PROZESSÜBERWACHUNG

Flexible Bildaufnahme und Integration

Je nach Anwendung können unterschiedliche Bildsensoren eingesetzt und hinsichtlich Auflösung, Bildrate sowie Farb- oder Graustufenerfassung auf den jeweiligen Prozess abgestimmt werden. In einer für schnelle Prozessüberwachung optimierten Graustufenkonfiguration erreicht die VCLD bis zu 144 Bilder pro Sekunde in HD-Auflösung.

Idealerweise wird der Prozess von oberhalb des Werkstücks aus einer seitlichen Perspektive beobachtet. Dadurch bleibt der unmittelbare Prozessbereich gut sichtbar, ohne dass das System direkt über dem Bearbeitungspunkt angeordnet werden muss. Die Kamera kann fest an der Maschine montiert oder ganz beziehungsweise teilweise mit den Maschinenachsen bewegt werden. 

Das Objektiv wird durch ein austauschbares und kostengünstiges Schutzglas vor Verschmutzung geschützt. Eine Druckluftversorgung dient sowohl zur Kühlung des Systems als auch zur Erzeugung eines Luftvorhangs vor der Optik.

Durch die Integration von Kamera, Bildverarbeitung und KI-Auswertung in einer kompakten Einheit kann das System zu einem Kostenniveau realisiert werden, das mit reinen industriellen Kamerasystemen vergleichbar ist – ohne zusätzliche externe Recheneinheit.

Vortrainiertes Basismodell und projektspezifisches Training

Das visuelle Erscheinungsbild eines Laserschneidprozesses wird unter anderem durch Maschine, Schneidkopf, Optik, Beleuchtung, Material, Materialdicke und Bearbeitungsparameter beeinflusst. Eine zuverlässige visuelle Prozessüberwachung muss diese anwendungsspezifischen Eigenschaften berücksichtigen.

Die VCLD basiert auf einem vortrainierten Basismodell, das für die jeweilige Zielanwendung mit kundenspezifischen Daten weiter trainiert und angepasst wird. Die hierfür benötigten Aufnahmen müssen keine konkreten Produktgeometrien der später zu bearbeitenden Teile zeigen. Entscheidend ist vielmehr, dass sie typische Prozesszustände der jeweiligen Anwendung abbilden – sowohl stabile als auch fehlerhafte Prozesse.

Die bereitgestellten Kundendaten werden ausschließlich für das jeweilige Projekt verwendet und nicht zum Training von Modellen für andere Kunden eingesetzt.

Einsatzbereich

Die VCLD wurde für die Überwachung weitgehend autonom betriebener Laserbearbeitungsprozesse entwickelt und schafft eine Grundlage für hohe Prozesssicherheit. Besonders interessant ist sie für Anwendungen, bei denen Fehler frühzeitig erkannt werden sollen und klassische Intensitätssensoren nicht genügend Informationen über den tatsächlichen Prozesszustand liefern.

Durch die flexible Auswahl von Kamera, Optik und Modell sowie das projektspezifische Training kann die Plattform an unterschiedliche Prozesse, Maschinengeometrien und Integrationskonzepte angepasst werden. Damit eignet sie sich sowohl für die Integration in neue Maschinenkonzepte als auch für spezielle Anwendungen, bei denen eine kompakte und schnelle visuelle Prozessüberwachung erforderlich ist.

Neben unseren eigenen Produktplattformen entwickeln wir gemeinsam mit Maschinenherstellern kundenspezifische Systeme für die industrielle Lasermaterialbearbeitung und angrenzende Anwendungen. Im Mittelpunkt stehen dabei Lösungen, bei denen Sensorik, Optik, Elektronik und maschinennahe Software zu einer kompakten, industrietauglichen Einheit zusammengeführt werden.

Unsere Entwicklungserfahrung umfasst unter anderem:

• Optische und mechatronische Baugruppen für Hochleistungslaser, bei denen Strahlführung, Sensorik und Zustandsüberwachung direkt in das Gesamtsystem integriert werden.
• Zustandsüberwachung optischer Komponenten, einschließlich Messverfahren zur Erfassung thermischer Belastungen während des laufenden Maschinenbetriebs.
• Berührungslose Materialcharakterisierung, beispielsweise mit elektromagnetisch angeregten Ultraschallsensoren (EMAT) zur Bestimmung von Materialdicke, elastischen Kennwerten und richtungsabhängigen Materialeigenschaften.
• EMAT-Sensorik und Auswerteelektronik, einschließlich Sensorkonzepten mit gepulst elektromagnetisch erzeugtem Bias-Magnetfeld als Alternative zu Permanentmagneten.
• Integration in industrielle Maschinensteuerungen über digitale Schnittstellen, CAN-Bus und industrielle Feldbussysteme.

