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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Austrittslage eines Arbeitslaserstrahls bei einem handgeführten Laserbearbeitungsgerät sowie ein handgeführtes Laserbearbeitungsgerät.
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Laserbearbeitungsgeräte für die Reinigung und Bearbeitung von Werkstücken in offener Umgebung werden während ihres Betriebes charakteristischerweise von Hand geführt. Sie können je nach Bearbeitungsaufgabe und Gerätetyp auf das Werkstück direkt aufgesetzt oder in einigem Abstand vor dem Werkstück positioniert werden. Die Positionierung kann mit Hilfe mechanischer Vorrichtungen, wie zum Beispiel Stativen oder dergleichen oder ausschließlich von Hand erfolgen. Die Einsatzorte derartiger handgeführter leistungsstarker Laserbearbeitungsgeräte oder -systeme sind typischerweise Baustellen und andere nicht strahlungsdicht abschließbare Arbeitsplätze.
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Werden derartige Laserbearbeitungsgeräte beispielsweise zur Reinigung von Oberflächen von Denkmälern eingesetzt, so geht die Hauptgefährdung für die Umgebung von fehlgerichteten frei positionierbaren Laserbearbeitungsgeräten aus. Die Fehlorientierung des Laserbearbeitungsgeräts und damit die mögliche Ausrichtung des Arbeitslaserstrahls in eine nicht gesicherte Richtung kann beispielsweise auftreten, wenn eine Bedienungsperson das eingeschaltete Laserbearbeitungsgerät fahrlässig oder störungsbedingt aus der vorgesehenen Bearbeitungslage schwenkt.
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Um hier die Sicherheit von Laserbearbeitungsgeräten zu erhöhen, wurden bereits verschiedene Methoden zur automatischen Erkennung der Fehlorientierung des Geräts bzw. des Arbeitslaserstrahls vorgeschlagen, die auf der Erfassung der fehlgerichteten Strahlung basieren. Diese Verfahren setzten jedoch die Montage geeigneter Strahlungsempfänger oder -diffusoren am Rand des zugelassenen Arbeitsbereiches voraus. Im Fall, dass Diffusoren für die Laserstrahlung benutzt werden, muss das Laserbearbeitungssystem mit geeigneten Sensoren zum Empfang diffus gestreuter Laserstrahlung ausgestattet sein. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass die zugehörigen Komponenten, also die Diffusoren und Sensoren zeitraubend zu installieren sind und außerdem auf ihre Funktion und ordnungsgemäße Installation überwacht werden müssen.
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Die
US 5,093,552 A betrifft einen am Boden fixierten Laserbearbeitungsroboter mit fünf Achsen, bei dem der Winkel des Arbeitslaserstrahls mit der Horizontalebene, auf der der Roboter steht, durch die Winkelstellung der beiden horizontalen Schwenkachsen, sowie der beiden Schwenkachsen für die den Laserbearbeitungskopf haltende Roboterhand festgestellt werden kann.
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Um Gefährdungen von Personen und Gegenständen zu vermeiden, die sich außerhalb des Bearbeitungsbereichs des Laserroboters befinden, wird ein Bereich von zulässigen Abweichungen einer Ist-Lage des Arbeitslaserstrahls von einer Referenzlage, nämlich von der Senkrechten zum Boden, dadurch festgelegt, dass ein Referenzwinkel beispielsweise auf 45° festgelegt wird, so dass der Laserstrahl abgeschaltet werden kann, wenn der Ist-Winkel kleiner als der Referenzwinkel wird, wenn sich also die Austrittsrichtung des Arbeitslaserstrahls mehr und mehr der Horizontalen nähert.
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Die
JP 04-057691 A beschreibt einen weiteren Roboter mit fünf Achsen, bei dem der Bereich der zulässigen Abweichungen unter Berücksichtigung der Werkstückgröße festgelegt wird.
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Aus der
JP 10-034369 A ist ein handgeführtes Laserbearbeitungsgerät bekannt, das mit Sicherheitseinrichtungen ausgestattet ist, um ein Alarmsignal auszugeben und den Laserstrahl abzuschalten, wenn die Neigung des Laserstrahls gegen die vertikale Richtung einen vorgegebenen Winkel einnimmt, um so die Umgebung vor austretender Laserstrahlung bei einer Fehlorientierung zu schützen.
