DE19644101C1 - Verfahren zum Erkennen des Strahldurchtritts bei der Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen des Strahldurchtritts, z. B. des Durchstechzeitpunktes bei der Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Aus der EP-A1 0 344 339 ist bereits ein Verfahren zur Ermittlung des Durchstechzeitpunktes bei der Materialbearbeitung mit einem Laser­ strahl bekannt. Bei diesem Verfahren wird die vom Werkstück emittierte elektromagnetische Strahlung, die infolge des Auftreffens des Laser­ strahls auf das Werkstück erzeugt wird, von einem oder mehreren Detek­ toren gemessen, die vom Laserbearbeitungskopf getragen werden. Dieses Meßsignal dient, nachdem es durch eine Auswerteschaltung aufbereitet worden ist, zur Ausgabe eines Statussignals, z. B. zur Ausgabe eines Befehls zum Beginn einer Vorschubbewegung. Dabei wird das Status­ signal dann ausgegeben, wenn der Pegel des Meßsignals nach dem Durch­ stechen einen vorbestimmten Pegel unterschreitet.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist allerdings, daß Änderungen des Pegels des Meßsignals durch Alterung, Erwärmung oder Verschmutzung der Detektoren zu Fehlinterpretationen führen. Ein weiterer Nachteil entsteht durch den abnehmenden Meßsignalpegel bei zunehmender Eindringtiefe des Laserstrahls in das Werkstück hinein. Dadurch kann das oben beschriebene Verfahren nur bei Werkstücken bis zu einer relativ geringen Dicke eingesetzt werden, weil sonst der Meßsignalpegel unter den vorbestimmten Pegel fällt, obwohl der Laserstrahl das Werkstück noch gar nicht durchdrungen hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß es unabhängiger von Störeinflüssen des Detektors und Werkstückdicken ist. Darüber hinaus soll eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung angegeben werden.

Die verfahrensseitige Lösung der gestellten Aufgabe findet sich im Patentanspruch 1. Dagegen ist die vorrichtungs­ seitige Lösung der gestellten Aufgabe im Patent­ anspruch 8 angegeben.

Ein Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens zwei Mittelwerte der Intensität der detektierten Strahlung bei jeweils unterschiedlichen Zeitkonstanten gebildet werden, und daß das Status­ signal dann erzeugt wird, wenn die Mittelwerte in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen.

Alterungserscheinungen, Erwärmungen oder Verschmutzung der Detek­ toren und ebenso unterschiedliche Werkstückdicken spielen somit bei der Erzeugung des Statussignals keine Rolle mehr, so daß sich der Durchtritt des Laserstrahls wesentlich exakter ermitteln läßt.

Vorzugsweise wird das Statussignal nach der Erfindung dann erzeugt wenn ein mit kleinerer Zeitkonstante gebildeter Mittelwert kleiner ist als ein Bruchteil eines mit größerer Zeitkonstante gebildeten Mittelwerts. Der mit größerer Zeitkonstante gebildete Mittelwert ist dabei relativ stabil und läßt sich somit gut als Referenzwert ermitteln. Dabei kann der Bruchteil, um den der mit kleinerer Zeitkonstante gebildete Mittelwert kleiner sein soll als der mit größerer Zeit konstante gebildete Mittelwert je nach gewünschter Empfindlichkeit des Verfahrens eingestellt werden, beispielsweise auf einen Wert im Bereich von 30% bis 40% des mit größerer Zeitkonstante gebildeten Mittelwerts.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kommen zur Bildung der Mittel­ werte unterschiedliche Filter zum Einsatz. Hier kann es sich z. B. um Tief­ paßfilter mit unterschiedlichem Durchlaßbereich handeln.

Möglich ist aber auch die Bildung der Mittelwerte durch arithmetische oder geometrische Mittelwertbildung unter Verwendung digitaler Signal­ verarbeitung.

