DE10144628A1

DE10144628A1 - Laserbearbeitungsanlage und Verfahren zur Überwachung ihres Betriebs

Info

Publication number: DE10144628A1
Application number: DE10144628A
Authority: DE
Inventors: Bert Schuermann
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: DE10144628B4

Abstract

Bei einer Laserbearbeitunganlage wird einem Laserbearbeitungskopf (9) ein Laserstrahl (2) über eine Lichtleitfaser (3) zugeführt. Zur Erzeugung eines ersten Meßsignals (M1) wird die Leistung des Laserstrahls (2) vor Eintritt in die Lichtleitfaser (3) mittels eines ersten Sensors (4) gemessen. Darüber hinaus wird die Leistung des Laserstrahls (2) nach Austritt aus der Lichtleitfaser (3) zur Erzeugung eines zweiten Meßsignals (M2) mit Hilfe eines zweiten Sensors (14) gemessen. Ein Prozessor (8) bildet einen Quotienten aus zweitem zu erstem Meßsignal (M2/M1) und vergleicht diesen Quotienten mit einem vorgegebenen Schwellenwert. Ist der Quotient kleiner als der vorgegebene Schwellenwert, wird dies als Indiz dafür angesehen, dass die Lichtleitfaser (3) defekt ist. Die Laserbearbeitungsanlage wird abgeschaltet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Laserbearbeitungsanlage gemäß dem Anspruch 1 sowie auf eine Laserbearbeitungsanlage gemäß dem Anspruch 3.

Mit Hilfe eines Laserbearbeitungskopfs lässt sich ein Werkstück unter Verwendung eines Laserstrahls bearbeiten, derart, dass z. B. Schweiß- oder Schneidarbeiten durchgeführt werden. Hierzu wird der Laserbearbeitungskopf relativ zum Werkstück in geeigneter Weise positioniert. Die Positionierung erfolgt über eine Regeleinrichtung, die den gemessenen Abstand zwischen einer Düsenelektrode, aus dem der Laserstrahl in Richtung auf das Werkstück austritt, und dem Werkstück als Ist-Wert empfängt und die Lage der Düsenelektrode bzw. des Laserbearbeitungskopfs in Abhängigkeit eines Vergleichs des Ist-Werts mit einem vorgegebenen Soll-Wert steuert. Dabei kann der Abstand zwischen der Düsenelektrode und dem Werkstück z. B. auf kapazitivem Wege gemessen werden, wozu an die Düsenelektrode eine wechselförmige Meßspannung angelegt wird.

Der Laserstrahl selbst wird außerhalb des Laserbearbeitungskopfs durch einen Lasergenerator erzeugt und dem Laserbearbeitungskopf über eine Lichtleitfaser zugeführt. Es ist daher wichtig, den Betriebszustand der Lichtleitfaser zu erfassen, um zu verhindern, dass bei einem Bruch der Lichtleitfaser, die aufgrund der Bewegung des Laserbearbeitungskopfs ständig mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, die Laserbearbeitungsanlage unkontrollierte Betriebszustände einnimmt.

Aus der DE 40 32 967 A1 ist es bereits bekannt, zur Überwachung von Faserlichtleitern für einen Arbeitslaserstrahl hoher Energie einen niederenergetischen Kontrollaserstrahl mit einer vom Arbeitsstrahl verschiedenen Wellenlänge auf die Lichteintrittsfläche des Faserlichtleiters zu richten. Sowohl der direkt an der Lichteintrittsfläche reflektierte Anteil als auch der den Faserlichtleiter durchlaufende und nach Reflexion an der Lichtaustrittsfläche durch die Lichteintrittsfläche hindurch wieder austretende Anteil des Kontrollstrahls werden photosensorisch gemessen. Die elektrischen Ausgangssignale dieser Photosensoren werden einer elektronischen Steuerung zugeführt, welche diese Signale mit einem Referenzsignal vergleicht und gegebenenfalls die Abschaltung des Arbeitsstrahls auslöst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der zuvor beschriebenen Art zu schaffen, das ohne zusätzlichen Kontrollaserstrahl auskommt und darüber hinaus einfacher durchführbar ist. Ferner soll eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Laserbearbeitungsanlage angegeben werden.

