WO2024037783A1 - Ortsaufgelöste messung der verschmutzung eines schutzglases eines laserwerkzeugs - Google Patents

Ortsaufgelöste messung der verschmutzung eines schutzglases eines laserwerkzeugs Download PDF

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WO2024037783A1
WO2024037783A1 PCT/EP2023/068889 EP2023068889W WO2024037783A1 WO 2024037783 A1 WO2024037783 A1 WO 2024037783A1 EP 2023068889 W EP2023068889 W EP 2023068889W WO 2024037783 A1 WO2024037783 A1 WO 2024037783A1
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WO
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protective glass
laser
laser beam
detectors
light
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Application number
PCT/EP2023/068889
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English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Fichter
Jan Wagner
Original Assignee
Trumpf Laser Gmbh
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B23K26/707—Auxiliary equipment for monitoring laser beam transmission optics

Definitions

  • the invention relates to an operating method for a laser tool and a laser tool, wherein a laser beam emerges through a protective glass.
  • the optics of laser tools are often protected from contamination by protective glasses.
  • contamination can be, for example, weld spatter or other particles. Dirt often accumulates on the protective glass. The one through the protective glass
  • the laser beam emerging towards the workpiece is scattered by the dirt or otherwise deflected. On the one hand, this reduces the light output of the laser beam available for processing the workpiece. on the other hand Laser radiation reflected from the dirt can damage optical components of the laser tool.
  • an operating method for a laser tool is provided.
  • the laser tool can be designed, for example, as a laser welding head or as a laser cutting head or can include a laser welding head or a laser cutting head.
  • the laser tool is preferably a laser tool according to the invention described below.
  • a laser beam is deflected using scanner optics and emerges through a protective glass.
  • the protective glass is thus arranged on the exit side of the scanner optics and possibly a focusing optics of the laser tool.
  • the laser beam is deflected and can be moved across a workpiece. This changes The position at which the laser beam passes through the protective glass also changes.
  • the scanner optics can be formed with a galvoscanner.
  • the detectors are used to detect the light of the laser beam that is deflected, in particular scattered, on the protective glass from the direction of propagation of the laser beam.
  • This part of the laser beam is also referred to below as scattered light or scattered light components.
  • the detectors are preferably each designed as a scattered light sensor.
  • the scattered light sensors can each have a photodiode.
  • the detectors can each have a thermal imaging camera.
  • at least three, preferably at least six, detectors are provided.
  • the detectors are usually evenly distributed around the protective glass. By using multiple detectors, the fact can be taken into account that dirt on the protective glass can scatter the laser light of the laser beam in different directions. Scattered laser light from the laser beam is referred to as scattered light components.
  • the term multiple detectors is defined in this document as a number of two or more detectors.
  • a level of the laser light deflected, in particular scattered, on the protective glass is detected by the detectors depending on the position of the scanner optics. In other words, it measures how much laser light is present at the current position of the scanner optics, i.e. H. is deflected, in particular scattered, from the direction of propagation of the laser beam in the area of the protective glass currently irradiated by the laser beam.
  • the contamination of the protective glass is thus recorded in a spatially resolved manner. This location-dependent contamination information can be used for further operation of the laser tool.
  • the level of the laser light deflected, in particular scattered, on the protective glass is compared with a predefined limit value. This allows for the respective position of the scanner optics or the corresponding position Information can be obtained on the protective glass as to whether the protective glass is sufficiently clean or impermissibly dirty.
  • the limit value can be set when installing the currently used protective glass using a reference measurement. To do this, the laser beam can be moved once over the protective glass while the respective level of scattered light is recorded. Different optical properties, in particular different scattering properties, of different protective glasses can be compensated for in this way.
  • the limit value can be determined by applying a predefined percentage or absolute markup to the amount of deflected, in particular scattered, laser light determined on the new protective glass.
  • exceeding the limit value and the associated position of the scanner optics are saved. Storing this information can be done particularly easily in a matrix. By evaluating the stored information, it can be easily determined in which areas the protective glass is excessively dirty.
  • Areas of the protective glass for which the limit value was found to be exceeded are particularly preferably left out for further operation of the laser tool with the protective glass. This can increase the service life of the protective glass, the time from inserting the protective glass to replacing it. This also increases the operating time of the laser tool between changing the protective glass. The amount of setup time required to change the protective glass is thus reduced and the productivity of the laser tool is increased.
  • the protective glass can be replaced. On the one hand, this can ensure that the protective glass is only replaced when the protective glass is heavily soiled overall. On the other hand, it ensures that There is always a sufficiently large area of the protective glass available without disturbing dirt.
  • the level of the laser light deflected, in particular scattered, on the protective glass can be determined by relating the scattered light power to the light power of the laser beam.
  • the scattered light power describes the light power of the part of the laser beam that is deflected, in particular scattered, on the protective glass. This takes into account that - given the contamination of the protective glass - the scattered light output is typically proportional to the light output of the laser beam.
  • a parameter of the level of the laser light deflected, in particular scattered, on the protective glass, and the position of the scanner optics can be stored in a matrix.
