EP2714322A1 - Verfahren zum überwachen der bearbeitung sowie vorrichtung zum bearbeiten eines werkstücks mit einem hochenergetischen bearbeitungsstrahl - Google Patents

Verfahren zum überwachen der bearbeitung sowie vorrichtung zum bearbeiten eines werkstücks mit einem hochenergetischen bearbeitungsstrahl

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Publication number
EP2714322A1
EP2714322A1 EP12726585.8A EP12726585A EP2714322A1 EP 2714322 A1 EP2714322 A1 EP 2714322A1 EP 12726585 A EP12726585 A EP 12726585A EP 2714322 A1 EP2714322 A1 EP 2714322A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
workpiece
machining
image data
processing
process parameters
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12726585.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eckhard Lessmüller
Christian Truckenbrodt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lessmueller Lasertechnik GmbH
Original Assignee
Lessmueller Lasertechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lessmueller Lasertechnik GmbH filed Critical Lessmueller Lasertechnik GmbH
Publication of EP2714322A1 publication Critical patent/EP2714322A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
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    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/044—Seam tracking

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the machining of at least one workpiece with a high-energy machining beam.
  • monitoring is understood to mean both only passive monitoring and active control of the processing.
  • the invention relates to an apparatus for processing a workpiece by means of a high-energy machining beam.
  • Fusion or cutting or cutting operations can be carried out precisely with focused on a surface of a workpiece to be machined high-energy processing beam, such as electron beam or laser beam, but also with an arc.
  • high-energy processing beam such as electron beam or laser beam
  • An online quality control and, more advantageously, an online control of the processing for a perfect work result are important.
  • a device for monitoring a laser processing operation which contains a radiation-sensitive receiver arrangement for detecting radiation from the point of impact of the laser beam on a workpiece surface comprising at least one radiation-sensitive receiver and at least one camera. Furthermore, the monitoring device contains at least one imaging device which images at least one region of the impact site to be observed on the receiver arrangement, and an evaluation circuit to which output signals of the at least one radiation-sensitive receiver and the at least one camera are simultaneously supplied and which processes the received output signals of the receiver arrangement in turn, provide output signals that characterize the course of the laser processing operation and enable its evaluation.
  • WO2010 / 057661 A1 describes a method for monitoring the machining of a workpiece with a laser beam, in which at least two current measured values are detected by means of at least one sensor which monitors the machining process, from which at least two current measured values at least two current characteristic values are determined. which collectively represent a current finder footprint in a feature space, a predetermined point set in the feature space, and the edit operation is classified by detecting the location of the current fingerprint relative to the predetermined point set.
  • An actuator determining a process parameter is controlled such that when the current fingerprint leaves the predetermined point set of the feature space, the at least one actor is activated such that the change in the associated process parameter corresponds to a gradient in the feature space extending from the fingerprint in the direction extends the predetermined amount of points in characteristic space.
  • process data acquisition systems for laser material processing are known in which video images of the point of impact of the laser beam on a workpiece are recorded simultaneously with process data, such as motion parameters of a working head relative to the workpiece and signal waveforms are monitored for target specifications.
  • the invention has for its object to provide a way how the machining of a workpiece can be improved by means of a high-energy machining beam.
  • an error signal is generated only in the simultaneous presence of an image error signal and a process error signal, the generation of which can trigger different further measures.
  • an error signal may be displayed only acoustically or optically, or its occurrence may be registered together with data recording the time sequence or local sequence of processing the workpiece, so that the processing can be reworked where an error signal occurs.
  • a process parameter can be changed such that the deviation of the associated actual process parameter from a desired process parameter decreases.
  • Target process parameters may be stored as permissible value ranges or may be derived from link relations according to claim 3, which, for example, link a calculated variable generated from image data with process parameters.
  • the target process parameters can be changed in the direction of reducing the deviation between the actual arithmetic variable and the nominal arithmetic operation using the linkage relationship.
  • the relationship can be determined by experiments in which the relationship between one or more process parameters and image data or generated from the image data arithmetic variables such as diameter, color, shape, three-dimensional contour of the image, etc. are determined.
  • linking relation or the linking relations according to claim 5 can be derived analytically.
  • a link relation can be stored in the form of a graphic, in tabular form or as an algorithm.
  • the method described can be used to teach a linkage relationship if the process parameter is assumed at the beginning of the processing of empirically or otherwise determined starting values. Furthermore, those process parameters can be determined whose change is particularly effective for a change of the arithmetic variable, so that these process variables are changed for a control of the processing.
  • setpoint values or permissible setpoint ranges can be changed if, for example, it turns out that a process parameter is at the edge of its permissible setpoint range in order to maintain a setpoint calculation variable. This adjustment maintains a high degree of control quality, since the process parameter whose setpoint range has been adjusted can be readjusted upwards and downwards if necessary after the adaptation.
  • the above aspects are also considered to be worthy of protection, irrespective of their integration into a system for monitoring a processing.
  • D f (L, v, vg, sg). This function can be continuously checked and optimized, starting from an assumed function at the beginning of processing, by changing the process parameters during processing.
  • the claim 7 is directed to examples of image data, as well as from the image data generating computational variables.
  • Claim 8 is directed to examples of process parameters.
  • Claim 9 is directed to the basic structure of an apparatus for processing a workpiece by means of a high-energy processing beam in which at least one of the inventive methods can proceed.
  • the device according to the invention is advantageously developed with the features of the subclaims 10 to 14.
  • the machining of a workpiece with a high-energy machining beam includes cutting, remelting and remelting, such as brazing or welding.
  • the term workpiece thus includes a single component, such as a sheet to be cut, and components to be connected by fusing, for example, two sheets.
  • the processing beam may be, for example, a laser beam, an electron beam or an arc.
  • FIG. 1 is a schematic view of a device according to the invention
  • FIG. 3 is a view of an exemplary screen display
  • FIG. 4 shows a flow chart of the sequence of a monitoring method.
  • a workpiece 12 to be machined is arranged on a base 10.
  • the machining of the workpiece is carried out by means of a high-energy machining beam, in the example shown a laser beam emerging from a processing head designated as a whole by 14.
  • the processing head includes a laser beam source 16 from which a collimated laser beam 18 exits and impinges on a semi-transmissive, preferably dichroic mirror 20 which reflects the laser beam onto a focusing lens 22 which focuses the laser beam to a location of the workpiece 12 to be machined.
  • the processing head 14 further includes, as an extension of the optical axis of the incident on the workpiece surface laser beam behind the mirror 20 arranged focusing lens 24, the radiation generated by the impact of the laser beam on the workpiece surface focus on an image converter field 26 of an electronic camera 28 so that there an image of the surface processed by the laser beam (processing point or point of impact) is formed.
  • the machining head 14 further includes an auxiliary material device 30, by means of which auxiliary material, for example a welding wire, can be supplied to the point of impact of the laser beam on the workpiece surface.
