DE10157893B4

DE10157893B4 - Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10157893B4
Application number: DE2001157893
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl.-Phys. Meyndt
Original assignee: ALPHA LASER GmbH
Current assignee: PLANARX GMBH, DE
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2021-11-27
Also published as: DE10157893A1

Abstract

Laserbearbeitungsvorrichtung mit
einer Beobachtungseinrichtung (36) zur Beobachtung eines zu bearbeitenden Bereichs eines Werkstücks,
einer Detektionseinrichtung (46, 50) zur Detektion eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes in einem vorgegebenen, der Beobachtungseinrichtung (36) zugeordneten Überwachungsbereich und zur Bildung eines entsprechenden Detektionssignals, und
einer Einrichtung (24) zum Ein- und Ausschalten eines zur Bearbeitung verwendeten Laserlichtstrahls in Abhängigkeit von dem Detektionssignal.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer optischen Beobachtungseinrichtung zur Beobachtung eines zu bearbeitenden Bereichs eines Werkstücks sowie ein entsprechendes Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laser.
Laser können in vielfältiger Form für die Bearbeitung von Werkstücken eingesetzt werden. So können sie zum Schneiden von Werkstücken, der Härtung von Werkstückoberflächen oder auch zum Verbinden von Werkstücken durch Schweißen verwendet werden. Bei diesem Bearbeitungsverfahren ist es häufig notwendig, den zu bearbeitenden Werkstückbereich durch eine Beobachtungseinrichtung, z.B. ein Mikroskop, zu beobachten, um einen zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahl mit hinreichender Genauigkeit über das Werkstück führen zu können. Erfolgt das Schweißen in der Form von Auftragsschweißen, bei dem über die zu schweißende Stelle ein Schweißdraht gebracht werden muss, ist die Verwendung einer solchen Beobachtungseinrichtung praktisch unumgänglich, um den Schweißdraht hinreichend genau führen zu können.
Für diese Bearbeitungsverfahren werden meist Laser mit einer hohen Leistung, insbesondere Laser der Klasse IV, verwendet. Die hohen Strahlintensitäten, die bei solchen Lasern erreicht werden, und die häufige Verwendung von infraroter und damit nicht sichtbarer Laserstrahlung bergen die Gefahr von Augenschädigungen bzw. -verletzungen bei dem Bedienungspersonal, wenn der Laserstrahl direkt oder reflektiert von einem Gegenstand, beispielsweise dem bearbeiteten Werkstück, auf das Auge eines Benutzers trifft. Benutzer solcher Laser sind zwar verpflichtet, zum Schutz der Augen Laserschutzbrillen zu tragen, doch verzichten einzelne Bedienpersonen in der Praxis häufig auf das Tragen einer Laserschutzbrille, da dies zumindest unbequem ist.

In der WO 01/78937 A1 wird ein Laser-Mikro-Dissektionsgerät mit einem Mikroskoptisch, der ein zu schneidendes Präparat trägt, einer Auflicht-Einrichtung, einer Laserlichtquelle und einem Objektiv zum Fokussieren des Laserstrahls der Laserlichtquelle auf das Präparat beschrieben. Der Mikroskoptisch wird beim Schneidvorgang nicht bewegt. In der Auflicht-Einrichtung ist eine Laser-Scan-Einrichtung angeordnet, die aus zwei dicken Glas-Teilplatten besteht, die gegen die optische Achse geneigt und abhängig voneinander um die optische Achse drehbar sind. Zusätzlich zur Strahlablenkung durch den Keilwinkel der Keilplatten wird durch die Dicke und die Neigung der Keilplatten ein Strahlversatz des Laserstrahls erzeugt. Bei Drehung der beiden Keilplatten werden die Strahlablenkung und der Strahlversatz des Laserstrahls so variiert, dass der Laserstrahl durch die Objektivpupille stets in der Mitte durchtritt und zugleich durch die Strahlablenkung der Laserstrahl über das zu schneidende Präparat geführt wird.

Aus der DE 44 22 497 A1 ist eine optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Gegenständen in einem Überwachungsbereich bekannt, mittels derer Gegenstände, die beim Eindringen in den Überwachungsbereich keine Gefahren verursachen, von Gegenständen oder Personen, die beim Eindringen in den Überwachungsbereich ein Sicherheitsrisiko darstellen, unterschieden werden können. Gegenstände, deren Eindringen in den Überwachungsbereich keine Gefahr darstellt, bewegen sich wiederholt entlang einer definierten Bahn innerhalb des Überwachungsbereichs und werden von der Vorrichtung, die einen Sendelichtstrahl sowie einen Empfänger aufweist, bei ansonsten freiem Strahlengang während eines Einlernvorgangs detektiert. Die Bahnkurve wird in einer Auswerteeinheit abgespeichert. Während einer darauf folgenden Arbeitsphase können zusätzlich zu den oben genannten Gegenständen Objekte oder Personen in den Überwachungsbereich eindringen, die durch einen Vergleich der gespeicherten Referenzwerte mit den Empfangssignalen detektierbar sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer optischen Beobachtungseinrichtung zur Beobachtung eines zu bearbeitenden Bereichs eines Werkstücks sowie ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laser bereitzustellen, durch die bzw. das die Gefahr einer Augenverletzung bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laser reduziert wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung weist eine optische Beobachtungseinrichtung zur Beobachtung eines zu bearbeitenden Bereichs eines Werkstücks, eine Detektionseinrichtung zur Detektion eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes, in einem vorgegebenen, der Beobachtungseinrichtung zugeordneten Überwachungsbereich und zur Bildung eines entsprechenden Detektionssignals und eine Einrichtung zum Ein- und Ausschalten eines zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahls in Abhängigkeit von dem Detektionssignal auf.

