WO2023135226A2 - Prozessüberwachungsmodul zur überwachung eines laserbearbeitungsprozesses und laserbearbeitungssystem mit demselben - Google Patents

Prozessüberwachungsmodul zur überwachung eines laserbearbeitungsprozesses und laserbearbeitungssystem mit demselben Download PDF

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WO2023135226A2
WO2023135226A2 PCT/EP2023/050669 EP2023050669W WO2023135226A2 WO 2023135226 A2 WO2023135226 A2 WO 2023135226A2 EP 2023050669 W EP2023050669 W EP 2023050669W WO 2023135226 A2 WO2023135226 A2 WO 2023135226A2
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laser
monitoring module
laser processing
process monitoring
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Matthias STREBEL
Tom Walde
Dejan Miletic
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Precitec Gmbh & Co. Kg
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • 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
    • B23K26/034—Observing the temperature of the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials
    • B23K31/125—Weld quality monitoring

Definitions

  • Process monitoring module for monitoring a laser processing process and laser processing system using the same
  • the present invention relates to a process monitoring module for monitoring a laser machining process and a laser machining system using the same. Furthermore, the present invention relates to a method for the automated evaluation of process monitoring signals and a process monitoring module with a computing unit that is set up to carry out this method.
  • a laser processing system for processing a workpiece using a laser beam
  • the laser beam emerging from a laser light source or from one end of a laser conducting fiber is focused or bundled onto the workpiece to be processed with the aid of beam guiding and focusing optics.
  • the processing can include laser welding, for example.
  • the laser processing system can include a laser processing device, for example a laser processing head, in particular a laser welding head. Especially when laser welding a workpiece, it is important to continuously monitor the welding process to ensure the quality of the processing. This includes the detection of processing errors and the allocation of good or bad parts.
  • a weld seam can be insufficiently formed, for which various reasons such as changing dimensional accuracy, changing surface quality of the workpieces, defocusing of the laser beam on the workpiece surface and/or contamination of the processing optics can be responsible.
  • settings in a laser machining process can “drift away” over time without this being noticed in good time.
  • Process monitoring systems are usually used to ensure a sufficient and constant quality of the processing results in laser processing of workpieces.
  • Laser processing processes are typically monitored by recording and analyzing various parameters of a process radiation, also called process light or process emission.
  • a machined part can be marked as "good” or "good part” (ie suitable for further processing or sale) or as "bad” or “reject part” (ie scrap).
  • photodiode-based quality monitoring systems are used, among other things, the sensor unit of which is arranged separately from a computing unit that performs the evaluation and must be connected to this computing unit, for example by means of a cable.
  • This split structure of sensor and computing or evaluation unit leads to relatively high production costs.
  • the cable connection in different systems can be extremely cumbersome.
  • Such multi-part and possibly complex systems are usually parameterized by entering certain parameters, which is done using measured signals and the assignment of these signals to the corresponding good and bad parts. This in turn leads to high commissioning and maintenance costs as well as increased operating and manufacturing costs.
  • the handling of such online quality monitoring systems is therefore often inefficient and cumbersome.
  • the assignment of the detected signals to good and bad parts is regularly associated with a high level of manual effort.
  • subsequent parameterizations are often necessary when changing batches. This effort can even be so high that the systems have to be switched off during the ongoing laser processing and production operation, or the parameterization is carried out in such a way that the actual quality monitoring function can no longer be guaranteed.
  • DE 10 2019 122 047 describes a sensor module for monitoring laser welding processes, which has a number of detectors or sensors that detect various parameters of the process radiation and output them as measurement signals.
  • DE 10 2020 104 462 A1 describes a method for analyzing a welded connection during the laser welding of workpieces, in particular during the laser welding process.
  • DE 10 2020 104 462 A1 describes a method for analyzing a welded connection during laser welding of workpieces.
  • a further object of the present invention is to provide an automated and reliable method for process monitoring of a laser machining process that does not require complex manual parameterization or subsequent parameterization, and a process monitoring module for monitoring a laser machining process that is set up to carry out this method.
  • one object of the invention is to reliably monitor a laser machining process in real time and to ensure a reliable classification of machined workpieces into good and bad parts.
  • a process monitoring module for monitoring a laser machining process on a workpiece for example for monitoring a laser welding process, comprises: a sensor unit for detecting process radiation in at least one predetermined wavelength range and for generating at least one corresponding intensity signal, wherein the sensor unit comprises at least one photodiode; and a computing unit that is set up to monitor a laser machining process based on an evaluation of the intensity signal, in particular based on a statistical evaluation of the intensity signal.
  • a process monitoring module for monitoring a laser machining process on a workpiece for example for monitoring a laser welding process, comprises: a sensor unit for detecting process radiation in at least one predetermined wavelength range and for generating at least one corresponding intensity signal, the sensor unit comprising at least one photodiode; a computing unit that is set up to monitor a laser machining process based on an evaluation of the intensity signal, in particular based on a statistical evaluation of the intensity signal; and a housing in which the sensor unit and the computing unit are arranged or integrated.
  • a process monitoring module comprises a photodiode-based sensor unit and an evaluation or computing unit coupled to or integrated with the sensor unit, the sensor unit and the computing unit being arranged in a housing.
  • the housing can therefore be referred to as a common housing.
  • the sensor unit and the processing unit can be arranged completely or at least partially in the housing.
  • the sensor unit or the processing unit can be arranged at least partially in the housing if a connection of the sensor unit or the processing unit is outside the housing.
  • the housing can be designed in such a way that it essentially or largely encloses at least the sensor unit and the computing unit.
  • the housing can be coupled or fastened to a laser processing head carrying out the laser processing.
  • the housing can be coupled to a laser processing head carrying out the laser processing process in such a way that process radiation can be coupled into the process monitoring module or into the housing of the same.
  • the sensor unit can be set up to detect process radiation coupled out of the laser processing head.
  • the entire evaluation of the intensity signal detected by the sensor unit is preferably carried out by the computing unit.
  • the computing unit can therefore also be referred to as an evaluation unit.
  • the computing unit can be a processor or computer.
  • the process monitoring module can be mounted directly on the laser processing head as a unit. This makes manufacturing, commissioning and maintenance more efficient and less expensive than split-structure monitoring systems.
  • a method for parameterizing at least one laser machining process is specified, with the following steps: performing a statistical parameterization mode.
  • the statistical parameterization mode comprises the steps: detecting process radiation in a predetermined wavelength range and generating a corresponding intensity signal for a multiplicity of laser processing processes; Comparing a value distribution of values of a quantity, which are or were determined from the intensity signals from the plurality of laser machining processes, with at least one predetermined probability distribution; and determining at least one limit value for this variable for process monitoring based on a user specification for a tolerated apparent reject rate if the value distribution is subject to the specified probability distribution.
  • a method for monitoring a laser machining process is provided with the following steps: performing a statistical parameterization mode, and performing a monitoring mode for monitoring the laser machining process.
  • the statistical parameterization mode comprises the steps: detecting process radiation in a predetermined wavelength range and generating a corresponding intensity signal for a multiplicity of laser processing processes; Comparing a value distribution of values of a quantity, which are or were determined from the intensity signals from the plurality of laser machining processes, with at least one predetermined probability distribution; and determining at least one limit value for this variable for process monitoring on a user specification for a tolerated false reject rate, if the value distribution is subject to the specified probability distribution.
  • the laser machining process is monitored in the monitoring mode by evaluating an intensity signal of this laser machining process based on the at least one limit value determined in the statistical parameterization mode.
  • a method for monitoring a laser machining process is specified with the following steps: Monitoring the laser machining process in a monitoring mode by evaluating an intensity signal of the laser machining process to be monitored based on at least one statistically determined limit value for a specified variable.
  • a method for monitoring a laser processing process comprising: detecting process radiation in a predetermined wavelength range and generating a corresponding intensity signal by a sensor unit having at least one photodiode for monitoring the laser processing process in a monitoring mode, the detected intensity signal of the laser processing process to be monitored is evaluated based on at least one statistically determined limit value for a predetermined size.
  • a method for monitoring a laser processing process comprising: detecting process radiation in a predetermined wavelength range and generating a corresponding intensity signal by a sensor unit having at least one photodiode for monitoring the laser processing process in a monitoring mode, wherein in a control mode detected intensity signals of the Laser processing process and / or from detected intensity signals from a variety of laser processing processes values of a predetermined size are determined and a current value distribution of these values are compared with at least one predetermined control value distribution to determine a process change and / or process instability.
  • the size can be referred to as a monitoring parameter.
  • the quantity can be or include a property of an intensity signal that has been detected in a laser processing process, e.g.
  • At least one value of at least one variable per test laser machining process can be determined and/or calculated.
  • the limit value can be determined based on a value distribution of values of the variable that are or were determined from intensity signals from a large number of test laser machining processes. The limit value can have been determined in a statistical parameterization mode.
  • the statistical parameterization mode can include the steps of: detecting process radiation in a predetermined wavelength range and generating a corresponding intensity signal for a multiplicity of laser processing processes; Comparing a value distribution of values of a quantity, which are or were determined from the intensity signals from the plurality of laser machining processes, with at least one predetermined probability distribution; and determining at least one limit value for this variable for process monitoring based on a user specification for a tolerated apparent reject rate if the value distribution is subject to the specified probability distribution.
  • the process monitoring module in particular its computing unit, according to one of the aspects and exemplary embodiments described herein can be set up to execute the method for monitoring a laser machining process according to one of the aspects and exemplary embodiments described herein.
  • the process monitoring signals can be evaluated largely automatically with the aid of statistical methods. Commissioning of the process monitoring module can be significantly shortened and operating complexity can be greatly reduced.
  • Process radiation can denote radiation that emanates from the workpiece during the laser processing process and preferably enters the laser processing head.
  • the process monitoring module is preferably designed for in-process monitoring or online process monitoring.
  • Process radiation can preferably be detected by the sensor unit and the intensity signal generated can be evaluated by the computing unit essentially in real time. In this way it is possible to monitor whether the laser machining process produces the required quality of the machined workpieces or whether there are undesired deviations in the quality of the machined workpieces.
  • the evaluation of the intensity signal can be based on a statistical method that requires the detection of process radiation on a plurality of workpieces.
  • the process monitoring module can have an algorithm for the automated evaluation of the intensity signal using statistical methods.
  • the process monitoring module can monitor deviations in individual laser machining processes, in particular in the case of individual welds, but can also evaluate whether the laser machining process is sufficiently stable. All evaluations for process monitoring can be carried out in or by means of the processing unit of the process monitoring module.
  • Carrying out a monitoring mode or monitoring a laser machining process by evaluating an intensity signal from the same laser machining process can include a classification of the laser machining process, e.g. a classification of the laser machining process or a classification of its machining result as “good” or “bad”.
  • the laser machining process can include, for example, laser welding, laser removal, laser soldering, laser structuring and/or laser cutting.
  • a laser processing head or a laser processing system can have a head or a system for laser welding, laser ablation, laser soldering, laser structuring and/or laser cutting.
  • the computing unit may include or consist of a single board computer and/or an ARM microprocessor. As a result, the manufacturing costs can be reduced.
  • the computing unit can include or consist of a single-board computer based on the so-called ARM architecture. As a result, a compact, light and efficient configuration of the process monitoring module can be achieved.
  • the computing unit can also include a memory in order to store data, for example threshold values, value distributions, specified probability distributions or reference value distributions.
  • the process monitoring module can have a module interface, in particular a fieldbus interface, e.g. an EtherCAT interface, for example to send data to a controller of the laser processing head and/or to receive data from the controller of the laser processing head and/or to receive data from other sensors and /or to receive and/or to send units of the laser processing head or of a laser processing system comprising the laser processing head.
  • the data can be transmitted by cable and/or wirelessly, for example by Bluetooth, Internet, etc.
  • the process monitoring module can be attached directly to a laser processing head, such as a welding head, and connected to the controller via a fieldbus interface (e.g. EtherCAT).
  • Additional sensors of the laser processing head can be: a sensor for monitoring the protective glass, a sensor for a current laser power, a scattered light sensor and/or a temperature sensor.
  • Other units of the laser processing head or the laser processing system that includes it can be: a laser source, a robot arm, etc..
  • the process monitoring module can include a camera for capturing an image, the camera being at least partially arranged or integrated in the housing.
  • the Camera can be a CCD camera.
  • the camera can be set up to capture a photo or a video recording of a workpiece surface and/or of a processing point.
  • the process monitoring module can include a pilot light source for radiating in a pilot light beam, in particular a pilot laser, the pilot light source being at least partially arranged or integrated in the housing.
  • the camera and/or the pilot light source can be used to support the manual and/or automatic alignment or adjustment of the process monitoring module with respect to the laser processing head. Integrating a camera and/or pilot light source into the process monitoring module can further reduce system costs.
  • the correct adjustment and/or alignment of the camera and/or the pilot light source with respect to the sensor unit can be included in a factory setting, so that the handling and/or commissioning of the process monitoring module is simplified and made easier for the user.
  • the camera can have a lens, with at least the lens being arranged in the housing.
  • the lens may comprise a vari-focal lens, for example a lens designed as a vari-focal lens, as is often the case with mobile phones.
  • the camera can be connected to the processing unit in order to send the recorded or captured image to the processing unit.
  • the camera can be connected to the controller of the laser processing head and/or to an external display device, e.g. via a module or fieldbus interface of the process monitoring module, in order to send the recorded or captured image.
  • the process monitoring module can also be designed to transmit the image captured by the camera to an external display device via the module interface in order to display the image thereon.
  • the process monitoring module can include: an alignment unit for coupling the process monitoring module to the laser processing head and for aligning or adjusting the process monitoring module in relation to the laser processing head in at least one of three orthogonal spatial directions.
  • Alignment or adjustment can be manual or manual and/or automated and/or motorized.
  • the alignment or adjustment can include displacement, ie a translatory movement, and/or tilting, ie a rotary movement.
  • the alignment unit can include set screws for alignment.
  • the spatial directions can be Cartesian directions.
  • the process monitoring module can have adjustment options in several degrees of freedom (e.g. x, y, z, as well as rotation and/or tilting about one or more axes, in particular about two axes perpendicular to one another) in order to adjust the sensor unit and/or the sensors and/or to optimally align the camera and/or the pilot light source with the laser processing head, in particular with a beam path of the same.
  • the process monitoring module can have a pilot laser as a pilot light source, which can be imaged and/or made visible by the camera, so that the user can orientate himself during the adjustment, for example the adjustment or the alignment of the beam path of the process monitoring module (i.e. in particular the sensor unit and/or the camera) can be guided onto the beam path of the laser processing head.
  • the process monitoring module can have an optical input for process radiation coupled out of the laser processing head.
  • the alignment can take place in a direction perpendicular to the optical axis or to the central axis of the optical input.
  • the sensor unit can include multiple photodiodes that are sensitive to different wavelength ranges and/or include at least one two-zone photodiode that is set up to separately detect two different wavelength ranges.
  • the sensor unit can therefore have a first photodiode, which is designed to detect process radiation in at least one first predetermined wavelength range.
  • the sensor unit can also have a second photodiode, which is designed to detect process radiation in at least one second predetermined wavelength range.
  • the sensor unit can preferably have a third photodiode, which is designed to operate in at least a third predetermined wavelength range to detect process radiation.
  • the first, second and third wavelength ranges preferably do not intersect or overlap, or at least not completely.
  • the different photodiodes can be designed to detect different types or wavelength ranges of the process radiation, such as thermal radiation, a back reflection of the processing laser beam, scattered light or plasma radiation.
  • Thermal radiation or temperature radiation can be in the wavelength range of infrared and/or near-infrared radiation, whereas plasma radiation can be in the visible wavelength range.
  • the use of multiple photodiodes, ie at least two photodiodes that can detect process radiation in different wavelength ranges has the advantage that different portions of the process radiation can be detected and evaluated separately. For example, a processing error can be reflected primarily in the temperature radiation, while another processing error can be best detected in the plasma radiation signal. This allows the laser processing process to be monitored over a wide range of the spectrum and for various incorrect processing or artefacts, and therefore leads to a particularly comprehensive and reliable monitoring of laser processing processes.
  • Optical axes of at least two elements from the group comprising the sensor unit, the at least one photodiode, the camera and the pilot light source can run at least partially coaxially in the housing.
  • these optical axes can run coaxially at least through the optical input of the alignment unit, e.g. to the optical axis or central axis of the optical input.
  • the process monitoring module can also include an optical element, preferably a diaphragm and/or a polarization filter, in a cassette or in a slot.
  • the process monitoring module can be equipped with at least one inverse aperture and/or at least one polarization filter, for example.
  • the (inverse) diaphragm and/or the polarization filter can be arranged in front of the sensor unit or in front of a photodiode.
  • the process radiation can include at least one of the following: backscattered and/or back-reflected laser light of a processing laser beam (also called laser back-reflection), plasma radiation arising during the laser processing process, thermal radiation arising during the laser processing process, process emissions in the infrared wavelength range, process emissions in the ultraviolet wavelength range and process emissions in the visible wavelength range.
  • the process radiation can therefore include plasma radiation, a laser back-reflection and/or thermal radiation, among other things.
  • Electromagnetic radiation, i.e. light, which occurs during a laser processing process can be referred to as process radiation.
  • the wavelength range is not limited to the visible spectrum and can also include light in the UV and/or infrared spectrum.
  • the detected process radiation can, in particular, be light which is reflected back from the workpiece in the direction of the laser processing head and which occurs during the laser processing process.
