DE19630437C2 - Detektorvorrichtung - Google Patents
DetektorvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Detektorvorrichtung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4.
Die US 52 72 312 A beschreibt eine Vorrichtung der
oben genannten Art, bei welcher von der Bearbeitungszone
des Werkstückes ausgehendes "Sekundärlicht" zur Überwachung
und Regelung des Bearbeitungsvorganges eingesetzt wird.
Unter "Sekundärlicht" werden dabei solche Lichtstrahlen
unterschiedlicher Wellenlänge verstanden, die in dem
bearbeiteten Werkstück durch den Bearbeitungslaserstrahl
erzeugt werden. Hierbei handelt es sich zum einen um UV-
Licht, welches von der durch den Bearbeitungslaserstrahl
in dem Werkstück erzeugten Dampfkapillare ausgeht. Diese
UV-Strahlung läßt sich, wie der Vorveröffentlichung im
einzelnen zu entnehmen ist, zur Kontrolle und Regelung
verschiedener Schweißparameter einsetzen. Darüber hinaus
geht von dem aufgeschmolzenen Bereich des Werkstückes,
welcher der Dampfkapillare in Bewegungsrichtung des
Bearbeitungskopfes gesehen nacheilt, IR-Strahlung aus,
welche sich zur Kontrolle der Güte der Schweißung verwerten
läßt. Insbesondere lassen sich mit Hilfe der IR-Strahlung
Löcher oder Poren ermitteln und dokumentieren, welche
durch das Herausspritzen von Material aus der Schweißnaht
entstanden sind. Der unterschiedlichen Wellenlänge der
genannten Strahlen entsprechend sind bei der in der US 52 72 312 A
beschriebenen Vorrichtung jeweils ein UV-
empfindlicher und ein IR-empfindlicher Sensor vorgesehen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind beide Sensoren
in einer einheitlichen Detektorvorrichtung zusammengefaßt.
Die Aufspaltung der Strahlen erfolgt entsprechend ihrer
Wellenlänge durch einen Spiegel, der für eine der beiden
Wellenlängen im wesentlichen durchlässig ist, die andere
Wellenlänge dagegen reflektiert.
Bei der bekannten Schweiß- und Schneidvorrichtung ist die
Detektorvorrichtung eine von dem Laser-Bearbeitungskopf
vollständig getrennte Einheit, die in dem beengten Raum
zwischen Laser-Bearbeitungskopf und Werkstück so unterge
bracht werden muß, daß sie die vom Werkstück ausgehende
Sekundärstrahlung empfangen kann. Dies ist häufig aus
geometrischen Gründen mit großen Problemen verbunden.
Manchmal muß die Detektorvorrichtung so nahe am Werkstück
angeordnet werden, daß sich Temperaturprobleme ergeben.
Die US 4 772 772 beschreibt eine Detektorvorrichtung,
mit deren Hilfe die Bündelhomogenität einerseits eines Bear
beitungslasers und andererseits der von einem Werkstück
rückreflektierten Strahlung überwacht werden kann. Dazu
weisen zwei Umlenkspiegel innerhalb der Detektorvorrichtung
Schlitze längs des einfallenden bzw. zurückreflektierten
Strahlengangs auf, die in radialen Schnittebenen des
Bündelquerschnitts des Bearbeitungslasers verlaufen. In
den Schlitzen des Fokussierspiegels wird der Laserstrahl
auf dem Weg zum Werkstück zu einem geringen Teil von den
entsprechend geformten Schlitzböden auf drei in Umfangs
richtung um den Fokussierspiegel verteilte Detektoren
fokussiert. Im Planspiegel wiederum sind die Schlitze so
angeordnet, daß nur zurückreflektierte Strahlung vom
Werkstück in diese gelangen und vom Boden der Schlitze
auf drei entsprechend um den Spiegel angeordnete Detektoren
fokussiert werden kann. Die durch die Umlenkspiegel und
die Schlitze gebildete optische Anordnung dient zur
Umlenkung des Bearbeitungslaserstrahls bzw. der vom
Werkstück zurückreflektierten Strahlung des Bearbeitungs
lasers. Eine Führung von Strahlenbündeln, die vom Werkstück
emittiert werden, ist in dieser Druckschrift nicht offen
bart.
Mit der Detektionsanordnung der US 5 155 328 A wird ein
Laser-Bohrvorgang überwacht. Das von einem metallischen Werk
stück emittierte Licht wird dabei von einem Spiegel in
Richtung eines Sensors reflektiert. Dadurch wird ein
Meßsignal erzeugt, das von der vom
Werkstück über dessen gesamte
von einem Bearbeitungslaser bestrahlte Fläche emittierten Strahlung monoton
abhängt. Der Spiegel ragt in das
emittierte Strahlenbündel des Bearbeitungslasers hinein.
Das Meßsignal nimmt schlagartig ab, wenn der Bearbeitungs
laserstrahl sich durch das Werkstück hindurchgearbeitet
hat und daher emittiertes Licht
praktisch verschwindet. In dieser Druckschrift ist nur
ein Sensor vorgesehen. Eine optische Trenneinrichtung,
die Licht unterschiedlichen Sensoren zuführt, ist demnach
nicht vorhanden. Das Meßsignal ist geometrisch unselektiv
von der vom Werkstück emittierten Strahlung abhängig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Detektor
vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit
welcher die von unterschiedlichen Werkstückbereichen
ausgehenden Strahlenbündel zuverlässig voneinander getrennt
werden können.
