DE10113518B4 - Method for measuring the degree of soiling of a protective glass of a laser processing head and laser processing system for carrying out the method - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Messung des Verschmutzungsgrades eines Schutzglases (9), das von einem Laserbearbeitungskopf (1) getragen wird und strahlausgangsseitig zu einer im Laserbearbeitungskopf (1) vorhandenen Linsenanordnung (7) liegt, durch die ein Laserstrahl (5) hindurchtritt, bei dem – eine außerhalb des Laserstrahls (5) angeordnete erste Strahlungsdetektoranordnung (13) eine vom Laserstrahl (5) durchsetzte Fläche des Schutzglases (9) beobachtet, um die Intensität von dort kommender Streustrahlung (12) zu messen, die durch Streuung des Laserstrahls (5) an Partikeln (11) hervorgerufen wird, die am Schutzglas (9) haften, – eine zweite Strahlungsdetektoranordnung (16) die Intensität eines aus dem Laserstrahl (5) umgelenkten Teilstrahls misst und bei dem ferner – ein von der ersten Strahlungsdetektoranordnung (13) gemessener Streustrahlungsmesswert zu dem von der zweiten Strahlungsdetektoranordnung (16) gemessenen Strahlungsmesswert ins Verhältnis gesetzt wird, um einen korrigierten Streustrahlungsmesswert zu erhalten, der mit einem Referenz-Streustrahlungsmesswert verglichen wird, um bei Überschreiten des letzteren ein erstes Fehlersignal zu erzeugen, wobei die zweite Strahlungsdetektoranordnung (16) der ersten Strahlungsdetektoranordnung (13) radial gegenüberliegt.Method for measuring the degree of soiling of a protective glass (9), which is supported by a laser processing head (1) and lies on the beam output side to a lens arrangement (7) present in the laser processing head (1), through which a laser beam (5) passes, in which - an outside The first radiation detector arrangement (13) arranged in the laser beam (5) observes a surface of the protective glass (9) penetrated by the laser beam (5) in order to measure the intensity of scattered radiation (12) which occurs there by scattering of the laser beam (5) by particles ( 11), which adhere to the protective glass (9), - a second radiation detector arrangement (16) measures the intensity of a partial beam deflected from the laser beam (5) and further comprising - a scattered radiation measured value from that of the first radiation detector arrangement (13) is correlated to the second radiation detector array (16) measured radiation reading to a corrected To obtain a scattered radiation reading that is compared to a reference scattered radiation reading to produce a first error signal when the latter is exceeded, wherein the second radiation detector assembly (16) is radially opposed to the first radiation detector assembly (13).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des Verschmutzungsgrades eines Schutzglases eines Laserbearbeitungskopfs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Laserbearbeitungsanlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.The invention relates to a method for measuring the degree of contamination of a protective glass of a laser processing head according to the preamble of patent claim 1 and to a laser processing system for carrying out the method according to the preamble of patent claim 7.
Aus der
Aus der
Aus der
Ferner offenbart die
Ein weiteres Schutzelement für eine Laseroptik ist aus der
Schließlich ist aus W. Brunner et al., Lasertechnik: Eine Einführung, 4. Auflage, Heidelberg: Hüthig, 1989, Seite 291 bekannt, einen teildurchlässigen Spiegel in einer Laserbearbeitungsanlage zu verwenden.Finally, from W. Brunner et al., Laser Technology: An Introduction, 4th Edition, Heidelberg: Hüthig, 1989, page 291 known to use a partially transmissive mirror in a laser processing system.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Laserbearbeitungsanlage der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine genauere Beurteilung des Verschmutzungsgrades des Schutzglases möglich ist.The invention has the object of providing a method and a laser processing system of the type mentioned in such a way that a more accurate assessment of the degree of contamination of the protective glass is possible.
Die verfahrensseitige Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Dagegen findet sich die vorrichtungsseitige Lösung der gestellten Aufgabe im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.The method-side solution of the problem is specified in the characterizing part of patent claim 1. In contrast, the device-side solution of the problem is found in the characterizing part of claim 7. Advantageous embodiments of the invention are described in the respective dependent subclaims.
Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die erste Strahlungsdetektoranordnung die der Linsenanordnung zugewandte Fläche des Schutzglases durch die Linsenanordnung hindurch beobachtet.The method according to the invention is characterized in that the first radiation detector arrangement observes the surface of the protective glass facing the lens arrangement through the lens arrangement.
