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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1 zur Qualitätskontrolle
von industriellen Laserprozessen, in dem die folgenden Schritte
enthalten sind:
Fokussierung eines Laserstrahlenbündels auf
ein Bearbeitungsgebiet,
Detektieren der vom Bearbeitungsgebiet
emittierten Strahlung mit einer Fotodioden- Detektorvorrichtung,
und
Verarbeiten der von der genannten Detektorvorrichtung emittierten
Signale.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein System gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 9.
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Verfahren
und Systeme der oben genannten Art wurden schon in der Vergangenheit
für die
Online-Überwachung
von Laserschweiß-Prozessen
vorgeschlagen und verwendet, insbesondere für den Fall des Schweißens von
Blechen. Das Kontrollsystem kann das Vorhandensein von Porositäten im Schweißgebiet
beurteilen, oder im Fall von stumpf verbundenen dünnen Metallblechen
das Vorhandensein von Fehlern aufgrund des Überlappens der Bleche oder
wegen Lücken
zwischen den Blechen. Ähnliche
Systeme wurden auch zur Kontrolle der Qualität von Laserschneide-Operationen
eingesetzt.
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Der
Nachteil der bis heute verwendeten Systeme besteht darin, dass die
Qualitätskontrolle
auf einem Vergleich zwischen den Signalen beruht, die während des
Prozesses festgestellt werden und einem oder mehreren vorbestimmten
Referenz signalen, die einen Prozess guter Qualität anzeigen. Derartige Referenzsignale, die üblicherweise
zwischen 2 und 10 variieren, werden ausgehend von mehreren Proben
aus Prozessen guter Qualität
aufbereitet. Offensichtlich setzt dieses Vorgehen voraus, dass ein
erfahrener Bediener zur Verfügung steht,
der die gute Qualität
des Prozesses bestätigen
kann, wenn die Referenzsignale erzeugt werden. Außerdem ist
Zeit und manchmal ein Aufwand an verlorenem Material erforderlich
(das verwendet wird und die erforderlichen Proben durchzuführen, um
die Referenzsignale zu erhalten). In einigen Fällen werden auch Referenzsignale
aufbereitet, die einen fehlerhaften Prozess anzeigen, was zu weiteren
Problemen und Schwierigkeiten führt.
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Aus
der europäischen
Patentanmeldung
EP-A-1
275 464 , die auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung
zurückgeht,
ist es bekannt, das von der Fotodiode aufgenommene Signal in Blöcke aufzuspalten,
den Mittelwert des Signals in jedem aufgenommenen Block zu berechnen
und Blöcke
heranzuziehen, deren Wert geringer ist oder gleich dem Offset der
Fotodiode, das anzeigt, dass ein Fehler vorliegt. Dieses Verfahren
beseitigt die Notwendigkeit für
eine Referenz, ermöglicht
aber nur eine ziemlich oberflächliche
Fehlererkennung.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, alle der vorgenannten
Nachteile zu vermeiden.
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Um
dieses Ziel zu erreichen, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, ein Verfahren zur Kontrolle der Qualität eines industriellen Laserprozesses
anzugeben, auf dessen Charakteristiken anfangs Bezug genommen wurde
und das weiter dadurch gekennzeichnet ist, dass der Schritt der
Verarbeitung der Signale die Operation enthält, Komponenten von diskreten
Wavelet-Transformationen in Bezug auf eine Vielzahl von Skalierwerten
zu berechnen, um so eine Vielzahl von transformierten Signalen zu
erhalten und die transformierten Signale so zu verarbeiten, dass
ein oder mehrere Werte erhalten werden, die die Qualität des Prozesses
repräsentieren,
so dass die Kontrolle der Prozessqualität nur auf der Basis der so
verarbeitenden Signale durchgeführt
werden kann, ohne Notwendigkeit eines Vergleichs mit einem vorbestimmten
Referenzsignal, das einem Prozess guter Qualität entspricht.
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Im
bevorzugten Ausführungsbeispiel
enthält
der Schritt des Verarbeitens der transformierten Signale die Operationen,
für jedes
Signal, das zu der Vielzahl von transformierten Signalen gehört, eine
gesamte Standardabweichung zu berechnen; jedes Signal, das zur Menge
der transformierten Signale gehört,
in Blöcke
in der Zeitdomäne
aufzuspalten und eine Standardabweichung für jeden der Blöcke zu berechnen,
um so Werte einer Standard-Block-Abweichung zu erhalten; die Vielzahl
von transformierten Signalen in eine Vielzahl von Binärsignalen
zu konvertieren durch einen Vergleichsschritt zwischen ihrer gesamten
Standardabweichung und einer Standard-Block-Abweichung; einen Schritt
durchzuführen,
Probe für
Probe alle Signale, die zu der Vielzahl von Binärsignalen gehören, zu
summieren, um so einen Summenwert zu erhalten; den Summenwert als
Wert zu verwenden, der die Prozessqualität repräsentiert durch Vergleich des
Summenwerts mit Fehlerbereichen, um so ein Fehlersignal zu erzeugen,
das die Prozessqualität
definiert.