Dabei können die verschiedenen Mittelwerte simultan oder sequentiell erzeugt werden. Im Falle der sequentiellen Erzeugung der Mittelwerte müssen sie, oder wenigstens einer von ihnen, zwischengespeichert werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der mit größerer Zeitkonstante gebildete Mittelwert auch mit einem Referenzwert verglichen werden, der als konstanter Wert vorgegeben wird. In diesem Fall läßt sich somit auch beim Laserschweißen ein hier nicht erwünschter Durchtritt des Laserstrahls durch das Werkstück hindurch detektieren, oder im Falle des Laserschneidens ein Zustand, bei dem das Werkstück nicht vollständig durch den Laserstrahl zerschnitten wird.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls mit wenigstens einem Sensor zum Detektieren der Intensität der von einer Bearbeitungsstelle des Werkstücks kommen­ den Strahlung, und mit einer Auswerteschaltung zur Erzeugung eines Statussignals bei vorbestimmter Intensitätsänderung, zeichnet sich dadurch aus, daß die Auswerteschaltung erste Mittel zur Bildung von wenigstens zwei Mittelwerten der Intensität der detektierten Strahlung bei jeweils unterschiedlichen Zeitkonstanten sowie diese Mittelwerte in Bezug zueinander setzende zweite Mittel zur Erzeugung des Statussignals enthält, die elektrisch mit den ersten Mitteln verbunden sind.

Die die ersten und zweiten Mittel enthaltende Auswerteschaltung kann dabei unmittelbar am Laserbearbeitungskopf montiert oder aber mit diesem über ein Kabel verbunden sein. Zum Detektieren der von der Bearbeitungsstelle ausgehenden Strahlung können sich der oder die Sensoren im Inneren des Laserbearbeitungskopfes befinden oder außen an diesem angebracht sein. Ihre Detektorfläche ist dabei vorzugsweise wenigstens annähernd auf die Bearbeitungsstelle ausgerichtet.

Die Bildung der jeweiligen Mittelwerte kann auf mathematischem Wege mit Hilfe eines Mikroprozessors oder aber durch eine entsprechende Anzahl von Filtern erfolgen. Dabei kann der Filterdurchlaßbereich in gewünschter Weise einstellbar bzw. frequenzmäßig regelbar sein. Vorzugsweise kommen als Filter Tiefpaßfilter zum Einsatz.

Zur Bildung der zweiten Mittel dient ein Komparator, an dessen Eingängen die Mittelwerte liegen. Dabei kann zwischen dem Ausgang des den Mittel­ wert mit größerer Zeitkonstante liefernden Filters und dem zugeordneten Eingang des Komparators ein Spannungsteiler liegen, um den Pegel des Vergleichssignals verändern zu können. Auf diese Weise läßt sich die Empfindlichkeit der Vorrichtung regulieren.

Zu den zweiten Mitteln kann ein weiterer Komparator gehören, der den mit größerer Zeitkonstante gebildeten Mittelwert an einem Eingang und eine Referenzspannung am anderen Eingang empfängt, die vorzugsweise auf einen konstanten Wert einstellbar ist. Dadurch wird es in einfacher Weise möglich, auch Schweiß- oder Schneidarbeiten kontinuierlich zu überwa­ chen, und zwar hinsichtlich einer geschlossenen Schweißnaht einerseits und andererseits hinsichtlich eines vollständigen Schnitts.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines Laserbearbeitungskopfes mit integrierten Strahlungssensoren:

Fig. 2 im oberen Teil ein durch die Strahlungssensoren auf­ genommenes Meßsignal und im unteren Teil durch unterschiedliche Zeitkonstanten gebildete Mittelwerte dieses Meßsignals; und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer bei der Anordnung nach Fig. 1 zum Einsatz kommenden elektrischen Einrichtung.

Die Fig. 1 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 1, durch den ein Laserstrahl 2 hindurchtritt. Der Laserstrahl 2 trifft auf ein Werkstück 3 auf, das durch ihn bearbeitet werden soll. Mit Hilfe des Laserstrahls 2 läßt sich das Werk­ stück 3 z. B. durchbohren oder zerschneiden. Auch ein Verschweißen von Werkstücken ist möglich. Zur Abstandssteuerung zwischen Laser­ bearbeitungskopf 1 und Werkstück 3 dient eine an der Spitze des Laser­ bearbeitungskopfes 1 angeordnete Sensorelektrode 4, mit deren Hilfe die zwischen ihr und dem Werkstück 3 liegende Kapazität gemessen wird. Hierzu wird an die Sensorelektrode 4 in geeigneter Weise ein Meßpotential angelegt, das sich in Abhängigkeit der zwischen der Sensorelektrode 4 und dem Werkstück 3 vorhandenen Kapazität ändert, so daß abhängig von einer derartigen Änderung die Abstandssteuerung möglich ist. Dies ist allgemein bekannt und soll hier nicht weiter erläutert werden.

