WO1997041995A2 - Workpiece laser machining process - Google Patents

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WO1997041995A2
WO1997041995A2 PCT/DE1997/000808 DE9700808W WO9741995A2 WO 1997041995 A2 WO1997041995 A2 WO 1997041995A2 DE 9700808 W DE9700808 W DE 9700808W WO 9741995 A2 WO9741995 A2 WO 9741995A2
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response signals
frequency
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WO1997041995A3 (en
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Hartmut Zefferer
Frank Schneider
Kai-Uwe Preissig
Wolfgang Schulz
Dirk Petring
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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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
    • B23K26/034—Observing the temperature of the workpiece
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments

Definitions

  • the invention relates to a method for machining workpieces with laser radiation, in which a measurement-technical monitoring of the irradiated processing area takes place, correspondingly response signals are determined, and in which a method parameter is modulated with an excitation frequency, in which the overwrite - Process state beyond a predetermined limit is avoided.
  • a method with the aforementioned processing steps is known from DE 39 26 540 C2.
  • the irradiated processing area is covered with a radiation-absorbing layer.
  • the modulation of the process parameter, namely the laser radiation power leads to a change in the surface temperature of the coating of the workpiece, but not to a change in the temperature of the workpiece to be determined.
  • the latter can be determined by subtracting a temperature value from the measured surface temperature of the layer, which temperature value is calculated from the laser radiation power absorbed by the workpiece and the heat replacement circuit diagram of the respective workpiece.
  • the invention has for its object to improve a method with the method steps mentioned in such a way that the monitoring of the irradiated processing area even with uncoated workpieces and can be carried out without using heat substitute circuit diagrams of the workpieces to be machined.
  • a method is to be shown in which monitoring and / or regulation is carried out taking into account a predetermined, possibly critical method limit, the approximation of a process state to this predetermined limit being monitored, so that the required quality characteristics of the Processing will not be affected.
  • This object is achieved in that the alternating components of measurement signals of at least one excitation frequency are used to determine the response signals, that the processing-specific dependence of the response signals on the process parameters for the excitation frequency is pre-determined, and that the response signals are based on the aforementioned dependency be used for monitoring and / or for regulating the process state.
  • the generally known metrological monitoring of a processing area irradiated with laser radiation must result in interpretable measuring signals.
  • the measurement signals must be a measure of the process state to be monitored or controlled and its characteristic changes.
  • the measurement signals must not be excessively disturbed or noisy, so that the process state can be correctly assessed with high statistical probability. Fluctuations in the measurement signals become greater the closer the process state approaches a critical limit.
  • a critical limit is determined, for example, by the formation of a beard when cutting.
  • the setpoint to which control is to take place must be relatively far from the critical limit or limit speed. That slows down the process.
  • the process described above has the advantage that the workpiece can be machined close to the process boundary and the process can be controlled. There is no risk that the limit is exceeded unintentionally because the modulation of the process parameter does not affect the process state to be controlled.
  • At least one selected excitation frequency at which a disturbance of the process state to be controlled is therefore excluded, only rapid processes are detected, for example the change in temperature on an absorption front.
  • the alternating components are used in such a way that they serve as the basis for determining the process parameter by normalizing them to the value of the excitation amplitude. The normalization takes place in connection with a previously determined processing-specific dependency of the response signals on the process parameter for the excitation frequency.
  • the maximum permissible limit value of the process parameter can be noted in a corresponding diagram, and thus the maximum permissible manipulated variable can be limited.
  • the modulation of the method parameter is carried out using a special excitation frequency in such a way that special information is impressed on the measurement signals, which information can be evaluated by utilizing the alternating components of the measurement signals for the specific excitation frequency.
  • the measurement signals now also contain information about the time-dependent response behavior. This information about the time-dependent response behavior is processed into characteristic response signals which are to be used for evaluating the current process status.
  • the known response behavior namely the dependency of the response signals on the process parameter for the specific excitation frequency
  • the process can be approximated to a predetermined limit value without actually having to exceed this critical limit and without the risk of unintentionally crossing the border.
  • the control or regulation of the process state can be carried out using the known methods of control engineering.
  • the method described above can be used if quality features change continuously with the method parameter or with several method parameters. However, it is particularly advantageous to use the method if the predetermined limit of the process state to be controlled is determined by a swelling behavior.
  • Process states or quality features mentioned, for example, which have a clear swelling behavior include the formation of beards and burnout or scouring out during cutting, the depth of welding, pore formation and spattering during welding, and the coating damage of surface processing.
  • the excitation frequency for the modulation of the method parameters must be matched to the respective machining method. It is therefore advantageous to carry out the method in such a way that the excitation frequency is adapted on-line and the dependencies of response signals on the method parameter for the adapted excitation frequencies are adapted accordingly. Due to the on-line adaptation of the excitation frequency etc., controlled changes in process parameters can be taken into account, e.g. on the changes in the laser radiation power during contour cutting.
  • modulation parameters can also be changed, so that it is advantageous if the signal shape and / or the signal amplitude are adapted on-line as further modulation parameters.
  • the method can be carried out in such a way that the response signals are obtained from alternating components of measurement signals by means of their amplitudes and / or phases or by means of quantities derived from the measurement signals. This makes it possible to appropriately modify the method. If the response signals of measurement signals cannot be obtained from their amplitudes and / or phases, they are derived Used variables that then deliver the actual response signal. Such derived variables result from simultaneous measurement of the frequency responses at several excitation frequencies and comparison of these responses, by measuring rise times or relaxation times, by measuring extreme values, by measuring time periods of the positive or negative deviation from the mean of the measurement signal, by measuring the non-linearity of the measurement signal response, for example the distortion factor, etc.
  • the method can also be carried out in such a way that the alternating components of the measurement signals are used at intervals. With certain processing methods, it is not necessary to continuously monitor the measurement. The use of details is possible, e.g. in the case of a measurement with a fixed phase relationship to a test signal or to a modulation of the method parameter and in a fixed time interval.