  • the arithmetic unit or control unit can be set up to carry out a statistical parameterization mode for the evaluation of the intensity signal.
  • values of a variable can be determined from intensity signals from a large number of laser processing processes, and a value distribution of these values can be compared with at least one specified probability distribution or distribution function, and if the value distribution is subject to the specified probability distribution, based on a user specification for a tolerated At least one limit value for this variable for process monitoring can be determined.
  • the size can also be referred to as a monitoring parameter.
  • the predefined probability distribution or distribution function can be determined or assumed beforehand.
  • the specified probability distribution can serve as a guide value or as a measure of the quality of a laser machining process. In this way, quantities can be determined from the process radiation and their distribution can be viewed statistically in order to determine whether a laser machining process achieves the desired quality of the machining results.
  • the user can define a tolerated false reject rate for the process monitoring. In other words, the user can determine how high the proportion of false rejects (“false negatives”) may be in process monitoring, ie a maximum quota of parts incorrectly evaluated as bad parts or rejects.
  • the at least one limit value can be calculated from this in such a way that the proportion of an area under the specified probability distribution from one end to this limit value in relation to the total area under the specified probability distribution corresponds to the tolerated apparent reject rate.
  • the specified probability distribution can be cut off at the limit values on both sides in such a way that the areas of the flanks cut off in this way, ie from the respective end of the probability distribution to the respective limit value, correspond to the apparent reject rate.
  • laser processing processes for which the value of the variable under consideration exceeds or falls below the limit value can be rated as "good” or "bad".
  • the tolerated false reject rate can be a percentage.
  • the specified or assumed probability distribution can include the following: a theoretical distribution function, in particular a normal distribution, a Gaussian distribution, a Poisson distribution, a t-Student distribution, etc.
  • the statistical parameterization mode can also include a step in in which a distribution from a group of predefined probability distributions is selected as the predefined probability distribution for the comparison with the value distribution, which best fits the value distribution or the laser processing process to be monitored or the variable under consideration (best fit).
  • the observed variable or the monitoring parameter can be at least one of the following: a noise or a noise amplitude of the intensity signal, an integral over the intensity signal, an integral over the noise, a mean value of the intensity signal, and a mean value of the noise.
  • At least one value of at least one variable per laser machining process can be determined and/or calculated.
  • the intensity signals on which the value distribution is based in the statistical parameterization mode can come from a large number of identical laser processing processes, ie from a large number of laser processing processes that were carried out with the same process parameters, eg focus position, laser power, processing speed, etc.
  • the arithmetic unit or control unit can be set up for the evaluation of the intensity signal, in accordance with the statistical parameterization mode, to carry out a monitoring mode, i.e. production monitoring or process monitoring of laser machining processes.
  • the laser machining processes to be monitored in the monitoring mode can be identical to the laser machining processes evaluated in the statistical parameterization mode, i.e. the laser machining processes can have the same process parameters.
  • a process can be monitored by evaluating the intensity signal generated by the sensor unit based on the at least one limit value determined in the statistical parameterization mode.
  • process radiation that occurs during each laser machining process is recorded and the value of the at least one variable is determined therefrom. The value can then be compared with the at least one limit value determined in the statistical parameterization mode. Based on the comparison, the laser processing process can be rated as "bad" or its processing result as scrap or not.
  • the computing unit can be set up to check the value distribution with the specified probability distribution using a statistical test, in particular using the Kolmogorov-Smirnov test, the Shapiro-Wilk test (in particular if the probability distribution is a normal distribution), the chi-square test, or the like . , to determine whether the value distribution is subject to the specified probability distribution.
  • a statistical test in particular using the Kolmogorov-Smirnov test, the Shapiro-Wilk test (in particular if the probability distribution is a normal distribution), the chi-square test, or the like .
  • an indication can be output to the user and/or to a controller of the laser processing head or the laser processing system.
  • the user it can consequently be pointed out that the quality requirements are no longer met and/or whether there are deviations from the specified probability distribution.
  • a green indicator light can indicate that the quality requirements are being met, and/or a red indicator light and/or a signal tone and/or a system shutdown can be actuated automatically when the quality requirements are no longer being met.
  • the arithmetic unit can be set up to carry out a control mode in which a current value distribution of values of a variable determined from intensity signals from a large number of laser machining processes is compared with at least one predefined control value distribution. As a result, a process change and/or process instability can be determined.
  • the control value distribution can correspond to the value distribution determined in the statistical parameterization mode.
  • the control value distribution can be compared with a current value distribution, e.g. from a specified number of currently performed laser processing processes. This comparison can be carried out periodically, e.g. repeatedly after a number n of laser machining processes. In other words, it can be checked in the control mode whether the limit values determined in the parameterization mode still apply for the monitoring.
  • the comparison may be based on a statistical test such as a Kolmogorov-Smirnov test, the Shapiro-Wilk test (especially when the probability distribution is a normal distribution), the chi-square test, or the like.
  • the processing unit can be set up, an extent or a strength of a deviation of the current value distribution from the control value distribution based on a statistical test, in particular the Kolmogorov-Smirnov test, the Shapiro-Wilk test (especially if the probability distribution is a normal distribution), the Chi -Square test, or similar, to determine.
  • a statistical test in particular the Kolmogorov-Smirnov test, the Shapiro-Wilk test (especially if the probability distribution is a normal distribution), the Chi -Square test, or similar.
  • a statistical test in particular the Kolmogorov-Smirnov test, the Shapiro-Wilk test (especially if the probability distribution is a normal distribution), the Chi -Square test, or similar.
  • a laser machining system for performing a laser machining process includes: a laser machining head for irradiating a machining laser beam onto a workpiece to perform the laser machining process; and a process monitoring module according to any of the described embodiments.
  • the laser processing head has an optical output and a beam decoupler for decoupling process radiation from the laser processing head through the optical output.
  • the process monitoring module has an optical input for coupling the process radiation coupled out of the laser processing head into the process monitoring module.
  • the process monitoring module is attached to the laser processing head in such a way that the decoupled process radiation reaches the sensor unit through the optical input of the process monitoring module.
  • the beam coupler can include or be a beam splitter and/or an at least partially reflective or dichroic mirror.
  • the laser processing head can include a scanner unit or deflection unit for deflecting the processing laser beam transversely to the beam propagation direction to different positions.
  • the laser processing head can have movable optical elements, in particular tiltable and/or displaceable mirrors and/or lenses. These moving elements can be part of a scanner unit of the laser processing head.
  • the scanner unit can in particular comprise a galvo mirror scanner unit. The scanner unit is used to deflect the processing laser beam in at least one direction perpendicular to the beam propagation direction.
  • the laser processing head can also F-Theta optics, for example for focusing the processing laser beam.
  • Embodiments for a method for monitoring using a process monitoring module according to the present invention are described below.
  • the method according to embodiments of the present invention can be carried out in particular by a process monitoring module according to embodiments of the present invention.
  • the features and examples listed above are also applicable to the process that now follows.
  • a method for monitoring a laser processing process can include the following steps: Carrying out a statistical parameterization mode, with the steps: detecting process radiation in a predetermined wavelength range and generating a corresponding intensity signal for a large number of laser processing processes, comparing at least one value distribution of values at least a variable that is or was determined from the intensity signals from the plurality of laser processing processes, with at least one predetermined probability distribution, and determining at least one limit value for this variable for process monitoring based on a user specification for a tolerated apparent reject rate if the value distribution is subject to the predetermined probability distribution ; and after performing these steps of the parameterization mode: performing a monitoring mode by evaluating an intensity signal of the laser processing process based on the at least one limit value determined in the statistical parameterization mode and/or performing a control mode and/or performing a referencing mode.
  • a large number of laser machining processes are therefore carried out in the parameterization mode.
  • An intensity signal is generated based on the process radiation detected during each laser machining process and a value of a variable is determined therefrom.
  • a value distribution of the values for each of the plurality of laser machining processes is compared to a predetermined probability distribution. Here it can be determined whether the value distribution of the specified probability distribution corresponds. If the value distribution is subject to the specified probability distribution, limit values for this variable for process monitoring are determined or calculated based on a user specification for a tolerated apparent reject rate.
  • the monitoring mode follows, ie production monitoring, in particular for laser machining processes with the same process parameters as for the laser processes carried out for the parameterization mode for system initialization.
  • the limit values determined are then used in the monitoring mode for monitoring a laser machining process.
  • the variable considered, which is determined from the intensity signal can be the intensity itself, a noise of the intensity signal, an integral over the intensity signal or over the noise of the intensity signal or an average of the intensity signal or the noise.
  • the control mode can include: comparing a current value distribution of values of a variable determined from intensity signals from a large number of laser processing processes with at least one predefined control value distribution in order to determine a process change and/or a process instability. In the control mode, it can be checked whether the limit values determined in the parameterization mode still apply to the monitoring.
  • the referencing mode can include: carrying out a large number of reference processing processes, with process radiation being detected in a or the predetermined wavelength range and a corresponding intensity signal being generated for each of the large number of reference processing processes, and comparing at least one value distribution of values of at least one variable which is derived from the intensity signals were determined by the multiplicity of reference machining processes, with at least one predetermined reference value distribution.
  • the reference machining processes can be carried out on given reference workpieces with given process parameters, ie under narrow, well-defined framework conditions.
  • the distribution of reference values can be recorded when the laser processing system is started up, in that a large number of reference processing processes are carried out, process radiation is detected in a or the predetermined wavelength range corresponding intensity signal is generated in each case for the plurality of reference machining processes and a value distribution of values of at least one variable that was determined from the intensity signals from the reference machining processes carried out during commissioning is determined. In this way, a change in the laser processing system or the installation, for example due to a long operating time or an incident such as a machine crash, can be detected.
  • the method according to the embodiment 1 may further include: specifying the probability distribution by selecting from a group of distribution functions including, for example, a normal distribution, a Gaussian distribution, a Poisson distribution, and a Student's t distribution.
  • the predetermined probability distribution can be selected on the basis of a “best-fit” criterion.
  • a value for each variable can be calculated from the associated intensity signal.
  • a value distribution can be created for more than one variable.
  • a probability distribution can be specified or selected for each value distribution.
  • the processing unit of the process monitoring module can be set up to carry out the statistical parameterization mode according to the method of the first embodiment or one of the expanded embodiments of the method for evaluating the intensity signal, and/or the monitoring mode.
  • the at least one limit value can be determined in such a way that a proportion of an area between an end of the specified probability distribution and the at least one limit value, ie a proportion of an area of a flank of the probability distribution up to the limit value corresponds to the total area of the specified probability distribution of the tolerated false reject rate.
  • the user default for a tolerated false reject rate can be or is a percentage. The user only needs to determine how much spurious scrap is acceptable. Based on this, the area under the probability distribution is automatically integrated until the area in the ratio to the total area under the probability distribution corresponds to the false reject rate.
  • the limit of the integral can be defined as a limit for this variable for process monitoring.
  • two limit values can be determined, e.g. on both sides or on both flanks of the probability distribution.
  • the limit values can be calculated in such a way that the respective edges of the specified probability distribution are truncated on both sides in such a way that the truncated areas together or the sum of the integrals over the truncated edges corresponds to the tolerated apparent reject rate.
  • the values where the edges are cut correspond to the limit values.
  • the comparison of the value distribution with the predetermined probability distribution can be based on a statistical test, in particular on a Kolmogorov-Smirnov test, Shapiro-Wilk test (in particular if the probability distribution is a normal distribution) , chi-square test, etc.
  • a signal and/or a warning and/or an error message can be output if it is determined that the value distribution is not subject to the specified probability distribution. It can be pointed out, for example, that a laser machining process is unstable. The signal and/or the warning and/or the error message can therefore be sent to a user and/or to a controller.
  • the evaluation of the intensity signal of the laser machining process can include determining the value of the variable. If the at least one limit value is exceeded and/or fallen below, a signal and/or a warning and/or an error message can be output. The laser machining process or the associated machining result can be classified as scrap.
  • the method can include switching off the machining process if the at least one limit value is exceeded or not reached. If a laser machining process does not (or no longer) meet the required quality requirements, a signal to switch off the machining process can be generated.
  • the method can also include performing a control mode in which a current value distribution of values of a size that were determined from intensity signals from a large number of laser processing processes with at least one predetermined control value distribution is compared to determine a process change and/or a process instability.
  • a control mode can be carried out as an alternative or in addition to the monitoring mode.
  • a current value distribution of values of the variable determined from intensity signals from a large number of laser processing processes can be compared in the control mode with at least one predetermined control value distribution for this variable in order to determine a process change and/or process instability.
  • the control value distribution can correspond to the value distribution determined in the parameterization mode. Measured values recorded or determined during the laser processing process can be statistically analyzed in the parameterization mode with the Control value distribution are compared. The comparison is made, for example, based on a statistical test, e.g. a Kolmogorov-Smirnov test, Shapiro-Wilk test (especially if the probability distribution is a normal distribution), chi-square test, or similar.
  • a statistical test e.g. a Kolmogorov-Smirnov test, Shapiro-Wilk test (especially if the probability distribution is a normal distribution), chi-square test, or similar.
  • an extent of a deviation of the current value distribution from the control value distribution based on a statistical test, in particular the Kolmogorov-Smirnov test, the Shapiro-Wilk test (in particular if the probability distribution is a normal distribution is), the chi-square test, or similar.
  • control mode threshold can be set based on the significance level.
  • Each of the embodiments of the method can be performed by a process monitoring module and/or a laser processing system comprising the process monitoring module according to any of the embodiments described herein. All definitions and descriptions made herein also apply to the embodiments of the method.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a process monitoring module according to an embodiment
  • FIG. 2 is a schematic representation of a laser processing system including a laser processing head and a process monitoring module according to an embodiment
  • 3 is a schematic representation of a predetermined probability distribution according to an embodiment
  • 4A is a flow chart of a method for parameterizing in a parameterization mode and for monitoring in a monitor mode of a laser machining process according to an embodiment
  • 4B is a flow chart of the method for monitoring a laser machining process in a monitor mode according to an embodiment
  • 5A is a schematic representation of comparing sensed values for a quantity to a predetermined probability distribution in parameterization mode according to an embodiment
  • 5B is a flow chart of method steps in parameterization mode according to an embodiment
  • 6A is a schematic representation of the comparison of detected values for a quantity with a control value distribution in control mode according to an embodiment
  • 6B is a flowchart of method steps in control mode according to one embodiment.
  • the process monitoring module 1 is a schematic representation of a process monitoring module 1 according to an embodiment.
  • the process monitoring module 1 can be part of a laser processing system 26 with a laser processing head 18, as shown schematically in FIG.
  • the process monitoring module 1 for monitoring a laser machining process has a sensor unit 2 with at least one photodiode.
  • the sensor unit 2 can have one, two, three or more photodiodes.
  • the photodiodes can capture process radiation in different wavelength ranges.
  • Process radiation 10 is radiation that arises during the laser processing of the workpiece.
  • Process radiation can be and/or include, for example, a back reflection and/or scattered light of the processing laser beam 28 and/or thermal radiation.
  • a first Photodiode capture the back reflection
  • a second photodiode can capture the thermal radiation.
  • the sensor unit 2 therefore detects the process radiation 10 in said predetermined wavelength range or ranges for which the photodiode(s) is or are designed, and generates a corresponding intensity signal which is a measure of the intensity or the intensity of the detected Process radiation 10 represents.
  • Process radiation 10 coupled in through an optical input 7 of the process monitoring module 1 is deflected at a beam splitter 11 to the sensor unit 2 .
  • the process monitoring module 1 also has a computing unit 3, which represents or includes an evaluation unit.
  • the computing unit 3 is set up to monitor the laser machining process based on an evaluation of the intensity signal.
  • the arithmetic unit 3 can be implemented as a single-board computer based on a so-called ARM architecture.
  • the sensor unit 2 and the computing unit 3 are both arranged completely in a housing 17 in FIG.
  • the housing 17 can be or can be arranged on a laser processing head 18 .
  • the process monitoring module 1 and/or the laser processing head 18 can have a suitable fastening system, for example screws and/or bolts.
  • the computing unit 3 can have a computing unit interface 5 for receiving the intensity signal of the sensor unit 2 .
  • the intensity signal does not necessarily have to correspond to the intensity. It can also be a signal from which the intensity of the process radiation can be calculated and/or derived, for example voltage and/or current values output by the sensor unit 2 .
  • the process monitoring module 1 can include a camera 4 which is arranged in the housing 17 .
  • the camera 4 can be a CCD camera and can be connected to the computing unit 3 for data transmission.
  • the camera 4 can be arranged in the process monitoring module 1 in such a way that it can record an image and/or a video of a processing area and its surroundings.
  • the camera 4 can be sensitive in the visible wavelength range.
  • the camera 4 can additionally or alternatively in the IR and/or be sensitive to the UV wavelength range.
  • the image and/or the video can provide information about the focal position and/or the position of the processing laser beam 28 emerging from the laser processing head 18 on the workpiece surface 21 and/or about detected process radiation 10 .
  • the camera can support the alignment of the process monitoring module 1 or an optical beam path of the process monitoring module 1 and/or an optical axis 23 of the process monitoring module 1 with respect to the laser processing head 18 .
  • the optical axis 23 of the process monitoring module 1 is defined in such a way that it runs centrally through the optical input 7 of the process monitoring module 1 .