  • an illumination source 32 can be arranged on the machining head 14 with which the point of impact of the laser beam on the workpiece surface, which is the machining point, can be illuminated. In this way, a generated with light of a different frequency and intensity than the radiation of the laser beam image of the processing point can be recorded and evaluated electronically.
  • the image generated by the illumination source 32 may be captured by the camera 28 or another camera combined with the illumination source 32, in which latter case this image is taken at an imaging angle different from that of the one of FIG Camera 28 is generated image.
  • the further camera or the camera 28 may be a thermal imaging camera, so that temperature data can be obtained in addition to geometric image data.
  • the processing head 14 is movably attached to a console 34 of a robot, generally designated 36, which for convenience has a total of 38 designated actuators, by means of which the processing head 14 is preferably spatially freely translatable and rotationally movable.
  • the bracket 34 is rigidly connected to the base 10 via a frame 40.
  • an electronic control device 42 For converting and evaluating the images taken by the camera 28 and possibly another by illumination with the illumination source 32 and for evaluating actual signals indicating the position of the actuators 38 and an actuator for controlling the auxiliary material device 30, an electronic control device 42 is used with data memories, program memories, at least one processor and input and output units.
  • the electronic device 42 provides signals for controlling the actuators 38, an actuator of the auxiliary material device 30, the power of the laser beam source 16, parameters of the camera 28, for example, in the beam path pushed filters for spectral decomposition of the radiation generated by the processing site, etc.
  • Fig. 2 shows the functional structure of the signal processing in the described device, wherein some other not shown in Fig. 1 means are provided, with which the machining head 14 may be provided:
  • a compressed air regulator 50r is used to apply the impact of the laser beam on the factory back surface with compressed air, as required for example during soldering.
  • 52r designates a processing optical controller with which the focusing lens 22 for fine adjustment of the focus of the laser beam can preferably be adjusted in the axial direction of the laser beam and perpendicular thereto without the processing head 14 being moved as a whole.
  • 54r denotes a protective gas regulator, with which the amount of protective gas supplied to the processing point is adjustable, as required for example in welding.
  • compressed air regulator 50r wire feed regulator 30r, laser beam source controller 16r, robot controller 38r, processing optics controller 52r and inert gas controller 54r can set process parameters that determine properties of the machining of the workpiece surface.
  • the laser beam source controller 16 regulates the power of the laser beam source 16.
  • set values are assigned to the individual controlled process parameters which are calculated, determined in tests or otherwise predetermined and which are to be maintained during processing in order to ensure faultless processing quality.
  • the described controller and the camera 28 communicate via a fieldbus distributor 56 containing bus system with a data processing 58 and a system controller 60, which are included in the electronic device 42.
  • FIG. 3 shows an example of an image that is visible on an interactive screen 62 of the electronic device 42.
  • various process parameters such as laser beam power, speed with which the point of impact of the laser beam moves along the workpiece surface, inert gas throughput, feed rate of the auxiliary material wire, etc., and can be activated by clicking the respective box.
  • the respective actual process value detected by a respective sensor included in the associated controller and delivered to the data processor 58 is displayed; in the example shown in FIG. 3, the power of the laser beam source 16.
  • the desired value of the respectively selected process parameter over the time is shown, which is stored in the data processing 58.
  • the nominal value of the power of the laser beam source 16 may be between an upper limit and a lower limit. It should be noted that in the process parameter field 66 several process parameters can be displayed simultaneously by clicking on several boxes.
  • the digital image captured by the camera 28 is displayed, the time at which the image was taken with the continuous vertical line shown in the process parameter field 66 an arrowed image marker on the timeline can be moved back and forth.
  • the image recorded at time t 1 shows the point of incidence 70 of the laser beam at the time t 1 on the workpiece surface, which is followed by a still molten area 72 to the left, to which an area 98, which has already been cooled further, adjoins further to the left.
  • the point of impact 70 moves to the right over the workpiece surface.
  • a laser beam power lying within the permissible nominal value includes an impact point 70 with a predetermined diameter or geometric. Dimensions stored in the data processing 58. At time t1, therefore, both the image data (diameter of point of impact 70) and the laser power lie within the permissible setpoint range).
  • the laser power exceeds the predetermined limit.
  • the contour of the image at the time t2 is shown in dashed lines in the image field 68.
  • the diameter of the point of impingement 70 is here exceedingly larger than a prestored setpoint value.
  • both an image error signal (suprathreshold deviation) of the actual image data from the desired image data and a process error signal are generated, which in turn when the device is executed. tion can only lead to quality assurance to generate an acoustically or visually perceptible error signal and further measures or in online control can cause the power of the laser is readjusted to lie back within the allowable setpoint range.
  • Fig. 4 illustrates the described operations on a flowchart.
  • step 102 processing starts.
  • step 102 it is then checked whether the actual image data, which are constantly generated at the same time as the processing, coincide with stored target image data. If there is a suprathreshold deviation between the actual image data and the target image data, the program proceeds to step 104, in which it is checked whether actual process parameters or their values match target process parameters. If there is a suprathreshold or impermissible deviation between at least one actual process parameter and a desired process parameter, an error signal is generated in the case of execution of the device only for quality control in step 106, which according to step 108 can lead to termination of the processing.
  • step 104 When the plant for on-line treatment control is executed, the program proceeds from step 104 to step 108 by changing a process whose actual process parameter or actual process parameter values differ from the stored target process parameters or desired process parameter values, respectively in that the deviation falls below a threshold value or lies within a desired range. Thereafter, the program returns to step 102.
  • the program ends, for example, in that a predetermined point is reached on the workpiece surface or through the passage of time.
  • the procedure described with reference to FIG. 4 can be varied in many ways.
  • the error signal can be generated and stored together with further parameters of the processing, so that even if the processing is not interrupted upon the occurrence of an error signal, it can subsequently be determined at which points of the processing, for example a long weld, an error was present , so that these points of the weld can then be reworked separately.
  • the invention has been described with reference to FIG. 1 with a beam source 16 which generates a high-energy processing beam, for example a laser beam or electron beam.
  • the processing head 14 can also be designed in such a way that it can be used, for example.
  • e of the focusing lens 22 has an electrode connected to a high voltage source electrode, and the workpiece 12 forms a connected to the high voltage source counter electrode, so that the machining of the workpiece 12 takes place with an arc whose energy is controllable by voltage and current.
  • the processing head 14 may include a temperature sensor, which is detected as a process parameter, the temperature of the point of impact of the laser beam on the workpiece surface and is compared with a stored target temperature.
  • the functional relationships do not have to be limited to relationships only between the process parameters, but may additionally contain image data, for example the distance of the cooled near region 74 from the active site 70 (FIG. 3), which depends on the relative velocity of the active site relative to the workpiece surface, the beam power, the amount of the active site supplied protective gas, etc. may depend.