Die verfahrensseitige Lösung der gestellten Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Dagegen findet sich die vorrichtungsseitige Lösung der gestellten Aufgabe im Anspruch 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Laserbearbeitungsanlage, bei der ein Laserstrahl über eine Lichtleitfaser einem Laserbearbeitungskopf zugeführt wird, welcher den Laserstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück fokussiert, umfasst die folgenden Schritte: Messen der Leistung des Laserstrahls vor Eintritt in die Lichtleitfaser zur Erzeugung eines ersten Meßsignals M1; Messen der Leistung des Laserstrahls nach Austritt aus der Lichtleitfaser zur Erzeugung eines zweiten Meßsignals M2; Bildung des Quotienten M2/M1 aus zweitem zu erstem Meßsignal; und Vergleich des Quotienten M2/M1 mit einem vorgegebenen Schwellenwert.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in einfacher Weise der Betriebszustand der Lichtleitfaser überwacht werden, also geprüft werden, ob die Lichtleitfaser eventuell gebrochen oder so stark gekrümmt ist, dass in ihrem Krümmungsbereich zu viel Lichtintensität nach außen austritt. Dabei ist aufgrund der Quotientenbildung aus zweitem zu erstem Meßsignal das Prüfergebnis unabhängig von irgendwelchen Rauscherscheinungen oder Intensitätsschwankungen des Laserstrahls.

Fällt der gebildete Quotient aus zweitem zu erstem Meßsignal unter einen vorgegebenen Schwellenwert, kann der Laserstrahl abgeschaltet und die Laserbearbeitungsanlage stillgesetzt werden, um den Bearbeitungsvorgang für die Dauer der Reparatur der Lichtleitfaser zu unterbrechen.

Eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsanlage ist mit folgendem ausgestattet: einem Laserbearbeitungskopf zur Fokussierung eines Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück; einer Lichtleitfaser, über die der Laserstrahl dem Laserbearbeitungskopf zuführbar ist; einem ersten Sensor, der zur Erzeugung eines ersten Meßsignals M1 die Leistung des Laserstrahls vor Eintritt in die Lichtleitfaser misst; einem zweiten Sensor, der zur Erzeugung eines zweiten Meßsignals M2 die Leistung des Laserstrahls nach Austritt aus der Lichtleitfaser misst; und einem mit den Ausgängen des ersten und zweiten Sensors elektrisch verbundenen Prozessors zur Erzeugung eines Quotienten aus zweitem zu erstem Meßsignal M2/M1 sowie zum Vergleich dieses Quotienten M2/M1 mit einem vorgegebenen Schwellenwert.

Diese Laserbearbeitungsanlage benötigt zur Überwachung des Betriebszustands der Lichtleitfaser lediglich zwei zusätzliche Sensoren sowie entsprechende teildurchlässige Umlenkspiegel zur Auskopplung von Strahlung auf die Sensoren, und weist daher einen sehr einfachen Aufbau auf. Die Quotientenbildung aus zweitem zu erstem Meßsignal kann durch die sowieso schon vorhandene Steuereinrichtung vorgenommen werden, die zu diesem Zweck lediglich in entsprechender Weise programmiert werden muss. Eine herkömmliche Laserbearbeitungsanlage lässt sich daher sehr einfach zur Überwachung der Lichtleitfaser nachrüsten.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vor der Strahleintrittsfläche der Lichtleitfaser ein erster teildurchlässiger Umlenkspiegel zur Auskopplung eines Teils des Laserstrahls auf den ersten Sensor angeordnet. Zwischen dem ersten teildurchlässigen Umlenkspiegel und der Lichteintrittsfläche der Lichtleitfaser sind also keine weiteren optischen Komponenten mehr vorhanden, so dass durch das erste Meßsignal ein einwandfreies Referenzsignal erhalten wird.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung befindet sich der zweite Sensor innerhalb des Laserbearbeitungskopfs. Dies hat den Vorteil, dass der zweite Sensor, der sich relativ nah an der Bearbeitungsstelle des Werkstücks befindet, vor Verschmutzung geschützt ist und somit ein einwandfreies zweites Meßsignal ausgeben kann.