Durch die außerhalb des Laserstrahls bzw. Laserstrahlengangs angeordnete erste Strahlungsdetektoranordnung wird somit eine vom Laserstrahl durchsetzte Fläche des Schutzglases beobachtet, um die Intensität von dort kommender Streustrahlung, die durch Streuung des Laserstrahls an Partikeln hervorgerufen wird, die am Schutzglas haften, zur Erzeugung eines Streustrahlungsmeßwerts zu messen: und es wird dieser Streustrahlungsmeßwert mit einem Referenz-Streustrahlungsmeßwert verglichen, um bei Überschreiten des letzteren ein erstes Fehlersignal zu erzeugen.Thus, a surface of the protective glass penetrated by the laser beam is observed by the first radiation detector arrangement arranged outside the laser beam or laser beam path, in order to obtain the intensity from there Stray radiation caused by scattering of the laser beam on particles adhered to the protective glass to measure a stray radiation reading is compared to a scattered stray reference value to produce a first error signal when the latter is exceeded.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Strahlungsintensität des Laserstrahls gemessen, um deren Einfluß auf den Streustrahlungsmeßwert zu kompensieren. Die Intensität der Laserstrahlung, die durch am Schutzglas haftende Partikel gestreut wird, hängt von der Strahlleistung des verwendeten Lasers ab. Um diesen Einfluß zu eliminieren, wird die Strahlungsintensität des Laserstrahls gemessen, bevor dieser in das Schutzglas eintritt. Die ermittelte Streustrahlungsintensität kann dann zum Beispiel ins Verhältnis zur gemessenen Eingangsstrahlungsintensität des Laserstrahls gesetzt werden, um somit den Streustrahlungsmeßwert unabhängig von der Eingangsstrahlungsintensität des Laserstrahls zu halten. Dadurch läßt sich der Verschmutzungsgrad des Schutzglases noch genauer ermitteln.According to an advantageous embodiment of the invention, the radiation intensity of the laser beam is measured to compensate for their influence on the Streustrahlungsmeßwert. The intensity of the laser radiation, which is scattered by adhering to the protective glass particles, depends on the beam power of the laser used. In order to eliminate this influence, the radiation intensity of the laser beam is measured before it enters the protective glass. The detected scattered radiation intensity can then be set, for example, in relation to the measured input radiation intensity of the laser beam so as to keep the scattered radiation value independent of the input radiation intensity of the laser beam. As a result, the degree of contamination of the protective glass can be determined even more accurately.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt mit jedem neuen in den Laserbearbeitungskopf eingesetzten Schutzglas eine Kalibrierung, um den Einfluß von Strahlung, die bei der Bearbeitung eines Werkstücks mittels des Laserstrahls entsteht und wieder in den Laserbearbeitungskopf eintritt, auf den Streustrahlungsmeßwert zu kompensieren. Die Messung des Verschmutzungsgrades des Schutzglases kann somit auch dann einwandfrei erfolgen, wenn bei unterschiedlichen Bearbeitungsprozessen, etwa beim Laserschweißen, Laserschneiden, usw., unterschiedliche Anteile von Streustrahlung von außen in den Laserbearbeitungskopf zurückgekoppelt werden.According to another advantageous embodiment of the invention, a calibration is performed with each new protective glass used in the laser processing head to compensate for the influence of radiation, which occurs during processing of a workpiece by means of the laser beam and re-enters the laser processing head to the Streustrahlungsmeßwert. The measurement of the degree of contamination of the protective glass can thus also be carried out properly when different parts of scattered radiation are fed back from the outside into the laser processing head in different machining processes, such as laser welding, laser cutting, etc.
Der Streustrahlungsmeßwert sollte in demjenigen Wellenlängenbereich bestimmt werden, in welchem auch die Wellenlänge des Laserstrahls liegt. Häufig kommen Infrarotlaser zum Einsatz, so daß nach einer Ausgestaltung der Erfindung auch wenigstens der Streustrahlungsmeßwert durch Messung von Streustrahlung im infraroten Teil des optischen Spektrums bestimmt werden kann.The scattered radiation value should be determined in that wavelength range in which the wavelength of the laser beam also lies. Frequently, infrared lasers are used, so that according to one embodiment of the invention, at least the scattered radiation value can also be determined by measuring scattered radiation in the infrared part of the optical spectrum.