  • the above-described methods can all be carried out as monitoring methods in which the process state to be influenced does not necessarily have to be regulated in accordance with the monitoring result. In the sense of automating production processes, however, it is advantageous to proceed in such a way that the response signals are used to determine manipulated variables of a controller used in a control circuit for the process parameters.
  • the method can also be used to adapt the controller.
  • the method is carried out in such a way that the response signals are used to adjust the setpoint and / or setting parameters of the controller influencing the method parameter, which uses the measurement signals.
  • Both of the above-mentioned methods can be used together to implement an adaptive controller. In principle, this can take place during the regulation of the method parameter, but also when such a regulation is not used or is interrupted.
  • a method is expedient in which the control circuit having the controller for the method parameter is interrupted at predetermined time intervals for the purpose of adjusting the setpoint and / or setting parameters and, if necessary, at least during this time a signaling and / or process interrupting monitoring takes place.
  • the signaling and / or process interrupting monitoring takes place at least during these interruption times of the machining control.
  • the intermittent setpoint and / or adjustment parameter adjustments simplify the method and improve the time behavior of the system.
  • consequential damage can be averted, for example by interrupting the process.
  • the machining process can be controlled or regulated so that a predetermined limit, which is determined, for example, by a threshold value, is not exceeded.
  • a convenient determination of the excitation frequency for the method takes place in that the excitation frequency is selected from a frequency interval that extends at most so low that a disturbance of the process state to be monitored and / or to be controlled is excluded, and that at most is so high that Processes predeterminable time behavior can still be detected.
  • excitation frequencies lying within the frequency interval it is ensured that disruptions in the process state are avoided by the modulation of the process parameter, but on the other hand even faster process changes can be detected by measurement technology.
  • the method can be carried out to approximate the cut-off limit when cutting so that when cutting workpieces the laser radiation power is modulated by an average value with an excitation frequency that is greater than the groove frequency, but if necessary smaller than that Time constants for the change in the surface temperature of the
  • heat radiation signals from the cutting front are used as measurement signals, which are applied to a detector with a beam splitter or scraper mirror arranged coaxially to the laser beam.
  • the response signal is determined from the alternating components of the amplitudes of the measurement signals.
  • the method is carried out in such a way that, when welding workpieces, the laser radiation power is modulated by an average value with an excitation frequency that is greater than the welding depth frequency, but if necessary less than the time constant for changing the luminance of the corresponds to laser-induced plasma.
  • the welding depth frequency is the typical frequency of the welding depth change.
  • a plasma radiation signal is sent from the welding capillary to the detector using a beam splitter or a hole mirror.
  • Time constants are a slow time constant from the welding depth variation in comparable process parameters and a fast time constant, namely the typical time constant for the change in the luminance of the plasma during welding.
  • the process parameter to be modulated is the laser radiation power, which is modulated by an average value of, for example, 95% P L- iax with an amplitude of, for example, 5% of P L max.
  • the excitation frequency is twice as high as the welding depth frequency. Even with this procedure the response signal corresponds to the alternating components of the measurement signal amplitude.
  • the procedure is such that when the workpieces are hardened, the laser radiation power is modulated by an average value with an excitation frequency that is greater than the hardening depth frequency, but if necessary smaller than the time constant for the change in the surface temperature of a cover layer of the workpiece.
  • the hardening depth frequency is the typical frequency of the change in the hardening depth.
  • the heat radiation signal of the absorption front is determined with a detector.
  • a slow time constant results from the hardening depth variation with comparable process parameters.
  • the laser power is modulated as described above, the excitation frequency being, for example, five times the hardening depth frequency.
  • the response signal results as the value of the alternating components of measurement signal amplitudes at excitation frequencies.
  • the speed at which the workpiece is moved relative to the processing optics is used as the manipulated variable, for example.
  • the mean laser beam power can be used as process parameters at the same time or instead.
  • Fig.l amounts of the alternating components of measurement signals as a function of excitation frequencies for different processing speeds
  • Fig.2 the course of test signals and measurement signals as a function of time, at high (-) and low ( • • • • ) values of the modulation frequency
  • a workpiece 10 is cut with laser radiation 11.
  • a relative movement takes place between the two at the speed v (t).
  • the workpiece 10 is displaced in the direction of the arrow 19, so that the vertically dashed regions of the workpiece 10 have already been severed.
  • Optical radiation namely thermal radiation or reflected laser radiation, emanates from the processing region 12 irradiated with the laser radiation 11, and noises are emitted.
  • thermal radiation 20 arrives at a scraper mirror 21, which allows the laser radiation 11 to pass unimpeded in the hole area, but fades out the heat radiation 20, so that it can be focused on a detector 23 with a lens 22 (not shown).
  • the power of the laser radiation 11 is therefore modulated in time.
  • the time course of the laser power P (t) is illustrated schematically in block 25. Po corresponds, for example, to 95% of P L max and the alternating component P ⁇ sin ( ⁇ t) is shown schematically.
  • the modulation of the laser power is a test signal, to which the process reacts with a measurement signal 14 contained in the heat radiation 20.
  • a response signal 26 is determined, which is fed to a controller 18, for example a PID controller.
  • the controller 18 uses this response signal 26 to determine a manipulated variable 13, namely a manipulated variable for the feed rate v (t).
  • Actuating variable 13 is labeled vi (t) in FIGS. 6, 7.
  • FIG. 1 In which the dependence of the amounts 15 on alternating components of measurement signals 14 on the excitation frequency 0) is shown.
  • the bottom curve of FIG. 1 results for a predetermined processing speed vi. With increasing processing speed, the amounts 15 are definitely larger, the highest at the speed v max . However, it is not the case that any excitation frequency ⁇ > could be selected in order to obtain the largest possible amounts 15 of the alternating components of measurement signals. This is explained with reference to Fig.2.
  • This demonstrates the effect of fast test signals (solid lines) and slow test signals (dotted lines) on the measurement signals when cutting a workpiece 10.
