DE102006026555A1

DE102006026555A1 - Elektronisch aktives Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von kohärenter (Laser-) und/oder inkohärenter (LED-) Strahlung in einem beliebigen Schutzwandsystem

Info

Publication number: DE102006026555A1
Application number: DE102006026555A
Authority: DE
Inventors: Klaus R. Goebel
Original assignee: INGBUERO GOEBEL GmbH; Ingenieurbuero Goebel GmbH
Current assignee: INGBUERO GOEBEL GmbH; Ingenieurbuero Goebel GmbH
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2006-06-08
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2026-06-09
Also published as: DE102006026555B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisch aktives Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von kohärenter (Laser-) und/oder inkohärenter (LED-) Strahlung in einem beliebigen Schutzwandsystem aus mindestens zwei absorbierenden Wandelementen. Die Erfindung dient dem Schutz vor gefährlicher optischer Strahlung außerhalb des Einhausungsbereiches durch aktive Überwachung der passiven Schutzelemente mittels Sensoren. Die Sensoren werden hierbei mit Strahlung einer Referenzwellenlänge beaufschlagt oder detektieren die durchdringende Strahlung direkt. Das System ist sicherheitsgerichtet ausgelegt und kann in vorhandene Einhausungen nachgerüstet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisch aktives Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von kohärenter (Laser-) und/oder inkohärenter (LED-)Strahlung in einem beliebigen Schutzwandsystem aus mindestens zwei absorbierenden Wandelementen. Die Erfindung dient dem Schutz vor gefährlicher optischer Strahlung außerhalb des Einhausungsbereiches durch aktive Überwachung der passiven Schutzelemente mittels Sensoren. Das System ist sicherheitsgerichtet ausgelegt und kann in vorhandene Einhausungen nachgerüstet werden.
Stand der Technik
Moderne Hochleistungslaser werden in der industriellen Fertigung zur Materialbearbeitung eingesetzt. Portalanlagen und Robotersysteme erlauben dem Anwender eine maximal flexible Führung der Laserstrahlung zum Werkstück. Kann die Laserenergie in Lichtwellenleitern zum Bearbeitungsort geführt werden, wird die Dynamik dieser Systeme noch wesentlich erhöht. Zur Sicherung von Leib und Leben werden passiv wirkende (absorbierende) Schutzwände, meist aus Metall, mit einfachen oder mehrfach hintereinander angeordneten Platten um den Laserbereich aufgebaut, die so genannten Einhausungen. Innerhalb dieser Schutzwände tritt Laserstrahlung mit extrem hoher Energiedichte auf. Durch das Bearbeiten der Werkstücke kommt es zusätzlich zu unkontrollierten Reflexionen. Direkte oder indirekte Laserstrahlung, im schlimmsten Fall der Rohstrahl, trifft auf die Umhausung, die ihrerseits die Aufgabe hat Personen außerhalb vor der Strahlung zu schützen. Je nach Betriebsart der Laseranlage muss dieser Schutz für einen Zeitraum t gewährleistet sein, z.B., bis der Bediener der Anlage den Fehler bemerkt und diese stillsetzen kann. Durch die hohe Laserenergie und die oft geringen Abstände zur Schutzwand wird dieser Zeitraum t bis zur Abschaltung immer geringer, oder die Materialanforderungen an die Einhausung immer anspruchsvoller. Ausschließlich passive Schutzwände sind daher nur bedingt zur Absicherung von Personen geeignet.
Die Patentveröffentlichungen DE 100 17 284 C1 , DE 103 25 906 A1 , DE 196 29 037 C1 betreffen rein den passiven Schutz durch verschiedene Ausführungen der Oberflächenbeschaffenheiten bzw. der Zwischenräume der Wände. Es werden die unterschiedlichen Wärmeleiteigenschaften oder das Reflexionsvermögen zur Realisierung der passiven Strahlensicherheit genutzt. In der Praxis sind die Oberflächen der Schutzwände jedoch bereits nach kurzer Zeit durch Öl, Schmutz und Staub dermaßen verunreinigt, dass die ursprünglichen Eigenschaften der Schutzvorrichtungen nicht mehr gegeben sind.