Weiter wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl mit den Merkmalen des Anspruchs 11.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Beobachtungseinrichtung zur Beobachtung des zu bearbeitenden Bereichs des Werkstücks verwendet und geprüft, ob ein Gegenstand, insbesondere ein Teil eines menschlichen Kopfes, sich in einem vorgegebenen, der Beobachtungseinrichtung zugeordneten Überwachungsbereich befindet. Während der Abwesenheit eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes, in dem Überwachungsbereich wird der zur Bearbeitung des Werkstücks dienende Laserstrahl abgeschaltet.

Die Beobachtungseinrichtung dient zur Beobachtung des zu bearbeitenden Werkstückbereichs insbesondere während der Bearbeitung des Werkstücks mit dem Laserstrahl. Die Beobachtungseinrichtung ist daher so ausgerichtet, dass ein bei der Bearbeitung eingeschalteter Laserstrahl nicht in das Auge eines Beobachters fallen und dieses schädigen kann. Befindet sich ein Beobachter daher in einer Beobachtungsposition vor einer solchen Beobachtungseinrichtung, so ist eine Schädigung seines Auges durch den Laserstrahl direkt oder nach Reflexion praktisch ausgeschlossen.

Die Beobachtungseinrichtung kann insbesondere eine vergrößernde Optik aufweisen, um eine genauere Führung des Laserstrahls auf dem zu bearbeiteten Werkstück zu ermöglichen. Insbesondere kann es sich bei der optischen Beobachtungseinrichtung um eine Großfeldlupe, insbesondere eine Stereolupe, oder ein Mikroskop, bevorzugt ein Stereomikroskop, handeln.

Die Beobachtungseinrichtung kann auch eine Videokamera aufweisen, deren Bilder auf einem Bildschirm dargestellt werden, der in diesem Fall der Beobachtungsöffnung entspricht.

Die Beobachtungseinrichtung weist eine Beobachtungsöffnung für von dem zu bearbeiteten Werkstückbereich ausgehendes Licht auf, durch die ein Beobachter den Werkstückbereich betrachtet. Bei Verwendung eines Mikroskops wird die Beobachtungsöffnung von einem Okular des Mikroskops gebildet. Die Lage dieser Beobachtungsöffnung bestimmt weitgehend die Beobachtungsposition für einen Kopf eines Beobachters, da dieser das Auge über der Beobachtungsöffnung positionieren muss, um durch die Beobachtungseinrichtung hindurchschauen zu können.

Der Überwachungsbereich, der der Beobachtungseinrichtung zugeordnet ist, wird daher insbesondere in Abhängigkeit von der Lage und Anzahl der Beobachtungsöffnungen und der Proportionen eines menschlichen Kopfes bestimmt. Abhängig davon, ob eine Vorrichtung von nur einer Person benutzt wird oder von einer ganzen Gruppe von Personen, kann der Überwachungsbereich individuell bestimmt werden oder auch unter Berücksichtigung statistischer Aussagen über die Proportionen menschlicher Köpfe allgemein festgelegt werden. Grundsätzlich genügt es dabei zu prüfen, ob sich ein gewisser charakteristischer Teil eines menschlichen Kopfes in den Überwachungsbereich befindet. Durch geeignete Wahl des Teils eines menschlichen Kopfes, beispielsweise der Nase oder der Stirn, kann das Vorhandensein eines menschlichen Kopfes mit höherer Wahrscheinlichkeit von dem Vorhandensein eines anderen Gegenstandes im Bereich der Beobachtungsöffnung unterschieden werden.

In der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung ist zur Detektion eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines Kopfes, eine entsprechende Detektionseinrichtung vorgesehen, die die Anwesenheit eines Gegenstands detektiert und vorzugsweise mit der Laserbearbeitungsvorrichtung verbunden ist. Bevorzugt erfolgt die Detektion unter Berücksichtigung von Eigenschaften eines menschlichen Kopfes, so dass eine Unterscheidung von beliebigen anderen Gegenständen möglich ist. Die Detektionseinrichtung dient weiter zur Bildung eines entsprechenden Detektionssignals. Dazu muss die Einrichtung jedoch nicht aktiv ein Signal abgeben, vielmehr genügt es, dass sie beispielsweise einen Stromkreis schließt oder unterbricht, der beispielsweise von der Einrichtung zum Ein- und Ausschalten des Laserstrahls gebildet ist.

