DE10144628A1

DE10144628A1 - Monitoring laser processing system involves comparing quotient of beam power detected after and before optical fiber leading to laser machining head with predefined threshold value

Info

Publication number: DE10144628A1
Application number: DE10144628A
Authority: DE
Inventors: Bert Schuermann
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: DE10144628B4

Abstract

The system feeds a laser beam (2) via an optical fiber (3) to a laser machining head (9) that focuses the beam onto the workpiece (12). The method involves measuring the power of the beam before entering the fiber and after exiting the fiber to produce first and second measurement signals (M1,M2), forming the quotient of the second to first signal and comparing the quotient with a predefined threshold value. AN Independent claim is also included for the following: a laser processing system.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Laserbearbeitungsanlage gemäß dem Anspruch 1 sowie auf eine Laserbearbeitungsanlage gemäß dem Anspruch 3. The invention relates to a method for monitoring the operation a laser processing system according to claim 1 and a Laser processing system according to claim 3.

Mit Hilfe eines Laserbearbeitungskopfs lässt sich ein Werkstück unter Verwendung eines Laserstrahls bearbeiten, derart, dass z. B. Schweiß- oder Schneidarbeiten durchgeführt werden. Hierzu wird der Laserbearbeitungskopf relativ zum Werkstück in geeigneter Weise positioniert. Die Positionierung erfolgt über eine Regeleinrichtung, die den gemessenen Abstand zwischen einer Düsenelektrode, aus dem der Laserstrahl in Richtung auf das Werkstück austritt, und dem Werkstück als Ist-Wert empfängt und die Lage der Düsenelektrode bzw. des Laserbearbeitungskopfs in Abhängigkeit eines Vergleichs des Ist-Werts mit einem vorgegebenen Soll-Wert steuert. Dabei kann der Abstand zwischen der Düsenelektrode und dem Werkstück z. B. auf kapazitivem Wege gemessen werden, wozu an die Düsenelektrode eine wechselförmige Meßspannung angelegt wird. With the help of a laser processing head, a workpiece can be placed under Edit using a laser beam such that, for. B. welding or Cutting work can be carried out. For this, the laser processing head appropriately positioned relative to the workpiece. The positioning takes place via a control device that measures the measured distance between a Nozzle electrode from which the laser beam is directed towards the workpiece emerges, and receives the workpiece as the actual value and the position of the Nozzle electrode or the laser processing head depending on a comparison controls the actual value with a predetermined target value. The Distance between the nozzle electrode and the workpiece z. B. on capacitive Paths are measured, for which purpose an alternating one at the nozzle electrode Measuring voltage is applied.

Der Laserstrahl selbst wird außerhalb des Laserbearbeitungskopfs durch einen Lasergenerator erzeugt und dem Laserbearbeitungskopf über eine Lichtleitfaser zugeführt. Es ist daher wichtig, den Betriebszustand der Lichtleitfaser zu erfassen, um zu verhindern, dass bei einem Bruch der Lichtleitfaser, die aufgrund der Bewegung des Laserbearbeitungskopfs ständig mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, die Laserbearbeitungsanlage unkontrollierte Betriebszustände einnimmt. The laser beam itself is passed through outside the laser processing head generates a laser generator and the laser processing head via a Optical fiber supplied. It is therefore important to determine the operating status of the Detect optical fiber to prevent that if the optical fiber breaks, which due to the movement of the laser machining head constantly the laser processing system is exposed to mechanical stress takes on uncontrolled operating states.

Aus der DE 40 32 967 A1 ist es bereits bekannt, zur Überwachung von Faserlichtleitern für einen Arbeitslaserstrahl hoher Energie einen niederenergetischen Kontrollaserstrahl mit einer vom Arbeitsstrahl verschiedenen Wellenlänge auf die Lichteintrittsfläche des Faserlichtleiters zu richten. Sowohl der direkt an der Lichteintrittsfläche reflektierte Anteil als auch der den Faserlichtleiter durchlaufende und nach Reflexion an der Lichtaustrittsfläche durch die Lichteintrittsfläche hindurch wieder austretende Anteil des Kontrollstrahls werden photosensorisch gemessen. Die elektrischen Ausgangssignale dieser Photosensoren werden einer elektronischen Steuerung zugeführt, welche diese Signale mit einem Referenzsignal vergleicht und gegebenenfalls die Abschaltung des Arbeitsstrahls auslöst. From DE 40 32 967 A1 it is already known for monitoring Fiber optics for a high energy working laser beam low-energy control laser beam with a different one from the working beam To direct the wavelength towards the light entry surface of the fiber optic cable. Both the portion reflected directly on the light entry surface as well as the den Continuous fiber optics and after reflection on the light exit surface through the light entry surface emerging part of the Control beams are measured by photosensors. The electrical Output signals from these photosensors are fed to an electronic control, which compares these signals with a reference signal and, if necessary triggers the shutdown of the working beam.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der zuvor beschriebenen Art zu schaffen, das ohne zusätzlichen Kontrollaserstrahl auskommt und darüber hinaus einfacher durchführbar ist. Ferner soll eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Laserbearbeitungsanlage angegeben werden. The invention has for its object a method of the above to create described type that does not require an additional control laser beam and is also easier to carry out. Furthermore, one should Implementation of the method specified suitable laser processing system become.