  • the test signal is a square-wave pulse that is alternately positive and negative.
  • the selected processing speed is v ⁇ vk r it, corresponding time-limited measurement signals result, even if the test signals are comparatively low-frequency.
  • the modulation is carried out at a processing speed v ⁇ vkrit, test signals with a higher excitation frequency ⁇ still result in usable measurement signals, but with a lower excitation frequency ⁇ the separation limit is exceeded during cutting. It is therefore important to select sufficiently fast test signals, that is to say to carry out the modulation of the process parameter with a sufficiently high frequency so that the machining process is not disturbed in such a way that the critical limit is exceeded. If the machining process is undisturbed, the quality characteristics required for the machining process are not impaired.
  • 3 shows, for a specific, not explained in more detail, how the practical evaluation of the representation in FIG. 1 can be carried out to determine the manipulated variables 13 for the process parameter.
  • 3 shows the dependence of the amount 15 of the alternating components on measurement signals 14 as a function of the process parameter 16, here the processing speed. This dependence basically applies to all process parameters, for example also for the laser radiation power PL.
  • the frequency of the test signal that is to say for ⁇ i, the amounts 15 of alternating components of the measurement signals are combined to form a new characteristic curve 28.
  • a manipulated variable can be determined by referring to the determined amount 15 'for the selected processing speed vi, which is indicated in the adder 29 by ei ⁇ a setpoint U ⁇ lsoH i TM is compared for the purpose of forming a difference, the resulting difference acting on the controller 18.
  • UMlsoll corresponds to the predetermined limit 17 of the process state to be controlled and has the value 15 ′′. It is therefore possible to increase the process parameter 16 or the processing speed v until the amount 15 of the alternating components of the measurement signals 14 has reached or almost reached the value 15 ′′.
  • FIG. 4 shows the control to be carried out in this way in a simplified manner, namely with block 30 for the process, for example a cutting process, and with block 31 for obtaining the response signal from the measurement signal 14.
  • the broken line explains the use of a controller 18 'in the conventional method using the measurement signal directly to obtain the manipulated variable by the controller 18'.
  • FIG. 5 shows that the alternating components of measurement signals 14 can also be used in a manner different from that described above.
  • process 30 can be controlled in a conventional manner with measurement signal 14 in control loop 32.
  • the above-described method for Fig.l to 3 is used to implement an adaptive controller 18.
  • the response signals are not used directly to regulate the process, but rather to adapt the setpoint of the controller 18, which uses the measurement signal 14, or to adapt controller parameters or setting parameters of the controller, which uses the measurement signal 14.
  • the blocks 33 for the adaptation of the setpoint and 34 for the adaptation of the controller parameters are shown in FIG. These adjustments can be made at intervals.
  • there is a process-interrupt monitoring system not shown, which can interrupt the process immediately in order to avoid consequential damage.
  • the setpoint URS is corrected, for example, which determines the input variable of the controller 18 via an adder 35 by forming the difference with the measurement signal 14.
  • the alternating components of measurement signals 14 can, at the same time or in addition to the setpoint adjustment, change setting parameters of the controller, for example its integral behavior.
  • FIGS. 6, 7 illustrate the acquisition of the response signal 26 from the measurement signal 14.
  • UMI SO 11 UMI (t) applies.
  • Block 36 shown as in Fig.6 A bandpass filter 38 is used to gain the alternating components U M1 (t) sin ( ⁇ t + ⁇ ) nen. Their course is shown in block 39. 40 denotes a square element with which the temporal dependency shown in block 41 is determined according to the relationship

Abstract

In a process for machining workpieces (10) with laser radiation (11), the irradiated machining area (12) is monitored by a measurement technique by means of which response signals (26) are determined and a process parameter (16) is modulated with an excitation frequency (φ). In order to prevent a process state to exceed a predetermined limit, the process state is monitored to check if it approaches said predetermined limit. In order to carry out this process even on non-coated workpieces, and in particular without requiring equivalent thermal networks of the workpieces to be machined, the alternating fractions (UM1(t)sin(φt+Υ)) of measurement signals (14) of at least one excitation frequency (φ) are used to determine the response signals (26), the machining-specific relation between the response signals and the process parameter (16) at the excitation frequency (φ) is predetermined, and the response signals (26) are used to monitor and/or regulate the process state, depending on said relation.

Description

Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahluncr Process for processing workpieces with laser beam
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bear- beiten von Werkstücken mit Laserstrahlung, bei dem eine me߬ technische Überwachung des bestrahlten Bearbeitungsbereichs erfolgt, derentsprechend Antwortsignale bestimmt werden, und bei dem eine Modulation eines Verfahrensparameters mit einer Anregungsfrequenz vorgenommen wird, bei der die Überschrei- tung eines Prozeßzustands über eine vorbestimmte Grenze hin¬ aus vermieden wird.The invention relates to a method for machining workpieces with laser radiation, in which a measurement-technical monitoring of the irradiated processing area takes place, correspondingly response signals are determined, and in which a method parameter is modulated with an excitation frequency, in which the overwrite - Process state beyond a predetermined limit is avoided.
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.A method with the aforementioned processing steps is known from DE 39 26 540 C2. In this known method, the irradiated processing area is covered with a radiation-absorbing layer. The modulation of the process parameter, namely the laser radiation power, leads to a change in the surface temperature of the coating of the workpiece, but not to a change in the temperature of the workpiece to be determined. As a result, the latter can be determined by subtracting a temperature value from the measured surface temperature of the layer, which temperature value is calculated from the laser radiation power absorbed by the workpiece and the heat replacement circuit diagram of the respective workpiece.