Da eine Verletzung des Auges durch einen eingeschalteten Laserstrahl nur auftreten kann, wenn der Benutzer nicht durch die Beobachtungsöffnung blickt, wird bei Abwesenheit des Teils des menschlichen Kopfes in dem Überwachungsbereich ein zur Bearbeitung des Werkstücks dienender eingeschalteter Laserstrahl abgeschaltet, so dass eine Verletzung eines Auges einer Bedienperson, die nicht durch die Beobachtungseinrichtung blickt, sicher vermieden werden kann. Selbstverständlich kann der Laserstrahl unabhängig davon auch beispielsweise von einem Benutzer oder einer Steuerung aufgrund anderer Kriterien ausgeschaltet werden.

Unter "Abschalten" wird erfindungsgemäß auch die Sperrung eines Einschaltens verstanden, so dass der Laserstrahl auch nicht eingeschaltet werden kann, wenn kein Gegenstand bzw. Kopf in dem Überwachungsbereich detektiert wurde.

Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung weist dazu eine Einrichtung zum Ein- und Ausschalten eines zur Bearbeitung verwendeten Laserlichtstrahls in Abhängigkeit von dem Detektionssignal auf. Hierbei kann es sich zum einen um eine Steuereinrichtung für einen, den Laserstrahl emittierenden Laser selbst handeln, es ist jedoch auch die Verwendung einer Steuereinrichtung mit einer schaltbaren Blende möglich, mittels derer der Laserstrahl ausgeblendet wird. Der zur Erzeugung des Laserstrahls erforderliche Laser muss daher nicht unbedingt Teil der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung erlauben daher eine sehr einfache, aber gleichzeitig zuverlässige Absicherung gegen Augenverletzungen einer Bedienperson bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Lasern, insbesondere hoher Leistung.

Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen beschrieben.

Bei der Detektionseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen mechanischen Taster handeln, der von einem Teil eines menschlichen Kopfes, beispielsweise der Stirn oder der Nase, aus einer ersten Position in eine zweite Position bewegt wird, wenn sich der Teil des Kopfes in den Überwachungsbereich bewegt, der Kopf also in eine Beobachtungsposition vor der Beobachtungsöffnung der optischen Beobachtungseinrichtung gebracht wird. Bei dem Übergang von einer Position in die andere kann dann durch Öffnen oder Schließen eines Schalters ein entsprechendes Detektionssignal gebildet werden.

Es ist jedoch bevorzugt, dass die Prüfung, ob ein Teil eines menschlichen Kopfes sich in dem vorgegebenen der Beobachtungseinrichtung zugeordneten Überwachungsbereich befindet, berührungslos erfolgt. Dies ist für eine Bedienperson im Allgemeinen wesentlich angenehmer, da kein Gegenstand oder Hebel gegen einen Teil des Kopfes drückt. In der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung ist es dazu bevorzugt, dass die Detektionseinrichtung zur berührungslosen Detektion eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes ausgebildet ist. Eine solche Vorrichtung hat den weiteren Vorteil, dass sie im Vergleich zu einer mechanischen Detektionsvorrichtung in der Regel weniger einfach manipulierbar und weniger störungsanfällig ist und damit eine höhere Sicherheit gewährleistet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Prüfung der Anwesenheit eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes, infrarote Strahlung oder sichtbares Licht verwendet. Dazu wird bevorzugt entsprechende infrarote Strahlung oder sichtbares Licht detektiert und ein Detektionssignal gebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist hierzu bevorzugt einen entsprechenden Sensor auf.

In der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung ist es dabei besonders bevorzugt, dass die Detektionseinrichtung einen Infrarotsensor aufweist, der so angeordnet und ausgebildet ist, dass ein in einem Überwachungsbereich befindlicher Gegenstand, insbesondere ein Teil eines menschlichen Kopfes detektierbar ist. Insbesondere kann der Infrarotsensor zur Detektion der Wärmestrahlung eines menschlichen Kopfes ausgebildet sein, wobei durch geeignete Wahl der Empfindlichkeit der Überwa chungsbereich eingeschränkt werden kann. Besonders bevorzugt ist der Infrarotsensor neben einer Beobachtungsöffnung der Beobachtungseinrichtung, beispielsweise neben einem Okular eines Mikroskops angeordnet, so dass das Auge und dazu benachbarte Bereiche eines Gesichts detektiert werden. Dadurch wird eine gewisse Unterscheidung zwischen einem Teil eines Kopfes und anderen Gegenständen, die andere Infrarotstrahlung emittieren, möglich, was die Detektionsgenauigkeit erhöht. Bevorzugt beträgt der maximale Abstand für eine Detektion weniger als etwa 20 mm.

