DE102021201806A1

DE102021201806A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines optimierten Parametersatzes zum Durchführen einer Messung

Info

Publication number: DE102021201806A1
Application number: DE102021201806.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Jahn; Martin Stambke
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser Se De
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-09-08
Also published as: JP2024509784A; WO2022179776A1; US20230384084A1; CN116917689A; KR20230133382A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zum Auffinden eines optimierten Parametersatzes für eine Messung mit einer Messvorrichtung (12). Hierfür werden insbesondere n*m Messungen durchgeführt und bewertet, vorzugsweise gemittelt und in der gemittelten Messung eine region of interest (ROI) bestimmt. Anschließend können o-fach n*m Messungen durchgeführt werden, wobei die Bewertung nur in der ROI erfolgt. Spätestens nach o Wiederholungen kann die Optimierung beendet und ein gut bewerteter Parametersatz ausgegeben und für eine Messung verwendet werden.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines optimierten Parametersatzes.
Komplexe Messvorrichtungen, wie optische Kohärenztomografie (OCT) Messvorrichtungen, verfügen über zahlreiche (Einstell-)Parameter, die es dem Nutzer erlauben, die Messvorrichtung an die jeweilige Messsituation bzw. Bearbeitungssituation eines Messkörpers anzupassen. Die Vielzahl der Parameter und deren Wechselwirkungen führen zu einem hochkomplexen Parameterraum. Die Einstellung der Parameter eines Parametersatzes erfordert daher bislang Expertenwissen und ist zeitaufwändig.
Aufgabe der Erfindung
Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatisierten Ermittlung eines optimierten Parametersatzes bereit zu stellen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 12. Die abhängigen Patentansprüche geben bevorzugte Weiterbildungen wieder.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit gelöst durch ein Verfahren mit folgenden, insbesondere automatisiert durchgeführten, Verfahrensschritten:

C) Durchführen und Speichern von n Messungen eines Messkörpers mit jeweils einem Parametersatz, wobei jede Messung eine Vielzahl von Messpunkten aufweist;
D) Bewerten der n Messungen mit einer Bewertungsfunktion und Speichern der Bewertung, wobei die Bewertung insbesondere graduell, vorzugsweise zwischen 0 und 1, vorgenommen wird;
E) Erzeugen von, insbesondere n, neuen Parametersätzen, insbesondere durch Anwendung von Adaptionsfunktionen, die die Bewertung aus Verfahrensschritt D) bei der Bearbeitung, Auswahl und Weiterverwendung der Parametersätze berücksichtigt;
F) mehrfache, insbesondere m-fache, Durchführung der Verfahrensschritte C) bis E);
J) Ausgabe zumindest eines Parametersatzes, insbesondere des Parametersatzes mit der besten Bewertung. Zusätzlich dazu können weitere Parametersätze ausgegeben werden.

Die Messparameter sind notwendig, um die Messung an die Vielzahl von Bearbeitungssituationen anpassen zu können. Der komplexe und asymmetrische Parameterraum mit der Vielzahl an Parametern und Wechselwirkungen kann vor dem Nutzer vollständig verborgen werden. Es ist somit kein spezifisches Wissen für die Bedienung erforderlich. Der Funktionsumfang und die Robustheit gegen die Änderung von Messsituationen, insbesondere von Bauteileigenschaften, bleiben jedoch vollständig erhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt mithin auch unerfahrenen Nutzern das Durchführen einer Messung mit sehr guten Messparametern.
Ein Parametersatz entspricht einer Anzahl an Messparametern, mit denen eine Messung möglich ist. Zwei Parametersätze unterscheiden sich, wenn wenigstens ein Parameter eines Parametersatzes verschieden vom gleichen Parameter im anderen Parametersatz ist.
Im Verfahrensschritt E) erfolgt die Erzeugung neuer Parametersätze insbesondere durch Anwendung von evolutionären Operatoren, vorzugsweise in Form von Cross-Over-Operatoren und/oder Mutationsoperatoren, auf die im Verfahrensschritt C) eingesetzten Parametersätze. Bei der Anwendung eines Cross-Over-Operators werden zwei Eltern-Parametersätze zu einem Parametersatz der nächsten Generation kombiniert. Bei Anwendung eines Mutationsoperators wird/werden ein einzelnes Teil/Teile eines Elternparametersatzes zufällig geändert.
Der Messkörper kann in Form eines Werkstücks vorliegen.
n und/oder m kann/können größer 1, insbesondere größer 2, vorzugsweise größer 5, besonders bevorzugt größer 10, sein.
Die Messung im Verfahrensschritt C) wird vorzugsweise in Form eines berührungsfreien Scans durchgeführt. Der Scan kann eindimensional (Linienscan) oder mehrdimensional durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird die Messung im Verfahrensschritt C) in Form einer optischen Kohärenztomografie (OCT)-Messung oder in Form einer Pyrometrie-Messung durchgeführt. Der Parametersatz zur Durchführung von OCT-Messungen und Pyrometrie-Messungen ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders gut optimierbar.
Die Bewertungsfunktion kann einen Algorithmus, insbesondere in Form eines Bildverarbeitungsalgorithmus, zur Beurteilung der Aufnahmequalität der Messung und/oder ein tiefes faltendes neuronales Netz beinhalten. Der Algorithmus kann ein Sensorrohsignal, beispielsweise ein Fast Fourier Transform (FFT)-Signal, bewerten. Der Bildverarbeitungsalgorithmus kann dazu ausgebildet sein, die Bildqualität der Messung zu beurteilen. Beispielsweise kann der Bildverarbeitungsalgorithmus die Kantenschärfe und/oder das Bildrauschen beurteilen.
Das Erzeugen von n neuen Parametersätzen im Verfahrensschritt E) kann durch Zufall (E1) oder (E2) eine künstliche Intelligenz (KI) erfolgen, die ihre Zielfunktion mittels eines online-learning Verfahrens und den Bewertungen der Bewertungsfunktion adaptiert. Die KI erreicht durch das permanent (online) durchgeführte Lernverfahren unter Beachtung der Bewertungen eine signifikant schnellere Optimierung des Parametersatzes.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden folgende Verfahrensschritte nach dem Verfahrensschritt F) und vor dem Verfahrensschritt J) durchgeführt:

G) Zusammenführen, insbesondere Mitteln, aller im Verfahrensschritt C) durchgeführten Messungen;
H) Definition einer kleinstmöglichen region of interest (ROI) in dieser zusammengeführten Messung, in der die Bewertungsfunktion einen definierten Schwellwert übersteigt;
I) mehrfache, insbesondere o-fache, Wiederholung der Verfahrensschritte C) bis F), wobei die Bewertungsfunktion im Verfahrensschritt D) nur innerhalb der ROI angewendet wird.

Das Zusammenführen im Verfahrensschritt G) kann durch ein Mitteln, das Bestimmen eines Median und/oder das Bestimmen anderer statistischer Werte erfolgen.
Die ROI entspricht dem Messbereich, in dem ein Messsignal vom Probenkörper erhalten wird. Hierdurch werden die Bereiche der Messung von der Optimierung ausgenommen, in denen kein Signal vom Probenkörper erhalten wird. Die Optimierung wird hierdurch signifikant verbessert.
Die ROI ist vorzugsweise zusammenhängend.
o kann größer 1, insbesondere größer 2, vorzugsweise größer 5, besonders bevorzugt größer 10, sein.
Nach dem Verfahrensschritt J) kann in einem Verfahrensschritt K) der im Verfahrensschritt J) ausgegebene Parametersatz gespeichert werden. Zusätzlich dazu kann/können ein weiterer bzw. mehrere weitere gut bewertete Parametersätze gespeichert werden.
Vor dem Verfahrensschritt C) kann folgender Verfahrensschritt durchgeführt werden:

B) Erzeugen der im Verfahrensschritt C) eingesetzten n Parametersätze durch
- B1) Zufall oder
- B2) eine Default-Startparametrisierung oder
- B3) Durchführen einer Messung des Messkörpers mit einer Default-Startparametrisierung und Bestimmen eines oder mehrerer nächsten Nachbarn der Default-Startparametrisierung, insbesondere durch dichtebasiertes Clustering. Dabei können mehrere nächste Nachbarn in einem z-dimensionalen Featureraum durch dichtebasiertes Clustering bestimmt werden. Der Featureraum kann durch Featureextraktionsverfahren, wie Bildverarbeitungsverfahren und/oder tiefe faltende Netze aufgespannt sein. z liegt vorzugsweise zwischen 10 und 1000.