  • the desired image data can be networked with the desired process parameters and can be stored as a function of the respective process data.
  • the width and the curvature of, for example, the cooled seam area can be derived in the data processing 58 (FIG. 2), which are available as separate arithmetic variables or combined into a single arithmetic variable. If an actual arithmetic variable deviates from a previously stored desired arithmetic variable, then one or more process parameters are adjusted by the system controller 60 (FIG.
  • the process parameter may be the wire feed (controller 30r), which for example is enlarged when the seam swerving becomes too small.
  • One or more link relations may form a set of rules that is determined by trial or otherwise and is preset.
  • the linking relations can also be taught in, for example, or optimized by learning, by For example, the change of a process parameter was successful at a predetermined critical point in previous welds, so that this change is weighted more heavily than other changes in further similar required interventions.
  • the rules can react more quickly and better to changes in the arithmetic variable, preferably obtained from image data.
  • the set of rules or the linking relations can also be designed in such a way that slight changes in process parameters occur even in the absence of deviation of the actual arithmetic variable from the nominal arithmetic variable and the resulting change in the arithmetic variable is determined.
  • the setting of the process parameter is maintained or adjusted in one direction until an optimum of the arithmetic quantity is exceeded.
  • the setting of the process parameter is withdrawn so that the optimum of the arithmetic quantity is retained. In this way, the machining process can self-regulate to an optimum.
  • the width of the flat seam top of a fillet weld has a high value, which suggests a good connection and thus high seam strength.
  • the wire feed is slightly below a preset upper limit of the wire feed process parameter.
  • the upper limit of the process parameter wire feed can be increased by evaluating the relationship between wire feed and width of the seam top, so that the optimum lies in the range of the mean value of the permissible wire feed interval and better control is possible in the event of deviations. In this way, stored desired process parameters can be automatically adapted to the respective process optimum.
  • the invention makes it possible to detect all variables necessary for the assessment of the overall process of a machining and, for example, based on a set of linkage relations, a targeted control of the process parameters to achieve an optimal machining result. It is explicitly pointed out that all features disclosed in the description and / or the claims are considered separate and independent of each other for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention independently of the feature combinations in the embodiments and / or the claims should. It is explicitly stated that all range indications or indications of groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of restricting the claimed invention, in particular also as the limit of a range indication.

Abstract

Ein Verfahren zum Überwachen der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl enthält folgende Schritte: Aufnehmen eines elektronisch auswertbaren Bildes, das wenigstens die Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück enthält, Erzeugen von Ist-Bilddaten, Vergleichen der Ist-Bilddaten mit Soll-Bilddaten, Erzeugen eines Bildfehlersignals bei einer Abweichung der Ist-Bilddaten von den Soll-Bilddaten, Erfassen von die zu überwachende Bearbeitung steuernden Ist-Prozessparametern synchron mit der Erzeugung der Ist-Bilddaten, Vergleichen der Ist-Prozessparameter mit Soll-Prozessparametern, Erzeugen eines Prozessfehlersignals bei einer Abweichung zwischen den Ist-Prozessparametern und den Soll-Prozessparametern, Erzeugen eines Fehlersignals bei gleichzeitigem Vorhandensein eines Bildfehlersignals und eines Prozessfehlersignals, und Auslösen von Massnahmen bei Vorhandensein eines Fehlersignals.

Description

Verfahren zum Überwachen der Bearbeitung sowie Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Bearbeitung wenigstens eines Werkstücks mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl. Unter Überwachung wird im Folgenden sowohl eine lediglich passive Überwachung als auch eine aktive Steuerung bzw. Regelung der Bearbeitung verstanden. Zusätzlich betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls.
Schmelzfüge- oder Schneid- bzw. Trennbearbeitungen lassen sich mit auf eine Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks fokussierten hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, wie Elektronenstrahl oder Laserstrahl, aber auch mit einem Lichtbogen präzise durchführen. Dabei sind eine Online-Qualitätskontrolle sowie noch vorteilhafter eine Online-Regelung der Bearbeitung für ein einwandfreies Arbeitsergebnis wichtig.
Aus der DE 20 2007 018 689 Ul ist ein System zur aktiven Nachregelung der Fokusposition bei Optiken für Hochleistungs-Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung bekannt, das einen Sensor zur Ermittlung der Fokusposition und einen Steuerrechner enthält, der die Sensordaten verarbeitet und daraus Korrekturdaten ermittelt, entsprechend denen zumindest Teile der Optik zur Veränderung der Fokusposition parallel zur optischen Achse verschoben werden.
Aus der DE 10 2005 024 085 AI ist eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs bekannt, die eine strahlungsempfindliche Empfängeranordnung zur Erfassung von Strahlung aus der Auftreffstelle des Laserstrahls auf eine Werkstückoberfläche enthält, die zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfänger und zumindest eine Kamera umfasst. Weiter enthält die Überwachungsvorrichtung zumindest eine Abbildungsvorrichtung, die zumindest einen zu beobachtenden Bereich der Auftreffstelle auf die Empfängeranordnung abbildet, und eine Auswerteschaltung, der Ausgangssignale des zumindest einen strahlungsempfindlichen Empfängers und der zumindest einen Kamera zeitgleich zugeführt werden und die die empfangenen Ausgangssignale der Empfängeranordnung verarbeitet, um ihrerseits Ausgangssignale zu liefern, die den Verlauf des Laserverarbeitungsvorgangs charakterisieren und dessen Beurteilung ermöglichen. Die WO2010/057661 AI beschreibt ein Verfahren zum Überwachen der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, bei dem zumindest zwei aktuelle Messwerte mittels zumindest einem Sensor, der den Bearbeitungsvorgang überwacht, erfasst werden, aus den zumindest zwei aktuellen Messwerten zumindest zwei aktuelle Kennwerte ermittelt werden, die gemeinsam einen aktuellen Finderabdruck in einem Kennwertraum darstellen, eine vorbestimmte Punktmenge in dem Kennwertraum bereitgestellt wird und der Bearbeitungsvorgang durch Erfassen der Lage des aktuellen Fingerabdrucks relativ zu der vorbestimmten Punktmenge klassifiziert wird. Ein einen Prozessparameter bestimmender Aktor wird derart geregelt, dass, wenn der aktuelle Fingerabdruck die vorbestimmte Punktmenge des Kennwertraums verlässt, der zumindest eine Aktor derart aktiviert wird, dass die Änderung des zugehörigen Prozessparameters einem Gradienten im Kennwertraum entspricht, der sich ausgehend von dem Fingerabdruck in Richtung der vorbestimmten Punktmenge im Kennwertraum erstreckt.