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Vom
Anmelder durchgeführte
Tests haben ergeben, dass Dank der vorgenannten Charakteristiken das
einfache Analysieren während
des Prozesses detektierter Signale ausreichend ist, um mögliche Fehler feststellen
zu können,
ohne Referenzsignale aufzubereiten, die eine gute Qualität anzeigen,
so dass relativ komplexe Operationen zur Aufbereitung von Referenzsignalen
vermieden werden.
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Offensichtlich
besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, auch das System
von Anspruch 9 zur Qualitätskontrolle
eines Laserprozesses anzugeben, das das oben beschriebene Verfahren
implementiert, ebenso wie das entsprechende Datenverarbeitungsprodukt
von Anspruch 15, das direkt in die Speichereinheit einer numerischen
Verarbeitungseinheit geladen werden kann, beispielsweise eines Prozessors,
und das Teile von Softwarecodes enthält, mit denen das Verfahren gemäß der Erfindung
durchgeführt
werden kann, wenn das Produkt in einer Verarbeitungseinheit ausgeführt wird.
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Weitere
Charakteristiken und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, die
hier nur als ein nicht beschränkendes
Beispiel vorgestellt werden und in denen
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1 eine
schematische Ansicht eines Systems zeigt, in dem das Verfahren gemäß der Erfindung
implementiert ist,
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2 eine
schematische Ansicht eines Details von 1 zeigt,
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3 ein
Blockdiagramm des Verfahrens gemäß der Erfindung
zeigt.
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Im
Folgenden wird auf 1 Bezug genommen: Bezugszeichen 1 bezeichnet
allgemein ein System zur Qualitätskontrolle
eines Laserprozesses, beispielsweise eines Laserschweiß-Prozesses.
Das Beispiel bezieht sich auf den Fall, dass zwei Bleche 2, 3 mit
Hilfe eines Laserstrahlenbündels
verschweißt
werden. Bezugszeichen 4 betrifft allgemein einen Fokussierungskopf
mit einer Linse 5, die von einem Laserstrahlenbündel erreicht
wird, das in einem (nicht dargestellten) Lasergenerator erzeugt
ist und von einem halbreflektierenden Spiegel 6 reflektiert
wird, nachdem es durch die Linse L hindurch getreten ist. Die von
dem Schweißgebiet emittierte
Strahlung E durchläuft
den reflektierenden Spiegel 6 und wird von einem Sensor 7 detektiert,
der eine Fotodiode enthält,
die ein Ausgangssignal an eine elektronische Steuer- und Verarbeitungseinheit 8 liefert,
die einem Personal Computer 9 zugeordnet ist.
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In
einem praktischen Ausführungsbeispiel
war der verwendete halbreflektierende Spiegel 6 ein ZnSe-Spiegel
mit einem Durchmesser von 2 Zoll und einer Dicke von 5 mm. Der Sensor 7 war
eine Fotodiode mit einer spektralen Empfindlichkeit von 190 bis
1100 nm, einer aktiven Fläche
von 1,1 × 1,1
mm und hatte ein Quarzfenster.
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2 zeigt
weitere Einzelheiten der elektronischen Steuer- und Verarbeitungseinheit 8,
die dem Personal Computer 9 zugeordnet ist. Die Verarbeitungseinheit 8 enthält einen
Anti-Alias-Filter 11, der auf das vom Sensor 7 gesendete
Signal einwirkt, und enthält
außerdem
eine Erfassungskarte 12, die mit einem Analog-Digital-Wandler ausgestattet
ist, der das gefilterte Signal abtastet und in numerische Darstellung
umwandelt. Die Erfassungskarte 12 ist vorzugsweise direkt
dem Personal Computer 9 zugeordnet.
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Gemäß der Erfindung
tastet die Erfassungskarte 12 das vom Sensor 7 emittierte
Signal mit einer Frequenz über
216 Hertz ab.
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Immer
noch entsprechend einem praktischen Ausführungsbeispiel ist die Erfassungskarte 12 eine
Datenerfassungskarte Typ PC Karte NI 6110E mit einer maximalen Erfassungsfrequenz
von 5 Ms/sec.
