Bildsensors

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System zum Überwachen eines Laserbearbei tungsprozesses zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl und ein Laserbear beitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, welches ein sol ches System umfasst. Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Über wachen eines Laserbearbeitungsprozesses zum Bearbeiten eines Werkstücks.

Hintergrund und Stand der Technik

In einem Laserbearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laser strahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf das zu bearbeitende Werk stück fokussiert oder gebündelt. Die Bearbeitung kann beispielsweise ein Laserschneiden oder -schweißen umfassen. Das Laserbearbeitungssystem kann beispielsweise einen Laser bearbeitungskopf umfassen. Bei der Laserbearbeitung eines Werkstücks ist es wichtig, den Bearbeitungsprozess zu überwachen bzw. zu regeln und die Qualität der Bearbeitung zu sichern.

Dies erfolgt beispielsweise durch Aufnahme von Bildern bzw. eines Videos eines Bearbei tungsbereichs der Werkstückoberfläche (auch „Prozesszone“ genannt) und anschließender Bildverarbeitung und -auswertung während des Laserbearbeitungsprozesses zum Überwa chen oder nach Abschluss des Laserbearbeitungsprozesses zur Qualitätssicherung. Der Be arbeitungsbereich kann insbesondere eine Dampfkapillare (auch „Keyhole“ genannt) und das die Dampfkapillare umgebende Schmelzbad umfassen.

Dazu werden üblicherweise sogenannte „framebasierte Kameras“ verwendet. Framebasierte Kameras beruhen auf dem Prinzip, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in bestimmten zeitlichen Abständen der komplette Bildsensor der Kamera belichtet wird. Dadurch entsteht ein einzelnes, dem jeweiligen Zeitpunkt zugeordnetes Bild der Werkstückoberfläche. Meh rere solcher Einzelbilder werden vollständig und nacheinander an eine Recheneinheit zur weiteren Bildverarbeitung und -auswertung übertragen oder werden gespeichert. Ein einzel nes Bild wird auch als „Frame“ bezeichnet. Eine Eigenschaft der framebasierten Kameras betrifft die Anzahl von Frames, die pro Sekunde von der jeweiligen Kamera aufgenommen werden können, und wird in „frames per second“ oder kurz „fps“ angegeben. Bei der Bild aufnahme durch eine framebasierte Kamera werden alle Informationen jedes Pixels aufge- nommen und übertragen, was z.B. bei relativ kleinen Änderungen im Bild zu einer enormen Redundanz in der erzeugten und übertragenen Information führt. Dies wiederum führt zu einer großen Menge von erzeugten und übertragenen Bilddaten.

Sowohl während („Online“) als auch nach („Offline“) der Durchführung eines Laserbear beitungsprozesses werden die so erzeugten Bilddaten als Eingangsdaten für eine Bildverar beitung und -auswertung mittels verschiedener Verfahren bzw. Algorithmen genutzt. Off line können die Bilddaten einerseits dazu genutzt werden, um optimale Parameter für unter schiedliche Schritte des Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere Einstechen, Schneiden, Schweißen, zu bestimmen, um im nächsten Zug die einzelnen Schritte zu verbessern. Zum anderen können die Daten in Kombination mit verschiedenen Modellen und Algorithmen dazu benutzt werden, um das Ergebnis des Lasermaterialbearbeitungsprozesses zu überwa chen, oder um zu bestimmen, ob ein Bearbeitungsfehler vorliegt und um welche Art von Bearbeitungsfehler es sich handelt. Online können die Bilddaten verwendet werden, um den Laserbearbeitungsprozess zu überwachen und/oder zu regeln, indem Einfluss auf Parameter des Laserbearbeitungsprozesses genommen wird.

Damit bei diesen Verfahren hinreichend gute Ergebnisse zu erzielen, müssen die Bilddaten bestimmte Qualitätsanforderungen erfüllen. Im Bereich der Laserbearbeitungsprozesse bzw. -Systeme ist dies jedoch aus mehreren Gründen schwierig.

Zum einen können die während des Laserbearbeitungsprozesses vorherrschenden schwieri gen Lichtverhältnisse zum Problem werden. Insbesondere können sich die Lichtverhältnisse ständig und/oder abrupt ändern. Um mit framebasierten Kameras für die Überwachung ge eignete Bilder oder Videos zu erzeugen, ist daher im Allgemeinen eine zusätzliche Beleuch tung nötig, oft in Kombination mit einem hochwertigen Bandpassfilter, der insbesondere bei der Wellenlänge der Beleuchtung durchlässig ist, um brauchbare Bilddaten zu erzeugen.

