DE19618045C2 - Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bear­ beiten von Werkstücken mit Laserstrahlung, bei dem ein be­ strahlter Bearbeitungsbereich des Werkstücks meßtechnisch überwacht wird und mit den daraus herrührenden Meßsignalen Antwortsignale bestimmt werden, bei dem eine Modulation eines Verfahrensparameters mit einer aus einem Frequenzintervall ausgewählten Anregungsfrequenz vorgenommen wird, bei der die Überschreitung eines Prozeßzustands über eine vorbestimmte Grenze hinaus vermieden wird, und bei dem mit den Antwortsig­ nalen eine Regelung des Prozeßzustands durchgeführt wird.

Ein Verfahren mit den vorgenannten Bearbeitungsschritten ist aus der DE 39 26 540 C2 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird der bestrahlte Bearbeitungsbereich mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht abgedeckt. Die Modulation des Verfahrensparameters, nämlich der Laserstrahlungslei­ stung, führt zu einer Änderung der Oberflächentemperatur der Beschichtung des Werkstücks, nicht aber zu einer Änderung der zu bestimmenden Temperatur des Werkstücks. Infolgedessen kann letztere dadurch bestimmt werden, daß von der gemessenen Oberflächentemperatur der Schicht ein Temperaturwert abgezo­ gen wird, der aus der vom Werkstück absorbierten Laserstrah­ lungsleistung und dem Wärmeersatzschaltbild des jeweiligen Werkstücks berechnet wird.

Aus der US-PS 45 79 463 ist ein Meßverfahren der Thermowellenmikroskopie bekannt, das bei Dünnfilmschichten und integrierten Schaltkreisen zur Bestim­ mung der Gitterstrukturen der Oberfläche eingesetzt wird. Ein Prüfling wird mit einem Laserstrahl periodisch erhitzt. Auf die erhitzte Oberfläche des Prüflings wird der Laserstrahl eines Prüflasers gerichtet. Dieser Laserstrahl wirkt mit der Gitterstruktur der erhitzten Prüflingsoberfläche zusammen und die reflektierte Strahlung wird von einem Fotodetektor ausge­ wertet. Das Werkstück wird nicht bearbeitet. Angaben über die Frequenz, mit der der erhitzende Laserstrahl moduliert wird, finden sich nicht.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs genannten Verfahrensschritten so zu verbessern, daß die Überwachung des bestrahlten Bear­ beitungsbereichs auch bei unbeschichteten Werkstücken und ohne Heranziehung von Wärmeersatzschaltbildern der zu bear­ beitenden Werkstücke durchgeführt werden kann. Vor allem soll ein Verfahren aufgezeigt werden, bei dem eine Überwachung und/oder eine Regelung unter Berücksichtigung einer vorbe­ stimmten, möglicherweise kritischen Verfahrensgrenze erfolgt, wobei die Annäherung eines Prozeßzustandes an diese vorbe­ stimmte Grenze überwacht wird, so daß geforderte Qualitäts­ merkmale der Bearbeitung nicht beeinträchtigt werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zum Bestimmen der Antwortsignale von der Anregungsfrequenz abhängige Wechselan­ teile der Meßsignale mindestens einer Anregungsfrequenz ver­ wendet werden, daß die bearbeitungsspezifische Abhängigkeit der Antwortsignale von dem Verfahrensparameter für die Anre­ gungsfrequenz vorermittelt wird, und daß die anhand der vor­ genannten Abhängigkeit bestimmten Antwortsignale für die Rege­ lung des Prozeßzustands und/oder bei einer Überwachung ver­ wendet werden.

