DE10103255A1 - Verfahren zur automatischen Beurteilung von Laserbearbeitungsprozessen - Google Patents
Verfahren zur automatischen Beurteilung von LaserbearbeitungsprozessenInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatishen Beurteilung von Laserbearbeitungsprozessen, bei dem die Prozesse mittels einer Kamera (4) mit hohem Dynamikbereich hinsichtlich Strahlungsdichte und Aufnahmegeschwindigkeit aufgezeichnet und mittels Bildverarbeitung auf der Grundlage von Referenzdaten weiterverarbeitet werden. Eine gleichbleibend zuverlässige automatische Beurteilung wird dadurch sichergestellt, dass die Referenzdaten während oder am Ende des Prozesses aus den Aufzeichnungen gewonnen werden und dass in einem weiteren Schritt während des Prozesses aufgenommene Prozessdaten den Referenzdaten gegenübergestellt werden und daraus der Prozess beurteilt wird (Fig. 1).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen Beurteilung von
Laserbearbeitungsprozessen, bei dem die Prozesse mittels einer Kamera mit
hohem Dynamikbereich hinsichtlich Strahlungsdichte und Aufnahmegeschwin
digkeit aufgezeichnet und mittels Bildverarbeitung auf der Grundlage von Refe
renzdaten weiterverarbeitet werden.
Bei einem in der DE 197 16 293 C2 angegebenen derartigen Verfahren wird bei
einem Laserschweißprozess der Schmelzbereich des Werkstückmaterials mittels
einer Kamera aufgezeichnet und aufgrund geometrischer Daten mittels Bildver
arbeitung der Schweißprozess geregelt. Zur Datenverarbeitung werden dabei in
der Bildverarbeitungseinrichtung als Tabellenwerte abgespeicherte Referenzdaten
zugrundegelegt, die einen derartigen Prozess beschreibende Standardwerte
darstellen.
Bei anderen bisher bekannten standardmäßigen Verfahren werden optische, ein
dimensionale Sensoren, wie Fotodioden oder Pyrometer zur Prozessüberwa
chung eingesetzt.
Der Übergang auf zweidimensionale Sensoren bzw. Kameras mit derartigen Sen
soren war bisher mit folgenden Schwierigkeiten verknüpft: geringe Aufnahme-
und Verarbeitungsgeschwindigkeit wegen der größeren Datenmenge, die ein
Bildsensor gegenüber einem einzelnen Sensorelement liefern kann, und nicht
ausreichende Dynamik hinsichtlich der zu verarbeitenden Strahldichte- bzw.
Leuchtdichteunterschiede überforderten die bisher verfügbaren Flächen
sensoren. So zeigen übliche CCD-Kameras schon bei wesentlich geringeren
Strahldichteunterschieden als beim Laserschweißen deutliche Überstrahlungs
effekte, die die gesuchte Information verdecken.
So existiert bisher beispielsweise zum Erkennen von Schmelzspritzern beim La
serschweißen oder auch beim Laserbohren noch kein zuverlässiges automati
sches Verfahren. Gründe hierfür sind, dass Schmelzspritzer aufgrund der Tem
peraturstrahlung des flüssigen Metalls im nahen Infrarot strahlen, wobei die
Strahlstärke des von den Spritzern ausgehenden Signals im Vergleich zu der
Strahlstärke des Schweißprozesses aber um ein Vielfaches geringer ist. Bei ein
dimensionalen Sensoren überdecken die Strahlungseffekte die Spritzersignale.
Zudem sind Spritzer sehr schnell. Sie entstehen in weniger als einer ms und
fliegen mit Geschwindigkeiten der Größenordnung von 1 m/s. Damit ist es für
normale bildgebende Sensoren sehr schwer diese Ereignisse festzuhalten. Hinzu
kommen Nachteile, die sich aus der Art der Verarbeitung der aufgezeichneten
Prozessdaten ergeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten
Art bereitzustellen, mit dem eine zuverlässige automatische Beurteilung von La
serbearbeitungsprozessen erreicht wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist
vorgesehen, dass die Referenzdaten während oder am Ende des Prozesses aus
den Aufzeichnungen gewonnen werden und dass in einem weiteren Schritt wäh
rend des Prozesses aufgenommene Prozessdaten den Referenzdaten gegen
übergestellt werden und daraus der Prozess beurteilt wird.
