DE19962967A1

DE19962967A1 - Verfahren zur Überwachung von Fertigungsprozessen

Info

Publication number: DE19962967A1
Application number: DE1999162967
Authority: DE
Inventors: Gerhard Reber; Mathias Wiedmaier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2001-07-12
Anticipated expiration: 2019-12-25
Also published as: DE19962967B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Überwachung von Fertigungsprozessen vorgeschlagen, bei dem Meßwerte des Fertigungsprozesses aufgenommen und mit Prozeßgrenzen verglichen werden und bei Überschreitung der Prozeßgrenzen ein entsprechendes Fehlersignal mitgeteilt wird. Zur Festlegung der Prozeßgrenzen wird die Standardabweichung der aufgenommenen Meßwerte herangezogen. Das Verfahren erlaubt eine automatisierte Berechnung der Prozeßgrenzen.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung von Fertigungsprozessen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Bei der Überwachung von Fertigungsprozessen besteht ein Aspekt in der Festlegung und Einstellung von Prozeßgrenzen. So ist beispielsweise bekannt, daß Meßsignale eines Ferti gungsparameters in mehreren nacheinander ablaufenden Prozes sen sampleweise, d. h. in bestimmten Zeitabständen, aufgenom men werden und daraus eine Mittelwertkurve berechnet wird. Zur Festlegung der Prozeßgrenzen werden obere und untere Hüllkurven durch Vorgabe zulässiger prozentualer Abstände von der berechneten Mittelwertkurve definiert. Darüber hin aus können noch Grenzwerte für einmalige und insgesamt zu lässige Hüllkurvenüberschreitungen vorgegeben werden.

Bei einem anderen bekannten Verfahren werden die Hüllkurven durch Einlernen der Extremwerte von Meßsignalverläufen bei Gut-Prozessen gebildet.

Der Verlauf der oberen und unteren Hüllkurve gibt die untere und obere Prozeßgrenze für den entsprechenden Prozeßparame ter vor. Liegt das Meßsignal des Prozeßparameters außerhalb der Hüllkurven, wird der Fertigungsprozeß äls fehlerhaft be wertet. Diese statische Festlegung der Prozeßgrenzen berück sichtigt jedoch nicht starke Meßwertstreuungen, die zum Bei spiel durch Signalausreißer im Einschwingvorgang eines Pro zesses auftreten können. Auch bekannte, zeitliche Bereiche des Meßsignalverlaufs mit erhöhter Streuung werden nicht be rücksichtigt. Zudem ist die Optimierung der Hüllkurvenver läufe und Grenzwerte bzw. die Anpassung nach Änderungen von Prozeßparametern für den Anwender sehr zeitaufwendig und sehr von seiner individuellen Erfahrung abhängig. Der Auf wand erhöht sich zusätzlich, wenn mehrere Meßsignalverläufe zu überwachen sind.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merk malen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß eine automati sierte Berechnung von Prozeßgrenzwerten auf statistischer Basis erfolgt, wobei die Prozeßgrenzen an die speziellen Ge gebenheiten bestimmter Fertigungsprozesse angepaßt werden können. Dadurch können Fertigungsprozesse in der Großserien fertigung, die gleichartig wiederkehrend sind, genauer und effizienter überwacht werden. Darüber hinaus können dadurch auch chaotische oder instabile Fertigungssysteme einer auto matischen Prozeßüberwachung unterzogen werden.

Das Verfahren ermöglicht die automatisisierte Neuberechnung aller gewünschten Grenzwerte auf Basis der aktuellen Prozeß signalverläufe und voreingestellter statistischer Streuun gen. Insbesondere nach Feinoptimierungen an Prozeßparametern oder an Fertigungsteilen in der Prozeßhochlaufphase ergibt sich dadurch eine große Zeitersparnis.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Die Standardabweichung zur Festlegung von Hüllkurven heran zuziehen, bietet den Vorteil, daß die Meßsignale hinsicht lich des zeitlichen Verlaufes des Prozesses einfach und ef fizient überwacht werden können. Die statistisch Berechnung der Hüllkurven ist vor allem dann von Vorteil, wenn Meßwerte in unterschiedlichen Zeitabschnitten unterschiedlich starke Streuungen aufweisen. Dadurch, daß bei der Berechnung des Verlaufes der Hüllkurven die Standardabweichungen für Werte größer und kleiner dem Mittelwert getrennt ermittelt werden, wird gewährleistet, daß Probleme beim Signal-Anstieg und Si gnal-Abfall vermieden werden. Insofern können asymetrische Signalverläufe berücksichtigt werden.