Die allgemein bekannte meßtechnische Überwachung eines mit Laserstrahlung bestrahlten Bearbeitungsbereichs muß in­ terpretierbare Meßsignale ergeben. Die Meßsignale müssen ein Maß für den zu überwachenden oder zu regelnden Prozeßzustand und dessen charakteristischen Veränderungen sein. Dazu dürfen die Meßsignale nicht zu stark gestört oder verrauscht sein, damit der Prozeßzustand mit hoher statistischer Wahrschein­ lichkeit richtig beurteilt werden kann. Schwankungen der Meß­ signale werden umso größer, je mehr sich der Prozeßzustand einer kritischen Grenze nähert. Eine solche kritische Grenze ist beispielsweise durch die Bartbildung beim Schneiden be­ stimmt. Um das ungewollte Erreichen oder Überschreiten dieser Grenze zu vermeiden, muß bei dem bekannten Verfahren der Sollwert, auf den geregelt werden soll, relativ weit von der kritischen Grenze bzw. Grenzgeschwindigkeit entfernt liegen. Das verlangsamt den Prozeß. Demgegenüber hat das vorbeschrie­ bene Verfahren den Vorteil, daß man das Werkstück dicht an der Verfahrensgrenze bearbeiten und den Prozeß regeln kann. Es besteht nicht die Gefahr, daß die Grenze ungewollt über­ schritten wird, weil sich die Modulation des Verfahrenspara­ meters auf den zu regelnden Prozeßzustand nicht auswirkt. Durch die Verwendung der Wechselanteile von Meßsignalen min­ destens einer ausgewählten Anregungsfrequenz, bei der also eine Störung des zu regelnden Prozeßzustands ausgeschlossen ist, werden nur schnelle Vorgänge detektiert, z. B. die Ände­ rung der Temperatur an einer Absorptionsfront. Dabei erfolgt die Verwertung der Wechselanteile dahingehend, daß sie als Grundlage für die Bestimmung des Verfahrensparameters dienen, indem sie auf den Wert der Anregungsamplitude normiert wer­ den. Die Normierung erfolgt in Verbindung mit einer vorermit­ telten bearbeitungsspezifischen Abhängigkeit der Antwortsig­ nale von dem Verfahrensparameter für die Anregungsfrequenz. In einem entsprechenden Diagramm kann der höchstzulässige Grenzwert des Verfahrensparameters vermerkt und damit eine Begrenzung der maximal zulässigen Stellgröße vorgenommen wer­ den.

Für das Verfahren ist von Bedeutung, daß die Modulation des Verfahrensparameters unter Anwendung einer speziellen An­ regungsfrequenz so erfolgt, daß den Meßsignalen spezielle In­ formationen aufgeprägt sind, die durch die Verwertung der Wechselanteile der Meßsignale für die spezielle Anregungsfre­ quenz ausgewertet werden können. Neben den Informationen über den stationären Prozeßzustand enthalten die Meßsignale jetzt auch Informationen über das zeitabhängige Antwortverhalten. Diese Informationen über das zeitabhängige Antwortverhalten werden zu charakteristischen Antwortsignalen aufbereitet, welche zur Bewertung des aktuellen Prozeßzustands zu benutzen sind. Unter Ausnutzung des bekannten Antwortverhaltens, näm­ lich der Abhängigkeit der Antwortsignale von dem Verfahrens­ parameter für die spezielle Anregungsfrequenz, kann nun aus diesen Antwortsignalen der schnellen Vorgänge auf den Prozeß­ zustand geschlossen und ein Überwachungssignal erzeugt und/oder eine Stellgröße des Verfahrensparameters bestimmt werden. Mit Hilfe der den Meßsignalen aufgeprägten Test­ signale, also der Modulationen spezieller Anregungsfrequenz, die sich in den Wechselanteilen der Meßsignale für die Anre­ gungsfrequenz manifestieren, kann der Prozeß einem vorbe­ stimmten Grenzwert genähert werden, ohne diese kritische Grenze tatsächlich überschreiten zu müssen und ohne daß die Gefahr einer ungewollten Überschreitung der Grenze erfolgt. Die Steuerung bzw. Regelung des Prozeßzustands kann mit den bekannten Methoden der Regelungstechnik durchgeführt werden.

Das vorbeschriebene Verfahren ist anwendbar, wenn sich Qualitätsmerkmale kontinuierlich mit dem Verfahrensparameter oder mit mehreren Verfahrensparametern ändern. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, das Verfahren anzuwenden, wenn die vorbestimmte Grenze des zu regelnden Prozeßzustands durch ein Schwellverhalten bestimmt ist. Beispielsweise genannte Pro­ zeßzustände bzw. Qualitätsmerkmale, die ein deutliches Schwellverhalten aufweisen, sind die Bartbildung und das Aus­ brennen bzw. das Auskolken beim Schneiden, die Einschweiß­ tiefe, die Porenbildung und die Spritzerbildung beim Schweis­ sen sowie die Coating-Schädigung bei der Oberflächenbearbei­ tung.