DE 36 38 874 C2 beschreibt ein aktives Verfahren, wobei die dem Laser zugewandte Innenwand, ähnlich einer Schmelzsicherung, mit einem elektrisch aktiven Leiter ausgerüstet ist. Gegenüber dem hier beschriebenen Verfahren ist eine sichere Funktion dabei nur gegeben, wenn die Innenwand in ihrem Absorptionsverhalten exakt auf die Laserwellenlänge abgestimmt ist und zusätzlich eine elektrisch aktive Sicherung enthält. Um dieses System z.B. für Faserlaser mit sehr kleinem Strahldurchmesser verwenden zu können, müsste der elektrische Leiter in sehr engen Mäandern in die Wand eingebettet sein, was einen hohen konstruktiven und kostenintensiven Aufwand bedeutet.
DE 89 08 806 beschreibt ein zu dem oben Beschriebenen, nahezu identisches Verfahren.
DE 199 40 476 A1 beschreibt ein aktives Verfahren zur Erkennung optischer Strahlung mittels beliebiger Sensoren. Jedoch ist in diesem Verfahren die Ausführung der Schutzwand ein wesentlicher Bestandteil der Funktion. Die Verwendung von Wärmesensoren an der dem Laser zugewandten Wand erfordert, je nach den Wärmeleiteigenschaften des Wandmaterials eine nicht unerhebliche Anzahl von Sensoren für eine sichere Abschaltung. Die beschriebene Variante mit optischen Sensoren und einer mit Folie ausgestatteten Lochblechwand innen erfordert wiederum speziell konstruierte Wandelemente.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird hier ein aktives, elektronisches Verfahren vorgestellt welches unabhängig von der Schutzeinhausung und deren Material, die optische Strahlung als Störung eines Referenzsignals erkennt und im Fehlerfall sehr schnell zur Abschaltung der Quelle führt.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein aktives Verfahren zur Erkennung des Versagens der inneren Schutzwand sicher zu ermöglichen und entsprechend auszuwerten. Das so gewonnene Signal wird zur automatischen, sicherheitsgerichteten Notabschaltung der Laseranlage verwendet. Das Verfahren ist unabhängig von der Konstruktion der Schutzwand und dem dafür verwendeten Material und kann so in vorhandene Systeme beliebig nachgerüstet werden.
Die Lösung dieses technischen Problems basiert auf der Grundlage, dass sich kohärente und inkohärente Strahlung durch Sensoren direkt und indirekt detektieren lässt.
Der ersten Lösungsvariante liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Laserstrahlung beim Auftreffen auf das Schutzmaterial eine entsprechend hohe Energie einkoppelt (Absorption) und es dadurch zu einer schnellen lokalen Erwärmung der Schutzwand kommt. Die Wärmeenergie wird innerhalb des Wandmaterials, abhängig von dessen physikalischen Eigenschaften, weitergeleitet. Mittels pyroelektrisch aktiver Sensoren kann diese Erwärmung detektiert und ausgewertet werden. Die Anzahl, die Anordnung und die Empfindlichkeit der Sensoren ist abhängig von der Größe der Wandelemente und des verwendeten Materials.
Auf der Erkenntnis des Absorptionsverhaltens des Schutzwandmaterials aufbauend besteht die erfinderische Idee der zweiten Lösungsvariante darin, dass die Zerstörung der inneren Schutzwand zunächst billigend in kauf genommen wird. Hat die Laserstrahlung die erste Schutzschicht durchbrochen, kommt es im Innenraum zwischen den beiden Wandelementen zu einer hohen Strahlungsleistung, gestreut und/oder gerichtet, der verwendeten Laserenergie. Optisch empfindliche Sensoren erkennen diese Strahlung als Störung eines Referenzsignals eines Senders und das Ergebnis wird entsprechend ausgewertet und umgesetzt.
Gegenüber der ersten Lösungsvariante hat dieses Verfahren einen deutlichen Zeitvorteil, da die Dauer für die Erwärmung und die Ausbreitung der Wärmeenergie im Schutzmaterial unerheblich ist. Ebenso ist es nicht von Bedeutung, welches Wandmaterial verwendet wurde oder welchen Grad an Verschmutzung die Oberfläche aufweist.
