DE19839482A1

DE19839482A1 - Materialbearbeitungssystem mittels Hochleistungsdiodenlaser

Info

Publication number: DE19839482A1
Application number: DE19839482A
Authority: DE
Inventors: Kurosch Farnusch; Ulf Seifert; Guenter Michel; Thomas Heyse
Original assignee: SAM SAECHSISCHE ANLAGEN und MA
Current assignee: Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
Priority date: 1998-08-29
Filing date: 1998-08-29
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2018-08-30
Also published as: DE19839482C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Materialbearbeitungssystem mittels Hochleistungsdiodenlaser, insbesondere zum Schweißen, Oberflächenreinigen, Auftragsschweißen, Schneiden, Bohren, Gravieren und dgl. Systemkomponenten sind im wesentlichen ein einhandgeführter Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser, eine Laserquelle, die Stromversorgung mit Regelung und eine Sicherheitssensorik, weiterhin apparative Maßnahmen bzw. Anordnungen zum Strahlungsschutz, zur Abstandsregulierung und Leistungssteuerung über die Bearbeitungsgeschwindigkeit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Materialbearbeitungssystem mittels Hochleistungsdiodenlaser über 500 W Leistung, insbesondere zum Schweißen, Oberflächenreinigen, Auftragsschweißen, Schneiden, Bohren, Gravieren und dgl. Systemkomponenten sind im wesentlichen ein handgeführter Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser, eine Laserquelle, die Stromversorgung mit Regelung und eine Sicherheitssensorik, weiterhin apparative Maßnahmen bzw. Anordnungen zum Strahlungsschutz, zur Abstandsregulierung und Leistungssteuerung in Abhängigkeit von der Bearbeitungsgeschwindigkeit.

Der Stand der Technik auf dem in Rede stehenden Gebiet hält verschiedene Systeme zur Materialbearbeitung mit handgeführten Laserbearbeitungsköpfen bereit, wobei unter "handgeführt" überwiegend zu verstehen ist, daß der Laserbearbeitungskopf im Kontakt mit dem Werkstück mittels einer Antriebseinheit von Hand auf diesem geführt wird.

Nach DE GM 297 01 005 ist eine Zweihandführung vorgesehen.

Die Vorteile der Lasertechnik können auf diese Weise nur eingeschränkt zur Bearbeitung insbesondere von zwei- oder dreidimensionalen Werkstücken genutzt werden, da ständig Kontakt zum Werkstück bestehen muß. Die zwingend vorgeschriebene Zweihandbedienung ist im praktischen Gebrauch eher hinderlich als von Vorteil.

Auch in der WO-Veröffentlichung 97/39854 wird vorgeschlagen, daß der Strahlungsabgabekopf mittels Abstandshalter abstandsveränderlich auf dem Werkstück aufgesetzt ist. Er wird von Hand auf dem Werkstück geführt, beispielsweise mittels eines Handgriffs.

Das oben dargestellte Problem, Auflage des Bearbeitungskopfes auf dem Werkstück, ist auch bei dieser Lösung nicht beseitigt.

Schließlich wird in DE OS 42 12 391 ein Laserhandstück für den Dentalbereich vorgestellt, in welchem das Auskoppelende eines Lichtleiters gelagert ist. Hier ist davon auszugehen, daß dieses Gerät nicht für den Hochleistungsbereich vorgesehen und geeignet ist. Daher ist aufgabenhaft ein Materialbearbeitungssystem mit Diodenlaser speziell für den Hochleistungsbereich über 500 W Leistung zu entwickeln, das einen Bearbeitungskopf vorsieht, der ohne Werkstückkontakt handhabbar ist. Der Bearbeitungskopf soll alle für die qualitätsgerechte Durchführung des Arbeitsprozesses und den Schutz des Bedieners erforderlichen Komponenten enthalten. Andere Systemkomponenten können extern angeordnet werden.