  • a beam path of the sensor unit 2 or process radiation 10 coupled into the process monitoring module 1 runs at least partially coaxially or parallel to the optical axis 23 of the process monitoring module 1.
  • the beam path of the sensor unit 2 or process radiation 10 coupled into the process monitoring module 1 runs in the area of the optical input 7 of the process monitoring module 1 coaxially or parallel to the optical axis 23.
  • a pilot light source 8 can be arranged in the housing 17 for better alignment of the process monitoring module 1 .
  • a pilot light beam, in particular a pilot laser beam 9 is deflected by a beam splitter 22 and runs at least partially coaxially or parallel along the optical axis 23 through the optical input 7 of the process monitoring module 1 in order to be directed onto the workpiece surface 21.
  • the position of the pilot laser beam 9 on the workpiece surface can be imaged by the camera 4 .
  • the process monitoring module 1 in FIG. 1 additionally has an optical element 6, for example an aperture and/or a polarization filter and/or an inverse aperture.
  • the optical element 6 can be accommodated in a cassette or in a slot.
  • the optical element 6 is arranged in front of the sensor unit 2 or in front of the photodiode.
  • 2 is a schematic representation of a laser processing system 26 with a laser processing head 18 and with the process monitoring module 1 according to an embodiment.
  • the process monitoring module 1 can be, for example, the process monitoring module 1 from FIG.
  • the laser processing system 26 guides a processing laser beam 28 along a beam path 32 provided for this purpose onto a workpiece 20, the processing laser beam 28 being first collimated by a first optics 29 and guided by a first partially reflective mirror 30 or a beam splitter and by means of a second optics 29' is focused on the workpiece surface 21 .
  • at least one second mirror 31 can be arranged in the beam path, e.g. between the first mirror or beam splitter 30 and the second optics. The at least one second mirror 31 can be movable in order to direct the processing laser beam 28 to a large number of points on the workpiece.
  • Two movable mirrors 31 are preferably arranged as a scanner system in the beam path of the processing head in order to deflect the processing laser beam 28 in two orthogonal directions perpendicular to the beam propagation direction of the processing laser beam 28 .
  • the workpiece 20 is processed by means of the processing laser beam 28 . This can include, for example, laser welding, laser removal, laser soldering, structuring and/or laser cutting.
  • the processing of the workpiece 20 results in process radiation 10 being emitted and/or reflected by the workpiece surface 21 .
  • This process radiation 10 runs at least partially coaxially along the beam path 32 of the processing laser head 18 counter to the direction of propagation of the processing laser beam 28.
  • a part of the process radiation 10 is decoupled from the beam path 32 of the processing laser head 18 at the partially reflective mirror 30 and enters through the optical input 7 in the process monitoring module 1.
  • the partially reflective mirror 30 can therefore be referred to as a beam outcoupler.
  • the second mirror 31 can be movably arranged, for example rotatable or pivotable about at least one axis of rotation.
  • the processing laser beam 28 can be directed to different positions on the workpiece surface 21, whereby a predetermined path can be scanned or traversed.
  • the second mirror 31 can therefore represent part of a scanner optics or scanner unit.
  • the housing 17 of the process monitoring module 1 is arranged on the laser processing head 18, in particular fastened or fixed, for example by means of screws and threads.
  • the process monitoring module 1 is aligned in relation to the laser processing head 18 in such a way that process radiation 10 coupled out of the beam path of the laser processing head 18 enters through the optical input of the process monitoring module 1 coaxially or parallel to the optical axis 23 .
  • This alignment allows a pilot light beam from the pilot light source 8 arranged in the housing 17 to be coupled into the beam path of the laser processing head 18, preferably in such a way that the pilot light beam runs coaxially with the processing laser beam and hits the same point on the workpiece surface 21 as the processing laser beam.
  • the process monitoring module 1, in particular the processing unit 3 of the process monitoring module 1, can be connected to a controller 19 of the laser processing head 18 or the laser processing system 26 via a module interface, for example a fieldbus interface.
  • a module interface for example a fieldbus interface.
  • This connection which can be implemented wirelessly and/or by means of a cable, is used for one-way or two-way data exchange.
  • the process monitoring module 1 can be operated via the module interface.
  • the process monitoring module 1 can receive data from other sensors via the module interface, such as a sensor for laser power or a protective glass monitor.
  • FIG. 4A is a flow diagram of a method 100 for parameterization in a parameterization mode A and monitoring in a monitoring mode B of a laser machining process according to an embodiment.
  • 4B is a flow diagram of a method 150 for monitoring a laser machining process in a monitor mode, according to an embodiment.
  • 4A shows a method 100 for monitoring a laser machining process, which comprises: performing a statistical parameterization mode A with the steps: detecting 110 process radiation and generating 120 a corresponding intensity signal for a multiplicity of laser machining processes; Determination of values of a predetermined variable or variable used for process monitoring from the intensity signals from the plurality of laser machining processes and comparison 130 of a value distribution 24 of the values of this variable with at least one predetermined probability distribution 12; Determining 140 at least one limit value 13 for this variable for process monitoring based on a user specification for a tolerated apparent reject rate if the value distribution 24 is subject to the specified probability distribution 12; and carrying out 150 a monitoring mode B by evaluating an intensity signal of the laser machining process based on the at least one limit value 13 determined in the statistical parameterization mode A.
  • a large number of laser machining processes are therefore carried out in parameterization mode A.
  • an intensity signal is generated and a value of a variable 16 is determined therefrom.
  • a value distribution 24 of the values for all of the plurality of laser machining processes is compared to at least one predetermined probability distribution 12 . In this way it can be determined whether the value distribution 24 is subject to one of the at least one predefined probability distributions 12 . If the value distribution 24 is subject to the specified probability distribution 12, limit values 13 for this variable 16 for process monitoring are determined or calculated based on a user specification for a tolerated apparent reject rate. Such Limit values 16 are then used in a monitoring mode B to monitor a laser machining process.
  • Variable 16 which is determined from the intensity signal, can be a variable that can be determined from the intensity signal and that is to be used or considered or parameterized for process monitoring.
  • the variable 16 can also be referred to as a monitoring parameter.
  • the variable 16 considered can be the intensity itself, a noise of the intensity signal, an integral over the intensity signal or the noise of the intensity signal or an average value of the intensity signal or the noise. Complex parameterization of the system can be simplified by this statistical approach.
  • Method 100 is based on the assumption that the signals generated at the photodiode are subject to a probability distribution 12 given an unchanging laser machining process.
  • a probability distribution 12 can be a normal distribution, as shown in FIG. 3 .
  • other probability distributions 12 such as Poisson, t-Student, etc., can also be used.
  • the specified probability distribution 12 is a theoretical distribution in the form of a function. Based on the comparison of the value distribution 24 with the specified probability distribution 12, it can be determined whether the value distribution 24 is subject to the specified probability distribution 12. Several probability distributions 12 can also be specified, the probability distribution 12 that best matches the value distribution can be selected, and then the comparison can be carried out as to whether the value distribution 24 is subject to the selected probability distribution 12 .
  • intensity signals or photodiode signals are generated according to the detected process radiation 10 and the variables to be parameterized for each processing result, e.g. a weld seam, of the respective one of the n Workpieces 20 determined.
  • a value of at least one variable, ie a total of at least n values, is determined for each processing result or for each workpiece 20 . So you get n values for each variable.
  • a statistical test e.g.
  • Kolmogorov-Smirnov, Shapiro-Wilk test (especially if the probability distribution is a normal distribution), Chi-square test, etc.) is then carried out for these n values, in which it is checked whether the system or the value distribution 24 determined from the detected process radiation is subject to the assumed probability distribution 12 . If so, the user can specify what percentage of false rejects is acceptable. Apparent scrap means that good parts, i.e. good parts, are incorrectly evaluated as bad parts, i.e. bad parts or rejects.
  • the limit values 13 for the respective variable are then calculated on this basis and stored in the process monitoring module, for example in the computing unit 3 .
  • the user specification for a tolerated apparent reject rate can include a percentage and the at least one limit value 13 can be determined in such a way that a proportion of an area 14 between one end of the specified probability distribution and the at least one limit value 13 of the total area of the specified probability distribution 12 corresponds to the percentage.
  • two limit values 13 are determined, namely on both sides or on both flanks of the specified probability distribution 12.
  • the limit values 13 can be calculated in such a way that the edge or the respective edges of the specified probability distribution 12 are on a or are truncated on both sides in such a way that the truncated area 14 or the integral under the curve of the truncated edges corresponds to the apparent reject rate.
  • the values 16 or the value 16 at which or at which the edges or the edge is cut off corresponds to the limit values 13 or the limit value 13. If two limit values 13 are determined, the two sub-areas at the opposite ends or flanks of the Probability distribution 12 are chosen to be the same size. If the value distribution 24 does not correspond to the specified probability distribution 12 to a specified extent, i.e. the specified probability distribution 12 is not available, the user can receive a message that the statistical test was not passed, which can indicate that the laser processing process is unstable or a process change was made in the course of the parameterization which is so significant that there is a corresponding influence on the value distribution 24 . In this way, for example, it can also be checked which influencing factors (e.g. material batch change, settings on welding gauges, protective glass change) have a correspondingly significant effect on the machining process.
  • influencing factors e.g. material batch change, settings on welding gauges, protective glass change
  • 5A is a schematic representation of the comparison of a value distribution 24 of values determined for a variable with a predetermined probability distribution 12 in parameterization mode A according to an embodiment. Five values of magnitude 16 (points below the x-axis) are plotted against their frequency 15 along the x-axis. This value distribution 24 is subjected to a statistical test in which the value distribution 24 is compared to the specified probability distribution 12 by determining the significance level D.
  • step 500 a statistical test is carried out, for example according to the illustration in FIG not. If the match is sufficient, the at least one limit value can be determined and the laser machining process or the production can be started in step 510. If the correspondence is not sufficient, then the laser machining process or the production is not started in step 520 and a warning and/or a notice can be output instead.
  • monitoring mode B can follow, ie production monitoring, in particular for laser machining processes with the same process parameters as for parameterization mode.
  • FIG. 4B is a flow chart of a method 150 for monitoring a laser machining process in a monitor mode B according to an embodiment.
  • the method 150 corresponds to the implementation 150 of a monitoring mode B by evaluating an intensity signal of a laser machining process to be monitored based on the at least one limit value 13 determined in the statistical parameterization mode A.
  • the method includes detecting 151 process radiation and generating it
  • the processing result can be evaluated as "bad” or as scrap if the associated value exceeds or falls below the limit value 13.
  • the process monitoring module 1 preferably also has the functionality of a control mode, with a current value distribution 24 being compared with a reference distribution 25, which was typically recorded during the parameterization, ie in parameterization mode A, during ongoing production.
  • the value distribution recorded in parameterization mode A can be used as the reference distribution 25 .
  • the current value distribution 24 can also be compared with the reference distribution 25 using a Kolmogorov-Smirnov test, Shapiro-Wilk test (in particular if the probability distribution is a normal distribution), Chi-square test, or the like. This gives the user an indication of how much the laser machining process has changed over a period of time or whether the laser machining process has become unstable.
  • Corresponding limit values can be stored for this purpose, at which the process monitoring module 1 and/or the laser processing system 26 issues warnings.
  • the significance level can be used as shown in Figure 6A.
  • the control mode can be periodic be carried out, for example in a predetermined time interval or after a predetermined number of laser machining processes or workpieces.
  • 6A is a schematic representation of the comparison of a current value distribution 24, for example for workpieces or part numbers 1001 to 1100, for the variable 16 under consideration with a control value distribution 25 in the control mode.
  • a current value distribution 24 for example for workpieces or part numbers 1001 to 1100
  • a control value distribution 25 in the control mode.
  • Four values of magnitude 16 are plotted against their frequency 15 along the x-axis.
  • This value distribution 24 is compared with the control value distribution 25 (larger points under the x-axis) by means of a statistical test, in which the significance level D is determined.
  • step 600 it is statistically tested, for example according to the illustration in FIG. 6A, whether the value distribution 24 for a number of 1001 up to about 1100 machined workpieces corresponds to a predetermined extent with the reference distribution 25 or not. For example, it can be checked whether the value distribution for workpieces or parts with part numbers 1001 to 1100 matches the value distribution for workpieces or parts with part numbers 1 to 100. In this way, the process stability can be checked. If a match is sufficient, the laser machining process or the production can be continued in step 610. If a match is not sufficient, the laser machining process or the production is not continued in step 620 and/or a warning or a notice is issued.
  • the process monitoring module 1 preferably also has the functionality of a referencing mode.
  • data from a large number of defined reference laser processing processes such as reference welds, are stored. This data can be recorded, for example, when the laser machining process is started up.
  • it can be checked whether the laser processing system 26 or the entire system, for example the welding system itself, has changed.
  • processes on two separate systems and/or laser processing systems can also be compared with one another. For this purpose, the data can be consolidated at a central point.
  • the statistical, largely automated parameterization of the laser processing system efficiently opens up the possibility of recognizing at an early stage whether a laser processing process is becoming unstable via a change in the value distribution. This creates an efficient and cost-effective way of checking the system periodically.
  • the process monitoring module set up for statistical parameterization therefore allows a user to efficiently monitor a laser machining process.
  • the assignment of the laser machining processes or the machining results to good or bad parts based on the corresponding intensity signals can be carried out with little effort.
  • commissioning is significantly shortened and operating complexity is significantly reduced due to the simple and automated evaluation. Process monitoring can reduce rejects and thus protect the environment. Compliance with the required product specifications can be guaranteed with greater certainty.
  • Optical element in particular diaphragm and/or polarization filter
  • Beam path of the processing laser beam 100 Method for parameterizing at least one laser machining process of a laser machining head on a plurality of workpieces by means of a process monitoring module

Landscapes

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Abstract

Prozessüberwachungsmodul (1) zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses wobei das Prozessüberwachungsmodul umfasst: eine Sensoreinheit (2) mit mindestens einer Photodiode zum Erfassen von Prozessstrahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich und Erzeugen eines entsprechenden Intensitätssignals; eine Recheneinheit (3), die eingerichtet ist, einen Laserbearbeitungsprozess basierend auf einer Auswertung des Intensitätssignals zu überwachen; und ein Gehäuse (X), wobei die Sensoreinheit (2) und die Recheneinheit (3) in dem Gehäuse (X) angeordnet sind.

Description

Prozessüberwachungsmodul zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses und Laserbearbeitungssystem mit demselben
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Prozessüberwachungsmodul zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses sowie ein Laserbearbeitungssystem mit demselben. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur automatisierten Auswertung von Prozessüberwachungssignalen und ein Prozessüberwachungsmodul mit einer Recheneinheit, die zur Durchführung dieses Verfahrens eingerichtet ist.
Hintergrund
In einem Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert oder gebündelt. Die Bearbeitung kann beispielsweise ein Laserschweißen umfassen. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserbearbeitungsvorrichtung, beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere einen Laserschweißkopf, umfassen. Insbesondere beim Laserschweißen eines Werkstücks ist es wichtig, den Schweißprozess kontinuierlich zu überwachen, um die Qualität der Bearbeitung zu sichern. Dies schließt die Erkennung von Bearbeitungsfehlern bzw. die Zuordnung in Gutoder Schlechtteile ein.
Beim Laserschweißen kann es beispielsweise zu einer ungenügenden Ausbildung einer Schweißnaht kommen, wofür unterschiedliche Ursachen wie beispielsweise eine sich verändernde Maßhaltigkeit, eine sich verändernde Oberflächenqualität der Werkstücke, eine Defokussierung des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche und/oder eine Verschmutzung der Bearbeitungsoptiken verantwortlich sein können. Ferner können Einstellungen in einem Laserbearbeitungsprozess im Laufe der Zeit „wegdriften“, ohne dass dies rechtzeitig bemerkt wird. Aus diesen Gründen ist es wünschenswert, dass Laserbearbeitungsprozesse „online“, also insbesondere in Echtzeit überwacht werden. Um bei Laserbearbeitungsprozessen von Werkstücken eine ausreichende und konstante Qualität der Bearbeitungsergebnisse sicherzustellen, werden üblicherweise Prozessüber- wachungssysteme eingesetzt. Die Überwachung von Laserbearbeitungsprozessen erfolgt typischerweise durch Erfassung und Analyse verschiedener Parameter einer Prozessstrahlung, auch Prozesslicht oder Prozessemission genannt. Dazu zählen insbesondere durch die Bearbeitung entstehende Prozessemissionen, wie Plasmastrahlung, Temperaturstrahlung, oder zurückreflektierte Laserstrahlung. Anschließend erfolgt eine Beurteilung, bei der die entsprechenden Messsignale dahingehend überprüft werden, ob gewisse Bedingungen erfüllt sind. Wenn ein oder mehrere Messsignale während der Bearbeitung zuvor festgelegte Bedingungen erfüllen, wird ein Fehlersignal ausgegeben. Dementsprechend kann ein bearbeitetes Werkstück als „gut“ oder „Gutteil“ (d.h. geeignet für die Weiterverarbeitung oder den Verkauf) oder als „schlecht“ oder „Schlechtteil“ (d.h. als Ausschuss) gekennzeichnet werden.
Um mögliche Schlechtteile, wie beispielsweise Fehlschweißungen, identifizieren zu können, werden unter anderem Photodioden-basierte Qualitätsüberwachungssysteme verwendet, deren Sensoreinheit separat von einer die Auswertung durchführenden Recheneinheit angeordnet sind, und beispielsweise mittels eines Kabels mit dieser Recheneinheit verbunden werden müssen. Dieser geteilte Aufbau aus Sensor- und Rechen- bzw. Auswerteeinheit führt zu relativ hohen Erstellungskosten. Zudem kann die Kabelverbindung in verschiedenen Systemen äußerst hinderlich sein.