Hinzu kommt, dass die verwendeten Maschinen des Laserbearbeitungssystems stetig schneller werden. Insbesondere können die einzelnen Schritte eines Laserbearbeitungspro zesses immer schneller ablaufen, um gewinnbringender zu produzieren. Dies führt dazu, dass der fps-Wert framebasierter Kameras steigen muss, weshalb einerseits die Belichtungs zeiten für ein einzelnes Frame immer kürzer werden müssen. Der Dynamikumfang frame- basierter Kameras ist dabei begrenzt. Andererseits führt dies zu einem enormen Anstieg der erzeugten und zu verarbeitenden Bilddaten.

Offenbarung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Überwachung und/oder eine Regelung eines Laser bearbeitungsprozesses, insbesondere in Echtzeit, zu ermöglichen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine Regelung von zumindest einem Parameter des Laserbearbei tungsprozesses zu ermöglichen.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die für die Überwachung eines Laserbearbei tungsprozesses benötigte Rechenleistung, Systemkosten und/oder den Stromverbrauch zu reduzieren. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, die bei der Überwachung eines Laser bearbeitungsprozesses anfallende Menge der erzeugten und übertragenen Bilddaten zu re duzieren.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Überwachung eines Laserbearbeitungspro zesses ohne zusätzliche Beleuchtungseinheiten zu verbessern.

Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vor teilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der entsprechen den abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, zur Überwachung eines Laserbearbeitungs prozesses, etwa Laserschneiden oder Laserschweißen, neuromorphe Bildsensoren einzuset zen. Der neuromorphe Bildsensor kann auch als „eventbasierter Bildsensor“ bezeichnet werden, und kann insbesondere als eine eventbasierte Kamera ausgebildet sein. Dement sprechend kann die Überwachung mit einem neuromorphen Bildsensor als „eventbasierte Überwachung“ bezeichnet werden. Neuromorphe Bildsensoren weisen einen größeren Dy namikbereich und eine höhere äquivalente Framerate und damit eine höhere zeitliche Auflö sung als framebasierte Kameras auf. Zudem werden keine redundanten Informationen bzw. Bilddaten erzeugt oder übertragen. Durch die Verwendung von neuromorphen Bildsensoren wird somit eine verbesserte Überwachung und/oder Regelung von Laserbearbeitungsprozes sen, insbesondere in Echtzeit, ermöglicht. Insbesondere wird eine Überwachung von schnell ablaufenden Laserbearbeitungsprozessen verbessert. Gleichzeitig kann die für eine Bildver arbeitung bzw. -auswertung benötigte Rechenleistung verringert, und der Stromverbrauch reduziert werden. Ferner ist keine separate Beleuchtung des Laserbearbeitungsprozesses nötig. Aufgrund der verringerten Rechenleistung und des verringerten Stromverbrauchs können die für die Bildverarbeitung und -auswertung verwendete Recheneinheiten kleiner bzw. kompakter ausgebildet sein, und können beispielsweise in einem Laserbearbeitungs- köpf integriert sein, wodurch Systemkosten, insbesondere Herstellungskosten, gesenkt wer den können.

Die neuromorphen Bildsensoren können darüber hinaus mit Verfahren bzw. Algorithmen des maschinellen Lernens („Machine Learning“, kurz „ML“) kombiniert werden.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Überwachen eines Laserbearbeitungsprozesses zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl ange geben, das System umfassend: einen neuromorphen Bildsensor, der eingerichtet ist, um Bilddaten des Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere von einer Oberfläche des Werk stücks, zu erzeugen, und eine Recheneinheit, die eingerichtet ist, basierend auf den Bildda ten Eingangsdaten zu bestimmen, und basierend auf den Eingangsdaten mittels einer Über tragungsfunktion Ausgangsdaten zu bestimmen, die Informationen über den Laserbearbei tungsprozess enthalten. Die Ausgangsdaten können zur Qualitätsüberwachung und/oder Regelung des Laserbearbeitungsprozesses verwendet werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Laserbearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl angegeben, das Laserbearbeitungs system umfassend: einen Laserbearbeitungskopf zum Einstrahlen eines Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück; und das vorstehend beschriebene System zum Überwachen eines Laserbearbeitungsprozesses.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Überwa chen eines Laserbearbeitungsprozesses zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laser strahl, das Verfahren umfassend die Schritte: Erzeugen von Bilddaten des Laserbearbei tungsprozesses mittels eines neuromorphen Bildsensors, Bestimmen von Eingangsdaten, basierend auf den Bilddaten, und Bestimmen von Ausgangsdaten, basierend auf den Ein gangsdaten mittels einer Übertragungsfunktion, wobei die die Ausgangsdaten Informationen über den Laserbearbeitungsprozess enthalten. Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt Regeln, insbesondere in Echtzeit, zumindest eines Parameters des Laserbearbei tungsprozesses basierend auf den bestimmten Ausgangsdaten. Das Verfahren kann das Re geln, insbesondere in Echtzeit, zumindest eines Parameters des Laserbearbeitungsprozesses basierend auf den bestimmten Ausgangsdaten umfassen.