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Aus der
DE 198 39 482 A1 ist ein weiteres handgeführtes Laserbearbeitungsgerät bekannt, bei dem Reflexionen eines Pilotstrahls und/oder Arbeitslaserstrahls mit Hilfe von mehreren Empfängern, die sich innerhalb und außerhalb einer Leiteinrichtung des Laserbearbeitungsgeräts befinden, erfasst werden, um einen Personen gefährdenden oder sachbeschädigenden Betrieb des Laserbearbeitungskopfes zu vermeiden.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung der Austrittslage eines Arbeitslaserstrahls bei einem handgeführten Laserbearbeitungsgerät sowie ein entsprechendes handgeführtes Laserbearbeitungsgerät bereitzustellen, das es auf einfache und zuverlässige Weise ermöglicht, die Handhabungssicherheit zu erhöhen und das Aussenden von leistungsstarkem Laserlicht in unerwünschte Richtungen zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß fährt also eine Bedienungsperson vor dem Einschalten des Arbeitslaserstrahls ausgehend von der Referenzlage die Grenzen eines gewünschten und/oder zulässigen Arbeitsbereichs ab, indem sie das Laserbearbeitungsgerät entsprechend bewegt. Die dabei ausgeführte Bewegung wird von geeigneten Sensoren erfasst und in einem geeigneten Format als Lagebereichsdaten abgelegt. An schließend erfolgt während der Bearbeitung eines Werkstücks oder dergleichen bei eingeschaltetem Arbeitslaserstrahl eine ständige Messung der Ist-Lage des Laserbearbeitungsgeräts und damit des Arbeitslaserstrahls. Die Ist-Lage wird dabei fortlaufend mit dem gespeicherten Bereich verglichen, um den Arbeitslaserstrahl zu unterbrechen, sobald die Ist-Lage den festgelegten gewünschten oder zulässigen Arbeitsbereich verlässt. Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass der Arbeitslaserstrahl nicht in ungewünschte Richtungen ausgesendet wird, da er in diesem Fall automatisch abgeschaltet wird.
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Beim Abfahren der Grenzen des gewünschten und/oder zulässigen Arbeitsbereiches das Laserbearbeitungsgerät nicht nur entlang der Grenze eines Bereichs in dem sich das Gerät bzw. ein darin befindlicher Referenzpunkt befinden darf, abgefahren, sondern es wird gleichzeitig gegen die Senkrechte der Werkstückoberfläche geneigt, um einen Winkelbereich einzustellen, um die bei der späteren Bearbeitung maximal erwünschte Schwenkung des Arbeitslaserstrahls zu erfassen.
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Bei einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Bereich der zulässigen Abweichungen der Ist-Lage des Arbeitslaserstrahls von der Referenzlage ein Winkelbereich ist, der um eine Soll-Austrittsrichtung des Arbeitslaserstrahls relativ zum Werkstück herum liegt.
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Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass der Bereich der zulässigen Abweichungen der Ist-Lage des Arbeitslaserstrahls von der Referenzlage ein Ortspositionsbereich für einen Referenzpunkt des Arbeitslaserstrahls ist, der einem Arbeitspositionsbereich des Arbeitslaserstrahls bei der Bearbeitung eines Werkstücks entspricht.
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Obwohl es grundsätzlich möglich ist, sowohl den Ort des Referenzpunktes im Gerät als auch die Winkellage des Arbeitslaserstrahls mit verschiedenen geeigneten Orts- und Winkeldetektoren feststellen zu können, ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, dass zur Erfassung von Bewegungen und/oder von Abweichungen der Ist-Lage des Laserbearbeitungsgeräts von der Referenzlage die auf das Laserbearbeitungsgerät wirkenden Beschleunigungen gemessen werden. Als Beschleunigungssensoren sowohl für lineare als auch für rotatorische Beschleunigungen eignen sich dabei insbesondere piezoelektrische und kapazitive Beschleunigungssensoren, die im Handel erhältlich sind.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Überwachung der Austrittslage eines Arbeitslaserstrahls, ohne dass eine feste Referenzposition vor bzw. an dem Werkstück physikalisch eingerichtet werden muss, da die Erfassung von Bewegungen mit Hilfe einer im Laserbearbeitungsgerät integrierten Sensoranordnung erfolgt. Demzufolge muss auch kein mechanischer Messkontakt (z. B. über einen Seilzug, ein Kardangelenk oder dergleichen) zwischen dem Laserbearbeitungsgerät und Werkstück oder der Referenzposition hergestellt werden.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Sensoranordnung zumindest einen Ortslagesensor umfasst, wobei die Sensoranordnung zwei, vorzugsweise drei voneinander unabhängige Ortslagesensoren zur Erfassung translatorischer Bewegungskomponenten des Laserbearbeitungsgeräts aufweist, wobei der bzw. die Ortslagesensoren translatorische Beschleunigungen erfassen.