Die Anregungsfrequenz für die Modulation des Verfahrens­ parameters muß auf das jeweilige Bearbeitungsverfahren abge­ stimmt werden. Es ist daher vorteilhaft, das Verfahren so durchzuführen, daß eine on-line Anpassung der Anregungsfre­ quenz und eine entsprechende Anpassung von Abhängigkeiten von Antwortsignalen von dem Verfahrensparameter für die ange­ paßten Anregungsfrequenzen an eine gesteuerte Veränderung von Verfahrensparametern erfolgt. Durch die on-line Anpassung der Anregungsfrequenz etc. kann auf gesteuerte Veränderungen von Verfahrensparametern Rücksicht genommen werden, z. B. auf die Änderungen der Laserstrahlungsleistung beim Konturschnitt.

Außer Änderungen der Anregungsfrequenz können auch wei­ tere Modulationsparameter geändert werden, so daß es vorteil­ haft ist, wenn als weitere Modulationsparameter die Signal­ form und/oder die Signalamplitude on-line an eine gesteuerte Veränderung von Verfahrensparametern angepaßt werden.

Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß die Antwortsignale aus Wechselanteilen von Meßsignalen mittels deren Amplituden und/oder Phasen oder mittels von den Meßsig­ nalen abgeleiteter Größen gewonnen werden. Damit wird es ermöglicht, das Verfahren zweckmäßig zu modifizieren. Sofern die Antwortsignale von Meßsignalen nicht aus deren Amplituden und/oder Phasen gewonnen werden können, werden abgeleitete Größen verwendet, die dann das eigentliche Antwortsignal lie­ fern. Derartige abgeleitete Größen ergeben sich durch gleichzeitige Messung der Frequenzantworten bei mehreren Anregungsfrequenzen und Vergleich dieser Antworten, durch die Messung von Anstiegszeiten bzw. Relaxationszeiten, durch die Messung von Extremwerten, durch die Messung von Zeitdauern der positiven bzw. negativen Abweichung vom Meßsignalmittel­ wert, durch Messung der Nichtlinearität der Meßsignalantwort, z. B. des Klirrfaktors, usw.

Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, daß die Verwendung der Wechselanteile der Meßsignale intervallweise erfolgt. Es ist bei bestimmten Bearbeitungsverfahren nicht erforderlich, die meßtechnische Überwachung kontinuierlich durchzuführen. Die Nutzung von Details ist möglich, z. B. bei einer Messung mit festgelegter Phasenbeziehung zu einem Test­ signal bzw. zu einer Modulation des Verfahrensparameters und in einem festgelegten Zeitintervall.

Die vorbeschriebenen Verfahren sind sämtlich als Überwa­ chungsverfahren durchführbar, bei denen der zu beeinflussende Prozeßzustand nicht notwendigerweise entsprechend dem Überwa­ chungsergebnis geregelt werden muß. Im Sinne einer Automati­ sierung von Produktionsverfahren ist es jedoch vorteilhaft, so zu verfahren, daß die Antwortsignale zur Bestimmung von Stellgrößen eines in einem Regelkreis für den Verfahrenspara­ meter eingesetzten Reglers verwendet werden.

Das Verfahren kann auch eingesetzt werden, um eine An­ passung des Reglers zu erzielen. In diesem Fall wird das Ver­ fahren so durchgeführt, daß die Antwortsignale zur Sollwert- und/oder Einstellparameteranpassung des den Verfahrensparame­ ter beeinflussenden Reglers verwendet werden, der die Meßsig­ nale benutzt. Beide vorerwähnten Verfahren können gemeinsam eingesetzt werden, um einen adaptiven Regler zu realisieren. Das kann grundsätzlich während der Regelung des Verfahrens­ parameters erfolgen, aber auch dann, wenn eine solche Rege­ lung nicht verwendet wird oder unterbrochen ist.

Zweckmäßig ist ein Verfahren, bei dem der den Regler aufweisende Regelkreis für den Verfahrensparameter in vorbe­ stimmten Zeitabständen zwecks Sollwert- und/oder Einstellpa­ rameteranpassung unterbrochen wird und bedarfsweise zumindest währenddessen eine signalgebende und/oder prozeßunterbre­ chende Überwachung erfolgt. Während der in vorbestimmten Zeitabständen erfolgenden Unterbrechung der Regelung des Be­ arbeitungsvorgangs wird eine einfache Sollwert- und/oder Ein­ stellparameteranpassung erreicht, ohne daß dabei zugleich auf eine laufende Bearbeitungsregelung Rücksicht genommen werden müßte. Um den Bearbeitungsprozeß dennoch fehlfunktionsfrei durchführen zu können, erfolgt die signalgebende und/oder prozeßunterbrechende Überwachung zumindest während dieser Un­ terbrechungszeiten der Bearbeitungsregelung. Die intervall­ weisen Sollwert- und/oder Einstellparameteranpassungen ver­ einfachen das Verfahren und verbessern das Zeitverhalten des Systems. Gleichwohl können Folgeschäden abgewendet werden, beispielsweise durch Prozeßunterbrechung. Der Bearbeitungs­ prozeß kann so gesteuert oder geregelt werden, daß eine vor­ bestimmte Grenze, die z. B. durch ein Schwellwert bestimmt ist, nicht überschritten wird.