Diese Aufgabe wird zu einen mit den im Anspruch 1 beschrie
benen Merkmalen gelöst.
Bei dieser Variante der erfindungsgemäßen Detektorvorrich
tung ist also die selektive optische Trenneinrichtung
durch mindestens einen Spiegel gebildet, der so weit
in den Strahlengang des Strahlenbündels hineinragt, daß
er ein aus einem bestimmten geometrischen Bereich des
Werkstücks herrührendes Teil-Strahlenbündel aus dem
gesamten Strahlenbündel abtrennt und auf einen diesem
geometrischen Bereich zugeordneten Sensor lenkt. Während
also die in der US 52 72 312 A beschriebene selektive
optische Trenneinrichtung auf unterschiedliche optische
Eigenschaften der Teil-Strahlenbündel setzt, die mit ihrer
unterschiedlichen Wellenlänge zusammenhängen, benutzt
die erfindungsgemäße selektive optische Trenneinrich
tung die unterschiedliche geometrische Lage der Teil-
Strahlenbündel im Gesamtstrahlenbündel. Auf diese Weise
wird die selektive optische Trenneinrichtung im wesent
lichen wellenlängen-unabhängig einsetzbar, was die Va
riabilität ihrer Verwendbarkeit deutlich erhöht.
Die optische Trenneinrichtung kann dabei zwei Spiegel
enthalten, welche jeweils zwei gegenüberliegende achs
ferne Teil-Strahlenbündel auf mindestens einen Sensor
ablenken. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung lassen
sich also zwei geometrische Bereiche, die, bezogen auf
die Richtung der Relativbewegung zwischen Laser-Bearbei
tungskopf und Werkstück, auf gegenüberliegenden Seiten
der Dampfkapillare liegen, erfassen bzw. beobachten.
Die Anordnung kann so getroffen sein, daß die beiden
Spiegel unter einen solchen Winkel gegen die optische
Achse angestellt sind, daß sie die ihnen zugeordneten
Teil-Strahlenbündel auf denselben Sensor lenken. Bei
dieser Ausführungsform werden also die beidseits der Dampf
kapillare liegenden geometrischen Bereiche des Werk
stückes nicht unterschieden; sie werden "symmetrisch"
behandelt. Diese Ausgestaltung eignet sich deshalb besonders
dann, wenn die Vorrichtung ohne apparativen Umbau bei
zwei entgegengesetzten Richtungen der Relativbewegung
zwischen Laser-Bearbeitungskopf und Werkstück eingesetzt
werden soll.
Die oben genannte Aufgabe wird zum anderen durch die
im Anspruch 4 angegebenen Merkmale gelöst.
Bei dieser Variante der erfindungsgemäßen Detektorvorrich
tung wird die in der erwähnten US 52 72 312 A beschriebene
selektive optische Trenneinrichtung, also ein in einem
bestimmten Wellenlängenbereich selektiv reflektierender
oder in einem bestimmten Wellenlängenbereich selektiv
durchlässiger Spiegel, beibehalten. Da jedoch die Selek
tivität derartiger Spiegel niemals einhundertprozentig
ist, wird sie erfindungsgemäß durch eine "geometrische
Komponente" ergänzt. Diese besteht darin, daß im Strahlen
gang vor mindestens einem Sensor eine Maske angeordnet
ist, die eine Durchgangsöffnung enthält, welche aus dem
gesamten auf den Sensor gerichteten Strahlenbündel dieje
nigen Strahlen durchläßt, die von einem bestimmten Bereich
in der Umgebung der im Werkstück erzeugte Dampfkapillare
ausgehen. Diese Ausgestaltung macht sich die oben schon
erwähnte Tatsache zunutze, daß verschiedene Umgebungsbe
reiche der Dampfkapillare Sekundärstrahlung mit unterschied
lichen Wellenlängen aussenden. Da bei ihr sowohl ein
selektiv reflektierender bzw. selektiv durchlässiger
Spiegel also auch eine Maske eingesetzt werden, kombiniert
sie im oben genannten Sinne "optische" mit "geometrischen"
Methoden.
Bei den bekannten Vorrichtungen der eingangs genannten
Art wurde auf den IR-empfindlichen Sensor ausschließlich
derjenige Bereich des Werkstückes abgebildet, welcher
in Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfes gesehen
der Dampfkapillare (dem "Schweißherd") nacheilt. Bei zwei
dimensionalem Schweißen ("XY-Schweißen") war es deshalb
erforderlich, für den Detektorkopf eine zusätzliche
Drehachse um die Achse des abgehenden Laserstrahles
vorzusehen, damit der Detektorkopf nacheilend auf die
gerade geschweißte Nahnt hin orientiert werden konnte.
Eine solche zusätzliche Drehachse läßt sich mit einer
Ausgestaltung der Erfindung erübrigen, bei welcher im
Strahlengang eine Einrichtung, z. B. eine Maske, angeordnet
ist, welche die vom Schweißherd ausgehenden Strahlen
abfängt oder einer gesonderten Auswertung zuführt, und
bei welcher die Abbildungsoptik so ausgestaltet ist, daß die
von außerhalb des Schweißherdes liegenden Bereichen
des Werkstückes ausgehenden Strahlen rotationssymmetrisch
auf einen Sensor abgebildet werden.