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Um eine besonders hohe Empfindlichkeit zu erreichen ist es zweckmäßig, wenn die Sensoren der Sensoranordnung piezoelektrische Sensoren sind.
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Zur Erleichterung der Festlegung des Bereichs, innerhalb dessen sich der Arbeitslaserstrahl bewegen darf, ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Einrichtung zur Erzeugung eines Hilfslichtstrahls vorgesehen ist, der nur eine geringe Leistung aufweist und der die Austrittsrichtung des Arbeitslaserstrahls anzeigt. Ein derartiger Hilfslichtstrahl oder Pilotstrahl kann grundsätzlich von jeder beliebigen Lichtquelle erzeugt werden, wobei jedoch Laser, die im sichtbaren Bereich des Lichtes mit geringer Leistung arbeiten, besonders geeignet sind.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein stark vereinfachtes schematisches Blockschaltbild eines Laserbearbeitungsgeräts nach der Erfindung,
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2 ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild einer elektrischen bzw. elektronischen Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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3 eine vereinfachte Darstellung der Grenzen eines gewünschten und/oder zulässigen Arbeitsbereiches.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie in 1 rein schematisch dargestellt ist, weist ein Laserbearbeitungsgerät eine Fokussieroptik 10 auf, die einen von einer Laserquelle gelieferten leistungsstarken Arbeitslaserstrahl 13 in einen Arbeitsfokus 11 fokussiert. Als Laserquelle kann dabei ein Lichtleiter 12 vorgesehen sein, der mit einem leistungsstarken Laser 12' verbunden ist, der außerhalb des Laserbearbeitungsgeräts angeordnet ist, um nicht bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit dem Gerät mitbewegt werden zu müssen. Eine derartige Anordnung ist insbesondere bei handgeführten Laserbearbeitungsgeräten zweckmäßig. Es ist jedoch in Abhängigkeit von der benötigten Laserleistung auch denkbar, den eigentlichen Laser im Laserbearbeitungsgerät zu integrieren.
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Um einen Hilfslicht- oder Pilotstrahl erzeugen zu können, der die Richtung des austretenden Arbeitslaserstrahls 13, also die Richtung der optischen Achse 13' des Arbeitsstrahlengangs anzeigt, ist eine Hilfslichtquelle, insbesondere ein Hilfslaser 14 vorgesehen, der im sichtbaren Bereich arbeitet. Der Hilfslichtstrahl oder Pilotstrahl 15 wird in den Arbeitsstrahlengang mit Hilfe entsprechender optischer Elemente, die in 1 als Umlenkspiegel 16, 17 angedeutet sind, so eingekoppelt, dass der Pilotstrahl 15 mit der optischen Achse 13' zusammenfällt. Der Pilotstrahl 15 wird benötigt, um vor Einschalten des Arbeitslaserstrahls 13 das Laserbearbeitungsgerät ohne Gefährdung der Umgebung zum Werkstück ausrichten zu können und einen zulässigen Bewegungsbereich für das Laserbearbeitungsgerät einstellen zu können.
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Um die Lage des Laserbearbeitungsgeräts bei der Bearbeitung eines Werkstücks, beispielsweise bei der Reinigung eines Denkmals oder dergleichen erfassen zu können. ist eine Sensoranordnung 20 im Laserbearbeitungsgerät integriert, die, wie in 2 schematisch angedeutet ist, drei Ortslagesensoren 21, 22, 23 zur Erfassung von translatorischen Verschiebungen des Laserbearbeitungsgeräts und damit des Arbeitslaserstrahls 13 sowie zwei Winkelsensoren 24, 25 zur Erfassung der Winkellage des Arbeitslaserstrahls relativ zu einer Referenzlage aufweist. Die Ausgangssignale der Sensoranordnung 20 werden an eine Auswerteschaltung 30 geliefert, die über einen Ausgang 31 ein Abschalt- oder Steuersignal zur Unterbrechung des Arbeitslaserstrahls an eine Schaltvorrichtung 31' liefert, wenn die Orts- und Winkellage des Laserbearbeitungsgeräts nicht mehr in einem zulässigen Bereich liegt, wie unten näher beschrieben wird.