Weiter ist es bevorzugt, dass die Detektionseinrichtung eine Einweg-Lichtschranke mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger umfasst, die so angeordnet sind, dass der Lichtweg zwischen Lichtsender und -empfänger durch einen Gegenstand, insbesondere einen Teil eines Kopfes, der sich in dem Überwachungsbereich befindet, unterbrechbar ist. Diese Ausbildung der Detektionseinrichtung erlaubt eine sehr einfache Überprüfung des Überwachungsbereichs.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Detektionseinrichtung einen Reflexionslichttaster, dessen Lichtsender und -empfänger so ausgerichtet sind, dass ein von dem Lichtsender ausgesendeter Lichtstrahl an einem Gegenstand, insbesondere einem Teil eines Kopfes, der sich in dem Überwachungsbereich befindet, reflektierbar oder remittierbar und von dem Lichtempfänger detektierbar ist. Vorzugsweise können hierbei Reflexionslichttaster verwendet werden, bei denen Lichtsender und -empfänger in einem Gehäuse angeordnet sind, so dass der eigentliche Detektor der Detektionseinrichtung sehr kompakt aufgebaut sein kann. Insbesondere braucht nur ein Gehäuse an der Laserbearbeitungsvorrichtung oder der Beobachtungseinrichtung positioniert zu werden, wodurch die Anbringung wesentlich erleichtert wird. Die Größe und Ausrichtung des Überwachungsbereichs ergibt sich dabei aus der Ausrichtung des Reflexionslichttasters und der Empfindlichkeit des Lichtempfängers in Verbindung mit der Lichtstärke des von dem Lichtsender abgegebenen Lichtstrahls. Ein weiterer Vorteil eines Reflexionslichttasters besteht darin, dass die Empfindlichkeit auf die Reflexions- bzw. Remissionseigenschaften eines Teils eines menschlichen Kopfes, beispielsweise des Gesichts, abstimmbar ist, so dass eine gewisse Unterscheidung zwischen einem Kopf und einem anderen Gegenstand möglich ist.

Sowohl der Reflexionslichttaster als auch die Einweg-Lichtschranke können im sichtbaren oder, besonders bevorzugt, im infraroten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeiten.

Die Anwesenheit eines Gegenstands kann auch allein anhand der von einem Teil eines Kopfes ausgehenden Strahlung detektiert werden. Grundsätzlich kann hierzu ein Photodetektorelement ausreichen. Bevorzugt umfasst die Detektionseinrichtung jedoch eine den Überwachungsbereich erfassende Videokamera und eine die Bilder der Videokamera verarbeitende Einrichtung, die zu Erkennung eines menschlichen Kopfes in dem Überwachungsbereich ausgebildet ist. Die Einrichtung kann beispielsweise einen Computer umfassen, der zur Durchführung einer entsprechenden Mustererkennung ausgebildet ist. Dazu kann in einem Speicher des Computers ein entsprechendes Programm gespeichert sein. Insbesondere, wenn die Videokamera so angebracht ist, dass der Hintergrund des Bildes wenig Strukturen enthält, beispielsweise wenn sie schräg nach oben gerichtet ist, ergibt sich eine sehr trennscharfe Erkennung eines menschlichen Kopfes vor der Vorrichtung.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, dass zur Prüfung der Anwesenheit eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes, ein kapazitiver Näherungsschalter verwendet wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dazu bevorzugt, dass die Detektionseinrichtung einen kapazitiven Näherungsschalter aufweist, der so angeordnet und ausgebildet ist, dass bei Eintritt eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines Kopfes, in den Überwachungsbereich oder bei Austritt eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines Kopfes, aus dem Überwachungsbereich ein Schaltvorgang erfolgt, wodurch ein Detektionssignal gebildet wird. Die Verwendung eines solchen Schalters hat gegenüber der Verwendung von Licht den Vorteil, dass die Bedienperson in der Beobachtungsposition nicht dauernd der Lichtstrahlung ausgesetzt ist. Darüber hinaus weisen kapazitive Näherungsschalter in der Regel nur einen kleinen räumlichen Erfassungsbereich auf, so dass die Detektion, ob sich ein Gegenstand, insbesondere ein Kopf in Beobachtungsposition über der Beobachtungsöffnung befindet, sehr trennscharf erfolgen kann.

Bei der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung ist es besonders bevorzugt, dass die Beobachtungseinrichtung als wenigstens binokulare Beobachtungseinrichtung ausgebildet ist und der Überwachungsbereich einen Bereich zwischen zwei Okularen der Beobachtungseinrichtung umfasst, indem sich eine Nase eines Kopfes befindet, wenn sich dieser in einer Beobachtungsposition vor der Beobachtungseinrichtung befindet. Diese Wahl des Überwachungsbereichs erlaubt eine besonders sichere Erkennung, ob sich ein menschlicher Kopf in einer Beobachtungsposition befindet, da andere Gegenstände, die sich zufällig im Bereich der Okulare befinden können, typischerweise nicht gerade in den Bereich zwischen den Okularen gelangen.

Bevorzugt werden wenigstens zwei der beschriebenen Varianten zur Detektion eines Gegenstands bzw. Kopfes kombiniert, da hierdurch eine höhere Sicherheit einer korrekten Detektion ergibt. Ein Abschalten des Laserstrahls findet dann statt, wenn eine der Detektionseinrichtungen feststellt, dass der Gegenstand bzw. der Kopf den entsprechenden Überwachungsbereich verlassen hat.

Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung zwei Pilotlaser zur Positionierung eines zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahls auf ein Werkstück aufweist, und dass eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die die Pilotlaser in Abhängigkeit von den Signalen der Detektionseinrichtung ein- oder ausschaltet. Mittels solcher Pilotlaser, die sichtbares Licht abstrahlen, kann eine Grobpositionierung eines Laserbearbeitungskopfes, der den Laserstrahl auf das Werkstück lenkt, erfolgen, ohne dass der Laserstrahl tatsächlich eingeschaltet wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bevorzugt, dass während der Anwesenheit eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes, in dem Überwachungsbereich zur Positionierung des zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahls auf ein Werkstück dienende Pilotlaser ausgeschaltet werden.

Damit wird erreicht, dass von den Pilotlasern abgestrahltes und an einem Werkstück reflektiertes Licht, das, da zur Positionierung verwendet, in sichtbarem Bereich ist, während der Bearbeitung nicht durch die Beobachtungseinrichtung in das Auge einer Bedienperson einfallen und dieses über die lange Zeit, während der eine solche Bedienperson durch die Beobachtungseinrichtung blickt, beeinträchtigen kann.

Bei einer anderen Weiterbildung ist es bevorzugt, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung einen Laserbearbeitungskopf, der die Beobachtungseinrichtung trägt, eine den Laserbearbeitungskopf tragende Positionierungs- und Orientierungseinrichtung, die eine Antriebseinrichtung zur Bewegung des Laserbearbeitungskopfs aufweist, und eine Antriebssteuereinrichtung zur Steuerung der Antriebseinrichtung umfasst, mit der die Positionierungsgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfes wenigstens in Richtung auf die Beobachtungsposition zu in Abhängigkeit von den Signalen der Detektionseinrichtung steuerbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bevorzugt, dass während der Anwesenheit eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes, in dem Überwachungsbereich eine Bewegungsgeschwindigkeit des die Beobachtungseinrichtung (36) tragenden Laserbearbeitungskopfs wenigstens in Richtung auf die Beobachtungsposition zu begrenzt wird. Damit kann vermieden werden, dass eine Bedienperson, die durch die Beobachtungseinrichtung blickt, diese versehentlich mit großer Geschwindigkeit auf das Auge zu bewegen und sich damit Verletzungen zuziehen kann. Die maximal zulässige Geschwindigkeit kann dabei so gewählt sein, dass eine Fokussierung auf die Werkstückoberfläche durch Bewegung der Beobachtungseinrichtung, wie sie beispielsweise bei der Nachführung des Fokus während der Bearbeitung mit einem Laserstrahl erfolgt, noch möglich ist. Eine Schnellpositionierung, bei der der Laserbearbeitungskopf zunächst nur in die Nähe des zu bearbeitenden Werkstückbereichs gebracht wird, sollte aber ausgeschlossen sein.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Kopfteils der Beobachtungseinrichtung in 2,
3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Kopfteils der Beobachtungseinrichtung in 2 aus einer anderen Perspektive,
4 den oberen Teil einer Beobachtungseinrichtung einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
5 den oberen Teil einer Beobachtungseinrichtung einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
In 1 umfasst eine Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein mit einem Fahrwerk 10 verbundenes Gehäuse 12, einen Knickarmroboter 14, der einen Knickarm 16 sowie eine Antriebseinrichtung aufweist, die teilweise in dem Gehäuse 12 und teilweise in dem Knickarm 16 angeordnete und daher in der 1 nicht sichtbare Stellmotoren aufweist und daher in 1 nur durch grob schematisch durch die Komponente 17 angedeutet ist, und einen an dem Knickarm 16 angeordneten Laserbearbeitungskopf 18.
In einem Abschnitt 20 des Knickarms 16 ist ein Infrarot-Festkörperlaser 22 angeordnet, dessen Laserstrahlung dem Laserbearbeitungskopf 18 zugeführt wird. Weiterhin weist die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Steuereinheit 24 zur Steuerung des Antriebs des Knickarmroboters 14 und des Lasers 22 auf, die dazu mit der Steuereinheit 24 verbunden sind. Eingaben zur Positionierung oder Orientierung des Laserbearbeitungskopfes können in die Steuereinheit 24 über einen mit der Steuereinheit 24 verbundenen Joystick 26 vorgenommen werden.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung ist auf dem Fahrwerk 10, das zwei Räder, von denen in 1 nur das Rad 28 sichtbar ist und zwei Lenkrollen 30 und 30' aufweist, fahrbar.