Die Detektorvorrichtung sollte an dem dem Beobachtungs
kanal des Laser-Bearbeitungskopfes benachbarten Ende
einen in seiner Neigung einstellbaren Umlenkspiegel
aufweisen. Mit Hilfe dieses Umlenkspiegels gelingt es,
alle vom Bereich der Dampfkapillare bzw. deren Umgebung
am Werkstück ausgehende Strahlen richtig in die an den
Laser-Bearbeitungskopf anmontierte Detektorvorrichtung
einzulenken.
Bei den Sensoren handelt es sich vorzugsweise um (selbst
verständlich für die entsprechende Wellenlänge) lichtem
pfindliche Elemente, insbesondere Photodioden, die gege
benenfalls gegen andere Wellenlängen durch geeignete
Filter abgeschirmt sind.
Es kann sich jedoch empfehlen, wenn die lichtempfindli
chen Elemente (zeitweise) gegen CCD-Kameras austausch
bar sind. Die direkte visuelle Betrachtung des Gebietes
auf dem Werkstück, auf welchen der Bearbeitungslaser
strahl auftrifft, kann in vielerlei Hinsicht, z. B. zu
Justagezwecken, nützlich sein. Auch bei in Betrieb befindlicher
Vorrichtung ist diese Austauschmöglichkeit
sinnvoll: dann kann beispielsweise die Dynamik des Schmelz
bades durch eine CCD-Kamera beobachtet werden, auf welche
das entsprechende Teil-Strahlenbündel abgebildet wird.
Wenn die Vorrichtung nur für eine spezielle Relativ
bewegung zwischen Werkstück und Schweißkopf ausgelegt
zu sein braucht, kann auch ein Ausführungsform gewählt
werden, bei welcher die selektive optische Trenneinrichtung
eines der von ihm erzeugten Teil-Strahlenbündel auf ein
lichtempfindliches Element, insbesondere eine Photodiode,
ein anderes von ihm erzeugtes Teil-Strahlenbündel auf
eine CCD-Kamera lenkt.
Grundsätzlich ist es nicht unbedingt erforderlich, die
beobachtete bzw. erfaßte Zone auf der Werkstück-Ober
fläche auf den oder die Sensoren durch ein besonderes
optisches System abzubilden. Gleichwohl empfiehlt es sich,
wenn die Vorrichtung eine Abbildungsoptik im Strahlengang
des gesamten Strahlenbündels enthält, da dann die Trennung
der einzelnen Teil-Strahlenbündel leichter gelingt und
die Empfindlichkeit der Detektorvorrichtung größer ist.
Die Abbildungsoptik kann dabei von einem Teleskop gebil
det sein.
Die oben geschilderte Aufgabe wird, was die anzubauende
Detektorvorrichtung betrifft, durch die in den Ansprüchen
1 und 4 beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiter
bildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 3 und 5 bis 11 angegeben.
Wegen der Vorteile dieser verschiedenen Ausführungsfor
men wird auf die entsprechenden Ausführungen oben zur
Laser-Bearbeitungsvorrichtung selbst verwiesen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Laser-Bearbeitungs
kopf mit hieran befestigter Detektorvorrichtung;
Fig. 2 einen Schnitt durch eine alternative Ausführungs
form der Detektorvorrichtung, wobei die Schnitt
ebene senkrecht zur Zeichenebene von Fig.
1 steht.
In der Fig. 1 ist ein Laser-Bearbeitungskopf insgesamt
mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Er umfaßt
einen Körper 2, der aus mehreren, lösbar miteinander
verbundenen Körperteilen 2a, 2b, 2c zusammengesetzt
ist. Durch den gesamten Körper 2 ist ein Durchgangs
kanal 3 für den (nicht dargestellten) Bearbeitungs
laserstrahl hindurchgeführt. Der Durchgangskanal 3 be
sitzt ein dem Bearbeitungslaser zugewandtes erstes Ende
4 im Körperteil 2a und ein zweites Ende 5 im Körperteil
2c, welches dem zu bearbeitenden Werkstück 6 benach
bart ist.
Durch den Körper 2 des Laser-Bearbeitungskopfes 1 sind
außerdem mehrere Hilfskanäle geführt, welche der Zufuhr
von Arbeits- und Schutzgasen zum Werkstück 6 bzw. zur
Kühlung in an und für sich bekannter Weise dienen. Auf
die nähere Ausgestaltung dieser Hilfskanäle kommt es im
vorliegenden Zusammenhang nicht an; sie sind daher nicht
dargestellt.
An dem Laser-Bearbeitungskopf 1 ist in hier nicht näher
dargestellter Weise lösbar eine Detektorvorrichtung
befestigt, welche insgesamt mit dem Bezugszeichen 15
versehen ist. Die Detektorvorrichtung 15 umfaßt ein schaft
artiges Verbindungsteil 16, dessen in der Zeichnung
links gelegenes, freies Ende in eine Öffnung 17 des
oberen Körperteiles 2a des Laser-Bearbeitungskopfes 1
eingeschoben ist, sowie einen Detektorkopf 18.
Das Verbindungsteil 16 der Detektorvorrichtung 15 wird
von einer Stufenbohrung 19 durchzogen, deren Achse im
wesentlichen senkrecht zur Achse des Durchgangskanales
3 im Laser-Bearbeitungskopf 1 steht. An der Stufe, welche
sich zwischen dem Bereich kleineren Durchmessers und dem
Bereich größeren Durchmessers der Stufenbohrung 19 bildet,
ist eine erste, plankonvexe Linse 20 angeordnet.