  • the parameter of the level can in particular be the scattered light power itself or the scattered light power related to the light power of the laser beam.
  • the parameter can be the exceedance or non-exceedance of a predefined limit value.
  • the stored parameter can be displayed depending on the location. A color-coded display makes it particularly easy to detect contamination.
  • the measured values of the multiple detectors can be added to determine the level of the laser light deflected, in particular scattered, on the protective glass.
  • the portions of the laser light that are deflected or scattered in different directions are taken into account together. If specific contamination on the protective glass deflects or scatters to different extents in different directions, this is taken into account and compensated for.
  • the level of the laser light deflected, in particular scattered, on the protective glass is determined continuously while the laser tool is being used to process a workpiece.
  • the Monitoring and, if necessary, compensation for contamination is carried out in real time during ongoing processing. This avoids downtime of the laser tool to determine contamination of the protective glass. It also ensures that current information about the degree of contamination of the protective glass is always available.
  • the scope of the present invention also includes a laser tool
  • the laser tool can be, for example, a laser welding head or a laser cutting head or can include a laser welding head or a laser cutting head.
  • the laser tool according to the invention enables the operating method according to the invention described above to be carried out.
  • the control device is programmed to evaluate measured values from the detectors and to control the laser light source and the scanner optics.
  • the detectors are used to detect the light of the laser beam that is deflected, in particular scattered, on the protective glass from the direction of propagation of the laser beam.
  • the detectors are preferably arranged on the outer circumference of the protective glass.
  • the scanner optics can be formed with a galvoscanner.
  • the protective glass can be designed as a plane-parallel and typically circular pane.
  • the detectors can each be designed as a scattered light sensor.
  • the detectors preferably each have a photodiode.
  • the photodiodes can each be coupled to an edge surface of the protective glass via a fiber optic light guide.
  • the detectable laser light reaches the detectors via the fiber optic light guides. In this way, a precise measurement of the scattered light can be carried out in a simple manner.
  • the detectors can each have a thermal imaging camera.
  • the thermal imaging cameras are aimed at the protective glass and advantageously detect dirt that heats up when the laser beam hits it.
  • the detectors are preferably connected in parallel. In this way, the measured values of the several detectors can be added by simply setting up the corresponding electrical circuitry, so that the
  • Protective glass contains the parts of the material scattered in different directions
  • the laser tool can have a device for measuring the light output of the laser beam. This makes it possible to relate the scattered light power measured by the detectors to the light power of the laser beam.
  • the device for measuring the light power of the laser beam can have a dichroic mirror and a light power sensor, in particular a photodiode.
  • the light power sensor can be arranged behind the dichroic mirror, so that a small portion of the laser light of the laser beam, which is predominantly reflected by the dichroic mirror, is supplied to the light power sensor.
  • FIG. 1 shows a laser tool according to the invention with a laser light source, a scanner optics and a protective glass on which several scattered light sensors are arranged as detectors, in a schematic sectional view;
  • FIG. 2 shows a schematic top view of the protective glass and the scattered light sensors of the laser tool from FIG. 1;
  • Fig. 3 shows a schematic flow diagram of an operating method according to the invention using the laser tool from Figure 1.
  • Figure 1 shows a laser tool 10, for example a laser welding head.
  • the laser tool 10 is used to process a workpiece 12.
  • the laser tool 10 has a laser light source 14. During operation, the laser light source 14 emits a laser beam 16, compare step 102 in Figure 3. Only one central axis of the laser beam 16 or its components is shown in Figure 1. A control device 18 is used to control the laser tool 10. It goes without saying that the laser light source 14 and the control device 18 can also be and typically are arranged outside the processing head of the laser tool 10.
  • the laser beam 16 may first impinge on a dichroic mirror 20 of a device 22 for measuring the light power.
  • the dichroic mirror 20 reflects a vast majority of the laser beam 16.
  • a scanner optics 26 which can include, for example, a mirror 28 that can be pivoted by means of a galvoscanner (not shown) or other pivoting drive.
  • a galvoscanner not shown
  • the laser beam 16 is directed to different locations on the workpiece 12, compare step 106.
  • This is indicated in Figure 1 with solid and dashed lines for two exemplary positions of the pivotable mirror 28, whereby for the dashed configuration is appended to the corresponding reference numbers with an apostrophe ()'.
  • the laser beam 16 can be focused on the workpiece 12 by a focusing optics 30.
  • the laser beam 16 passes through a protective glass 32.
  • the protective glass 32 is arranged on the laser tool 10 on the beam exit side.
  • the protective glass 32 protects the components of the laser tool 10 behind it from contamination 42, for example weld spatter coming from the workpiece 12.
  • the Scattered light sensors 34 serve as detectors 35 for detecting the laser light of the laser beam 16 that is deflected from its direction of propagation on the protective glass 32.
  • the scattered light sensors 34 each include a photodiode 36, which is coupled to a peripheral edge surface 40 of the protective glass 32 via a glass fiber light guide 38.
  • the detectors 35 could also each include a thermal imaging camera, not shown.
  • the detectors 35 are arranged evenly distributed around the circumference of the protective glass 32.