Basierend auf der zweiten Lösungsvariante besteht die erfinderische Idee auch in der Tatsache, dass sich nahezu alle vorhandenen Doppelwandschutzeinhausungen mit diesem System nachrüsten lassen.
Bezugnehmend auf die Ausführungen in Absatz [11] besteht eine weitere erfinderische Idee darin, zur Vermeidung von Fehlfunktionen, zum Beispiel Streu- oder Tageslicht, die Sensoren mit entsprechenden Filtern auf einen zu detektierenden Wellenlängenbereich einzuschränken.
Das Verfahren muss sicherheitsgerichtet betrieben werden. Damit ist eine Überwachung der Sensoren auf ihren technisch einwandfreien Zustand zu jeder Zeit erforderlich. Zur Realisierung dieser Notwendigkeit besteht die erfinderische Idee darin, die Sensoren mit Hilfe von niederenergetischen Strahlungsquellen mit modulierter und/oder codierter Strahlung dauerhaft zu beaufschlagen. Das Gebersignal wird hierbei sowohl auf elektrischem Wege (Ausgang, Sollwert) als auch auf optischem Wege (Eingang, Istwert) verglichen (zweifache Rückkopplung) nur wenn die Modulation und/oder Codierung auf beiden Kanälen identisch ist, bleibt die Auswerteelektronik im aktiven Zustand (keine Störung detektiert). Eine sicherheitsgerichtete Ausführung der Elektronik (Stand der Technik) garantiert eine Fehlermeldung bei elektrischem oder elektronischem Versagen (Bauteile, Spannungsversorgung, Kabelbruch etc.).
Basierend auf den oben beschriebenen Ausführungen besteht die erfinderische Idee der Fehlererkennung darin, dass Laser- oder andere optische Strahlung, die in den Zwischenraum der Schutzeinhausung eindringt und dem zu detektierenden Wellenlängenbereich entspricht, auf jeden Fall zu einer Störung des Puls- oder Codemusters des Sensorsystems führt und damit sofort ein Auslösen des Sicherheitskreises folgt (z.B. Abfall eines Relais).
Das unter [16] beschriebene Verfahren ist gemäß der Idee des Erfinders sowohl für kontinuierliche Laserstrahlung als auch für gepulste Systeme gleichermaßen geeignet.
Bezugnehmend auf die Ausführungen des vorvorletzten Absatzes besteht insofern eine weitere erfinderische Idee darin, die in sich sicherheitsgerichteten elektronischen Auswerteeinheiten so zu gestalten, dass eine beliebige Kaskadierbarkeit entsteht. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung um beliebig viele Wandelemente miteinander verknüpfen zu können oder den Aufbau mehrerer Sicherheitskreise (Zonen) in einem System zu realisieren.
Zusammenfassend besteht damit die Lösung des o.g. technischen Problems in einem Verfahren zur Erkennung und Auswertung des Eintrittes von kohärenter und/oder inkohärenter optischer Strahlung in ein definiertes Volumen oder Teilvolumen einer Schutzeinhausung. Das Verfahren schließt hierbei sowohl die direkte Erkennung über optische und/oder andere beliebig sensitive Detektoren, als auch die indirekte Erkennung über die Ausbreitung der Wärme im Absorptionsmaterial ein.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
1 zeigt in einer schematischen Darstellungsweise das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem verschiedene Strahlungsquellen (4a, 5a, 6a) innerhalb eines Teilvolumens einer Schutzwand aus zwei Platten (inneres Wandelement 2, äußeres Wandelement 1) derart angeordnet sind, dass die emittierte Strahlung mit einer Wellenlänge λ₁ auf verschiedene, in diesem Beispiel gegenüberliegende Sensoren (4b, 5b, 6b) trifft. Zum Schutz vor Fremdstrahlung sind vor den Detektoren Filter angebracht, die den Empfangsbereich auf ein Wellenlängenband λ₂ = λ₁ ± Δλ begrenzt. λ₁ soll hierbei nahe der zu detektierenden Laserstrahlung sein.
