DE10113518B4

DE10113518B4 - Verfahren zur Messung des Verschmutzungsgrades eines Schutzglases eines Laserbearbeitungskopfs sowie Laserbearbeitungsanlage zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10113518B4
Application number: DE10113518.1A
Authority: DE
Inventors: Georg Spörl; Ludwig Weber
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2001-03-20
Filing date: 2001-03-20
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: DE10113518A1; JP2002361452A

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.

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.
Aus der DE 94 03 822 U1 sind bereits ein Verfahren und eine Laserbearbeitungsanlage der gattungsgemäßen Art bekannt. Dort erzeugt ein Laser einen Laserstrahl, der über eine Fokussierungsoptik in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt und über diesen übertragen wird. Ausgangsseitig wird der Laserstrahl durch eine weitere Linsenoptik kollimiert und mittels einer Fokussierlinse auf ein Werkstück fokussiert. Zwischen der Fokussierlinse und dem Werkstück ist ein Schutzglas angeordnet. Dieses Schutzglas schützt die Fokussierlinse vor Verschmutzungen bei der Bearbeitung des Werkstücks, die durch Materialdampf und Materialspritzer entstehen können. Zur Messung des Verschmutzungsgrades wird die Streustrahlung des Schutzglases gemessen. Hierzu ist ein Detektor vorhanden, der ein entsprechendes Signal an eine Meßeinrichtung abgibt. Der Detektor liegt direkt an der Außenfläche des Schutzglases an, beispielsweise an einer Schliff-Fläche des Schutzglases, dessen Dicke einige Millimeter beträgt.
Aus der JP H11-86 296 A ist ein Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse bekannt, an dem strahlausgangsseitig eine Linsenoptik mit Schutzglasplatte angeordnet ist. Ein Strahlungsdetektor zur Messung von Streustrahlung liegt der Strahleintrittsfläche der Schutzglasplatte im Abstand gegenüber. Er befindet sich seitlich neben der Linsenanordnung. Der Strahlungsdetektor mißt aus der Schutzglasplatte austretende Streustrahlung, die sich zunächst in der Plattenebene durch Totalreflexion ausgebreitet hat.
Aus der DE 299 03 385 U1 ist eine Anordnung zur Überwachung des Verschmutzungsgrades eines Schutzglases einer Schweißoptik bekannt. Von Zeit zu Zeit werden die Schutzgläser ausgetauscht. Um den Verschmutzungsgrad zu ermitteln, wird seitlich am Schutzglas ein Sensor angeordnet, der für die Laserstrahlung selbst unempfindlich ist und eine Empfindlichkeit für die von den Schmutzpartikeln ausgesandte Infrarot-Wärmestrahlung aufweist. Der Infrarotsensor kann eine in dem genannten Spektralbereich empfindliche Temperaturfühleranordnung sein. Auch kann der Einfluß von Strahlung, die bei der Bearbeitung eines Werkstücks mittels des Laserstrahls entsteht und wieder in den Laserbearbeitungskopf eintritt, auf den Streustrahlungsmeßwert eliminiert werden.
Ferner offenbart die DE 200 14 423 U1 einen handgeführten Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser, dessen Linsenoptik durch ein Schutzglas geschützt wird. Das Schutzglas ist in einem schubladenartigen Träger angeordnet, und es wird hinsichtlich Temperatur und Verschmutzungsgrad überwacht. Die Überwachung erfolgt auf der Basis einer Temperaturmessung des Schutzglases mittels Thermoelement. Das Thermoelement befindet sich am Rand des schubladenförmigen Trägers.
Ein weiteres Schutzelement für eine Laseroptik ist aus der DE 198 39 930 C1 bekannt. Beschrieben wird ein Schutzelement für eine Laseroptik. Beim Schutzelement handelt es sich um eine Schutzglasscheibe. Zusätzliches Licht wird in eine seitliche Fläche der Schutzglasscheibe eingekoppelt. Dieses durchquert das Material der Schutzglasscheibe und tritt dann über die seitliche Fläche wieder aus, wo es von einem Lichtdetektor erfaßt wird. Risse und Brüche des Schutzglaselements werden somit durch eine Veränderung des in der Lichtdetektor empfangenen Lichts erkannt. Oberhalb einer Linse befinden sich mehrere Strahlungs-Temperatursensoren, welche jeweils bestimmte Bereiche des Schutzglases sehen, also die von diesen Bereichen ausgehende Wärmestrahlung erfassen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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 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..