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.In contrast, the invention has for its object to improve a method with the method steps mentioned in such a way that the monitoring of the irradiated processing area even with uncoated workpieces and can be carried out without using heat substitute circuit diagrams of the workpieces to be machined. Above all, a method is to be shown in which monitoring and / or regulation is carried out taking into account a predetermined, possibly critical method limit, the approximation of a process state to this predetermined limit being monitored, so that the required quality characteristics of the Processing will not be affected.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Bestimmung der Antwortsignale die Wechselanteile von Meßsignalen min¬ destens einer Anregungsfrequenz verwendet werden, daß die be¬ arbeitungsspezifische Abhängigkeit der Antwortsignale von dem Verfahrensparamete für die Anregungsfrequenz vorermittelt wird, und daß die Antwortsignale anhand der vorgenannten Ab¬ hängigkeit bei der Überwachung und/oder für eine Regelung des Prozeßzustands verwendet werden.This object is achieved in that the alternating components of measurement signals of at least one excitation frequency are used to determine the response signals, that the processing-specific dependence of the response signals on the process parameters for the excitation frequency is pre-determined, and that the response signals are based on the aforementioned dependency be used for monitoring and / or for regulating the process state.
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 Me߬ 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.The generally known metrological monitoring of a processing area irradiated with laser radiation must result in interpretable measuring signals. The measurement signals must be a measure of the process state to be monitored or controlled and its characteristic changes. For this purpose, the measurement signals must not be excessively disturbed or noisy, so that the process state can be correctly assessed with high statistical probability. Fluctuations in the measurement signals become greater the closer the process state approaches a critical limit. Such a critical limit is determined, for example, by the formation of a beard when cutting. In order to avoid the undesired reaching or exceeding of this limit, in the known method the setpoint to which control is to take place must be relatively far from the critical limit or limit speed. That slows down the process. In contrast, the process described above has the advantage that the workpiece can be machined close to the process boundary and the process can be controlled. There is no risk that the limit is exceeded unintentionally because the modulation of the process parameter does not affect the process state to be controlled. By using the alternating components of measurement signals, At least one selected excitation frequency, at which a disturbance of the process state to be controlled is therefore excluded, only rapid processes are detected, for example the change in temperature on an absorption front. The alternating components are used in such a way that they serve as the basis for determining the process parameter by normalizing them to the value of the excitation amplitude. The normalization takes place in connection with a previously determined processing-specific dependency of the response signals on the process parameter for the excitation frequency. The maximum permissible limit value of the process parameter can be noted in a corresponding diagram, and thus the maximum permissible manipulated variable can be limited.
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 Proze߬ 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.It is important for the method that the modulation of the method parameter is carried out using a special excitation frequency in such a way that special information is impressed on the measurement signals, which information can be evaluated by utilizing the alternating components of the measurement signals for the specific excitation frequency. In addition to the information about the steady state of the process, the measurement signals now also contain information about the time-dependent response behavior. This information about the time-dependent response behavior is processed into characteristic response signals which are to be used for evaluating the current process status. Using the known response behavior, namely the dependency of the response signals on the process parameter for the specific excitation frequency, it is now possible to infer the process state from these response signals of the rapid processes and to generate a monitoring signal and / or to determine a manipulated variable of the process parameter . With the help of the test signals impressed on the measurement signals, that is to say the modulations of special excitation frequency, which are manifested in the alternating components of the measurement signals for the excitation frequency, the process can be approximated to a predetermined limit value without actually having to exceed this critical limit and without the risk of unintentionally crossing the border. The control or regulation of the process state can be carried out using the known methods of control engineering.
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 Einschwei߬ tiefe, die Porenbildung und die Spritzerbildung beim Schweis- sen sowie die Coating-Schädigung bei der Oberflächenbearbei- tung.The method described above can be used if quality features change continuously with the method parameter or with several method parameters. However, it is particularly advantageous to use the method if the predetermined limit of the process state to be controlled is determined by a swelling behavior. Process states or quality features mentioned, for example, which have a clear swelling behavior, include the formation of beards and burnout or scouring out during cutting, the depth of welding, pore formation and spattering during welding, and the coating damage of surface processing.
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 erfolgt. Durch die on-line Anpas¬ sung der Anregungsfrequenz etc. kann auf gesteuerte Verände- rungen von Verfahrensparametern Rücksicht genommen werden, z.b. auf die Änderungen der Laserstrahlungsleistung beim Kon¬ turschnitt.The excitation frequency for the modulation of the method parameters must be matched to the respective machining method. It is therefore advantageous to carry out the method in such a way that the excitation frequency is adapted on-line and the dependencies of response signals on the method parameter for the adapted excitation frequencies are adapted accordingly. Due to the on-line adaptation of the excitation frequency etc., controlled changes in process parameters can be taken into account, e.g. on the changes in the laser radiation power during contour cutting.
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 angepaßt werden.In addition to changes in the excitation frequency, further modulation parameters can also be changed, so that it is advantageous if the signal shape and / or the signal amplitude are adapted on-line as further modulation parameters.
Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß die Ant- wortsignale aus Wechselanteilen von Meßsignalen mittels deren Amplituden und/oder Phasen oder mittels von den Meßsignalen abgeleiteter Größen gewonnen werden. Damit wird es ermög¬ licht, 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 gleich¬ zeitige Messung der Frequenzantworten bei mehreren Anregungs¬ frequenzen und Vergleich dieser Antworten, durch die Messung von Anstiegszeiten bzw. Relaxationszeiten, durch die Messung von Extremwerten, durch die Messung von Zeitdauern der posi¬ tiven bzw. negativen Abweichung vom Meßsignalmittelwert, durch Messung der Nichtlinearität der Meßsignalantwort, z.B. des Klirrfaktors, usw.The method can be carried out in such a way that the response signals are obtained from alternating components of measurement signals by means of their amplitudes and / or phases or by means of quantities derived from the measurement signals. This makes it possible to appropriately modify the method. If the response signals of measurement signals cannot be obtained from their amplitudes and / or phases, they are derived Used variables that then deliver the actual response signal. Such derived variables result from simultaneous measurement of the frequency responses at several excitation frequencies and comparison of these responses, by measuring rise times or relaxation times, by measuring extreme values, by measuring time periods of the positive or negative deviation from the mean of the measurement signal, by measuring the non-linearity of the measurement signal response, for example the distortion factor, etc.