  • the detectors 35 are connected in parallel, so that the portions of the laser light of the laser beam 16 that are scattered or otherwise deflected on the protective glass 32 and which are detected by the detectors 35 are added together.
  • This total proportion of the deflected, in particular scattered, laser light is position-dependent, i.e. H. measured depending on the position of the scanner optics 26, see step 108.
  • the detectors 35, the scanner optics 26, the light power sensor 24 and the laser light source 14 are connected to the control device 18 via lines not shown.
  • the scattered light power measured by the scattered light sensors 34 is compared to the total light power of the laser beam 16, compare step 110.
  • the proportion of the scattered light power in the total light power of the laser beam 16 is compared with a predefined limit value.
  • the proportion of scattered light can be determined as part of a reference measurement immediately after installation of the new protective glass 32 in the manner described above for the area intended for radiation. This proportion can be multiplied by a given factor to obtain the limit value.
  • the laser beam 16 may hit a clean area of the protective glass 32.
  • the laser beam 16 passes through the protective glass 32 essentially unhindered and hits the workpiece 12 for processing. This is shown in Figure 1 with solid lines.
  • the scattered light sensors 34 only measure a very low scattered light output. Their share of the total light output is therefore below the specified limit.
  • the proportion of the scattered light output in the total light output and/or the fall below the limit value are stored in a step 114 for the corresponding position of the scanner optics 26 or the associated area of the protective glass 32, for example in the control device 18.
  • the laser beam 16 is deflected in other directions by means of the scanner optics 26. This is indicated in Figure 3 by the repetition of steps 102 to 112.
  • contamination 42 for example a weld spatter
  • contamination 42 for example a weld spatter
  • the scanner optics 26 If the scanner optics 26 is in a second position during further operation, the laser beam 16 'reflected by the pivotable mirror 28 hits the contamination 42. The reflected laser beam 16' therefore only hits the workpiece 12 in a weakened form. Scattered light components 44 of the reflected one Laser beam 16 'are scattered by the contamination 42 to the scattered light sensors 34. Due to the size and type of contamination 42, the ratio of the control light output and the total light output of the reflected laser beam 16' exceeds the predefined limit. This ratio or the exceeding of the limit value are saved for the second position or the associated area of the protective glass 32 when the cut 114 is carried out again.
  • the contaminated area is left out, see step 116.
  • the control device 18 is programmed to do this, the scanner optics 26 to control that the laser beam 16 does not hit the contamination 42.
  • the laser tool 10 can be moved relative to the workpiece 12 so that the contaminated area or areas of the protective glass 32 are not required for the processing to be carried out.
  • the protective glass 32 is replaced in a step 118.
  • a limit value for the proportion of scattered light output to the total light output can be determined as part of a reference measurement.
  • the laser tool 10 is then used with the new protective glass 32 as described above.
  • Control device 18 dichroic mirror 20
  • Scanner optics 26 swiveling mirror 28
  • Emitting 102 a laser beam

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  • Optics & Photonics (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für ein Laserwerkzeug (10), wobei ein Laserstrahl (16) mittels einer Scanneroptik (26) abgelenkt wird und durch ein Schutzglas (32) austritt, wobei um das Schutzglas (32) herum mehrere Streulichtsensoren (34) angeordnet sind, und wobei ein Pegel des am Schutzglas (32) abgelenkten, insbesondere gestreuten, Laserlichts von den Streulichtsensoren (34) in Abhängigkeit von einer Stellung der Scanneroptik (26) erfasst wird.

Description

Ortsaufgelöste Messung der Verschmutzung eines Schutzglases eines Laserwerkzeugs
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für ein Laserwerkzeug und eine Laserwerkzeug, wobei ein Laserstrahl durch ein Schutzglas austritt.
Optiken von Laserwerkzeugen, beispielsweise von Laserschweißköpfen oder von Laserbearbeitungsköpfen, werden häufig durch Schutzgläser vor Verschmutzungen geschützt. Derartige Verschmutzungen können beispielsweise Schweißspritzer oder andere Partikel sein. Häufig lagern sich die Verschmutzungen an dem Schutzglas an. Der durch das Schutzglas zu einem
Werkstück hin austretende Laserstrahl wird an den Verschmutzungen gestreut oder anderweitig abgelenkt. Dadurch sinkt einerseits die zur Bearbeitung des Werkstücks zur Verfügung stehende Lichtleistung des Laserstrahls. Andererseits kann an den Verschmutzungen reflektierte Laserstrahlung optische Komponenten des Laserwerkzeugs beschädigen.
Aus DE 101 13 518 Al ist es bekannt, den Verschmutzungsgrad eines Schutzglases, das von einem Laserbearbeitungskopf getragen wird, zu messen, indem ein außerhalb des Laserstrahls angeordneter Streustrahlungsdetektor die gesamte von dem Laserstrahl durchsetzte Fläche des Schutzglases beobachtet. Der Streustrahlungsdetektor kann in einer Öffnung einer Wand eines Gehäuses des Laserbearbeitungskopfs eingesetzt und schräg auf das Schutzglas ausgerichtet sein.
Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Betriebstüchtigkeit von Laserwerkzeugen zu verbessern.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Laserwerkzeug gemäß Anspruch 11. Die jeweiligen Unteransprüche und die Beschreibung beschreiben vorteilhafte Varianten oder Ausführungsformen.
Erfindungsgemäß ist ein Betriebsverfahren für ein Laserwerkzeug vorgesehen. Das Laserwerkzeug kann beispielsweise als Laserschweißkopf oder als Laserschneidkopf ausgebildet sein oder einen Laserschweißkopf oder einen Laserschneidkopf umfassen. Vorzugsweise ist das Laserwerkzeug ein nachfolgend beschriebenes, erfindungsgemäßes Laserwerkzeug.
Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren wird ein Laserstrahl mittels einer Scanneroptik abgelenkt und tritt durch ein Schutzglas aus. Das Schutzglas ist somit austrittsseitig bei der Scanneroptik und gegebenenfalls einer Fokussieroptik des Laserwerkzeugs angeordnet. Indem die Scanneroptik in unterschiedliche Stellungen oder Ausrichtungen gebracht wird, wird der Laserstrahl abgelenkt und kann über ein Werkstück bewegt werden. Dabei ändert sich auch die Position, an welcher der Laserstrahl durch das Schutzglas hindurchtritt. Die Scanneroptik kann mit einem Galvoscanner gebildet sein.
Erfindungsgemäß sind um das Schutzglas herum mehrere Detektoren angeordnet. Die Detektoren dienen zum Erfassen desjenigen Lichts des Laserstrahls, das am Schutzglas aus der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls abgelenkt, insbesondere gestreut, wird. Dieser Teil des Laserstrahls wird nachfolgend auch als Streulicht oder Streulichtanteile bezeichnet. Bevorzugt sind die Detektoren je als ein Streulichtsensor ausgebildet. Die Streulichtsensoren können jeweils eine Fotodiode aufweisen. Die Detektoren können alternativ jeweils eine Wärmebildkamera aufweisen. Typischerweise sind wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens sechs, Detektoren vorgesehen. Die Detektoren sind in der Regel gleichmäßig um das Schutzglas herum verteilt. Durch die Verwendung mehrerer Detektoren kann der Tatsache Rechnung getragen werden, dass Verschmutzungen am Schutzglas das Laserlicht des Laserstrahls in unterschiedliche Richtungen streuen können. Gestreutes Laserlicht des Laserstrahls werden hierbei als Streuchlichtanteile bezeichnet. Der Ausdruck mehrere Detektoren ist in diesem Dokument definiert als eine Anzahl von zwei oder mehr Detektoren.
Weiter erfindungsgemäß wird ein Pegel des am Schutzglas abgelenkten, insbesondere gestreuten, Laserlichts von den Detektoren in Abhängigkeit von der Stellung der Scanneroptik erfasst. Mit anderen Worten wird gemessen, wie viel Laserlicht bei der aktuellen Stellung der Scanneroptik, d. h. in dem momentan von dem Laserstrahl durchstrahlten Bereich des Schutzglases aus der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls abgelenkt, insbesondere gestreut wird. Die Verschmutzung des Schutzglases wird somit ortsaufgelöst erfasst. Diese ortsabhängige Verschmutzungsinformation kann für den weiteren Betrieb des Laserwerkzeugs ausgenutzt werden.
Vorzugsweise wird der Pegel des am Schutzglas abgelenkten, insbesondere gestreuten, Laserlicht mit einem vordefinierten Grenzwert verglichen. Dadurch kann für die jeweilige Stellung der Scanneroptik bzw. die entsprechende Position am Schutzglas eine Information darüber erhalten werden, ob das Schutzglas hinreichend sauber oder unzulässig stark verschmutzt ist.
Der Grenzwert kann beim Einbau des aktuell verwendeten Schutzglases mithilfe einer Referenzmessung festgelegt werden. Hierzu kann der Laserstrahl einmal über das Schutzglas verfahren werden, während der jeweilige Pegel des Streulichts aufgezeichnet wird. Unterschiedliche optische Eigenschaften, insbesondere unterschiedliche Streuungseigenschaften, verschiedener Schutzgläser können dadurch kompensiert werden. Der Grenzwert kann durch Anwenden eines vordefinierten prozentualen oder absoluten Aufschlags auf das am neuwertigen Schutzglas bestimmte Maß des abgelenkten, insbesondere gestreuten, Laserlichts ermittelt werden.
Besonders bevorzugt werden eine Überschreitung des Grenzwerts und die zugehörige Stellung der Scanneroptik gespeichert. Das Speichern dieser Informationen kann besonders einfach in einer Matrix erfolgen. Durch Auswertung der gespeicherten Informationen kann somit leicht festgestellt werden, in welchen Bereichen das Schutzglas übermäßig stark verschmutzt ist.