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.
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.
Möglich ist die ODER-Verknüpfung von erstem und zweitem Fehlersignal, um bei Vorliegen eines dieser Fehlersignale schon weitere Schritte bzw. Sicherheitsmaßnahmen zu treffen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Laserbearbeitungskopf nach der Erfindung mit angeschlossener Auswerteschaltung;
2 einen ersten Schaltungsaufbau der Auswerteschaltung;
3 einen zweiten Aufbau der Auswerteschaltung;
4 einen dritten Aufbau der Auswerteschaltung;
5 einen vierten Aufbau der Auswerteschaltung; und
6 eine weitere Schaltungseinzelheit der Auswerteschaltung in 1.
Eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsanlage nach 1 weist einen Laserbearbeitungskopf 1 auf, der mit einer Auswerteschaltung 2 verbunden ist, die ihrerseits wiederum in Verbindung mit einer Maschinensteuerung 3 steht, welche u. a. die Bewegung des Laserbearbeitungskopfs 1 relativ zu einem Werkstück 4 steuert, einen nicht dargestellten Laser zur Erzeugung eines den Laserbearbeitungskopf 1 durchlaufenden Laserstrahls 5 ein- und ausschaltet, und dergleichen.
Der Laserbearbeitungskopf 1 besteht aus einem Gehäuse 6, das hohlzylindrisch ausgebildet ist und an seinem zum Werkstück 4 liegenden Ende einen düsenförmigen Verlauf aufweist. Innerhalb des Gehäuses 6 befindet sich eine Linsenanordnung 7 zur Fokussierung des Laserstrahls 5, der das Gehäuse 6 in dessen Längsrichtung zentral durchsetzt. Die Linsenanordnung 7 kann zum Beispiel aus einer oder mehreren Linsen mit insgesamt fokussierender Eigenschaft bestehen. Ein Brennpunkt 8 des Laserstrahls 5 kommt im Bereich der Oberfläche des Werkstücks 4 zu liegen, um letzteres zu bearbeiten.
Um zu verhindern, daß bei der Bearbeitung des Werkstücks 4 mit Hilfe des Laserstrahls 5 entstehende Partikel oder Materialspritzer ins Innere des Gehäuses 6 des Laserbearbeitungskopfs 1 gelangen, ist der Laserbearbeitungskopf 1 strahlausgangsseitig mit einem Schutzglas 9 versehen. Dieses Schutzglas 9 verschließt die Strahlaustrittsseite des Laserbearbeitungskopfs 1 und befindet sich in dessen düsenförmigem Bereich. Das Schutzglas 9 ist vorzugsweise als planparallele Platte ausgebildet, die senkrecht zur Zentralachse 10 des Laserstrahls 5 zu liegen kommt. Das Material des Schutzglases 9 ist so gewählt, daß der Laserstrahl 5 im wesentlichen ohne Verluste durch das Schutzglas 9 hindurchtreten kann. Bei der Bearbeitung des Werkstücks 4 mit Hilfe des Laserstrahls 5 entstehende Schmutzpartikel bzw. Materialspritzer können sich dann nur noch an der strahlausgangsseitigen Fläche des Schutzglases 9 ablagern und sind dort mit den Bezugszeichen 11 versehen. Durchsetzt der Laserstrahl 5 die Glasplatte 9, so wird ein Teil der Laserstrahlung an den Partikeln 11 gestreut und zurück ins Innere des Laserbearbeitungskopfs 5 gelenkt.
Diese Streustrahlung ist in 1 mit dem Bezugszeichen 12 versehen.
Zur Messung der Streustrahlung 12 ist ein Streustrahlungsdetekor 13 vorgesehen. Dieser Streustrahlungsdetektor 13 ist empfindlich im Wellenlängenbereich des Laserstrahls 5 und ist in eine Öffnung 14 eingesetzt, die sich in einer Wand des Gehäuses 6 befindet. Die Öffnung 14 wird durch einen Durchgangskanal gebildet, der in 1 oberhalb der Linsenanordnung 7 liegt, also auf derjenigen Seite der Linsenanordnung 7, die von der Glasplatte 9 weg weist. Die Neigung des Durchgangskanals 14 ist dabei so gewählt, daß der Strahlungsdetektor 13 die gesamte Glasplatte 9 oder einen Teil davon beobachten kann, und zwar durch die Linsenanordnung 7 hindurch. Über eine Leitungsverbindung 15 steht der Streustrahlungsdetektor 13 in elektrischer Verbindung mit der Auswerteschaltung 2.