Eine weitere Maßnahme zur Überwachung von Fertigungsprozes sen besteht in der Verwendung von berechneten Kennzahlen für bestimmte Fertigungsparameter. Diese Kennzahlen sind bei spielsweise das Integral des Meßsignalverlaufes, die Si gnalunruhe, die obere und untere Peakzeit der Hüllkurven überschreitungen, die obere und untere Peakfläche der Hüll kurvenüberschreitungen, die gesamte obere und untere Hüll kurven-Überschreitungszeit eines Meßsignals, die gesamte obere und untere Hüllkurven-Überschreitungsfläche eines Meß signals und/oder die Summenüberschreitungsfläche der die Hüllkurven überschreitenden Meßsignale bzw. Peaks. Dabei werden zur Berechnung der Kennzahlgrenzwerte für die einzel nen aufgeführten Kennzahlen ebenfalls ihre oberen und unte ren Standardabweichungen herangezogen.

Besonders vorteilhaft ist, zur Überwachung der Prozeßparame ter als Grenzwerte sowohl die Hüllkurven als auch berechne ten Kennzahlen heranzuziehen. Hüllkurven und Kennzahlengren zen lassen sich automatisiert berechnen. Überschreitet ein Signal eines Prozesses eine Hüllkurve, so ist dies an sich schon signifikant für den Prozeß. Die Bewertung der Art und Größe der Überschreitung erlaubt darüber hinaus die stufen lose Anpassung der Überwachungsgrenzen. Das Online-Prozess- Sicherungssystem kann genau bei der definierten Fehlerschwe re einen Prozeßfehler berechnen. Dies ist insbesondere bei Prozessen vorteilhaft und notwendig, bei denen nur indirekte Prozeßgrößen eines Prozesses einer Messung zugänglich sind. So sind beispielsweise die Strahlungsemissionen eines Laser schweißprozesses meßbar, nicht aber die Einschweißtiefe.

Häufig ist auch durch Sichtprüfungen o. ä. die unvermeidbare Ausschußrate bekannt. Durch die durchgängig statistische Grenzwertberechnung ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfah ren inhärent möglich, das Online-Prozeß-Überwachungssystem schnell und vorhersagbar so einzustellen, daß die gewünschte Ausschußrate bei der Online-Überwachung berechnet wird.

Das Verfahren zur automatisierten Grenzwertberechnung läßt pro Meßsignal beispielsweise vier Einstellfaktoren (obere und untere Hüllkurven und Kennzahlgrenzwerte, jeweils in Standardabweichungen), sowie die An- oder Abwahl der ge wünschten Kennzahlarten, als einzige manuelle Eingriffe zu. Diese Faktoren sind je nach Anforderung an den Fertigungs prozeß vom Prozeßeinsteller vorzugeben.

Dadurch, daß die Meßwerte zur Signalbildung für die Ermitt lung der Hüllkurven und/oder zur Berechnung der Kennzahlen über einen Hochpaß gefiltert werden, ist es alternativ oder zusätzlich möglich, kurzzeitige Prozeßfluktuationen, bei spielsweise Poren und Spritzer beim Laserschweißen, effizi enter zu überwachen.

Beim gepulsten Laserschweißen ist es zweckmäßig, daß nur de finierte Zeitabschnitte eines Zeitsignals gemessen und über wacht werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich nung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Verlauf eines ersten Meßsignales über der Zeit, Fig. 2 einen Verlauf eines zweiten Meßsignales über der Zeit, Fig. 4 das Integral der Meßsignale in Fig. 1 und 2 und Fig. 4 das Integrals der Hüllkurvenüberschrei tungen der Meßsignale in Fig. 1 und 2.

Ausführungsbeispiel

Zur Überwachung eines Fertigungsprozesses werden zunächst zu Beginn des Prozesses in einer Testphase oder Einlernphase einzelne Meßwerte x_i eines oder mehrerer Prozeßparameter beispielsweise über mehrere Prozesse sampleweise, d. h. in vorgegebenen Zeitabständen des Prozeßablaufs aufgenommen. Zu den ermittelten Meßwerten x_i wird der Mittelwert x berech net:

Neben dem Mittelwert x wird zu den einzelnen aufgenommenen Meßwerten x_i die obere und untere Standardabweichung s nach der Formel

berechnet, wobei n die Anzahl der aufgenommenen Meßwerte x_i bedeutet.