Die Parametrisierung solcher vielteiligen und ggf. komplexen Systeme erfolgt meistens über die Eingabe bestimmter Parameter, welche anhand gemessener Signale und der Zuordnung dieser Signale zu entsprechenden Gut- und Schlechtteilen erfolgt. Dies führt wiederum zu einem hohen Inbetriebnahme- und Wartungswand sowie zu erhöhten Betriebs- und Herstellungskosten. Die Handhabung von solchen Online-Qualitätsüberwachungssystemen ist daher häufig ineffizient und umständlich. Insbesondere die Zuordnung der erfassten Signale zu Gut- und Schlechtteilen ist regelmäßig mit einem hohen manuellen Aufwand verbunden. Darüber hinaus sind oftmals Nachparametrisierungen im Rahmen von Chargenwechseln erforderlich. Dieser Aufwand kann sogar so hoch sein, dass die Systeme im laufenden Laserbearbeitungsprozess und Produktionsbetrieb abgeschaltet werden müssen oder die Parametrisierung derart erfolgt, dass die eigentliche Funktion der Qualitätsüberwachung nicht mehr gewährleistet werden kann. DE 10 2019 122 047 beschreibt beispielsweise ein Sensormodul zur Überwachung von Laserschweißprozessen, welches mehrere Detektoren oder Sensoren aufweist, die verschiedene Parameter der Prozessstrahlung detektieren und als Messsignale ausgeben. DE 10 2020 104 462 Al beschreibt ein Verfahren zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken, insbesondere während des Laserschweißvorgangs. DE 10 2020 104 462 Al beschreibt ein Verfahren zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges und kompaktes Prozess- überwachungsmodul zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein automatisiertes und zuverlässiges Verfahren zur Prozessüberwachung eines Laserbearbeitungsprozesses bereitzustellen, das keine aufwendige manuelle Parametrisierung bzw. Nachparametrisierung erfordert, sowie ein Prozessüberwachungsmodul zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, das zur Durchführung dieses Verfahrens eingerichtet ist.
Überdies besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen Laserbearbeitungsprozess zuverlässig in Echtzeit zu überwachen und eine zuverlässige Einteilung bearbeiteter Werkstücke in Gut- und Schlechtteile zu gewährleisten.
Eine oder mehrere dieser Aufgaben wird durch ein Prozessüberwachungsmodul und ein Laserbearbeitungssystem mit demselben gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt umfasst ein Prozessüberwachungsmodul zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück, beispielsweise zur Überwachung eines Laserschweißprozesses: eine Sensoreinheit zum Erfassen von Prozessstrahlung in zumindest einem vorgegebenen Wellenlängenbereich und zum Erzeugen zumindest eines entsprechenden Intensitätssignals, wobei die Sensoreinheit mindestens eine Photodiode umfasst; und eine Recheneinheit, die eingerichtet ist, einen Laserbearbeitungsprozess basierend auf einer Auswertung des Intensitätssignals, insbesondere basierend auf einer statistischen Auswertung des Intensitätssignals, zu überwachen.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Prozessüberwachungsmodul zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück, beispielsweise zur Überwachung eines Laserschweißprozesses: eine Sensoreinheit zum Erfassen von Prozessstrahlung in zumindest einem vorgegebenen Wellenlängenbereich und zum Erzeugen zumindest eines entsprechenden Intensitätssignals, wobei die Sensoreinheit mindestens eine Photodiode umfasst; eine Recheneinheit, die eingerichtet ist, einen Laserbearbeitungsprozess basierend auf einer Auswertung des Intensitätssignals, insbesondere basierend auf einer statistischen Auswertung des Intensitätssignals, zu überwachen; und ein Gehäuse, in dem die Sensoreinheit und die Recheneinheit angeordnet bzw. integriert sind.
Mit anderen Worten umfasst ein Prozessüberwachungsmodul gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Photodioden-basierte Sensoreinheit und eine mit der Sensoreinheit gekoppelte bzw. hieran integrierte Auswerte- bzw. Recheneinheit, wobei die Sensoreinheit und die Recheneinheit in einem Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse kann daher als gemeinsames Gehäuse bezeichnet werden. Die Sensoreinheit und die Recheneinheit können vollständig oder zumindest teilweise in dem Gehäuse angeordnet sein. Beispielsweise kann die Sensoreinheit oder die Recheneinheit zumindest teilweise in dem Gehäuse angeordnet sein, wenn ein Anschluss der Sensoreinheit oder der Recheneinheit außerhalb des Gehäuses liegt. Das Gehäuse kann jedenfalls so ausgelegt sein, zumindest die Sensoreinheit und die Recheneinheit im Wesentlichen oder größtenteils zu umschließen. Das Gehäuse kann mit einem den Laserbearbeitungsprozess durchführenden Laserbearbeitungskopf koppelbar bzw. befestigbar sein. Insbesondere kann das Gehäuse so an einem den Laserbearbeitungsprozess durchführenden Laserbearbeitungskopf koppelbar sein, dass Prozessstrahlung in das Prozessüberwachungsmodul bzw. in das Gehäuse desselben einkoppelbar ist. Mit anderen Worten kann die Sensoreinheit eingerichtet sein, aus dem Laserbearbeitungskopf ausgekoppelte Prozessstrahlung zu erfassen. Vorzugsweise erfolgt die gesamte Auswertung des durch die Sensoreinheit erfassten Intensitätssignals durch die Recheneinheit. Die Recheneinheit kann daher auch als Auswerteeinheit bezeichnet werden. Die Recheneinheit kann ein Prozessor oder Computer sein.
Durch die kompakte Ausgestaltung des Prozessüberwachungsmoduls, wobei die Sensoreinheit und die Recheneinheit in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind, kann das Prozessüberwachungsmodul als eine Einheit direkt an den Laserbearbeitungskopf montiert werden. Dadurch sind Herstellung, Inbetriebnahme und Wartung effizienter und kostengünstiger als bei Überwachungssystemen mit geteiltem Aufbau.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Parametrisieren zumindest eines Laserbearbeitungsprozesses angegeben, mit den folgenden Schritten: Durchführen eines statistischen Parametrisierungsmodus. Der statistische Parametrisierungsmodus umfasst die Schritte: Erfassen von Prozessstrahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich und Erzeugen eines entsprechenden Intensitätssignals für eine Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen; Vergleichen einer Werteverteilung von Werten einer Größe, die aus den Intensitätssignalen von der Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen ermittelt werden bzw. wurden, mit mindestens einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung; und Ermitteln zumindest eines Grenzwertes für diese Größe zur Prozessüberwachung basierend auf einer Benutzervorgabe für eine tolerierte Scheinausschussquote, falls die Werteverteilung der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung unterliegt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses angegeben mit den folgenden Schritten: Durchführen eines statistischen Parametrisierungsmodus, und Durchführen eines Überwachungsmodus zur Überwachung des Laserbearbeitungsprozesses. Der statistische Parametrisierungsmodus umfasst die Schritte: Erfassen von Prozessstrahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich und Erzeugen eines entsprechenden Intensitätssignals für eine Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen; Vergleichen einer Werteverteilung von Werten einer Größe, die aus den Intensitätssignalen von der Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen ermittelt werden bzw. wurden, mit mindestens einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung; und Ermitteln zumindest eines Grenzwertes für diese Größe zur Prozessüberwachung basierend auf einer Benutzervorgabe für eine tolerierte Scheinausschussquote, falls die Werteverteilung der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung unterliegt. Das Überwachen des Laserbearbeitungsprozesses im Überwachungsmodus erfolgt durch Auswerten eines Intensitätssignals dieses Laserbearbeitungsprozesses basierend auf dem im statistischen Parametrisierungsmodus ermittelten zumindest einen Grenzwert.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses angegeben mit den folgenden Schritten: Überwachen des Laserbearbeitungsprozesses in einem Überwachungsmodus durch Auswerten eines Intensitätssignals des zu überwachenden Laserbearbeitungsprozesses basierend auf zumindest einem statistisch ermittelten Grenzwert für eine vorgegebene Größe.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses angegeben, umfassend: Erfassen von Prozessstrahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich und Erzeugen eines entsprechenden Intensitätssignals durch eine Sensoreinheit mit mindestens einer Photodiode zum Überwachen des Laserbearbeitungsprozesses in einem Überwachungsmodus, wobei das erfasste Intensitätssignal des zu überwachenden Laserbearbeitungsprozesses basierend auf zumindest einem statistisch ermittelten Grenzwert für eine vorgegebene Größe ausgewertet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses angegeben, umfassend: Erfassen von Prozessstrahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich und Erzeugen eines entsprechenden Intensitätssignals durch eine Sensoreinheit mit mindestens einer Photodiode zum Überwachen des Laserbearbeitungsprozesses in einem Überwachungsmodus, wobei in einem Kontrollmodus aus erfassten Intensitätssignalen des Laserbearbeitungsprozesses und/oder aus erfassten Intensitätssignalen von einer Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen Werte einer vorgegebenen Größe ermittelt werden und eine aktuelle Werteverteilung dieser Werte mit mindestens einer vorgegebenen Kontrollwerteverteilung verglichen werden, um eine Prozessänderung und/oder eine Prozessinstabilität festzustellen. Die Größe kann als Überwachungsparameter bezeichnet werden. Die Größe kann eine Eigenschaft eines Intensitätssignals sein oder umfassen, das in einem Laserbearbeitungsprozess erfasst worden ist, z.B. ein Rauschen und/oder eine Rauschamplitude des Intensitätssignals, ein Integral über das Intensitätssignal, ein Integral über das Rauschen, ein Mittelwert des Intensitätssignals, und ein Mittelwert des Rauschens. Es kann mindestens ein Wert von mindestens einer Größe pro Test-Laserbearbeitungsprozess ermittelt und/oder berechnet werden. Der Grenzwert kann basierend auf einer Werteverteilung von Werten der Größe ermittelt werden, die aus Intensitätssignalen von einer Vielzahl von Test-Laserbearbeitungsprozessen ermittelt werden bzw. wurden. Der Grenzwert kann in einem statistischen Parametrisierungsmodus ermittelt worden sein. Der statistische Parametrisierungsmodus kann die Schritte umfassen: Erfassen von Prozessstrahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich und Erzeugen eines entsprechenden Intensitätssignals für eine Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen; Vergleichen einer Werteverteilung von Werten einer Größe, die aus den Intensitätssignalen von der Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen ermittelt werden bzw. wurden, mit mindestens einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung; und Ermitteln zumindest eines Grenzwertes für diese Größe zur Prozessüberwachung basierend auf einer Benutzervorgabe für eine tolerierte Scheinausschussquote, falls die Werteverteilung der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung unterliegt.
Das Prozessüberwachungsmodul, insbesondere die Recheneinheit desselben, gemäß einer der hierin beschriebenen Aspekte und Ausführungsbeispiele kann eingerichtet sein, das Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß einem der hierin beschriebenen Aspekte und Ausführungsbeispiele auszuführen.
Auf diese Weise kann mit Hilfe von statistischen Verfahren eine weitgehend automatisierte Auswertung der Prozessüberwachungssignale erfolgen. Eine Inbetriebnahme des Prozessüberwachungsmoduls kann deutlich verkürzt und eine Bedienungskomplexität stark reduziert werden.
Das Prozessüberwachungsmodul gemäß einem der hierin beschriebenen Aspekte und Ausführungsbeispiele bzw. das Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß einem der hierin beschriebenen Aspekte und Ausführungsbeispiele kann ein oder mehrere der folgenden optionalen Merkmale aufweisen:
Prozessstrahlung kann Strahlung bezeichnen, die während des Laserbearbeitungsprozesses von dem Werkstück ausgeht und vorzugsweise in den Laserbearbeitungskopf eintritt. Das Prozessüberwachungsmodul ist vorzugsweise zur In-Prozess-Überwachung bzw. Online-Prozessüberwachung ausgelegt. Bevorzugt kann die Erfassung von Prozessstrahlung durch die Sensoreinheit und die Auswertung des erzeugten Intensitätssignals mittels der Recheneinheit im Wesentlichen in Echtzeit erfolgen. Auf diese Weise ist es möglich, zu überwachen, ob der Laserbearbeitungsprozess die erforderliche Qualität der bearbeiteten Werkstücke hervorbringt, oder ob es zu unerwünschten Abweichungen in der Qualität der bearbeiteten Werkstücke kommt.
Die Auswertung des Intensitätssignals kann auf einer statistischen Methode beruhen, die das Erfassen von Prozessstrahlung an einer Mehrzahl von Werkstücken erfordert. Das Prozessüberwachungsmodul kann einen Algorithmus aufweisen zur automatisierten Auswertung des Intensitätssignals mit Hilfe statistischer Verfahren. Das Prozessüberwachungsmodul kann Abweichungen bei einzelnen Laserbearbeitungsprozessen, insbesondere bei einzelnen Schweißungen, überwachen, aber auch bewerten, ob der Laserbearbeitungsprozess hinreichend stabil ist. Alle Auswertungen zur Prozessüberwachung können in der bzw. mittels der Recheneinheit des Prozessüberwachungsmoduls erfolgen.
Das Durchführen eines Überwachungsmodus bzw. die Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses durch Auswertung eines Intensitätssignals desselben Laserbearbeitungsprozesses kann eine Klassifizierung des Laserbearbeitungsprozesses umfassen z.B. eine Einteilung des Laserbearbeitungsprozesses bzw. eine Einteilung von dessen Bearbeitungsergebnis als „gut“ oder „schlecht“.
Der Laserbearbeitungsprozess kann beispielsweise ein Laserschweißen, ein Laserabtragen, ein Laserlöten, ein Laserstrukturieren und/oder ein Laserschneiden umfassen. Entsprechend kann ein Laserbearbeitungskopf bzw. ein Laserbearbeitungssystem einen Kopf bzw. ein System zum Laserschweißen, Laserabtragen, Laserlöten, Laserstrukturieren und/oder Laserschneiden umfassen.
Die Recheneinheit kann einen Einplatinencomputer und/oder einen ARM-Mikroprozessor umfassen oder daraus bestehen. Dadurch können die Herstellungskosten reduziert werden. Die Recheneinheit kann einen Einplatinencomputer auf Basis der sogenannten ARM-Archi- tektur umfassen oder daraus bestehen. Dadurch kann eine kompakte, leichte und effiziente Ausgestaltung des Prozessüberwachungsmoduls erreicht werden.
Die Recheneinheit kann auch einen Speicher umfassen, um Daten, beispielsweise Schwellwerte, Werteverteilungen, vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen oder Referenzwerteverteilungen, zu speichern.
Das Prozessüberwachungsmodul kann eine Modul Schnittstelle, insbesondere eine Feldbusschnittstelle, z.B. eine Ethercat-Schnittstelle, aufweisen, beispielsweise um Daten an eine Steuerung des Laserbearbeitungskopfes zu senden und/oder Daten von der Steuerung des Laserbearbeitungskopfes zu empfangen, und/oder um Daten von weiteren Sensoren und/oder Einheiten des Laserbearbeitungskopfes oder eines den Laserbearbeitungskopf umfassenden Laserbearbeitungssystems zu empfangen und/oder an diese zu senden. Die Datenübertragung kann dabei mittels Kabel und/oder kabellos erfolgen, beispielsweise mittels Bluetooth, Internet etc. Das Prozessüberwachungsmodul kann beispielsweise direkt an einem Laserbearbeitungskopf, wie einem Schweißkopf, angebracht sein und über eine Feldbusschnittstelle (z.B. Ethercat) mit der Steuerung verbunden werden.
Weitere Sensoren des Laserbearbeitungskopfes können sein: ein Sensor zur Schutzglasüberwachung, ein Sensor für eine aktuelle Laserleistung, ein Streulichtsensor und/oder einen Temperatursensor. Weitere Einheiten des Laserbearbeitungskopfes bzw. des diesen umfassenden Laserbearbeitungssystems können sein: eine Laserquelle, ein Roboterarm, etc..
Das Prozessüberwachungsmodul kann eine Kamera zum Erfassen eines Bildes umfassen, wobei die Kamera zumindest teilweise im Gehäuse angeordnet oder integriert ist. Die Kamera kann eine CCD Kamera sein. Die Kamera kann zum Erfassen eines Fotos oder einer Videoaufnahme von einer Werkstückoberfläche und/oder von einem Bearbeitungspunkt eingerichtet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Prozessüberwachungsmodul eine Pilotlichtquelle zum Einstrahlen eines Pilotlichtstrahls umfassen, insbesondere einen Pilotlaser, wobei die Pilotlichtquelle zumindest teilweise im Gehäuse angeordnet oder integriert ist.
Die Kamera und/oder die Pilotlichtquelle können zur Unterstützung der händischen und/oder automatischen Ausrichtung bzw. Justage des Prozessüberwachungsmoduls bezüglich des Laserbearbeitungskopfes dienen. Die Integration einer Kamera und/oder einer Pilotlichtquelle in das Prozessüberwachungsmodul kann die Systemkosten weiter reduzieren. Die korrekte Abstimmung und/oder Ausrichtung der Kamera und/oder der Pilotlichtquelle bezüglich der Sensoreinheit kann in einer Werkseinstellung beinhaltet sein, so dass dem Benutzer die Handhabung und/oder Inbetriebnahme des Prozessüberwachungsmoduls vereinfacht und erleichtert wird.
