derartigen Vorrichtungen wird über einen sogenannten
Galvokopf ein Laserstrahl so abgelenkt, daß die gewünschte
Schrift in das Werkstück durch Verdampfen von Material
eingeschrieben wird. Um eine gute Schriftqualität zu
gewährleisten, muß die Vorrichtung mit bestimmten Stellgrößen
justiert werden. Derartige Stellgrößen sind beispielsweise die
Brennweite der Ausgangsoptik des Galvokopfes und somit die Größe
des Fokus des schreibenden Laserstrahls oder auch die Leistung
des Lasers.
Beim Schreibvorgang wird durch das Verdampfen bzw.
Herausschleudern von Oberflächenmaterial des Werkstücks ein
Geräusch erzeugt. Der Klang dieses Geräusches wird bislang für
die Justierung derartiger Schreibvorrichtungen verwendet, indem
manuell unter Zuhilfenahme des menschlichen Gehörs justiert
wird.
Unter diesen Voraussetzungen ist jedoch eine optimale Justierung
nicht möglich. Insbesondere ist es auch nicht möglich, während
des Schreibvorgangs die Stellgrößen an sich verändernde
Rahmenbedingungen, beispielsweise Unterschiede im zu
bearbeitenden Material oder auch Nachlassen der Laserleistung,
anzupassen. Zudem ist eine Kontrolle über die Qualität des
Schriftzugs an einem beschrifteten Werkstücks mit einer solchen
bekannten Vorrichtung nicht möglich.
Dem gegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung
vorzuschlagen, mittels der eine Optimierung in der Justierung
einer einleitend genannten Vorrichtung möglich und die Qualität
der Bearbeitung eines Werkstücks erfaßbar ist. Diese Aufgabe
wird ausgehend von einer Vorrichtung wie oben angeführt durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind
vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung
möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung
dadurch aus, daß ein Mikrofon zur Erfassung von während der
Bearbeitung entstehenden Schall- bzw. Ultraschallwellen
vorgesehen ist. Auf diese Weise ist der während der Bearbeitung
entstehende Schall einer Auswertung zugänglich, woraus
Richtgrößen oder Parameter resultieren können, die eine
objektive Aussage über die Güte der Einstellung der Vorrichtung
erlauben. Ein solcher Parameter kann beispielsweise in Form des
Effektivwertes eines gemessenen Schalldrucks angenommen werden.
Die Justierung einer Bearbeitungsvorrichtung wird hierbei
möglichst während des Betriebes durchgeführt, wobei der
entsprechende Parameter, beispielsweise die Effektivgröße des
gemessenen Schalldrucks, durch entsprechende Veränderung von
Stellgrößen auf einen Wert gebracht wird, von dem bekannt ist,
daß er mit einer guten Bearbeitungsqualität, d. h. bei einer
Beschriftungsvorrichtung mit einer guten Schriftqualität,
korreliert.
Vorteilhafterweise werden bei einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung Mittel, wie I/O-Karten, Digital-Audio-Tape und/oder
PC, zur selbsttätigen Auswertung des erfaßten Schalls
vorgesehen. Hierbei wird vorteilhafter Weise eine Analyse des
Schalls nach harmonischen Schwingungen vorgenommen. In einer
besonderen Ausführungsform der Erfindung hat es sich bewährt,
eine Auswertung nach der Grundfrequenz der Lasertaktung und
gegebenenfalls einer oder mehrerer harmonischer Oberschwingungen
durchzuführen. Durch die Ausblendung des übrigen
Frequenzbereichs werden Störquellen, z. B. vom Umgebungslärm,
ausgefiltert.
Die Intensität dieser harmonischen Schwingungen, bzw. der
Effektivwert des Schalldrucks dieser Schwingungen hat sich in
der praktischen Anwendung als eine Richtgröße gezeigt, die sehr
gut mit der Bearbeitungsqualität bzw. mit den für die
Bearbeitungsqualität maßgeblichen Stellgrößen der Vorrichtung
korreliert.