Die obere Standardabweichung wird dabei mit Hilfe der Meß werte, die größer als der Mittelwert sind, berechnet. Ent sprechend wird die untere Standardabweichung mit Hilfe der Meßwerte, die kleiner als der Mittelwert sind, berechnet. Mit Hilfe der vorliegenden Mittelwerte, Standardabweichungen und einem vom Prozeßeinsteller festzulegenden Faktor werden über die zulässigen Vielfachen der Standardabweichungen Hüllkurvenverläufe und Kennzahlengrenzen berechnet und in einem Speicher einer Kontrolleinheit der Fertigungsanlage gespeichert.

Anhand eines Laserschweißverfahrens soll das erfindungsgemä ße Verfahren näher erläutert werden. Dabei wird als Meßsi gnal beispielsweise das Rückreflex-Signal eines Laserstrahls eines cw-Nd : YAG-Lasers herangezogen. Zu den einzelnen in ei ner Einlernphase aufgenommenen Meßwerten mehrerer nacheinan der ablaufender Prozesse wird jeweils ihre Standardabwei chung s mit einem oberen Wert und einem unteren Wert ermit telt.

Gemäß Fig. 1 und 2 werden aus der Mittelwertkurve und den oberen und unteren Standardabweichungen, multipliziert mit je einem manuell vorgebbaren Faktor, eine obere Hüllkurve 11 und eine untere Hüllkurve 12 des Rückreflex-Signals berech net. Über einen Faktor kann der zulässige Toleranzbereich der Hüllkurve 11, 12 nach oben und/oder unten vergrößert oder verkleinert werden. Die Hüllkurven 11, 12 werden als obere und untere Signalgrenzen bzw. Prozeßgrenzen in der Kontrolleinheit der Fertigungsanlage gespeichert.

In Fig. 1 ist neben den Hüllkurven 11, 12 eine erste Meß kurve 13 des Rückreflex-Signals eines ersten Laserschweiß prozesses über der Zeit t aufgetragen. Die nicht dargestell te Kontrolleinheit vergleicht die Meßwerte der Meßkurve 13 mit den jeweiligen Grenzwerten der Hüllkurven 11, 12. Die Meßwerte des Rückreflex-Signals der Meßkurve 13 liegen dabei innerhalb der oberen und unteren Hüllkurve 11, 12, so daß in diesem Fall kein fehlerhafter Schweißprozeß vorliegt, son dern ein sogenannter IO-Prozeß (IO = in Ordnung).

Fig. 2 zeigt eine zweite Meßkurve 14 der Meßwerte des Rück reflex-Signals eines zweiten Laserschweißprozesses, die an einer Stelle die untere Hüllkurve 12 durchstößt und am Ende des Prozesses ebenfalls Meßwerte enthält, die durch Peaks oberhalb der oberen Hüllkurve 11 liegen. Die Meßwerte der Meßkurve 13 werden in der Kontrolleinheit mit den jeweiligen Grenzwerten der Hüllkurven 11, 12 verglichen. Der Verlauf des Rückreflex-Signals mit der Meßkurve 14 deutet auf einen fehlerhaften Schweißprozeß hin (NIO-Prozeß/NIO = nicht in Ordnung). So weisen z. B. die unterhalb der unteren Hüllkur ve liegenden Meßwerte auf einen Einbrand hin. In diesem Fall werden die mit diesem Prozeß hergestellten Bauteile als feh lerhaft gekennzeichnet. Über das Rückreflex-Signal läßt sich beispielsweise der Prozeßparameter Einschweißtiefe überwa chen.

Neben dem zeitlichen Verlauf des Rückreflex-Signals in Fig. 1 und 2 sind häufig weitere Meßsignale zur Überwachung von Fertigungsprozessen heranzuziehen, bei denen nicht der zeit liche Verlauf ausschlaggebend ist, sondern die als eine be rechnete Kennzahl Aufschluß über die Qualität des Ferti gungsprozesses geben können. Die Kennzahlen werden dabei beispielsweise aus dem zeitlichen Verlauf der Meßwerte be rechnet.