Durch die Herleitung der Referenzdaten aus dem jeweiligen aktuellen Bearbei
tungsprozess sind diese mit dem jeweiligen Prozess unmittelbar verknüpft und
für ihn charakteristisch. Chargenabhängige Abweichungen wirken sich nicht ver
fälschend aus. Werden nun die aufgenommenen Prozessdaten den so gewonne
nen Referenzdaten gegenübergestellt und auf dieser Basis der Prozess beurteilt,
so lassen sich zuverlässige Aussagen stets gleich hoher Güte erzielen. Auch sind
durch die automatische Beurteilung Fehlbeurteilungen ausgeschlossen, wie sie
etwa durch einen ermüdeten menschlichen Betrachter zustande kommen kön
nen.
Verschiedene Beurteilungskriterien ergeben sich daraus, dass die Referenz- und
die Prozessdaten Zeit-, und/oder ortsaufgelöst erfasst werden.
Die Zuverlässigkeit der Diagnose des Prozesses wird dadurch begünstigt, dass
aus der Gegenüberstellung von Prozess- und Referenzdaten Merkmale gewonnen
werden.
Mit den Maßnahmen, dass als Merkmale allgemeine, mit der Kamera und der
Bildverarbeitung erfassbare Merkmale oder für eine bestimmte Messaufgabe spe
zifische Merkmale extrahiert werden, wird bei Erfassen der allgemeinen Merk
male eine große Merkmalsmenge erhalten, die vielfältige Auswertemöglichkeiten
bietet, um z. B. unterschiedliche Fragestellungen getrennt behandeln und be
urteilen zu können. Werden andererseits bereits auf dieser Stufe der Ver
arbeitung spezifische Merkmale für eine bestimmte Messaufgabe extrahiert, so
ergibt sich eine Datenreduktion, die z. B. sinnvoll sein kann, wenn es von
vornherein lediglich auf die Beurteilung nur einer bestimmten, eindeutig
beschreibbaren Prozesseigenschaft ankommt.
Ist vorgesehen, dass für eine bestimmte Messaufgabe aus der Menge der all
gemeinen Merkmale spezifische Merkmale für die Beurteilung herangezogen
werden, so lassen sich aufgrund der gewonnenen allgemeinen Merkmale ein
oder mehrere verschiedene Prozesseigenschaften beurteilen.
Eine zuverlässige Unterscheidung der Ausprägungen der jeweiligen Merkmale
ergibt sich dadurch, dass die hohe Dynamik der Kamera hinsichtlich Aufnahme
geschwindigkeit und/oder Strahlungsdichte ausgenutzt wird, um die Ausprägung
der allgemeinen und/oder der spezifischen Merkmale festzustellen. Beispiels
weise kann aufgrund der mit hoher Dynamik erfassten Strahlungsdichte zuver
lässig unterschieden werden, ob bei einem Laserschweißprozess unerwünschte
Spritzer aufgetreten sind oder nicht. Dabei kann auch die hohe Dynamik hin
sichtlich der Aufnahmegeschwindigkeit genutzt werden, wobei zur Verbesserung
der Zuverlässigkeit auch eine kombinierte Auswertung von Strahlungsdichte und
Geschwindigkeit vorgenommen werden kann.
Für die Zuverlässigkeit einer Beurteilung ist auch vorteilhaft, dass die
Ausprägung der spezifischen Merkmale für eine automatisierte Beurteilung eines
Fertigungsprozesses herangezogen wird.