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Die Auswerteschaltung 30 umfasst ein Auswertemodul 32 mit Auswertekreisen 33, 34, 35, 36, 37 für jeden der Ortslage- und Winkelsensoren 21 bis 25, die aus den Ausgangssignalen der Ortslage- und Winkelsensoren 21 bis 25 die aktuelle Ortsposition des Bearbeitungsgeräts bzw. eines darin festgelegten Bezugspunktes relativ zu einem Ausgangspunkt und die Winkelposition der optischen Achse 13' des Arbeitsstrahlengangs relativ zu einer Referenzlage ermitteln. Für die Ortsposition werden dabei Sensoren 21, 22, 23 entsprechend den drei translatorischen Freiheitsgraden eines Körpers verwendet, die jeweils die Bewegung des Handhabungsgerätes in einer durch ein ausgewähltes Koordinatensystem vorgegebenen Richtung erfassen. Wie in 3 dargestellt ist, wird zur Vereinfachung der Beschreibung, auf ein kartesisches Koordinatensystem mit den Achsen x, y und z Bezug genommen. Es kann jedoch auch jedes andere geeignete Koordinatensystem verwendet werden.
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Zur Erfassung der Winkellage werden zwei Winkelsensoren 24, 25 eingesetzt, die die Neigung der optischen Achse 13' des Arbeitsstrahlengangs gegen eine Referenzlage in vertikaler und horizontaler Richtung ermitteln. Die Ausgangssignale der einzelnen Auswertekreise 33–35, die jeweils die Verschiebung bzw. Neigung des Bezugspunktes bzw. der optischen Achse 13' relativ zu einer Referenzlage für eine translatorische bzw. rotatorische Richtung beschreiben, werden an einen Vergleichskreis 38 geliefert, der bei einem Laserbearbeitungsvorgang die empfangenen Positionsdaten für die einzelnen translatorischen und rotatorischen Richtungen mit entsprechenden Positionsgrenzen vergleicht, die in einem Speicher 39 gespeichert sind. Diese Positionsgrenzen werden vor dem Laserbearbeitungsvorgang entweder entsprechend geeigneter Standardgrenzwerte eingegeben oder speziell für den jeweiligen Laserbearbeitungsvorgang ermittelt, wie unten im Einzelnen näher erläutert wird.
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Eine Steuerschaltung 40 steuert den Betrieb der Auswerteschaltung 30 während einer Eingabe oder Einlernphase zum Festlegen eines Bereichs zulässiger Abweichungen der Ist-Lage des Arbeitslaserstrahls 13 von der Referenzlage, also zum Ermitteln der Grenzwerte für die einzelnen Richtungen vor einer Laserbearbeitung und während der Laserbearbeitung.
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Über einen Signaleingang 41 der beispielsweise mit einem Schalter oder dergleichen verbunden ist, kann von einer Bedienungsperson ein Rücksetz- und/oder Startsignal für die einzelnen Auswertekreise 33 bis 37 des Auswertemoduls 32 und für die Steuerschaltung 40 eingegeben werden. Ein Startsignal für den Überwachungsbetrieb während einer Laserbearbeitung kann vor oder zeitgleich mit einem Signal zum Einschalten des Arbeitslaserstrahls 13 über einen Signaleingang 42 an die Steuerschaltung 40 angelegt werden.