So zeigt beispielsweise der Effektivwert des Schalldrucks ein
Maximum, wenn der Abstand der Ausgangsoptik eines
Laserschreibkopfes relativ zum Werkstück über einen
entsprechenden Bereich variiert wird. Ebenso läßt sich ein
Zusammenhang zwischen dem Laserstrom, d. h. der
Laserausgangsleistung und dem genannten Schalldruck feststellen,
auf den weiter unten bei der Beschreibung des
Ausführungsbeispiels näher eingegangen wird.
Durch die Aufnahme des Schalls bzw. die Auswertung des
Schalldrucks gemäß der oben beschriebenen Vorgehensweise kann
die Einstellung einer Laserbearbeitungsmaschine objektiv
justiert werden, indem die entsprechenden Stellgrößen so lange
variiert werden, bis ein optimaler, mit guter
Bearbeitungsqualität korrelierender Wert des Schalldrucks
erreicht ist. Diese Vorgehensweise ist erheblich zuverlässiger
und genauer als die subjektive Justage des Fokus unter Anwendung
des menschlichen Gehörs.
Weiterhin kann mit Hilfe einer entsprechenden Steuereinheit ein
bearbeitetes Werkstück durch Vergleich mit dem während der
Bearbeitung vorliegenden Wert des Qualitätsparameters bzw. des
Schalldrucks sofort festgestellt werden, ob es sich um ein
innerhalb der gewünschten Toleranzen korrekt bearbeitetes
Werkstück oder aber um eine Ausschußware handelt. Durch
entsprechende Markierung oder Zuordnung eines festgelegten
Toleranzfensters kann somit der Ausschuß gegenüber der guten
Ware gekennzeichnet werden.
Das heißt in der Praxis, daß zusätzliche Kontrollen, wie
visuelle Sichtprüfungen vollkommen entfallen können. Es ist eine
hundertprozentige Qualitätskontrolle möglich.
Darüber hinaus ist durch die Erfassung und selbsttätige
Auswertung des Schalls eine Nachregelung qualitätsentscheidender
Stellgrößen während des Betriebs automatisch möglich. So kann
beispielsweise durch Variation in der Größe des Fokus-Punktes
des Laserstrahls, z. B. durch eine Änderung der Entfernung
zwischen Ausgangsoptik und Werkstück, ein Maximum in der
Intensität des Schalldrucks angefahren werden. Sofern hiermit
ein gewünschter, gegebenenfalls empirisch ermittelter Wert
erreichbar ist, war die Nachregelung erfolgreich. Wird ein
solcher Wert auch im Maximum der Regelkurve zwischen Brennweite
und Schalldruck nicht erreicht, so kann gegebenenfalls die
Leistung des Lasers nachgeregelt werden, bis das gewünschte
Ergebnis vorliegt. Auf diese Weise der ständigen und
vollautomatischen Nachregelung wird die Qualität der Bearbeitung
nicht nur online überwacht, sondern bei einer deutlichen
Qualitätssteigerung die Ausschußmenge deutlich verringert.
Weiterhin kann festgestellt werden, ab wann eine Nachregelung
des Stroms bzw. der Laserleistung notwendig wird. Dies ist ein
Indikator für das herannahende Ende der verwendeten Laserlampe.
Diese wird mit zunehmender Lebensdauer trübe, so daß ein Teil
der Licht-Leistung nicht mehr über den Laserstrahl, sondern über
Wärmeentwicklung am Glaskolben der Lampe verbraucht wird. Mit
wachsender Lebensdauer nimmt dieser Effekt zu, so daß die
Energie des Laserstrahls ständig sinkt, die Wärmeentwicklung in
der Lampe jedoch zunimmt. Dies kann letztendes zum Zerplatzen
der Laserlampe führen, was äußerst unerwünscht ist, da die Glas-
Fragmente in diesem Fall die Laserkammer, sowie das Rohr- und
Schlauchsystem im kritischen Bereich verunreinigen und eine
längere Reparaturzeit erforderlich machen.