Ganz besonders bevorzugt werden Bereiche des Schutzglases, für die eine Überschreitung des Grenzwerts festgestellt wurde, für den weiteren Betrieb des Laserwerkzeugs mit dem Schutzglas ausgespart. Dadurch kann die Standzeit des Schutzglases erhöht werden, die Zeit vom Einsetzen des Schutzglas bis zum Austausch. Somit wird auch die Betriebszeit des Laserwerkzeugs zwischen dem Wechseln des Schutzglases erhöht. Der Anteil der Rüstzeit für einen Wechsel des Schutzglases wird somit reduziert und die Produktivität des Laserwerkzeugs erhöht.
Wenn in einem vordefinierten Flächenanteil des Schutzglases eine Überschreitung des Grenzwerts festgestellt wurde, kann das Schutzglas ausgetauscht werden. Dadurch kann einerseits erreicht werden, dass der Austausch des Schutzglases erst erfolgt, wenn insgesamt eine starke Verschmutzung des Schutzglases vorliegt. Andererseits wird sichergestellt, dass stets ein ausreichend großer Flächenanteil des Schutzglases ohne störende Verschmutzungen zur Verfügung steht.
Der Pegel des am Schutzglas abgelenkten, insbesondere gestreuten, Laserlichts kann bestimmt werden, indem die Streulichtleistung zur Lichtleistung des Laserstrahls in Bezug gesetzt wird. Die Streulichtleistung beschreibt die Lichtleistung des am Schutzglas abgelenkten, insbesondere gestreuten, Teils des Laserstrahls. Dadurch wird berücksichtigt, dass - bei gegebener Verschmutzung des Schutzglases - die Streulichtleistung typischerweise proportional zur Lichtleistung des Laserstrahls ist.
Eine Kenngröße des Pegels des am Schutzglas abgelenkten, insbesondere gestreuten Laserlichts, und die Stellung der Scanneroptik können in einer Matrix gespeichert werden. Die Kenngröße des Pegels kann insbesondere die Streulichtleistung selbst oder die auf die Lichtleistung des Laserstrahls bezogene Streulichtleistung sein. Alternativ kann die Kenngröße die Überschreitung bzw. Nichtüberschreitung eines vordefinierten Grenzwerts sein. Für eine Beurteilung des Zustands des Schutzglases kann die gespeicherte Kenngröße ortsabhängig dargestellt werden. Durch eine farbcodierte Darstellung kann die Verschmutzung besonders einfach erfasst werden.
Die Messwerte der mehreren Detektoren können zur Bestimmung des Pegels des am Schutzglas abgelenkten, insbesondere gestreuten, Laserlichts addiert werden. Somit werden zur Charakterisierung der Verschmutzung in einem jeweiligen Bereich des Schutzglases die in unterschiedliche Richtungen abgelenkten bzw. gestreuten Anteile des Laserlichts zusammen berücksichtigt. Falls eine konkrete Verschmutzung am Schutzglas in unterschiedliche Richtungen unterschiedlich stark ablenkt bzw. streut, wird dies somit berücksichtigt und kompensiert.
Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung des Pegels des am Schutzglas abgelenkten, insbesondere gestreuten Laserlichts fortlaufend während der Verwendung des Laserwerkzeugs zur Bearbeitung eines Werkstücks. Die Überwachung und gegebenenfalls Kompensation der Verschmutzungen wird somit in Echtzeit während der laufenden Bearbeitung durchgeführt. Ausfallzeiten des Laserwerkzeugs zur Ermittlung der Verschmutzung des Schutzglases werden dadurch vermieden. Zudem wird sichergestellt, dass stets aktuelle Informationen über den Verschmutzungsgrad des Schutzglases zur Verfügung stehen.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Laserwerkzeug aufweisend
- eine Laserlichtquelle zum Aussenden eines Laserstrahls,
- eine Scanneroptik zum Ablenken des Laserstrahls,
- ein Schutzglas, durch welches der Laserstrahl im Betrieb aus dem Laserwerkzeug austritt,
- mehrere Detektoren, die um das Schutzglas herum angeordnet sind,
- eine Steuereinrichtung, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Das Laserwerkzeug kann beispielsweise ein Laserschweißkopf oder ein Laserschneidkopf sein bzw. einen Laserschweißkopf oder einen Laserschneidkopf umfassen. Das erfindungsgemäße Laserwerkzeug ermöglicht die Durchführung des oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu programmiert, Messwerte der Detektoren auszuwerten und die Laserlichtquelle sowie die Scanneroptik anzusteuern.
Die Detektoren dienen zum Erfassen desjenigen Lichts des Laserstrahls, das am Schutzglas aus der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls abgelenkt, insbesondere gestreut wird. Vorzugsweise sind die Detektoren am Außenumfang des Schutzglases angeordnet. Die Scanneroptik kann mit einem Galvoscanner gebildet sein. Das Schutzglas kann als eine planparallele und typischerweise kreisförmige Scheibe ausgebildet sein.
Die Detektoren können je als ein Streulichtsensor ausgebildet sein. Bevorzugt weisen die Detektoren je eine Fotodiode auf. Die Fotodioden können jeweils über einen Glasfaserlichtleiter an eine Randfläche des Schutzglases gekoppelt sein. Das detektierbare Laserlicht gelangt über die Glasfaserlichtleiter zu den Detektoren. Derart kann auf einfache Weise eine präzise Messung des Streulichts erfolgen.