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Um die Ortsposition s(T) zu ermitteln, werden von den Ortslagesensoren
21 bis
23 die in x-, y- und z-Richtung wirkenden Beschleunigungen gemessen. In entsprechender Weise messen die Winkelsensoren
24,
25 Winkelbeschleunigungen in vertikaler Richtung und horizontaler Richtung. Aus den gemessenen Beschleunigungen können dann durch zweimalige Integration über die Zeit die aktuellen Winkel- und Ortspositionen relativ zur Ausgangsposition des Laserbearbeitungsgeräts in den Auswertekreisen
33 bis
37 bestimmt werden. Die auf den Ort bezogene Ist-Lage zum aktuellen Zeitpunkt T ergibt sich durch folgende Gleichung:
wobei s den Ort und b die vom Ortslagesensor gemessene Beschleunigung darstellt. In entsprechender Weise ergibt sich die aktuelle Winkelposition φ(T) durch folgende Gleichung:
wobei α die vom Winkelsensor gemessene Winkelbeschleunigung und φ die augenblickliche Winkellage bezogen auf die Referenzlage ist. Die Integration wird dabei in der Einlernphase vom Beginn t = 0 der Einlernphase an bis zu deren Ende t = T durchgeführt. Während einer Laserbearbeitung kann die Integration dann entweder einfach fortgesetzt werden, sodass t = 0 weiterhin den Start der Einlernphase bedeutet, während T den aktuellen Zeitpunkt während der Laserbearbeitung darstellt. Es ist aber auch möglich, dass für die Bearbeitungsphase die Integration neu gestartet wird. In diesem Fall muss allerdings die Laserbearbeitung in der gleichen Position gestartet werden. in der die Einlernphase begonnen wurde.
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Die auf das Laserbearbeitungsgerät wirkenden Beschleunigungen treten üblicherweise in verschiedenen Raumrichtungen auf. Ihre Messung erfolgt daher bevorzugt komponentenweise. Um die Auswerteschaltung möglichst einfach zu gestalten und trotzdem zuverlässige Ergebnisse zu erzielen, erfolgt erfindungsgemäß auch die Auswertung komponentenweise. Je nach Sensorkonstruktion können grundsätzlich unterschiedliche Koordinatensysteme zur Auswertung vorteilhaft sein. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen der Austrittslage eines Arbeitslaserstrahls 13 ist jedoch nicht von dem gewählten Koordinatensystem abhängig. Für die vorliegende Beschreibung wurde das kartesische Koordinatensystem gewählt, das in 3 beispielhaft dargestellt ist.
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Wie bereits bei der Erläuterung der einzelnen Ortslagesensoren ausgeführt wurde, messen diese die Translationsbeschleunigung in x-, y- und z-Richtung, während die Winkelsensoren 24, 25 die Winkelbeschleunigung α für die vertikalen und horizontalen Komponenten messen.
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Im Folgenden wird die Einlernphase zum Festlegen der Grenzen des zulässigen Orts- und Winkelbereichs anhand von 3 beschrieben. Zur zeichnerischen Vereinfachung wurde in 3 vorausgesetzt, dass der Drehpunkt R (siehe 1) für Schwenkungen des Bearbeitungsgeräts mit dem Austrittsort des Arbeitslaserstrahls 13 aus dem Laserbearbeitungsgerät übereinstimmt, und dass dies der Bezugspunkt des Gerätes ist. Die folgenden Ausführungen gelten aber sinngemäß auch dann, wenn ein anderer Bezugspunkt gewählt wird, oder jeweils durch das konkrete Laserbearbeitungsgerät vorgegeben ist.
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Zunächst wird das Laserbearbeitungsgerät mit seinem als Bezugspunkt dienenden Drehpunkt R in die in 3 dargestellte Position 1 relativ zu einem Werkstück gebracht, dass durch den Bereich 5 in 3 angedeutet ist. Die Richtung des Arbeitsstrahlengangs 13 liegt dabei zunächst im Wesentlichen parallel zur z-Richtung, also im Wesentlichen senkrecht zum Werkstück. Diese Positionierung wird dabei mit Hilfe des eingeschalteten Pilotstrahls 15 von einer Bedienungsperson überprüft. Befindet sich das Laserbearbeitungsgerät in der gewünschten Position 1 so wird ein Startsignal über den Eingang 41 an die einzelnen Auswertekreise 33 bis 37 des Auswertemoduls 32 und an die Steuerschaltung 40 gelegt, um die einzelnen Auswertekreise 33 bis 37 auf null zurückzusetzen und die Einlernphase zu starten. Das Laserbearbeitungsgerät wird dann bei weiterhin eingeschaltetem Pilotstrahl 15 von Hand quer zur z-Richtung bewegt. sodass sich der Bezugspunkt (Drehpunkt R) entlang der Linie 1-2-3-4-1 bewegt. Dadurch wird über die Ortslagesensoren 21, 22, 23 die Lage des Rechtecks mit den Ecken 1, 2, 3, 4 erfasst. Zusammen mit der z-Richtung, also mit dem in z-Richtung liegenden Abstand zum Werkstück legt das Rechteck einen in Richtung Werkstück offenen Quader 8 fest, der den zulässigen Anwesenheitsraum des Bezugspunktes, also den Ortsbereich festlegt, innerhalb dessen sich das Laserbearbeitungsgerät bzw. sein Bezugspunkt befinden darf. Der Linienzug 1-2-3-4-1 muss dabei so gewählt werden, dass bei der späteren Laserbearbeitung der Bezugspunkt des Geräts stets mit ausreichendem Abstand zu den Grenzen des Quaders 8 liegt.