Erfindungsgemäß enthält ein frei führbarer Einhanddiodenlaserbearbeitungskopf, der speziell für den Leistungsbereich über 500 W konzipiert ist, folgende modulare Bestandteile:

1. Einen mit einem Handgriff versehenen Bearbeitungskopf, der die Laserquelle enthält;
2. Alternativ eine optische Verbindung zur Übertragung der Laserleistung zwischen einer externen Laserquelle und dem Bearbeitungskopf;
3. Am Handgriff angeordnete Bedienelemente zur Variation der Laserleistung der Laserdioden;
4. Eine Sicherheitseinrichtung, die bewirkt, daß ein Laserstrahl erst dann erzeugt wird, wenn die Bedingungen betätigter Ein-/Ausschalter, definierter Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück und Einhaltung eines bestimmten Winkels des Laserbearbeitungskopfes zum Werkstück erfüllt sind; sie sollen einen störungsfreien Betrieb im Hinblick auf Arbeits- und Gerätesicherheit gewährleisten.
5. Ein Strahlenschutzgehäuse, welches den Bearbeitungskopf zum Werkstück hin abschließt ohne, je nach Arbeitslage, ent- oder belastend auf den Bearbeitungskopf zu wirken, wobei die Möglichkeit zur Beobachtung des Materialbearbeitungsprozesses gegeben ist;
6. Sensoren zur Erfassung der Öffnung zwischen Werkstück und Strahlenschutzgehäuse in Verbindung mit einer Abstandsregulierung zur Sicherung und Überwachung des vorgegebenen Arbeitsabstandes zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück;
7. Eine Leistungssteuerung in Abhängigkeit von der Bearbeitungsgeschwindigkeit.

Die vorgenannten Merkmale bzw. apparativen Mittel können je nach Anforderung an das erfindungsgemäße Materialbearbeitungssystem gesamtheitlich oder teilweise eingesetzt werden.

Zu den angeführten Punkten wird im Folgenden erläuternd Stellung genommen. Für die unter Punkt 4 erwähnte Sicherheitseinrichtung geschieht das anhand eines in Fig. 1 dargestellten Bearbeitungskopfes. Die verwendeten Bezugszeichen bedeuten:

1 Werkstück,
2 Reflexion,
3 Pilotstrahl,
4 Arbeitsstrahl,
5 Leiteinrichtung,
6 Empfänger,
7 Recheneinrichtung,
8 Bearbeitungskopf

Zunächst besteht die Alternative, die Laserquelle im Bearbeitungskopf oder extern anzuordnen. Das wird in erster Linie davon abhängen, ob es in absehbarer Zeit gelingt, das Gewicht der Laserquelle mit größerer Leistung (< 500 W) derart zu minimieren, daß eine Gewichtsreduzierung des Laserbearbeitungskopfes auf bzw. unter 2,5 Kg ermöglicht wird. In dem Fall wäre ein Bearbeitungskopf mit integrierter Laserquelle sinnvoll und von Vorteil. Gelingt das nicht, muß die Laserleistung mittels einer Faser, an deren Enden Faserkoppler befindlich sind, von einer externen Quelle an den Bearbeitungskopf herangeführt werden. Eine spezielle Sicherheitssensorik überwacht dabei den Steckzustand der Faserkoppler, die Einkopplung der Laserleistung in die Faser wie auch die Auskopplung der Laserleistung aus der Faser.

Für beide Varianten ist jedoch zu sichern, daß der Bearbeitungskopf mit nur einer Hand frei führbar ist. Wie bereits ausgeführt, ist dieser dazu mit einem geeigneten Handgriff versehen. Dieser sollte möglichst ergonomisch gestaltet sein. Zur manuellen Variation der Laserleistung der Laserdioden ist der Handgriff mit einem Ein-/Ausschalter bzw. einer Stelleinrichtung ausgestattet. Damit hat der Bediener die Möglichkeit, die Laserstrahlleistung an den Bearbeitungsprozeß anzupassen.

Eine in den Bearbeitungskopf integrierte Sicherheitseinrichtung dient der Vermeidung eines personengefährdenden oder sachbeschädigenden Betriebes. Diese ist derart konzipiert, daß ein Laserstrahl erst dann erzeugt wird, wenn ein weiterer Schalter am Bearbeitungskopf betätigt wurde, wenn ein definierter Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück eingehalten und ein vorbestimmter Winkel des Laserbearbeitungskopfes zum Werkstück realisiert ist.

