DE4022228A1

DE4022228A1 - Verfahren und einrichtung zum materialbearbeiten mit laserstrahlen

Info

Publication number: DE4022228A1
Application number: DE19904022228
Authority: DE
Inventors: Willi Hornfeld; Dietmar Meyer; Andreas Dr Suhl; Julius Weyand
Original assignee: MSG MARINE und SONDERTECHNIK G
Current assignee: STN Systemtechnik Nord GmbH
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1990-07-12
Publication date: 1992-01-23

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Materialbearbeiten mit Laserstrahlen.

Bei der Bearbeitung von Werkstoffen mit Laserstrahlen oder bei me dizinischen Anwendungen von Laserstrahlen können Beeinträchtigungen durch zu starke Erhitzung des Laserauftreffpunktes einschließlich seiner Umgebung, sowie unzureichend behandelter Bereiche entstehen und insgesamt zu einem unbefriedigenden Ergebnis führen. Während das Bearbeiten von Materialien mit Laserstrahlen im Werkstoffbereich durch Wiederholen erfolgreich abgeschlossen werden kann, ist dies im medizinischen Bereich im Regelfall nicht möglich. Dies ist aber äußerst unbefriedigend und daher ist es wünschenswert die Laser strahlen für Materialbearbeitungsverfahren exakt zu dosieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Bearbeiten von Materialien mit Laserstrahlen zu schaffen das eine optimale Dosierung der Laserstrahlen gewährleistet. Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Temperatur vom Auf treffpunkt des Lasers auf das Material und/oder der Umgebung mit einer Meßeinrichtung erfaßt und zur Temperaturhaltung als Signal einer Regeleinrichtung zur Steuerung der Laserleistung zugeführt wird.

Die erfindungsgemäße Maßnahme sichert durch einen Regelungsprozeß genau definierte Temperaturen im Auftreffpunkt des Lasers und sei ner Umgebung, so daß Schäden durch übermäßige Dosierungen oder Fehler durch zu geringe Lasereinwirkungen vermieden werden. Für die Temperaturmessung kann ein nach dem Prinzip der Thermographie ar beitendes Meßgerät, ein mit einer Sonde nach dem Prinzip der Di rektmessung arbeitendes Meßgerät, gegebenenfalls mit faseroptischer Sonde oder ein Strahlungsthermometer benutzt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind den Ansprüchen 6 bis 22 zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild für einen ersten schematischen Aufbau einer Meßeinrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild für einen zweiten schematischen Aufbau einer Meßeinrichtung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild für einen dritten schematischen Aufbau einer Meßeinrichtung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines parameteradaptiven Regelkreises,

Fig. 5 das Prinzip eines mit einem Laser bestrahlten und mit einer Wärmebildkamera beobachteten Werkstückes und

Fig. 6 ein Diagramm über den Aufheizvorgang eines mit einem Laser bestrahlten Werkstückes.

Wie die Darstellung nach Fig. 1 zeigt, wird ein Objekt 1 mit einem Laser 2 zur Materialbearbeitung bestrahlt und der Auftreffpunkt des Lasers 2 auf dem Objekt 1 wird mit einem Thermographiesystem 3 beobachtet. Ein vom Thermographiesystem 3 gesteuerter Monitor 4 ge stattet es auch den Bearbeitungsvorgang in vergrößerter Form zu beobachten. Wie Fig. 2 und Fig. 3 zeigen, ist es auch möglich, ge meinsame und/oder getrennte Endoskope 5, 5′ für die Laserstrahlen und den Beobachtungsvorgang zu benutzen. Die Temperaturerfassung des La serauftreffpunktes mit Hilfe der Thermographie hat den Vorteil von der Wellenlänge des benutzten Lasers nicht abhängig zu sein. Es ist aber auch möglich direkte Meßverfahren mit Sonden einschließlich fa seroptischer Verfahren oder Strahlungsthermometer zu benutzen. Für die Temperaturerfassung mit der Thermographie wird ein kalibriertes Wärmebildsystem eingesetzt, das aus einer Wärmebildkamera, einer Bildverarbeitungsstufe, einer Bildauswertestufe sowie dem Monitor zur Bilddarstellung besteht. Die wesentliche Komponente der Wärme bildkamera ist ein starrender Mosaikdetektor oder ein Detektorarray mit Abtasteinrichtung, wobei wie Fig. 1 bis 3 zeigen Laser und Ther mographie auf verschiedene Arten eingesetzt werden können. Der La ser dient dabei als Stellglied innerhalb eines im Zusammenhang mit Fig. 4 noch zu erläuternden Regelkreises, dessen Leistung je nach den Erfordernissen des zu regelnden Bearbeitungsprozesses eingestellt wird.