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Da die Bewegungen des Geräts beim Einlernen des zulässigen Ortsbereichs von Hand ausgeführt werden, sind diese nicht exakt geradlinig. Es werden daher zur Definition der Bereichsbegrenzung die Maximalverschiebungen in x-, y- und negativer z-Richtung als Bereichsgrenzen gespeichert. Hierzu wird, während das Laserbearbeitungsgerät entlang des Linienzugs 1-2-3-4-1 geführt wird, die jeweils aktuelle Verschiebung des Laserbearbeitungsgeräts gegenüber dem Referenzpunkt 1 mit der jeweils gespeicherten maximalen Verschiebung verglichen, und falls der aktuelle Wert größer ist als der entsprechende Maximalwert, so wird der aktuelle Wert als neuer Maximalwert gespeichert. Zur Festlegung des Rechtecks 1, 2, 3, 4 werden somit zwei x und zwei y-Werte gespeichert, die den Linien 1-2, 4-3 bzw. 1-4 und 2-3 entsprechen. Für die z-Richtung braucht nur ein einzelner Wert gespeichert werden, der dem größten zulässigen Abstand Vom Werkstück entspricht.
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Gleichzeitig mit der beschriebenen Bewegung des Bezugspunktes R entlang des Linienzugs 1-2-3-4-1 wird die optische Achse 13' des Arbeitsstrahlengangs 13, entlang der auch der Pilotstrahl 15 ausgesendet wird, in folgender Weise geschwenkt. Entlang der oberen Linie 1-2 wird die zur späteren Bearbeitung maximal erwünschte Schwenkung des Arbeitsstrahlengangs nach oben (positive Vertikalrichtung) ausgeführt, während entlang der rechten Bewegungslinie 2-3 die maximal erwünschte Schwenkung des Arbeitsstrahlengangs nach rechts (positive Horizontalrichtung) erfolgen muss. Entsprechendes gilt entlang der unteren und linken Bewegungslinien 3-4, 4-1, wo der maximal zulässige Schwenkwinkel nach unten (negative Vertikalrichtung) bzw. der maximale Schwenkwinkel nach links (negative Horizontalrichtung) erhalten wird. Auf diese Weise wird mit Hilfe der Winkelsensoren 24, 25 und den entsprechenden Auswertekreisen 36, 37 der maximal zulässige Winkelbereich innerhalb des vor dem Werkstück liegenden Raums festgelegt.
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Bei der beschriebenen Bewegung des Laserbearbeitungsgeräts entlang des Linienzugs 1-2-3-4-1 beobachtet der Bediener gleichzeitig die Spur des Pilotstrahls 15 die sich entlang des Bereiches 5 bewegt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Arbeitslaserstrahl 13 bei einer späteren Bearbeitung des Werkstücks zu keinem Zeitpunkt das Werkstück verfehlen kann. Auch für Winkelbereichsgrenzen werden die positiven und negativen Maximalwerte in Horizontal- und Vertikalrichtung ermittelt und zum Festlegen des Bereichs der zulässigen Abweichungen von der Referenzlage herangezogen. Beispielsweise wird bei der Bewegung entlang der Linie 1-2 die maximale Winkelkomponente Φv,max in vertikaler Richtung nach oben festgestellt und als Winkelbegrenzung der positiven Vertikalrichtung übernommen. Die Richtung des Arbeitslaserstrahls 13 kann dann bei einer späteren Laserbearbeitung aus keiner Bearbeitungsposition heraus den vertikalen Wert Φv,max überschreiten, da bei Erreichen dieses Grenzwertes der Arbeitslaserstrahl 13 auf ein entsprechendes Schaltsignal von der Steuerschaltung 40 hin unterbrochen wird.