Eine zweckmäßige Bestimmung der Anregungsfrequenz für das Verfahren erfolgt dadurch, daß die Anregungsfrequenz aus einem Frequenzintervall gewählt wird, das höchstens so tief reicht, daß eine Störung des zu überwachenden und/oder des zu regelnden Prozeßzustands ausgeschlossen ist, und das höchstens so hoch reicht, daß Vorgänge vorbestimmbaren Zeit­ verhaltens noch detektiert werden können. Bei innerhalb des Frequenzintervalls liegenden Anregungsfrequenzen ist gewähr­ leistet, daß Störungen des Prozeßzustandes durch die Modulation des Verfahrensparameters vermieden werden, andererseits aber auch noch schnellere Prozeßänderungen meßtechnisch zu erfassen sind.

Das Verfahren kann zur Annäherung an die Trenngrenze beim Schneiden so durchgeführt werden, daß beim Schneiden von Werkstücken die Laserstrahlungsleistung um einen Mittelwert mit einer Anregungsfrequenz moduliert wird, die größer als die Riefenfrequenz ist, bedarfsweise aber kleiner, als es der Zeitkonstanten für die Änderung der Oberflächentemperatur der Schneidfront entspricht.

Bei dem vorbeschriebenen Verfahren werden als Meßsignale Wärmestrahlungssignale von der Schneidfront verwendet, die mit koaxial zum Laserstrahl angeordnetem Strahlteiler oder Scraper-Spiegel auf einen Detektor gegeben werden. Bei diesem Verfahren sind eine langsame Zeitkonstante zu beachten, der entsprechend sich Schneidriefen ergeben, und eine schnelle Zeitkonstante für die Änderung der Oberflächentemperatur der Schneidfront. Verfahrensparameter ist die Laserstrahllei­ stung, die um einen Mittelwert von z. B. 95% P_Lmax (P_Lmax = ma­ ximale Laserleistung) mit einer Amplitude von z. B. 5% von P_Lmax und mit einer Anregungsfrequenz moduliert wird, die z. B. doppelt so groß ist, wie die Riefenfrequenz. Das Antwortsig­ nal wird aus den Wechselanteilen der Amplituden der Meßsig­ nale bestimmt.

Um beim Schweißen ein Durchschweißen sicherzustellen, wird das Verfahren so ausgeführt, daß beim Schweißen von Werkstücken die Laserstrahlungsleistung um einen Mittelwert mit einer Anregungsfrequenz moduliert wird, die größer als die Einschweißtiefenfrequenz ist, bedarfsweise aber kleiner, als es der Zeitkonstanten für die Änderung der Leuchtdichte des laserinduzierten Plasmas entspricht. Die Einschweißtie­ fenfrequenz ist die typische Frequenz der Einschweißtiefenän­ derung.

Mittels Strahlteilers oder Loch-Spiegels wird ein Plas­ mastrahlungssignal aus der Schweißkapillare auf den Detektor gegeben. Zeitkonstanten sind eine langsame Zeitkonstante aus der Einschweißtiefenvariation bei vergleichbaren Verfahrens­ parametern und eine schnelle Zeitkonstante′ nämlich die typi­ sche Zeitkonstante für die Änderung der Leuchtdichte des Plasmas beim Schweißen. Zu modulierender Verfahrensparameter ist die Laserstrahlungsleistung, die um einen Mittelwert von z. B. 95% P_Lmax mit einer Amplitude von z. B. 5% von P_Lmax modu­ liert wird. Die Anregungsfrequenz ist z. B. doppelt so groß, wie die Einschweißtiefenfrequenz. Auch bei diesem Verfahren entspricht das Antwortsignal den Wechselanteilen der Meßsig­ nalamplitude.