Durch den neuromorphen Bildsensor kann die Werkstückoberfläche, der Laserbearbei tungsprozess, sowie Dampf des schmelzenden Materials sichtbar bzw. abgebildet werden. In einer Ausführungsform kann die spektrale Empfindlichkeit des neuromorphen Bildsensors im sichtbaren Bereich und/oder im Grenzbereich zwischen sichtbaren Bereich und infrarotem Bereich liegen.

Die Recheneinheit des Systems kann eingerichtet sein, das vorstehend beschriebene Verfah ren zum Überwachen eines Laserbearbeitungsprozesses auszuführen. Mit anderen Worten kann das Verfahren durch die Recheneinheit ausgeführt werden.

Die Übertragungsfunktion zwischen den Eingangsdaten und den Ausgangsdaten kann durch ein angelerntes neuronales Netz gebildet sein. Die Recheneinheit kann also durch die Über tragungsfunktion eine Bildverarbeitung bzw. Bildauswertung der von dem neuromorphen Sensor übertragenen Bilddaten ausführen.

Die Recheneinheit kann eingerichtet sein, die Eingangsdaten mittels einer weiteren Übertra gungsfunktion basierend auf den Bilddaten zu erzeugen. Die weitere Übertragungsfunktion kann durch ein weiteres angelerntes neuronales Netz gebildet sein. Die weitere Übertra gungsfunktion kann zur Reduzierung der Menge der Bilddaten verwendet werden. Alterna tiv können die von dem neuromorphen Bildsensor übertragenen Bilddaten die Eingangsda ten sein oder als Eingangsdaten verwendet werden.

Das angelernte neuronale Netz und/oder das weitere angelernte neuronale Netz kann ein faltendes neuronales Netz, CNN („Convolutional Neural Networks“), ein binäres neuronales Netz, BNN („Binarized Neural Networks“), und/oder ein rekurrentes neuronales Netz, RNN („Recurent Neural Networks“) umfassen.

Der neuromorphe Bildsensor kann eingerichtet sein, Bilddaten von einer Werkstückoberflä che zu erzeugen. Der neuromorphe Bildsensor kann insbesondere eingerichtet sein, Bildda ten von einem Bearbeitungsbereich der Werkstückoberfläche zu erzeugen. Der Bearbei tungsbereich der Werkstückoberfläche kann eine Prozesszone, insbesondere eine Dampfka pillare und/oder ein Schmelzbad umfassen. Der neuromorphe Bildsensor kann ferner einge richtet sein, einen in einer Vorschubrichtung dem Bearbeitungsbereich vorgelagerten und/oder in Vorschubrichtung dem Bearbeitungsbereich nachgelagerten Bereich zu erzeu gen.

Der neuromorphe Bildsensor kann eingerichtet sein, kontinuierlich und/oder asynchron Bilddaten an die Recheneinheit zu übertragen. Der neuromorphe Bildsensor kann insbeson dere eingerichtet sein, einen kontinuierlichen Strom der Bilddaten an die Recheneinheit zu übertragen. Der kontinuierliche Strom der Bilddaten kann als ein asynchroner Strom event basierter Bilddaten ausgebildet sein.

Der neuromorphe Bildsensor kann eine Vielzahl von Pixeln umfasst, die unabhängig vonei nander als Reaktion auf von dem jeweiligen Pixel erfasste Helligkeitsänderungen Bilddaten erzeugen. Die Bilddaten eines Pixels können zumindest eine dem Pixel entsprechende Pi xeladresse und einen der erfassten Helligkeitsänderung entsprechenden Zeitstempel umfas sen. Die Bilddaten eines Pixels können ferner eine Polarität der Helligkeitsänderung und/oder ein Helligkeitslevel bzw. eine Helligkeitsstufe umfassen. Der neuromorphe Bildsensor kann eine spektrale Empfindlichkeit im sichtbaren Bereich aufweisen.

Der neuromorphe Bildsensor kann eingerichtet sein, eine Änderung eines Belichtungsni- veaus, d.h. eine Helligkeitsänderung, von jedem der Mehrzahl von Pixeln unabhängig zu detektieren und als sogenanntes Event an die Recheneinheit zu übertragen. Mit anderen Worten kann der neuromorphe Bildsensor eine Mehrzahl von Pixeln umfassen, die unab hängig voneinander Helligkeitsänderungen detektieren und als Event weitergeben, sobald die Helligkeitsänderungen auftreten. Die Pixel können eingerichtet sein, ansonsten keine Bilddaten zu erzeugen oder zu übertragen. Demnach kann der kontinuierliche Strom der Bilddaten einzelne, asynchron übertragene Events umfassen.