Bei in sich gleichmäßigen Prozessen ist es in der Regel günstig, die Refe
renzdaten lediglich aus dem jeweiligen Prozess zu gewinnen, da dann eine char
genunabhängige Beurteilung erzielt wird. Sind aber einzelne Prozesse relativ
instationär, so kann es bei an sich ähnlichen Prozessen günstig sein, dass zur
Bildung der Referenzdaten zusätzlich weitere Prozesse herangezogen werden.
Hierdurch können Einzelstörungen innerhalb der Prozesse beim Gewinnen der
Referenzdaten kompensiert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Be
zugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur automatischen Be
urteilung von Laserschweißprozessen in schematischer Darstellung,
Fig. 2A und Fig. 2B Diagramme von (z. B.) Strahldichteverläufen über Einzelbildern
während der Aufzeichnung eines Laserschweißprozesses.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 1 zur automatischen Beurteilung von
Laserschweißprozessen weist ein Schweiß-Bearbeitungskopf 2 einen Zuführ
zweig 2.2 für den Laserstrahl, einen Bearbeitungszweig 2.1, über den der La
serstrahl zu einem Werkstück 3 geführt wird, sowie einen Beobachtungszweig
2.3 auf, der zu einer Kamera 4 mit einem Bildsensor 4.1 führt. Die Kamera 4 ist
über eine Anschlussleitung 6, beispielsweise einen Duplex-Lichtwellenleiter mit
einer Bildverarbeitungseinrichtung 5 in Form eines Bildverarbeitungs-PCs ver
bunden.
Der Laserstrahl gelangt über einen Lichtwellenleiter LWL in den Zuführzweig 2.2,
in dem sich eine Kollimationslinse 2.21 befindet, und wird an einem an dessen
Ende angeordneten Strahlteiler 2.4 in den Bearbeitungszweig 2.1 über eine
Fokussierlinse 2.11 und ein Schutzglas 2.12 zu dem Werkstück 3 geführt. Von
dem Werkstück 3 gelangt beim Schweißprozess entstehende Strahlung über den
Bearbeitungszweig 2.1 und den Strahlteiler 2.4 in den Beobachtungszweig 2.3,
in dem ein Filter 2.31 und eine Linse 2.32 angeordnet sind, auf den Bildsensor
4.1 der Kamera 4. Die elektronischen Bildsignale des Bildsensors 4.1 werden
über die Anschlussleitung 6 der Bildverarbeitungseinrichtung 5 zur Weiterverar
beitung zugeführt.
Wie die Fig. 2A, 2B zeigen, ergeben sich während eines Schweißprozesses mit
einem Schweißvorgang CW Schwankungen in der Strahldichte, die zum Teil
hohe Spitzen aufweisen. Während eines Einschwingvorgangs EV treten derartige
Spitzen z. B. beim Herstellen von Heftpunkten HP auf. Beim anschließenden Start
LA des Lasers für den Schweißvorgang CW entsteht abermals eine hohe Strahl
dichte-Spitze. Tritt ein Spritzer SP auf, so zeigt sich dieser durch einen weiteren
Strahldichte-Impuls, wogegen die Schwankungen der Strahldichte während des
eigentlichen Schweißvorgangs CW relativ gering sind und deutlich unterhalb
eines Schwellwerts SW liegen. Der Schweißvorgang CW endet beim Stop LE
des Lasers.
Die Kamera ist zur Verarbeitung der hohen Strahldichteunterschiede und schnel
len zeitlichen Vorgänge mit einer hohen Dynamik hinsichtlich Strahldichte und
Aufzeichnungsgeschwindigkeit ausgestattet und vorzugsweise als logarith
mische CMOS-Kamera aufgebaut, die eine relativ hohe Empfindlichkeit bei niedri
geren Strahldichten und eine abnehmende Empfindlichkeit bei hohen Strahl
dichten aufweist. Auch einer solchen logarithmischen Kennlinie angenäherte,
z. B. stückweise lineare Dynamikverläufe kommen in Frage. Die CMOS-Kamera
mit hoher Dynamik kann je nach Modell z. B. bis zu 100 Vollbilder pro Sekunde
liefern. Als CMOS-Kamera ermöglicht sie auch einen wahlfreien Zugriff auf
Unterbereiche des flächenhaften Bildsensors 4.1. Dadurch werden entsprechend
der kleineren Bildpunkteanzahl weniger Daten ausgelesen. Bei einer gleichblei
benden Datenübertragungsgeschwindigkeit bedeutet dies, dass mehr dieser Teil
bilder übertragen werden können. So sind Bildraten von bis zu 8000 Teilbilder
pro Sekunde realisierbar.