Weiter sind Prozessdatenerfassungssysteme für eine Lasermaterialbearbeitung bekannt, bei der Videobilder der Auftreffstelle des Laserstrahls auf ein Werkstück zeitgleich mit Prozessdaten, wie Bewegungsparametern eines Arbeitskopfes relativ zum Werkstück erfasst werden und Signalverläufe auf Soll- Vorgaben überwacht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, wie die Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahles verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird nur bei gleichzeitigem Vorhandensein eines Bildfehlersignals und eines Prozessfehlersignals ein Fehlersignal erzeugt, dessen Erzeugung unterschiedliche weitere Maßnahmen auslösen kann. Beispielsweise kann ein Fehlersignal lediglich akustisch oder optisch angezeigt werden oder sein Auftreten kann zusammen mit Daten, die die Zeitfolge oder örtliche Folge der Bearbeitung des Werkstücks aufzeichnen, registriert werden, so dass die Bearbeitung dort, wo ein Fehlersignal auftritt, nachgearbeitet werden kann. Gemäß dem Anspruch 2 kann bei vorhandenem Fehlersignal beispielsweise ein Prozessparameter derart verändert werden, dass die Abweichung des zugehörigen Ist-Prozessparameters von einem Soll-Prozessparameter abnimmt.
Soll-Prozessparameter können als zulässige Wertebereiche gespeichert sein oder können gemäß dem Anspruch 3 aus Verknüpfungsrelationen hergeleitet sein, die beispielsweise eine aus Bilddaten erzeugte Rechengröße mit Prozessparametern verknüpfen.
Gemäß dem Anspruch 4 können unter Benutzung der Verknüpfungsrelation die Soll- Prozessparameter in Richtung einer Verminderung der Abweichung zwischen Ist-Rechengröße und Soll-Rechengröße verändert werden.
Die Verknüpfungsrelation kann gemäß dem Anspruch 5 durch Versuche ermittelt werden, bei denen der Zusammenhang zwischen einem oder mehreren Prozessparametern und Bilddaten bzw. aus den Bilddaten erzeugte Rechengrößen, wie Durchmesser, Farbe, Form, dreidimensionale Kontur des Bildes, usw. ermittelt werden.
Alternativ kann die Verknüpfungsrelation bzw. können die Verknüpfungsrelationen gemäß dem Anspruch 5 analytisch hergeleitet werden.
Eine Verknüpfungsrelation kann in Form einer Graphik, in Tabellenform oder als Algorithmus gespeichert werden.
Gemäß dem Anspruch 6 ist es möglich, Ist-Prozessparameter während der Bearbeitung des Werkstücks in kleinen Schritten zu ändern und die Auswirkung der Änderungen auf Änderungen der Bilddaten bzw. wenigstens einer aus den Bilddaten erzeugten Rechengröße zu erfassen. Dabei wird vorteilhaft darauf geachtet, dass der Ist-Wert der Rechengröße, bedingt durch die Änderung des oder der Prozessparameter nicht mehr als zulässig oder nur für kurze Zeit von dem Sollwert der Rechengröße abweicht, damit eine einwandfreie Bearbeitung aufrechterhalten wird. Die Verknüpfungsrelation zwischen dem Prozessparametern und der Rechengröße kann auf diese Weise während der Bearbeitung optimiert bzw. präzisiert werden, indem beispielsweise in einer Formel, die den Zusammenhang zwischen Rechengröße und Prozessparametern beschreibt, Koeffizienten mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate angepasst wer- den. Das beschriebene Verfahren kann zum Einlernen einer Verknüpfungsrelation verwendet werden, wenn bei Bearbeitungsbeginn von empirisch oder sonstwie ermittelten Startwerten der Prozessparameter ausgegangen wird. Weiter können diejenigen Prozessparameter bestimmt werden, deren Änderung besonders wirksam für eine Änderung der Rechengröße hat, so dass für eine Regelung der Bearbeitung diese Prozessgrößen verändert werden. Zusätzlich können Sollwerte oder zulässige Sollwertbereiche verändert werden, wenn sich beispielsweise herausstellt, dass für die Einhaltung einer Soll-Rechengröße ein Prozessparameter am Rand seines zulässigen Sollwertbereiches liegt. Durch diese Anpassung wird eine hohe Regelungsgüte aufrechterhalten, da der Prozessparameter, dessen Sollwertbereich angepasst wurde, nach der Anpassung im Bedarfsfall nach oben und unten nachgeregelt werden kann. Die vorgenannten Aspekte werden auch unabhängig von deren Integration in ein System zu Überwachung einer Bearbeitung als schutzwürdig angesehen.
Ein Beispiel für die vorgenannten Aspekte ist Folgendes: Sei angenommen, zwischen den Prozessparametern Leistung L des Bearbeitungsstrahls, Relativgeschwindigkeit v zwischen der Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls und dem Werkstück, Vorschubgeschwindigkeit vg eines Schweißdrahtes und Schutzgaszufuhr sg und dem Durchmesser D des Schmelzbereiches der Auftreffstelle als Rechengröße bestehe ein funktionaler Zusammenhang
D = f(L,v,vg,sg). Diese Funktion kann, ausgehend von einer angenommenen Funktion zu Beginn der Bearbeitung, durch Änderungen der Prozessparameter währen der Bearbeitung laufend überprüft und optimiert werden.
Der Anspruch 7 ist auf Beispiele von Bilddaten, sowie aus den Bilddaten erzeugbaren Rechengrößen gerichtet.
Der Anspruch 8 ist auf Beispiele von Prozessparametern gerichtet.
Der Anspruch 9 ist auf den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls gerichtet, in der wenigstens eines der erfindungsgemäßen Verfahren ablaufen kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird mit den Merkmalen der Unteransprüche 10 bis 14 vorteilhaft weitergebildet. Die Bearbeitung eines Werkstücks mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl umfasst das Schneiden, Umschmelzhärten sowie das Umschmelzfügen, wie Löten oder Schweißen. Der Begriff Werkstück beinhaltet somit ein einzelnes Bauteil, beispielsweise ein Blech, das durchtrennt werden soll, und Bauteile, die durch Schmelzfugen miteinander verbunden werden sollen, beispielsweise zwei Bleche. Der Bearbeitungsstrahl kann beispielsweise ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl oder ein Lichtbogen sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In den Figuren stellen dar:
Fig. 1 eine Prinzipansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Vorrichtung,
Fig. 3 eine Ansicht einer beispielhaften Bildschirmdarstellung,
Fig. 4 ein Flussbild des Ablaufes eines Überwachungs Verfahrens.
Gemäß Fig. 1 ist auf einer Basis 10 ein zu bearbeitendes Werkstück 12 angeordnet. Die Bearbeitung des Werkstücks erfolgt mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, im dargestellten Beispiel ein Laserstrahl, der aus einem insgesamt mit 14 bezeichneten Bearbeitungskopf austritt. Der Bearbeitungskopf enthält eine Laserstrahlquelle 16, aus der ein kollimierter Laserstrahl 18 austritt und auf einen halbdurchlässigen, vorzugsweise dichroitischen Spiegel 20 auftrifft, der den Laserstrahl auf eine Fokussierlinse 22 reflektiert, die den Laserstrahl auf eine zu bearbeitende Stelle der Oberfläche des Werkstücks 12 fokussiert.