Die Informationen über den Laserbearbeitungsprozess können Informationen über einen Zustand des Laserbearbeitungsprozesses, Informationen über ein Bearbeitungsergebnis, einen Bearbeitungsfehler und/oder einen Bearbeitungsbereich des Werkstücks umfassen. Das Bearbeitungsergebnis kann insbesondere ein aktuelles Bearbeitungsergebnis sein. Die Informationen über einen Bearbeitungsfehler können zumindest eine der folgenden Infor mationen enthalten: Vorhandensein mindestens eines Bearbeitungsfehlers, Art des Bearbei tungsfehlers, Position des Bearbeitungsfehlers auf einer Oberfläche eines bearbeiteten Werkstücks, Wahrscheinlichkeit für einen Bearbeitungsfehler einer bestimmten Art, und räumliche und/oder flächige Ausdehnung des Bearbeitungsfehlers auf der Oberfläche des bearbeiteten Werkstücks.

Die Recheneinheit kann eingerichtet sein, die Ausgangsdaten in Echtzeit zu bilden.

Das System zum Überwachen des Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere die Rechen einheit des Systems, kann eine Kommunikationsschnittstelle aufweisen, um Daten zu über tragen oder zu empfangen. Die Recheneinheit kann eingerichtet sein, basierend auf den Ausgangsdaten Regelungsdaten zu erzeugen und an das Laserbearbeitungssystem auszugeben bzw. zu übertragen. Alternativ kann die Recheneinheit eingerichtet sein, die Ausgangsdaten an das Laserbearbeitungssys tem zu übertragen.

Das System zum Überwachen des Laserbearbeitungsprozesses kann in ein bestehendes La serbearbeitungssystem integrierbar sein. Die Recheneinheit kann am oder im Laserbearbei tungskopf angeordnet sein. Die Recheneinheit des Systems kann auch in einer Steuereinheit des Laserbearbeitungssystems integriert sein. Der neuromorphe Bildsensor kann an einer Außenseite und/oder am Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Der Strahlengang des neu- romorphen Bildsensor kann zumindest teilweise in den Strahlengang des Laserbearbei tungssystems bzw. des Laserbearbeitungskopfs integriert sein, und z.B. zumindest teilweise koaxial verlaufen.

Das Laserbearbeitungssystem kann eine Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, um basierend auf den durch die Recheneinheit bestimmten Ausgangsdaten, vorzugsweise in Echtzeit, das Laserbearbeitungssystem zu steuern und/oder den Laserbearbeitungsprozess zu regeln. Die Regelung des Laserbearbeitungsprozesses kann durch Einstellen, Anpassen und/oder Ändern von zumindest einem Parameter des Laserbearbeitungsprozesses erfolgen. Parameter des Laserbearbeitungsprozesses sind beispielsweise Laserleistung, Fokuslage, Vorschubgeschwindigkeit und -richtung, Fokusdurchmesser, Abstand zwischen Laserbear beitungskopf und Werkstück, etc.. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserquelle um fassen, die eingerichtet ist, um den Laserstrahl für die Laserbearbeitung zu erzeugen. In die sem Fall kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die Laserquelle zu steuern.

Die Recheneinheit kann ferner eingerichtet sein, die bestimmen Ausgangsdaten an eine Ein heit zur Qualitätssicherung des Laserbearbeitungssystems zu übertragen. Die Einheit zur Qualitätssicherung kann eingerichtet sein, basierend auf den Ausgangsdaten optimale Para meter für zumindest einen Schritt des Laserbearbeitungsprozesses oder für einen nachfol genden Laserbearbeitungsprozess zu bestimmen.

Die vorliegende Erfindung kann vorteilhafterweise zur Regelung eines Laserbearbeitungs prozesses, insbesondere Laserschneiden oder Laserschweißen, eingesetzt werden. Durch den hohen Dynamikbereich des Sensors in Kombination mit der hohen zeitlichen Auflösung desselben können Parameter des Laserbearbeitungsprozesses vorzugsweise in Echtzeit dem aktuellen Prozesszustand angepasst werden, wodurch bessere Bearbeitungsergebnisse erzielt werden können. Dazu zählen beispielsweise eine bessere Oberflächenqualität und eine er- höhte Vorschubgeschwindigkeit und eine kürzere Einstechzeit. Beim Laserschneiden kann beispielsweise der Einstechprozess in Echtzeit analysiert und präzise geregelt werden. Dar über hinaus kann beim Laserschneiden eine Schneidfront überwacht und die Prozessqualität in Echtzeit bestimmt werden. Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung die Überwa chung von Spritzern mit einer extrem hohen zeitlichen Auflösung, die sowohl beim Laser schneiden als auch beim Laserschweißen genutzt werden kann, um Rückschlüsse auf die Prozessqualität zu gewinnen. Beim Laserschweißen ermöglicht die vorliegende Erfindung die direkte Überwachung des Schmelzbades und die Regelung der Parameter des Laser schweißens.