Der Detektorkopf 18 der Detektorvorrichtung 15 ist mit
einem halsartigen Ansatz 21 versehen, der in den Bereich
größeren Durchmessers der Stufenbohrung 19 des Verbin
dungsteiles 16 eingeschoben ist. Durch den halsartigen
Ansatz 21 des Detektorkopfes 18 verläuft ebenfalls eine
Stufenbohrung 22, die koaxial zur Stufenbohrung 19 des
Verbindungsteiles 16 ist. An der Stufe, welche sich
zwischen dem Bereich größeren Durchmessers und dem Bereich
kleineren Durchmessers der Stufenbohrung 22 im halsarti
gen Ansatz 21 bildet, liegt eine zweite, plankonkave
Linse 23. Die Linsen 20 und 23 bilden ein Teleskop,
dessen Abbildungseigenschaften dadurch eingestellt wer
den können, daß der halsartige Ansatz 21 des Detektor
kopfes 18 mehr oder weniger tief in die Stufenbohrung
19 des Verbindungsteiles 16 eingeführt wird. Die jeweils
richtige Relativposition des Detektorkopfes 18 gegenüber
dem Verbindungsteil 16 und damit der Abstand zwischen
den beiden Linsen 20, 23 des Teleskopes läßt sich in
geeigneter, in der Zeichnung nicht dargestellter Weise
fixieren.
Der halsartige Ansatz 21 des Detektorkopfes 18 ist an
seinem innerhalb des Detektorkopfes 18 liegenden Ende
mit zwei Trageflächen 24, 25 versehen, welche unter
unterschiedlichen Winkeln gegen die Achsen der Stufen
bohrungen 19, 22 und damit gegen die Achse des durch
die Linsen 20, 23 gebildeten Teleskopes angestellt sind.
Auf den beiden Trageflächen 24, 25 ist jeweils ein Spie
gel 26, 27 befestigt. Beide Spiegel 26, 27 reichen mit
ihren einander zugewandten Rändern verhältnismäßig nahe
an die optische Achse der Detektorvorrichtung 15 heran,
so daß zwischen den beiden Spiegeln 26, 27 ein verhält
nismäßig schmaler Spalt 28 im Bereich der optischen
Achse verbleibt.
Der halsartige Ansatz 21 ist mit einem im wesentlichen
hohlzylindrischen Gehäuse 29 des Detektorkopfes 18 ver
bunden und kann mit diesem gegebenenfalls auch einstückig
sein. Im Innenraum 30 des Gehäuses 29 ist auf der opti
schen Achse der Detektorvorrichtung 15 ein erster Sensor
31 angeordnet, bei dem es sich insbesondere um einen
UV-empfindlichen Sensor handeln kann.
Ein zweiter Sensor 32, der beim dargestellten Ausführungs
beispiel als IR-empfindlicher Sensor ausgestaltet ist,
befindet sich in einer Radialbohrung 33 des Gehäuses
29. Zwischen dem Sensor 32 und der Stufenbohrung 22
stellt eine Radialbohrung 34 im halsartigen Ansatz 21
des Detektorkopfes 18 eine Verbindung her.
Durch den Körper 2 des Laser-Bearbeitungskopfes 1 ist
ein Beobachtungskanal 35 gelegt, der unter einem spitzen
Winkel zur Achse des Durchgangskanales 3 für den Bearbei
tungslaserstrahl steht und insbesondere im Körperteil
2b des Laser-Bearbeitungskopfes 1 zu erkennen ist. Am
oberen Ende des Beobachtungskanales 35 ist, beim darge
stellten Ausführungsbeispiel im Körperteil 2a des Laser-
Bearbeitungskopfes 1, ein Umlenkspiegel 36 befestigt,
dessen Neigung zur Justage des Strahlenganges in nicht
näher dargestellter Weise veränderbar sein kann. Der
Umlenkspiegel 36 ist bei dem hier gezeigten Ausführungs
beispiel teilweise in einem Verbindungsraum 37 unterge
bracht, welcher in dem an dem Laser-Bearbeitungskopf 1
angebrachten Endbereich des Verbindungsteiles 16 der
Detektorvorrichtung 15 ausgebildet ist und eine Verbindung
zwischen der Stufenbohrung 19 der Detektorvorrichtung 15
und dem Beobachtungskanal 35 des Laser-Bearbeitungskopfes
1 herstellt.
Der oben beschriebene Laser-Bearbeitungskopf 1 mit angebau
ter Detektorvorrichtung 15 arbeitet wie folgt:
Zum Schneiden, Schweißen oder sonstigen Bearbeiten des Werkstückes 6 wird auf dieses durch den Durchgangskanal 3 des Laser-Bearbeitungskopfes 1 hindurch ein Bearbei tungslaserstrahl fokussiert. Der Bearbeitungs-Laserstrahl schmilzt das Werkstück 6 auf und erzeugt dabei in an und für sich bekannter Weise in diesem eine Dampfkapilla re, die in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 6b ver sehen ist. Das Werkstück 6 wird in der durch den Pfeil 39 gekennzeichneten Richtung vorgeschoben, derart, daß sich in dem dem Brennfleck des Bearbeitungs-Laserstrahles vorauseilenden Bereich des Werkstückes 6 eine Schmelze bildet, die mit zunehmender Entfernung von der Dampfkapil lare 6b erstarrt.