Es ist bekannt, daß größere am Schutzglas anhaftende Spritzer kaum Streustrahlung generieren und daher häufig nicht erkannt werden. Diese Spritzer absorbieren jedoch Laserstrahlung in stärkerem Umfang, so daß es zu einer thermischen Schädigung des Schutzglases kommen kann, welche unter Umständen den ganzen Laserbearbeitungskopf in Mitleidenschaft zieht. Es ist daher nach einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung möglich, zusätzlich die Temperatur des Schutzglases zu messen und mit einem Referenz-Temperaturwert zu vergleichen, um bei Überschreiten des letzteren ein zweites Fehlersignal zu erzeugen. Damit läßt sich der Verschmutzungsgrad des Schutzglases noch genauer bestimmen.It is known that larger splashes adhering to the protective glass hardly generate stray radiation and therefore are often not recognized. However, these spatters absorb laser radiation to a greater extent, so that there may be thermal damage to the protective glass, which under certain circumstances affects the entire laser processing head. It is therefore possible according to a very advantageous development of the invention, in addition to measure the temperature of the protective glass and to compare with a reference temperature value to generate a second error signal when the latter is exceeded. Thus, the degree of contamination of the protective glass can be determined even more accurately.
In Weiterbildung dieses Gedankens kann die Temperaturdifferenz zwischen Schutzglas und Laserbearbeitungskopf gemessen und zur Erzeugung des zweiten Fehlersignals mit einem Referenz-Temperaturdifferenzwert verglichen werden. Auf diese Weise läßt sich dann der Einfluß der statischen Temperatur des Laserbearbeitungskopfs auf das Meßverfahren eliminieren.In a further development of this idea, the temperature difference between the protective glass and the laser processing head can be measured and compared to generate a second error signal with a reference temperature difference value. In this way, the influence of the static temperature of the laser processing head on the measuring method can then be eliminated.
Eine Laserbearbeitungsanlage besteht wenigstens aus einem Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse, in welchem sich eine Linsenanordnung zur Fokussierung eines Laserstrahls sowie strahlausgangsseitig zur Linsenanordnung ein Schutzglas befinden, und in welchem ferner eine außerhalb des Laserstrahls liegende erste Strahlungsdetektoranordnung vorhanden ist, die zur Streustrahlungs-Intensitätsmessung eine Fläche des Schutzglases beobachtet. Dabei ist die erste Streustrahlungsdetektoranordnung mit wenigstens einem Streustrahlungsdetektor ausgestattet, der erfindungsgemäß in einen Wand-Durchgangskanal des Gehäuses eingesetzt ist, wobei der Wand-Durchgangskanal so angeordnet und geneigt ist, daß der Strahlungsdetektor das Schutzglas durch die Linsenanordnung hindurch beobachtet.A laser processing system consists at least of a laser processing head with a housing in which a lens arrangement for focusing a laser beam and the beam output side to the lens assembly, a protective glass, and in which also a lying outside the laser beam first radiation detector arrangement is present, the scattered radiation intensity measurement of a surface of the Protective glass observed. In this case, the first stray radiation detector arrangement is equipped with at least one stray radiation detector, which is used according to the invention in a wall passageway of the housing, wherein the wall passageway is arranged and inclined so that the radiation detector observes the protective glass through the lens assembly.
Im Gehäuse des Laserbearbeitungskopfs befindet sich nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ein weiterer Strahlungsdetektor zur Messung der Intensität des Laserstrahls. Dabei liegt der weitere Strahlungsdetektor vorzugsweise in einem solchen Bereich, in den keine Streustrahlung gelangt. Zur Messung der Intensität des einfallenden Laserstrahls befindet sich eine Strahlumlenkeinrichtung im Laserstrahl, etwa ein teildurchlässiger Spiegel, um einen Teil des Laserstrahls auf den weiteren Strahlungsdetektor zu lenken. Dadurch läßt sich in einfacher Weise der Referenz-Streustrahlungswert erhalten.In the housing of the laser processing head is located according to an advantageous embodiment of the invention, a further radiation detector for measuring the intensity of the laser beam. In this case, the further radiation detector is preferably located in such a region in which no stray radiation passes. For measuring the intensity of the incident laser beam is a Strahlumlenkeinrichtung in the laser beam, such as a partially transparent mirror to direct a portion of the laser beam to the other radiation detector. As a result, the reference scattered radiation value can be obtained in a simple manner.