Die Kamera kann ein Objektiv aufweisen, wobei zumindest das Objektiv in dem Gehäuse angeordnet ist. Das Objektiv kann eine Linse mit variabler Brennweite umfassen, beispielsweise ein als Linse mit variabler Brennweite gestaltetes Objektiv, wie es bei Mobiltelefonen oftmals der Fall ist. Die Kamera kann mit der Recheneinheit verbunden sein, um das aufgenommene bzw. erfasste Bild an die Recheneinheit zu senden. Die Kamera kann alternativ oder zusätzlich mit der Steuerung des Laserbearbeitungskopfs und/oder mit einer externen Anzeigevorrichtung verbunden sein, z.B. über eine Modul- bzw. Feldbusschnittstelle des Prozessüberwachungsmoduls, um das aufgenommene bzw. erfasste Bild zu senden. Das Prozessüberwachungsmodul kann auch dazu ausgelegt sein, das von der Kamera erfasste Bild über die Modul Schnittstelle an eine externe Anzeigevorrichtung zu übermitteln, um das Bild darauf anzuzeigen.
Das Prozessüberwachungsmodul kann umfassen: eine Ausrichteinheit zum Koppeln des Prozessüberwachungsmoduls an den Laserbearbeitungskopf und zum Ausrichten bzw. Justieren des Prozessüberwachungsmoduls in Bezug auf den Laserbearbeitungskopf in mindestens einer von drei orthogonalen Raumrichtungen. Das Ausrichten bzw. Justieren kann manuell bzw. händisch und/oder automatisiert und/oder motorisiert erfolgen. Das Ausrichten bzw. Justieren kann ein Verschieben, d.h. eine translatorische Bewegung, und/oder ein Verkippen, d.h. eine rotatorische Bewegung, umfassen. Die Ausrichteinheit kann Stellschrauben zum Ausrichten umfassen kann. Die Raumrichtungen können kartesische Richtungen sein.
Das Prozessüberwachungsmodul kann über Justage-Möglichkeiten in mehreren Freiheitsgraden (z.B. x, y, z, sowie Rotation und/oder Verkippung um eine oder mehrere Achsen, insbesondere um zwei zueinander senkrechte Achsen) verfügen, um die Sensoreinheit und/oder die Sensoren und/oder die Kamera und/oder die Pilotlichtquelle optimal auf den Laserbearbeitungskopf, insbesondere auf einen Strahlengang desselben, auszurichten. Hierfür kann das Prozessüberwachungsmodul als Pilotlichtquelle einen Pilotlaser aufweisen, der durch die Kamera abgebildet und/oder sichtbar gemacht werden kann, sodass der Benutzer zur Orientierung bei der Justage, beispielsweise der Justage bzw. dem Ausrichten des Strahlengangs des Pro- zessüberwachungsmoduls (d.h. insbesondere der Sensoreinheit und/oder der Kamera) auf den Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs geführt werden kann.
Das Prozessüberwachungsmodul kann einen optischen Eingang für eine aus dem Laserbearbeitungskopf ausgekoppelte Prozessstrahlung aufweisen. Das Ausrichten kann in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse bzw. zur Mittelachse des optischen Eingangs erfolgen.
Die Sensoreinheit kann mehrere Photodioden umfassen, die für verschiedene Wellenlängenbereiche empfindlich sind, und/oder zumindest eine Zwei-Zonen-Photodiode umfasst, die eingerichtet ist, zwei verschiedene Wellenlängenbereiche separat zu erfassen.
Die Sensoreinheit kann also eine erste Photodiode aufweisen, die dazu ausgelegt ist, in mindestens einem ersten vorbestimmten Wellenlängenbereich Prozessstrahlung zu erfassen. Die Sensoreinheit kann darüber hinaus eine zweite Photodiode aufweisen, die dazu ausgelegt ist, in mindestens einem zweiten vorbestimmten Wellenlängenbereich Prozessstrahlung zu erfassen. Bevorzugt kann die Sensoreinheit eine dritte Photodiode aufweisen, die dazu ausgelegt ist, in mindestens einem dritten vorbestimmten Wellenlängenbereich Prozessstrahlung zu erfassen. Vorzugsweise überschneiden bzw. überlappen sich der erste, der zweite und der dritte Wellenlängenbereich jeweils nicht oder zumindest nicht vollständig.
Die unterschiedlichen Photodioden können dazu ausgelegt sein, unterschiedliche Arten bzw. Wellenlängenbereich der Prozessstrahlung zu erfassen, wie beispielsweise eine thermische Strahlung, einen Rückreflex des Bearbeitungslaserstrahls, ein Streulicht oder eine Plasmastrahlung. Dabei kann eine thermische Strahlung bzw. Temperatur Strahlung im Wellenlängenbereich von infraroter und/oder nahinfraroter Strahlung liegen, wohingegen eine Plasmastrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich liegen kann. Die Verwendung von mehreren Photodioden, also von mindestens zwei Photodioden, die Prozessstrahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erfassen können, hat den Vorteil, dass unterschiedliche Anteile der Prozessstrahlung separat erfasst und bewertet werden können. Beispielsweise kann sich ein Bearbeitungsfehler vor allem in der Temperaturstrahlung widerspiegeln, ein anderer Bearbeitungsfehler hingegen kann am besten im Signal der Plasmastrahlung festgestellt werden. Dies erlaubt, den Laserbearbeitungsprozess in einem weiten Bereich des Spektrums und für verschiedene Fehlbearbeitungen bzw. Artefakte zu überwachen, und führt daher zu einer besonders umfassenden und zuverlässigen Überwachung von Laserbearbeitungsprozessen.
Optische Achsen von zumindest zwei Elementen aus der Gruppe, die die Sensoreinheit, die mindestens eine Photodiode, die Kamera und die Pilotlichtquelle umfasst, können zumindest teilweise koaxial im Gehäuse verlaufen. Insbesondere können diese optischen Achsen zumindest durch den optischen Eingang der Ausrichteinheit, z.B. zur optischen Achse bzw. Mittelachse des optischen Eingangs, koaxial verlaufen.
Das Prozessüberwachungsmodul kann ferner ein optisches Element, bevorzugt eine Blende und/oder einen Polarisationsfilter, in einer Kassette bzw. in einem Einschub umfassen. Das Prozessüberwachungsmodul kann beispielsweise mit zumindest einer inversen Blende und/oder zumindest einem Polarisationsfilter ausgestattet sein. Die (inverse) Blende und/oder der Polarisationsfilter kann vor der Sensoreinheit bzw. vor einer Photodiode angeordnet sein. Die Prozessstrahlung kann zumindest eines der folgenden umfassen: zurückgestreutes und/oder zurückreflektiertes Laserlicht eines Bearbeitungslaserstrahls (auch Laserrückreflex genannt), beim Laserbearbeitungsprozess entstehende Plasmastrahlung, beim Laserbearbeitungsprozess entstehende Temperaturstrahlung, Prozessemissionen im infraroten Wellenlängenbereich, Prozessemissionen im ultravioletten Wellenlängenbereich und Prozessemissionen im sichtbaren Wellenlängenbereich. Die Prozessstrahlung kann also unter anderem eine Plasmastrahlung, einen Laserrückreflex und/oder eine thermische Strahlung umfassen. Als Prozessstrahlung kann elektromagnetische Strahlung, also Licht, bezeichnet werden, welche während eines Laserbearbeitungsprozesses auftritt. Der Wellenlängenbereich ist dabei nicht auf das sichtbare Spektrum begrenzt und kann auch Licht im UV- und/oder Infrarotspektrum umfassen. Bei der erfassten Prozessstrahlung kann es sich insbesondere um ein vom Werkstück in Richtung des Laserbearbeitungskopfs zurückgestrahltes Licht handeln, welches bei dem Laserbearbeitungsprozess auftritt.
Die Recheneinheit bzw. Steuereinheit kann für die Auswertung des Intensitätssignals eingerichtet sein, einen statistischen Parametrisierungsmodus durchzuführen. In dem statistischen Parametrisierungsmodus kann aus Intensitätssignalen von einer Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen Werte einer Größe ermittelt werden, und eine Werteverteilung dieser Werten mit mindestens einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung bzw. Verteilungsfunktion verglichen werden, und falls die Werteverteilung der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung unterliegt, basierend auf einer Benutzervorgabe für eine tolerierte Scheinausschussquote zumindest einen Grenzwert für diese Größe zur Prozessüberwachung ermittelt werden. Die Größe kann auch als Überwachungsparameter bezeichnet werden.
Die vorgegebene Wahrscheinlichkeitsverteilung bzw. Verteilungsfunktion kann zuvor bestimmt oder angenommen sein. Die vorgegebene Wahrscheinlichkeitsverteilung kann als Richtwert bzw. als Maß für die Qualität eines Laserbearbeitungsprozesses dienen. Dabei können Größen aus der Prozessstrahlung ermittelt und deren Verteilung statistisch betrachtet werden, um festzustellen, ob ein Laserbearbeitungsprozess die erwünschte Qualität der Bearbeitungsresultate erzielt. Der Benutzer kann eine tolerierte Scheinausschussquote für die Prozessüberwachung festlegen. Mit anderen Worten kann der Benutzer bestimmen, wie hoch der Anteil von Scheinausschuss („false negative“) in der Prozessüberwachung sein darf, d.h. eine maximale Quote von fälschlich als Schlechtteil bzw. Ausschuss bewerteten Teilen. Der zumindest eine Grenzwert kann daraus derart berechnet werden, dass der Anteil einer Fläche unter der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung von einem Ende bis zu diesem Grenzwert in Bezug auf die Gesamtfläche unter der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung der tolerierten Scheinausschussquote entspricht. Mit anderen Worten kann die vorgegebene Wahrscheinlichkeitsverteilung auf beiden Seiten so an den Grenzwerten abgeschnitten werden, dass die so abgeschnittenen Flächen der Flanken, d.h. vom jeweiligen Ende der Wahrscheinlichkeitsverteilung bis zu dem jeweiligen Grenzwert, der Scheinausschussquote entspricht. Beispielsweise können Laserbearbeitungsprozesse, für die der Wert der betrachteten Größe den Grenzwert über- oder unterschreiten, als „gut“ bzw. „schlecht“ bewertet werden. Die tolerierte Scheinausschussquote kann eine prozentuale Angabe sein.
Die vorgegebene bzw. angenommene Wahrscheinlichkeitsverteilung kann folgende umfassen: eine theoretische Verteilungsfunktion, insbesondere eine Normal Verteilung, eine Gauß’sche Verteilung, eine Poisson-Verteilung, eine t-Student Verteilung, etc. Der sta- tisstische Parametrisierungsmodus kann ferner einen Schritt umfassen, in dem als vorgegebene Wahrscheinlichkeitsverteilung für den Vergleich mit der Werteverteilung eine Verteilung aus einer Gruppe von vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen ausgewählt wird, die auf die Werteverteilung bzw. für den zu überwachenden Laserbearbeitungsprozess bzw. für die betrachtete Größe am besten passt (best fit).
Die betrachtete Größe bzw. der Überwachungsparameter kann dabei zumindest eines der folgenden sein: ein Rauschen bzw. eine Rauschamplitude des Intensitätssignals, ein Integral über das Intensitätssignal, ein Integral über das Rauschen, ein Mittelwert des Intensitätssignals, und ein Mittelwert des Rauschens. Es kann mindestens ein Wert von mindestens einer Größe pro Laserbearbeitungsprozess ermittelt und/oder berechnet werden. Die im statistischen Parametrisierungsmodus der Werteverteilung zugrunde liegenden Intensitätssignale können aus einer Vielzahl von identischen Laserbearbeitungsprozessen stammen, d.h. aus einer Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen, die mit denselben Prozessparametern, z.B. Fokuslage, Laserleistung, Bearbeitungsgeschwindigkeit, etc., durchgeführt wurden.
Die Recheneinheit bzw. Steuereinheit kann für die Auswertung des Intensitätssignals eingerichtet sein, nach dem statistischen Parametrisierungsmodus einen Überwachungsmo- dus, d.h. eine Produktionsüberwachung bzw. eine Prozessüberwachung von Laserbearbeitungsprozessen, durchzuführen. Die im Überwachungsmodus zu überwachenden Laserbearbeitungsprozesse können hierbei identisch zu den im statistischen Parametrisierungsmodus ausgewerteten Laserbearbeitungsprozessen sein, d.h. die Laserbearbeitungsprozesse können dieselben Prozessparameter aufweisen. Im Überwachungsmodus kann eine Prozessüberwachung durch Auswertung des von der Sensoreinheit erzeugten Intensitätssignals basierend auf dem zumindest einen im statistischen Parametrisierungsmodus ermittelten Grenzwert erfolgen. Im Überwachungsmodus wird also beispielsweise Prozessstrahlung, die bei jedem Laserbearbeitungsprozess entsteht, erfasst und der Wert der zumindest einen Größe daraus bestimmt. Der Wert kann anschließend mit dem zumindest einen im statistischen Parametrisierungsmodus ermittelten Grenzwert verglichen werden. Basierend auf dem Vergleich kann der Laserbearbeitungsprozess als „schlecht“ bzw. dessen Bearbeitungsergebnis als Ausschuss bewertet werden oder nicht.
Die Recheneinheit kann eingerichtet sein, die Werteverteilung mit der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung durch einen statistischen Test, insbesondere durch den Kolmogorov-Smirnov Test, den Shapiro-Wilk Test (insbesondere wenn die Wahrscheinlichkeitsverteilung eine Normal Verteilung ist), den Chi-Quadrat Test, o.ä., zu vergleichen, um festzustellen, ob die Werteverteilung der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung unterliegt.
Basierend auf dem Vergleich der Werteverteilung mit der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung kann ein Hinweis an den Benutzer und/oder an eine Steuerung des Laserbearbeitungskopfs bzw. des Laserbearbeitungssystems ausgegeben werden. Der Benutzer kann folglich darauf hingewiesen werden, dass die Qualitätsanforderungen nicht mehr erfüllt werden, und/oder ob Abweichungen von der vorgegeben Wahrscheinlichkeitsverteilung vorliegen. Beispielsweise kann eine grüne Kontrollleuchte anzeigen, dass die Qualitätsanforderungen erfüllt werden, und/oder eine rote Kontrollleuchte und/oder ein Signalton und/oder ein Abschalten einer Anlage können automatisch betätigt werden, wenn die Qualitätsanforderungen nicht mehr erfüllt werden.
Die Recheneinheit kann eingerichtet sein, einen Kontrollmodus durchzuführen, in dem eine aktuelle Werteverteilung von Werten einer Größe, die aus Intensitätssignalen von einer Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen ermittelt wurden, mit mindestens einer vorgegebenen Kontrollwerteverteilung verglichen wird. Hierdurch kann eine Prozessänderung und/oder eine Prozessinstabilität festgestellt werden.
Nach einer vorgegebenen Anzahl von Laserbearbeitungsprozessen, beispielsweise 100, 500 oder 1000, kann wiederholt überprüft werden, ob und/oder wie stark sich der Laserbearbeitungsprozess verändert hat oder ob der Laserbearbeitungsprozess instabil geworden ist. Die Kontrollwerteverteilung kann der im statistischen Parametrisierungsmodus ermittelten Werteverteilung entsprechen. Die Kontrollwerteverteilung kann mit einer aktuellen Werteverteilung, z.B. aus einer vorgegebenen Anzahl von aktuell durchgeführten Laserbearbeitungsprozessen, verglichen werden. Dieser Vergleich kann periodisch durchgeführt, z.B. wiederholend nach einer Anzahl n von Laserbearbeitungsprozessen. Mit anderen Worten kann im Kontrollmodus überprüft werden, ob die im Parametrisierungsmodus bestimmten Grenzwerte für die Überwachung noch zutreffen. Der Vergleich kann auf einem statistischen Test, wie z.B. einem Kolmogorov-Smirnov Test, den Shapiro-Wilk Test (insbesondere wenn die Wahrscheinlichkeitsverteilung eine Normal Verteilung ist), den Chi-Quadrat Test, o.ä., basieren.
Die Recheneinheit kann eingerichtet sein, ein Ausmaß bzw. eine Stärke einer Abweichung der aktuellen Werteverteilung von der Kontrollwerteverteilung basierend auf einem statistischen Test, insbesondere dem Kolmogorov-Smirnov Test, dem Shapiro-Wilk Test (insbesondere wenn die Wahrscheinlichkeitsverteilung eine Normalverteilung ist), dem Chi-Quadrat Test, o.ä., zu ermitteln. Werden Grenzwerte für die Abweichung von der Kontrollwerteverteilung über- oder unterschritten, so kann eine Warnung ausgegeben werden. Die Grenzwerte für die Abweichung von der Kontrollwerteverteilung können basierend auf dem Signifikanzniveau festgelegt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Laserbearbeitungssystem zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses: einen Laserbearbeitungskopf zum Einstrahlen eines Bearbeitungslaserstrahls auf ein Werkstück zum Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses; und ein Prozessüberwachungsmodul gemäß einem der beschriebenen Ausführungsformen. Der Laserbearbeitungskopf weist einen optischen Ausgang und einen Strahlauskoppler zum Auskoppeln von Prozessstrahlung durch den optischen Ausgang aus dem Laserbearbeitungskopf auf. Das Prozessüberwachungsmodul weist einen optischen Eingang zum Einkoppeln der aus dem Laserbearbeitungskopf ausgekoppelten Prozessstrahlung in das Prozessüberwachungsmodul auf. Das Prozessüberwachungsmodul ist so an dem Laserbearbeitungskopf befestigt, dass die ausgekoppelte Prozessstrahlung durch den optischen Eingang des Prozessüberwachungsmodul s zur Sensoreinheit gelangt.