Zum Schneiden, Schweißen oder sonstigen Bearbeiten des Werkstückes 6 wird auf dieses durch den Durchgangskanal 3 des Laser-Bearbeitungskopfes 1 hindurch ein Bearbei tungslaserstrahl fokussiert. Der Bearbeitungs-Laserstrahl schmilzt das Werkstück 6 auf und erzeugt dabei in an und für sich bekannter Weise in diesem eine Dampfkapilla re, die in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 6b ver sehen ist. Das Werkstück 6 wird in der durch den Pfeil 39 gekennzeichneten Richtung vorgeschoben, derart, daß sich in dem dem Brennfleck des Bearbeitungs-Laserstrahles vorauseilenden Bereich des Werkstückes 6 eine Schmelze bildet, die mit zunehmender Entfernung von der Dampfkapil lare 6b erstarrt.
Es ist bekannt, daß von dem in der Nähe des Schweißherdes
liegenden Bereich des Werkstückes 6 unterschiedliche
Strahlungen ausgehen, die zur Kontrolle des Bearbeitungs
prozesses und dessen Regelung eingesetzt werden können.
Wegen Einzelheiten wird auf die bereits eingangs erwähnte
US 52 72 312 A verwiesen. Im vorliegenden Zusammenhang
genügt es zu wissen, daß aus der eigentlichen Dampfkapil
lare 6b Strahlung im UV-Bereich zwischen ungefähr 200 nm
und 450 nm austritt, aus der bestimmte Informationen
über den Schweißvorgang selbst gewonnen werden können.
Der aufgeschmolzene bzw. stark erhitzte Bereich des
Werkstückes 6, welcher der Dampfkapillare 6b in Bewegungs
richtung 39 vorauseilt, sendet dagegen IR-Strahlung aus,
insbesondere im Bereich zwischen 800 nm und ungefähr 1300 nm,
die zur Qualitätskontrolle der erzeugten Schweißnaht
oder dergleichen eingesetzt werden kann und insbesondere
darüber Auskunft gibt, in welchem Umfange in der entstan
denen Schweißnaht oder dergleichen Löcher oder Poren
entstanden sind.
Der in Bewegungsrichtung 39 nacheilende Bereich 6c des
Werkstückes 6 dagegen ist von der eigentlichen Schweis
sung noch nicht erfaßt und strahlt daher im allgemeinen
auch keine oder nur vernachlässigbar wenig Eigenstrahlung
aus. Gleichwohl kann es sinnvoll sein, diesen Bereich
unter Fremdbeleuchtung zu beobachten. Hierauf wird wei
ter unten eingegangen.
Mit der Detektorvorrichtung 15 werden alle Bereiche
6a bis 6c des Werkstückes 6 beobachtet bzw. abgetastet.
Zur näheren Erläuterung ist jeweils ein von diesen drei
geometrischen Bereichen 6a bis 6c ausgehender Strahl als
Repräsentant eines entsprechenden Teil-Strahlenbündels
in der Zeichnung dargestellt:
Ein von dem Bereich 6a des Werkstückes 6 ausgehender IR-Strahl trägt das Bezugszeichen 40a. Ein aus dem un mittelbaren Schweißherd, also der Mündungsstelle der Dampfkapillare 6b austretender UV-Strahl ist mit dem Bezugszeichen 40b versehen. Ein von dem noch verhältnis mäßig kalten, der Dampfkapillare 6b in Bewegungsrichtung 39 vorauseilenden Bereich 6c des Werkstücks 6 ausgehender Strahl, bei dem es sich beispielsweise um einen Fremd lichtstrahl handeln kann, ist durch das Bezugszeichen 40c gekennzeichnet.
Ein von dem Bereich 6a des Werkstückes 6 ausgehender IR-Strahl trägt das Bezugszeichen 40a. Ein aus dem un mittelbaren Schweißherd, also der Mündungsstelle der Dampfkapillare 6b austretender UV-Strahl ist mit dem Bezugszeichen 40b versehen. Ein von dem noch verhältnis mäßig kalten, der Dampfkapillare 6b in Bewegungsrichtung 39 vorauseilenden Bereich 6c des Werkstücks 6 ausgehender Strahl, bei dem es sich beispielsweise um einen Fremd lichtstrahl handeln kann, ist durch das Bezugszeichen 40c gekennzeichnet.
Alle herausgegriffenen Strahlen 40a, 40b, 40c passieren
den Beobachtungskanal 35 des Laser-Bearbeitungskopfes 1
und werden vom Umlenkspiegel 36 in die Stufenbohrung 19
der Detektorvorrichtung 15 reflektiert. Die Strahlen 40a
bis 40c durchlaufen dann die beiden Teleskoplinsen 20 und
23, wobei das Gesamt-Strahlenbündel seinen Durchmesser
ändert, und treffen dann am Ende der Stufenbohrung 22 des
Detektorkopfes 18 auf die selektive, durch die beider
Spiegel 26 und 27 gebildete optische Trenneinrichtung.