Der Laserbearbeitungskopf 18, mittels dessen von dem Laser 22 abgegebene Laserstrahlung auf ein Werkstück lenkbar ist, ist über ein Schwenkgelenk 32 und ein Drehgelenk 34 des Knickarms 16 an diesem gehalten und daher mittels des Knickarms 16 und des Antriebs zur Bewegung des Knickarms 16 positionier- und orientierbar, so dass der Knickarmroboter 14 zusammen mit seinem Antrieb eine Positionierungs- und Orientierungseinrichtung im Sinne der Erfindung darstellt.
An dem Laserbearbeitungskopf 18 ist als Beobachtungseinrichtung ein Stereomikroskop 36 gehalten, mit dem ein zu bearbeitender Werkstückbereich vergrößert beobachtbar ist.
Das Objektiv des Stereomikroskops 36 ist durch eine in 1 nur teilweise sichtbare achromatische Optik 38 gebildet, die gleichzeitig zur Fokussierung eines dem Laserbearbeitungskopf 18 zugeführten Laserstrahls auf ein Werkstück dient.
Das Stereomikroskop 36 umfasst weiter ein im Laserbearbeitungskopf 18 drehbar gelagertes Kopfteil 40 mit zwei Okularen 42 und 42'. Der Schärfentiefenbereich des Stereomikroskops 36 ist so eingerichtet, dass er innerhalb des Fokusbereichs des von dem Laserbearbeitungskopf 18 abgegebenen Laserstrahls liegt. Wird der Laserbearbeitungskopf 18 und damit das Stereomikroskop 36 relativ zu einem Werkstück so positioniert, dass ein zu beobachtender Bereich auf diesem Werkstück in dem Stereomikroskop 36 scharf abgebildet wird, ist damit zugleich sichergestellt, dass der Laserstrahl ebenfalls auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Bereichs fokussiert ist.
Das Kopfteil 40 des Stereomikroskops 36 ist in 2 genauer dargestellt.
In einem Grundkörper 44 des Kopfteils 40 ist zwischen den Okularen 42 und 42', deren Lichtaustrittsöffnungen Beobachtungsöffnungen bilden, ein Infrarot-Reflexionslichttaster 46 angeordnet. Der Reflexionslichttaster 46 ist dabei auf einen zwischen den Okularen 42 und 42' liegenden Überwachungsbereich gerichtet, den er abtastet.
Der Reflexionslichttaster 46 ist weiterhin mit der Steuereinheit 46 verbunden, die entsprechend dem Schaltzustand des Reflexionslichttasters 46 Detektionssignale von diesem empfängt.
Wie in 3 gezeigt ist an der Rückseite des Kopfteils 40 eine Justierschraube 48 vorgesehen, mittels derer die Empfindlichkeit und damit die Reichweite des Reflexionslichttasters 46 justierbar ist. Blickt eine Person durch die Okulare 42 und 42', befindet sich deren Nase zwischen den Okularen 42 und 42'. Die Empfindlichkeit des Reflexionslichttasters ist so gewählt, dass eine Nase zwischen den Okularen 42 und 42' detektiert wird, nicht jedoch ein weiter von den Okularen liegender Gegenstand im Sichtbereich des Reflexionslichttasters.
An der Unterseite des Laserbearbeitungskopfs 18 sind, in den Figuren nicht sichtbar, zwei Pilotlaser vorgesehen, die Laserlicht im sichtbaren Bereich abgeben und dazu dienen, während einer Grobpositionierung des Laserbearbeitungskopfs diesen über einem zu bearbeitenden Werkstückbereich genau zu positionieren. Der Betrieb dieser Pilotlaser wird ebenfalls über die Steuereinheit 24 gesteuert, wozu diese mit der Steuereinheit verbunden sind.
Die Steuereinrichtung 24 wirkt bei einer Bearbeitung eines Werkstücks folgendermaßen:
Zunächst führt eine Bedienperson eine Grobpositionierung des Laserbearbeitungskopfs 18 über dem Werkstück durch, wozu sie mittels des Joysticks 26 über die Steuereinrichtung 24 den Knickarmroboter 14 ansteuert. Diese Positionierung erfolgt mit bloßem Auge und mit Hilfe der Pilotla ser, die zu diesem Zweck eingeschaltet sind. Da hierbei die Bedienperson nicht durch die Okulare 42 und 42' blickt, und sich damit die Nase nicht zwischen den Okularen 42 und 42' und in dem Überwachungsbereich des Reflexionslichttasters 46 befindet, liegt ein entsprechendes Detektionssignal an der Steuereinheit 24 an. Ist der Laser 22 eingeschaltet, so wird er abgeschaltet, ansonsten ist ein Einschalten des Lasers 22 gesperrt, d.h. nicht möglich.
Weiterhin ist entsprechend dem Detektionssignal der Laserbearbeitungskopf 18 durch den Knickarmroboter 14 schnell bewegbar.