Durch die hohe zeitliche Auflösung und die hohe Dynamik des neuromorphen Bildsensors und die reduzierte Datenmenge aufgrund der Eventbasierten Datenerzeugung kann eine Überwachung und/oder Regelung eines Laserbearbeitungsprozesses effizienter und schnel ler erfolgen. Insbesondere die Kombination aus neuromorphen Bildsensor (Eventbasierter Sensor) und maschinellem Lernen ermöglicht eine unmittelbare Analyse des Prozesszu stands und eine Echtzeitregelung des Prozesses auf kostengünstige und kompakte Weise.

Kurzbeschreibungen der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben. In den Figuren:

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl und ein System zum Überwachen eines Laserbear beitungsprozesses gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl und ein System zum Überwachen eines Laserbear beitungsprozesses gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Laserbearbei tungsprozesses zum Bearbeiten eines Werkstücks gemäß einer Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Ele mente gleiche Bezugszeichen verwendet. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl und ein System zum Überwachen eines Laserbear beitungsprozesses gemäß einer ersten Ausführungsform und Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl und ein System zum Überwachen eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Ein Laserbearbeitungssystem 1 ist zum Bearbeiten eines Werkstücks 2 mit einem Laser strahl 3 eingerichtet. Das Laserbearbeitungssystem 1 umfasst einen Laserbearbeitungskopf 14, wie etwa einen Laserschneid- oder Laserschweißkopf, und eine Laservorrichtung 15, auch „Laserquelle“ genannt, zum Bereitstellen des Laserstrahls 3. Der Laserbearbeitungs kopf 14 ist eingerichtet, den Laserstrahl 3 auf das Werkstück 2 einzustrahlen. Der Laserbe arbeitungskopf 14 kann eine Kollimationsoptik zum Kollimieren des Laserstrahls und/oder eine Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls 3 umfassen. Der Bereich der Werk stückoberfläche, in dem der Laserstrahl 3 auf das Werkstück 2 trifft, kann auch als „Bear beitungsbereich“ oder „Prozesszone“ bezeichnet werden, und kann insbesondere ein Ein stichloch, eine Dampfkapillare und/oder ein Schmelzbad umfassen.

Das Laserbearbeitungssystem 1 oder Teile davon, insbesondere der Laserbearbeitungskopf 14, und das Werkstück 2 können relativ zueinander in einer Bearbeitungs- bzw. Vorschub richtung 4 bewegbar sein. Beispielsweise kann das Laserbearbeitungssystem 1 oder Teile davon, insbesondere der Laserbearbeitungskopf 14, in der Vorschubrichtung 4 bewegt wer den. Alternativ kann das Werkstück 2 in der Vorschubrichtung 4 relativ zum Laserbearbei tungssystem 1 oder zu einem Teil davon, insbesondere zum Laserbearbeitungskopf 14, be wegt werden. Die Vorschubrichtung 4 kann eine Schneid- oder Schweißrichtung sein. Im Allgemeinen ist die Vorschubrichtung 4 eine horizontale Bewegung. Die Geschwindigkeit, mit der sich das Laserbearbeitungssystem 1 und das Werkstück 2 relativ zueinander entlang der Vorschubrichtung 4 bewegen, kann als „Vorschubgeschwindigkeit“ bezeichnet werden.

Das Laserbearbeitungssystem 1 ist eingerichtet, um einen Laserbearbeitungsprozess, z.B. Laserschneiden und Laserschweißen, durchzuführen. Das Laserbearbeitungssystem 1 um fasst eine Steuereinheit 10, die eingerichtet ist, den Bearbeitungskopf 14 und/oder die La servorrichtung 15 zu steuern. Die Steuereinheit 10 kann eingerichtet sein, um den Laserbe arbeitungsprozess zu regeln. Die Regelung umfasst das Ändern, Anpassen oder Einstellen von zumindest einem Parameter des Laserbearbeitungsprozesses. Der zumindest eine Para meter kann beispielsweise die Laserleistung der Laservorrichtung 15, die Vorschubge- schwindigkeit des Laserbearbeitungskopfes 14, und die Fokuslage des Laserstrahls 3 umfas sen.