Dem Streustrahlungsdetektor 13 radial gegenüberliegend befindet sich ein weiterer Strahlungsdetektor 16, der zur Messung der Intensität des Laserstrahls 5 dient. Dieser weitere Strahlungsdetektor 16 befindet sich in einer radialen Durchgangsöffnung 17 der Wand des Gehäuses 6. Um durch diesen weiteren Strahlungsdetektor 16 die Intensität des Laserstrahls 5 messen zu können, befindet sich im Strahlengang des Laserstrahls 5 ein teildurchlässiger Spiegel 18, der etwa unter 45° zur Zentralachse 10 des Laserstrahls 5 geneigt ist. Durch diesen teildurchlässigen Spiegel 18 wird ein geringer Teil der Intensität des Laserstrahls 5 auf den weiteren Strahlungsdetektor 16 umgelenkt. Die umgelenkte Strahlung ist in 1 mit dem Bezugszeichen 19 versehen. Der teildurchlässige Spiegel 18 selbst ist wiederum als planparallele Platte ausgebildet. Der größte Teil der Laserstrahlung geht durch ihn hindurch. Der weitere Detektor 16 und der teildurchlässige Spiegel 18 liegen also ebenfalls an derjenigen Seite der Linsenanordnung 7, die vom Schutzglas 9 weg weist. Darüber hinaus ist der weitere Detektor 16 über eine Leitungsverbindung 20 mit der Auswerteschaltung 2 verbunden.
Um den Verschmutzungsgrad des Schutzglases 9 durch größere Spritzer erfassen zu können, die weniger Streustrahlung verursachen, steht das Schutzglas 9 in einem Temperaturdetektor 21 in Verbindung. Dieser Temperaturdetektor 21 ist in einen radialen Kanal 22 eingesetzt, der sich in der Wand des Gehäuses 6 befindet. Dieser radiale Kanal 22 liegt dem Umfangsrand des Schutzglases 9 gegenüber, so daß der Temperaturdetektor 21 in federndem Kontakt mit dem Rand des Schutzglases 9 gehalten werden kann. Dabei ist der Temperaturdetektor 21 gegenüber anderen Bereichen des Laserbearbeitungskopfs 1 thermisch isoliert. Der Temperaturdetektor 21 steht über eine Leitungsverbindung 23 in elektrischer Verbindung mit der Auswerteschaltung 2. Durch ihn wird die Temperatur des Schutzglases 9 gemessen. Größere Partikel bzw. Spritzer, die keine Streustrahlung oder kaum Streustrahlung generieren, absorbieren relativ viel Laserleistung, wodurch es zu einer thermischen Schädigung des Schutzglases 9 kommen kann. Zur Beurteilung des Verschmutzungsgrades des Schutzglases 9 ist daher auch die Temperatur des Schutzglases 9 von Interesse und kann daher zusätzlich gemessen werden.
Um den Einfluß der statischen Temperatur des Laserbearbeitungskopfs 1 auf die Temperatur des Schutzglases 9 zu eliminieren, wird auch die Temperatur des Laserbearbeitungskopfs 1 gemessen, und zwar durch einen weiteren Temperaturdetektor 24, der bevorzugt in der Nähe des Schutzglases 9 angeordnet ist. Dieser weitere Temperaturdetektor 24 befindet sich in einer Sacklochbohrung 25 des Gehäuses 6 kurz oberhalb des Temperaturdetektors 21 in 1. Er steht in thermisch leitendem Kontakt mit dem Gehäuse 6 und ist über eine elektrische Leitungsverbindung 26 mit der Auswerteschaltung 2 verbunden.
Die Auswerteschaltung 2 steht über eine elektrische Leitungsverbindung 27 mit der Maschinensteuerung 3 in Kommunikationsverbindung. Anhand der Ausgangssignale einer Gruppe der genannten Detektoren 13, 16, 21 und 24 oder anhand der Ausgangssignale aller dieser Detektoren 13, 16, 21 und 24 entscheidet die Auswerteschaltung 2, ob der Verschmutzungsgrad des Schutzglases 9 infolge der Ablagerung der Partikel 11 bereits einen vorgegebenen Schwellenwert überschritten hat oder nicht. Hat er diesen vorgegebenen Schwellenwert überschritten, so erzeugt die Auswerteschaltung 2 ein Alarmsignal, das über die Leitungsverbindung 27 zur Maschinensteuerung 3 übertragen wird, um letztere zu veranlassen, den Laserbearbeitungskopf 1 entweder sofort oder bei nächster Gelegenheit zu stoppen und den Laserstrahl 5 auszuschalten. In diesem Fall muß das Schutzglas 9 gewechselt werden.