Die verfahrensseitige Lösung der gestellten Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Dagegen findet sich die vorrichtungsseitige Lösung der gestellten Aufgabe im Anspruch 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen. The procedural solution to the problem is in claim 1 specified. In contrast, there is the device-side solution of the posed Task in claim 3. Advantageous embodiments of the invention are subordinate claims.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Laserbearbeitungsanlage, bei der ein Laserstrahl über eine Lichtleitfaser einem Laserbearbeitungskopf zugeführt wird, welcher den Laserstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück fokussiert, umfasst die folgenden Schritte: Messen der Leistung des Laserstrahls vor Eintritt in die Lichtleitfaser zur Erzeugung eines ersten Meßsignals M1; Messen der Leistung des Laserstrahls nach Austritt aus der Lichtleitfaser zur Erzeugung eines zweiten Meßsignals M2; Bildung des Quotienten M2/M1 aus zweitem zu erstem Meßsignal; und Vergleich des Quotienten M2/M1 mit einem vorgegebenen Schwellenwert. A method according to the invention for monitoring the operation of a Laser processing system in which a laser beam passes through an optical fiber Laser processing head is supplied, which the laser beam to a focused workpiece comprises the following steps: Measuring the Power of the laser beam before entering the optical fiber for generation a first measurement signal M1; Measure the power of the laser beam Exit from the optical fiber to generate a second measurement signal M2; Formation of the quotient M2 / M1 from the second to the first measurement signal; and comparison of the quotient M2 / M1 with a predetermined threshold.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in einfacher Weise der Betriebszustand der Lichtleitfaser überwacht werden, also geprüft werden, ob die Lichtleitfaser eventuell gebrochen oder so stark gekrümmt ist, dass in ihrem Krümmungsbereich zu viel Lichtintensität nach außen austritt. Dabei ist aufgrund der Quotientenbildung aus zweitem zu erstem Meßsignal das Prüfergebnis unabhängig von irgendwelchen Rauscherscheinungen oder Intensitätsschwankungen des Laserstrahls. By using the method according to the invention, in simple How the operating state of the optical fiber are monitored, so checked whether the optical fiber is broken or bent so much, that too much light intensity is emitted to the outside in its area of curvature. This is due to the formation of the quotient from the second to the first measurement signal the test result regardless of any noise or Variations in the intensity of the laser beam.

Fällt der gebildete Quotient aus zweitem zu erstem Meßsignal unter einen vorgegebenen Schwellenwert, kann der Laserstrahl abgeschaltet und die Laserbearbeitungsanlage stillgesetzt werden, um den Bearbeitungsvorgang für die Dauer der Reparatur der Lichtleitfaser zu unterbrechen. If the quotient formed from the second to the first measurement signal falls below one predetermined threshold, the laser beam can be switched off and the Laser machining center to be shut down for the machining process interrupt the duration of the repair of the optical fiber.

Eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsanlage ist mit folgendem ausgestattet: einem Laserbearbeitungskopf zur Fokussierung eines Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück; einer Lichtleitfaser, über die der Laserstrahl dem Laserbearbeitungskopf zuführbar ist; einem ersten Sensor, der zur Erzeugung eines ersten Meßsignals M1 die Leistung des Laserstrahls vor Eintritt in die Lichtleitfaser misst; einem zweiten Sensor, der zur Erzeugung eines zweiten Meßsignals M2 die Leistung des Laserstrahls nach Austritt aus der Lichtleitfaser misst; und einem mit den Ausgängen des ersten und zweiten Sensors elektrisch verbundenen Prozessors zur Erzeugung eines Quotienten aus zweitem zu erstem Meßsignal M2/M1 sowie zum Vergleich dieses Quotienten M2/M1 mit einem vorgegebenen Schwellenwert. A laser processing system according to the invention is as follows equipped: a laser processing head for focusing a laser beam on a workpiece to be machined; an optical fiber through which the laser beam to the Laser processing head can be fed; a first sensor that is used to generate a first measurement signal M1 the power of the laser beam before entering the Optical fiber measures; a second sensor, which is used to generate a second Measurement signal M2 the power of the laser beam after emerging from the Optical fiber measures; and one with the outputs of the first and second sensors electrically connected processor to generate a quotient second to first measurement signal M2 / M1 and for comparing this quotient M2 / M1 with a predetermined threshold.