In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist im Gehäuse ein gegenüber diesem thermisch isolierter Temperaturdetektor zur Messung der Temperatur des Schutzglases vorhanden. Er kann beispielsweise direkt mit dem Schutzglas federnd in Kontakt stehen, etwa mit einer umfangsseitigen Stirnkante des Schutzglases. Ein weiterer Temperaturdetektor, der etwa in eine gehäuseseitige Ausnehmung eingesetzt ist, kann zur Messung der Gehäusetemperatur dienen. Der Temperaturdetektor und der weitere Temperaturdetektor sollten möglichst nahe beieinander liegen, um möglichst exakt den Einfluß der statischen Temperatur des Laserbearbeitungskopfs auf die Temperatur des Schutzglases erfassen zu können.In yet a further embodiment of the invention, a thermally insulated temperature detector for measuring the temperature of the protective glass is present in the housing. For example, it can be directly in spring contact with the protective glass, for example with a peripheral end edge of the protective glass. Another temperature detector, which is used approximately in a housing-side recess, can be used to measure the housing temperature. The temperature detector and the further temperature detector should be as close to each other as possible to exactly the influence of the static temperature of the laser processing head on to detect the temperature of the protective glass.
Zur Laserbearbeitungsanlage gehört eine Auswerteschaltung zur Verarbeitung der von den Detektoren gelieferten Ausgangssignale. Diese Auswerteschaltung kann direkt am Laserbearbeitungskopf befestigt oder in ihm vorhanden sein, kann aber auch über Leitungsverbindungen mit dem Laserbearbeitungskopf gekoppelt und somit getrennt von ihm angeordnet sein.The laser processing system includes an evaluation circuit for processing the output signals supplied by the detectors. This evaluation circuit can be attached directly to the laser processing head or be present in it, but can also be coupled via line connections to the laser processing head and thus arranged separately from it.
Die Auswerteschaltung enthält vorzugsweise einen Dividierer zur Bildung des Verhältnisses zwischen dem durch den Strahlungsdetektor gemessenen Streustrahlungsmeßwert und der durch den weiteren Strahlungsdetektor gemessenen Intensität des Laserstrahls. Somit ist es möglich, am Ausgang des Dividierers einen Streustrahlungsmeßwert zu erhalten, der praktisch unabhängig von Schwankungen der Intensität des Laserstrahls ist.The evaluation circuit preferably contains a divider for forming the ratio between the scattered radiation measured by the radiation detector and the intensity of the laser beam measured by the further radiation detector. Thus, it is possible to obtain a scattered radiation value at the output of the divider which is practically independent of variations in the intensity of the laser beam.
Dabei ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Ausgang des Dividierers mit einem Eingang eines Komparators verbunden, dessen anderer Eingang mit einem Schwellwertgeber verbunden ist. Überschreitet der Streustrahlungsmeßwert somit den Schwellwert, kann ein erstes Fehlersignal erzeugt werden, das zur Stillsetzung der Laserbearbeitungsanlage bzw. zur Ausschaltung des Lasers benutzt werden kann. Das erste Fehlersignal zeigt dann an, daß der Verschmutzungsgrad des Schutzglases einen vorbestimmten Wert überschritten hat und das Glas ausgetauscht werden muß.In this case, in a further embodiment of the invention, the output of the divider is connected to an input of a comparator whose other input is connected to a threshold value transmitter. If the scattered radiation value thus exceeds the threshold value, a first error signal can be generated which can be used for stopping the laser processing system or for switching off the laser. The first error signal then indicates that the degree of contamination of the protective glass has exceeded a predetermined value and the glass must be replaced.