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.The method can also be carried out in such a way that the alternating components of the measurement signals are used at intervals. With certain processing methods, it is not necessary to continuously monitor the measurement. The use of details is possible, e.g. in the case of a measurement with a fixed phase relationship to a test signal or to a modulation of the method parameter and in a fixed time interval.
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.The above-described methods can all be carried out as monitoring methods in which the process state to be influenced does not necessarily have to be regulated in accordance with the monitoring result. In the sense of automating production processes, however, it is advantageous to proceed in such a way that the response signals are used to determine manipulated variables of a controller used in a control circuit for the process parameters.
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.The method can also be used to adapt the controller. In this case, the method is carried out in such a way that the response signals are used to adjust the setpoint and / or setting parameters of the controller influencing the method parameter, which uses the measurement signals. Both of the above-mentioned methods can be used together to implement an adaptive controller. In principle, this can take place during the regulation of the method parameter, but also when such a regulation is not used or is interrupted. A method is expedient in which the control circuit having the controller for the method parameter is interrupted at predetermined time intervals for the purpose of adjusting the setpoint and / or setting parameters and, if necessary, at least during this time a signaling and / or process interrupting monitoring takes place. During the interruption of the regulation of the machining process taking place at predetermined time intervals, a simple adjustment of the setpoint and / or setting parameters is achieved without having to take into account an ongoing machining regulation. In order to still be able to carry out the machining process without malfunction, the signaling and / or process interrupting monitoring takes place at least during these interruption times of the machining control. The intermittent setpoint and / or adjustment parameter adjustments simplify the method and improve the time behavior of the system. However, consequential damage can be averted, for example by interrupting the process. The machining process can be controlled or regulated so that a predetermined limit, which is determined, for example, by a threshold value, is not exceeded.
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 Modu¬ lation des Verfahrensparameters vermieden werden, anderer¬ seits aber auch noch schnellere Prozeßänderungen meßtechnisch zu erfassen sind.A convenient determination of the excitation frequency for the method takes place in that the excitation frequency is selected from a frequency interval that extends at most so low that a disturbance of the process state to be monitored and / or to be controlled is excluded, and that at most is so high that Processes predeterminable time behavior can still be detected. In the case of excitation frequencies lying within the frequency interval, it is ensured that disruptions in the process state are avoided by the modulation of the process parameter, but on the other hand even faster process changes can be detected by measurement technology.
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 derThe method can be carried out to approximate the cut-off limit when cutting so that when cutting workpieces the laser radiation power is modulated by an average value with an excitation frequency that is greater than the groove frequency, but if necessary smaller than that Time constants for the change in the surface temperature of the
Schneidfront entspricht.Cutting front corresponds.
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% PLmax (PLmax = ma¬ ximale Laserleistung) mit einer Amplitude von z.B. 5% von PL_ max 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.In the method described above, heat radiation signals from the cutting front are used as measurement signals, which are applied to a detector with a beam splitter or scraper mirror arranged coaxially to the laser beam. With this method, a slow time constant must be observed, which results in cutting grooves, and a fast time constant for the change in the surface temperature of the cutting front. The process parameter is the laser beam power, which is modulated by an average of, for example, 95% P L max (P L max = maximum laser power) with an amplitude of, for example, 5% of P L _ max and with an excitation frequency that is, for example, double is as large as the groove frequency. The response signal is determined from the alternating components of the amplitudes of the measurement signals.
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.In order to ensure through-welding during welding, the method is carried out in such a way that, when welding workpieces, the laser radiation power is modulated by an average value with an excitation frequency that is greater than the welding depth frequency, but if necessary less than the time constant for changing the luminance of the corresponds to laser-induced plasma. The welding depth frequency is the typical frequency of the welding depth change.
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% PL-ϊiax mit einer Amplitude von z.B. 5% von PLmax 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.A plasma radiation signal is sent from the welding capillary to the detector using a beam splitter or a hole mirror. Time constants are a slow time constant from the welding depth variation in comparable process parameters and a fast time constant, namely the typical time constant for the change in the luminance of the plasma during welding. The process parameter to be modulated is the laser radiation power, which is modulated by an average value of, for example, 95% P L- iax with an amplitude of, for example, 5% of P L max. For example, the excitation frequency is twice as high as the welding depth frequency. Even with this procedure the response signal corresponds to the alternating components of the measurement signal amplitude.
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.In order to achieve the approximation to the solid / liquid phase transition when machining workpieces with a radiation-absorbing top layer, the procedure is such that when the workpieces are hardened, the laser radiation power is modulated by an average value with an excitation frequency that is greater than the hardening depth frequency, but if necessary smaller than the time constant for the change in the surface temperature of a cover layer of the workpiece. The hardening depth frequency is the typical frequency of the change in the hardening depth.
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.The heat radiation signal of the absorption front is determined with a detector. A slow time constant results from the hardening depth variation with comparable process parameters. There is a fast time constant with regard to the surface temperature of the top layer. The laser power is modulated as described above, the excitation frequency being, for example, five times the hardening depth frequency. The response signal results as the value of the alternating components of measurement signal amplitudes at excitation frequencies.
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 stattdessen die mittlere Laserstrahlleistung als Verfahrensparameter zum Einsatz kom¬ men.In all three cases, the speed at which the workpiece is moved relative to the processing optics is used as the manipulated variable, for example. In the latter case in particular, the mean laser beam power can be used as process parameters at the same time or instead.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung wiederge¬ gebenen Darstellungen näher erläutert. Es zeigt:The invention is explained in more detail on the basis of the representations shown in the drawing. It shows:
Fig.l 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.l amounts of the alternating components of measurement signals as a function of excitation frequencies for different processing speeds, Fig.2 the course of test signals and measurement signals as a function of time, at high (-) and low ( • • • • ) values of the modulation frequency,
Fig.3 Beträge der Wechselanteile von Meßsignalen in Ab¬ hängigkeit von einem Verfahrensparameter,3 amounts of the alternating components of measurement signals as a function of a process parameter,
Fig.4, 5 Blockschaltbilder zur Veranschaulichung unter¬ schiedlicher Regelverfahren, und4, 5 block diagrams to illustrate different control methods, and
Fig.6, 7 durch Blockschaltungen detaillierter veranschau¬ lichte Regelkreise zur Durchführung erfindungs¬ gemäßer Verfahren.6, 7 by means of block circuits of detailed control loops for carrying out methods according to the invention.