Diese Laserbearbeitungsanlage benötigt zur Überwachung des Betriebszustands der Lichtleitfaser lediglich zwei zusätzliche Sensoren sowie entsprechende teildurchlässige Umlenkspiegel zur Auskopplung von Strahlung auf die Sensoren, und weist daher einen sehr einfachen Aufbau auf. Die Quotientenbildung aus zweitem zu erstem Meßsignal kann durch die sowieso schon vorhandene Steuereinrichtung vorgenommen werden, die zu diesem Zweck lediglich in entsprechender Weise programmiert werden muss. Eine herkömmliche Laserbearbeitungsanlage lässt sich daher sehr einfach zur Überwachung der Lichtleitfaser nachrüsten. This laser processing system is required to monitor the Operating state of the optical fiber only two additional sensors as well corresponding partially transparent deflection mirror for coupling out radiation the sensors, and therefore has a very simple structure. The The formation of quotients from the second to the first measurement signal can be done anyway existing control device can be made for this purpose only needs to be programmed accordingly. A Conventional laser processing systems can therefore be easily monitored retrofit the optical fiber.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vor der Strahleintrittsfläche der Lichtleitfaser ein erster teildurchlässiger Umlenkspiegel zur Auskopplung eines Teils des Laserstrahls auf den ersten Sensor angeordnet. Zwischen dem ersten teildurchlässigen Umlenkspiegel und der Lichteintrittsfläche der Lichtleitfaser sind also keine weiteren optischen Komponenten mehr vorhanden, so dass durch das erste Meßsignal ein einwandfreies Referenzsignal erhalten wird. According to one embodiment of the invention, the Optical fiber is a first partially transparent deflection mirror for coupling a part of the laser beam is arranged on the first sensor. Between the first partially transparent deflection mirror and the light entry surface of the Optical fibers are therefore no longer present, so that the first measurement signal gives a perfect reference signal becomes.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung befindet sich der zweite Sensor innerhalb des Laserbearbeitungskopfs. Dies hat den Vorteil, dass der zweite Sensor, der sich relativ nah an der Bearbeitungsstelle des Werkstücks befindet, vor Verschmutzung geschützt ist und somit ein einwandfreies zweites Meßsignal ausgeben kann. According to another embodiment of the invention, the second is Sensor inside the laser processing head. This has the advantage that the second sensor, which is relatively close to the machining point of the workpiece located, is protected from pollution and thus a flawless can output second measurement signal.

Innerhalb des Laserbearbeitungskopfs ist darüber hinaus ein zweiter teildurchlässiger Umlenkspiegel zur Auskopplung eines Teils des Laserstrahls auf den zweiten Sensor angeordnet, vorzugsweise in einem Bereich, in dem der Laserstrahl aufgeweitet ist, so dass auch dieser zweite teildurchlässige Umlenkspiegel gegenüber äußeren Umwelteinflüssen geschützt ist. There is also a second one within the laser processing head Partially transparent deflection mirror for coupling out part of the laser beam arranged on the second sensor, preferably in an area in which the laser beam is widened so that it is also partially transparent Deflecting mirror is protected against external environmental influences.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzige Figur im einzelnen beschrieben. The invention is described below with reference to the single figure in described.