Trifft der Laserstrahl 2 im Bearbeitungspunkt 5 auf das Werkstück 3 auf, wird das Werkstück dort sehr stark erhitzt, so daß Werkstoffmaterial bei Zuführung von Sauerstoff verbrennt. Die hohen Temperaturen bewirken Leuchterscheinungen am Bearbeitungspunkt 5, die intensitätsmäßig gemessen werden. Die am Bearbeitungspunkt 5 auftretende Strahlung tritt zum Teil durch den für den Laserstrahl 2 vorgesehenen Kanal in der Sensorelektrode 4 hindurch und schließlich in den Laserbearbeitungs­ kopf 1 ein. Sie wird dort mit Hilfe zweier Sensoren 6 und 7 detektiert, die im vorliegenden Fall im Inneren des Laserbearbeitungskopfs 1 angeordnet sind. Beide Detektoren 6 und 7 wandeln das empfangene Licht vom Bearbeitungspunkt 5 in ein elektrisches Signal um, das über Leitungen 8 und 9 zu einer Wandlereinheit 10 übertragen wird. In der Wandlereinheit 10 wird das empfangene elektrische Signal gegebenenfalls nach einer Verstärkung in ein Frequenzsignal gewandelt, um dann über eine Leitung 11 zu einer Auswerteeinheit 12 übertragen zu werden. Der Vorteil der Spannungs-/Frequenzwandlung ist darin zu sehen, daß jetzt über die Leitung 11 sowohl die Versorgungsspannung für die Sensoren 6 und 7 als auch das elektrische Meßsignal selbst übertragen werden können.

Das mit Hilfe der Sensoren 6 und 7 bei der Bearbeitung des Werkstücks 3 mit Hilfe des Laserstrahls 2 aufgenommene elektrische Meßsignal ist in Fig. 2 oben dargestellt. Es weist einen typischen Verlauf auf, der beim Durchbohren eines relativ dicken Werkstücks 3 mit Hilfe des Laserstrahls 2 entsteht. Je tiefer die Bohrung eingebracht wird, desto weniger Licht tritt aus dem Bohrloch aus, um auf die Sensoren 6 und 7 aufzutreffen. Dieser Effekt ist unabhängig davon, ob der Laserstrahl 2 im Dauerstrichbetrieb arbeitet oder gepulst wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist deswegen auch bei beiden Varianten einsetzbar.

Im unteren Teil der Fig. 2 sind dagegen zwei Signale M1 und M2 dargestellt, die durch Filtern des Meßsignals erhalten worden sind. Das Meßsignal M1 stellt einen mit kleinerer Zeitkonstante gebildeten Mittel­ wert dar, während das Meßsignal M2 ein mit größerer Zeitkonstante gebildeter Mittelwert ist. Dabei bildet der Mittelwert M2 einen relativ stabilen bzw. zeitunabhängigen Referenzwert, mit dem der Mittelwert M1 verglichen werden kann. Hinsichtlich der Amplitude wird das Meßsignal M2 kleiner gewählt als das Meßsignal M1, um im Vergleichsfalle eindeutige Ergebnisse zu erhalten.

Wie die Fig. 2 im unteren Teil erkennen läßt, nimmt zum Zeitpunkt t1 der mit kleinerer Zeitkonstante gebildete Mittelwert M1 relativ schnell ab, während der mit größerer Zeitkonstante gebildete Mittelwert M2 wesent­ lich langsamer abnimmt, so daß beide Mittelwerte M1 und M2 in Bezug zueinander gesetzt werden können, um festzustellen, ob der Laserstrahl 2 das Werkstück 3 durchdrungen hat. Dies wird für den Fall angenommen, daß der mit kleinerer Zeitkonstante gebildete Mittelwert M1 kleiner ist als ein Bruchteil von etwa 30% bis 40% des mit größerer Zeitkonstante gebildeten Mittelwerts M2. In diesem Fall wurde das Werkstück 3 vom Laserstrahl 2 durchdrungen.

Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der in Fig. 1 zum Einsatz kommenden Schaltung. Gleiche Elemente wie in Fig. 1 sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben. Dabei zeigt abweichend von Fig. 1 die Fig. 3 den Fall, daß nur ein Sensor 6 vorhanden ist.

Das über die Leitung 11 kommende Frequenzsignal (Meßsignal) wird mit Hilfe einer weiteren Wandlereinheit 13 in ein Spannungssignal rück­ gewandelt. Am Ausgang der weiteren Wandlereinheit liegt somit das in Fig. 2 oben gezeigte Meßsignal wieder an. Dieses Meßsignal wird auf ein erstes Tiefpaßfilter 14 gegeben, das eine Grenzfrequenz von etwa 10 Hz hat. Am Ausgang dieses Tiefpaßfilters 14 erscheint dann der mit kleinerer Zeit­ konstante gebildete Mittelwert M1. Er wird einem negativen Eingang eines Komparators 15 zugeführt, an dessen Ausgang 16 das Statussignal erscheint.

Ferner wird das am Ausgang der weiteren Wandlereinheit 13 erhaltene Meßsignal einem zweiten Filter 17 zugeführt, dessen Grenzfrequenz bei etwa 1 Hz liegt. Am Ausgang dieses zweiten Filters 17 erscheint dann der mit größerer Zeitkonstante gebildete Mittelwert M2. Dabeiist der Ausgang des zweiten Filters 17 über einen Spannungsteiler 18 mit Masse verbun­ den. Über einen Mittelabgriff 19 des Spannungstellers 17 wird der mit grö­ ßerer Zelt konstante gebildete Mittelwert M2 in seiner Amplitude einge­ stellt und zum positiven Eingang des Komparators 15 übertragen. Ist also der Mittelwert M1 größer als der Mittelwert M2, liegt am Ausgang 16 des Komparators 15 ein niedriger Signalpegel an. Fällt dagegen der Mittelwert M1 im Vergleich zum Mittelwert M2 schnell ab, wie zum Zeltpunkt t1 in Fig. 2 gezeigt, so wird der Ausgang 16 des Komparators 15 hochgezogen und es erscheint das Statussignal, das den vollständigen Durchtritt des Laserstrahls 2 durch das Werkstück 3 anzeigt. Abhängig vom Statussignal kann dann die weitere Bearbeitung des Werkstücks 3 erfolgen, z. B. ein Schneidvorgang.

In der Bearbeitungseinheit 12 befindet sich ferner ein zweiter Komparator 23, dessen positiver Eingang mit dem Ausgang des zweiten Filters 17 verbunden ist, und dessen negativer Eingang in Verbindung mit dem Mittelabgriff 20 eines zweiten Spannungsteilers 21 steht. Der durch einen Schleifwiderstand gebildete Spannungsteller 21 liegt einseitig auf Masse und mit seiner anderen Seite am Ausgang einer Referenz-Gleich­ spannungsquelle 22. Am Ausgang 24 des Komparators 23 erscheint somit ein zweites Statussignal, das langsamere Veränderungen der gemessenen Strahlungsintensität berücksichtigt.

Wird z. B. das Werkstück 3 mittels des Laserstrahls 2 kontinuierlich geschnitten, so liegt am positiven Eingang des Komparators 23 ein nur sehr kleines Signal an. Bei entsprechender Einstellung des Spannungs­ teilers 20, 21 kann der Ausgang 24 des Komparators 23 daher auf niedrigem Pegel liegen. Tritt allerdings der Fall ein, daß infolge von Temperatur- oder Materialänderungen des Werkstücks 3 dieses nicht mehr vollständig zerschnitten wird, so steigt der Mittelwert M2 an und zieht daher den Ausgang 24 des zweiten Komparators 23 auf hohen Pegel. Diese Ausgangssignaländerung kann dazu benutzt werden, den Schneid­ vorgang abzubrechen, die Laserleistung zu erhöhen, usw.

