DE102011114108B4 - Laser processing optics with protective device for material processing with class 4 lasers under direct three-dimensional (stereoscopic) process observation - Google Patents
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Abstract
Laserbearbeitungsoptik mit Schutzvorrichtung zur Materialbearbeitung mit Lasern der Klasse 4 unter direkter dreidimensionaler (stereoskopischen) Prozessbeobachtung,
- wobei die Schutzeinrichtung aus einem Helm (1) und einem klappbaren Visier (2) mit zwei integrierten Monitoren (4,5) besteht, und
- wobei die Laserbearbeitungsoptik über zwei getrennte Kameras (7,8) verfügt und diese Bildinformation an die zwei Monitore (4,5) der Schutzvorrichtung übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsoptik den Laser über einen Achromaten (18) fokussiert, der gleichzeitig den Bearbeitungsprozess auf die zwei Kameras (7,8) der Laserbearbeitungsoptik abbildet.
Laser processing optics with protective device for material processing with class 4 lasers under direct three-dimensional (stereoscopic) process observation,
- the protective device consists of a helmet (1) and a folding visor (2) with two integrated monitors (4,5), and
- wherein the laser processing optics has two separate cameras (7,8) and this image information is transmitted to the two monitors (4,5) of the protective device, characterized in that the laser processing optics focuses the laser via an achromat (18) which simultaneously images the processing process onto the two cameras (7,8) of the laser processing optics.
Description
Stand der Technik:State of the art:
Der Einsatz von Lasern der Klasse 4 in der Materialbearbeitung erfordert fortgeschrittene Schutzmaßnahmen und Prozessbeobachtungstechniken. Traditionelle Methoden, wie Laserschutzbrillen und -bereiche, sind bei höheren Laserleistungen nicht ausreichend, insbesondere bei der Bearbeitung großer Teile oder in schwer zugänglichen Bereichen. Quelle 1 (
Quelle 2 (
Die Notwendigkeit des Einsatzes von Lasern der Klasse 4 (offene Hochleistungslaser) unter direkter Prozessbeobachtung ist im Laufe der Zeit stetig gestiegen. Durch die kontinuierliche Steigerung der Laserleistung sind auch die Anforderungen an die entsprechenden Schutzmaßnahmen gestiegen. Bedingt durch die Größe der Teile, Bearbeitungsort oder schwierige Zugänglichkeit und die Notwendigkeit der direkten Prozessbeobachtung ist der Anwender gezwungen sich im unmittelbaren Laserbereich aufzuhalten. Konnte man bei moderaten Laserleistungen die Schutzmaßnahmen gegen Laserstrahlung mit einer Laserschutzbrille und der Errichtung eines Laserschutzbereiches gewährleisten, muss man sich bei höheren Leistungen auch mit der Problematik der Sekundärstrahlung auseinandersetzen. Den Schutz des Körpers und der Hände kann man durch entsprechende Kleidung und Handschuhe sicherstellen. Problematisch bleibt der Gesichts und Halsbereich der durch die klassischen Maßnahmen (Laserschutzbrille) nicht ausreichend geschützt wird. Denkt man hier an Maßnahmen wie im klassischen Schweißen (Schutzmaske) wird die Prozessbeobachtung im Laserschweißen äußerst schwierig und eine Vergrößerung der Prozessdarstellung nicht mehr möglich.The need to use Class 4 lasers (open high-power lasers) with direct process observation has steadily increased over time. Due to the continuous increase in laser power, the requirements for the corresponding protective measures have also increased. Due to the size of the parts, processing location or difficult accessibility and the need for direct process observation, the user is forced to stay in the immediate laser area. While protective measures against laser radiation could be ensured with laser safety goggles and the establishment of a laser protection area at moderate laser powers, the problem of secondary radiation must also be dealt with at higher powers. The protection of the body and hands can be ensured by appropriate clothing and gloves. The face and neck area remains problematic, as it is not adequately protected by the classic measures (laser safety goggles). If one thinks of measures such as in classic welding (protective mask), process observation in laser welding becomes extremely difficult and enlarging the process representation is no longer possible.
Im Vergleich zum Stand der Technik bietet unsere Lösung einen umfassenderen Schutz und eine verbesserte Prozessbeobachtung. Die Integration von Schutzhelm und Visier mit Monitoren ermöglicht eine sichere und effektive Prozessbeobachtung mit Vergrößerungsfaktor, was den Einsatzbereich von Lasern der Klasse 4 erheblich erweitert.Compared to the state of the art, our solution offers more comprehensive protection and improved process observation. The integration of protective helmet and visor with monitors enables safe and effective process observation with magnification factor, which significantly expands the application area of Class 4 lasers.
Die Lösung dieser Problematik (Prozessbeobachtung und Laserschutz) findet sich in der Laserbearbeitungsoptik mit Schutzvorrichtung die im Folgenden beschrieben wird:
- Der Schutz vor Laserstrahlung und Sekundärstrahlung wird durch einen Helm (1) mit aufklappbarem Visier (2) aus einem Kunststoff der die Laserstrahlung und Sekundärstrahlung komplett absorbiert, gewährleistet. Zwei Sicherheitsschalter (3) gewährleisten die Freigabe des Lasers nur bei geschlossenem Visier.
- Die Prozessbeobachtung erfolgt über zwei Monitore (4) und (5) die in dem Visier montiert sind. Die Monitore erhalten die Bildinformation separat über die Anschlüsse (6) von zwei getrennten Kameras der Laserbearbeitungsoptik (7) und (8) so dass ein dreidimensionales (stereoskopisches) Bild entsteht. Die Vergrößerung der Prozessdarstellung wird über die Optik der Kameras und der Laserbearbeitungsoptik definiert.
