Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerungsverfahren für eine Laserbearbeitungsmaschine, eine Laserbearbeitungsmaschine und ein Computerprogrammprodukt nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.

Das Bearbeiten von Werkstücken mit Lasertechnologien gewinnt an wirtschaftlicher Bedeutung. In dem Zusammenhang ist insbesondere das Schweissen und Schneiden von Werkstücken zu nennen, etwa das präzise Verschweissen von Batteriezellen für Elektroantriebe oder von Brennstoffzellen. Das Verschweissen von Batteriezellen ist ein kritischer Prozess, auch hinsichtlich von Sicherheitsanforderungen. Für die Steuerung und Prozessüberwachung einer Laserbearbeitungsmaschine zum Laserschweissen wird eine Vielzahl von Daten verarbeitet, etwa die Leistung einer Laserquelle und die räumliche Position einer Prozessoptik, etwa eines Laserscanners. Die einzelnen Komponenten der Laserbearbeitungsmaschine, welche Mittel zum Laserschweissen und Mittel zum Überwachen des Laserschweissens umfasst, werden von jeweiligen Steuerungseinrichtungen gesteuert.

Bestimmte Laserschweissprozesse, etwa das erwähnte Batterieschweissen oder Schweissen von Brennstoffzellen, stellen erhöhte Anforderungen an die Sicherheit, welche unbedingt gewährleistet werden müssen.

Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Steuerungsverfahren für eine Laserbearbeitungsmaschine, eine Laserbearbeitungsmaschine und ein Computerprogrammprodukt bereitzustellen, welche hohen Sicherheitsanforderungen entsprechen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Steuerungsverfahren für eine Laserbearbeitungsmaschine, eine Laserbearbeitungsmaschine und ein Computerprogrammprodukt bereitzustellen, welche eine umfassende Aufzeichnung aller relevanten Prozessgrössen der Laserbearbeitungsmaschine im Betrieb ermöglichen.

Hierzu sind ein Steuerungsverfahren für eine Laserbearbeitungsmaschine, eine Laserbearbeitungsmaschine und ein Computerprogrammprodukt nach den unabhängigen Ansprüchen vorgesehen.

Erfindungsgemäss vorgesehen ist ein Steuerungsverfahren für eine Laserbearbeitungsmaschine mit den Verfahrensschritten

- Bereitstellen einer Laserbearbeitungsmaschine umfassend eine Laserquelle, eine Prozessoptik sowie eine Steuerungseinrichtung der Laserbearbeitungsmaschine;

- Erzeugen von redundanten Daten der Laserquelle und der Prozessoptik;

- Übertragen der redundanten Daten der Laserquelle und der Prozessoptik über Datenstreaming zur Steuerungseinrichtung;

- Vergleichen der redundanten Daten.

Weiterhin ist ein Computerprogrammprodukt zum Ausführen des Verfahrens vorgesehen.

Ferner ist vorgesehen eine Laserbearbeitungsmaschine umfassend eine Laserquelle, eine Prozessoptik sowie eine Steuerungseinrichtung, wobei die Laserbearbeitungsmaschine dazu ausgebildet ist, redundante Daten der Laserquelle und der Prozessoptik mittels Datenstreaming zur Steuerungseinrichtung zu übertragen und die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die redundanten Daten mittels Datenstreaming zu empfangen und zu vergleichen.

Vorteilhafte Beispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei einem Beispiel werden die redundanten Daten auf Identität, Plausibilität und/oder Integrität verglichen oder geprüft. Auf diese Weise wird mit hoher Wahrscheinlichkeit festgestellt, ob die Daten korrekt sind oder Fehler aufweisen, wobei Datenfehler den sicheren Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine gefährden können.

Bei einem Beispiel erfolgt das Datenstreaming über optische Faserverbindungen und ermöglicht damit eine zuverlässige und schnelle Übertragung kritischer Daten zur Steuerungseinrichtung. Weiter kann das Datenstreaming über elektrische Leitungsverbindungen oder über drahtlose Verbindungen, gewöhnliche Funkverbindungen mittels modulierter elektromagnetischer Wellen, erfolgen. Hiermit wird eine kostengünstige und standardisierbare Datenübertragung ermöglicht.

Bei einem weiteren Beispiel werden die redundanten Daten bezüglich der Laserleistung der Laserquelle, der Prozessoptik, des thermischen Profils an einem zu bearbeitenden Werkstück, von einer Kameraeinrichtung, einer OCT-Einrichtung und/oder eines Spektrometers erzeugt und zur Steuerungseinrichtung übertragen.