Der Aufbau der Auswerteschaltung 2 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 bis 6 näher erläutert.
Einen ersten möglichen Aufbau der Auswerteschaltung 2 zeigt die 2. Hier ist ein Dividierer 28 vorhanden, der an seinem einen Eingang mit der Leitung 15 vom Streustrahlungsdetektor 13 und an seinem anderen Eingang mit der Leitung 20 vom Strahlungsdetektor 16 verbunden ist. Der über die Leitung 15 erhaltene Streustrahlungsmeßwert wird somit durch den Dividierer 28 ins Verhältnis zur Strahlungsintensität gesetzt, die durch den Strahlungsdetektor 16 gemessen worden ist. Damit ist der Streustrahlungsmeßwert am Ausgang 29 des Dividierers 28 unabhängig von der Strahlungsintensität des Laserstrahls 5. Dieser so korrigierte Streustrahlungsmeßwert am Ausgang 29 wird über eine Leitung 30 einem Eingang eines Komparators 31 zugeführt. Der andere Eingang des Komparators 31 empfängt über eine Leitung 32 den Referenz-Streustrahlungsmeßwert. Dieser wird durch einen Referenzwertgeber 33 zur Verfügung gestellt, der zum Beispiel in Form eines Potentiometers ausgebildet ist. Der Abgriff des Potentiometers ist mit der Leitung 32 verbunden. An einem Ausgang 34 des Komparators 31 erscheint somit ein erstes Fehlersignal, wenn der auf die Laserleistung normierte Streustrahlungsmeßwert den Referenz-Streustrahlungsmeßwert überschreitet.
Eine weitere Möglichkeit der Ausbildung der Auswerteschaltung 2 ist in 3 gezeigt. Gleiche Elemente wie in 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben.
Die Schaltungsanordnung nach 3 dient dazu, den Einfluß von Streustrahlung bei der Beurteilung des Verschmutzungsgrades des Schutzglases 9 zu eliminieren, die bei Durchführung der Laserbearbeitung von außen wieder zurück in den Laserbearbeitungskopf eingestrahlt wird.
Zu diesem Zweck ist der Ausgang 29 des Dividierers 28 mit einem Dateneingang eines Speichers 35 verbunden. Ein Steuereingang des Speichers 35 ist über einen in der Regel offenen Schalter 36 mit Referenzpotential verbunden, etwa Erdpotential. Ein Datenausgang des Speichers 35 ist zu einer Multiplizierstufe 37 geführt, deren Ausgang über die Leitung 32 mit dem anderen Eingang des Komparators 31 in Verbindung steht. Über einen regelbaren Widerstand 38 parallel zur Multiplizierstufe 37 kann ein Skalierungsfaktor eingestellt werden, mit dem in der Multiplizierstufe 37 der vom Speicher 35 erhaltene Meßwert multipliziert wird, der dann als Referenzwert zum Komparator 31 gelangt. Übersteigt der Streustrahlungsmeßwert auf der Leitung 30 den Referenzwert auf der Leitung 32, erscheint am Ausgang 34 des Komparators 31 das erste Fehlersignal.
Die Kalibrierung erfolgt im einzelnen so, daß bei neueingesetztem Schutzglas 9 die Laserbearbeitungsanlage in Betrieb genommen wird und eine Bearbeitung des Werkstücks 4 mit Hilfe des Laserstrahls 5 erfolgt. Dabei mißt der Strahlungsdetektor 16 die Intensität des Laserstrahls 5, und der Strahlungsdetektor 13 die Streustrahlung, die jetzt im wesentlichen vom Werkstück 4 kommt, da am neueingesetzten Schutzglas 9 noch keine Schmutzpartikel haften. Der hinsichtlich der Intensität des Laserstrahls 5 korrigierte Streustrahlungsmeßwert vom Dividierer 28 wird im Speicher 35 gespeichert, wozu der Schalter 36 kurz geschlossen wird. Durch den Widerstand 38 wird oder wurde bereits ein Skalierungsfaktor vorgegeben, mit dem der gespeicherte Meßwert zu multiplizieren ist.