Der Aufbau der Meßeinrichtung muß sicherstellen, daß sich der durch den Laser erwärmte Oberflächenausschnitt ohne Verdeckung im Gesichts feld der Wärmebildkamera befindet. Dies kann durch eine ständige Messung der Entfernung zwischen dem Laserauftreffpunkt und dem La ser selbst erkannt und berücksichtigt werden. Mit einer angeschlos senen Auswerteeinheit kann eine Verdeckung dann als eine über eine durch die Benutzeroberfläche (Sichtbild des Monitors) zu setzende Schwelle hinausgehende Entfernungsänderung erkannt und dem Benutzer auf dem Monitor angezeigt werden. Gleichzeitig wird um Schäden zu vermeiden der Laser abgeschaltet bzw. für eine fortschreitende Ent fernungsmessung auf eine verträgliche Laserleistung zurückgeschal tet.

Eine Entfernungsmessung wird ferner durchgeführt um die Fokussierung der Optik für die Wärmebildkamera bei der Thermographie sicherzu stellen. Bei Wärmebildkameras mit Mosaikdetektoren kann die Entfer nungsmessung bzw. Regelung der Fokussierung durch Einstellung des Signals der Laserstrahlung auf maximalen Kontrast erfolgen, da die Mosaikdetektoren in spektraler Hinsicht hinreichend empfindlich für die Laserstrahlen sind. Ein derartig aufgebautes Meßgerät arbeitet zweckmäßigerweise mit einem Impulslaser, so daß die Phase für die Entfernungsmessung bzw. Fokussierung stets mit der Phase der Ther mographie wechselt. Bei einer mit einem Mosaikdetektor bestückten Wärmebildkamera können die Phasen für die Entfernungsmessung und die Thermographie mit den für die Bearbeitung erforderlichen Laser takten gekoppelt und eingestellt werden. Das bedeutet, daß inner halb des auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Objektes einwir kenden Laserimpulses, die Entfernungsmessung bzw. Fokussierung durchgeführt wird. In der Laserstrahlungspause wird die Wärmebild kamera dann als Meßgeber für die Regelung des Lasers eingesetzt. Hierzu wird das Stellglied, und zwar der Laser, neu für den näch sten Impuls eingestellt, die Beobachtungszeit für die Thermographie entsprechend vorgewählt und in der Thermographieauswertung entspre chend berücksichtigt. Für diesen Zweck kann auch die Bandbreite der möglichen und einstellbaren Detektorintegrationszeiten ausgenutzt werden. Bei einem Dauerstrichlaser oder einem Laser sehr kurzer Strahlungspausen ist es zweckmäßig, insbesondere wenn die Wellen länge des Lasers im Spektralbereich der Wärmebildkamera liegt, ein spektrales Sperrfilter in den Strahlengang der Wärmebildkamera ein zuschalten. Dieses Sperrfilter wird dann, wenn der Laser auch zur Entfernungsmessung bzw. Fokussierung dient, entsprechend ein- und ausgeschaltet.

Die Thermographie bietet die Möglichkeit das erfaßte Wärmebild nach entsprechender Bildverarbeitung auf dem Monitor darzustellen. Da bei kann mittels Falschfarben und Isothermen auch die Temperaturver teilung angezeigt werden. Weiterhin ist es durch Vorgabe weiterer Pa rameter z. B. des Lasertyps möglich eine Vorhersage über die Tempe raturverteilung in der Materialtiefe vorzunehmen. Diese Information kann über den Regelkreis, und zwar falschfarbkodiert, ebenfalls auf dem Monitor dargestellt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Materialbearbeitung wird, wie bereits er wähnt, die Temperatur, und zwar der Punkt der höchsten Temperatur im gesamten Gesichtsfeld der Wärmebildkamera oder einem innerhalb des Sichtfeldes des Monitors vorgegebenen und mit Hilfe der Bildverarbei tung immer wieder identifizierbaren Teilgesichtsfeld geregelt. Da es sich bei dem Bearbeitungsprozeß um ein nichtlineares zeitvariantes Mehrgrößensystem mit teilweise unbekannten Prozeßparametern handelt, ist es wegen der geforderten bleibenden hohen Regelgüte und für die Aufrechterhaltung der Stabilität der Regelkreises erforderlich, den fest eingestellten Regler den sich verändernden Prozeßeigenschaften anzupassen.