Der Bearbeitungskopf 14 enthält weiter in Verlängerung der optischen Achse des auf die Werkstückoberfläche auftreffenden Laserstrahls hinter dem Spiegel 20 angeordnete Fokussierlinse 24, die von der Auftreffstelle des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche erzeugte Strahlung auf ein Bildwandlerfeld 26 einer elektronischen Kamera 28 fokussiert, so dass dort ein Bild der von dem Laserstrahl bearbeiteten Oberfläche (Bearbeitungsstelle bzw. Auftreffstelle) entsteht.
Optional enthält der Bearbeitungskopf 14 weiter eine Hilfsmaterialeinrichtung 30, mittels der Hilfsmaterial, beispielsweise ein Schweißdraht, der Auftreffstelle des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche zugeführt werden kann. Weiter kann an dem Bearbeitungskopf 14 eine Beleuchtungsquelle 32, angeordnet sein, mit der die Auftreffstelle des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche, die die Bearbeitungsstelle ist, beleuchtet werden kann. Auf diese Weise kann ein mit Licht einer anderen Frequenz und Intensität als die Strahlung des Laserstrahls erzeugtes Bild der Bearbeitungsstelle aufgenommen und elektronisch ausgewertet werden. Je nach Durchlässigkeit des dichroitischen Spiegels 20 kann das mit der Beleuchtungsquelle 32 erzeugte Bild von der Kamera 28 oder einer mit der Beleuchtungsquelle 32 kombinierten weiteren Kamera aufgenommen werden, wobei im letzteren Fall dieses Bild mit einem Abbildungswinkel aufgenommen wird, der verschieden von dem des von der Kamera 28 erzeugten Bildes ist. Die weitere Kamera oder die Kamera 28 kann eine Wärmebildkamera sein, so dass zusätzlich zu geometrischen Bilddaten Temperaturdaten gewonnen werden können.
Der Bearbeitungskopf 14 ist beweglich an einer Konsole 34 eines insgesamt mit 36 bezeichneten Roboters angebracht, der der Einfachheit halber insgesamt mit 38 bezeichnete Aktoren aufweist, mittels derer der Bearbeitungskopf 14 vorzugsweise räumlich frei translatorisch und rotatorisch bewegbar ist. Die Konsole 34 ist mit der Basis 10 über ein Gestell 40 starr verbunden.
Zum Umwandlung und Auswertung der von der Kamera 28 und gegebenenfalls einer weiteren durch Beleuchtung mit der Beleuchtungsquelle 32 aufgenommenen Bilder sowie zur Auswertung von Ist-Signalen, die die Stellung der Aktoren 38 sowie eines Aktors zur Steuerung der Hilfsmaterialeinrichtung 30 angeben, dient eine elektronische Steuereinrichtung 42 mit Datenspeichern, Programmspeichern, wenigstens einem Prozessor sowie Ein- und Ausgabeeinheiten. Die elektronische Einrichtung 42 liefert Signale zur Steuerung der Aktoren 38, eines Aktors der Hilfsmaterialeinrichtung 30, der Leistung der Laserstrahlquelle 16, von Parametern der Kamera 28, beispielsweise in deren Strahlengang geschobenen Filtern zur spektralen Zerlegung der von der Bearbeitungsstelle erzeugten Strahlung, usw. Fig. 2 zeigt den funktionalen Aufbau der Signalver- und bearbeitung in der beschriebenen Vorrichtung, wobei einige weitere in Fig. 1 nicht dargestellte Einrichtungen vorgesehen sind, mit der der Bearbeitungskopf 14 versehen sein kann:
Ein Druckluftregler 50r dient der Beaufschlagung der Auftreffstelle des Laserstrahls auf die Werksrückoberfläche mit Druckluft, wie sie beispielsweise beim Löten erforderlich ist.
Mit 52r ist ein Bearbeitungsoptikregler bezeichnet, mit dem sich die Fokussierlinse 22 zur Feinjustierung des Fokus des Laserstrahls bevorzugt in axialer Richtung des Laserstrahls und senkrecht dazu verstellen lässt, ohne dass der Bearbeitungskopf 14 insgesamt bewegt wird.
54r bezeichnet einen Schutzgasregler, mit dem die Menge von der Bearbeitungsstelle zugeführtem Schutzgases einstellbar ist, wie es beispielsweise beim Schweißen benötigt wird.
Mit den geschilderten Einheiten Druckluftregler 50r, Drahtvorschubregler 30r, Laserstrahlquellenregler 16r, Roboterregler 38r, Bearbeitungsoptikregler 52r und Schutzgasregler 54r lassen sich Prozessparameter einstellen, die Eigenschaften der Bearbeitung der Werkstückoberfläche bestimmen. Der Laserstrahlquellenregler 16 regelt dabei die Leistung der Laserstrahlquelle 16.
Je nach beabsichtigtem Bearbeitungsprozess sind den einzelnen geregelten Prozessparametern Soll-Werte zugeordnet, die errechnet, in Versuchen ermittelt oder sonst wie vorbestimmt sind und die während einer Bearbeitung eingehalten werden sollen, damit eine einwandfreie Bearbeitungsqualität sichergestellt ist.
Die geschilderten Regler sowie die Kamera 28 kommunizieren über ein einen Feldbusverteiler 56 enthaltendes Bussystem mit einer Datenverarbeitung 58 und einer Anlagensteuerung 60, die in der elektronischen Einrichtung 42 enthalten sind.
Die Funktion der beschriebenen Vorrichtung wird im Folgenden anhand Fig. 3 erläutert, die ein Beispiel eines Bildes zeigt, das auf einem interaktiven Bildschirm 62 der elektronischen Einrichtung 42 sichtbar ist. In einem rechten oberen Prozessparameterauswahlfeld 64 des Bildschirms 62 sind verschiedene Prozessparameter, wie Laserstrahlleistung, Geschwindigkeit, mit der sich die Auftreffstelle des Laserstrahls längs der Werkstückoberfläche bewegt, Schutzgas- durchsatz, Vorschubgeschwindigkeit des Hilfsmaterialdrahtes, usw. aufgeführt und können durch Anklicken des jeweiligen Kästchens aktiviert werden. In dem unteren Bereich des Bildschirms 62, der ein Prozessparameterfeld 66 bildet, wird über der Zeit der jeweilige Ist- Prozesswert, der von einem jeweiligen in dem zugehörigen Regler enthaltenen Sensor erfasst und an die Datenverarbeitung 58 geliefert wird, dargestellt; im in Fig. 3 dargestellten Beispiel die Leistung der Laserstrahlquelle 16. Weiter ist im Prozessparameterfeld 66 der Sollwert des jeweils ausgewählten Prozessparameters über der Zeit dargestellt, der in der Datenverarbeitung 58 gespeichert ist. Im dargestellten Beispiel kann der Sollwert der Leistung der Laserstrahlquelle 16 zwischen einem oberen Limit und einem unteren Limit liegen. Es sei daraufhingewiesen, dass im Prozessparameterfeld 66 durch Anklicken mehrerer Kästchen mehrere Prozessparameter gleichzeitig angezeigt werden können.