Um die Annäherung an den Phasenübergang fest/flüssig beim Oberflächenbearbeiten von Werkstücken mit strahlungsab­ sorbierender Deckschicht zu erreichen, wird so verfahren, daß beim Härten von Werkstücken die Laserstrahlungsleistung um einen Mittelwert mit einer Anregungsfrequenz moduliert wird, die größer als die Einhärttiefenfrequenz ist, bedarfsweise aber kleiner, als es der Zeitkonstanten für die Änderung der Oberflächentemperatur einer Deckschicht des Werkstücks ent­ spricht. Die Einhärttiefenfrequenz ist die typische Frequenz der Änderung der Einhärttiefe.

Das Wärmestrahlungssignal der Absorptionsfront wird mit einem Detektor ermittelt. Eine langsame Zeitkonstante resul­ tiert aus der Einhärttiefenvariation bei vergleichbaren Ver­ fahrensparametern. Bezüglich der Oberflächentemperatur der Deckschicht ergibt sich eine schnelle Zeitkonstante. Die Mo­ dulation der Laserleistung erfolgt wie vorbeschrieben, wobei die Anregungsfrequenz beispielsweise das fünffache der Ein­ härttiefenfrequenz ist. Das Antwortsignal ergibt sich als Wert der Wechselanteile von Meßsignalamplituden bei Anre­ gungsfrequenzen.

In allen drei Fällen wird als Stellgröße beispielsweise die Geschwindigkeit verwendet, mit der das Werkstück relativ zur Bearbeitungsoptik verschoben wird. Insbesondere im letz­ teren Fall kann zugleich oder auch statt dessen die mittlere Laserstrahlleistung als Verfahrensparameter zum Einsatz kom­ men.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung wiederge­ gebenen Darstellungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Beträge der Wechselanteile von Meßsignalen in Ab­ hängigkeit von Anregungsfrequenzen für unter­ schiedliche Bearbeitungsgeschwindigkeiten,

Fig. 2 die Verläufe von Testsignalen und Meßsig­ nalen in Abhängigkeit von der Zeit, bei hohen (-) und niedrigen (. . .) Werten der Modulations­ frequenz,

Fig. 3 Beträge der Wechselanteile von Meßsignalen in Ab­ hängigkeit von einem Verfahrensparameter,

Fig. 4, 5 Blockschaltbilder zur Veranschaulichung unter­ schiedlicher Regelverfahren, und

Fig. 6, 7 durch Blockschaltungen detaillierter veranschau­ lichte Regelkreise zur Durchführung erfindungs­ gemäßer Verfahren.

Entsprechend den Fig. 6, 7 wird ein Werkstück 10 mit La­ serstrahlung 11 geschnitten. Zwischen beiden findet eine Re­ lativbewegung mit der Geschwindigkeit v(t) statt. Im Beispiel wird angenommen, daß das Werkstück 10 in der Richtung des Pfeils 19 verschoben wird, so daß die vertikal gestrichelten Bereiche des Werkstücks 10 bereits durchtrennt sind. Von dem mit der Laserstrahlung 11 bestrahlten Bearbeitungsbereich 12 geht optische Strahlung aus, nämlich thermische Strahlung oder reflektierte Laserstrahlung, und es werden Geräusche emittiert. Dementsprechend gelangt thermische Strahlung 20 auf einen Scraper-Spiegel 21, der die Laserstrahlung 11 im Lochbereich unbeeinträchtigt passieren läßt, die Wärmestrah­ lung 20 jedoch ausblendet, so daß sie mit einer nicht näher dargestellten Linse 22 auf einen Detektor 23 fokussiert wer­ den kann.

Die Laserstrahlung 11 wird von einem Laser 24 abgegeben, und zwar mit einer Leistung P(t) = P₀ + P₁sin(ωt). Die Leistung der Laserstrahlung 11 wird also zeitlich moduliert. Der zeit­ liche Verlauf der Laserleistung P(t) ist im Block 25 schema­ tisch veranschaulicht. P₀ entspricht z. B. 95% von P_Lmax und der Wechselanteil P₁sin(ωt) ist schematisiert dargestellt.

Die Modulation der Laserleistung ist ein Testsignal, auf das der Prozeß mit einem in der Wärmestrahlung 20 enthaltenen Meßsignal 14 reagiert. Mit Hilfe des Meßsignals 14 wird ein Antwortsignal 26 bestimmt, das einem Regler 18 zugeleitet wird, beispielsweise einem PID-Regler. Anhand dieses Antwort­ signals 26 bestimmt der Regler 18 eine Stellgröße 13, nämlich eine Stellgröße für die Vorschubgeschwindigkeit v(t). Diese Stellgröße 13 ist in den Fig. 6, 7 mit v₁(t) bezeichnet. Dementsprechend ergibt sich die Vorschubgeschwindigkeit unter Einsatz eines Addierers 27 aus der Sollgeschwindigkeit v_soll zu v(t) = v_soll - v₁(t).