Beim späteren Betrieb der Laserbearbeitungsanlage dient der auf diese Weise gespeicherte und mit dem Skalierungsfaktor multiplizierte Meßwert auf der Leitung 32, der konstant bleibt, als Referenz. Erst wenn sich im Laufe der Zeit der Streustrahlungsmeßwert auf der Leitung 30 so weit erhöht hat, daß die Referenz überschritten wird, wird das erste Fehlersignal am Ausgang 34 generiert. Dabei ist klar, daß der Bearbeitungsprozeß bei der Aufnahme des Referenzwertes und bei der späteren Bearbeitung des Werkstücks 4 derselbe sein muß. Es muß sich also jeweils um einen Schweißvorgang, einen Schneidvorgang, usw., handeln. Für diese verschiedenen Bearbeitungsprozesse können unterschiedliche Meßwerte im Speicher 35 abgelegt werden, die dann je nach späterem Bearbeitungsprozeß entsprechend aufgerufen werden, um als Referenz zur Verfügung zu stehen.
Ergänzend zu einer der obigen Schaltungen nach den 2 und 3 kann eine Schaltungsanordnung nach 4 in der Auswerteschaltung 2 vorhanden sein. Der Meßwert vom Temperaturdetektor 21 wird über die Leitung 23 zu einem Eingang eines Komparators 39 geliefert, der an seinem anderen Eingang über eine Leitung 40 einen Referenz-Temperaturwert empfängt, der von einem Referenzwertgeber 41 zur Verfügung gestellt wird. Bei diesem Referenzwertgeber 41 kann es sich zum Beispiel um ein Potentiometer handeln, dessen Abgriff mit der Leitung 40 verbunden ist. An einem Ausgang 42 des Komparators 39 erscheint dann ein zweites Fehlersignal, wenn der Temperaturmeßwert auf der Leitung 23 den Referenz-Temperaturwert überschreitet.
Statt der Schaltung nach 4 kann die Schaltung nach 5 vorgesehen sein, um den Einfluß der statischen Temperatur des Laserbearbeitungskopfs 1 auf den Meßwert des Temperaturdetektors 21 zu eliminieren. Gleiche Elemente wie in 4 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben.
Der Meßwert des Temperaturdetektors 21 gelangt hier über die Leitung 23 zu einem Eingang eines Subtrahierglieds 43, das an seinem Subtraktionseingang über die Leitung 26 den Temperaturmeßwert vom Temperaturdetektor 24 empfängt. Der durch das Subtrahierglied 43 auf diese Weise gebildete Temperaturdifferenzwert wird von diesem über eine Leitung 44 zu dem genannten einen Eingang des Komparators 39 übertragen, der an seinem anderen Eingang über die Leitung 40 einen Referenz-Temperaturdifferenzwert empfängt. Am Ausgang 42 wird dann das zweite Fehlersignal erscheinen, wenn der Ausgang des Subtrahierglieds 43 den Referenz-Temperaturdifferenzwert auf der Leitung 40 überschreitet. Der Referenz-Temperaturdifferenzwert auf der Leitung 40 wird durch einen Referenz-Temperaturdifferenzwertgeber 41a erzeugt, der in Form eines Potentiometers vorliegen kann. Der Abgriff des Potentiometers ist mit der Leitung 40 verbunden.
Mittels eines in 6 gezeigten ODER-Gatters 45 der Auswerteschaltung 2 können das erste und das zweite Fehlersignal an den Ausgängen 34 und 42 miteinander verknüpft werden. Die Signale an den Ausgängen 34, 42 gelangen dann über die Leitung 27 zur Maschinensteuerung 3, die dann bei Vorliegen eines oder beider Signale die Anlage entweder sofort oder zu einem anderen geeigneten Zeitpunkt stillsetzt.