Ein Regelkreis, der diesen Anforderungen genügt, ist in Fig. 4 dar gestellt. Der zu regelnde Prozeß 6 bildet zusammen mit einem in Form einer rekursiven Differentialgleichung vorliegenden digitalen Reg ler 7, dem Laser 2, einer Wärmebildkamera 8 und einer digitalen Bild verarbeitungsstufe 9 einen Grundregelkreis, in dem der Regler 7 aus der Regeldifferenz den aktuellen Stellwert u(k) für die erforderli che Laserintensität berechnet. Der Regelgröße kann ein Störsignal n(k) überlagert sein. Dem Grundregelkreis übergeordnet ist eine Adap tionsebene, die eine Stufe zur Identifikation des unbekannten Pro zeßverhaltens 10 und eine Stufe für die Bestimmung der Reglerpara meter 11 enthält. Bei der Identifikation des unbekannten Prozeßver haltens werden die unbekannten Parameter R_ID eines in seiner Struk tur vorgegebenen Prozeßmodells mit der Methode der rekursiven Para meterermittlung nur aufgrund gemessener aktueller und vergangener Prozeßeingangs- und Prozeßausgangssignalwerte bestimmt. Hierzu bein haltet die Stufe 11 zur Bestimmung der Reglerparameter eine program mierbare Synthesevorschrift, um die Reglerparameter Γ_RG einer vorge gebenen digitalen Reglerstruktur aus den Parametern R_RS des geschätz ten Prozeßmodells zu berechnen. Die Prozeßidentifikation und die Berechnung der Reglerparameter wird in der Basisstruktur des para meteradaptiven Regelkreises nach jedem Abtastschritt durchgeführt, wobei die Reglerparameter zum Zeitpunkt k aus den zum Zeitpunkt k ermittelten Prozeßparametern R_ID berechnet und beim nachfolgenden Abtastschritt k+1 im Grundregelkreis zur Regelung herangezogen wer den.

Dem Grundregelkreis und der Adaptionsebene ist in einer weiteren Rückführung eine Überwachungs- und Koordinationsebene übergeordnet. In dieser Ebene 12 werden der Start der parameteradaptiven Regelung gesteuert, entschieden zu welchem Zeitpunkt ein Reglerentwurf durch geführt wird, Prüfungen vorgenommen um Fehlverhalten bei der Iden tifikation und Berechnung der Reglerentwürfe zu erkennen und Über wachungen durchgeführt damit der geschlossene Regelkreis im stabi len Zustand gehalten werden kann.

Fig. 5 zeigt ein mit einem Laser 2 bestrahltes Werkstück im Schnitt das mit einer Wärmebildkamera 8 beobachtet wird. Die gestrichelt dargestellten Linien sind Isothermen (13), welche die Eindringtiefe bzw. die Verbreitung der Temperatur vom Auftreffpunkt aus zeigen. Bei der Regelung stehen folgende Prozeßparameter zur Verfügung:

- Temperaturwerte ϑ_i(t)
- die Fläche F_i(t)- die Temperaturänderung
für i = 1, 2, 3, 4, . . n.

Als Führungsgrößen könnten die maximale Randtemperatur ϑ_Rmax, oder eine Fläche mit dem Radius r_R dem Regelprozeß eingegeben werden. Die adaptive Regelung ist notwendig, da bei inhomogener Materie folgende Ungleichung gilt:

In der Darstellung nach Fig. 6 ist der Aufheizvorgang eines Auf treffpunktes bei Translation des Lasers dargestellt. Bei der Trans lation des Lasers von a nach b wird die Restwärme im Punkt P₁ bei einem erneuten Aufheizvorgang berücksichtigt, so daß Temperatur spitzen in den Überdeckungsgebieten vermieden werden.

Bezugszahlen

1 Material
2 Laser
3 Meßeinrichtung
4 Monitor
5 Endoskop
6 Prozeß
7 digitaler Regler
8 Wärmebildkamera
9 digitale Bildverarbeitung
10 Identifikationsstufe
11 Stufe zur Bestimmung der Reglerparameter
12 Überwachungs- und Koordinationsebene
13 Isothermen