Die Detektoren können alternativ je eine Wärmebildkamera aufweisen. Die Wärmebildkameras sind bei dieser Variante auf das Schutzglas gerichtet und erkennen Verschmutzungen in vorteilhafter Weise, welche sich beim Auftreffen des Laserstrahls erwärmen.
Vorzugsweise sind die Detektoren parallel geschaltet. Derart können durch einfaches Einrichten der entsprechenden elektrischen Verschaltung die Messwerte der mehreren Detektoren addiert werden, sodass zur
Charakterisierung der Verschmutzung in einem jeweiligen Bereich des
Schutzglases die in unterschiedliche Richtungen gestreuten Anteile des
Laserlichts zusammen addiert berücksichtigt werden. Falls eine konkrete Verschmutzung in unterschiedliche Richtungen unterschiedlich stark streut, wird dies somit kompensiert.
Das Laserwerkzeug kann eine Einrichtung zum Messen der Lichtleistung des Laserstrahls aufweisen. Dies ermöglicht es, die von den Detektoren gemessene Streulichtleistung zur Lichtleistung des Laserstrahls in Bezug zu setzen. Die Einrichtung zum Messen der Lichtleistung des Laserstrahls kann einen dichroitischen Spiegel und einen Lichtleistungssensor, insbesondere eine Fotodiode, aufweisen. Der Lichtleistungssensor kann hinter dem dichroitischen Spiegel angeordnet sein, sodass jeweils ein geringer Anteil des Laserlichts des Laserstrahls, welcher durch den dichroitischen Spiegel überwiegend reflektiert wird, dem Lichtleistungssensor zugeführt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen, zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Laserwerkzeug mit einer Laserlichtguelle, einer Scanneroptik und einem Schutzglas, an dem mehrere Streulichtsensoren als Detektoren angeordnet sind, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 2 eine schematische Aufsicht auf das Schutzglas und die Streulichtsensoren des Laserwerkzeugs von Figur 1;
Fig. 3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens unter Verwendung des Laserwerkzeugs von Figur 1.
Figur 1 zeigt ein Laserwerkzeug 10, beispielsweise einen Laserschweißkopf. Das Laserwerkzeug 10 dient zur Bearbeitung eines Werkstücks 12.
Das Laserwerkzeug 10 weist eine Laserlichtquelle 14 auf. Im Betrieb sendet die Laserlichtquelle 14 einen Laserstrahl 16 aus, vergleiche Schritt 102 in Figur 3. In Figur 1 ist jeweils nur eine Mittelachse des Laserstrahls 16 bzw. von dessen Anteilen eingezeichnet. Eine Steuereinrichtung 18 dient zur Steuerung des Laserwerkzeugs 10. Es versteht sich, dass die Laserlichtquelle 14 und die Steuereinrichtung 18 auch außerhalb des Bearbeitungskopfs des Laserwerkzeugs 10 angeordnet sein können und typischerweise sind.
Zum Messen der Lichtleistung des Laserstrahls 16, vergleiche Schritt 104, möge der Laserstrahl 16 zunächst auf einen dichroitischen Spiegel 20 einer Einrichtung 22 zum Messen der Lichtleistung treffen. Der dichroitische Spiegel 20 reflektiert einen ganz überwiegenden Teil des Laserstrahls 16. Ein geringer Anteil des Laserstrahls 16, welcher in einem bekannten Verhältnis zum reflektierten Anteil steht, passiert den dichroitischen Spiegel 20 und trifft auf einen Lichtleistungssensor 24 der Einrichtung 22 zum Messen der Lichtleistung.
Der reflektierte Anteil des Laserstrahls 16 trifft auf eine Scanneroptik 26, welche beispielsweise einen mittels eines (nicht näher dargestellten) Galvoscanners oder anderen Schwenkantriebs schwenkbaren Spiegel 28 umfassen kann. Indem der schwenkbare Spiegel 28 in unterschiedliche Stellungen gebracht wird, wird der Laserstrahl 16 auf unterschiedliche Stellen am Werkstück 12 gerichtet, vergleiche Schritt 106. Dies ist in Figur 1 mit durchgezogenen und gestrichelten Linien für zwei beispielhafte Stellungen des schwenkbaren Spiegels 28 angedeutet ist, wobei für die gestrichelte Konfiguration den entsprechenden Bezugszeichen ein Hochkomma ()' angefügt wird.
Vor oder nach dem Ablenken mittels der Scanneroptik 26 kann der Laserstrahl 16 durch eine Fokussieroptik 30 auf das Werkstück 12 fokussiert werden.
Auf dem Weg zum Werkstück 12 passiert der Laserstrahl 16 ein Schutzglas 32. Das Schutzglas 32 ist strahlaustrittsseitig am Laserwerkzeug 10 angeordnet. Das Schutzglas 32 schützt die dahinter liegenden Komponenten des Laserwerkzeugs 10 vor Verschmutzungen 42, beispielsweise vom Werkstück 12 her kommende Schweißspritzer.