Sobald sich die Bedienperson nach dieser Grobpositionierung in eine Beobachtungsposition über den Okularen 42 und 42' begibt, tritt deren Nase in den Überwachungsbereich vor dem Reflexionslichttaster 46 ein, so dass ein entsprechend geändertes Detektionssignal an der Steuereinheit 24 anliegt. Entsprechend dem Detektionssignal schaltet die Steuereinheit 24 die Pilotlaser ab und setzt die maximal mögliche Bewegungsgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs 18 durch entsprechende Ansteuerung des Antriebs des Knickarmroboters 14 auf einen vorgegebenen Wert herab. Weiterhin wird die Sperrung des Lasers 22 durch die Steuereinrichtung 24 aufgehoben, so dass es einer Bedienperson nun möglich ist, den Laserstrahl anzuschalten.
Bewegt die Bedienperson ihren Kopf von den Okularen 42 und 42' weg und damit die Nase aus dem Überwachungsbereich, wird auf die entsprechende Änderung des Detektionssignals des Reflexionslichttasters 46 hin von der Steuereinrichtung 24 der Laser 22 automatisch abgeschaltet.
Weiterhin können die Pilotlaser wieder eingeschaltet werden und die maximale Bewegungsgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs 18 wird in der Steuereinheit 24 wieder auf einen hohen Wert gesetzt, so dass dieser wieder mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden kann, sofern die Bedienperson dies über entsprechende, über den Joystick 26 eingegebene Steuerbefehle bewirkt.
Es wird also mit sehr einfachen Mitteln eine dreifache Absicherung bei der Bedienung der Laserbearbeitungsvorrichtung erreicht: eine Absicherung gegen Augenschäden durch den Laser 22, eine Absicherung gegen Langzeitaugenschäden durch die Pilotlaser und schließlich eine Absicherung gegen mechanische Verletzungen der Augen durch die Okulare 42 und 42'.
In 4 ist der Kopfteil einer Beobachtungseinrichtung einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
Im Unterschied zu der Laserbearbeitungsvorrichtung in dem ersten Beispiel wird hier als Detektionseinrichtung nicht ein Reflexionslichttaster sondern ein kapazitiver Näherungsschalter verwendet. Dementsprechend werden für unveränderte Teile der Vorrichtung die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Zwischen den Okularen 42 und 42' ist ein kapazitiver Näherungsschalter 50 so befestigt, dass durch die Stirn einer Bedienperson, die durch die Okulare 42 und 42' blickt, der Näherungsschalter 50 ausgelöst wird. Der Überwachungsbereich ist dabei durch einen beispielsweise etwa 20 mm tiefen Bereich vor dem Näherungsschalter 50 gegeben.
Der kapazitive Näherungsschalter 50 ist mit der Steuereinrichtung 24 verbunden, die Detektionssignale entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel verarbeitet.
In 5 ist der Kopfteil einer Beobachtungseinrichtung einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
Im Unterschied zu der Laserbearbeitungsvorrichtung in dem ersten Beispiel werden hier als Detektionseinrichtung nicht ein Reflexionslichttaster sondern zwei Infrarotdetektoren verwendet. Dementsprechend werden für unveränderte Teile der Vorrichtung die gleichen Bezugszeichen verwendet.
An der Beobachtungsöffnungen der Okulare 42 und 42' ist auf der jeweils dem anderen Okular zugewandten Seite ein Infrarotdetektor 52 bzw. 52' befestigt.
Die Infrarotdetektoren 52 und 52' sind mit einer in den Figuren nicht gezeigten Steuereinheit verbunden, die bis auf die unmittelbare Verarbeitung der Detektionssignale der beiden Detektoren 52 und 52' zu einem kombinierten Detektionssignal der ersten Steuereinheit 24 entspricht. Das kombinierte Detektionssignal wird dabei wie das Detektionssignal in dem ersten Ausführungsbeispiel behandelt.
Die Infrarotdetektoren 52 und 52' sind so angeordnet, dass von dem Bereich um die Augen einer Bedienperson, die durch die Okulare 42 und 42' blickt, abgestrahlte Infrarotstrahlung detektiert und ein entsprechendes Detektionssignal ausgegeben wird. Die Empfindlichkeit der Detektoren kann dabei so gewählt sein, dass ein Gegenstand, dessen Infraroteigenschaften etwa denen eines menschlichen Gesichts entsprechen, in Abständen kleiner als etwa 20 mm detektierbar ist, wodurch sich die Lage des Überwachungsbereichs bei bekannter Richtungscharakteristik der Infrarotdetektoren 42 und 42' ergibt.
Aus den Detektionssignalen wird in der Steuereinheit das kombinierte Detektionssignal so gebildet, dass ein Eintritt in den Überwachungsbereich nur dann festgestellt wird, wenn beide Detektoren einen Gegenstand detektieren.
Die Verwendung von zwei separaten Detektoren erlaubt eine besonders sichere Überprüfung, ob sich ein Gegenstand in dem Überwachungsbereich befindet und der Laser 22 angeschaltet werden kann.