Claims

1. Verfahren zum Materialbearbeiten mit Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur vom Auftreffpunkt des Lasers (2) auf dem Material (1) und/oder der Umgebung mit einer Meß einrichtung (3) erfaßt und zur Temperaturregelung des Auftreffpunktes als Signal einer Regeleinrichtung zur Steuerung der Laserleistung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Temperaturmessung ein nach dem Prinzip der Thermographie arbeitendes Meßgerät (3) benutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß für die Temperaturmessung ein nach dem Prinzip der Direktmessung mit einer Sonde arbeitendes Meßgerät benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Direktmessung ein Meßgerät mit faseroptischer Sonde benutzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Temperaturmessung ein Strahlungsthermometer benutzt wird.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Temperaturmessung ein kalibriertes Wärmebildsystem eingesetzt ist, das aus einer auf den Auftreffpunkt des Lasers (2) gerichteten Wär mebildkamera (8) besteht, deren Bildsignale über eine Bildverarbei tungsstufe (9) und einer den Laser (2) steuernden Bildauswertestu fe (7) einem Monitor (4) zur Darstellung des Auftreffpunktes zuge leitet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (2) und/oder die Wärmebildkamera (8) über gemeinsame und/oder getrennte Endoskope (5, 5′) auf das zu bearbeitende Material (1) gerichtet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Endoskope (5, 5′) mit Lichtleitfasern zur Durchführung flexi bler Bearbeitungs- und Beobachtungsvorgänge auf das zu bearbeitende Material (1) gerichtet sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Wärmebildkamera (8) ein starrender Mo saikdetektor eingesetzt ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Wärmebildkamera (8) ein Detektorarray mit einer Zeilenabtasteinrichtung eingesetzt ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der auf das zu bearbeitende Material (1) gerich tete Laserstrahl gleichzeitig als Entfernungsmeßeinrichtung dient, um Verdeckungen des Materials (1) zu erfassen und/oder die Fokussierung der Optik für die Wärmebildkamera (8) sicherzustellen.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß das mit einem Impulslaser ausgelöste und von einer mit einem Mosaikwandler bestückten Wärmebildkamera (8) er faßte Bildsignal des Auftreffpunktes auf maximalen Kontrast einge stellt ist, und daß die Entfernungsmessung bzw. die Fokussierung der Wärmebildkamera (8) ständig mit der Phase der Thermographie wechselt.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß für den Laser (2) ein Dauerstrichlaser oder ein Impulslaser sehr kurzer Strahlungspausen eingesetzt ist, und daß in den Strahlengang zur Wärmebildkamera (8) ein auf die Wellenlän ge des Lasers (2) abgestimmtes spektrales Sperrfilter eingesetzt ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, daß das spektrale Sperrfilter zur Durchführung der Entfernungs messung und/oder Aufrechterhaltung der Fokussierung ein- und aus schaltbar ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, da durch gekennzeichnet, daß das mit der Wärmebildkamera (8) erfaßte und von der Bildverarbeitungsstufe (9) verarbeitete Wärmebild des Laserauftreffpunktes auf dem Monitor (4) mittels Falschfarben und/ oder Isothermen (13) darstellbar ist.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß die Wärmeverteilung in der Materialtiefe eines bearbeiteten Materials (1) durch eine programmierbare Parame tervorgabe als Wärmebild, vorzugsweise falschkodiert, auf dem Moni tor (4) darstellbar ist.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß die Bildverarbeitungsstufe (9) über eine als digitaler Regler (7) ausgebildete Bildauswertestufe den Laser (2) steuert, und daß der digitale Regler (7) derart programmierbar ist, daß der Punkt der höchsten Temperatur im gesamten Gesichtsfeld oder eines Teilgesichtsfeldes der Wärmebildkamera (8) geregelt wird.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 17, da durch gekennzeichnet, daß der digitale Regler (7) mit dem Laser (2), der Wärmebildkamera (8) und der digitalen Bildverarbeitungsstufe (9) einen Grundregelkreis bildet, dem eine Adaptionsebene mit einer Stufe (10) zur ldentifikation des unbekannten Prozeßverhaltens und einer Stufe (11) für die Bestimmung der Reglerparameter sowie eine Überwa chungs- und Koordinationsebene (12) in einer weiteren Rückführung zugeordnet ist.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 18, da durch gekennzeichnet, daß die Identifikationsstufe (10) die unbekann ten Parameter R_ID eines in seiner Struktur programmierbaren Prozeßmo dells mit der Methode der rekursiven Parameterbestimmung aufgrund gemessener aktueller und vergangener Prozeßeingangs- und Prozeßaus gangswerte bestimmt.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 19, da durch gekennzeichnet, daß die Stufe (11) zur Bestimmung der Regler parameter eine programmierbare Synthesevorschrift zur Berechnung der Reglerparameter R_RS des Prozeßmodells enthält.

21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 20, da durch gekennzeichnet, daß die Prozeßidentifikation und die Berech nung der Reglerparameter nach jedem Abtastschritt in der Basisstruk tur des parameteradaptiven Regelkreises durchgeführt werden, und daß die Reglerparameter Γ_RG zum Abtastzeitpunkt k aus den zu diesem Zeitpunkt ermittelten Prozeßparametern R_ID berechnet und für den Ab tastschritt k+1 im Grundregelkreis eingesetzt werden.

22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 21, da durch gekennzeichnet, daß die Stufen (12) der Überwachungs- und Ko ordinationsebene den Start der parameteradaptiven Regelung steuern; entscheiden, zu welchem Zeitpunkt die Bestimmung der Reglerparame ter erfolgt; Fehlverhalten bei der Identifikation und Bestimmung der Reglerparameter erkennen und den geschlossenen Regelkreis zur Aufrechterhaltung eines stabilen Zustandes überwachen.