Zusätzlich dazu kann vor dem Verfahrensschritt B) folgender Verfahrensschritt durchgeführt werden:

A) Definieren von Wertebereichen für die Messparameter der Parametersätze, wobei die Parameter der Parametersätze in den Verfahrensschritten B) und E) innerhalb dieser Wertebereiche erzeugt werden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zum Bestimmen eines optimierten Parametersatzes mit einem hier beschriebenen Verfahren, wobei die Vorrichtung eine Messvorrichtung zum Durchführen der Messungen im Verfahrensschritt C) und einen Rechner zum Durchführen der weiteren Verfahrensschritte aufweist. Der Rechner kann Teil der Messvorrichtung sein.
Der Rechner kann eine Software mit einem Algorithmus zur Steuerung der Messvorrichtung aufweisen.
Die Messvorrichtung ist vorzugsweise in Form einer OCT-Messvorrichtung oder einer Pyrometrie-Messvorrichtung ausgebildet.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Messvorrichtung und einem Rechner zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt eine Vorrichtung 10 mit einer Messvorrichtung 12 und einem Rechner 14. Der Rechner 14 steht drahtgebunden und/oder drahtungebunden in Verbindung 16 mit der Messvorrichtung 12. Der Rechner 14 weist eine Software 18 mit einem Algorithmus 20 zum Steuern der Messvorrichtung 12 auf.
Die Messung mit der Messvorrichtung 12 erfolgt unter Einstellung mehrerer Messparameter. Die Messparameter werden vom Rechner 14 vorgegeben. Die Messvorrichtung 12 übermittelt nach und/oder während der Messung das Messergebnis („die Messung“) mit einer Vielzahl von Messpunkten an den Rechner 14.
Die Messvorrichtung 12 ist in Form einer optischen Kohärenztomografie (OCT)-Messvorrichtung ausgebildet. Die Messvorrichtung 12 weist zur Messung eines Messkörpers 22 einen OCT-Scanner 24 auf. Zusätzlich dazu kann eine Laserbearbeitungsoptik 28 zur Bearbeitung des Messkörpers 22 vorgesehen sein. In die Messvorrichtung 12 wird ein OCT-Messstrahl 30 eingekoppelt. Zusätzlich dazu kann ein Bearbeitungslaserstrahl 32 eingekoppelt werden. Die Messvorrichtung 12 kann alternativ oder zusätzlich zu den gezeigten Einrichtungen Umlenkspiegel und/oder Strahlteiler aufweisen.
Die bei der Messung verwendeten Messparameter („Parametersatz“) werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren optimiert. Dies wird in 2 erläutert.
2 zeigt den Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens:

Im Verfahrensschritt A) werden Wertebereiche für Messparameter der Parametersätze definiert, wobei die Parameter der Parametersätze in den Verfahrensschritten B) und E) innerhalb dieser Wertebereiche erzeugt werden.
Im Verfahrensschritt B) werden n Parametersätze innerhalb der zuvor definierten Wertebereiche erzeugt. Dies erfolgt durch B1) Zufall; oder B2) eine Default-Startparametrisierung; oder B3) Messung des Messkörpers 22 mit einer Default-Startparametrisierung und Bestimmung eines oder mehrerer nächster Nachbarn der Default-Startparametrisierung.
Im Verfahrensschritt C) werden n Messungen des Messkörpers 22 mit jeweils einem Parametersatz durchgeführt und gespeichert, wobei jede Messung eine Vielzahl von Messpunkten aufweist.
Im Verfahrensschritt D) werden die n Messungen aus dem Verfahrensschritt C) mit einer Bewertungsfunktion bewertet. Die Bewertungen werden gespeichert.
Im Verfahrensschritt E) wird eine Schleife ausgeführt. Im Verfahrensschritt E) werden n neue Parametersätze erzeugt. Die Erzeugung erfolgt durch Anwendung von Cross-Over-Operatoren und/oder Mutationsoperatoren auf die im Verfahrensschritt C) verwendeten Parametersätze. Die Erzeugung erfolgt durch E1) Zufall; oder E2) eine künstliche Intelligenz, die ihre Zielfunktion mittels online-learning-Verfahren und den zuvor erstellten Bewertungen adaptiert.
Die Schleife der Verfahrensschritte C), D) und E) wird gemäß Verfahrensschritt F) m-fach wiederholt.
Nach m Wiederholungen werden im Verfahrensschritt G) alle im Verfahrensschritt C) durchgeführten Messungen gemittelt.
Anschließend wird im Verfahrensschritt H) eine kleinstmögliche region of interest (ROI) in der gemittelten Messung ermittelt. In dieser ROI übersteigt die Bewertungsfunktion einen definierten Schwellwert.
Im Verfahrensschritt I wird eine erneute Schleife durchgeführt: Die Verfahrensschritte C), D), E) und F) werden o-fach durchgeführt, wobei der Verfahrensschritt D) dahingehend modifiziert wird, dass die Bewertungsfunktion nur innerhalb der ROI angewendet wird.
Nach den o Wiederholungen wird im Verfahrensschritt J) die Optimierung der Parametersätze beendet und ein Parametersatz mit einer guten Bewertung ausgegeben.
Im Verfahrensschritt K) wird zumindest dieser Parametersatz mit einer guten Bewertung gespeichert. Dieser Parametersatz kann in einem späteren Verfahren im Verfahrensschritt B) eingesetzt werden.

