DE10139929A1

DE10139929A1 - Leistungsabschaltung von Lasern durch Pulsweitenbegrenzung

Info

Publication number: DE10139929A1
Application number: DE10139929A
Authority: DE
Inventors: Lothar Gernandt
Original assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Current assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Priority date: 2001-08-14
Filing date: 2001-08-14
Publication date: 2003-02-27
Also published as: FR2830990A1; FR2830990B1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Abschalten eines Lasers mit Pulsweitenbegrenzung vorgestellt. Ereignissignale, die analog oder digital aufgenommen werden, werden verstärkt und mit einem einstellbaren Sollwert verglichen. Beim Erreichen des Sollwertes (z. B. Temperatur) wird der Puls des Lasers unterbrochen.

Description

Die Erfindung betrifft gemäß dem Anspruch 1 eine Vorrichtung die beim Eintreten eines bestimmten Ereignisses einen Laser durch Pulsweitenbegrenzung abschalten kann.
Es ist bekannt, dass die Abschaltung von kontinuierlichen Lasern mechanisch erfolgt. Dabei wird der Laserstrahl in eine absorbierende Senke gespiegelt. Die notwendigen Stellzeiten betragen zwischen 0,3 und 1 Sekunde.
Es ist weiter bekannt, dass bei pulsweitenmodulierten Lasern der mechanische Verschluss geöffnet bleibt und die Impulse in Ihrer Weite und Frequenz festgelegt sind. Ein dynamisches Anpassen der Pulsweite während mehrerer Zyklen ist nicht möglich (Martin Schellhorn, Co Hochleistungslaser: Charakteristik und Einsatzmöglichkeiten beim Schweißen, Forschungsbericht der IFSW, Herbert Ute Verlag, 2000, ISBN 3-89675-849-7).
Ebenfalls bekannt ist, dass bei der Materialbearbeitung mittels Lasers während der Anfangs- und Endphase die Leistung geregelt wird. Die Regelzeiten liegen teilweise unter einer Millisekunde (Fachkunde Informations- und Industrieelektronik, ISBN 3-8085-3244-0). Die Abschaltung benötigt allerdings 0,3 bis 1 Sekunde.
Nachteilig ist, dass ein Reagieren auf externe Ereignisse während eines festgelegten Bearbeitungsintervalls des Lasers nicht möglich ist.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde einen Laser beim Eintreten bestimmter Ereignisse schnell abzuschalten. Dabei können die Ereignisse stoffspezifisch, sicherheitsrelevant oder ökonomischen Ursprungs sein. Weiter soll die Abschaltung beim Ablauf einer Pulsweite zurückgesetzt werden. Über den Verlauf mehrerer Pulse soll sich so eine ereignisorientierte Anpassung der mittleren Leistung des Lasers ergeben.
Unter stoffspezifischen Eigenschaften können z. B. Reflexionswerte (diffuse Reflexion) angeführt werden, die nicht überschritten werden dürfen.
Sicherheitsaspekte treten bei der Laserbehandlung von Werkstoffen in der Anfangs- und Endphase auf, in der bekannterweise, aus diesem Grund die Leistung schon geregelt wird. Zur Optimierung soll die Abschaltung der Leistung erreicht werden.
Die Ökonomie soll sich in erster Linie in der Einsparung von Energie niederschlagen.
Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale einer durch einen Frequenzgenerator vorgegebenen Pulsweite, die durch ein Ereignissignal, welches einen bestimmten Sollwert übersteigt, begrenzt wird, wobei zur Unterdrückung von Zusatzimpulsen ein Haltesystem integriert ist, gelöst.
Der erfindungsgemäße Vorteil der Vorrichtung liegt darin, dass durch die ereignisorientierte, schnelle Abschaltung des Lasers während eines Pulses eine dynamische Energieregelung erzielt wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Die Ausbildung nach Anspruch 2 ermöglicht es, dass durch die schnellen Schaltzeiten der einzelnen Bereiche eine Gesamtabschaltzeit des Lasers in den Millisekundenbereich verkürzt wird, im Vergleich zu Abschaltzeiten von 0,3 bis 1 Sekunde nach herkömmlicher Methode.
Nach Anspruch 3 und 4 ist es vorteilhaft die Vorrichtung so auszuführen, dass sowohl analoge alsauch digitale Ereignissignale aufgenommen werden können und die Aufnahme beider Signalarten gleichzeitig ebenfalls möglich ist.
Wie in Anspruch 5 und 6 beschrieben ist eine Verstärkung der Ereignissignale vorteilhaft, wobei die Verstärkung vorzugsweise mit einem Universalwandler mit galvanischer Trennung erreicht wird.
Anspruch 7 bringt zum Ausdruck, dass zur Anpassung der Vorrichtung an Laser mit unterschiedlicher Ansteuersysteme die Ausführung zur Ansteuerung in Transistortechnik, einschließlich Optokoppler, vorteilhaft ist.
Die Ansprüche 8 bis 10 beziehen sich auf die vorteilhafte Ausgestaltung des Haltesystems zur Unterdrückung von Zusatzimpulsen, welches zum erneuten aktivieren bei vorzeitigem Abbruch einer vom Frequenzgenerator vorgegebenen Pulsweite durch den Abfall der Pulsweite des Frequenzgenerators zurückgesetzt wird. Ferner soll das Haltesystem zur Unterdrückung von Zusatzimpulsen insofern programmierbar sein, dass erst beim Auftreten einer bestimmten Anzahl oder bei Ablauf einer bestimmten Ereignissignalfolge das Haltesystem aktiviert wird und weitere Ereignisse unterdrückt werden. Vorteilhaft wird das Haltesystem daher in CMOS Technik ausgeführt.
Eine vorteilhafte Anwendung der Vorrichtung wird erreicht, wenn sie beispielweise zur konzeptionellen Simulation einer Laserwaffe mit Erfolgsrückmeldung verwendet wird. Die Anwendung ist in Fig. 1 und Fig. 2 aufgezeigt und wird im folgenden näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt die schematische Anordnung der Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und deren Verknüpfung.
Die Vorrichtung besteht erfindungsgemäß aus einem Eingabe- Verstärkerbereich (1), einem Verknüpfungsbereich (2) und einem Ausgabebereich (3).
Der Eingabe- Verstärkerbereich wird vorteilhaft in den Frequenzgenerator (1.1), die analoge Ereigniseingabe (1.2), die digitale Ereignisseingabe (1.3) und das Haltesystem (1.4) unterteilt.
Die Anzahl der analogen und digitalen Eingänge kann variieren und je nach Anwendung im Haltesystem (1.4) entsprechend verschaltet werden.
Der Frequenzgenerator (1.1) dient der Vorgabe der Pulsweite. Er wird direkt mit dem Verknüpfungsbereich (2) verbunden.
Die analoge Ereigniseingabe (1.2) wird erfindungsgemäß in die Bausteine Universalverstärker (1.2.1) und Festwert/Schwellenwertschalter (1.2.2) aufgeteilt.
Der Universalverstärker (1.2.1) wird vorzugsweise mit galvanischer Trennung der analog Ereignissignale ausgeführt.
Die digitale Ereigniseingabe (1.3) wird erfindungsgemäß in die Bausteine Verstärker (1.3.1) und Festwert/Schwellenwertschalter (1.3.2) aufgeteilt.
Das Haltesystem (1.4) dient der Unterdrückung von mehr als einem Ausgangssignals und wir bevorzugt in CMOS Technik aufgebaut. Besonders bevorzugt wird die CMOS Technik so aufgebaut, dass die Schaltzeiten <500 ns betragen.
Zur Generierung des Ausgangssignals können im Haltesystem (1.4) mehrere Ausgangssignale der Festwert/Schwellenwertschalter (1.2.2/1.3.2) verknüpft werden.
Die Inputs des Verknüpfungsbereiches (2) bestehen aus dem Frequenzgenerator (1.1) und dem Haltesystem (1.4). Als Output schließt sich der Ausgabebereich (3) an.
Erfindungsgemäß wird der Verknüpfungsbereich (2) mit TTL/CMOS Bausteinen realisiert.
Im Verknüpfungsbereich (2) werden die Ereignissignale empfangen und mit einer entsprechenden Logik verarbeitet und dem Ausgabebereich (3) zugeführt.
Der Ausgabebereich (3) dient zur Signalumsetzung des Verknüpfungsbereichs (2) und zur Ansteuerung des Lasers. Die Ausführung wird erfindungsgemäß in Transistortechnik realisiert.
Fig. 2 zeigt den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielhaft beim Beschuss eines Zieles mit einer Laserwaffe.
Zur Energieeinsparung wird der Erfolg des Beschusses definiert als Oberflächenzerstörung des Zieles, die in einem bestimmten Wellenlängenbereich detektiert wird, was nicht Gegenstand der Beschreibung ist. Der Grad der Oberflächenzerstörung wird durch den Istwert dokumentiert. Der Beschuss gilt als erfolgreich wenn der Wert der Zerstörungsgrad des Sollwertes erreicht wird. Der Istwert entspricht also dem Ereignissignal und wird ständig mit dem am Festwert/Schwellenwertschalter (1.2.2 bzw. 1.3.2, Fig. 1) eingestellten Sollwert verglichen. Erreicht oder Überschreitet das Ereignissignal den Sollwert wird das Signal als Eingabe in den Verknüpfungsbereich (2) weitergeleitet. Das Signal wird verarbeitet und der Laser wird trotz bestehendem Zeitimpuls des Frequenzgenerators (1.1) abgeschaltet.