Der aus dem Bereich 6a des Werkstückes 6 kommende Strahl
40a, welcher (wie alle aus diesem Bereich stammende
Strahlen) im oberen Bereich des Gesamt-Strahlenbündels
zu finden ist, trifft auf den oberen Spiegel 27 und
wird von diesem (auf Grund seiner entsprechenden Schräg
stellung gegenüber der optischen Achse) auf den IR-Sensor
32 reflektiert.
Der Strahl 40b, der aus dem Bereich 6b des Werkstückes
6 kommt, liegt innerhalb des Gesamt-Strahlenbündels
verhältnismäßig achsnah und passiert daher, wie der
Zeichnung zu entnehmen ist, den Spalt 28 zwischen den
Spiegeln 26 und 27 und trifft dann auf den UV-Sensor
31.
Der Strahl 40c schließlich, der vom Bereich 6c des Werk
stückes 6 herrührt, liegt innerhalb des Bündels in dem
jenigen achsfernen Bereich, welcher in der Zeichnung
unten dargestellt ist, trifft daher auf den Spiegel 26
und wird (wegen der verglichen mit dem Spiegel 27 etwas
anderen Schrägstellung gegenüber der optischen Achse)
ebenfalls auf den IR-Sensor 32 reflektiert. Wie ersichtlich,
gelingt es durch die beschriebene Detektorvorrichtung 15,
das achsnahe Teil-Strahlenbündel 40b, welches aus dem
Bereich 6b des Werkstückes 6 stammt, von den achsfernen
Teil-Strahlenbündeln 40a und 40c, die aus gegenüber der
Bewegungsrichtung des Werkstückes 6 vor- und nacheilenden
Bereichen 6a und 6c des Werkstückes 6 stammen, zu trennen,
so daß eine getrennte Verarbeitung der in den Sensoren
31 und 32 gewonnenen Signale möglich ist.
Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel
ist primär für diejenige, bereits aus der US-PS 52 72 312
bekannte Aufgabe gedacht, beim Schweißen bzw. Schneiden
des Werkstückes 6 sowohl die UV-Strahlen 40b zu beobachten,
die von der Dampfkapillare 6b ausgehen und Informationen
über die Schweißparameter liefern, als auch diejenigen
Strahlen 40a zu erfassen, die von der Schmelze bzw. dem
gerade erstarrenden Material ausgehen und Informationen
über eine eventuelle Porosität oder Löcher in der Schweiß
naht enthalten. Strahlen 40c, die von dem in Bewegungs
richtung 39 des Werkstückes 6 nacheilenden Bereich 6c
ausgehen, werden also bei dieser normalen Betriebsart
nicht erfaßt. Die doppelte Anordnung der Spiegel 26 und
27 hat bei dieser Vorrichtung den Sinn, gegebenenfalls
die Schweißrichtung 39 umkehren zu können, ohne apparative
Veränderungen vornehmen zu müssen. Dann nämlich stellt
der Bereich 6c des Werkstückes 6 den in Bewegungsrichtung
des Werkstückes 6 vorauseilenden Bereich dar, der die IR-
Strahlen aussendet. In diesem Falle tritt der Umlenkspiegel
26 in Funktion.
Aus dem Obigen wird umgekehrt deutlich, daß es möglich
ist, statt zweier Spiegel 26 und 27 gegebenenfalls auch nur
einen Spiegel zu verwenden, wenn die Detektorvorrichtung
15 stets nur bei einer Richtung der Relativbewegung
zwischen Laser-Bearbeitungskopf 1 und Werkstück 6 betrieben
wird.
Die Sensoren 31 und 32 können zum Einjustieren der De
tektorvorrichtung 15 (zeitweise) durch nicht dargestellte
Fernsehkameras (CCD-Kameras) ersetzt werden.
Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist
neben dem IR-empfindlichen Sensor 32 im Gehäuse 29 des
Detektorkopfes 18 eine Fernsehkamera permanent instal
liert. Die beiden Spiegel 26 und 27 sind nunmehr - anders
als beim Ausführungsbeispiel, welches in der Zeichnung
dargestellt ist - so gegenüber der optischen Achse der
Detektorvorrichtung 15 angestellt, daß einer dieser beiden
Spiegel 26, 27 nach wie vor den in Bewegungsrichtung 39
des Laser-Bearbeitungskopfes 1 nacheilenden Bereich 6a
auf den IR-Sensor 32, der andere Spiegel 26, 27 dagegen den
vorauseilenden Bereich 6c zu Beobachtungszwecken auf die
Fernsehkamera abbildet. Hierzu kann der Bereich 6c des
Werkstückes 6, wie oben bereits angedeutet, mit Fremdlicht
beleuchtet werden.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Detektorvorrichtung 115 dargestellt, welche anstelle der
Detektorvorrichtung 15 von Fig. 1 an den Laser-Bearbei
tungskopf 1 angebaut werden kann. Die Schnittebene von
Fig. 2 ist senkrecht zu derjenigen von Fig. 1 gelegt;
die Blickrichtung ist also in Fig. 1 von oben nach unten.
Die in Fig. 2 gezeigte Detektorvorrichtung 115 ähnelt
in vielen Aspekten der Detektorvorrichtung 15 von Fig. 1;
entsprechende Teile sind daher mit demselben Bezugzeichen
zzgl. 100 gekennzeichnet. Die nachfolgende Beschreibung
beschränkt sich auf die Erläuterung von Unterschieden
zwischen den beiden Ausführungsbeispielen.