Wir begleiten solche Entwicklungen von der Auswahl und Auslegung des Messprinzips über Optik, Sensorik und Elektronik bis hin zu Signalverarbeitung, Embedded Software und Maschinenintegration. Ziel sind dabei robuste, reproduzierbar fertigbare Systeme, die sich dauerhaft in industrielle Maschinen und Anlagen integrieren lassen.

Aktive Einstichregelung

Die aktive Einstichregelung regelt den Einstichvorgang und passt die Laseremission fortlaufend an den tatsächlichen Prozesszustand an. Dadurch kann der Durchstich schneller erreicht und der Einstich unmittelbar nach erfolgreichem Durchdringen des Materials beendet werden.

Gegenüber ungeregelten Einstichstrategien lassen sich dadurch bei Baustahl, Edelstahl und Aluminium deutliche Zeiteinsparungen erzielen. Gleichzeitig verbessert die Regelung die Reproduzierbarkeit des Einstichprozesses. Bei Aluminium und Edelstahl kann sie zudem größere Metallspritzer verhindern und Ablagerungen auf der Blechoberfläche deutlich reduzieren, die zu Störungen der kapazitiven Höhenabtastung führen können.

Plasmaerkennung

Schneidfehler äußern sich häufig durch einen deutlichen Anstieg der vom Prozess emittierten Strahlung. Die Plasmaerkennung überwacht die Intensität der Sensorsignale und erkennt solche Zustände anhand von Schwellwerten und einfachen zeitlichen Filtern.

Wird eine ungewöhnlich hohe Prozessintensität erkannt, erhält die Maschinensteuerung unmittelbar eine entsprechende Meldung und kann auf den möglichen Schneidfehler reagieren.

Die Plasmaerkennung bietet damit eine einfache und robuste Überwachung des Schneidprozesses. Für eine differenziertere Bewertung und die frühzeitige Erkennung beginnender Schneidfehler steht die Cut Loss Detection zur Verfügung.

Cut Loss Detection – Überwachung des Schneidprozesses

Die Cut Loss Detection (CLD) überwacht den Schneidprozess kontinuierlich und erkennt beginnende sowie vollständige Schnittabbrüche zuverlässig. Im Gegensatz zur einfachen Plasmaerkennung werden dabei nicht nur einzelne Signalpegel betrachtet, sondern der Prozesszustand anhand komplexerer Veränderungen bewertet.

Je nach eingesetztem System erfolgt die Auswertung auf Basis mehrerer optischer Sensorsignale oder anhand von Kamerabildern des Schneidprozesses. Die Bewertung wird an die jeweiligen Prozessbedingungen angepasst, sodass auch kleinere Abweichungen von einem stabilen Schneidprozess erkannt werden können, ohne normale Prozessschwankungen unnötig als Fehler zu bewerten.

Wird ein Schneidfehler erkannt, stellt das System der Maschinensteuerung unmittelbar entsprechende Prozess- und Fehlerinformationen zur Verfügung. Diese kann daraufhin den Schnitt stoppen oder geeignete Maßnahmen zur Wiederherstellung eines stabilen Schneidprozesses einleiten.

Die CLD eignet sich besonders für automatisierte Laserschneidanlagen, bei denen Schneidfehler zuverlässig und ohne permanente Überwachung durch einen Bediener erkannt werden müssen.

Fokuslagenmessung

Eine fehlerhafte Fokuslage kann die Schneidqualität und Prozessstabilität erheblich beeinträchtigen. Die Fokuslagenmessung ermöglicht die automatisierte Bestimmung der tatsächlichen Fokusposition anhand einer Reihe von Einstichen mit unterschiedlichen Fokuslagen.

Die Sensorsignale werden dabei automatisch ausgewertet und die ermittelte Fokusposition an die Maschinensteuerung beziehungsweise den Bediener übergeben. Zusätzliche Messgeräte oder spezielle Vorrichtungen sind hierfür nicht erforderlich. Dadurch lässt sich die Fokuslage unkompliziert überprüfen, beispielsweise nach einem Schutzglaswechsel oder bei unklaren Fehlerbildern im Schneidprozess.

Pulsgenerator

Durch die direkte Anbindung an die Laserquelle können die Auswerteinheiten auch zur Erzeugung definierter Laserpulse eingesetzt werden.

Pulsfrequenz und Duty Cycle können vorgegeben und zu einfachen Pulsprogrammen kombiniert werden. Sicherheitsrelevante Signale wie beispielsweise der Interlock verbleiben dabei unter direkter Kontrolle der Maschinensteuerung.