2 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine mögliche Funktion der elektronischen Auswertungseinheit. Der Sender (6a) wird mit einer Modulation (7) beaufschlagt und emittiert Strahlung mit diesem Modulationsmuster. Das Signal des Generators (3) wird elektrisch direkt auf die Auswertelektronik (4) geleitet (Rückkoppelung). Das Signal des Empfängers (6b) wird über einen weiteren Eingang auf die Auswerteelektronik (4) geschaltet. Die Auswerteelektronik (4) vergleicht die Modulationsmuster (7) vom Generator (3) mit dem Empfängersignal. Wird im Volumen ausschließlich Strahlung mit dem generierten Modulationsmuster detektiert gibt die Auswertelektronik die Laseranlage frei. Dringt, zum Beispiel nach Zerstörung der inneren Schutzwand (2) Laserstrahlung (5) in das Teilvolumen ein, wird das Modulationsmuster gestört. Dies geschieht unabhängig davon, ob es sich bei der eindringenden Strahlung um kontinuierliche oder gepulste Strahlung handelt. Die Auswerteelektronik erkennt nun einen signifikanten Unterschied zwischen dem rückgekoppelten Sollwert und dem detektierten Istwert. Es kommt zu einer Fehlermeldung, die einen Notstopp der Laseranlage auslöst.

Claims

Elektronisch aktives Verfahren zur Erkennung und Auswertung des Eintrittes von kohärenter und/oder inkohärenter optischer Strahlung in ein definiertes Volumen oder Teilvolumen einer Schutzeinhausung unabhängig von der geometrischen Anordnung und dem Material der Schutzelemente. a. Direkte und/oder indirekte Erkennung der eindringenden Strahlung über optische und/oder andere beliebig sensitive, einzelne Sensoren. b. Direkte und/oder indirekte Erkennung der eindringenden Strahlung über die Ausbreitung (Leitung) der Wärme im Absorptionsmaterial. c. Direkte und/oder indirekte Erkennung der eindringenden Strahlung über optische und/oder andere beliebig sensitive Mehrfach-Sensorsysteme d. Fehlersichere Signalauswertung, durch die Erzeugung eines Referenzstrahlungsfeldes im Volumen oder Teilvolumen der Schutzeinrichtung. e. Fehlersichere Signalauswertung, bei der Erkennung, durch die Verwendung eines mindestens zweikreisig ausgeführten, redundanten Sensorsystems. f. Beliebige Kaskadierbarkeit der Auswerteeinheiten gemäß 1 ff.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzstrahlungsquelle monochromatische Strahlung erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzstrahlungsquelle breitbandige Strahlung erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzstrahlungsquelle direkt oder indirekt am Empfangssensor integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfangssensor selbst überwacht und fehlersicher ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Sender und Empfangssensoren geometrisch beliebig innerhalb des Volumens bzw. Teilvolumens der Schutzeinrichtung angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal eine beliebige Modulationsform besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal eine beliebige Codierung besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination vom Material der Schutzeinhausung unabhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination von der Anzahl der hintereinander geschachtelten Schutzwände unabhängig ist.
Vorrichtung zur Erkennung und Auswertung des Eintrittes von kohärenter und/oder inkohärenter optischer Strahlung in ein definiertes Volumen oder Teilvolumen einer Schutzeinhausung unabhängig von der geometrischen Anordnung und dem Material der Wandelemente.
Vorrichtung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung der eindringenden Strahlung über optische und/oder andere elektromagnetisch sensitive Detektoren direkt erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung der eindringenden Strahlung über die Ausbreitung der Wärme indirekt detektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren im direkten Kontakt, elektrisch oder thermisch, mit der Absorberschicht verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren die Wärmeausbreitung in der Absorberschicht indirekt über die Wärmestrahlung im Volumen oder Teilvolumen detektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren die Wärmeausbreitung in der Absorberschicht indirekt über die Wärmestrahlung außerhalb des Volumens oder Teilvolumens detektieren.