Als berechnete Kennzahl wird beispielsweise gemäß Fig. 3 das Integral I des Rückreflex-Signals über Zeit t herangezo gen. Das Integral I der Meßkurve 13 wird durch die Kurve 15 und das Integral I der Meßkurve 14 durch die Kurve 16 reprä sentiert. Die Kennzahl gemäß Fig. 3 wird am Ende des Pro zesses durch den Absolutwerte des Integrals I berechnet. Der Kennzahl wird, wie bei der Ermittlung der Hüllkurven 11, 12 in Fig. 1 und 2, über ihre Standardabweichung s ein oberer Kennzahlgrenzwert 17 und ein unterer Kennzahlgrenzwert 18 zugeordnet, wobei die Standardabweichungen s ebenfalls mit einem Faktor gewichtet werden.

Eine weitere mögliche Kennzahl zeigt Fig. 4, wobei die Sum menüberschreitungsfläche F über der Zeit t dargestellt ist, die über die Integrale der die Hüllkurven überschreitenden Meßwerte (Peaks) berechnet wird. Die Endsumme der Summen überschreitungsfläche bildet dabei die berechnete Kennzahl, der über die gewichtete Standardabweichung s ein oberer Kennzahlgrenzwert 21 und ein unterer Kennzahlgrenzwert 22 zugeordnet wird. Der untere Kennzahlgrenzwert 22 ist im vor liegenden Fall gleich Null. Die Summenüberschreitungsfläche F der Meßwerte der Meßkurve 13 wird durch die Kurve 19 re präsentiert. Die Kurve 19 verläuft entlang der Zeitachse t und ergibt als Kennzahl Null, da die Meßkurve 13 keine Über schreitungen der Hüllkurven 11, 12 aufweist (IO-Prozeß). Die Summenüberschreitungsfläche F der Meßwerte der Meßkurve 14 zeigt die Kurve 20, die mit ihrem Endwert eine Kennzahl er gibt, die weit außerhalb des oberen Kennzahlgrenzwertes 21 liegt. Durch diese Kennzahl wird deutlich, daß die Meßkurve 13 Meßwerte x_i aufweist, die außerhalb der Hüllkurven 11, 12 liegen.

Die Kennzahlgrenzwerte 17, 18, 21, 22 werden dabei ebenso in der Kontrolleinheit der Fertigungsanlage gespeichert. Die berechnete Kennzahl über das Integral I des Rückreflex- Signals wird mit den Kennzahlgrenzwerten 17, 18 und die be rechnete Kennzahl über die Summenüberschreitungsfläche F mit den Kennzahlgrenzwerten 21, 22 verglichen. Es zeigt sich da bei, daß die Kennzahlen des Integrals des Rückreflexsignals und der Summenüberschreitungsfläche F der Meßkurve 13 auf einen fehlerhaften Fertigungsprozeß hinweisen.

Bei einer Über- oder Unterschreitung der Kennzahlgrenzen in Fig. 3 und 4 wird durch ein entsprechendes Fehlersignal der Anlagensteuerung mitgeteilt, daß der Fertigungsschritt feh lerhaft war. Wenn die Ausschußrate unzulässig hoch ist, wird dies dem Prozeßeinsteller mitgeteilt, der dann durch eine entsprechende Einstellung bzw. Nachstellung von bestimmten Fertigungsparametern eine Korrektur am Prozeß vornehmen kann. Es ist aber ebenso denkbar, diese Einstellung bzw. Nachstellung in einen automatischen Prozeß einzubinden. Die Prozeßüberwachung kann dabei Online erfolgen.