Zusätzlich wird die Bildverarbeitungsgeschwindigkeit erhöht, indem nur der Be
reich ausgelesen wird, der auch Informationen enthält, so dass die Bildverarbei
tung nicht selbst den interessierenden Bereich finden muss.
Jeder einzelne Bildpunkt empfängt das einfallende Lichtsignal mit logarithmischer
Empfindlichkeit. Dabei werden sehr helle Signale stärker gedämpft als weniger
helle. Damit kann innerhalb der z. B. 1.024 möglichen Helligkeitsstufen eine sehr
große Strahldichtedynamik bzw. Leuchtdichtedynamik erfasst werden. Über
strahlungseffekte wie etwa bei einer üblichen CCD-Kamera werden vermieden.
Während der Schweißung bewegt sich das Werkstück 3 relativ zu dem Laser-
Bearbeitungskopf bzw. Schweiß-Bearbeitungskopf 2. Die logarithmische CMOS-
Kamera 4 beobachtet den Laserschweißprozess entweder auf der Achse des La
serstrahls entsprechend Fig. 1 oder unter einem Winkel von der Seite. Für die
Beobachtung des Prozesses auf der Laserstrahlachse ist der Strahlteiler 2.4 er
forderlich. Bei dem hier dargestellten Bearbeitungskopf 2 reflektiert der Strahl
teiler 4 den Laserstrahl, ist aber für alle anderen Wellenlängen durchlässig. So
kann das von dem Prozess ausgestrahlte Licht durch den Strahlteiler 4 hindurch
auf den logarithmischen CMOS-Bildsensor 4.1 der Kamera 4 fallen. Auf dem
Weg dorthin passiert das Prozesslicht Filter 2.31, die z. B. das Licht der Spritzer
hindurchlassen aber andere Wellenlängen abschwächen, und die Linse 2.12, mit
der der Abbildungsmaßstab und damit das Blickfeld festgelegt werden kann.
Die Auswertung der Bilddaten, die während des Prozesses aufgezeichnet wer
den, erfolgt in der Bildverarbeitungseinrichtung 5 in Form eines Rechners bzw.
PCs. Je nach Umfang der Überwachungs- bzw. Beurteilungsaufgabe beginnt die
Auswertung der aufgenommenen Bilder entweder schon während oder nach
Ende der Aufzeichnung des Prozesses. Am Ende der Auswertung werden auf
grund der Bildverarbeitung, die mit programmierten Algorithmen durchführbar
und entsprechend einer jeweiligen Aufgabenstellung anpassbar ist, direkt die Er
gebnisse der Beurteilung auf dem Bildschirm und/oder einem Schreiber angezeigt
und können gewünschtenfalls auch akustisch signalisiert werden. Zur Herleitung
des Ergebnisses werden zur Beurteilung von Spritzern beispielsweise die stark
unterschiedlichen Strahldichtewerte in bestimmten Bildbereichen und/oder deren
Abstände und/oder Abstandsänderungen zwischen verschiedenen Aufzeichnun
gen herangezogen. Über eine Schnittstelle zur Maschinensteuerung (SPS) 7
können erkannte Schlechtteile automatisch ausgeschleust werden.