Zur erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsanlage gehört eine erste Fokussieroptik 1, die einen von einem nicht dargestellten Lasergenerator erzeugten parallelen Laserstrahl 2 fokussiert, und zwar zum einen auf die Lichteintrittsfläche einer Lichtleitfaser 3 sowie zum anderen auf die Lichtempfangsfläche eines ersten Sensors 4. Zu diesem Zweck befindet sich unter 45° zur optischen Achse 5 der ersten Fokussieroptik 1 ein erster teildurchlässiger Umlenkspiegel 6. Der erste Sensor 4 liegt dabei auf der optischen Achse 5, während die Normale zur Lichteintrittsfläche der Lichtleitfaser 3 senkrecht zur optischen Achse 5 steht. Aufgrund des Empfangs eines Teils des Laserstrahls 2 mißt der erste Sensor 4 als erstes Meßsignal M1 die Leistung (Intensität mal Fläche) des Laserstrahls 2. Dieses Meßsignal M1 wird über eine erste elektrische Leitung 7 einem Prozessor 8 zugeführt, der Teil der Steuerung der Laserbearbeitungsanlage ist. The laser processing system according to the invention includes a first focusing optics 1 , which focuses a parallel laser beam 2 generated by a laser generator, not shown, on the one hand onto the light entry surface of an optical fiber 3 and on the other hand onto the light receiving surface of a first sensor 4 . For this purpose, there is a first partially transparent deflection mirror 6 at 45 ° to the optical axis 5 of the first focusing optics 1 . The first sensor 4 lies on the optical axis 5 , while the normal to the light entry surface of the optical fiber 3 is perpendicular to the optical axis 5 . On the basis of the reception of part of the laser beam 2, the first sensor 4 measures the power (intensity times area) of the laser beam 2 as the first measurement signal M1. This measurement signal M1 is fed via a first electrical line 7 to a processor 8 , which is part of the control of the laser processing system.

Die Lichtleitfaser 3 ist mit ihrem lichtaustrittsseitigem Ende mit einem Laserbearbeitungskopf 9 verbunden, um diesem denjenigen Teil des Laserstrahls 2 zuzuführen, der über den ersten teildurchlässigen Umlenkspiegel 6 in die Lichtleitfaser 3 eingekoppelt worden ist. Innerhalb des Laserbearbeitungskopfs 9 befindet sich eine Kollimieroptik 10, die die Lichtaustrittsfläche der Lichtleitfaser 3 beobachtet und den aus der Lichtaustrittsfläche der Lichtleitfaser 3 austretenden Laserstrahl in einen aufgeweiteten, parallelen Laserstrahl 2a umwandelt. Über eine ebenfalls im Laserbearbeitungskopf 9 vorhandene zweite Fokussieroptik 11 wird der aufgeweitete Laserstrahl 2a wieder fokussiert, so dass ein fokussierter Laserstrahl 2b den Laserbearbeitungskopf 9 verlässt und auf ein Werkstück 12 auftrifft, um dieses zu bearbeiten. The end of the optical fiber 3 is connected to a laser processing head 9 at its light exit end in order to feed that part of the laser beam 2 which has been coupled into the optical fiber 3 via the first partially transparent deflection mirror 6 . Within the laser processing head 9 there is collimating optics 10 , which observes the light exit surface of the optical fiber 3 and converts the laser beam emerging from the light exit surface of the optical fiber 3 into an expanded, parallel laser beam 2 a. The expanded laser beam 2 a is focused again via a second focusing optic 11 also in the laser processing head 9 , so that a focused laser beam 2 b leaves the laser processing head 9 and strikes a workpiece 12 in order to process it.