Alle Vorteile und technischen Effekte der einzelnen Ausführungsformen des Prozessüber- wachungsmoduls treffen auch auf das entsprechende damit versehene Laserbearbeitungssystem zu.
Der Strahlauskoppler kann einen Strahlteiler und/oder einen zumindest teilweise reflek- tiven bzw. dichroitischen Spiegel umfassen oder ein solcher sein.
Der Laserbearbeitungskopf kann eine Scannereinheit bzw. Ablenkeinheit zum Auslenken des Bearbeitungslaserstrahls quer zur Strahlausbreitungsrichtung auf verschiedene Positionen umfassen. Der Laserbearbeitungskopf kann bewegliche optische Elemente, insbesondere kippbare und/oder verschiebbare Spiegel und/oder Linsen aufweisen. Diese beweglichen Elemente können Teil einer Scannereinheit des Laserbearbeitungskopfes sein. Die Scannereinheit kann insbesondere eine Galvospiegel-Scannereinheit umfassen. Die Scannereinheit dient zum Ablenken des Bearbeitungslaserstrahls in zumindest einer Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung. Der Laserbearbeitungskopf kann ferner eine F-Theta Optik, beispielsweise zum Fokussieren des Bearbeitungslaserstrahls, umfassen.
Im Folgenden werden Ausführungsformen für ein Verfahren zur Überwachung mittels eines Prozessüberwachungsmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere durch ein Prozess- überwachungsmodul gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Die oben aufgeführten Merkmale und Beispiele sind ebenso auf das nun folgende Verfahren anwendbar.
1. Ein Verfahren zum Überwachen eines Laserbearbeitungsprozesses kann die folgenden Schritte umfassen: Durchführen eines statistischen Parametrisierungsmodus, und zwar mit den Schritten: Erfassen von Prozessstrahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich und Erzeugen eines entsprechenden Intensitätssignals für eine Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen, Vergleichen mindestens einer Werteverteilung von Werten mindestens einer Größe, die aus den Intensitätssignalen von der Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen ermittelt werden bzw. wurden, mit mindestens einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung, und Ermitteln zumindest eines Grenzwertes für diese Größe zur Prozessüberwachung basierend auf einer Benutzervorgabe für eine tolerierte Scheinausschussquote, falls die Werteverteilung der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung unterliegt; und nach Ausführen dieser Schritte des Parametrisierungsmodus: Durchführen eines Überwachungsmodus durch Auswertung eines Intensitätssignals des Laserbearbeitungsprozesses basierend auf dem im statistischen Parametrisierungsmodus ermittelten zumindest einen Grenzwert und/oder Durchführen eines Kontrollmodus und/oder Durchführen eines Referenzierungsmodus.
Im Parametrisierungsmodus werden also eine Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen durchgeführt. Basierend auf der während eines jeden Laserbearbeitungsprozess erfassten Prozessstrahlung wird ein Intensitätssignal erzeugt und ein Wert einer Größe daraus ermittelt. Eine Werteverteilung der Werte für alle von der Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen wird mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung verglichen. Hierbei kann festgestellt werden, ob die Werteverteilung der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung entspricht. Falls die Werteverteilung der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung unterliegt, wird basierend auf einer Benutzervorgabe für eine tolerierte Scheinausschussquote Grenzwerte für diese Größe zur Prozessüberwachung ermittelt bzw. berechnet. Nach Ausführen des Parametrisierungsmodus folgt der Überwachungsmodus, d.h. eine Produktionsüberwachung insbesondere für Laserbearbeitungsprozesse mit denselben Prozessparametern wie von den für den Parametrisierungsmodus zur Systeminitialisierung durchgeführten Laserprozessen. Die ermittelten Grenzwerte werden anschließend in dem Überwachungsmodus zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses herangezogen. Die betrachtete Größe, die aus dem Intensitätssignal ermittelt wird, kann die Intensität selbst, ein Rauschen des Intensitätssignals, ein Integral über das Intensitätssignal bzw. über das Rauschen des Intensitätssignals oder ein Mittelwert des Intensitätssignals bzw. des Rauschens sein.
Der Kontrollmodus kann umfassen: Vergleichen einer aktuellen Werteverteilung von Werten einer Größe, die aus Intensitätssignalen von einer Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen ermittelt wurden, mit mindestens einer vorgegebenen Kontrollwerteverteilung, um eine Prozessänderung und/oder eine Prozessinstabilität festzustellen. Im Kontrollmodus kann überprüft werden, ob die im Parametrisierungsmodus bestimmten Grenzwerte für die Überwachung noch zutreffen.
Der Referenzierungsmodus kann umfassen: Durchführen einer Vielzahl von Referenzbearbeitungsprozessen, wobei Prozessstrahlung in einem bzw. dem vorgegebenen Wellenlängenbereich erfasst wird und ein entsprechendes Intensitätssignal jeweils für die Vielzahl von Referenzbearbeitungsprozessen erzeugt wird, und Vergleichen mindestens einer Werteverteilung von Werten mindestens einer Größe, die aus den Intensitätssignalen von der Vielzahl von Referenzbearbeitungsprozessen ermittelt wurden, mit mindestens einer vorgegebenen Referenzwerteverteilung. Die Referenzbearbeitungsprozesse können an vorgegebenen Referenzwerkstücken mit vorgegebenen Prozessparametern, d.h. unter engen, wohldefinierten Rahmenbedingungen, durchgeführt werden. Die Referenzwerteverteilung kann bei Inbetriebnahme des Laserbearbeitungssystems aufgenommen werden, indem eine Vielzahl von Referenzbearbeitungsprozessen durchgeführt wird, Prozessstrahlung in einem bzw. dem vorgegebenen Wellenlängenbereich erfasst wird, ein entsprechendes Intensitätssignal jeweils für die Vielzahl von Referenzbearbeitungsprozessen erzeugt wird und eine Werteverteilung von Werten mindestens einer Größe, die aus den Intensitätssignalen von den bei Inbetriebnahme durchgeführten Referenzbearbeitungsprozessen ermittelt wurden, bestimmt wird. Auf diese Weise kann eine Änderung des Laserbearbeitungssystems bzw. der Anlage, beispielsweise aufgrund einer langen Betriebszeit oder einem Vorfall, wie einem Maschinencrash, festgestellt werden.
Das Verfahren gemäß der Ausführungsform 1 kann ferner umfassen: Vorgeben der Wahrscheinlichkeitsverteilung durch Auswählen aus einer Gruppe von Verteilungsfunktionen, beispielsweise umfassend eine Normalverteilung, eine Gauß Verteilung, eine Poisson Verteilung und eine t-Student Verteilung. Das Auswählen der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung kann basierend auf einem „best-fit“-Kriterium erfolgen.
Für jeden Laserbearbeitungsprozess kann aus dem dazugehörigen Intensitätssignal ein Wert für jede Größe berechnet werden. Selbstverständlich kann für mehr als eine Größe je eine Werteverteilung erstellt werden. Für jede Werteverteilung kann eine Wahrscheinlichkeitsverteilung vorgegeben sein bzw. ausgewählt werden.
Die Recheneinheit des Prozessüberwachungsmoduls kann eingerichtet sein, den statistischen Parametrisierungsmodus entsprechend des Verfahrens der 1. Ausführungsform oder einer der erweiterten Ausführungsformen des Verfahrens für die Auswertung des Intensitätssignals, und/oder den Überwachungsmodus durchzuführen.
2. In dem Verfahren gemäß der Ausführungsform 1 kann der zumindest eine Grenzwert so bestimmt werden, dass ein Anteil einer Fläche zwischen einem Ende der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung und dem zumindest einen Grenzwert, d.h. ein Anteil einer Fläche einer Flanke der Wahrscheinlichkeitsverteilung bis zu dem Grenzwert, an der Gesamtfläche der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung der tolerierten Scheinausschussquote entspricht. Die Benutzervorgabe für eine tolerierte Scheinausschussquote kann eine Prozentangabe umfassen oder sein. Der Benutzer muss also lediglich festlegen, wieviel Scheinausschuss akzeptabel ist. Darauf basierend wird automatisch die Fläche unter der Wahrscheinlichkeitsverteilung soweit integriert, bis die Fläche im Verhältnis zur Gesamtfläche unter der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Scheinausschussquote entspricht. Der Grenzwert des Integrals kann als Grenzwert für diese Größe für die Prozessüberwachung festgelegt werden.
3. In dem Verfahren gemäß der 1. und/oder 2. Ausführungsform können zwei Grenzwerte ermittelt werden, z.B. zu beiden Seiten bzw. an beiden Flanken der Wahrscheinlichkeitsverteilung.
Die Grenzwerte können dabei so berechnet werden, dass die jeweiligen Ränder der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung auf beiden Seiten so abgeschnitten sind, dass die abgeschnittenen Flächen zusammen bzw. die Summe der Integrale über die abgeschnittenen Ränder der tolerierten Scheinausschussquote entspricht. Die Werte, bei denen die Ränder abgeschnitten sind, entsprechen den Grenzwerten.
4. In dem Verfahren gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen 1-3 kann das Vergleichen der Werteverteilung mit der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung auf einem statistischen Test basieren, insbesondere auf einem Kolmogorov-Smirnov Test, Shapiro-Wilk Test (insbesondere wenn die Wahrscheinlichkeitsverteilung eine Normalverteilung ist), Chi-Quadrat Test, o.ä..
5. In dem Verfahren gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen 1-4 kann basierend auf dem Vergleichen der Werteverteilung mit der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung festgestellt werden, ob die Werteverteilung der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung unterliegt.
6. In dem Verfahren gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen 1-5 kann ein Signal und/oder eine Warnung und/oder eine Fehlermeldung ausgegeben werden, wenn festgestellt wird, dass die Werteverteilung der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung nicht unterliegt. Dabei kann beispielsweise darauf hingewiesen werden, dass ein Laserbearbeitungsprozess instabil ist. Daher kann das Signal und/oder die Warnung und/oder die Fehlermeldung kann an einen Benutzer und/oder an eine Steuerung erfolgen.
7. In dem Verfahren gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen 1-6 kann die Auswertung des Intensitätssignals des Laserbearbeitungsprozesses das Ermitteln des Werts der Größe umfassen. Bei dem Überschreiten und/oder Unterschreiten des zumindest einen Grenzwerts kann ein Signal und/oder eine Warnung und/oder eine Fehlermeldung ausgegeben werden. Es kann eine Klassifikation des Laserbearbeitungsprozesses bzw. des dazugehörigen Bearbeitungsergebnis als Ausschuss erfolgen.
Das Verfahren kann ein Abschalten des Bearbeitungsprozesses umfassen, wenn der zumindest eine Grenzwert über- oder unterschritten wird. Falls ein Laserbearbeitungsprozess die erforderliche Qualitätsanforderungen nicht (mehr) erfüllt, kann ein Signal zum Abschalten des Bearbeitungsprozesses erzeugt werden.
8. In dem Verfahren gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen 1-7 kann das Verfahren ferner ein Durchführen eines Kontrollmodus umfassen, in dem eine aktuelle Werteverteilung von Werten einer Größe, die aus Intensitätssignalen von einer Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen ermittelt wurden, mit mindestens einer vorgegebenen Kontrollwerteverteilung verglichen wird, um eine Prozessänderung und/oder eine Prozessinstabilität festzustellen. Mit anderen Worten nach Ausführen der Schritte des Parametrisierungsmodus alternativ oder zusätzlich zum Überwachungsmodus ein Kontrollmodus durchgeführt werden. Eine aktuelle Werteverteilung von Werten der Größe, die aus Intensitätssignalen von einer Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen ermittelt wurden, kann in dem Kontrollmodus mit mindestens einer vorgegebenen Kontrollwerteverteilung für diese Größe verglichen werden, um eine Prozessänderung und/oder eine Prozessinstabilität festzustellen.
Die Kontrollwerteverteilung kann der im Parametrisierungsmodus ermittelten Werteverteilung entsprechen. Während des Laserbearbeitungsprozesses erfasste oder ermittelte Messwerte können statistisch im Parametrisierungsmodus mit der Kontrollwerteverteilung verglichen werden. Der Vergleich erfolgt beispielsweise basierend auf einem statistischen Test, z.B. einem Kolmogorov-Smirnov Test, Shapiro-Wilk Test (insbesondere wenn die Wahrscheinlichkeitsverteilung eine Normalverteilung ist), Chi- Quadrat Test, o.ä..
9. In dem Verfahren gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen 1-8 kann ein Ausmaß einer Abweichung der aktuellen Werteverteilung von der Kontrollwerteverteilung basierend auf einem statistischen Test, insbesondere dem Kolmogorov-Smirnov Test, dem Shapiro-Wilk Test (insbesondere wenn die Wahrscheinlichkeitsverteilung eine Normalverteilung ist), dem Chi-Quadrat Test, o.ä., ermittelt werden.
Wenn die Abweichung größer ist als ein vorgegebener Grenzwert des Kontrollmodus, kann der Laserbearbeitungsprozess gestoppt werden und/oder eine Warnung erfolgen. Der Grenzwert des Kontrollmodus kann basierend auf dem Signifikanzniveau festgelegt werden.
Jede der Ausführungsformen des Verfahrens kann durch ein Prozessüberwachungsmodul und/oder ein Laserbearbeitungssystem umfassend das Prozessüberwachungsmodul gemäß irgendeiner der hierin beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden. Sämtliche hierin gemachten Definitionen und Beschreibungen gelten auch für die Ausführungsformen des Verfahrens.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Prozessüberwachungsmoduls gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems mit einem Laserbearbeitungskopf und einem Prozessüberwachungsmodul gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung gemäß einer Ausführungsform; Fig. 4A ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Parametrisieren in einem Parametrisierungsmodus und zum Überwachen in einem Überwachungsmodus eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 4B ist ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Überwachen eines Laserbearbeitungsprozesses in einem Überwachungsmodus gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 5A ist eine schematische Darstellung des Vergleichs erfasster Werte für eine Größe mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung im Parametrisierungsmodus gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 5B ist ein Flussdiagramm von Verfahrensschritten im Parametrisierungsmodus gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 6A ist eine schematische Darstellung des Vergleichs erfasster Werte für eine Größe mit einer Kontrollwerteverteilung im Kontrollmodus gemäß einer Ausführungsform; und
Fig. 6B ist ein Flussdiagramm von Verfahrensschritten im Kontrollmodus gemäß einer Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gl eich wirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Prozessüberwachungsmoduls 1 gemäß einer Ausführungsform. Das Prozessüberwachungsmodul 1 kann Teil eines Laserbearbeitungssystems 26 mit einem Laserbearbeitungskopf 18 sein, wie in Fig. 2 schematisch gezeigt.
Das Prozessüberwachungsmodul 1 zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses hat eine Sensoreinheit 2 mit mindestens einer Photodiode. Die Sensoreinheit 2 kann eine, zwei, drei, oder mehr Photodioden aufweisen. Dabei können die Photodioden Prozessstrahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erfassen. Prozessstrahlung 10 ist Strahlung, die bei der Laserbearbeitung des Werkstücks entsteht. Prozessstrahlung kann beispielsweise ein Rückreflex und/oder ein Streulicht des Bearbeitungslaserstrahls 28 und/oder thermische Strahlung sein und/oder umfassen. Beispielsweise kann eine erste Photodiode den Rückreflex erfassen, wohingegen eine zweite Photodiode die thermische Strahlung erfassen kann. Die Sensoreinheit 2 erfasst daher die Prozessstrahlung 10 in dem besagten vorgegebenen Wellenlängenbereich oder Bereichen, für den bzw. für die die Photodiode(n) ausgelegt ist bzw. sind, und erzeugt ein entsprechendes Intensitätssignal, das ein Maß für die Intensität oder die Intensität der erfassten Prozessstrahlung 10 darstellt. Durch einen optischen Eingang 7 des Prozessüberwachungsmoduls 1 eingekoppelte Prozessstrahlung 10 wird an einem Strahlteiler 11 zur Sensoreinheit 2 umgelenkt.
Das Prozessüberwachungsmodul 1 weist ferner eine Recheneinheit 3 auf, die eine Auswerteeinheit darstellt oder umfasst. Die Recheneinheit 3 ist eingerichtet, den Laserbearbeitungsprozess basierend auf einer Auswertung des Intensitätssignals zu überwachen. Die Recheneinheit 3 kann als Ein-Platinen-Computer auf Basis einer sogenannten ARM- Architektur realisiert sein.
Die Sensoreinheit 2 und die Recheneinheit 3 sind in Fig. 1 beide vollständig in einem Gehäuse 17 angeordnet. Das Gehäuse 17 kann an einem Laserbearbeitungskopf 18 angeordnet werden oder sein. Dazu kann das Prozessüberwachungsmodul 1 und/oder der Laserbearbeitungskopf 18 ein geeignetes Befestigungssystem aufweisen, beispielsweise Schrauben und/oder Bolzen.