Zur Erläuterung der Gewinnung des Antwortsignals 26 für die vorbeschriebene Regelung wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der die Abhängigkeit der Beträge 15 von Wechselanteilen von Meßsignalen 14 von der Anregungsfrequenz ω dargestellt sind. Für eine vorbestimmte Bearbeitungsgeschwindigkeit v₁ ergibt sich die unterste Kurve der Fig. 1. Mit wachsender Be­ arbeitungsgeschwindigkeit sind die Beträge 15 durchaus grö­ ßer, am höchsten bei der Geschwindigkeit v_max. Es ist nun aber nicht so, daß jede beliebige Anregungsfrequenz ω ausge­ wählt werden könnte, um zu möglichst großen Beträgen 15 der Wechselanteile von Meßsignalen zu kommen. Das wird anhand von Fig. 2 erläutert. Diese demonstriert die Wirkung schneller Testsignale (durchgezogene Linien) und langsamer Testsignale (gepunktete Linien) auf die Meßsignale beim Schneiden eines Werkstücks 10. Das Testsignal ist hier abweichend von Fig. 6, 7 ein Rechteckimpuls, der abwechselnd positiv und negativ ist. Ist die ausgewählte Bearbeitungsgeschwindigkeit v < v_krit, so ergeben sich entsprechende zeitlich begrenzte Meßsignale, auch wenn die Testsignale vergleichsweise niederfrequent sind. Erfolgt die Modulation hingegen bei einer Bearbeitungs­ geschwindigkeit v = v_krit, so ergeben sich bei Testsignalen höherer Anregungsfrequenz ω noch verwertbare Meßsignale, bei niedrigeren Anregungsfrequenzen ω erfolgt jedoch ein Über­ schreiten der Trenngrenze beim Schneiden. Es kommt also dar­ auf an, ausreichend schnelle Testsignale zu wählen, die Modu­ lation des Verfahrensparameters also hinreichend hochfrequent auszuführen, so daß der Bearbeitungsprozeß nicht derart ge­ stört wird, daß ein Überschreiten der kritischen Grenze er­ folgt. Bei ungestörtem Bearbeitungsprozeß werden die für das Bearbeitungsverfahren geforderten Qualitätsmerkmale nicht be­ einträchtigt. Z.B. erreichen die Rauhigkeit beim Schneiden, die Einschweißtiefe beim Schweißen und die Einhärttiefe bei der Oberflächenbearbeitung keine unannehmbaren Werte.

Fig. 3 zeigt nun für eine spezifische, nicht näher erläu­ terte Bearbeitung, wie die praktische Auswertung der Darstel­ lung der Fig. 1 zur Bestimmung der Stellgrößen 13 für den Ver­ fahrensparameter vorgenommen werden kann. Hierzu zeigt Fig. 3 die Abhängigkeit des Betrags 15 der Wechselanteile von Meßsi­ gnalen 14 in Abhängigkeit von dem Verfahrensparameter 16, hier der Bearbeitungsgeschwindigkeit. Diese Abhängigkeit gilt grundsätzlich für alle Verfahrensparameter, beispielsweise also auch für die Laserstrahlungsleistung PL. Für eine ausge­ wählte Anregungsfrequenz ω, der Frequenz des Testsignals, also für ω₁, werden die Beträge 15 von Wechselanteilen der Meßsignale zu einer neuen Kennlinie 28 zusammengefügt. Mit dieser Abhängigkeit des Betrags 15 von Wechselanteilen von dem Parameter 16 für die Anregungsfrequenz ω₁ kann eine Stellgrößenbestimmung vorgenommen werden, indem für die ge­ wählte Bearbeitungsgeschwindigkeit v₁ auf den ermittelten Be­ trag 15′ Bezug genommen wird, der in dem Addierer 29 mit ei­ nem Sollwert U_M1soll im Sinne einer Differenzbildung vergli­ chen wird, wobei die sich dabei ergebende Differenz den Reg­ ler 18 beaufschlagt. U_M1soll entspricht der vorbestimmten Grenze 17 des zu regelnden Prozeßzustands und hat den Wert 15′′. Es ist also möglich, den Verfahrensparameter 16 bzw. die Bearbeitungsgeschwindigkeit v solange zu steigern, bis der Betrag 15 der Wechselanteile der Meßsignale 14 den Wert 15′′ erreicht bzw. nahezu erreicht hat.