Lange Reparatur oder Wartezeiten sind jedoch äußerst
unerwünscht, da hierzu die Fertigungsstraßen gestoppt werden
müssen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird rechtzeitig
erkannt, wann der Austausch einer Laserlampe erforderlich ist,
wobei der Austausch selbst und die Neuinbetriebnahme einer neuen
Lampe keine zeitwierige Justierung mehr erfordert, sondern mit
Hilfe der Erfindung schnell und problemlos, gegebenenfalls sogar
selbsttätig in kurzer Zeit bewerkstelligt werden kann.
Im Zusammenhang hierzu ist eine Erweiterung des vorgeschlagenen
Verfahrens jederzeit möglich. Die zur Schallüberwachung
erforderlichen Start- und Meßsignale können auch zur
Fehlerdiagnose der Anlage verwendet werden, wodurch bei der
Instandsetzung langwierige Fehlersuche, z. B. in den Bereichen
der Leistungsversorgung (Netzteile), Hochfrequenz, Shuter oder
Gate-Signal entfallen. Dies geschieht durch einfache
Registrierung und Direktauswertung der ohnehin erfaßten Daten
auf dem für die Geräuschmessung vorgesehenen Rechner.
Durch die bessere Justierung des Fokus ist zudem insgesamt eine
niedrigere Einstellung der Laserleistung möglich, so daß die
Lebensdauer einer Laserlampe erheblich vergrößert, d. h. bei
optimaler Einstellung mehr als verdoppelt werden kann. Weiterhin
erhöht sich die Lebensdauer eines als Lichtleiter eingesetzten
Glasfaserkabels zwischen dem Laser und dem Bearbeitungskopf,
beispielsweise einem sogenannten Galvokopf zur Beschriftung,
ebenfalls erheblich, da der Laser insgesamt mit geringerer
Leistung betrieben wird.
Durch die ständige Qualitätskontrolle, gute Justierung und
eventuelle "Online"-Nachregelung der wichtigen Stellgrößen
verringert sich wie bereits erwähnt der Ausschuß, so daß auch
der Aufwand für eine etwaige Nachbearbeitung erheblich
reduziert, bzw. vollkommen vermieden wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher
erläutert. Im einzelnen zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Fig. 2 ein Diagramm zu Veranschaulichung der Abhängigkeit des
Schalldrucks von der Fokussierung und
Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit des
Schalldrucks vom Laserstrom bzw. von der Laserleistung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Toleranzfensters zur
qualitativen Bestimmung der Schriftgüte und
Fig. 5 eine weitere schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 umfaßt ein Schutzgehäuse 2, in
dessen Innern die wesentlichen Bestandteile der Vorrichtung 1
angeordnet sind. Über einen Lichtleiter 3 wird das Laserlicht an
den Bearbeitungsort herangeführt. Eine Austrittsoptik, im
dargestellten einfachen Ausführungsbeispiel in Form einer
Laserlinse 4 fokussiert das Laserlicht auf ein Werkstück 5, das
in einem nicht näher dargestellten Werkstückhalter fixiert ist.
Während der Bearbeitung, beispielsweise einer Beschriftung,
entstehende Schallwellen 6 sind durch konzentrische Linien
dargestellt. Sie werden über ein Mikrofon 7 aufgenommen, das mit
einer nicht näher dargestellten Auswerteinheit verbunden ist.
Das Ausgangssignal des Mikrofons 7 ist aussagekräftig über den
auf genommenen Schalldruck bzw. die Intensität der Schallwellen
6, die maßgeblich zum einen durch die Fokussierung des
Laserlichts und zum andern durch die Leistung des Lasers
bestimmt ist.
Fig. 2 zeigt hierzu ein Diagramm, bei der die Abweichung in der
Fokuslage der Ausgangsoptik 4 relativ zum Werkstück gegenüber
dem Effektivwert des aufgenommenen Schalldrucks aufgetragen ist.
Die dargestellte Kurve zeigt unmittelbar, daß es einen maximalen
Wert zur Einstellung der Fokussierung gibt.