Innerhalb des Laserbearbeitungskopfs ist darüber hinaus ein zweiter teildurchlässiger Umlenkspiegel zur Auskopplung eines Teils des Laserstrahls auf den zweiten Sensor angeordnet, vorzugsweise in einem Bereich, in dem der Laserstrahl aufgeweitet ist, so dass auch dieser zweite teildurchlässige Umlenkspiegel gegenüber äußeren Umwelteinflüssen geschützt ist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzige Figur im einzelnen beschrieben.
Zur erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsanlage gehört eine erste Fokussieroptik 1, die einen von einem nicht dargestellten Lasergenerator erzeugten parallelen Laserstrahl 2 fokussiert, und zwar zum einen auf die Lichteintrittsfläche einer Lichtleitfaser 3 sowie zum anderen auf die Lichtempfangsfläche eines ersten Sensors 4. Zu diesem Zweck befindet sich unter 45° zur optischen Achse 5 der ersten Fokussieroptik 1 ein erster teildurchlässiger Umlenkspiegel 6. Der erste Sensor 4 liegt dabei auf der optischen Achse 5, während die Normale zur Lichteintrittsfläche der Lichtleitfaser 3 senkrecht zur optischen Achse 5 steht. Aufgrund des Empfangs eines Teils des Laserstrahls 2 mißt der erste Sensor 4 als erstes Meßsignal M1 die Leistung (Intensität mal Fläche) des Laserstrahls 2. Dieses Meßsignal M1 wird über eine erste elektrische Leitung 7 einem Prozessor 8 zugeführt, der Teil der Steuerung der Laserbearbeitungsanlage ist.
Die Lichtleitfaser 3 ist mit ihrem lichtaustrittsseitigem Ende mit einem Laserbearbeitungskopf 9 verbunden, um diesem denjenigen Teil des Laserstrahls 2 zuzuführen, der über den ersten teildurchlässigen Umlenkspiegel 6 in die Lichtleitfaser 3 eingekoppelt worden ist. Innerhalb des Laserbearbeitungskopfs 9 befindet sich eine Kollimieroptik 10, die die Lichtaustrittsfläche der Lichtleitfaser 3 beobachtet und den aus der Lichtaustrittsfläche der Lichtleitfaser 3 austretenden Laserstrahl in einen aufgeweiteten, parallelen Laserstrahl 2a umwandelt. Über eine ebenfalls im Laserbearbeitungskopf 9 vorhandene zweite Fokussieroptik 11 wird der aufgeweitete Laserstrahl 2a wieder fokussiert, so dass ein fokussierter Laserstrahl 2b den Laserbearbeitungskopf 9 verlässt und auf ein Werkstück 12 auftrifft, um dieses zu bearbeiten.
Innerhalb des Bereichs des aufgeweiteten parallelen Laserstrahls 2a ist ein zweiter teildurchlässiger Umlenkspiegel 13 innerhalb des Laserbearbeitungskopfs 9 angeordnet, der einen Teil des Laserstrahls 2a auf die Lichtempfangsfläche eines zweiten Sensors 14 auskoppelt. Der zweite teildurchlässige Umlenkspiegel 13 steht hier unter 45° zur optischen Achse 15 von Kollimieroptik 10 und zweiter Fokussieroptik 11. Aufgrund des Empfangs eines Teils des parallelen Laserstrahls 2a mißt der zweite Sensor 14 als zweites Meßsignal M2, die Leistung (Intensität mal Fläche) des Laserstrahls 2a, wobei das zweite Meßsignal M2 über eine zweite elektrische Leitung 16 ebenfalls dem Prozessor 8 zugeführt wird. Der Prozessor 8 bildet dann aus dem erhaltenen ersten Meßsignal M1 und dem erhaltenen zweiten Meßsignal M2 einen Quotienten M2/M1, um zu überprüfen, ob dieser Quotient M2/M1 kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Dieser vorgegebene Schwellenwert ist in einem Speicher 17 des Prozessors 8 vorgespeichert. Ist der Quotient M2/M1 größer als der vorgegebene Schwellenwert, ist die die Lichtaustrittsfläche der Lichtleitfaser 3 verlassene Strahlungsintensität groß genug, um den Laserbearbeitungsvorgang fortzusetzen. Ist dagegen der Quotient M2/M1 kleiner als der vorgegebene Schwellenwert, wird dies als Indiz dafür betrachtet, dass nicht genügend Strahlung die Lichtleitfaser 3 über deren strahlausgangsseitige Fläche verlässt, was bedeutet, dass die Lichtleitfaser 3 entweder gebrochen oder zu stark gekrümmt ist. In diesem Fall wird der Laserstrahl 2 abgeschaltet und der weitere Bearbeitungsprozess unterbrachen.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Laserbearbeitungsanlage, bei der ein Laserstrahl (2) über eine Lichtleitfaser (3) einem Laserbearbeitungskopf (9) zugeführt wird, welcher den Laserstrahl (2) auf ein zu bearbeitendes Werkstück (12) fokussiert, mit folgenden Schritten:

- Messen der Leistung des Laserstrahls (2) vor Eintritt in die Lichtleitfaser (3) zur Erzeugung eines ersten Meßsignals (M1);

- Messen der Leistung des Laserstrahls (2) nach Austritt aus der Lichtleitfaser (3) zur Erzeugung eines zweiten Meßsignals (M2);

- Bildung des Quotienten (M2/M1) aus zweitem zu erstem Meßsignal; und

- Vergleich des Quotienten (M2/M1) mit einem vorgegebenen Schwellenwert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) abgeschaltet wird, wenn der Quotient (M2/M1) kleiner als der Schwellenwert ist.

3. Laserbearbeitungsanlage mit
einem Laserbearbeitungskopf (9) zur Fokussierung eines Laserstrahls (2) auf ein zu bearbeitendes Werkstück (12);
einer Lichtleitfaser (3), über die der Laserstrahl (2) dem Laserbearbeitungskopf (9) zuführbar ist;
einem ersten Sensor (4), der zur Erzeugung eines ersten Meßsignals (M1) die Leistung des Laserstrahls (2) vor Eintritt in die Lichtleitfaser (3) mißt;
einem zweiten Sensor (14), der zur Erzeugung eines zweiten Meßsignals (M2) die Leistung des Laserstrahls (2) nach Austritt aus der Lichtleitfaser (3) mißt; und
einem mit den Ausgängen des ersten und zweiten Sensors (4, 14) elektrisch verbundenen Prozessors (8) zur Erzeugung eines Quotienten (M2/M1) aus zweitem zu erstem Meßsignal sowie zum Vergleich dieses Quotienten (M2/M1) mit einem vorgegebenen Schwellenwert.

4. Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Strahleintrittsfläche der Lichtleitfaser (3) ein erster teildurchlässiger Umlenkspiegel (6) zur Auskopplung eines Teils des Laserstrahls (2) auf den ersten Sensor (4) angeordnet ist.

5. Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (14) innerhalb des Laserbearbeitungskopfs (9) angeordnet ist.

6. Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Laserbearbeitungskopfs (9) ein zweiter teildurchlässiger Umlenkspiegel (13) zur Auskopplung eines Teils des Laserstrahls (2) auf den zweiten Sensor (14) angeordnet ist.

7. Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite teildurchlässige Umlenkspiegel (13) in einem Strahlaufweitungsbereich des Laserstrahls (2) liegt.