Die Detektorvorrichtung 115 von Fig. 2 besitzt ein
über die gesamte axiale Länge einstückiges Außengehäuse
116, in dessen Innenraum die verschiedenen Komponenten
eingeschoben und befestigt sind. Wiederzufinden aus
Fig. 1 sind, in Fig. 2 von links nach rechts gehend,
der Umlenkspiegel 136, der in einem im Gehäuse 116 ver
drehbaren Führungsteil 152 gehalten ist, sowie die plankon
vexe Linse 120, die Teil des abbildenden Teleskopes
und in einer Hülse 153 verschiebbar geführt ist. Das
Strahlenbündel, welches das Teleskop durchsetzt hat,
trifft nunmehr auf einen unter einem Winkel von etwa
45° gegen die optische Achse angestellten Spiegel 126,
der in einem bestimmten Wellenlängenbereich selektiv
durchlässig ist. Statt einer selektiven Durchlässigkeit
kann auch eine selektive Reflektivität gewählt werden.
Dies bedeutet, daß aus dem gesamten Strahlenbündel,
welches das Teleskop durchsetzt und aus dem die Dampf
kapillare 6b umgebenden Bereich 6a bis 6c von Fig.
1 herrührt, nur bestimmte Strahlen mit einer bestimmten
Wellenlänge, also beispielsweise nur Strahlen aus dem
Bereich 6b der Dampfkapillare selbst, durch den Spiegel
126 hindurchgelassen werden. Dieses Teil-Strahlenbündel
setzt nunmehr seinen Weg entlang der optischen Achse
fort und trifft auf eine Maske 150, die eine Durchgangs
öffnung 151 enthält. Position und Form dieser Maske
sind so gewählt, daß die die Durchgangsöffnung 151 passie
renden Strahlen ausschließlich aus dem gewünschten Bereich
des Werkstückes, z. B. eben aus dem Bereich der Dampfkapil
lare 6b, stammen. Die Durchgangsöffnung 151 der Maske
150 stellt also eine die Selektivität des Spiegels 126
ergänzende Maßnahme dar, so daß der selektiv reflektie
rende Spiegel 126 zusammen mit der Maske 150 bei diesem
Ausführungsbeipsiel die optisch selektive Trenneinrich
tung bildet. Die nunmehr sowohl optisch (nach der Wellen
länge) als auch geometrisch ausgesonderten Strahlen treffen
auf den ersten Sensor 131, bei dem es sich beispielsweise
um einen UV-Sensor handeln kann.
Durch Reflexion an dem Spiegel 126 entsteht ein zweites
Teil-Strahlenbündel mit anderer Wellenlänge, welches aus
einem oder mehreren anderen Bereich(en) des Werkstücks 6,
z. B. den Bereichen 6a und 6c, herrührt und gegenüber der
optischen Achse der Detektoreinrichtung 115 um etwa 90°
abgelenkt und in eine Radialbohrung 133 des Gehäuses 116
gerichtet wird. Diese Radialbohrung 133 führt zu einem
zweiten, in Fig. 2 nicht mehr dargestellten Sensor, bei
dem es sich dann z. B. um einen Infrarotsensor handeln
kann. Auch diesem Sensor ist eine Maske 154 vorgeschaltet,
der Durchgangsöffnungen 155, 156 enthält. Form und Lage
dieser Durchgangsöffnungen 155 und 156 der Maske 154 sind
so gewählt, daß die entsprechenden Bereiche (im Beispiel
die Bereich 6a und 6c) des Werkstückes 6 auf sie abgebildet
werden, daß also nur von diesen Bereichen (im Beispiel
6a und 6c) ausgehende Strahlung auf den zweiten Sensor
gelangen können.
Selbstverständlich können auch bei der Detektorvorrichtung
115 nach Fig. 2 der Sensor 131 und der nicht dargestellte
zweite Sensor bedarfsweise durch Fernsehkameras (CCD-
Kameras) ersetzt werden. Die Funktionsweise dieser Detek
torvorrichtung 115 entspricht weitestgehend derjenigen,
die oben für die Detektorvorrichtung 15 beschrieben
wurde; hierauf kann Bezug genommen werden.
Claims (11)
1. Detektorvorrichtung zur Verwendung an einer Vorrichtung
zum Bearbeiten, beispielsweise Schweißen und Schneiden,
eines Werkstückes mittels eines Bearbeitungslaserstrahles,
bei welcher mehrere Sensoren vorhanden sind und eine
selektive optische Trenneinrichtung vorgesehen ist, welche
das von dem Werkstück ausgehende Strahlenbündel in Teil-
Strahlenbündel trennt, die unterschiedlichen Sensoren
zugeführt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
die selektive optische Trenneinrichtung durch mindestens einen Spiegel (26, 27) gebildet ist, der so weit in den Strahlengang des Strahlenbündels (40a, 40b, 40c) hineinragt, daß er ein aus einem bestimmten geometrischen Bereich (6a, 6b, 6c) des Werkstückes (6) emittiertes Teil-Strahlenbündel (40a, 40b, 40c) aus dem gesamten Strahlenbündel (40a, 40b, 40c) abtrennt und auf einen diesem geometrischen Bereich (6a, 6b, 6c) zugeordneten Sensor (31, 32) lenkt, wobei die räumliche Anordnung des mindestens einen Spiegels (26, 37) derart ist, daß er zur Auswahl von vom Werkstück emittierter Strahlung dient, deren Strahlengang vom einfallenden Strahlengang des Bearbeitungslasers räumlich getrennt ist,
wobei
der Spiegel (26, 27) so in den Strahlengang des Strahlen bündels (40a, 40b, 40c) hineinragt, daß er das von der Dampfkapillare (6b) des Werkstücks (6) ausgehende Teil- Strahlenbündel (40b) zu einem ersten Sensor (31) passieren läßt, während er das Teil-Strahlenbündel (40a), welches von dem in Richtung (39) der Relativbewegung zwischen Laser-Bearbeitungskopf (1) und Werkstück (6) der Dampfka pillare (6b) voraus- und/oder nacheilenden geometrischen Bereich (6a, 6c) ausgeht, auf einen zweiten Sensor (32) lenkt.