Um das Schutzglas 32 herum sind mehrere, im dargestellten Ausführungsbeispiel acht, Streulichtsensoren 34 angeordnet, vergleiche auch Figur 2. Die Streulichtsensoren 34 dienen als Detektoren 35 zum Erfassen des am Schutzglas 32 aus seiner Ausbreitungsrichtung abgelenkten Laserlichts des Laserstrahls 16. Die Streulichtsensoren 34 umfassen jeweils eine Fotodiode 36, welche über einen Glasfaserlichtleiter 38 an eine umfangsseitige Randfläche 40 des Schutzglases 32 gekoppelt ist. Die Detektoren 35 könnten auch jeweils eine nicht näher dargestellte Wärmebildkamera umfassen. Die Detektoren 35 sind gleichmäßig verteilt am Umfang des Schutzglases 32 angeordnet.
Vorliegend sind die Detektoren 35 parallel geschaltet, sodass die von den Detektoren 35 erfassten Anteile des am Schutzglas 32 gestreuten oder anderweitig abgelenkten Laserlichts des Laserstrahls 16 addiert werden. Dieser Gesamtanteil des abgelenkten, insbesondere gestreuten, Laserlichts wird positionsabhängig, d. h. in Abhängigkeit von der Stellung der Scanneroptik 26 gemessen, vergleiche Schritt 108.
Es versteht sich, dass die Detektoren 35, die Scanneroptik 26, der Lichtleistungssensor 24 und die Laserlichtquelle 14 über nicht näher dargestellte Leitungen mit der Steuereinrichtung 18 verbunden sind.
Um das Ausmaß der Verschmutzung 42 des Schutzglases 32 an der jeweilig von dem Laserstrahl 16 durchstrahlten Stelle beurteilen zu können, wird die von den Streulichtsensoren 34 gemessene Streulichtleistung zur gesamten Lichtleistung des Laserstrahls 16 ins Verhältnis gesetzt, vergleiche Schritt 110.
Der Anteil der Streulichtleistung an der gesamten Lichtleistung des Laserstrahls 16 wird mit einem vordefinierten Grenzwert verglichen. Zum Bestimmen des Grenzwerts kann der Anteil des gestreuten Lichts im Rahmen einer Referenzmessung unmittelbar nach dem Einbau des neuwertigen Schutzglases 32 in der vorbeschriebenen Weise für dessen zur Durchstrahlung vorgesehene Fläche bestimmt werden. Dieser Anteil kann mit einem vorgegebenen Faktor multipliziert werden, um den Grenzwert zu erhalten. Bei einer ersten Stellung der Scanneroptik 26 möge der Laserstrahl 16 auf einen sauberen Bereich des Schutzglases 32 treffen. Der Laserstrahl 16 passiert das Schutzglas 32 im Wesentlichen ungehindert und trifft zur Bearbeitung auf das Werkstück 12. Dies ist in Figur 1 mit durchgezogenen Linien dargestellt. Die Streulichtsensoren 34 messen in diesem Fall nur eine sehr geringe Streulichtleistung. Deren Anteil an der gesamten Lichtleistung unterschreitet somit den vorgegebenen Grenzwert. Der Anteil der Streulichtleistung an der gesamten Lichtleistung und/oder die Unterschreitung des Grenzwerts werden in einem Schritt 114 für die entsprechende Stellung der Scanneroptik 26 bzw. den zugehörigen Bereich des Schutzglases 32 gespeichert, beispielsweise in der Steuereinrichtung 18.
Im weiteren Betrieb wird der Laserstrahl 16 mittels der Scanneroptik 26 in andere Richtungen abgelenkt. Dies ist in Figur 3 durch die Wiederholung der Schritte 102 bis 112 angedeutet.
In einem anderen Bereich des Schutzglases 32 möge eine Verschmutzung 42, beispielsweise ein Schweißspritzer, am Schutzglas 32 haften. Wenn sich die Scanneroptik 26 während des weiteren Betriebs in einer zweiten Stellung befindet, trifft der vom schwenkbaren Spiegel 28 reflektierte Laserstrahl 16' auf die Verschmutzung 42. Der reflektierte Laserstrahl 16' trifft daher nur in abgeschwächter Form auf das Werkstück 12. Streulichtanteile 44 des reflektierten Laserstrahls 16' werden von der Verschmutzung 42 zu den Streulichtsensoren 34 gestreut. Aufgrund der Größe und Art der Verschmutzung 42 übersteigt das Verhältnis der Steuerlichtleistung und der gesamten Lichtleistung des reflektierten Laserstrahls 16' den vordefinierten Grenzwert. Dieses Verhältnis bzw. die Überschreitung des Grenzwerts werden für die zweite Stellung bzw. den zugehörigen Bereich des Schutzglases 32 bei einer erneuten Durchführung des Schnittes 114 gespeichert.