Die Recheneinheit 3 kann eine Recheneinheitsschnittstelle 5 zum Empfangen des Intensitätssignals der Sensoreinheit 2 aufweisen. Das Intensitätssignal muss nicht zwingend der Intensität entsprechen. Es kann auch ein Signal sein, aus welchem die Intensität der Prozessstrahlung berechnet und/oder abgeleitet werden kann, beispielsweise von der Sensoreinheit 2 ausgegebene Spannungs- und/oder Stromwerte.
Das Prozessüberwachungsmodul 1 kann eine Kamera 4 umfassen, die im Gehäuse 17 angeordnet ist. Die Kamera 4 kann eine CCD-Kamera sein, und kann mit der Recheneinheit 3 zur Datenübertragung verbunden sein. Die Kamera 4 kann so im Prozessüberwachungsmodul 1 angeordnet sein, dass sie ein Bild und/oder ein Video von einem Bearbeitungsbereich und dessen Umgebung aufnehmen kann. Die Kamera 4 kann im sichtbaren Wellenlängenbereich empfindlich sein. Die Kamera 4 kann zusätzlich oder alternativ im IR- und/oder UV Wellenlängenbereich empfindlich sein. Das Bild und/oder das Video kann Aufschluss über die Fokuslage und/oder die Position des aus dem Laserbearbeitungskopf 18 austretenden Bearbeitungslaserstrahls 28 auf der Werkstückoberfläche 21 und/oder über erfasste Prozessstrahlung 10 geben. Die Kamera kann das Ausrichten des Prozess- überwachungsmoduls 1 bzw. eines optischen Strahlengangs des Prozessüberwachungs- moduls 1 und/oder einer optischen Achse 23 des Prozessüberwachungsmoduls 1 bezüglich des Laserbearbeitungskopfs 18 unterstützen.
Die optische Achse 23 des Prozessüberwachungsmoduls 1 ist so festgelegt, dass sie zentral durch den optischen Eingang 7 des Prozessüberwachungsmoduls 1 verläuft. Ein Strahlengang der Sensoreinheit 2 bzw. in das Prozessüberwachungsmodul 1 eingekoppelte Prozessstrahlung 10 verläuft zumindest teilweise koaxial oder parallel zur optische Achse 23 des Prozessüberwachungsmoduls 1. Insbesondere verläuft der Strahlengang der Sensoreinheit 2 bzw. in das Prozessüberwachungsmodul 1 eingekoppelte Prozessstrahlung 10 im Bereich des optischen Eingangs 7 des Prozessüberwachungsmoduls 1 koaxial bzw. parallel zur optische Achse 23.
Ferner kann eine Pilotlichtquelle 8 zur besseren Ausrichtung des Prozessüberwachungsmoduls 1 in dem Gehäuse 17 angeordnet sein. Ein Pilotlichtstrahl, insbesondere ein Pilotlaserstrahl 9, wird durch einen Strahlteiler 22 umgelenkt und verläuft zumindest teilweise koaxial oder parallel entlang der optischen Achse 23 durch den optischen Eingang 7 des Prozessüberwachungsmoduls 1, um auf die Werkstückoberfläche 21 gerichtet zu werden. Durch die Kamera 4 kann die Position des Pilotlaserstrahls 9 auf der Werkstückoberfläche abgebildet werden.
Das Prozessüberwachungsmodul 1 weist in Fig. 1 zusätzlich ein optisches Element 6 auf, beispielsweise eine Blende und/oder einen Polarisationsfilter und/oder eine inverse Blende. Das optische Element 6 kann dabei in einer Kassette bzw. in einem Einschub aufgenommen sein. Das optische Element 6 ist vor der Sensoreinheit 2 bzw. vor der Photodiode angeordnet. Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems 26 mit einem Laserbearbeitungskopf 18 und mit dem Prozessüberwachungsmodul 1 gemäß einer Ausführungsform. Bei dem Prozessüberwachungsmodul 1 kann es sich beispielsweise um das Prozessüberwachungsmodul 1 aus Fig.1 handeln.
Das Laserbearbeitungssystem 26 führt einen Bearbeitungslaserstrahl 28 entlang eines dafür vorgesehenen Strahlengangs 32 auf ein Werkstück 20, wobei der Bearbeitungslaserstrahl 28 durch eine erste Optik 29 zunächst kollimiert wird und von einem ersten teil- reflektiven Spiegel 30 oder einem Strahlteiler geführt und mittels einer zweiten Optik 29‘ auf die Werkstückoberfläche 21 fokussiert wird. Optional können zumindest ein zweiter Spiegel 31 im Strahlverlauf angeordnet sein, z.B. zwischen dem ersten Spiegel bzw. Strahlteiler 30 und der zweiten Optik. Der zumindest eine zweite Spiegel 31 kann beweglich sein, um den Bearbeitungslaserstrahl 28 auf eine Vielzahl von Punkten auf dem Werkstück zu richten. Bevorzugt sind zwei bewegliche Spiegel 31 als Scannersystem im Strahlengang des Bearbeitungskopfs angeordnet, um den Bearbeitungslaserstrahl 28 in zwei orthogonalen Richtungen senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Bearbeitungsla- serstrahls28 auszulenken. Mittels des Bearbeitungslaserstrahls 28 wird das Werkstück 20 bearbeitet. Dies kann beispielsweise ein Laserschweißen, ein Laserabtragen, ein Laserlöten, ein Strukturieren und/oder ein Laserschneiden umfassen.
Die Bearbeitung des Werkstücks 20 führt dazu, dass Prozessstrahlung 10 von der Werkstückoberfläche 21 emittiert und/oder reflektiert wird. Diese Prozessstrahlung 10 verläuft zumindest teilweise koaxial entlang des Strahlengangs 32 des Bearbeitungslaserkopfs 18 entgegen der Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls 28. An dem teil-reflektiven Spiegel 30 wird ein Teil der Prozessstrahlung 10 aus dem Strahlengang 32 des Bearbeitungslaserkopfs 18 ausgekoppelt und tritt durch den optischen Eingang 7 in das Prozessüberwachungsmodul 1 ein. Der teil-reflektive Spiegel 30 kann daher als Strahlauskoppler bezeichnet werden.
Der zweite Spiegel 31 kann beweglich angeordnet sein, beispielsweise dreh- bzw. schwenkbar um mindestens eine Drehachse. In diesem Fall kann der Bearbeitungslaserstrahl 28 auf verschiedene Positionen auf der Werkstückoberfläche 21 gelenkt werden, wodurch ein vorbestimmter Pfad abgescannt bzw. abgefahren werden kann. Der zweite Spiegel 31 kann daher einen Teil einer Scanneroptik bzw. Scannereinheit darstellen.
Das Gehäuse 17 des Prozessüberwachungsmoduls 1 ist an dem Laserbearbeitungskopf 18 angeordnet, insbesondere befestigt bzw. fixiert, beispielsweise mittels Schrauben und Gewinde. Hierbei ist das Prozessüberwachungsmodul 1 so in Bezug auf den Laserbearbeitungskopf 18 ausgerichtet, dass aus dem Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs 18 ausgekoppelte Prozessstrahlung 10 koaxial oder parallel zur optischen Achse 23 durch den optischen Eingang des Prozessüberwachungsmoduls 1 eintritt. Durch diese Ausrichtung kann ein Pilotlichtstrahl aus der im Gehäuse 17 angeordneten Pilotlichtquelle 8 vorzugsweise so in den Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs 18 eingekoppelt werden, dass der Pilotlichtstrahl koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl verläuft und auf denselben Punkt auf der Werkstückoberfläche 21 wie der Bearbeitungslaserstrahl trifft.
Das Prozessüberwachungsmodul 1, insbesondere die Recheneinheit 3 des Prozessüberwachungsmoduls 1, kann mit einer Steuerung 19 des Laserbearbeitungskopfs 18 bzw. des Laserbearbeitungssystems 26 über eine Modul Schnittstelle, beispielsweise eine Feldbusschnittstelle, verbunden sein. Diese Verbindung, die kabellos und/oder mittels eines Kabels realisiert sein kann, dient zum einseitigen oder zweiseitigen Datenaustausch. Die Bedienung des Prozessüberwachungsmoduls 1 kann über die Modulschnittstelle erfolgen. Zudem kann das Prozessüberwachungsmodul 1 über die Modulschnittstelle Daten von anderen Sensoren empfangen, wie beispielsweise einem Sensor für Laserleistung oder einer S chutzgl asüb erwachung .
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen eines Verfahrens zur Parametrisierung und Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses mittels des Prozessüberwachungsmoduls 1 beschrieben. Die zuvor beschriebene Recheneinheit 3 des Prozessüberwachungsmoduls 1 kann also eingerichtet sein, jeweils einen nachfolgend beschriebenen Parametrisierungsmodus A und einen Überwachungsmodus B gemäß Ausführungsformen auszuführen. Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 gemäß einer Ausführungsform und Fig. 4A ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zur Parametrisierung in einem Parametrisierungsmodus A und Überwachung in einem Überwachungsmodus B eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß einer Ausführungsform. Fig. 4B ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 150 zum Überwachen eines Laserbearbeitungsprozesses in einem Überwachungsmodus gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 4A zeigt ein Verfahren 100 zum Überwachen eines Laserbearbeitungsprozesses, welches umfasst: Durchführen eines statistischen Parametrisierungsmodus A mit den Schritten: Erfassen 110 von Prozessstrahlung und Erzeugen 120 eines entsprechenden Intensitätssignals für eine Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen; Ermitteln von Werten einer vorgegebenen bzw. zur Prozessüberwachung herangezogenen Größe aus den Intensitätssignalen von der Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen und Vergleichen 130 einer Werteverteilung 24 der Werte dieser Größe mit mindestens einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12; Ermitteln 140 zumindest eines Grenzwerts 13 für diese Größe zur Prozessüberwachung basierend auf einer Benutzervorgabe für eine tolerierte Scheinausschussquote, falls die Werteverteilung 24 der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 unterliegt; und Durchführen 150 eines Überwachungsmodus B durch Auswertung eines Intensitätssignals des Laserbearbeitungsprozesses basierend auf dem im statistischen Parametrisierungsmodus A ermittelten zumindest einen Grenzwert 13.
Im Parametrisierungsmodus A werden also eine Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen durchgeführt. Basierend auf der erfassten Prozessstrahlung 10 während eines jeden Laserbearbeitungsprozess wird ein Intensitätssignal erzeugt und ein Wert einer Größe 16 daraus ermittelt. Eine Werteverteilung 24 der Werte für alle von der Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen wird mit mindestens einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 verglichen. Hierbei kann festgestellt werden, ob die Werteverteilung 24 einer der mindestens einen vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen 12 unterliegt. Falls die Werteverteilung 24 der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 unterliegt, wird basierend auf einer Benutzervorgabe für eine tolerierte Scheinausschussquote Grenzwerte 13 für diese Größe 16 zur Prozessüberwachung ermittelt bzw. berechnet. Solche Grenzwerte 16 werden anschließend in einem Überwachungsmodus B zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses herangezogen. Die Größe 16, die aus dem Intensitätssignal ermittelt wird, kann eine aus dem Intensitätssignal ermittelbare Größe sein, die zur Prozessüberwachung herangezogen bzw. betrachtet bzw. parametrisiert werden soll. Die Größe 16 kann auch als Überwachungsparameter bezeichnet werden. Die betrachtete Größe 16 kann die Intensität selbst, ein Rauschen des Intensitätssignals, ein Integral über Intensitätssignals bzw. das Rauschen des Intensitätssignals oder ein Mittelwert des Intensitätssignals bzw. des Rauschens sein. Durch diesen statistischen Ansatz kann eine aufwendige Parametrisierung des Systems vereinfacht werden.
Grundlage des Verfahrens 100 ist die Annahme, dass die an der Photodiode erzeugten Signale bei einem sich nicht ändernden Laserbearbeitungsprozess einer Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 unterliegen. Beispielsweise kann eine solche Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 eine Normalverteilung sein, wie in Fig. 3 dargestellt. Grundsätzlich sind aber auch andere Wahrscheinlichkeitsverteilungen 12, wie z.B. Poisson, t-Student, usw. anwendbar.
Die Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 ist in Fig. 3 eine Normalverteilungsfunktion mit Mittelwert = 0 und Standardabweichung = 1, wobei eine betrachtete Größe 16, wie beispielsweise die Intensität einer erfassten Prozessstrahlung 10 oder ein Rauschen der Intensität, auf der x-Achse (in beliebiger Einheit) gegen die Häufigkeit des Eintritts 15 auf der y-Achse aufgetragen ist. Bei der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 handelt es sich um eine theoretische Verteilung in Form einer Funktion. Basierend auf dem Vergleich der Werteverteilung 24 mit der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 kann festgestellt werden, ob die Werteverteilung 24 der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 unterliegt. Es können auch mehrere Wahrscheinlichkeitsverteilungen 12 vorgegeben werden, die Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 herausgesucht werden, die am besten zu der Werteverteilung passt, und anschließend der Vergleich durchgeführt werden, ob die Werteverteilung 24 der ausgewählten Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 unterliegt. Im Parametrisierungsmodus A werden für eine definierte Anzahl n von Werkstücken 20 bzw. Bauteilen, die im Wesentlichen identisch sein können, Intensitätssignale bzw. Photodiodensignale entsprechend der erfassten Prozessstrahlung 10 erzeugt und die zu parametrisierenden Größen für jedes Bearbeitungsergebnis, z.B. eine Schweißnaht, des jeweiligen der n Werkstücke 20 ermittelt. Es werden für jedes Bearbeitungsergebnis bzw. für jedes Werkstück 20 ein Wert von mindestens einer Größe, also insgesamt mindestens n Werte, ermittelt. Man erhält also für jede Größe n Werte. Für diese n Werte wird anschließend ein statistischer Test (z.B. Kolmogorov-Smirnov, Shapiro-Wilk Test (insbesondere wenn die Wahrscheinlichkeitsverteilung eine Normal Verteilung ist), Chi-Quadrat Test, o.ä.) durchgeführt, bei welchem geprüft wird, ob das System bzw. die aus der erfassten Prozessstrahlung ermittelte Werteverteilung 24 der angenommenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 unterliegt. Ist dies der Fall, so kann der Benutzer angeben, wieviel Prozent Scheinausschuss akzeptabel ist. Scheinausschuss bedeutet, dass gute Teile, also Gutteile, fälschlicherweise als schlechte Teile, also Schlechtteile bzw. Ausschuss, bewertet werden. Auf dieser Basis werden dann die Grenzwerte 13 für die jeweilige Größe berechnet und im Prozessüberwachungsmodul, beispielsweise in der Recheneinheit 3, hinterlegt.
Die Benutzervorgabe für eine tolerierte Scheinausschussquote kann eine Prozentangabe umfassen und der zumindest eine Grenzwert 13 kann so bestimmt werden, dass ein Anteil einer Fläche 14 zwischen einem Ende der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung und dem zumindest einen Grenzwert 13 an der Gesamtfläche der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 der Prozentangabe entspricht. Wie in Fig. 3 dargestellt, werden zwei Grenzwerte 13 bestimmt, und zwar zu beiden Seiten bzw. an beiden Flanken der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12. Die Grenzwerte 13 können dabei so berechnet werden, dass der Rand oder die jeweiligen Ränder der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 auf einer oder auf beiden Seiten so abgeschnitten sind, dass die abgeschnittene Fläche 14 bzw. das Integral unter der Kurve der abgeschnittenen Ränder der Scheinausschussquote entspricht. Die Werte 16 oder der Wert 16, bei denen oder bei dem die Ränder oder der Rand abgeschnitten ist entspricht den Grenzwerten 13 oder dem Grenzwert 13. Wenn zwei Grenzwerte 13 bestimmt werden, können die beiden Teilflä- chen an den gegenüberliegenden Enden bzw. Flanken der Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 gleich groß gewählt werden. Entspricht die Werteverteilung 24 die vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 nicht in einem vorgegebenen Maß, d.h. liegt die vorgegebene Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 nicht vor, so kann der Benutzer einen Hinweis erhalten, dass der statistische Test nicht bestanden wurde, was darauf hindeuten kann, dass der Laserbearbeitungsprozess instabil ist bzw. im Laufe der Parametrisierung eine Prozessänderung vorgenommen wurde, welche so signifikant ist, dass ein entsprechender Einfluss auf die Werteverteilung 24 vorliegt. Hierdurch kann beispielsweise auch geprüft werden, welche Einflussgrößen (z.B. Material Chargenwechsel, Einstellungen an Schweißlehren, Schutzglaswechsel) entsprechend signifikant auf den Bearbeitungsprozess wirken.
Fig. 5A ist eine schematische Darstellung des Vergleichs einer Werteverteilung 24 von für eine Größe bestimmten Werten mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 im Parametrisierungsmodus A gemäß einer Ausführungsform. Entlang der x-Achse sind fünf Werte der Größe 16 (Punkte unter der x-Achse) gegen deren Häufigkeit 15 aufgetragen. Diese Werteverteilung 24 wird einem statistischen Test unterzogen, bei dem die Werteverteilung 24 mit der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 verglichen wird, indem das Signifikanzniveau D ermittelt wird.