Bei einem weiteren Beispiel werden redundante Daten bezüglich der Position eines Roboters zum Verfahren der Prozessoptik und der Position eines Werkstücks bei der Laserbearbeitungsmaschine erzeugt und übertragen. Das Werkstück wird gewöhnlich von einer Transporteinrichtung oder Maschine transportiert. Der Roboter ist im Betrieb nahe der Maschine installiert, um ein Ausrichten der Prozessoptik zum Werkstück zu gewährleisten. Der Roboter und die Maschine können von der Laserbearbeitungsmaschine umfasst sein. Die derart verfügbar gemachten redundanten Daten haben sich als relevant für die Betriebssicherheit der Laserbearbeitungsmaschine und insbesondere für den sicheren Ablauf der Prozesse beim Bearbeiten mit Laserstrahlung erwiesen.

Bei einem weiteren Beispiel der Erfindung wird eine Sicherheitsabschaltung der Laserquelle ausgelöst, wenn der Vergleich der redundanten Daten keine Identität der redundanten Daten ergibt oder die verglichenen redundanten Daten eine Fehlerschwelle überschreiten. Festgestellt wurde, dass mit den beschriebenen Merkmalen der Steuerungseinrichtung die Betriebssicherheit der Prozesse einer Laserbearbeitungsmaschine wesentlich erhöht werden kann. Bei einem weiteren Beispiel umfasst die Laserbearbeitungsmaschine ein Data Stream Management System (DSMS). Hiermit wird die Verwaltung der anfallenden grossen Datenmengen vereinfacht und kann vereinheitlicht werden.

In einer Ausführungsform werden die redundanten Daten aufgezeichnet und gespeichert, wobei die gespeicherten redundanten Daten zu mit der Laserbearbeitungsmaschine bearbeiteten Werkstücken zugeordnet werden. Die empfangenen redundanten Daten stehen hierdurch für jedes bearbeitete Werkstück zur Verfügung und können bei späteren Bearbeitungsvorgängen abgerufen werden. Somit kann mit den redundanten Daten eine Qualitätsdatenspeicherung oder Quality Data Storage durchgeführt werden.

Nachfolgend ist die Erfindung in Einzelheiten anhand eines Beispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte schematische Ansicht einer Laserbearbeitungsmaschine mit einer Laserquelle, einer Steuerungseinrichtung, einem Roboter zum Verfahren eines Bearbeitungskopfs mit Prozessoptik und eine Maschine zum Transport eines zu bearbeitenden Werkstücks, sowie Datenstreaming zu und von der Steuerungseinrichtung.

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte schematische Ansicht einer Laserbearbeitungsmaschine 1 zum Bearbeiten von Werkstücken, gewöhnlich zum Schweissen oder Schneiden von Werkstücken verschiedener Materialien. Das Werkstück ist bei diesem Beispiel eine Batteriezelle oder eine Brennstoffzelle. Die Grössenverhältnisse in Fig. 1 entsprechen nicht den tatsächlichen Grössenverhältnissen, sondern sind aus Gründen der Darstellung gewählt. Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst eine Laserquelle 2, welche gesteuert von einer Lasersteuerung 4 Laserstrahlung erzeugt und weiterleitet. In diesem Beispiel wird die Laserstrahlung mit niedriger Leistung in ein Laserlichtkabel 3 eingekoppelt und einem Laserscanner zugeführt, welcher bei diesem Beispiel als Prozessoptik 5 zum optischen Überwachen des Ergebnisses der Laserbearbeitung dient. Die Laserbearbeitung des Werkstücks wird mit höherer Leistung der Laserquelle 2 durchgeführt, welche über das Laserlichtkabel 3 einer Schneiddüse oder Schweissdüse in einem Bearbeitungskopf 18 zugeführt wird. Die Prozessoptik 5 ist im Bearbeitungskopf 18 angeordnet, welcher bei diesem Beispiel an einem Industrieroboter oder Roboter 16 angebracht ist und von diesem gesteuert bewegt wird. Die Prozessoptik 5 ist beispielsweise als ein Laserscanner ausgeführt. Der Roboter 16 besteht aus einem Gehäuse mit Steuerung und einer Anordnung von gesteuerten beweglichen und miteinander verbundenen Roboterarmen. Auf diese Weise kann der Bearbeitungskopf 18 frei beweglich ausgerichtet werden und die Laserstrahlung vom Laserscanner oder der Schneid- oder Schweissdüse verschiedenen Positionen zugeführt werden. Im Bearbeitungskopf 18 ist eine Kameraeinrichtung 6 angeordnet, welche Kamerabilder vom Werkstück aufnimmt, insbesondere von einem Wechselwirkungsbereich des Laserstrahls am Werkstück, etwa einer Schweissnaht. Alternativ oder ergänzend können im Bearbeitungskopf 18 eine OCT-Einrichtung und/oder ein Spektrometer angeordnet sein.