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.According to FIGS. 6, 7, a workpiece 10 is cut with laser radiation 11. A relative movement takes place between the two at the speed v (t). In the example it is assumed that the workpiece 10 is displaced in the direction of the arrow 19, so that the vertically dashed regions of the workpiece 10 have already been severed. Optical radiation, namely thermal radiation or reflected laser radiation, emanates from the processing region 12 irradiated with the laser radiation 11, and noises are emitted. Accordingly, thermal radiation 20 arrives at a scraper mirror 21, which allows the laser radiation 11 to pass unimpeded in the hole area, but fades out the heat radiation 20, so that it can be focused on a detector 23 with a lens 22 (not shown).
Die Laserstrahlung 11 wird von einem Laser 24 abgegeben, und zwar mit einer Leistung P(t) =Pfj+Plsin(ü)t) . Die Leistung der Laserstrahlung 11 wird also zeitlich moduliert. Der zeit- liehe Verlauf der Laserleistung P(t) ist im Block 25 schema¬ tisch veranschaulicht. Po entspricht z.B. 95% von PLmax und der Wechselanteil Pιsin(ωt) ist schematisiert dargestellt.The laser radiation 11 is emitted by a laser 24 with a power P (t) = P f j + Plsin (ü) t). The power of the laser radiation 11 is therefore modulated in time. The time course of the laser power P (t) is illustrated schematically in block 25. Po corresponds, for example, to 95% of P L max and the alternating component Pιsin (ωt) is shown schematically.
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) . DieseThe modulation of the laser power is a test signal, to which the process reacts with a measurement signal 14 contained in the heat radiation 20. With the help of the measurement signal 14, a response signal 26 is determined, which is fed to a controller 18, for example a PID controller. The controller 18 uses this response signal 26 to determine a manipulated variable 13, namely a manipulated variable for the feed rate v (t). This
Stellgröße 13 ist in den Fig.6, 7 mit vi (t) bezeichnet.Actuating variable 13 is labeled vi (t) in FIGS. 6, 7.
Dementsprechend ergibt sich die Vorschubgeschwindigkeit unterAccordingly, the feed rate is below
Einsatz eines Addierers 27 aus der Sollgeschwindigkeit vsoll zu v(t)=vson-vι (t) .Use of an adder 27 from the set speed v so ll to v (t) = v so n-vι (t).
Zur Erläuterung der Gewinnung des Antwortsignals 26 für die vorbeschriebene Regelung wird auf Fig.l Bezug genommen, in der die Abhängigkeit der Beträge 15 von Wechselanteilen von Meßsignalen 14 von der Anregungsfrequenz 0) dargestellt sind. Für eine vorbestimmte Bearbeitungsgeschwindigkeit vi ergibt sich die unterste Kurve der Fig.l. Mit wachsender Be¬ arbeitungsgeschwindigkeit sind die Beträge 15 durchaus grö¬ ßer, am höchsten bei der Geschwindigkeit vmax. Es ist nun aber nicht so, daß jede beliebige Anregungsfrequenz α> 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 < vkrit, so ergeben sich entsprechende zeitlich begrenzte Meßsignale, auch wenn die Testsignale vergleichsweise niederfrequent sind. Erfolgt die Modulation hingegen bei einer Bearbeitungs¬ geschwindigkeit v ~ vkrit, 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.l 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 Laserstrahlungleistung PL. Für eine ausge- wählte Anregungsfrequenz 0), der Frequenz des Testsignals, also für ωi , 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 ωi kann eine Stellgrößenbestimmung vorgenommen werden, indem für die ge¬ wählte Bearbeitungsgeschwindigkeit vi auf den ermittelten Be¬ trag 15 ' Bezug genommen wird, der in dem Addierer 29 mit ei¬ nem Sollwert U^lsoH i™ Sinne einer Differenzbildung vergli¬ chen wird, wobei die sich dabei ergebende Differenz den Reg- 1er 18 beaufschlagt. UMlsoll 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.To explain the extraction of the response signal 26 for the regulation described above, reference is made to FIG. 1, in which the dependence of the amounts 15 on alternating components of measurement signals 14 on the excitation frequency 0) is shown. The bottom curve of FIG. 1 results for a predetermined processing speed vi. With increasing processing speed, the amounts 15 are definitely larger, the highest at the speed v max . However, it is not the case that any excitation frequency α> could be selected in order to obtain the largest possible amounts 15 of the alternating components of measurement signals. This is explained with reference to Fig.2. This demonstrates the effect of fast test signals (solid lines) and slow test signals (dotted lines) on the measurement signals when cutting a workpiece 10. In contrast to FIGS. 6, 7, the test signal is a square-wave pulse that is alternately positive and negative. If the selected processing speed is v <vk r it, corresponding time-limited measurement signals result, even if the test signals are comparatively low-frequency. If, on the other hand, the modulation is carried out at a processing speed v ~ vkrit, test signals with a higher excitation frequency ω still result in usable measurement signals, but with a lower excitation frequency ω the separation limit is exceeded during cutting. It is therefore important to select sufficiently fast test signals, that is to say to carry out the modulation of the process parameter with a sufficiently high frequency so that the machining process is not disturbed in such a way that the critical limit is exceeded. If the machining process is undisturbed, the quality characteristics required for the machining process are not impaired. For example, the roughness when cutting, the welding depth during welding and the hardening depth during surface processing do not reach unacceptable values. 3 shows, for a specific, not explained in more detail, how the practical evaluation of the representation in FIG. 1 can be carried out to determine the manipulated variables 13 for the process parameter. 3 shows the dependence of the amount 15 of the alternating components on measurement signals 14 as a function of the process parameter 16, here the processing speed. This dependence basically applies to all process parameters, for example also for the laser radiation power PL. For a selected excitation frequency 0), the frequency of the test signal, that is to say for ωi, the amounts 15 of alternating components of the measurement signals are combined to form a new characteristic curve 28. With this dependency of the amount 15 of alternating components on the parameter 16 for the excitation frequency ωi, a manipulated variable can be determined by referring to the determined amount 15 'for the selected processing speed vi, which is indicated in the adder 29 by ei¬ a setpoint U ^ lsoH i ™ is compared for the purpose of forming a difference, the resulting difference acting on the controller 18. UMlsoll corresponds to the predetermined limit 17 of the process state to be controlled and has the value 15 ″. It is therefore possible to increase the process parameter 16 or the processing speed v until the amount 15 of the alternating components of the measurement signals 14 has reached or almost reached the value 15 ″.