Auch ein Schweißvorgang kann entsprechend überwacht werden. In diesem Fall ist der Mittelwert M2 relativ hoch, so daß bei entsprechender Einstellung des Spannungsteilers 20, 21 der Ausgang 23 des zweiten Komparators auf hohem Pegel liegt. Wird aus irgendwelchen Gründen durch das Werkstück 3 hindurchgeschweißt, entsteht also ein Loch, so nimmt die Amplitude des Mittelwerts M2 ab und zieht daher den Ausgang 24 des zweiten Komparators 23 auf niedrigen Pegel. Die Änderung des Ausgangssignals des Komparators 23 kann dann dazu verwendet werden, den Schweißvorgang abzubrechen oder die Laserleistung zu vermindern, die Relativbewegung zwischen Laserbearbeitungskopf 1 und Werkstück 3 zu erhöhen, usw.

Claims (15)

1. Verfahren zum Erkennen des Strahldurchtritts bei der Bearbeitung eines Werkstücks (3) mittels eines Laserstrahls (2), bei dem die Intensität einer von der Bearbeitungsstelle (5) kommenden Strahlung durch wenig­ stens einen Sensor (6, 7) detektiert und bei einer vorbestimmten Inten­ sitätsänderung ein Statussignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Mittelwerte (M1, M2) der Intensität der detektierten Strahlung bei jeweils unterschiedlichen Zeitkonstanten gebildet werden, und das Statussignal erzeugt wird, wenn die Mittelwerte (M1, M2) in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Statussignal erzeugt wird, wenn ein mit kleinerer Zeitkonstante gebildeter Mittelwert (M1) kleiner ist als ein Bruchteil eines mit größerer Zeit­ konstante gebildeten Mittelwerts (M2).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bruchteil 30-40% des mit größerer Zeitkonstante gebildeten Mittelwerts (M2) beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Bildung der Mittelwerte (M1, M2) verschiedene Filter (14, 17) verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bildung der Mittelwerte (M1, M2) durch arithmetische oder geometrische Mittelwertbildung mittels digitaler Signalverarbeitung erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die verschiedenen Mittelwerte (M1, M2) simultan oder sequentiell erzeugt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der mit größerer Zeitkonstante gebildete Mittelwert (M2) mit einem Referenzwert verglichen wird.

8. Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (3) mittels eines Laserstrahls (2), mit wenigstens einem Sensor (6, 7) zum Detektieren der Intensität der von einer Bearbeitungsstelle (5) des Werkstücks (3) kommenden Strahlung, und mit einer Auswerteschaltung (12) zur Erzeugung eines Statussignals bei vorbestimmter Intensitätsänderung, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (12) erste Mittel (14, 17) zur Bildung von wenigstens zwei Mittelwerten (M1, M2) der Inten­ sität der detektierten Strahlung bei jeweils unterschiedlichen Zeit­ konstanten und diese Mittelwerte in Bezug zueinander setzende zweite Mittel (15) zur Erzeugung des Statussignals enthält, die elektrisch mit den ersten Mitteln (14, 17) verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel eine der Anzahl der Mittelwerte (M1, M2) entsprechende Anzahl von Filtern (14, 17) aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Filter (14, 17) frequenzmäßig regelbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (14, 17) als Tiefpaßfilter ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweiten Mittel wenigstens einen Komparator (15) enthalten, an dessen Eingängen die Mittelwerte (M1, M2) liegen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des den Mittelwert mit größerer Zeitkonstante liefernden Filters (17) und dem zugeordneten Eingang (+) des Komparators (15) ein Spannungsteiler (18, 19) liegt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweiten Mittel einen weiteren Komparator (23) aufweisen, der den mit größerer Zeitkonstante gebildeten Mittelwert (M2) an einem Eingang (+) und eine Referenzspannung am anderen Eingang (-) empfängt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung einstellbar ist.