10: Fahrwerk
12: Gehäuse
14: Knickarmroboter
16: Knickarm
17: Komponente der Antriebseinrichtung
18: Laserbearbeitungskopf
20: Abschnitt des Knickarms
22: Laser
24: Steuereinheit
26: Joystick
28: Rad
30, 30': Lenkrollen
32: Schwenkgelenk
34: Drehgelenk
36: Stereomikroskop
38: achromatische Optik
40: Kopfteil
42, 42': Okulare
44: Grundkörper
46: Infrarot-Reflexionslichttaster
48: Justierschraube
50: kapazitiver Näherungsschalter
52, 52': Infrarotdetektor

Claims

Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Beobachtungseinrichtung (36) zur Beobachtung eines zu bearbeitenden Bereichs eines Werkstücks, einer Detektionseinrichtung (46, 50) zur Detektion eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes in einem vorgegebenen, der Beobachtungseinrichtung (36) zugeordneten Überwachungsbereich und zur Bildung eines entsprechenden Detektionssignals, und einer Einrichtung (24) zum Ein- und Ausschalten eines zur Bearbeitung verwendeten Laserlichtstrahls in Abhängigkeit von dem Detektionssignal.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (46, 50) zur berührungslosen Detektion eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes ausgebildet ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung einen Sensor (46; 52, 52') für infrarote Strahlung oder sichtbares Licht aufweist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung eine Einweg-Lichtschranke mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger umfasst, die so angeordnet sind, dass der Lichtweg zwischen Lichtsender und -empfänger durch einen Gegenstand, insbesondere einen Teil eines Kopfes, der sich in dem Überwachungsbereich befindet, unterbrechbar ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung einen Reflexionslichttaster (46) umfasst, dessen Lichtsender und -empfänger so ausgerichtet sind, dass ein von dem Lichtsender ausgesendeter Lichtstrahl an einem Gegenstand, insbesondere einem Teil eines Kopfes, der sich in dem Überwachungsbereich befindet, reflektierbar oder remittierbar und von dem Lichtempfänger detektierbar ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung eine den Überwachungsbereich erfassende Videokamera und eine die Bilder der Videokamera verarbeitende Einrichtung umfasst, die zu Erkennung eines menschlichen Kopfes in dem Überwachungsbereich ausgebildet ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung einen kapazitiven Näherungsschalter (50) aufweist, der so angeordnet und ausgebildet ist, dass bei Eintritt eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines Kopfes, in den Überwachungsbereich oder bei Austritt eines Gegenstands, insbesondere Teils eines Kopfes aus dem Überwachungsbereich ein Schaltvorgang erfolgt, wodurch ein Detektionssignal gebildet wird.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungseinrichtung (36) als wenigstens binokulare Beobachtungseinrichtung (36) ausgebildet ist und der Überwachungsbereich einen Bereich zwischen zwei Okularen der Beobachtungseinrichtung (36) umfasst, in dem sich eine Nase eines Kopfes befindet, wenn sich dieser in einer Beobachtungsposition vor der Beobachtungseinrichtung (36) befindet.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei Pilotlaser zur Positionierung eines zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahls auf ein Werkstück aufweist, und dass eine Steuervorrichtung (24) vorgesehen ist, die die Pilotlaser in Abhängigkeit von den Signalen der Detektionseinrichtung (46, 50) ein- oder ausschaltet.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung einen Laserbearbeitungskopf (18), der die Beobachtungseinrichtung (36) trägt, eine den Laserbe arbeitungskopf (18) tragende Positionsierungs- und Orientierungseinrichtung (14), die eine Antriebseinrichtung (17) zur Bewegung des Laserbearbeitungskopfs (18) aufweist, und eine Antriebssteuereinrichtung (24) zur Steuerung der Antriebseinrichtung (17) umfasst, mit der die Positionierungsgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs (18) wenigstens in Richtung auf die Beobachtungsposition zu in Abhängigkeit von den Signalen der Detektionseinrichtung (46, 50) steuerbar ist.
Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laser unter Verwendung einer Beobachtungseinrichtung (36) zur Beobachtung eines zu bearbeitenden Bereichs des Werkstücks, bei dem berührungslos geprüft wird, ob ein Gegenstand, insbesondere ein Teil eines menschlichen Kopfes, sich in einem vorgegebenen, der Beobachtungseinrichtung (36) zugeordneten Überwachungsbereich befindet, und während der Anwesenheit eines solchen Gegenstands in dem Überwachungsbereich der zur Bearbeitung eines Werkstücks dienende Laserstrahl abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prüfung der Anwesenheit eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes infrarote Strahlung oder sichtbares Licht verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prüfung der Anwesenheit eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes ein kapazitiver Näherungsschalter (50) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prüfung der Anwesenheit eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes geprüft wird, ob sich ein menschliches Auge über der Lichtaustrittsöffnung befindet.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Lichtaustrittsöffnung gepulstes Licht in einen Bereich gestrahlt wird, in dem sich bei Beobachtung ein Auge befindet, und aus diesem Bereich reflektiertes Licht detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass während der Anwesenheit eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes, in dem Überwachungsbereich zur Positionierung eines zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahls auf ein Werkstück dienende Pilotlaser ausgeschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass während der Anwesenheit eines Gegenstands, insbesondere eines Teils eines menschlichen Kopfes, in dem Überwachungsbereich eine Bewegungsgeschwindigkeit des die Beobachtungseinrichtung (36) tragenden Laserbearbeitungskopfs wenigstens in Richtung auf die Beobachtungsposition zu begrenzt wird.