Das Diagramm gemäß Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des
Schallpegels vom Laserstrom, d. h. der Laserleistung. Der
Arbeitsbereich bekannter Vorrichtungen mit Lichtleiter liegt
hierbei unterhalb des Wendepunkts bei ca. 18 A. Bei der
Vorrichtung, mit der die Kurve gemäß Fig. 3 aufgenommen wurde,
bedeutet ein Überschreiten des Wendepunkts bereits das
herannahende Ende der Lebensdauer der Laserlampe. Selbst in den
flachen Abschnitten der Kurve gemäß Fig. 3 ist eine ausreichende
Korrelation zwischen dem Schalldruck und der Laserleistung
erkennbar, so daß eine gute Justierung oder Regelung des
Laserstroms über die Beobachtung des Schalldrucks möglich ist.
Bei einer Beschriftung mit Hilfe eines Laserschreibkopfes
verhält sich die Zeichenerkennbarkeit in etwa proportional zum
Effektivwert des Schalldrucks. Dieser wird vorzugsweise für die
Grundfrequenz entsprechend der Lasertaktung, beispielsweise 5 kHz
und eine oder mehrere harmonische Oberschwingungen des
Schalls bestimmt. Die Filterung nach der Grundfrequenz und
Oberschwingungen, beispielsweise 3 Oberschwingungen ergibt den
Vorteil, daß durch die schmalbandige Filterung in den
Frequenzbereichen um die harmonischen Schwingungen Störungen aus
der Umgebung, wie sie in der Fertigung auftreten, ausgeblendet
werden.
Sowohl die einmalige Justierung bei Inbetriebnahme als auch eine
"Online"-Nachregelung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
wird vorteilhafterweise so vorgenommen, daß zunächst über die
Variation der Fokussierung das Maximum des Schallpegels
angefahren wird. Eine hierzu praktikable Möglichkeit besteht
darin, zunächst in größeren Schritten die Fokussierung in eine
Richtung durchzufahren und bei Überschreitung des Maximums in
umgekehrter Richtung mit kleineren Schritten vorzugehen.
Gegebenenfalls kann dieser Vorgang mehrfach wiederholt werden
bis das Maximum mit der gewünschten Genauigkeit erreicht ist.
Sofern der Schallpegel in diesem Maximalwert, z. B. aufgrund
vorbestimmter empirischer Werte, als nicht ausreichend erkannt
wird, kann anschließend der Laserstrom erhöht werden, bis der
Schallpegel stimmt. Bei Überschreiten einer bestimmten Marke im
Laserstrom wird bevorzugt ein entsprechendes Signal erzeugt,
wodurch das herannahende Ende der Lebensdauer der Laserlampe
erkennbar wird.
Sofern die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht mit einer aktiven
"Online"-Nachregelung arbeitet sondern den Vorteil der Erfindung
lediglich zur Ausschußerkennung nutzt, wird vorzugsweise eine
Hüllkurve sowohl für die Fokussierung als auch für die
Laserleistung vorbestimmt.
Fig. 4 zeigt eine derartige Hüllkurve in Form eines Diagramms,
in dem der gemessene Schalldruck gegenüber der Zeit aufgetragen
ist. Unterbrechungen während der Beschriftung, beispielsweise
durch einen Zeichenwechsel s oder eine Linienunterbrechung s1
sind in diesem Diagramm deutlich sichtbar. Ein minimaler
Schalldruck min sowie ein maximaler Schalldruck max begrenzen
ein zulässiges Toleranzfenster. Befindet sich der Schalldruck im
Inneren dieses Toleranzfensters, so ist dies gleichbedeutend mit
einer Beschriftung ausreichender Qualität. Liegt der Schalldruck
in der Nähe des maximalen Schalldrucks max so ist dies
gleichbedeutend mit einer optimalen Beschriftung. Liegt der
Schalldruck in der Nähe des minimalen Schalldrucks min so
bedeutet dies ein gerade noch zulässiges Beschriftungsbild. Ein
Schalldruck außerhalb des dargestellten Toleranzfensters
hingegen ist gleichbedeutend mit einer nicht ausreichenden
Qualität der Beschriftung.
Sofern sich also der Schalldruck im Innern einer solchen
Hüllkurve befindet, wird das bearbeitete Werkstück als gut
erkannt und zur weiteren Bearbeitung freigegeben. Sobald eine
solche Hüllkurve verlassen wird, wird das entsprechende
Werkstück als Ausschuß markiert, um u. U. ausgesondert oder
nachgearbeitet zu werden.