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 ' .4 shows the control to be carried out in this way in a simplified manner, namely with block 30 for the process, for example a cutting process, and with block 31 for obtaining the response signal from the measurement signal 14. The broken line explains the use of a controller 18 'in the conventional method using the measurement signal directly to obtain the manipulated variable by the controller 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.l 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. Währenddessen 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 URS 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 zu¬ gleich oder in Ergänzung zu der Sollwertanpassung Einstell- parameter des Reglers verändern, z.b. dessen Integralverhal¬ ten.FIG. 5 shows that the alternating components of measurement signals 14 can also be used in a manner different from that described above. On the one hand, process 30 can be controlled in a conventional manner with measurement signal 14 in control loop 32. The above-described method for Fig.l to 3 is used to implement an adaptive controller 18. In this case, the response signals are not used directly to regulate the process, but rather to adapt the setpoint of the controller 18, which uses the measurement signal 14, or to adapt controller parameters or setting parameters of the controller, which uses the measurement signal 14. Accordingly, the blocks 33 for the adaptation of the setpoint and 34 for the adaptation of the controller parameters are shown in FIG. These adjustments can be made at intervals. In the meantime, there is a process-interrupt monitoring system, not shown, which can interrupt the process immediately in order to avoid consequential damage. This applies in particular to processes which are determined by a swelling behavior. With the response signal, which corresponds to the alternating components of measurement signals 14, the setpoint URS is corrected, for example, which determines the input variable of the controller 18 via an adder 35 by forming the difference with the measurement signal 14. The alternating components of measurement signals 14 can, at the same time or in addition to the setpoint adjustment, change setting parameters of the controller, for example its integral behavior.
Die Fig.6,7 veranschaulichen die Gewinnung des Antwort¬ signals 26 aus dem Meßsignal 14. Der zeitliche Verlauf deε Meßsignals 14 ist im Block 36 dargestellt und wird durch UM(t) =UM0+UM1 <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 Uft.(t) =UMI (t) gilt. Diese Werte werden mit ei¬ nem Sollwert UMISO11 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.FIGS. 6, 7 illustrate the acquisition of the response signal 26 from the measurement signal 14. The time course of the measurement signal 14 is shown in block 36 and is represented by UM (t) = UM0 + UM1 <t) sin (ωt + Θ) described. 6, this measurement signal is applied to the lock-in amplifier 37, which receives the reference sine from the block 25, that is to say the time course of the amplitudes P (t). In known technology, the response signal 26 is obtained with the aid of the lock-in amplifier 37, namely as a function of the alternating components of the measurement signal 14, where Uft . (t) = UMI (t) applies. These values are compared with a setpoint UMI SO 11 by adder 29 and the controller 18 is acted upon accordingly. The illustrated course of the response signal 26 is exemplary and depends on the process course actually taking place.
In Fig.7 ist der zeitliche Verlauf des Meßsignals 14 imIn Figure 7, the time course of the measurement signal 14 is in
Block 36 dargestellt, wie in Fig.6. Es wird ein Bandpaßfilter 38 verwendet, um die Wechselanteile UM1 (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 BeziehungBlock 36 shown as in Fig.6. A bandpass filter 38 is used to gain the alternating components U M1 (t) sin (ωt + Θ) nen. Their course is shown in block 39. 40 denotes a square element with which the temporal dependency shown in block 41 is determined according to the relationship
U(t)=UMl(t) | sin(ωt+Θ) | ergibt. Ein Maximumdetektor 42 ergibt dann das Antwortsignal 26, das in zeitlicher Abhängigkeit beispielsweise dargestellt wurde. U (t) = UMl (t) | sin (ωt + Θ) | results. A maximum detector 42 then gives the response signal 26, which was shown, for example, as a function of time.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken (10) mit Laser¬ strahlung (11) , bei dem eine meßtechnische Überwachung des bestrahlten Bearbeitungsbereichs (12) erfolgt, der- entsprechend Antwortsignale (26) bestimmt werden, und bei dem eine Modulation eines Verfahrensparameters (16) mit einer Anregungsfrequenz (ω) vorgenommen wird, bei der die Überschreitung eines Prozeßzustands über eine vorbestimmte Grenze hinaus vermieden wird, dadurch ge- kennzeichnet, daß zur Bestimmung der Antwortsignale (26) die Wechselanteile (UM1 (t) sin (ωt+Θ) ) von Meßεig- nalen (14) mindestens einer Anregungsfrequenz (ω) ver¬ wendet werden, daß die bearbeitungsspezifische Abhängig¬ keit der Antwortsignale von dem Verfahrensparameter (16) für die Anregungsfrequenz (Cö) vorermittelt wird, und daß die Antwortsignale (26) anhand der vorgenannten Abhän¬ gigkeit bei der Überwachung und/oder für eine Regelung des Prozeßzustands verwendet werden.1. A method for processing workpieces (10) with laser radiation (11), in which the irradiated processing area (12) is monitored by measurement technology, corresponding response signals (26) are determined, and in which a method parameter (16 ) is carried out with an excitation frequency (ω) at which the exceeding of a process state beyond a predetermined limit is avoided, characterized in that the alternating components (U M1 (t) sin (ωt + Θ) are used to determine the response signals (26) )) of measurement signals (14) of at least one excitation frequency (ω) are used, that the processing-specific dependency of the response signals on the process parameter (16) for the excitation frequency (Co) is determined beforehand, and that the response signals (26) on the basis of the above-mentioned dependency for monitoring and / or for controlling the process state.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es angewendet wird, wenn die vorbestimmte Grenze (17) des zu überwachenden Prozeßzustands durch ein Schwellverhalten bestimmt ist.2. The method according to claim 1, characterized in that it is used when the predetermined limit (17) of the process state to be monitored is determined by a swelling behavior.