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Der
Anti-Alias-Filter 11 filtert das Signal mit Hilfe eines
Bandpass-Filters (beispielsweise einen Filter IIR Butterworth))
zwischen 4 kHz und 10 kHz.
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Gemäß der Erfindung
ist im Personal Computer 9 ein Qualitätsüberwachung-Prozess implementiert, der
auf der Grundlage eines Wavelet-Tests des abgetasteten Signals beruht.
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Ein
Wavelet-Testverfahren ist ein Testverfahren wie beispielsweise ein
Fourier-Test oder
ein Kurzzeit-Fourier-Test (Short-Time Fourier Test (STFT)), bei
dem eine Trans formationsoperation auf das Signal in der Zeitdomäne f(t)
durchgeführt
wird, beispielsweise:
wobei C ein Transformationskoeffizient
ist, a ein Skalierparameter, b ein Positi onsparameter und Y eine
Wavelet-Funktion.
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Der
Wavelet-Test wird üblicherweise
durchgeführt,
indem eine Wavelet-Funktion Y ausgewählt wird, die vorzugsweise
den Wert des Koeffizienten C maximiert und indem die Wavelet-Funktion
Y auf einen ersten Teil des Signals f(t) angewandt wird. Die Operation
wird dann wiederholt, indem mit Hilfe eines Positionsparameters
b die Wavelet-Funktion Y auf der Zeitachse solange verschoben wird,
bis die gesamte Länge
des Signals f(t) abgedeckt ist. Die Operation wird dann wiederholt,
indem der Skalierparameter a über
eine Menge von vorher ausgesuchten Werten variiert wird. Am Ende
des Wavelet-Tests wird eine Menge von Koeffizienten C als eine Funktion
der Skalierparameter a und der Positionsparameter b erhalten, wobei
diese Menge üblicherweise
auf einem dreidimensionalen Graphen wiedergegeben wird, dessen Abszisse
die Zeit ist, dessen Ordinate der Wert des Skalierparameters a und
dessen z Koordinate die Werte der Koeffizienten C darstellen.
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Geringe
Werte des Skalierparameters a entsprechen größeren Details bei der Analyse
von schnellen Signaländerungen,
während
hohe Werte des Skalierparameters a geringeren Details entsprechen,
so dass sich die Analyse dann mehr für die hauptsächlichen
Merkmale des Signals eignet.
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Für Signale,
deren Merkmale nicht im Voraus bekannt sind oder die sich nicht
analytisch darstellen lassen, beispielsweise das von einem Sensor
erzeugte Signal, ist es angebracht, eine diskrete Wavelet-Transformation
oder DWT zu verwenden, die in Bezug auf eine finite Anzahl von Werten
der Skalierparameter a und Positionsparameter b berechnet wird.
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Üblicherweise
ist die für
die Anzahl von Werten des Skalierparameters a und des Positionsparameters b
verwendete Diskretisierung:
wobei m, n ganzzahlige Indices
bedeuten und a
0 und b
0 Basis-Koeffizienten
größer Eins
sind. Im Besonderen wird der so genannte diadische Fall verwendet,
in dem a
0 = 2 ist.
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Die
erhaltene diskrete Wavelet-Funktion ψ ist von folgendem Typ:
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Die
Wavelet-Transformation DWT kann effizient mit Hilfe einer iterierten
Filterbank implementiert werden, die eine Subband-Codierung durchführt. Die
genannten Filter können
mit Hilfe eines DSP oder ausschließlich mit Software implementiert
werden.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
schlägt
daher vor, das von einem Sensor erfasste Signal durch einen diskreten
Wavelet-Test zu verarbeiten, um so verschiedene transformierte Signale
zu erhalten, die der Anwendung verschiedener Skalierparameter entsprechen.
Die transformierten Signale werden dann so verarbeitet, dass sie
eine Fehlerfunktion definieren und die Qualität des Laserprozesses bewerten.
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3 ist
ein Blockdiagramm, in dem das Verfahren zur Qualitätskontrolle
gemäß der Erfindung
dargestellt ist, bei dem das erfasste Signal A mit einer Frequenz über 216 Hz abgetastet wurde und daher eine Anzahl
N von Abtastwerten aufweist, wobei N eine ganze Zahl ist, und die
Abtastwerte des erfassten Signals A in den Personal Computer 9 gegeben
werden und das abgetastete Signal einem Schritt zum Entfernen von Rauschen
unterworfen wird, der durch Block 100 angezeigt wird, und
zwar mithilfe einer ersten spezifischen Operation der Wavelet-Transformation, wobei
eine Anzahl von Skalierungen verwendet wird, die log2N
entsprechen.
