DE19736075A1

DE19736075A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung eines oder mehrerer Qualitätsparameter bei der Bearbeitung von Werkstücken

Info

Publication number: DE19736075A1
Application number: DE19736075A
Authority: DE
Inventors: Winfried Dr Keiper; Fawzi Dr Attia; Karl Weindl; Claus Westphal; Dieter Eppinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-08-20
Filing date: 1997-08-20
Publication date: 1999-03-11
Anticipated expiration: 2017-08-21
Also published as: DE19736075C2

Description

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Bezugszeichenliste

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

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.