Auf der Basis von Referenzdaten, die während oder am Ende eines Prozesses
entweder direkt aus den Aufzeichnungen erfasst oder durch statistische Aus
wertungen gewonnen werden, werden ebenfalls während des Prozesses oder
am Ende des Prozesses hergeleitete Prozessdaten bewertet. Weiterhin werden
aus der Bildverarbeitung allgemein erkennbare Merkmale ermittelt, die Aussagen
hinsichtlich verschiedener Aufgabenstellungen zulassen. Auch können anstelle
der allgemeinen Merkmale schon für eine bestimmte Aufgabenstellung spezifi
sche Merkmale oder aus den zunächst gewonnenen allgemeinen Merkmalen für
eine bestimmte Aufgabenstellung spezifische Merkmale ermittelt werden. Die
Gewinnung der allgemeinen Merkmale lässt es zu, aus diesen für unterschied
liche Aufgabenstellungen jeweils charakteristische spezifische Merkmale als Un
termenge zu entnehmen, um bestimmte Prozesseigenschaften, wie z. B. die
Spritzerbildung beim Schweißprozess, Spritzer beim Laserbohren oder Instabili
täten beim Laserbohren zu erkennen. Die hohe Dynamik hinsichtlich der Strahl
dichte und Aufnahmegeschwindigkeit lässt es dabei zu, die Ausprägungen der
einzelnen Merkmale, wie etwa Strahldichte, Größe, Anzahl, Kontur, Bewegungs
charakteristik, zu erfassen und eine hohe Zuverlässigkeit der Beurteilung mittels
statistischer Auswertung zu erzielen. Aufwendige Bildverarbeitungsschritte
können eingespart werden. Beispielsweise ergibt sich durch die hohe Dynamik
ein großer Abstand einer Merkmalsausprägung gegenüber der Schwelle SW bei
nicht vorhandener Spritzerbildung gegenüber einer auftretenden Spritzerbildung.
Mit der beschriebenen Vorgehensweise ergeben sich neben einer gleichbleibend
zuverlässigen Beurteilung eines Bearbeitungsergebnisses auch erhebliche Kos
teneinsparungen in der Produktion sowie eine flexible Anpassbarkeit an unter
schiedliche Aufgabenstellungen, da die Auswerteverfahren über die Software
auf die jeweilige Aufgabenstellung zugeschnitten werden können.
Claims (8)
1. Verfahren zur automatischen Beurteilung von Laserbearbeitungsprozes
sen, bei dem die Prozesse mittels einer Kamera (4) mit hohem Dynamik
bereich hinsichtlich Strahlungsdichte und Aufnahmegeschwindigkeit
aufgezeichnet und mittels Bildverarbeitung auf der Grundlage von
Referenzdaten weiterverarbeitet werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Referenzdaten während oder am Ende des Prozesses aus den Aufzeichnungen gewonnen werden und
dass in einem weiteren Schritt während des Prozesses aufgenommene Prozessdaten den Referenzdaten gegenübergestellt werden und daraus der Prozess beurteilt wird.
dass die Referenzdaten während oder am Ende des Prozesses aus den Aufzeichnungen gewonnen werden und
dass in einem weiteren Schritt während des Prozesses aufgenommene Prozessdaten den Referenzdaten gegenübergestellt werden und daraus der Prozess beurteilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Referenz- und die Prozessdaten Zeit-, und/oder ortsaufgelöst er
fasst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus der Gegenüberstellung von Prozess- und Referenzdaten Merk
male gewonnen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Merkmale allgemeine, mit der Kamera (4) und der Bildverarbei
tung erfassbare Merkmale oder für eine bestimmte Messaufgabe spezi
fische Merkmale extrahiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass für eine bestimmte Messaufgabe aus der Menge der allgemeinen
Merkmale spezifische Merkmale für die Beurteilung herangezogen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die hohe Dynamik der Kamera (4) hinsichtlich Aufnahmegeschwin
digkeit und/oder Strahlungsdichte ausgenutzt wird, um die Ausprägung
der allgemeinen und/oder der spezifischen Merkmale festzustellen.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausprägung der spezifischen Merkmale für eine automatisierte
Beurteilung eines Fertigungsprozesses herangezogen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bildung der Referenzdaten zusätzlich weitere Prozesse herange
zogen werden.
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