Claims

1. Vorrichtung zur ereignisorientierten Leistungsabschaltung von Lasern mit Pulsweitenbegrenzung,
dadurch gekennzeichnet,

a) dass eine Pulsweite von einem Frequenzgenerator vorgegeben wird und

b) Ereignissignale zugeführt werden, die bei

c) Erreichen eines einstellbaren Sollwertes die Pulsweite des Lasers begrenzen.

d) Zur Unterdrückung von Zusatzimpulsen ist ein internes Haltesystem integriert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzeiten der elektronischen Steuerung <500 ns betragen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass einige Ereignissignale analoge zugeführt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass einige Ereignissignale digitale zugeführt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die analogen Ereignissignale verstärkt werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung vorzugsweise mit einem Universalwandler mit galvanischer Trennung erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Pulsweite des Lasers vorzugsweise mit Transistortechnik erfolgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausführung des Haltesystems zur Unterdrückung von Zusatzimpulsen bei dem Abfallen der Pulsweite des Frequenzgenerators zurückgesetzt wird

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausführung des Haltesystems zur Unterdrückung von Zusatzimpulsen die logische Verknüpfung mehrerer Ereignissignale zulässt, bevor ein Ausgangssignal weitergeleitet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausführung des Haltesystems zur Unterdrückung von Zusatzimpulsen vorzugsweise in CMOS-Technik ausgeführt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausführung des Haltesystems, des Frequenzgenerators durch programmierbare integrierte Schaltungen erfolgt.