Im linken oberen Bereich des Bildschirms 62, das ein Bildfeld 68 bildet, wird das von der Kamera 28 jeweils aufgenommene digital erzeugte Bild angezeigt, wobei der Zeitpunkt, zu dem das Bild aufgenommen wurde, mit dem im Prozessparameterfeld 66 als durchgehender senkrechter Strich dargestellten, mit einem Pfeil versehenen Bildmarker auf der Zeitleiste hin und her verschoben werden kann. Das zum Zeitpunkt tl aufgenommene Bild zeigt die zum Zeitpunkt tl vorliegende Auftreffstelle 70 des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche, an die sich nach links ein noch geschmolzener Bereich 72 anschließt, an den sich wiederum weiter nach links ein bereits erkalteter Bereich 74 anschließt. Im dargestellten Beispiel bewegt sich die Auftreffstelle 70 nach rechts über die Werkstückoberfläche.
Zu einer innerhalb des zulässigen Sollwertes liegenden Laserstrahlleistung gehört eine Auftreffstelle 70 mit einem vorgegebenen Durchmesser bzw. geometrischen. Abmessungen, die in der Datenverarbeitung 58 gespeichert ist. Zum Zeitpunkt tl liegen somit sowohl die Bilddaten (Durchmesser der Auftreffstelle 70) als auch die Laserleistung innerhalb des zulässigen Sollwertebereiches).
Zum Zeitpunkt t2 übersteigt die Laserleistung das vorgegebene Limit. Die Kontur des Bildes zum Zeitpunkt t2 ist im Bildfeld 68 gestrichelt dargestellt. Der Durchmesser der Auftreffstelle 70 ist hier überschwellig größer als ein vorgespeicherter Sollwert. In der Datenverarbeitung 58 wird sowohl ein Bildfehlersignal (überschwellige Abweichung) der Ist-Bilddaten von den Soll- Bilddaten als auch ein Prozessfehlersignal erzeugt, was wiederum bei Ausfuhrung der Vorrich- tung nur zur Qualitätssicherung zur Erzeugung eines akustisch oder optisch wahrnehmbaren Fehlersignals und weiteren Maßnahmen führen kann oder bei Online-Regelung dazu führen kann, dass die Leistung des Lasers nachgeregelt wird, um wieder innerhalb des zulässigen Sollwertbereiches zu liegen.
Fig. 4 verdeutlicht die geschilderten Vorgänge an einem Flussdiagramm.
Sei angenommen im Schritt 100 startet eine Bearbeitung. Im Schritt 102 wird dann überprüft, ob die Ist-Bilddaten, die zeitgleich mit der Bearbeitung ständig erzeugt werden, mit gespeicherten Soll-Bilddaten übereinstimmen. Wenn eine überschwellige Abweichung zwischen den Ist- Bilddaten und den Soll-Bilddaten vorliegt, schreitet das Programm zum Schritt 104 weiter, in dem überprüft wird, ob Ist-Prozessparameter bzw. deren Werte mit Soll-Prozessparametern übereinstimmen. Liegt eine überschwellige bzw. unzulässige Abweichung zwischen wenigstens einem Ist-Prozessparameter und einem Soll-Prozessparameter vor, so wird im Fall der Ausführung der Vorrichtung lediglich zur Qualitätskontrolle im Schritt 106 ein Fehlersignal erzeugt, was gemäß dem Schritt 108 zur Beendigung der Bearbeitung führen kann. Wenn die Anlage zur Online-Bearbeitungsregelung ausgeführt ist, schreitet das Programm vom Schritt 104 zum Schritt 108 weiter, indem ein Prozess, dessen Ist-Prozessparameter bzw. Ist- Prozessparameterwerte von den gespeicherten Soll-Prozessparametern bzw. Soll- Prozessparameterwerten abweichen, derart geändert wird, dass die Abweichung unter einen Schwellwert fällt bzw. innerhalb eines Sollbereiches liegt. Anschließend kehrt das Programm zum Schritt 102 zurück. Bei der Online-Regelung endet das Programm beispielsweise dadurch, dass auf der Werkstückoberfläche eine vorbestimmte Stelle erreicht wird oder durch Zeitablauf. Der anhand der Fig. 4 beschriebene Ablauf kann vielfältig abgeändert werden. Beispielsweise kann das Fehlersignal erzeugt und zusammen mit weiteren Parametern der Bearbeitung gespeichert werden, so dass, auch wenn die Bearbeitung bei Auftreten eines Fehlersignals nicht unterbrochen wird, im Nachhinein festgestellt werden kann, an welchen Stellen der Bearbeitung, beispielsweise einer langen Schweißnaht, ein Fehler vorlag, so dass diese Stellen der Schweißnaht dann gesondert nachgearbeitet werden können.
Die Erfindung wurde anhand der Fig. 1 mit einer Strahlquelle 16 beschrieben, die einen hochenergetischen Bearbeitungsstrahl, beispielsweise einen Laserstrahl oder Elektronenstrahl erzeugt. Der Bearbeitungskopf 14 kann auch derart ausgeführt sein, dass er beispielsweise anstel- e der Fokussierlinse 22 eine an eine Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode aufweist, und das Werkstück 12 eine mit der Hochspannungsquelle verbundene Gegenelektrode bildet, so dass die Bearbeitung des Werkstücks 12 mit einem Lichtbogen erfolgt, dessen Energie über Spannung und Stromstärke steuerbar ist.
Mit dem geschilderten System wird eine hohe Sicherheit bei der Qualitätsbeurteilung bzw. Prozessregelung erzielt, da Prozessfehler, die Auswirkungen auf die Bearbeitung haben, sicher erkannt werden. Wenn beispielsweise lediglich die Optik des Systems derart verschmutzt, dass das von der Kamera aufgenommene Bild beeinflusst wird, ohne dass Ist-Prozessparameter von den Soll-Prozessparametern abweichen, wird dies nicht als Fehler erkannt und führt nicht zu einer Nachregelung. Wenn eine Abweichung zwischen Istwert und Sollwert angezeigt wird, beispielsweise dadurch verursacht, dass ein Durchflusssensor eines Gassensors fehlerhaft ist, führt dies ebenfalls zu keiner Prozessparameteränderung, insbesondere solange die Bilddaten im Hinblick auf die Auswirkungen dieses Prozessparameters einwandfrei sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass unterschiedlichste Arten der Bilderzeugung und des Vergleiches der Ist-Bilddaten mit Soll-Bilddaten möglich sind, beispielsweise eine spektrale Auswertung des Bildes, ein Vergleich der Lage der Auftreffstelle relativ zur Werkstückoberfläche mit einer Solllage, die gegebenenfalls zu einem Eingriff in die Steuerung der Aktoren 38 des Roboters 36 führen, usw. Weiter kann der Bearbeitungskopf 14 einen Temperatursensor enthalten, mit dem als Prozessparameter die Temperatur der Auftreffstelle des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche erfasst wird und mit einer gespeicherten Soll-Temperatur verglichen wird.