Die Darstellung gemäß Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung 1 mit einem
sogenannten Galvokopf 8, der eine Verstelleinheit 9 zur Änderung
der Focuslage aufweist. Der Galvokopf 9 wird über den
Lichtleiter 3 an einem nicht näher dargestellten Laser
angeschlossen und umfaßt eine Optik 10 zur Fokussierung des
Laserlichts an der Bearbeitungsstelle an einem nicht näher
dargestellten Werkstück.
Zwei Mikrophone 7a, b empfangen die Schallwellen 6, die während
der Bearbeitung des Werkstücks entstehen. Die Mikrophone 7a, b
geben ihre Signale in einen Meßverstärker 11, der mit einem
sogenannten I/O Dialogprozessor 12 in Verbindung steht. Der I/O
Dialogprozessor 12 ist an einen Rechner 13 angeschlossen, der
über einen sogenannten I/O Digitalregler 14 die Verstelleinheit
9 betreibt. Der Rechner 13 kann an einen zentralen Prozeßrechner
angeschlossen werden, der neben der beschriebenen Anordnung mit
weiteren Komponenten, beispielsweise einer Lasersteuerung in
Verbindung steht und zur Prozeßsteuerung sowie zur Ein- und
Ausgabe von Prozeßparametern dienen kann.
Die dargestellte Anordnung gemäß Fig. 5 zeigt eine Verwendung
der Erfindung zum aktiven Nachregeln der Fokuslage wie oben
beschrieben.
Bei Inbetriebnahme einer neuen Laserlampe kann die Hüllkurve
zunächst dazu verwendet werden, um nach Einstellen des Fokus den
Lampenstrom im maximalen Bereich des Toleranzfensters
einzuregeln. Somit wird sichergestellt, daß die Laserlampe nicht
unnötig belastet wird und das System nachregelbar ist.
Auch für die selbsttätige Nachregelung während des Betriebes
kann eine solche Hüllkurve verwendet werden, wobei eine
Nachregelung usw. bei Unterschreitung der vorgegebenen
Toleranzen stattfindet.
1
Vorrichtung
2
Schutzgehäuse
3
Lichtleiter
4
Laserlinse
5
Werkstück
6
Schallwellen
7
Mikrophon
8
Galvokopf
9
Verstelleinheit
10
Optik
11
Meßverstärker
12
I/O Dialogprozessor
13
Rechner
14
I/O Dialogregler
Claims (11)
1. Vorrichtung zur Erfassung eines oder mehrerer
Qualitätsparameter bei der Bearbeitung von Werkstücken mittels
eines Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrofon zur
Aufnahme von Schall- oder Ultraschallwellen vorhanden ist.
2. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinheit zur Auswertung des
erfaßten Schalls vorhanden ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel zur Zerlegung des Schalls in
harmonische Schwingungen vorhanden sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel zur Auswertung der Grundfrequenz der
Lasertaktung und/oder einer oder mehrerer harmonischer
Oberschwingungen vorhanden sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel zur Nachregelung von Stellgrößen mit
Hilfe des Effektivwerts des Schalldrucks als Regelgröße
vorhanden sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel zur Kennzeichnung von Ausschußware
bei Über- oder Unterschreitung von vorgegebenen Werten vorhanden
sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß Anzeigemittel zur Darstellung des
Schalldrucks bei der Justierung von Stellgrößen vorhanden sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel zur selbsttätigen Nachregelung von
Stellgrößen während des Betriebs der Vorrichtung vorgesehen
sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß die Größe des Fokus und/oder die
Laserleistung regelbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) eine
Laserschreibvorrichtung ist.
11. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung nach einem der vorgenannten
Ansprüche verwendet wird.
Priority Applications (1)
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DE19736075A DE19736075C2 (de) | 1997-08-20 | 1997-08-20 | Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung eines oder mehrerer Qualitätsparameter bei der Bearbeitung von Werkstücken |
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DE19736075C2 DE19736075C2 (de) | 1999-06-17 |
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ID=7839527
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