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Das
vom Rauschen befreite erfasste Signal A wird dann den folgenden
Verarbeitungsschritten unterworfen.
- – Einem
Schritt 101 zur Beurteilung der Koeffizienten der diskreten
Wavelet-Transformation für
jeden der S Skalierwerte, wobei S eine ganze Zahl ist die log2N-log232 entspricht.
Der Wert von log232 ist auf der Basis einer
guten minimalen zeitlichen Auflösung
gewählt.
Der Schritt zur Beurteilung der Koeffizienten der diskreten Wavelet-Transformation
erzeugt daher eine Anzahl S von angenäherten transformierten Signalen
W, das heißt
angenähert
bezüglich
der Frequenz und aufgelöst
bezüglich
der Zeit, und eine Anzahl von transformierten Signalen W mit hoher
Detail-Auflösung,
das heißt
aufgelöst
bezüglich
der Frequenz und mit wenig Detail bezüglich der Zeit;
- – für jedes
Signal, das zur Menge der transformierten Signale W gehört, wird
ein Schritt zur Berechnung der gesamten Standardabweichung SDT durchgeführt, der
mit 102 bezeichnet ist;
- – für jedes
Signal, dass zu der Menge der transformierten Signale W gehört, wird
ein Schritt zur Aufspaltung in Blöcke in der Zeitdomäne durchgeführt, der
mit Block 103 bezeichnet ist. Die Blocklänge wird
als Funktion der Empfindlichkeit gesetzt, die im Qualitätskontrollprozess
erreicht werden soll; in Block 103 wird ein Schritt zur
Berechnung der Standardabweichung jedes der Blöcke durchgerührt, der
S Werte einer Standard-Block-Abweichung
ergibt;
- – einen
Schritt der binären
Konversion der Signale, der mit Block 104 bezeichnet ist;
und erhalten wird durch einen Schritt des Vergleichens der gesamten
Standardabweichung DST mit einer Standard-Block- Abweichung DSB gemäß den folgenden Bedingungen:
für DSB > DST wird das Signal
auf logisch Eins gesetzt;
für
DSB < DST wird
das Signal auf logisch Null gesetzt;
um so 2S Binärsignale
B zu erhalten, die unterschiedliche Länge aufweisen und einem Schritt
des Erweiterns aller Binärsignale
B auf die gleiche Länge
N unterworfen werden;
- – ein
Schritt des Summierens Probe für
Probe aller Signale, der mit Block 105 bezeichnet ist,
um so ein Summensignal V mit Werten zwischen 0 und 2S zu erhalten;
- – ein
Schritt des Vergleichens des Summensignals V mit drei Fehlerbereichen,
um so ein dreiwertiges Fehlersignal E zu erhalten: ein erster Fehlerbereich
für Werte
des Summensignals zwischen 0 und 2S/3, in dem relevante Fehler enthalten
sind, ein zweiter Fehlerbereich für Werte des Summensignals von
2S/2 bis 4S/3, in dem Fehler enthalten sind, über deren Akzeptanz der Bediener
entscheidet, ein dritter Fehlerbereich für Werte des Summensignals von
4S/3 bis 2S, dem kein Fehler zugeordnet ist.
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Untersuchungen
und Experimente, die vom Anmelder durchgeführt wurden, haben bewiesen,
dass durch Verwendung des Qualitätskontrollverfahrens
das oben beschriebene Aufspalten in Bereiche das Vorliegen von Fehlern
anzeigt.
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Mit
anderen Worten kann das System gemäß der Erfindung Dank der oben
beschriebenen Merkmale Fehler beim Schweißen identifizieren, ohne einen
Vergleich mit Referenzsignalen durchzuführen, die eine gute Qualität der Schweißens anzeigen,
sondern nur auf der Basis einer Analyse des Signals, das während des realen
Prozesses erhalten wird. Liegt in der Praxis ein Schweißfehler
vor, so nimmt entsprechend das Summensignal Werte von kleiner als
4S/4 an, wobei der Fehler um so relevanter ist, je kleiner der Wert
wird.
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Es
ist auf diese Weise möglich,
komplizierte Operationen zur Aufbereitung von Referenzsignalen zu vermeiden,
wie sie bei bekannten Systemen notwendig sind.