Die Erfindung wurde vorstehend beispielhaft mit Ausfuhrungsformen beschrieben, bei denen in der elektronischen Einrichtung jeweils Soll-Bilddaten und Sollwerte der Prozessparameter, die als Soll-Prozessparameter bezeichnet wurden, gespeichert sind. Alternativ können in der elektronischen Einrichtung 42, deren Funktion auf voneinander getrennte und miteinander vernetzte Einheiten aufgeteilt sein kann, funktionale Zusammenhänge bzw. Abhängigkeiten von Prozessparametern gespeichert sein. Ein solcher funktionaler Zusammenhang besteht beispielsweise darin, dass er einen Zusammenhang zwischen der Relativgeschwindigkeit der Werkstückoberfläche zur Auftreffstelle des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls und Leistung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls angibt, indem der Quotient aus Leistung und Relativgeschwindigkeit eine vorbestimmte Konstante ist. In diesem Fall wird als Prozesspara- meterfehler erkannt, wenn der Quotient von der Konstanten abweicht, d.h. für die Strahlleistung und die Relativgeschwindigkeit bestehen Freiheitsgrade. Bei einer solchen Ausführungsform der Erfindung werden die Prozessparameter nicht anhand fest vorgegebener Grenzwerte oder Sollwerte überwacht, sondern beispielsweise nach einem Satz von Regeln bzw. Algorithmen, die die Zusammenhänge des Bearbeitungsprozesses wiedergeben.
Die funktionalen Zusammenhänge müssen nicht auf Zusammenhänge nur zwischen den Prozessparametern beschränkt sein, sondern können zusätzlich Bilddaten enthalten, beispielsweise den Abstand des erkalteten Nahbereiches 74 von der Wirkstelle 70 (Fig. 3), der von der Relativgeschwindigkeit der Wirkstelle relativ zur Werkstückoberfläche, der Strahlleistung, der Menge des der Wirkstelle zugeführten Schutzgases, usw. abhängen kann. Somit können die Soll-Bilddaten mit den Soll-Prozessparametern vernetzt sein und können in ihrer Abhängigkeit von den jeweiligen Prozessdaten gespeichert sein.
Ein weiteres Beispiel einer Weiterbildung bzw. Durchführungsform der Erfindung ist folgendes:
Sei beispielsweise angenommen, bei der Schweißung einer Kehlnaht weist eine flache, möglichst breite Ausfüllung der Kehle auf eine maximale Anbindung und damit feste Verbindung hin. Aus den Ist-Bilddaten können in der Datenverarbeitung 58 (Fig. 2) die Breite und die Wölbung beispielsweise der erkalteten Nahtbereiches (Fig. 3) hergeleitet werden, die als getrennte Rechengrößen zur Verfügung stehen oder zu einer einzigen Rechengröße zusammenge- fasst werden. Weicht eine Ist-Rechengröße von einer vorher gespeicherten Soll-Rechengröße ab, so werden ein oder mehrere Prozessparameter von der Anlagensteuerung 60 (Fig. 2) entsprechend in der Anlagensteuerung 60 gespeicherten Verknüpfungsrelationen zwischen den Prozessparametern und der Rechengröße derart verstellt, dass die Soll-Rechengrößen (Breite und Wölbung) wieder erreicht werden. Der Prozessparameter kann im vorliegenden Beispiel der Drahtvorschub (Regler 30r) sein, der beispielsweise vergrößert wird, wenn die Nahtwölbung zu klein wird.
Ein oder mehrere Verknüpfungsrelationen können ein Regelwerk bilden, das durch Versuche oder sonstwie ermittelt wird und fest voreingestellt ist. Die Verknüpfungsrelationen können aber beispielsweise auch eingelernt werden oder durch Lernen optimiert werden, indem bei- spielsweise an einer vorbestimmten kritischen Stelle in vorherigen Schweißungen die Veränderung eines Prozessparameters erfolgreich war, so dass diese Veränderung gegenüber anderen Veränderungen bei weiteren ähnlich gelagerten notwenigen Eingriffen stärker gewichtet wird. So kann das Regelwerk im Laufe der Anwendung schneller und besser auf Veränderungen der bevorzugt aus Bilddaten gewonnen Rechengröße zu reagieren.
Das Regelwerk bzw. die Verknüpfungsrelationen können auch so gestaltet werden, dass auch bei fehlender Abweichung der Ist-Rechengröße von der Soll-Rechengröße leichte Veränderungen von Prozessparametern erfolgen und die daraus resultierende Änderung der Rechengröße ermittelt wird. Bei Veränderung der beobachteten Rechengröße im Sinne einer Verbesserung der Bearbeitung wird die Einstellung des Prozessparameters beibehalten oder in eine Richtung verstellt, bis ein Optimum der Rechengröße überschritten ist. Sobald sich die beobachtete Rechengröße verschlechtert, wird die Einstellung des Prozessparameters zurückgenommen, so dass das Optimum der Rechengröße erhalten bleibt. Auf diese Weise kann der Bearbeitungs- prozess sich selbst auf ein Optimum regeln.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung wird an folgendem Beispiel erläutert:
Sei angenommen, dass die Breite der flachen Nahtoberseite einer Kehlnaht einen großen Wert aufweist, der auf eine gute Anbindung und damit hohe Nahtfestigkeit schließen lässt. Sei angenommen, der Drahtvorschub ist dabei etwas unter einem voreingestellten oberen Grenzwert des Prozessparameters Drahtvorschub. Erfindungsgemäß kann unter Auswertung der Verknüpfung zwischen Drahtvorschub und Breite der Nahtoberseite der obere Grenzwert des Prozessparameters Drahtvorschub angehoben werden, so dass das Optimum im Bereich des Mittelwertes des zulässigen Drahtvorschubintervalls liegt und bei Abweichungen eine bessere Regelung möglich ist. Auf diese Weise können gespeicherte Soll-Prozessparameter selbsttätig an das jeweilige Prozessoptimum angepasst werden.