Iterativ sind auch Korrelationsfunktionen automatisch über Näherungsverfahren bildbar, bei denen alle Kennzahlen über Faktoren gewichtet werden. Auf diese Weise können auch Hin weise zur Störbeseitigung, die sich aus dem Fehlerbild erge ben, erzeugt werden. Prozeßdriften können erkannt werden, wenn Prozeßzustände bestimmter Zeitabstände miteinander ver glichen werden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden zur Überwachung des Laserschweißprozesses sowohl Hüllkurven als auch Kenn zahlen herangezogen, wobei über die Hüllkurvenabstände le diglich bestimmt wird, ob kleine oder nur größere Abweichun gen vom Mittelwertsignal zu berücksichtigen sind. Üblicher weise werden die Hüllkurven so eng gelegt, daß Überschrei tungen auftreten. Ihre Größe wird dann statistisch in Form von berechneten Kennzahlen bewertet, genau wie diejenigen Kennzahlen, die auch ohne Hüllkurven berechnet werden kön nen. Der zugrundeliegende Gedanke besteht darin, daß unab hängig von den Eigenheiten des jeweiligen Prozeßsignals die Grenzwerteinstellung einheitlich wird (z. B. +/-6 s). Wenn zu mindest eine näherungsweise Normalverteilung vorliegt, kann schon vorhergesagt werden, wieviel ppm Fehlersignale (NIO- Meldungen) zu erwarten sind. Im Extremfall kann man natür lich die Hüllkurvenabstände sehr groß machen. Dann führt na hezu jede Hüllkurvenüberschreitung zu einer NIO-Meldung. In diesem Fall beschränkt sich das Verfahren ausschließlich auf die Berücksichtigung der Hüllkurven. Es ist somit auch denk bar, zur Prozeßüberwachung entweder die Hüllkurven eines oder mehrerer Meßsignale oder eine oder mehrere berechnete Kennzahlen heranzuziehen.

Ziel ist es grundsätzlich, den Fertigungsprozeß möglichst in der Mitte der Toleranzbänder einzustellen, so daß dieser möglichst konstant und robust ist. Dann solle das Prozeßer gebnis durch bekannte Qualitätsmethoden geprüfen werden. Erst jetzt ist vorgesehen, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Kurvenverläufe zu speichern und danach offline die Grenzwer te zu berechnen. Danach erfolgt die Überwachung des Prozes ses online. Das Prozeßüberwachungssystem ist somit auf den momentanen Fertigungsprozeß und seine Streuung kalibriert.

Claims

1. Verfahren zum Überwachung von Fertigungsprozessen, bei dem aufgenommene Meßwerte mit Prozeßgrenzen verglichen wer den und bei Überschreitung der Prozeßgrenzen ein entspre chendes Fehlersignal mitgeteilt wird, dadurch gekennzeich net, daß zur Festlegung der Prozeßgrenzen die Standardabwei chung der aufgenommenen Meßwerte herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte einen zeitlichen Signalverlauf mit Signalen bilden und daß über die Standardabweichungen der Signale des zeitlichen Signalverlaufes mindestens eine Hüllkurve gebil det wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Standardabweichungen der Signale eine obere und eine un tere Hüllkurve bildeng

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Meßwerten mindestens eine Kennzahl berechnet wird und daß zur Festlegung der Prozeßgrenzen mindestens ein Kennzahlengrenzwert aus der Standardabweichung der Kennzahl gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Standardabweichungen von Signalen eines zeitlichen Signalverlaufes der Meßwerte mindestens eine Hüllkurve ge bildet wird, daß aus mindestens einem Signalverlauf der Meß werte mindestens eine Kennzahl berechnet wird, die mit min destens einem Kennzahlgrenzwert verglichen wird, und daß als Kennzahlgrenzwert die Standardabweichung der berechneten Kennzahl herangezogen wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Standardabweichun gen mit einem Faktor gewichtet werden.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte zur Si gnalbildung für die Ermittlung der Hüllkurven und/oder zur Berechnung der Kennzahlen über einen Bandpaß gefiltet wer den.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte zur Si gnalbildung für die Ermittlung der Hüllkurven und/oder zur Berechnung der Kennzahlen durch eine Effektivwertbildung aus den ermittelten Meßwerten gebildet werden.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte zur Si gnalbildung für die Ermittlung der Hüllkurven und/oder zur Berechnung der Kennzahlen durch ein vorgeschaltetes Online- Prozeß-Bildverarbeitungssystem bereitgestellt werden.

10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Standardabweichun gen für Werte größer und kleiner vom Mittelwert getrennt er mittelt werden.

11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der Pro zeßgrenzen zwei Durchläufe vorgenommen werden, wobei im zweiten Lauf nur die Signalverläufe berücksichtigt werden, die mit den Grenzwerten des ersten Durchlaufs nicht fehler haft waren.

12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß definierte Zeitab schnitte des Prozesses gemessen und überwacht werden.