Unter Vornahme einer Zusammenschau beider Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung zusammenfassend ein Verfahren und eine Vorrichtung 10 zum Auffinden eines optimierten Parametersatzes für eine Messung mit einer Messvorrichtung 12. Hierfür werden insbesondere n*m Messungen durchgeführt und bewertet, vorzugsweise gemittelt und in der gemittelten Messung eine region of interest (ROI) bestimmt. Anschließend können o-fach n*m Messungen durchgeführt werden, wobei die Bewertung nur in der ROI erfolgt. Spätestens nach o Wiederholungen kann die Optimierung beendet und ein gut bewerteter Parametersatz ausgegeben und für eine Messung verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Messvorrichtung
14: Rechner
16: Verbindung (Kommunikation)
18: Software
20: Algorithmus
22: Messkörper
24: OCT-Scanner
28: Laserbearbeitungsoptik
30: OCT-Messstrahl
32: Bearbeitungslaserstrahl
A)-K): Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines optimierten, mehrere Messparameter aufweisenden, Parametersatzes zur Durchführung einer Messung, mit folgenden Verfahrensschritten: C) Durchführen und Speichern von n Messungen eines Messkörpers (22) mit jeweils einem Parametersatz, wobei jede Messung eine Vielzahl von Messpunkten aufweist; D) Bewerten der n Messungen mit einer Bewertungsfunktion und Speichern der Bewertung; E) Erzeugen von neuen Parametersätzen aus den im Verfahrensschritt C) eingesetzten Parametersätzen; F) mehrfache Durchführung der Verfahrensschritte C) bis E); J) Ausgabe zumindest eines Parametersatzes mit einer guten Bewertung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Erzeugung neuer Parametersätze im Verfahrensschritt E) durch Anwendung von evolutionären Operatoren auf die im Verfahrensschritt C) eingesetzten Parametersätze erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Messung im Verfahrensschritt C) in Form eines berührungsfreien Scans durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Messung im Verfahrensschritt C) in Form einer optischen Kohärenztomografie (OCT)-Messung oder in Form einer Pyrometrie-Messung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bewertungsfunktion einen Algorithmus (20) zur Beurteilung der Aufnahmequalität der Messung und/oder ein tiefes faltendes neuronales Netz beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Erzeugen von n neuen Parametersätzen im Verfahrensschritt E) erfolgt durch E1) Zufall oder E2) eine künstliche Intelligenz (KI), die ihre Zielfunktion mittels eines online-learning-Verfahrens und den Bewertungen der Bewertungsfunktion adaptiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden, nach dem Verfahrensschritt F) und vor dem Verfahrensschritt J) durchgeführten Verfahrensschritten: G) Zusammenführen aller im Verfahrensschritt C) durchgeführten Messungen; H) Definition einer kleinstmöglichen region of interest (ROI) in dieser zusammengeführten Messung, in der die Bewertungsfunktion einen definierten Schwellwert übersteigt; I) mehrfache Wiederholung der Verfahrensschritte C) bis F), wobei die Bewertungsfunktion im Verfahrensschritt D) nur innerhalb der ROI angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach dem Verfahrensschritt J) folgender Verfahrensschritt durchgeführt wird: K) Speichern des im Verfahrensschritt J) ausgegebenen Parametersatzes in einer Datenbank.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem vor dem Verfahrensschritt C) folgender Verfahrensschritt durchgeführt wird: B) Erzeugen der im Verfahrensschritt C) eingesetzten n Parametersätze durch B1) Zufall oder B2) eine Default-Startparametrisierung.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem vor dem Verfahrensschritt C) folgender Verfahrensschritt durchgeführt wird: B) Erzeugen der im Verfahrensschritt C) eingesetzten n Parametersätze durch B3) Durchführen einer Messung des Messkörpers mit einer Default-Startparametrisierung und Bestimmen eines oder mehrerer nächsten Nachbarn der Default-Startparametrisierung.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem vor dem Verfahrensschritt B) folgender Verfahrensschritt durchgeführt wird: A) Definieren von Wertebereichen für die Messparameter der Parametersätze, wobei die Parameter der Parametersätze in den Verfahrensschritten B) und E) innerhalb dieser Wertebereiche erzeugt werden.
Vorrichtung (10) zum Bestimmen eines optimierten Parametersatzes mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) eine Messvorrichtung (12) zum Durchführen der Messungen im Verfahrensschritt C) und einen Rechner (14) zum Durchführen der weiteren Verfahrensschritte aufweist.