In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Ausgang des Dividierers mit einem Eingang eines Komparators sowie mit einem Eingang eines Kalibrierspeichers verbunden sein, dessen Speicherausgang über einen Skalierungsfaktorgeber mit dem anderen Eingang des Komparators verbunden ist. Unter Verwendung dieser Schaltung kann ein Kalibrierungsprozeß bei durchgeführter Laserbearbeitung erfolgen, um jetzt auch den Einfluß der beim Bearbeitungsprozeß erzeugten und in den Laserbearbeitungskopf zurückgekoppelten Streustrahlung zu erfassen und um diesen Einfluß auf den Streustrahlungsmeßwert zu eliminieren. Erst wenn der bei der Bearbeitung des Werkstücks gemessene Streustrahlungsmeßwert einen durch einen Skalierungsfaktor bestimmten Referenzwert überschreitet, erfolgt die Ausgabe des ersten Fehlersignals, um dann weitere Schritte durchzuführen, etwa die Stillsetzung der Anlage zu veranlassen, etc..In yet a further embodiment of the invention, the output of the divider can be connected to an input of a comparator and to an input of a calibration memory whose memory output is connected via a scaling factor encoder to the other input of the comparator. Using this circuit, a calibration process can be performed with laser processing performed to now also detect the influence of the generated during the machining process and fed back into the laser processing head scattered radiation and to eliminate this influence on the scattered radiation. Only when the scattered radiation measured value during machining of the workpiece exceeds a reference value determined by a scaling factor is the output of the first error signal taken, in order then to carry out further steps, for example to cause the plant to be shut down, etc.
Die Auswerteschaltung kann auch einen weiteren Komparator aufweisen, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Temperaturdetektors und dessen anderer Eingang mit einem Referenz-Temperaturwertgeber verbunden sind. Übersteigt daher die Temperatur des Schutzglases die Referenz-Temperatur, so kann ein zweites Fehlersignal erzeugt werden, das ebenfalls zur Stillsetzung der Laserbearbeitungsanlage bzw. zum Ausschaltung des Laserstrahls herangezogen werden kann.The evaluation circuit may also have a further comparator whose one input to the output of the temperature detector and the other input are connected to a reference temperature value transmitter. Therefore, if the temperature of the protective glass exceeds the reference temperature, then a second error signal can be generated, which can also be used to shut down the laser processing system or to eliminate the laser beam.
Auch ist es möglich, in der Auswerteschaltung ein Substrahierglied vorzusehen, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Temperaturdetektors und dessen Subtraktionseingang mit dem Ausgang des weiteren Temperaturdetektors verbunden sind, wobei ein Komparator vorhanden ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Subtrahierglieds und dessen anderer Eingang mit einem Referenz-Temperaturdifferenzwertgeber verbunden sind. Dadurch läßt sich bei der Erzeugung des zweiten Fehlersignals der Einfluß der statischen Temperatur des Laserbearbeitungskopfs, vorzugsweise in der Nähe des Schutzglases, auf den Temperaturmeßwert des Schutzglases eliminieren.It is also possible to provide a Substrahierglied in the evaluation, one input to the output of the temperature detector and its subtraction input to the output of the other temperature detector are connected, wherein a comparator is present, whose one input to the output of the subtractor and the other input are connected to a reference temperature difference value transmitter. As a result, when the second error signal is generated, the influence of the static temperature of the laser processing head, preferably in the vicinity of the protective glass, on the temperature measurement value of the protective glass can be eliminated.
Möglich ist die ODER-Verknüpfung von erstem und zweitem Fehlersignal, um bei Vorliegen eines dieser Fehlersignale schon weitere Schritte bzw. Sicherheitsmaßnahmen zu treffen.It is possible to OR the first and second error signal in order to take further steps or safety measures in the presence of one of these error signals.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings in detail. Show it:
Eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsanlage nach
Der Laserbearbeitungskopf
Um zu verhindern, daß bei der Bearbeitung des Werkstücks
Diese Streustrahlung ist in
Zur Messung der Streustrahlung
Dem Streustrahlungsdetektor
Um den Verschmutzungsgrad des Schutzglases
Um den Einfluß der statischen Temperatur des Laserbearbeitungskopfs
Die Auswerteschaltung
Der Aufbau der Auswerteschaltung
Einen ersten möglichen Aufbau der Auswerteschaltung
Eine weitere Möglichkeit der Ausbildung der Auswerteschaltung
Die Schaltungsanordnung nach
Zu diesem Zweck ist der Ausgang
Die Kalibrierung erfolgt im einzelnen so, daß bei neueingesetztem Schutzglas
Beim späteren Betrieb der Laserbearbeitungsanlage dient der auf diese Weise gespeicherte und mit dem Skalierungsfaktor multiplizierte Meßwert auf der Leitung
Ergänzend zu einer der obigen Schaltungen nach den
Statt der Schaltung nach
Der Meßwert des Temperaturdetektors
Mittels eines in
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