Letzteres wird ermittelt, entweder mit einem vom Laser selbst erzeugten Pilot- bzw. Sicherheitsstrahl (sowohl vor als auch alternierend zum Arbeitsstrahl generierbar) oder einem extern betriebenen aber im Laserkopf installierten Pilotlaser (mit einer zum Arbeitsstrahl verschiedenen Wellenlänge), von dem ein Strahlanteil vom Werkstück reflektiert wird und bei einem vordefinierten Winkel auf einen oder mehrere Detektoren im oder am Laserbearbeitungskopf auftrifft.

Erst bei Vorliegen der genannten drei Bedingungen schaltet sich der Laser über die Steuereinrichtung ein.

Im Hinblick auf die beschriebene Sicherheitssenorik wird präzisierend vorgeschlagen, aus der Größe und der Richtungsverteilung der vom Werkstück 1 oder anderen Gegenständen, beispielsweise Fremdkörpern, hervorgerufenen Reflexionen 2 des Pilotstrahls 3 und/oder des Arbeitsstrahls 4 und/oder des externen Pilotstrahls Informationen zu bilden, und diese entweder zur Warnung des Bedieners, zur Abschaltung bzw. Verringerung der für den Bearbeitungsprozeß erforderlichen Strahlungsenergie oder zu deren Freigabe zu nutzen. Dazu werden die Reflexionen 2 der Strahlungsenergie aus dem Pilotstrahl 3 und/oder dem Arbeitsstrahl 4 und/oder dem externen Pilotstrahl, Unterscheidungsmöglichkeiten sind beim externen Pilotstrahl aufgrund unterschiedlicher Wellenlängen gegeben, von mehreren Empfängern 6, die sich innerhalb und außerhalb der Leiteinrichtung 5 des Bearbeitungskopfes 8 befinden, erfaßt und einer Recheneinheit 7 zur Verarbeitung zugeführt. In dieser werden die besagten Informationen aus dem Verhältnis der einzelnen Strahlungsenergien zueinander, aus deren Verhältnis zur Stärke des Pilotstrahls 3 und aus deren Zeitverhalten gebildet.

Vorteilhaft wird der Pilotstrahl 3 in derselben Strahlungsquelle erzeugt wie die zur Bearbeitung erforderliche Strahlungsenergie.

Zeitlich gesehen kann die oben beschriebene Sicherheitseinrichtung, wie bereits angedeutet, sowohl vor der als auch alternierend zur Erzeugung der Arbeitsenergie aktiv sein, wie auch gleichzeitig mit dieser. Letzteres ermöglicht eine andauernde Überwachung, setzt aber einen externen Pilotstrahl voraus.

Optional zur oben dargestellten Sicherheitssensorik wird folgende Einrichtung vorgeschlagen:
Es handelt sich um eine Sicherheitssensorik, die am Bearbeitungskopf nahe der Werkstückoberfläche angebracht ist, in Form eines flächenhaft um den Bearbeitungskopf positionierten runden Detektorringes (Diodenarray), die die bei der Materialbearbeitung vom Werkstück reflektierte Strahlung überwacht. Die Strahlung wird vom Detektor aufgenommen und als Signal einer Recheneinheit zur Auswertung bereitgestellt. Beim Überschreiten eines Maximalwertes, das ist beispielsweise bei einer ungünstigen Winkelstellung des Lasers zum Werkstück der Fall, wird der Laserstrahl abgeschaltet. In Düsennähe ist vorgesehen, ein Strahlenschutzgehäuse am Bearbeitungskopf anzuordnen. Dieses stellt eine für die Arbeitswellenlänge nicht transparente Verbindung zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück dar. Apparativ ist das Problem in der Weise gelöst, daß der Bearbeitungskopf im Bereich der Düse von einem Falten- oder Federbalg umgeben ist, wobei Letzterer mit einem Sichtfenster zur Beobachtung des Arbeitsprozesses versehen werden kann. Optional lassen sich dazu auch Spiegel oder Spiegelsysteme einsetzen. Darüberhinaus kann der Falten- oder Federbalg zum Werkstück hin mit einem Bürstensystem ausgestattet werden. Beim Entstehen eines Öffnungswinkels zwischen Werkstück und Bürstenrand und austretender diffuser Reflexionen vom Arbeitsstrahl und/oder Pilotstrahl sowie Aufnahme der Reflexionen durch die Detektoren, wird die Leistung des Laserstrahls beeinflußt bzw. letztlich die Abschaltung des Laserstrahls über die Steuereinheit ermöglicht.