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß eine on-line Anpassung der Anregungsfre¬ quenz (ω) und eine entsprechende Anpassung von Abhängig¬ keiten von Antwortsignalen von dem Verfahrensparameter (16) für die angepaßten Anregungsfrequenzen (ω) erfolgt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized gekenn¬ characterized in that an on-line adaptation of the excitation frequency (ω) and a corresponding adaptation of dependencies of response signals on the process parameter (16) for the adapted excitation frequencies (ω) he follows.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Modulati¬ onsparameter die Signalform und/oder die Signalamplitude on-line angepaßt werden. Method according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the signal shape and / or the signal amplitude are adapted on-line as further modulation parameters.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis5. The method according to one or more of claims 1 to
4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antwortsignale aus Wechselanteilen (UMχ (t) sin(ωt+Θ) ) von Meßsignalen (14) mittels deren Amplituden und/oder Phasen oder mittels von den Meßsignalen (14) abgeleiteter Größen gewonnen werden.4, characterized in that the response signals are obtained from alternating components (U M χ (t) sin (ωt + Θ)) of measurement signals (14) by means of their amplitudes and / or phases or by means of quantities derived from the measurement signals (14).
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis6. The method according to one or more of claims 1 to
5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwendung der Wechselanteile (UMι (t) sin(ωt+Θ) ) der Meßsignale (14) in¬ tervallweise erfolgt.5, characterized in that the alternating components (U M ι (t) sin (ωt + Θ)) of the measurement signals (14) are used at intervals.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis7. The method according to one or more of claims 1 to
6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antwortsignale (26) zur Bestimmung von Stellgrößen (13) eines in einem6, characterized in that the response signals (26) for determining manipulated variables (13) one in one
Regelkreis für den Verfahrensparameter (16) eingesetzten Reglers (18) verwendet werden.Control circuit for the process parameter (16) used controller (18) can be used.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antwortsignale (26) zur Sollwert- und/oder8. The method according to claim 7, characterized in that the response signals (26) for setpoint and / or
Einstellparameteranpassung des den Verfahrensparameter (16) beeinflussenden Reglers (18) verwendet werden, der die Meßsignale (14) benutzt.Adjustment parameters of the controller (18) influencing the process parameter (16) are used, which uses the measurement signals (14).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der den Regler (18) aufweisende Regelkreis für den Verfahrensparameter (16) in vorbestimmten Zeitabständen zwecks Sollwert- und/oder Einstellparameteranpassung un¬ terbrochen wird und bedarfsweise zumindest währenddessen eine signalgebende und/oder prozeßunterbrechende Überwa¬ chung erfolgt .9. The method according to claim 8, characterized in that the control circuit (18) having the control loop for the process parameters (16) is interrupted at predetermined time intervals for the purpose of setpoint and / or adjustment parameter adjustment and if necessary at least during this time a signaling and / or process-interrupting monitoring ¬ chung takes place.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis10. The method according to one or more of claims 1 to
9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsfrequenz (CD) aus einem Frequenzintervall gewählt wird, das höchstens so tief reicht, daß eine Störung des zu über¬ wachenden und/oder des zu regelnden Prozeßzustands aus¬ geschlossen ist, und das höchstens so hoch reicht, daß Vorgänge vorbestimmbaren Zeitverhaltens noch detektiert werden können. 9, characterized in that the excitation frequency (CD) is selected from a frequency interval which extends at most so low that a disturbance of the process state to be monitored and / or to be regulated is excluded, and which at most reaches as high, that processes of predeterminable time behavior can still be detected.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schneiden von Werkstücken (10) die Laserstrahlungsleistung um einen Mittelwert mit einer Anregungsfrequenz (ω) moduliert wird, die größer als die Riefenfrequenz ist, bedarfs¬ weise aber kleiner, als es der Zeitkonstanten für die Änderung der Oberflächentemperatur der Schneidfront ent¬ spricht .11. The method according to one or more of claims 1 to 10, characterized in that when cutting workpieces (10), the laser radiation power is modulated by an average value with an excitation frequency (ω) which is greater than the groove frequency, but smaller as required than it corresponds to the time constant for the change in the surface temperature of the cutting front.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweißen von Werkstücken (10) die Laserstrahlungsleistung um einen Mittelwert mit einer Anregungsfrequenz moduliert wird, die größer als die Einschweißtiefenfrequenz ist, be¬ darfsweise aber kleiner, als es der Zeitkonstanten für die Änderung der Leuchtdichte des laserinduzierten Plas¬ mas entspricht.12. The method according to one or more of claims 1 to 10, characterized in that when welding workpieces (10) the laser radiation power is modulated by an average value with an excitation frequency that is greater than the welding depth frequency, but may be smaller than it corresponds to the time constant for the change in the luminance of the laser-induced plasma.
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. 13. The method according to one or more of claims 1 to 10, characterized in that during the hardening of workpieces (10) the laser radiation power is modulated by a mean value with an excitation frequency which is greater than the hardening depth frequency, but less if necessary, than it corresponds to the time constant for the change in the surface temperature of a cover layer of the workpiece (10).
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