Das Laserbearbeitungssystem 1 umfasst ferner ein System zum Überwachen eines Laserbe arbeitungsprozesses. Das System zum Überwachen eines Laserbearbeitungsprozesses um fasst einen neuromorphen Bildsensor 13 und eine Recheneinheit 11.

Der neuromorphe Bildsensor 13 ist eingerichtet, um Bilddaten des Laserbearbeitungspro zesses bzw. von einer Oberfläche des Werkstücks 2 zu erzeugen. Die Recheneinheit 11 ist eingerichtet, um basierend auf den Bilddaten Eingangsdaten zu bestimmen, und basierend auf den Eingangsdaten mittels einer Übertragungsfunktion Ausgangsdaten zu bestimmen, die Informationen über den Laserbearbeitungsprozess enthalten. Die Recheneinheit 11 kann eingerichtet sein, die Ausgangsdaten in Echtzeit zu bilden. Die Recheneinheit 11 oder die Steuereinheit 10 kann eingerichtet sein, das nachstehend beschriebene Verfahren zum Überwachen eines Laserbearbeitungsprozesses auszuführen. Mit anderen Worten kann das Verfahren durch die Recheneinheit 11 oder die Steuereinheit 10 ausgeführt werden.

Der neuromorphe Bildsensor 13 basiert auf dem Prinzip, lediglich die Änderung des Belich tungsniveaus jedes einzelnen Pixels auszugeben oder aufzuzeichnen. Neuromorphe Bildsensoren, auch eventbasierte Bildsensoren genannt (englisch: „event-based sensors“), erfassen also Helligkeitsänderungen, sogenannte „Events“. Die Datenübertragung erfolgt in asynchroner Form. Bei eventbasierten Bildsensoren bzw. eventbasierten Kameras findet eine kontinuierliche Übertragung von Informationen über Helligkeitsänderungen statt. Es werden kontinuierlich immer nur die Informationen der Pixel übertragen, die Helligkeitsän derungen erfasst haben. Im Vergleich zu framebasierten Kameras, bei denen bei jeder Auf nahme die Helligkeitswerte für alle Pixel (auch solche, die sich im Vergleich zur vorherge henden Aufnahme nicht geändert haben) übertragen werden, werden also bei neuromorphen Bildsensoren Daten nur dann übertragen, wenn sich die Helligkeit eines Pixels signifikant ändert. Durch die zeitliche Quantifizierung der einzelnen Pixel entstehen weniger Redun danzen als bei framebasierten Bildsensoren oder Kameras. Gleichzeitig ist der Informati onsverlust geringer.

Neuromorphe Bildsensoren weisen eine Vielzahl von Vorteilen auf. Dazu zählt ein hoher Dynamikbereich, z.B. von ca. 100 bis 130 dB, wodurch in den meisten Fällen eine Zusatz beleuchtung überflüssig ist. Zudem weisen neuromorphe Bildsensoren eine hohe zeitliche Auflösung auf und werden nicht durch Über/Unterbelichtung oder schnelle Bewegung be einflusst. Die Aufnahmegeschwindigkeit der neuromorphen Bildsensoren ist vergleichbar mit einer Highspeedkamera, die mehrere tausend fps aufweisen kann, wobei es bei neuro- morphen Bildsensor jedoch keine Frames sondern einen kontinuierlichen Datenstrom gibt. Der neuromorphe Bildsensor 13 kann beispielsweise einen dynamischen Bereich von ca. 120 dB, eine zeitliche Auflösung im Mikrosekundenbereich, eine äquivalente Framerate von 1.000.000 fps, und/oder räumliche Auflösung von 0.1-0.2 MP aufweisen.

Aufgrund der stark reduzierten Datenmenge benötigt die Recheneinheit 11 deutlich weniger Rechenleistung und kann daher näher an den Ort der Bilddatenerzeugung, d.h. den neuro- morphen Bildsensor 13, wandern.

Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist es daher möglich, die Recheneinheit 11 direkt in den Laserbearbeitungskopf 14 zu integrieren oder am Laserbearbeitungskopf zu montieren. Dadurch können Systemkosten reduziert werden. Gleichzeitig können Kabel weggelassen und/oder Übertragungsstrecken über Kabel reduziert werden, wodurch die Fehleranfälligkeit gesenkt und die Wartungsfreundlichkeit erhöht werden kann. Wie gezeigt ist der neuromorphe Bildsensor 13 ebenfalls am Laserbearbeitungskopf 14 montiert, bzw. in den Laserbearbeitungskopf 14 integriert. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die Recheneinheit 11 am Laserbearbeitungskopf 14 angeordnet und der neuromorphe Bildsensor 13 ist an einer Außenseite des Laserbearbeitungskopfes 14 angeordnet. Gemäß der gezeigten Ausführungsform verläuft ein Strahlengang des neuromorphen Bildsensors 13 zumindest teilweise innerhalb des Laserbearbeitungskopfes 14 und/oder koaxial mit dem Laserstrahl 3.

Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform hingegen ist die Recheneinheit 11 als ei genständige bzw. separate Einheit vom Laserbearbeitungskopf 14 und vom neuromorphen Bildsensor 13 ausgebildet. Der Strahlengang des neuromorphen Bildsensors 13 verläuft außerhalb des Laserbearbeitungskopfs 14. Der neuromorphe Bildsensor 13 kann aber an dem Laserbearbeitungskopf 14 befestigt sein.

Gemäß Ausführungsformen kann die Recheneinheit 11 mit der Steuereinheit 10 kombiniert oder in diese integriert sein. Mit anderen Worten kann die Funktionalität der Recheneinheit 11 mit derjenigen der Steuereinheit 10 kombiniert sein.

Der neuromorphe Bildsensor 13 ist eingerichtet, um Bilddaten von der Werkstückoberfläche zu erzeugen, und ist insbesondere eingerichtet, um Bilddaten vom Bearbeitungsbereich der Werkstückoberfläche zu erzeugen. Der neuromorphe Bildsensor 13 kann gemäß Ausfüh rungsformen insbesondere eingerichtet sein, um Bilddaten von einem in der Vorschubrich- tung 4 der Prozesszone vorgelagerten Bereich und/oder in Vorschubrichtung 4 der Prozess zone nachgelagerten Bereich zu erzeugen.

Die Bilddaten eines Pixels umfassen beispielsweise die Pixeladresse bzw. die Pixelidentität und einen Zeitstempel. Darüber hinaus können die Bilddaten auch die Polarität (Anstieg oder Abfall) der Helligkeitsänderung oder ein Level der nun erfassten Helligkeit umfassen.

Die Informationen über den Laserbearbeitungsprozess, die in den von der Recheneinheit 11 bestimmten Ausgangsdaten enthalten sind, können Informationen über einen Zustand des Laserbearbeitungsprozesses, Informationen über ein Bearbeitungsergebnis, einen Bearbei tungsfehler und/oder einen Bearbeitungsbereich des Werkstücks 2 umfassen. Das Bearbei tungsergebnis kann insbesondere ein aktuelles Bearbeitungsergebnis sein.

Aufgrund der hohen Aufnahmegeschwindigkeit bringt eine Verarbeitung der Bilddaten des neuromorphen Bildsensors 13 mit herkömmlichen Bildverarbeitungsalgorithmen einen Per formanceverlust mit sich. Daher verwenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung zur Bilddatenverarbeitung bzw. zur Bilddatenauswertung vorzugsweise Verfahren des maschinellen Lernens. Beispielsweise kann die Übertragungsfunktion zwischen den Ein gangsdaten und den Ausgangsdaten durch ein angelerntes neuronales Netz gebildet sein. Die Übertragungsfunktion kann zur Bildverarbeitung bzw. zur Bildauswertung der Ein gangsdaten verwendet werden. Für Bildverarbeitung und -auswertung können vorteilhaf terweise sogenannte „CNNs“, für die Reduzierung der Bilddatenmenge „BNNs“, und für die zeitliche Analyse der Events „RNNs“ eingesetzt werden. Dadurch kann insbesondere ein Performanceverlust im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zur Bildverarbeitung bzw. - auswertung vermieden werden. Beispielsweise werden die Bilddaten nicht in Frames kon vertiert, sondern in einen geeigneten Vektorraum transferiert, etwa durch raumzeitliches Filtern in der Spike-Event Domäne.

Durch die neuromorphen Bildsensoren können bei den Verfahren des maschinellen Lernens im Vergleich zu framebasierten Kameras kleinere Modelle verwendet werden, um eine ver gleichbare Performance zu erreichen. Durch den Wegfall der redundanten Informationen bei neuromorphen Bildsensoren muss das Modell des maschinellen Lernens weniger Merkmale („Features“) berücksichtigen, was im Fall eines neuronalen Netzes einer Reduktion der im Netz enthaltenen Neuronen gleichkommt. Dies erleichtert das Anlemen der Modelle des maschinellen Lernens erheblich, da bei kleineren Modellen im Regelfall deutlich weniger Beispiele zum Trainieren des Modells benötigt werden. Der Wegfall redundanter Informati onen ermöglicht außerdem eine schnellere Ausführung der Übertragungsfunktion bzw. des Algorithmus („Inferenz“) zur Bildverarbeitung bzw. Bildauswertung. Dadurch wird insbe sondere eine Echtzeitregelung des Laserbearbeitungsprozesses möglich.