In Fig. 5B wird der Ablauf von möglichen Verfahrensschritten im Parametrisierungsmodus A in einem Flussdiagramm dargestellt. Dabei wird in Schritt 500 statistisch beispielsweise gemäß der Darstellung in Fig. 5 A getestet, ob bei einer Anzahl 1 bis 100 von bearbeiteten Werkstücken (d.h. Teilenummern n=l bis 100) die Werteverteilung 24 in einem vorgegebenen Maß mit der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung 12 übereinstimmt oder nicht. Falls die Übereinstimmung hinreichend ist, so kann der mindestens eine Grenzwert bestimmt werden und der Laserbearbeitungsprozess bzw. die Produktion in Schritt 510 gestartet werden. Falls die Übereinstimmung nicht hinreichend ist, so wird der Laserbearbeitungsprozess bzw. die Produktion in Schritt 520 nicht gestartet und es kann stattdessen eine Warnung und/oder ein Hinweis ausgegeben werden. Nach Ausführen des Parametrisierungsmodus A kann der Überwachungsmodus B folgen, d.h. eine Produktionsüberwachung insbesondere für Laserbearbeitungsprozesse mit denselben Prozessparametern wie für Parametrisierungsmodus.
Fig. 4B ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 150 zum Überwachen eines Laserbearbeitungsprozesses in einem Überwachungsmodus B gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren 150 entspricht dem Durchführen 150 eines Überwachungsmodus B durch Auswerten eines Intensitätssignals eines zu überwachenden Laserbearbeitungsprozesses basierend auf dem im statistischen Parametrisierungsmodus A ermittelten zumindest einen Grenzwert 13. Das Verfahren umfasst Erfassen 151 von Prozessstrahlung und Erzeugen
152 eines entsprechenden Intensitätssignals für den Laserbearbeitungsprozess, Ermitteln
153 eines Wertes für die zu betrachtende Größe bzw. für den Überwachungsparameter 16 und Klassifizieren 154 des Laserbearbeitungsprozesses bzw. des entsprechenden Bearbeitungsergebnisses, z.B. einer Schweißnaht, als „gut“ oder „schlecht“ basierend auf dem im statistischen Parametrisierungsmodus A ermittelten zumindest einen Grenzwert 13. Beispielsweise kann das Bearbeitungsergebnis als „schlecht“ bzw. als Ausschuss bewertet werden, wenn der dazugehörige Wert den Grenzwert 13 über- bzw. unterschreitet.
Vorzugsweise verfügt das Prozessüberwachungsmodul 1 ferner über die Funktionalität eines Kontrollmodus, wobei in der laufenden Produktion eine aktuelle Werteverteilung 24 mit einer Referenzverteilung 25, welche typischerweise bei der Parametrisierung, also im Parametrisierungsmodus A aufgenommen wurde, verglichen wird. Mit anderen Worten kann als Referenzverteilung 25 die im Parametrisierungsmodus A aufgenommene Werteverteilung verwendet werden. Der Vergleich der aktuellen Werteverteilung 24 mit der Referenzverteilung 25 kann ebenfalls mit einem Kolmogorov-Smirnov-Test, Shapiro- Wilk Test (insbesondere wenn die Wahrscheinlichkeitsverteilung eine Normalverteilung ist), Chi-Quadrat Test, o.ä., erfolgen. Hierdurch erhält der Benutzer einen Hinweis, wie stark sich der Laserbearbeitungsprozess über einen Zeitraum verändert hat bzw. ob der Laserbearbeitungsprozess instabil geworden ist. Hierzu können entsprechende Grenzwerte hinterlegt werden, bei denen das Prozessüberwachungsmodul 1 und/oder das Laserbearbeitungssystem 26 Warnungen herausgibt. Beispielsweise kann das Signifikanzniveau verwendet werden, wie in Fig. 6A gezeigt. Der Kontrollmodus kann periodisch durchgeführt werden, beispielsweise in einem vorgegebenen Zeitintervall oder nach einer vorgegebenen Anzahl von Laserbearbeitungsprozessen oder Werkstücken.
Fig. 6A ist eine schematische Darstellung des Vergleichs einer aktuellen Werteverteilung 24, beispielsweise für Werkstücke bzw. Teilenummern 1001 bis 1100, für die betrachtete Größe 16 mit einer Kontrollwerteverteilung 25 im Kontrollmodus. Entlang der x-Achse sind vier Werte der Größe 16 (kleinere Punkte auf der Linie unter der x-Achse) gegen deren Häufigkeit 15 aufgetragen. Diese Werteverteilung 24 wird durch einen statistischen Test mit der Kontrollwerteverteilung 25 (größere Punkte unter der x-Achse) verglichen, indem das Signifikanzniveau D ermittelt wird.
In Fig. 6B wird der Ablauf von möglichen Verfahrensschritten im Referenzmodus in einem Flussdiagramm dargestellt. Dabei wird in Schritt 600 statistisch beispielsweise gemäß der Darstellung in Fig. 6A getestet, ob die Werteverteilung 24 für eine Anzahl von 1001 bis zu etwa 1100 bearbeiteten Werkstücken in einem vorgegebenen Maß mit der Referenzverteilung 25 übereinstimmt oder nicht. Beispielsweise kann so überprüft werden, ob die Werteverteilung für Werkstücke bzw. Teile mit Teilenummern 1001 bis 1100 mit der Werteverteilung für Werkstücke bzw. Teile mit Teilenummern 1 bis 100 übereinstimmt. Auf diese Weise kann die Prozessstabilität geprüft werden. Falls eine Übereinstimmung hinreichend ist, so kann der Laserbearbeitungsprozess bzw. die Produktion in Schritt 610 fortgeführt werden. Falls eine Übereinstimmung nicht hinreichend ist, so wird der Laserbearbeitungsprozess bzw. die Produktion in Schritt 620 nicht fortgeführt und/oder es wird eine Warnung bzw. ein Hinweis ausgegeben.
Vorzugsweise verfügt das Prozessüberwachungsmodul 1 ferner über die Funktionalität eines Referenzierungsmodus. Hierzu sind Daten einer Vielzahl von definierten Referenz- Laserbearbeitungsprozessen, wie z.B. Referenzschweißungen, hinterlegt. Diese Daten können beispielsweise bei der Inbetriebnahme des Laserbearbeitungsprozesses aufgenommen werden. Durch eine Wiederholung der Laserbearbeitung unter den vorgegebenen Parametern des Referenz-Laserbearbeitungsprozesses kann geprüft werden, ob sich das Laserbearbeitungssystem 26 oder die gesamte Anlage, z.B. die Schweißanlage selbst verändert hat. Mit Hilfe der beschriebenen Methoden zur statistischen Prozessüberwachung lassen sich grundsätzlich auch Prozesse auf zwei separaten Anlagen und/oder Laserbearbeitungssystemen miteinander vergleichen. Hierfür können die Daten an einer zentralen Stelle zusammenkonsolidiert werden.
Durch den reduzierten Aufbau des Prozessüberwachungsmodul kann eine deutliche Kostenreduktion erzielt werden. Die Integration mehrerer Funktionen in ein gemeinsames Gehäuse wirkt sich dabei nicht nur günstig auf die Kosten aus, sondern ermöglicht einen kompakten, einfachen und flexiblen Aufbau eines Laserbearbeitungskopfs mit integrierter Prozessüberwachung, welcher ggf. auch bereits fertig justiert ausgeliefert werden kann.
Die statistische, weitgehend automatisierte Parametrisierung des Laserbearbeitungssystems eröffnet in effizienter Weise die Möglichkeit, über eine Veränderung der Werteverteilung frühzeitig zu erkennen, ob ein Laserbearbeitungsprozess instabil wird. Dies schafft eine effiziente und kostengünstige Kontrollmöglichkeit zur periodischen Prüfung der Anlage. Das zur statistischen Parametrisierung eingerichtete Prozessüberwachungsmodul erlaubt daher einem Benutzer, einen Laserbearbeitungsprozess effizient zu überwachen. Insbesondere kann die Zuordnung der Laserbearbeitungsprozesse bzw. der Bearbeitungsergebnisse basierend auf den entsprechenden Intensitätssignalen in Gut- oder Schlechtteile unter geringem Aufwand erfolgen. Darüber hinaus wird eine Inbetriebnahme deutlich verkürzt und eine Bedienungskomplexität durch die einfache und automatisierte Auswertung signifikant reduziert. Durch die Prozessüberwachung kann der Ausschuss reduziert und hierdurch die Umwelt entlastet werden. Die Einhaltung der geforderten Produktspezifikationen kann mit höherer Sicherheit gewährleistet werden.
Bezugszeichen
1 Prozessüberwachungsmodul
2 Sensoreinheit mit Photodiode
3 Recheneinheit
4 Kamera Recheneinheitsschnittstelle zum Empfangen der Intensitätswerte
Optisches Element, insbesondere Blende und/oder Polarisationsfilter
Optischer Eingang
Pilotlaser
Pilotlaserstrahl
Prozessstrahlung
Strahlteiler
Vorgab everteilung bzw. vorgegebene Wahrscheinlichkeitsverteilung
Vorbestimmte(r) Grenzwert/e
Integrierte Fläche y- Achse: Häufigkeit x-Achse: betrachtete Größe
Gehäuse
Laserbearbeitungskopf
Steuerung des Laserbearbeitungskopfes
Werkstück
W erkstückoberfl äche
Ausrichteinheit
Gemeinsame koaxiale Achse der Photodiode bzw. Sensoreinheit und der Pilotlichtquelle
Aus der erfassten Prozessstrahlung ermittelte und/oder erzeugte Werte einer Größe oder Werteverteilung
Aus der erfassten Prozessstrahlung eines Referenzprozesses ermittelte und/oder erzeugte Referenzwerte einer Größe oder Kontrollwerteverteilung Laserbearbeitungssystem
Bearbeitungslaserstrahl , 29‘ Erste Linse, zweite Linse
Teil-reflektiver Spiegel
Spiegel
Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls 100 Verfahren zum Parametrisieren von mindestens einem Laserbearbeitungsprozess eines Laserbearbeitungskopfes an einer Mehrzahl von Werkstücken mittels einem Prozessüberwachungsmodul
110 Erfassen von Prozessstrahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich
120 Erzeugen eines entsprechenden Intensitätssignals für eine Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen
130 Vergleichen einer Werteverteilung von Werten einer Größe, die aus den Intensitätssignalen von der Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen ermittelt werden bzw. wurden, mit mindestens einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung
140 Ermitteln zumindest eines Grenzwerts für diese Größe zur Prozessüberwachung basierend auf einer Benutzervorgabe für eine tolerierte Scheinausschussquote, falls die Werteverteilung der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung unterliegt
150 Durchführen eines Überwachungsmodus durch Auswertung eines Intensitätssignals des Laserbearbeitungsprozesses basierend auf dem im statistischen Parametrisierungsmodus ermittelten zumindest einen Grenzwert
151-154 Verfahrensschritte des Überwachungsmodus
500-520 Verfahrensschritte im Parametrisierungsmodus
600-620 Verfahrensschritte im Überwachungssmodus
A Parametrisierungsmodus
B Überwachungsmodus
D Signifikanzniveau x, y, z Drei zueinander orthogonale Raumrichtungen

Claims

38 Patentansprüche
1. Prozessüberwachungsmodul (1) zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses wobei das Prozessüberwachungsmodul (1) umfasst: eine Sensoreinheit (2) mit mindestens einer Photodiode zum Erfassen von Prozessstrahlung (10) in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich und Erzeugen eines entsprechenden Intensitätssignals; eine Recheneinheit (3), die eingerichtet ist, einen Laserbearbeitungsprozess basierend auf einer Auswertung des Intensitätssignals zu überwachen; und ein Gehäuse (17); wobei die Sensoreinheit (2) und die Recheneinheit (3) in dem Gehäuse (17) angeordnet sind.
2. Prozessüberwachungsmodul (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Recheneinheit (3) einen Einplatinencomputer und/oder einen ARM-Mikroprozessor umfasst oder daraus besteht.
3. Prozessüberwachungsmodul (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Prozessüberwachungsmodul eine Modulschnittstelle (7), insbesondere eine Feldbusschnittstelle, aufweist, um Daten an eine Steuerung (19) des Laserbearbeitungskopfes (18) zu senden und/oder Daten von der Steuerung (19) des Laserbearbeitungskopfes (18) zu empfangen, und/oder um Daten von weiteren Sensoren und/oder Einheiten des Laserbearbeitungskopfes (18) zu empfangen und/oder an diese zu senden.
4. Prozessüberwachungsmodul (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Kamera (4) zum Erfassen eines Bildes von einer Werkstückoberfläche (21) und/oder von einem Bearbeitungspunkt, wobei die Kamera (4) im Gehäuse (17) angeordnet ist; und/oder eine Pilotlichtquelle (8) zum Einstrahlen eines Pilotlichtstrahls (9), wobei die Pilotlichtquelle (8) im Gehäuse (17) angeordnet ist. 39
5. Prozessüberwachungsmodul (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Ausrichteinheit (22) zum Koppeln des Prozessüberwachungsmoduls (1) an den Laserbearbeitungskopf (18) und zum Ausrichten des Prozessüberwachungsmoduls (1) in Bezug auf den Laserbearbeitungskopf (18) in mindestens einer von drei orthogonalen Raumrichtungen (x, y, z).
6. Prozessüberwachungsmodul (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (2) mehrere Photodioden umfasst, die für verschiedene Wellenlängenbereiche empfindlich sind, und/oder zumindest eine Zwei-Zonen-Photodiode umfasst, die eingerichtet ist, zwei verschiedene Wellenlängenbereiche separat zu erfassen.
7. Prozessüberwachungsmodul (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 4 bis 7, wobei optische Achsen (23) von zumindest zwei aus der Gruppe umfassend die Sensoreinheit (2), die mindestens eine Photodiode, die Kamera (4) und die Pilotlichtquelle (8) zumindest teilweise koaxial im Gehäuse (17) verlaufen.
8. Prozessüberwachungsmodul (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (2) eingerichtet ist, eine Plasmastrahlung, einen Laserrückreflex und/oder eine thermische Strahlung als Prozessstrahlung (10) zu erfassen.
9. Prozessüberwachungsmodul (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (3) eingerichtet ist, für die Auswertung des Intensitätssignals einen statistischen Parametrisierungsmodus durchzuführen, in dem die Recheneinheit (3) eine Werteverteilung von Werten (24) eines Überwachungsparameters (16), die durch die Recheneinheit (3) aus Intensitätssignalen von einer Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen ermittelt wurden, mit mindestens einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung (12) vergleicht und basierend auf einer Benutzervorgabe für eine tolerierte Scheinausschussquote zumindest einen Grenzwert (13) für diesen Überwachungsparameters (16) zur Prozessüberwachung ermittelt, falls die Werteverteilung (24) der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung (12) unterliegt. 40
10. Prozessüberwachungsmodul (1) gemäß Anspruch 9, wobei die Recheneinheit (3) eingerichtet ist, die Werteverteilung (24) mit der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung (12) mit Hilfe eines statistischen Tests, insbesondere dem Kolmogorov-Smirnov Test, dem Shapiro-Wilk Test (insbesondere wenn die Wahrscheinlichkeitsverteilung eine Normalverteilung ist), dem Chi-Quadrat Test, o.ä., zu vergleichen und festzustellen, ob die Werteverteilung (24) der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung (12) unterliegt.
11. Prozessüberwachungsmodul (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (3) eingerichtet ist, für die Auswertung des Intensitätssignals einen Kontrollmodus durchzuführen, in dem die Recheneinheit (3) eine aktuelle Werteverteilung (24) von Werten eines Überwachungsparameters (16), die durch die Recheneinheit (3) aus Intensitätssignalen von einer Vielzahl von Laserbearbeitungsprozessen ermittelt wurden, mit mindestens einer vorgegebenen Kontrollwerteverteilung (25) vergleicht, um eine Prozessänderung und/oder eine Prozessinstabilität festzustellen.
12. Prozessüberwachungsmodul (1) nach Anspruch 11, wobei die Recheneinheit (3) eingerichtet ist, ein Ausmaß einer Abweichung der aktuellen Werteverteilung (24) von der Referenzwerteverteilung (25) basierend auf einem statistischen Test, insbesondere dem Kolmogorov-Smirnov Test, zu ermitteln.
13. Laserbearbeitungssystem (26) zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozess, umfassend: einen Laserbearbeitungskopf (18) zum Einstrahlen eines Bearbeitungslaserstrahls auf ein Werkstück (20) zum Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses; und ein Prozessüberwachungsmodul (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; wobei der Laserbearbeitungskopf (18) einen optischen Ausgang und einen Strahlauskoppler (30) zum Auskoppeln von Prozessstrahlung (10) durch den optischen Ausgang aus dem Laserbearbeitungskopf (18) umfasst, und wobei das Prozessüberwachungsmodul (1) so an dem Laserbearbeitungskopf (18) befestigt ist, dass die ausgekoppelte Prozessstrahlung (10) durch einen optischen Eingang des Prozessüberwachungsmoduls (1) zur Sensoreinheit (2) gelangt.
14. Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, umfassend:
Erfassen von Prozessstrahlung (10) in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich und Erzeugen eines entsprechenden Intensitätssignals durch eine Sensoreinheit (2) mit mindestens einer Photodiode zum Überwachen des Laserbearbeitungsprozesses in einem Überwachungsmodus, wobei das erfasste Intensitätssignal des zu überwachenden Laserbearbeitungsprozesses basierend auf zumindest einem statistisch ermittelten Grenzwert (13) für einen vorgegebenen Überwachungsparameter (16) ausgewertet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Überwachungsparameter (16) eine Eigenschaft eines Intensitätssignals umfasst.
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