Innerhalb des Bereichs des aufgeweiteten parallelen Laserstrahls 2a ist ein zweiter teildurchlässiger Umlenkspiegel 13 innerhalb des Laserbearbeitungskopfs 9 angeordnet, der einen Teil des Laserstrahls 2a auf die Lichtempfangsfläche eines zweiten Sensors 14 auskoppelt. Der zweite teildurchlässige Umlenkspiegel 13 steht hier unter 45° zur optischen Achse 15 von Kollimieroptik 10 und zweiter Fokussieroptik 11. Aufgrund des Empfangs eines Teils des parallelen Laserstrahls 2a mißt der zweite Sensor 14 als zweites Meßsignal M2, die Leistung (Intensität mal Fläche) des Laserstrahls 2a, wobei das zweite Meßsignal M2 über eine zweite elektrische Leitung 16 ebenfalls dem Prozessor 8 zugeführt wird. Der Prozessor 8 bildet dann aus dem erhaltenen ersten Meßsignal M1 und dem erhaltenen zweiten Meßsignal M2 einen Quotienten M2/M1, um zu überprüfen, ob dieser Quotient M2/M1 kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Dieser vorgegebene Schwellenwert ist in einem Speicher 17 des Prozessors 8 vorgespeichert. Ist der Quotient M2/M1 größer als der vorgegebene Schwellenwert, ist die die Lichtaustrittsfläche der Lichtleitfaser 3 verlassene Strahlungsintensität groß genug, um den Laserbearbeitungsvorgang fortzusetzen. Ist dagegen der Quotient M2/M1 kleiner als der vorgegebene Schwellenwert, wird dies als Indiz dafür betrachtet, dass nicht genügend Strahlung die Lichtleitfaser 3 über deren strahlausgangsseitige Fläche verlässt, was bedeutet, dass die Lichtleitfaser 3 entweder gebrochen oder zu stark gekrümmt ist. In diesem Fall wird der Laserstrahl 2 abgeschaltet und der weitere Bearbeitungsprozess unterbrachen. Within the area of the expanded parallel laser beam 2 a, a second partially transparent deflection mirror 13 is arranged within the laser processing head 9 , which couples out part of the laser beam 2 a to the light receiving surface of a second sensor 14 . The second partially permeable deflecting mirror 13 is here at 45 ° to the optical axis 15 of the collimating optics 10 and the second focusing optics 11 . Due to the reception of part of the parallel laser beam 2 a, the second sensor 14 measures as second measurement signal M2, the power (intensity times area) of the laser beam 2 a, the second measurement signal M2 also being fed to the processor 8 via a second electrical line 16 . The processor 8 then forms a quotient M2 / M1 from the received first measurement signal M1 and the received second measurement signal M2 in order to check whether this quotient M2 / M1 is less than a predetermined threshold value. This predetermined threshold value is pre-stored in a memory 17 of the processor 8 . If the quotient M2 / M1 is greater than the predetermined threshold value, the radiation intensity leaving the light exit surface of the optical fiber 3 is high enough to continue the laser processing process. If, on the other hand, the quotient M2 / M1 is smaller than the predetermined threshold value, this is regarded as an indication that insufficient radiation is leaving the optical fiber 3 via its surface on the beam output side, which means that the optical fiber 3 is either broken or excessively curved. In this case, the laser beam 2 is switched off and the further processing process is interrupted.

Claims

1. A method for monitoring the operation of a laser processing system in which a laser beam ( 2 ) is fed via an optical fiber ( 3 ) to a laser processing head ( 9 ) which focuses the laser beam ( 2 ) on a workpiece ( 12 ) to be processed, with the following steps :

- Measuring the power of the laser beam ( 2 ) before entering the optical fiber ( 3 ) to generate a first measurement signal (M1);

- Measuring the power of the laser beam ( 2 ) after emerging from the optical fiber ( 3 ) to generate a second measurement signal (M2);

- Formation of the quotient (M2 / M1) from the second to the first measurement signal; and

- Comparison of the quotient (M2 / M1) with a predetermined threshold.

2. The method according to claim 1, characterized in that the laser beam ( 2 ) is switched off when the quotient (M2 / M1) is smaller than the threshold value.

3. Laser processing system with
a laser processing head ( 9 ) for focusing a laser beam ( 2 ) onto a workpiece ( 12 ) to be processed;
an optical fiber ( 3 ) via which the laser beam ( 2 ) can be fed to the laser processing head ( 9 );
a first sensor ( 4 ) which measures the power of the laser beam ( 2 ) before entering the optical fiber ( 3 ) in order to generate a first measurement signal (M1);
a second sensor ( 14 ) which measures the power of the laser beam ( 2 ) after it emerges from the optical fiber ( 3 ) in order to generate a second measurement signal (M2); and
a processor ( 8 ) electrically connected to the outputs of the first and second sensors ( 4 , 14 ) for generating a quotient (M2 / M1) from the second to the first measurement signal and for comparing this quotient (M2 / M1) with a predetermined threshold value.

4. Laser processing system according to claim 3, characterized in that a first partially transparent deflection mirror ( 6 ) for coupling out a part of the laser beam ( 2 ) is arranged on the first sensor ( 4 ) in front of the beam entry surface of the optical fiber ( 3 ).

5. Laser processing system according to claim 3 or 4, characterized in that the second sensor ( 14 ) is arranged within the laser processing head ( 9 ).

6. Laser processing system according to claim 5, characterized in that a second partially transparent deflection mirror ( 13 ) for coupling out a part of the laser beam ( 2 ) to the second sensor ( 14 ) is arranged within the laser processing head ( 9 ).

7. Laser processing system according to claim 6, characterized in that the second partially transparent deflection mirror ( 13 ) lies in a beam expansion area of the laser beam ( 2 ).