In Fig. 4 ist die auf diese Weise zu vollziehende Rege­ lung vereinfacht dargestellt, nämlich mit dem Block 30 für den Prozeß, beispielsweise einen Schneidprozeß, und mit dem Block 31 für die Gewinnung des Antwortsignals aus dem Meßsig­ nal 14. Die gestrichelte Darstellung erläutert den Einsatz eines Reglers 18′ im herkömmlichen Verfahren unter direkter Verwendung des Meßsignals zur Gewinnung der Stellgröße durch den Regler 18′.

In Fig. 5 ist dargestellt, daß die Wechselanteile von Meßsignalen 14 auch abweichend vom Vorbeschriebenen einge­ setzt werden können. Zum einen kann der Prozeß 30 in herkömm­ licher Weise mit dem Meßsignal 14 in der Regelschleife 32 ge­ regelt werden. Das vorbeschriebene Verfahren zu den Fig. 1 bis 3 wird zur Realisierung eines adaptiven Reglers 18 einge­ setzt. In diesem Fall werden die Antwortsignale nicht direkt zur Regelung des Prozesses benutzt, sondern zur Anpassung des Sollwertes des Reglers 18′ der das Meßsignal 14 benutzt bzw. zur Anpassung von Reglerparametern bzw. von Einstellparame­ tern des Reglers, der das Meßsignal 14 benutzt. Dementspre­ chend sind in Fig. 5 die Blöcke 33 für die Adaption des Soll­ werts und 34 für die Adaption der Reglerparameter darge­ stellt. Diese Anpassungen können intervallweise erfolgen. Während dessen ist eine nicht dargestellte prozeßunterbre­ chende Überwachung vorhanden, die den Prozeß sofort unterbre­ chen kann, um Folgeschäden zu vermeiden. Das gilt insbeson­ dere für Prozesse, die durch ein Schwellverhalten bestimmt sind. Mit dem Antwortsignal, das den Wechselanteilen von Meß­ signalen 14 entspricht wird also beispielsweise der Sollwert U_RS korrigiert, der über einen Addierer 35 durch Differenz­ bildung mit dem Meßsignal 14 die Eingangsgröße des Reglers 18 bestimmt. Die Wechselanteile von Meßsignalen 14 können zugleich oder in Ergänzung zu der Sollwertanpassung Einstell­ parameter des Reglers verändern, z. B. dessen Integralverhal­ ten.

Die Fig. 6, 7 veranschaulichen die Gewinnung des Antwort­ signals 26 aus dem Meßsignal 14. Der zeitliche Verlauf des Meßsignals 14 ist im Block 36 dargestellt und wird durch U_M(t) = U_M0 + U_M1 (t)sin (ωt + Θ)beschrieben. Dieses Meßsignal wird gemäß Fig. 6 auf den Lock-in Verstärker 37 aufgeschaltet, der vom Block 25 den Referenzsinus erhält, also den zeitlichen Verlauf der Amplituden P(t). In bekannter Technik wird mit Hilfe des Lock-in Verstärkers 37 das Antwortsignal 26 gewon­ nen, nämlich als Abhängigkeit der Wechselanteile des Meßsig­ nals 14, wobei U_A(t) = U_M1(t) gilt. Diese Werte werden mit ei­ nem Sollwert U_M1soll per Addierer 29 verglichen und der Reg­ ler 18 wird entsprechend beaufschlagt. Der dargestellte Ver­ lauf des Antwortsignals 26 ist beispielhaft und hängt von dem tatsächlich stattfindenden Prozeßverlauf ab.

In Fig. 7 ist der zeitliche Verlauf des Meßsignals 14 im Block 36 dargestellt, wie in Fig. 6. Es wird ein Bandpaßfilter 38 verwendet, um die Wechselanteile U_M1 (t)sin (ωt + Θ) zu gewin­ nen. Deren Verlauf ist im Block 39 dargestellt. 40 bezeichnet ein Quadrierglied, mit dem sich die im Block 41 dargestellte zeitliche Abhängigkeit gemäß der Beziehung U(t) = U_M1(t) |sin(ωt+Θ)| ergibt. Ein Maximumdetektor 42 ergibt dann das Antwortsignal 26, das in zeitlicher Abhängigkeit beispielsweise dargestellt wurde.