- Protection from laser radiation and secondary radiation is ensured by a helmet (1) with a hinged visor (2) made of a plastic that completely absorbs the laser radiation and secondary radiation. Two safety switches (3) ensure that the laser is only released when the visor is closed.
- The process is observed via two monitors (4) and (5) that are mounted in the visor. The monitors receive the image information separately via the connections (6) from two separate cameras of the laser processing optics (7) and (8) so that a three-dimensional (stereoscopic) image is created. The magnification of the process representation is defined by the optics of the cameras and the laser processing optics.
Um den Bearbeitungsprozess mit Kameras direkt beobachten zu können sind noch ein paar technische Maßnahmen notwendig die in Figure 3 ersichtlich sind. Der Laserstrahl (10) eingekoppelt über die Apperture (13) wird über eine Optik (19) und (20) variabel aufgeweitet über den dichroitischen Spiegel (17) umgelenkt und anschließend über den Achromaten (18) fokussiert. Die Kameras (7) und (8) werden über den Filter (15) vor unsichtbarer Strahlung geschützt. Bei gepulsten Lasern wird der LCD Shutter (16) während des Laserpulses geschlossen um das Plasma der Laserbearbeitung auszublenden. Da die Laserpulse in der Materialbearbeitung meistens sehr kurz sind (bis 20ms), ist das Ausblenden in dieser Größenordnung im Bild nicht wahrnehmbar. Laser Bearbeitungen die zu keiner Plasmaentwicklung führen, (Laserhärten) können auch in einem kontinuierlichen (CW) Betrieb beobachtet werden. Die Strahlengänge der Kameras (7) und (8) werden über den Achromaten (18) fokussiert und definieren die Schärfenebene. In dieser Ebene wird das zu bearbeitende Material über die Monitore (4) und (5) scharf gesehen und dadurch auch die Position der Laserbearbeitungsoptik definiert. Wird über die variable Aufweitung (19) und (20) mittels der Verstellung (9) der Laserstrahl im Durchmesser verändert, bildet sich diese Veränderung in der Schärfenebene ab, so dass der Bearbeitungsprozess mit unterschiedlichem Strahldurchmesser ermöglicht werden kann.In order to be able to observe the processing directly with cameras, a few technical measures are necessary, which can be seen in Figure 3. The laser beam (10) coupled in via the aperture (13) is variably expanded via an optic (19) and (20), deflected via the dichroic mirror (17) and then focused via the achromatic lens (18). The cameras (7) and (8) are protected from invisible radiation by the filter (15). With pulsed lasers, the LCD shutter (16) is closed during the laser pulse to block out the plasma from the laser processing. Since the laser pulses in material processing are usually very short (up to 20ms), blocking out on this scale is not noticeable in the image. Laser processing that does not lead to plasma development (laser hardening) can also be observed in continuous (CW) operation. The beam paths of the cameras (7) and (8) are focused via the achromatic lens (18) and define the plane of focus. In this plane, the material to be processed is seen clearly via the monitors (4) and (5), and the position of the laser processing optics is thereby defined. If the diameter of the laser beam is changed via the variable expansion (19) and (20) using the adjustment (9), this change is reflected in the plane of focus, so that the processing can be carried out with different beam diameters.
Diese Kombination der Laserbearbeitungsoptik mit zwei Kameras und des Schutzhelmes mit Visier mit zwei Monitoren ermöglicht die direkte und dreidimensionale Prozessbeobachtung mit entsprechendem Vergrößerungsfaktor unter Gewährleistung des Schutzes vor Laser und Sekundärstrahlung.This combination of the laser processing optics with two cameras and the protective helmet with visor with two monitors enables direct and three-dimensional process observation with the appropriate magnification factor while ensuring protection from laser and secondary radiation.
Die Laseroptik kann je nach Anwendung manuell oder mechanisch durch Roboter oder andere Bewegungssysteme (motorisch angetriebene Achsen) bewegt werden. Der Bearbeitungsprozess kann über die oben beschriebene Schutzvorrichtung beobachtet werden und der Anwender hat somit die Möglichkeit direkt in den Bearbeitungsprozess einzugreifen.Depending on the application, the laser optics can be moved manually or mechanically by robots or other motion systems (motor-driven axes). The machining process can be observed via the protective device described above, giving the user the opportunity to intervene directly in the machining process.
Durch diese Lösung kann der Einsatzbereich der Laser der Klasse 4 unter direkter stereoskopischer Prozessbeobachtung entscheidend erweitert werden, da die Arbeitssicherheit und der Laserschutz auch bei höheren Leistungen gewährleistet werden kann.This solution allows the application area of Class 4 lasers to be significantly expanded under direct stereoscopic process observation, as occupational safety and laser protection can be guaranteed even at higher power levels.
Ein praktisches Ausführungsbeispiel ist in Figure 1 und Figure 2 dargestellt.A practical example is shown in Figure 1 and Figure 2.
Typische Anwendungen mit Lasern der Klasse 4 unter direkter Prozessbeobachtung (Mikroskop) findet man im Laserreparaturschweißen, Laserauftragsschweißen, Laserhärten Sensorfertigung, im Laborbetrieb, beim Einrichten von Laseranlagen usw.Typical applications with Class 4 lasers under direct process observation (microscope) can be found in laser repair welding, laser cladding, laser hardening, sensor manufacturing, in laboratory operations, when setting up laser systems, etc.
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