Claims

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.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlungsdetektoranordnung (16) die der Linsenanordnung (7) zugewandte Fläche des Schutzglases (9) beobachtet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit jedem neuen in den Laserbearbeitungskopf (1) eingesetzten Schutzglas (9) eine Kalibrierung erfolgt, um den Einfluss von Strahlung, die bei der Bearbeitung eines Werkstücks (4) mittels des Laserstrahls (5) entsteht und wieder in den Laserbearbeitungskopf (1) eintritt, auf den Streustrahlungsmesswert zu kompensieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Streustrahlungsmesswert durch Messung von Streustrahlung im infraroten Teil des optischen Spektrums bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Temperatur des Schutzglases (9) gemessen und mit einem Referenz-Temperaturwert verglichen wird, um bei Überschreiten des letzteren ein zweites Fehlersignal zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz zwischen Schutzglas (9) und Laserbearbeitungskopf (1) gemessen und zur Erzeugung des zweiten Fehlersignals mit einem Referenz-Temperaturdifferenzwert vergleichen wird.
Laserbearbeitungsanlage, wenigstens bestehend aus einem Laserbearbeitungskopf (1) mit einem Gehäuse (6), in welchem sich eine Linsenanordnung (7) zur Fokussierung eines Laserstrahls (5) sowie strahlausgangsseitig zur Linsenanordnung (7) ein Schutzglas (9) befinden, und in welchem ferner eine außerhalb des Laserstrahls (5) liegende erste Strahlungsdetektoranordnung (13) vorhanden ist, die zur Streustrahlungs-Intensitätsmessung eine vom Laserstrahl (5) durchsetzte Fläche des Schutzglases (9) beobachtet, wobei die erste Strahlungsdetektoranordnung wenigstens einen in einen Wand-Durchgangskanal (14) des Gehäuses (6) eingesetzten Strahlungsdetektor (13) aufweist und der Wand-Durchgangskanal (14) so angeordnet und geneigt ist, dass der Strahlungsdetektor (13) das Schutzglas (9) durch die Linsenanordnung (7) hindurch beobachtet, und wobei eine zweite Strahlungsdetektoranordnung (16) in einer radialen Durchgangsöffnung (17) der Wand des Gehäuses (6) der ersten Strahlungsdetektoranordnung (13) radial gegenüberliegend angeordnet ist, um Intensität eines auf die zweite Strahlungsdetektoranordnung (16) gelenkten Teil des Laserstrahls (5) zu messen.
Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Laserstrahls (5) ein teildurchlässiger Spiegel (18) angeordnet ist, um einen Teil des Laserstrahls (5) auf den weiteren Strahlungsdetektor (16) zu lenken.
Laserbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (6) ein gegenüber diesem thermisch isolierter Temperaturdetektor (21) zur Messung der Temperatur des Schutzglases (9) vorhanden ist.
Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) mit einem weiteren Temperaturdetektor (24) zur Messung der Gehäusetemperatur verbunden ist.
Laserbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Auswerteschaltung (2) zur Verarbeitung der von den Detektoren (13, 16, 21, 24) gelieferten Ausgangssignale aufweist.
Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) des Laserbearbeitungskopfs (1) die Auswerteschaltung (2) trägt.
Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (2) einen Dividierer (28) zur Bildung des Verhältnisses zwischen dem durch den Strahlungsdetektor (13) gemessenen Streustrahlungsmesswert und der durch den weiteren Strahlungsdetektor (16) gemessenen Intensität des Laserstrahls (5) aufweist.
Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Dividierers (28) mit einem Eingang eines Komparators (31) verbunden ist, dessen anderer Eingang mit einem Schwellwertgeber (33) verbunden ist.
Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Dividierers (28) mit einem Eingang eines Komparators (31) sowie mit einem Eingang eines Kalibrierspeichers (35) verbunden ist, dessen Speicherausgang über einen Skalierungsfaktorgeber (37) mit dem anderen Eingang des Komparators (31) verbunden ist.
Laserbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (2) einen weiteren Komparator (39) aufweist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Temperaturdetektors (21) und dessen anderer Eingang mit einem Referenz-Temperaturwertgeber (41) verbunden sind.
Laserbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (2) ein Subtrahierglied (43) aufweist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Temperaturdetektors (21) und dessen Subtraktionseingang mit dem Ausgang des weiteren Temperaturdetektors (24) verbunden sind, und dass ein Komparator (39) vorhanden ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Subtrahierglieds (43) und dessen anderer Eingang mit einem Referenz-Temperaturdifferenzwertgeber (41a) verbunden sind.
Laserbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (2) ein ODER-Gatter (45) aufweist, dessen Eingänge mit jeweils einem Ausgang der Komparatoren (31, 39) verbunden sind.