Claims (13)

1. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken (10) mit Laser­ strahlung (11), bei dem ein bestrahlter Bearbeitungsbe­ reich (12) des Werkstücks (10) meßtechnisch überwacht wird und mit den daraus herrührenden Meßsignalen (14) Antwortsignale (26) bestimmt werden, bei dem eine Modu­ lation eines Verfahrensparameters (16) mit einer aus einem Frequenzintervall ausgewählten Anregungsfrequenz (ω) vorgenommen wird, bei der die Überschreitung eines Prozeßzustands über eine vorbestimmte Grenze hinaus ver­ mieden wird, und bei dem mit den Antwortsignalen (26) eine Regelung des Prozeßzustands durchgeführt wird, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Bestimmen der Antwortsig­ nale (26) von der Anregungsfrequenz (ω) abhängige Wech­ selanteile (U_M1 (t)sin (ωt + Θ)) der Meßsignale (14) minde­ stens einer Anregungsfrequenz (ω) verwendet werden, daß die bearbeitungsspezifische Abhängigkeit der Antwortsig­ nale von dem Verfahrensparameter (16) für die Anregungs­ frequenz (ω) vorermittelt wird, und daß die anhand der vorgenannten Abhängigkeit bestimmten Antwortsignale (26) für die Regelung des Prozeßzustands und/oder bei einer Überwachung verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es angewendet wird, wenn die vorbestimmte Grenze (17) des zu überwachenden Prozeßzustands durch ein Schwell­ verhalten bestimmt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß eine on-line Anpassung der Anregungsfrequenz (ω) und eine entsprechende Anpassung von Abhängigkeiten von Antwortsignalen von dem Verfahrensparameter (16) für die angepaßten Anregungsfrequenzen (ω) an eine gesteuer­ te Veränderung von Verfahrensparametern erfolgt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Modulations­ parameter die Signalform und/oder die Signalamplitude an eine gesteuerte Veränderung von Verfahrensparametern on-line angepaßt werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antwortsignale aus Wechselanteilen (U_M1 (t)sin (ωt + Θ)) von Meßsignalen (14) mittels deren Amplituden und/oder Phasen oder mittels von den Meßsignalen (14) abgeleiteter Größen gewonnen werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwendung der Wech­ selanteile (U_M1 (t)sin (ωt + Θ)) der Meßsignale (14) inter­ vallweise erfolgt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antwortsignale (26) zur Bestimmung von Stellgrößen (13) eines in einem Re­ gelkreis für den Verfahrensparameter (16) eingesetzten Reglers (18) verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antwortsignale (26) zur Sollwert- und/oder Einstell­ parameteranpassung des den Verfahrensparameter (16) be­ einflussenden Reglers (18) verwendet werden, der die Meßsignale (14) benutzt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der den Regler (18) aufweisende Regelkreis für den Ver­ fahrensparameter (16) in vorbestimmten Zeitabständen zwecks Sollwert- und/oder Einstellparameteranpassung un­ terbrochen wird und bedarfsweise zumindest währenddessen eine signalgebende und/oder prozeßunterbrechende Überwa­ chung erfolgt.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsfrequenz (ω) aus einem Frequenzintervall gewählt wird, das höchstens so tief reicht, daß eine Störung des zu überwachenden und/oder des zu regelnden Prozeßzustands ausgeschlossen ist, und das höchstens so hoch reicht, daß Vorgänge vorbestimmbaren Zeitverhaltens noch detektiert werden können.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schneiden von Werk­ stücken (10) die Laserstrahlungsleistung um einen Mit­ telwert mit einer Anregungsfrequenz (ω) moduliert wird, die größer als die Riefenfrequenz ist, bedarfsweise aber kleiner, als es der Zeitkonstanten für die Änderung der Oberflächentemperatur der Schneidfront entspricht.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweißen von Werk­ stücken (10) die Laserstrahlungsleistung um einen Mit­ telwert mit einer Anregungsfrequenz moduliert wird, die größer als die Einschweißtiefenfrequenz ist, bedarfs­ weise aber kleiner, als es der Zeitkonstanten für die Änderung der Leuchtdichte des laserinduzierten Plasmas entspricht.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Härten von Werk­ stücken (10) die Laserstrahlungsleistung um einen Mit­ telwert mit einer Anregungsfrequenz moduliert wird, die größer als die Einhärttiefenfrequenz ist, bedarfsweise aber kleiner, als es der Zeitkonstanten für die Änderung der Oberflächentemperatur einer Deckschicht des Werk­ stücks (10) entspricht.