die selektive optische Trenneinrichtung durch mindestens einen Spiegel (26, 27) gebildet ist, der so weit in den Strahlengang des Strahlenbündels (40a, 40b, 40c) hineinragt, daß er ein aus einem bestimmten geometrischen Bereich (6a, 6b, 6c) des Werkstückes (6) emittiertes Teil-Strahlenbündel (40a, 40b, 40c) aus dem gesamten Strahlenbündel (40a, 40b, 40c) abtrennt und auf einen diesem geometrischen Bereich (6a, 6b, 6c) zugeordneten Sensor (31, 32) lenkt, wobei die räumliche Anordnung des mindestens einen Spiegels (26, 37) derart ist, daß er zur Auswahl von vom Werkstück emittierter Strahlung dient, deren Strahlengang vom einfallenden Strahlengang des Bearbeitungslasers räumlich getrennt ist,
wobei
der Spiegel (26, 27) so in den Strahlengang des Strahlen bündels (40a, 40b, 40c) hineinragt, daß er das von der Dampfkapillare (6b) des Werkstücks (6) ausgehende Teil- Strahlenbündel (40b) zu einem ersten Sensor (31) passieren läßt, während er das Teil-Strahlenbündel (40a), welches von dem in Richtung (39) der Relativbewegung zwischen Laser-Bearbeitungskopf (1) und Werkstück (6) der Dampfka pillare (6b) voraus- und/oder nacheilenden geometrischen Bereich (6a, 6c) ausgeht, auf einen zweiten Sensor (32) lenkt.
2. Detektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß sie zwei Spiegel (26, 27) enthält,
welche jeweils zwei gegenüberliegende, achsferne Teil-
Strahlenbündel (40a, 40b) auf mindestens einen Sensor (32)
ablenken.
3. Detektorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die beiden Spiegel (26, 27) unter einem
solchen Winkel gegen die optische Achse angestellt sind,
daß sie die ihnen zugeordneten Teil-Strahlenbündel (40a,
40c) auf denselben Sensor (32) lenken.
4. Detektorvorrichtung zur Verwendung an einer Vorrichtung
zum Bearbeiten, beispielsweise Schweißen und Schneiden,
eines Werkstückes (6) mittels eines Bearbeitungslaserstrahles,
bei welcher mehrere Sensoren vorhanden sind und eine
selektive optische Trenneinrichtung vorgesehen ist, welche
das von dem Werkstück (6) ausgehende Strahlenbündel in Teil-
Strahlenbündel trennt, die unterschiedlichen Sensoren
zugeführt werden, und einen in einem bestimmten Wellen
längenbereich selektiv reflektierenden oder in einem
bestimmten Wellenlängenbereich selektiv durchlässigen
Spiegel (126) umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß
im Strahlengang vor mindestens einem Sensor (131) eine
Maske (150, 154) angeordnet ist, die mindestens eine
Durchgangsöffnung (151, 155, 156) enthält, welche aus dem
gesamten auf den Sensor (131) gerichteten Strahlenbündel
diejenigen Strahlen durchläßt, die von mindestens einem
bestimmten Bereich in der Umgebung der im Werkstück (6)
erzeugten Dampfkapillare ausgehen.
5. Detektorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Maske (150, 154) die vom Schweißherd ausgehen
den. Strahlen abfängt oder einer gesonderten Auswertung
zuführt, und daß die Abbildungsoptik (120) so ausgestaltet
ist, daß die von außerhalb des Schweißherdes liegenden
Bereichen ausgehenden Strahlen rotationssymmetrisch auf
einen Sensor abgebildet werden.
6. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie an dem dem
Beobachtungskanal (35) des Laser-Bearbeitungskopfes
(1) benachbarten Ende einen in seiner Neigung einstell
baren Umlenkspiegel (136) aufweist.
7. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (31, 32; 131)
lichtempfindliche Elemente, insbesondere Photodioden,
sind.
8. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen
Elemente gegen CCD-Kameras austauschbar sind.
9. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die selektive optische
Trenneinrichtung (26, 27; 126) das eine der von ihm
erzeugten Teil-Strahlenbündel auf ein lichtempfindliches
Element, insbesondere eine Photodiode, ein anderes von
ihm erzeugtes Teil-Strahlenbündel auf eine CCD-Kamera
lenkt.
10. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Abbildungsoptik
(20, 23; 120) im Strahlengang des gesamten Strahlenbündels
(40a, 40b, 40c) enthält.
11. Detektorvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (20, 23, 120)
von einem Teleskop gebildet ist.
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