Die Recheneinheit 11 kann gemäß Ausführungsformen eingerichtet sein, um basierend auf den Ausgangsdaten Regelungsdaten zu erzeugen und an die Steuereinheit 10 zu übertragen. Alternativ werden die Ausgangsdaten an die Steuereinheit 10 übertragen und die Steuerein heit 10 kann eingerichtet sein, Regelungsdaten zu erzeugen. Die Steuereinheit 10 kann fer ner eingerichtet sein, um basierend auf den durch die Recheneinheit 11 bestimmten Aus gangsdaten das Laserbearbeitungssystem bzw. den Laserbearbeitungsprozess, vorzugsweise in Echtzeit, zu steuern und/oder zu regeln. Beispielsweise kann die Steuereinheit 10 einge richtet sein, um den Laserbearbeitungskopf 14 und/oder die Laserquelle 15 basierend auf den Ausgangsdaten zu steuern.

Die Recheneinheit 11 kann ferner eingerichtet sein, die bestimmten Ausgangsdaten an eine Einheit 12 zur Qualitätssicherung des Laserbearbeitungssystems zu übertragen. Die Einheit 12 zur Qualitätssicherung kann eingerichtet sein, basierend auf den Ausgangsdaten optimale Parameter für zumindest einen Schritt des Laserbearbeitungsprozesses zu bestimmen und an die Steuereinheit 10 zu übertragen.

Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Laserbearbei tungsprozesses zum Bearbeiten eines Werkstücks gemäß einer Ausführungsform.

Das Verfahren 100 umfasst die Schritte: Erzeugen von Bilddaten des Laserbearbeitungspro zesses mittels eines neuromorphen Bildsensors (S 101), Bestimmen von Eingangsdaten, ba sierend auf den Bilddaten (S102), und Bestimmen von Ausgangsdaten, basierend auf den Eingangsdaten mittels einer Übertragungsfunktion, wobei die die Ausgangsdaten Informati onen über den Laserbearbeitungsprozess enthalten (S103).

Das Verfahren kann ferner das Regeln, insbesondere in Echtzeit, zumindest eines Parame ters des Laserbearbeitungsprozesses basierend auf den bestimmten Ausgangsdaten umfas sen. Der Parameter kann die Laserleistung der Laserquelle, eine Vorschubgeschwindigkeit, und eine Fokuslage umfassen.

Die vorliegende Erfindung kann vorteilhafterweise zur Regelung eines Laserbearbeitungs prozesses eingesetzt werden. Vorzugsweise werden die Ausgangsdaten von der Rechenein heit 11 direkt an die Steuereinheit 10, die auch als „Maschinensteuerung“ bezeichnet wer den kann, übertragen. Die Steuereinheit 10 kann eingerichtet sein, basierend auf den Aus- gangsdaten zumindest einen Parameter des Laserbearbeitungsprozesses bzw. des Laserbear beitungssystems, insbesondere in Echtzeit, zu regeln. Der Parameter kann die Laserleistung der Laserquelle, eine Vorschubgeschwindigkeit und eine Fokuslage umfassen. Dadurch können die Parameter in Echtzeit dem aktuellen Prozesszustand angepasst werden, wodurch bessere Bearbeitungsergebnisse erzielt werden können. Dazu zählen beispielsweise eine bessere Oberflächenqualität und eine erhöhte Vorschubgeschwindigkeit und eine kürzere Einstechzeit beim Laserschneiden.

Beim Laserschneiden kann beispielsweise durch die extrem hohe äquivalente Framerate und die daraus resultierende hohe zeitliche Auflösung der Kamera der Einstechprozess in Echt zeit analysiert und geregelt werden. Darüber hinaus kann der hohe Dynamikumfang des Sensors in Kombination mit der hohen zeitlichen Auflösung während eines Laserschneid vorgangs zum Überwachen der Schneidfront genutzt und die Prozessqualität in Echtzeit bestimmt werden. Dadurch kann beispielsweise der Schneidprozess geregelt werden, indem bei reduzierter Prozessqualität durch Änderung, Anpassung bzw. Regelung der Parameter des Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere von Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit und Fokuslage, gegengesteuert wird. Ebenso ermöglicht die vorliegende Erfindung die Überwachung von Spritzern mit einer extrem hohen zeitlichen Auflösung beim Laser schneiden oder beim Laserschweißen, um Rückschlüsse auf die Prozessqualität zu ziehen. Beim Laserschweißen ermöglicht die vorliegende Erfindung die direkte Überwachung des Schmelzbades und die Regelung der Parameter des Laserschweißens.