Das Bürstensystem bildet aufgrund seines Aufbaus und seiner Struktur einen zusätzlichen Schutz gegenüber auftretender Streustrahlung.

Im Laserbearbeitungskopf ist weiterhin eine Abstandsregulierung befindlich, derart, daß auftretende unzulässige Abweichungen vom vorgegebenen Arbeitsabstand unter Berücksichtigung von Werkstückunebenheiten überwacht, erfaßt und wenn nötig ausgeglichen werden. Mindestens zwei Abstandssensoren erfassen die momentanen Abstände zwischen Werkstück und Bearbeitungskopf. Die Meßergebnisse werden in einer Recheneinheit mit einem Referenzabstand verglichen. Über eine gesteuerte mechanische Vorrichtung wird gegebenenfalls die Differenz zwischen gemessenem und Referenzabstand ausgeglichen.

Schließlich ist eine Vorrichtung zur Überwachung der Bearbeitungsgeschwindigkeit in der Weise vorgesehen, daß der Bediener über eine visuelle Anzeige in der Laserschutzbrille (interaktive Brille) bzw. über einen am Handgriff angebrachten Aktuator ein Signal über die Abweichung der relativen Geschwindigkeit von einer vordefinierten Geschwindigkeitsreferenz zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück erhält, das ihn in die Lage versetzt, die Momentangeschwindigkeit manuell zu ändern bzw. zusätzlich die Regelung der Laserleistung in Abhängigkeit von der Bearbeitungsgeschwindigkeit erlaubt.

Claims

1. Materialbearbeitungssystem mittels Hochleistungsdiodenlaser über 500 W Leistung, gekennzeichnet dadurch, daß ein frei führbarer Einhanddiodenlaserbearbeitungskopf mit den nachfolgend benannten integrativen Systemkomponenten kombiniert ist:

- Handgriff zur Einhandbedienung,
- am Handgriff angeordnete Bedienelemente zur Variation der Laserleistung der Laserdioden und zur störungsfreien Betriebsführung;
- Sicherheitseinrichtung, die bewirkt, daß ein Laserstrahl erst dann erzeugt wird, wenn die Bedingungen betätigter Ein-/Ausschalter, definierter Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück und Einhaltung eines definierten Winkels des Laserbearbeitungskopfes und damit des Laserarbeitsstrahls zum Werkstück erfüllt sind,
- Strahlenschutzgehäuse, welches den Bearbeitungskopf zum Werkstück hin abschließt ohne, je nach Arbeitslage, ent- oder belastende Wirkung auf den Bearbeitungskopf,
- Sensoren zur Erfassung der Öffnung zwischen Werkstück und Strahlenschutzgehäuse in Verbindung mit einer Abstandsregulierung zur Sicherung des vorgegebenen Arbeitsabstandes zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück;
wobei alternativ zur in den Bearbeitungskopf integrierten Laserquelle eine solche extern angeordnet ist und zu dieser eine optische Verbindung zur Übertragung der Laserleistung zwischen Laserquelle und dem Bearbeitungskopf besteht.

2. Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle nur dann extern angeordnet ist, wenn das Gesamtgewicht des Leserbearbeitungskopfes 2,5 Kg wesentlich überschritten wird.

3. Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leistungssteuerung in Abhängigkeit von der Bearbeitungsgeschwindigkeit als zusätzliche Systemkomponente vorhanden ist.

4. Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Handgriff zur Einhandbedienung ein ergonomisches Design aufweist.

5. Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Bearbeitungskopf integrierte Sicherheitseinrichtung derart konzipiert ist, daß ein vom Laser erzeugter Pilot- bzw. Sicherheitsstrahl oder ein extern betriebener aber im Laserkopf installierter Pilotstrahl vom Werkstück reflektiert wird und bei einem vordefinierten Winkel auf einen Detektor im oder am Laserbearbeitungskopf trifft und daß sich der Laser erst bei Vorliegen der Bedingungen gemäß Anspruch 1 über eine Steuereinrichtung einschaltet.

6. Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Größe und der Richtungsverteilung der vom Werkstück (1) oder anderen Gegenständen, beispielsweise Fremdkörpern, hervorgerufenen Reflexionen (2) des Pilotstrahls (3) und/oder des Arbeitsstrahls (4) eine Informationsbildung erfolgt, die letztlich zur Beeinflussung des Bearbeitungsprozesses genutzt wird, wobei folgende Merkmale realisiert sind:

- Die Reflexionen (2) der Strahlungsenergie aus dem Pilotstrahl (3) und/oder dem Arbeitsstrahl (4), Unterscheidungsmöglichkeiten sind aufgrund unterschiedlicher Wellenlängen gegeben, werden von mehreren Empfängern (6), die sich innerhalb und außerhalb der Leiteinrichtung (5) des Bearbeitungskopfes (8) befinden, erfaßt und einer Recheneinheit (7) zur Verarbeitung zugeführt.
- In der Recheneinheit (7) werden die Meßergebnisse zu einem Informationssignal aus dem Verhältnis der einzelnen Strahlungsenergien zueinander, aus dem Verhältnis der einzelnen Strahlungsenergien zur Stärke des Pilotstrahls 3 und aus deren Zeitverhalten verarbeitet.

7. Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sicherheitssensorik, die am Bearbeitungskopf nahe der Werkstückoberfläche angebracht ist, in Form eines flächenhaft um den Bearbeitungskopf positionierten runden Detektorringes (Diodenarray) zur Überwachung der bei der Materialbearbeitung vom Werkstück reflektierten Strahlung vorgesehen ist, in der Weise, daß diese Strahlung von Detektoren aufgenommen und als Signal einer Recheneinheit zur Auswertung bereitgestellt wird und daß der Laserstrahl bei Überschreiten eines Maximalwertes, beispielsweise bei ungünstiger Winkelstellung des Lasers zum Werkstück, abgeschaltet wird.

8. Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitseinrichtung gemäß der Ansprüche 5-6 oder gemäß Anspruch 7 vor der Erzeugung der Arbeitsenergie aktiv ist.

9. Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitseinrichtung gemäß der Ansprüche 5-6 oder gemäß Anspruch 7 zur andauernden Überwachung alternierend zur Erzeugung der Arbeitsenergie aktiv ist.

10. Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenschutzgehäuse in Düsennähe am Bearbeitungskopf vorgesehen und apparativ so ausgebildet ist, daß der Bearbeitungskopf im Bereich der Düse von einem Falten- oder Federbalg umgeben, wobei dieser mit einem Sichtfenster zur Beobachtung des Arbeitsprozesses versehen ist, daß der Falten- oder Federbalg zum Werkstück hin mit einem Bürstensystem ausgestattet ist, welches aufgrund seines Aufbaus und seiner Struktur einen zusätzlichen Schutz gegen auftretende Streustrahlung gewährt und dabei auch eine auftretende optische Öffnung zwischen Werkstück und Bürstenkranz durch die Aufnahme der dann austretenden Streustrahlung durch Lichtdetektoren erfaßt und eine Signalgebung an die Steuereinheit bewirkt, und daß dieses Signal zur Beeinflussung bzw. letztlich zur die Abschaltung des Laserstrahls über die Steuereinheit dient.

11. Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Sichtfensters ein Spiegel oder ein Spiegelsystem Verwendung findet.

12. Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsregulierung derart gelöst ist, daß auftretende unzulässige Abweichungen vom vorgegebenen Arbeitsabstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück unter Berücksichtigung von Werkstückunebenheiten von wenigstens zwei Abstandssensoren erfaßt und die Meßergebnisse in einer Recheneinheit mit einem Referenzabstand verglichen werden, wobei eine gesteuerte mechanische Längenveränderung mittels Abstandshaltern nur dann eingreift, wenn eine definierte Abweichung zwischen gemessenem und Referenzabstand überschritten wird.

13. Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteuerung in Abhängigkeit von der Bearbeitungsgeschwindigkeit in der Weise vorgesehen ist, daß der Bediener über eine visuelle Anzeige in der Laserschutzbrille oder von einem am Handgriff angebrachten Aktuator ein Signal über die Abweichung der relativen Geschwindigkeit von einer vordefinierten Geschwindigkeitsreferenz zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück erhält und die Momentangeschwindigkeit manuell ändert.