Die Laserstrahlung mit niedriger Leistung wird vom Laserscanner einem zu bearbeitenden Werkstück zugeführt, das auf einer von der Laserbearbeitungsmaschine 1 umfassten Transportmaschine oder Maschine 20 transportiert wird. Die Maschine 20 ist nahe beim Roboter 16 angeordnet, so dass die Laserstrahlung vom Bearbeitungskopf 18 auf das Werkstück auf der Maschine 20 auftreffen kann. Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst weiter mindestens eine Steuerungseinrichtung 10, welche unterschiedliche Steuerungsfunktionen ausführt. Die Steuerungseinrichtung 10 ist mit der Laserquelle 2, dem Roboter 16, dem Bearbeitungskopf 18 und mit der Maschine 20 über Datenleitungen verbunden. Die Datenleitungen sind optische Faserverbindungen, die einen schnellen Datentransport gewährleisten, oder drahtlose Funkverbindungen. Der Datentransport der Daten erfolgt mittels Datenstreaming, wobei ein kontinuierlicher Fluss von Datensätzen übertragen wird und direkt in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit verarbeitet wird. Die Steuerungseinrichtung 10 umfasst in diesem Beispiel wenigstens eine Prozessoreinheit 11 , welche Daten von der Laserquelle 2, dem Bearbeitungskopf 18, dem Roboter 16 und von der Maschine 20 verarbeitet. In der Steuerungseinrichtung 10 werden die redundanten Daten verarbeitet oder bewertet, d.h. aus den Rohdaten etwa von Kameras, welche redundante Daten liefern, werden mittels Bildverarbeitungssoftware bewertete Daten erzeugt, aus welchen etwa Temperaturverläufe am Werkstück oder die Ausrichtung des Werkstücks in der Maschine 20 abgeleitet werden.

In der Steuerungseinrichtung 10 liegen dann Daten bezüglich der Laserleistung der Laserquelle 2, von der Prozessoptik 5 aufgenommene Daten, Positionsdaten der Prozessoptik 5, des thermischen Profils am zu bearbeitenden Werkstück, bezüglich der Position des Roboters 16 zum Verfahren des Laserscanners, der Position des Werkstücks und von weiteren Prozessgrössen vor. Von der Prozessoptik 5 aufgenommene Daten sind etwa Scandaten von Merkmalen einer Schweissnaht, Abmessungen und Tiefe der Schweissnaht, oder Scandaten von Schneidkanten. Die Prozessoptik 5 kann als Scanner ausgeführt sein, der mit Mitteln für die optical coherence tomography (OCT) ausgebildet ist und erzeugt in diesem Fall OCT Daten. Die Steuerungseinrichtung 10 umfasst weiter ein Data Stream Management System (DSMS), welches die Verarbeitung der eingehenden Datensätze aus dem Datenstreaming vereinfacht. Von wenigstens einer der vorstehenden Prozessgrössen werden Daten redundant erzeugt, die Daten werden unabhängig voneinander von unterschiedlichen Messgeräten oder Sensoren erfasst. Beispielsweise wird die Laserleistung der Laserquelle 2 von zwei Messgeräten unabhängig voneinander gemessen. Weiterhin umfasst die Steuerungseinrichtung 10 eine Prozessloggingeinheit 12 zum Erstellen von Protokollen der verbundenen Komponenten in Echtzeit und eine Benutzerschnittstelle 15 zur Prozessvisualisierung von Prozessen der Laserbearbeitungsmaschine 1 im Betrieb. Die Prozessloggingeinheit 12 und die Benutzerschnittstelle 15 können auch integriert in einer Einrichtung vorliegen. Weiterhin umfasst die Steuerungseinrichtung 10 eine erste Überwachungseinheit 13 und eine zweite Überwachungseinheit 14, welchen die redundanten Daten zugeführt werden. Die vorgenannten Daten der Laserbearbeitungsmaschine 1 liegen somit im Betrieb unabhängig voneinander erfasst in der ersten Überwachungseinheit 13 und in der zweiten Überwachungseinheit 14 als redundante Daten vor. In der Steuerungseinrichtung 10 werden die redundanten Daten bewertet, d.h.:

Die jeweiligen redundanten Daten und die ausgewerteten oder bewerteten Daten aus den redundanten Daten in der ersten Überwachungseinheit 13 und in der zweiten Überwachungseinheit 14 werden miteinander verglichen. Dieser Datenvergleich ist in der Fig. 1 mit einem gestrichelten Doppelpfeil dargestellt. Beispielsweise wird die von einem Messgerät erfasste Laserleistung der Laserquelle 2 verglichen, welche der ersten Überwachungseinheit 14 mittels Datenstreaming zugeführt wird, mit der Laserleistung der Laserquelle 2, welche von einem anderen Messgerät erfasst wird und der zweiten Überwachungseinheit 14 mittels Datenstreaming zugeführt wird. Redundante Daten anderer Prozessgrössen werden entsprechend verglichen. Beim Vergleich oder cross check der redundanten Daten oder der ausgewerteten oder bewerteten redundanten Daten in der Steuerungseinrichtung 10 können Fehlfunktionen im Prozessablauf der Laserbearbeitungsmaschine 1 zuverlässig und schnell entdeckt werden. Festgestellt wird, dass ein Messgerät oder Sensor aus verschiedenen Gründen möglicherweise unkorrekte Daten erzeugt, wobei ein sicherer Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine 1 nicht mehr gewährleistet sein kann. In der Steuerungseinrichtung 10 sind Fehlerschwellen auf der Grundlage des Datenvergleichs gespeichert, bei deren Überschreiten ein Fehler im Prozess erkannt wird. In diesem Fall, wenn keine Identität, Integrität und/oder Plausibilität der mit Datenstreaming übertragenen redundanten Daten vorliegt, wird von der Steuerungseinrichtung 10 eine Sicherheitsabschaltung der Laserquelle 2 ausgelöst, welche ein Einstellen des Betriebs der Laserbearbeitungsmaschine 1 bewirkt.

Die redundanten Daten werden aufgezeichnet und gespeichert, wobei die gespeicherten redundanten Daten zu mit der Laserbearbeitungsmaschine 1 bearbeiteten Werkstücken zugeordnet werden. Jedem Werkstück sind redundante Datensätze von Prozessgrössen zugeordnet, welche erzeugt werden beim Bearbeiten des entsprechenden Werkstücks. Das Material und die Eigenschaften, etwa die Dicke, der Werkstücke sind den redundanten Daten zugeordnet, die redundanten Daten sind demnach werkstückbezogen. Die empfangenen redundanten Daten stehen hierdurch für jedes bearbeitete Werkstück zur Verfügung und können bei späteren Bearbeitungsvorgängen abgerufen werden. Aufgezeichnete redundante Daten von Prozessgrössen, bei welchen eine fehlerfreie Bearbeitung durchgeführt wird, können bei gleichen oder ähnlichen Werkstücken erneut verwendet werden. Gleichwohl können aufgezeichnete redundante Daten von Prozessgrössen, bei welchen eine mangelhafte Bearbeitung auftritt, aussortiert und nicht mehr weiter verwendet werden. Etwa kann bei einem Bearbeiten eines gleichen Werkstücks wie ein fehlerfrei bearbeitetes Werkstück die Laserleistung der Laserquelle 2, Positionsdaten der Prozessoptik 5, die Position des Roboters 16 zum Verfahren des Laserscanners und von weiteren Prozessgrössen oder Parametern der Laserbearbeitungsmaschine 1 entsprechend eingestellt werden. Somit kann mit den redundanten Daten eine Qualitätsdatenspeicherung oder Quality Data Storage durchgeführt werden, wobei die gespeicherten redundanten Daten oder die bewerteten redundanten Daten in der Laserbearbeitungsmaschine 1 und beim Laserbearbeitungsverfahren weiter verwendet werden um Prozessgrössen oder Parameter an der Laserbearbeitungsmaschine 1 einzustellen. Die vorstehenden Merkmale stellen eine Qualitätssicherung für die Laserbearbeitungsmaschine 1 und das Laserbearbeitungsverfahren bereit. Ferner können die aufgezeichneten redundanten Daten mit Referenzdaten verglichen werden, so dass festgestellt wird, ob sich die redundanten Daten der Prozessgrössen in einem als sicher eingestuften Grössenbereich befinden. Wenn sich die redundanten Daten bei diesem Beispiel ausserhalb eines sicheren Grössenbereichs befinden, kann eine Notabschaltung der Laserbearbeitungsmaschine 1 erfolgen.

Bezugszeichenhste

Laserbearbeitungsmaschine

Laserquelle

Laserlichtkabel

Lasersteuerung

Prozessoptik

Kameraeinrichtung

Steuerungseinrichtung

Prozessoreinheit

Prozessloggingeinheit erste Überwachungseinheit zweite Überwachungseinheit

Benutzerschnittstelle

Roboter

Bearbeitungskopf

Maschine