Für den weiteren Betrieb des Laserwerkzeugs 10 mit dem konkret verbauten Schutzglas 32 wird der verschmutzte Bereich ausgespart, vergleiche Schritt 116. Die Steuereinrichtung 18 ist dazu programmiert, die Scanneroptik 26 so anzusteuern, dass der Laserstrahl 16 nicht auf die Verschmutzung 42 trifft. Zur Kompensation kann das Laserwerkzeug 10 relativ zum Werkstück 12 verschoben werden, sodass der oder die verschmutzten Bereiche des Schutzglases 32 für die durchzuführende Bearbeitung nicht benötigt werden.
Wenn der Anteil der verschmutzten Bereiche an der Gesamtfläche des Schutzglases 32 einen vorgegebenen Höchstwert erreicht, wird das Schutzglas 32 in einem Schritt 118 ausgetauscht. Für das neue Schutzglas 32 kann wie oben beschrieben im Rahmen einer Referenzmessung ein Grenzwert für den Anteil der Streulichtleistung an der gesamten Lichtleistung bestimmt werden. Das Laserwerkzeug 10 wird dann mit dem neuen Schutzglas 32 wie oben beschrieben verwendet.
Bezuqszeichenliste
Laserwerkzeug 10
Werkstück 12
Laserlichtquelle 14
Laserstrahl 16 reflektierter Laserstrahl 16'
Steuereinrichtung 18 dichroitischer Spiegel 20
Einrichtung 22 zum Messen der Lichtleistung
Lichtleistungssensor 24
Scanneroptik 26 schwenkbarer Spiegel 28
Fokussieroptik 30
Schutzglas 32
Streulichtsensoren 34
Detektoren 35
Fotodiode 36
Glasfaserlichtleiter 38
Randfläche 40
Verschmutzung 42
Streulichtanteile 44
Aussenden 102 eines Laserstrahls
Messen 104 der Lichtleistung des Laserstrahls
Ablenken 106 des Laserstrahls in unterschiedliche Richtungen
Positionsabhängiges Messen 108 einer Streulichtleistung
Bestimmen 110 eines Verhältnisses der Streulichtleistung und der Lichtleistung
Vergleichen 112 des Verhältnisses mit einem Grenzwert
Speichern 114 des Vergleichsergebnisses und/oder des Verhältnisses
Aussparen 116 von verschmutzten Bereichen
Austauschen 118 des Schutzglases

Claims

Patentansprüche
1. Betriebsverfahren für ein Laserwerkzeug (10), wobei ein Laserstrahl (16) mittels einer Scanneroptik (26) abgelenkt wird und durch ein Schutzglas (32) austritt, wobei um das Schutzglas (32) herum mehrere Detektoren (35) angeordnet sind, und wobei ein Pegel des am Schutzglas (32) abgelenkten Laserlichts des Laserstrahls (16) von den Detektoren (35) in Abhängigkeit von einer Stellung der Scanneroptik (26) erfasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pegel des am Schutzglas (32) abgelenkten Laserlichts mit einem vordefinierten Grenzwert verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert beim Einbau des Schutzglases (32) mit Hilfe einer Referenzmessung festgelegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überschreitung des Grenzwerts und die zugehörige Stellung der Scanneroptik (26) gespeichert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche des Schutzglases (32), für die eine Überschreitung des Grenzwerts festgestellt wurde, für den weiteren Betrieb des Laserwerkzeugs (10) mit dem Schutzglas (32) ausgespart werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzglas (32) ausgetauscht wird, wenn in einem vordefinierten Flächenanteil des Schutzglases (32) eine Überschreitung des Grenzwerts festgestellt wurde. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pegel des am Schutzglas (32) abgelenkten Laserlichts bestimmt wird, indem eine Streulichtleistung zur Lichtleistung des Laserstrahls (16) in Bezug gesetzt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kenngröße des Pegels des am Schutzglas (32) abgelenkten Laserlichts und die Stellung der Scanneroptik (26) in einer Matrix gespeichert werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte der mehreren Detektoren (35) zur Bestimmung des Pegels des am Schutzglas (32) abgelenkten Laserlichts addiert werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Pegels des am Schutzglas (32) abgelenkten Laserlichts fortlaufend während der Verwendung des Laserwerkzeugs (10) zur Bearbeitung eines Werkstücks (12) erfolgt. Laserwerkzeug (10) aufweisend
- eine Laserlichtquelle (14) zum Aussenden eines Laserstrahls (16),
- eine Scanneroptik (26) zum Ablenken des Laserstrahls (16),
- ein Schutzglas (32), durch welches der Laserstrahl (16) im Betrieb aus dem Laserwerkzeug (10) austritt,
- mehrere Detektoren (35), die um das Schutzglas (32) herum angeordnet sind,
- eine Steuereinrichtung (18), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist. Laserwerkzeug (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren (35) je als ein Streulichtsensor (34) ausgebildet sind. Laserwerkzeug (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren (35) je eine Fotodiode (36) aufweisen, die über einen
Glasfaserlichtleiter (38) an eine Randfläche (40) des Schutzglases (32) gekoppelt ist. Laserwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren (35) parallel geschaltet sind. Laserwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserwerkzeug (10) eine Einrichtung (22) zum Messen der Lichtleistung des Laserstrahls (16) aufweist.
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