Insgesamt ermöglicht die Erfindung die Erfassung aller zur Beurteilung des Gesamtprozesses einer Bearbeitung notwendigen Größen und beispielsweise anhand eines Satzes von Verknüpfungsrelationen eine zielführende Regelung der Prozessparameter zum Erreichen eines optimalen Bearbeitungsergebnisses. Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
Bezugszeichenliste
10 Basis
12 Werkstück
14 Bearbeitungskopf
16 Laserstrahlquelle
18 Laserstrahl
20 Spiegel
22 Fokussierlinse
24 Fokussierlinse
26 Bildwandlerfeld
28 elektronische Kamera
30 Hilfsmaterialeinrichtung
32 Beleuchtungsquelle
34 Konsole
36 Roboter
38 Aktoren
40 Gestell
42 Elektronische Einrichtung
50 Druckluftregler
52 Bearbeitungsoptikregler
54 Schutzgasregler
56 Feldbusverteiler
58 Datenverarbeitung
60 Anlagesteuerung
62 Bildschirm
64 Prozessparameterauswahlfeld
66 Prozessparameterfeld
68 Bildfeld
70 Auftreffstelle
72 geschmolzener Bereich
74 erkalteter Bereich

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Überwachen der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl, enthaltend folgende Schritte
Erzeugen von Soll-Bilddaten eines elektronisch ausweitbaren Bildes, das wenigstens die Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück enthält,
Aufnehmen eines elektronisch auswertbaren Bildes, das wenigstens die Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück enthält, während der zu überwachenden Bearbeitung,
Erzeugen von Ist-Bilddaten,
Vergleichen der Ist-Bilddaten mit den Soll-Bilddaten,
Erzeugen eines Bildfehlersignals bei einer Abweichung der Ist-Bilddaten von den Soll- Bilddaten,
Erzeugen von Soll-Prozessparametern, bei deren Einhaltung während der Bearbeitung ein elektronisch auswertbares Bild zur Erzeugung von Soll-Bilddaten aufnehmbar ist,
Erfassen von die zu überwachende Bearbeitung steuernden Ist-Prozessparametern synchron mit der Erzeugung der Ist-Bilddaten,
Vergleichen der Ist-Prozessparameter mit den Soll-Prozessparametern,
Erzeugen eines Prozessfehlersignals bei einer Abweichung zwischen den Ist- Prozessparametern und den Soll-Prozessparametern, und
Erzeugen eines Fehlersignals bei gleichzeitigem Vorhandensein eines Bildfehlersignals und eines Prozessfehlersignals, und
Auslösen von Maßnahmen bei Vorhandensein eines Fehlersignals.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei bei vorhandenem Fehlersignal
wenigstens ein Prozessparameter derart verändert wird, dass die Abweichung des zugehörigen Ist-Prozessparameters vom Soll-Prozessparameter abnimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei aus Bilddaten wenigstens eine Rechengröße erzeugt wird, die über wenigstens eine Verknüpfungsrelation mit wenigstens einem Prozessparameter verknüpft ist und wenigstens ein Sollprozessparameter aus einer aus Soll-Bilddaten erzeugten Soll-Rechengröße anhand einer Verknüpfüngsrelation hergeleitet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei bei vorhandenem Fehlersignal die Ist- Prozessparameter in Richtung einer Verminderung der Abweichung zwischen Ist-Rechengröße und Soll-Rechengröße verändert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Verknüpfungsrelation durch Versuche ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei Ist-Prozessparameter während der Bearbeitung des Werkstücks verändert werden, die durch die Änderungen der Prozessparameter bedingten Änderungen der Rechengröße erfasst werden und die Verknüpfungsrelation im Sinn einer Verbesserung der Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Prozessparametern und Rechengröße optimiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bilddaten wenigstens eine folgender Informationen enthalten: Fläche der geschmolzenen Bereiche; Form der geschmolzenen Bereiche; Lage der geschmolzenen Bereiche relativ zu einem vorbestimmten Pfad auf dem Werkstück, Frequenz der von den geschmolzenen Bereichen abgestrahlten Strahlung; Frequenzverteilung der von den geschmolzenen Bereichen abgestrahlten Strahlung.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Prozessparameter wenigstens eine folgender Informationen enthalten: Geschwindigkeit und Richtung der Relativbewegung zwischen der Auftreffstelle des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück, Abstand zwischen einer Fokuslinse des Bearbeitungsstrahls und der Werkstückoberfläche; Richtung, in der der Bearbeitungsstrahl auf die Werkstückoberfläche trifft; Leistung des Bearbeitungsstrahls; Menge von der Auftreffstelle zugeführtem Schutzgas; Menge von der Auftreffstelle zugeführter Druckluft; Menge von an die Auftreffstelle herangeführtem Hilfsmaterial.
9. Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks (12) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18), enthaltend
eine Basis (10) zum Halten des Werkstücks (12),
einen Bearbeitungskopf (14) mit einer Strahlquelle (16) zum Erzeugen des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, einer Optik (22) zum Fokussieren des Bearbeitungsstrahls auf die Werk- Stückoberfläche und einer elektronischen Kamera (28) zum Aufnehmen eines Bildes, das wenigstens die Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf die Werkstückoberfläche enthält, einer Einrichtung (16r, 30r, 38r, 50r, 52r, 54r) zum Einstellen von die Bearbeitung des Werkstücks beeinflussenden Prozessparametern,
eine Datenverarbeitungseinrichtung (58) zum Speichern von Soll-Daten sowie Auswerten von Ist-Daten und deren Vergleichen mit den Soll-Daten, und
eine elektronischen Steuereinrichtung (60), die die Datenverarbeitungseinrichtung (58) und die Einrichtung zum Einstellen der Prozessparameter nach einem der Ansprüche 1 bis 8 steuert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Bearbeitungskopf (14) eine Beleuchtungsquelle (32) zum Beleuchten wenigstens des von dem Bearbeitungsstrahl getroffenen Oberflä- chenbereiches des Werkstücks (12) enthält und Ist-Bilddaten erzeugt werden, die den von der Beleuchtungsquelle beleuchteten Oberflächenbereich enthalten.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Einrichtung zum Einstellen von Prozessparametern Aktoren (38) zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Basis (10) und dem Bearbeitungskopf (14) enthält.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Bearbeitungskopf wenigstens eine folgender steuerbarer Einrichtungen enthält:
eine Einrichtung (30r) zum Zuführen von Hilfsmaterial zu der Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf die Werkstückoberfläche,
eine Einrichtung (54r) zum Beaufschlagen der Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf die Werkstückoberfläche mit Schutzgas,
eine Einrichtung (50r) zum Beaufschlagen der Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf die Werkstückoberfläche mit Druckluft,
eine Einrichtung (16r) zum Einstellen der Leistung des Bearbeitungsstrahls,
eine Einrichtung (38r) zum Steuern einer Relativbewegung zwischen der Basis (10) und dem
Bearbeitungskopf (14).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Strahlquelle eine Laserstrahlquelle (16) ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Bearbeitung des Werkstücks eine folgender Bearbeitungen ist: Löten, Schweißen, Härten, Schneiden.
I S
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