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Neben diesem Normalmodus zum Einlernen der Bereichsgrenzen kann ferner ein Spezialmodus vorgesehen sein, bei dem für die Bereichsgrenzen nicht automatisch die jeweiligen Maximalwerte der verschiedenen Orts- und Winkelkomponenten als Grenzwerte gespeichert werden, sondern bei dem die Werte für die Winkelkomponenten als relative Minimalwerte ermittelt werden.
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Da der absolute Minimalwert für jede der obengenannten vier Winkelkomponenten 0° beträgt, ist es zur Ermittlung der relativen Minimalwerte erforderlich, zunächst durch Schwenken des Laserbearbeitungsgeräts einen Neigungswinkel gegenüber der Sollaustrittsrichtung des Laserstrahls einzustellen, ausgehend von dem eine kleinste Winkelkomponente Φv,min ermittelt werden soll. Im Einzelnen wird dabei so vorgegangen, dass zunächst das Laserbearbeitungsgerät beispielsweise im Punkt 1 um einen bestimmten Winkel Φv nach oben geschwenkt wird, der größer ist als der erwartete Winkel Φv,min. Anschließend wird das Einlernen des minimalen Schwenkwinkels Φv,min nach oben gestartet, und das Laserbearbeitungsgerät von Punkt 1 nach Punkt 2 bewegt. Die Ermittlung des Minimalwertes erfolgt dabei in entsprechender Weise wie die des Maximalwertes. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass vor dem Zurückschwenken des Laserbearbeitungsgeräts in seine Normallage die Einlernphase für den relativen Minimalwert von Φv,max beendet werden muss. Das Starten und Beenden kann beispielsweise mit einem geeigneten Eingabeelement erfolgen, das gleichzeitig eine Modusumschaltung zwischen dem normalen Einlernbetrieb und dem Einlernmodus zum Erfassen eines relativen minimalen Winkelwerts bewirkt.
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Der Spezialmodus zum Einlernen eines relativen Minimalwertes ist besonders vorteilhaft, wenn ein zu bearbeitendes Werkstück sehr zerklüftete Konturen mit tiefen Einschnitten aufweist. Das Laserbearbeitungsgerät kann in diesem Spezialmodus mit Hilfe des Pilotstrahls durch entsprechendes Schwenken sehr dicht am tiefsten Kontureinschnitt entlang geführt werden, wobei sich der relative minimale Schwenkwinkel ergibt, der den maximal zulässigen Schwenkwinkel relativ zur Referenzlage darstellt.
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Ferner ist es denkbar, in einem weiteren Einlernmodus die Bereichsgrenzen für den zulässigen Winkelbereich und den zulässigen Ortsbereich dadurch festzulegen, dass das Laserbearbeitungsgerät ausgehend von einem Startpunkt, beispielsweise ausgehend von dem Punkt 1 in eine Position auf der Strecke 1-2 bewegt wird, um dort in eine maximal zulässige Winkellage nach oben zu verschwenken und die in dieser Position vorliegende Winkel- und Ortswerte auf ein entsprechendes Speichersingnal hin zu speichern. Anschließend wird das Gerät dann beispielsweise auf einen Punkt der Strecke 2-3 bewegt und nach rechts geschwenkt, um dann wiederum die entsprechenden Positionsdaten zu speichern. In gleicher Weise können dann Grenzwerte für den zulässigen Orts- und Winkelbereich auf den Strecken 3-4 und 4-1 ermittelt werden. Das Eingabe- oder Speichersignal kann dabei durch Betätigen eines entsprechenden Schaltelements ausgelöst werden.
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Direkt nach dem Erfassen der Bereichsgrenzen wird das Laserbearbeitungsgerät in die gewünschte Arbeitsposition gebracht, sodass der Referenzpunkt des Gerätes innerhalb des Quaders 8 beispielsweise in der Position 6 auf der in Verlängerung der z-Achse liegt.
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Bei der nachfolgenden Laserbearbeitung messen die Ortslagesensoren 21–23 und die Winkelsensoren 24, 25 die entsprechenden Beschleunigungen aus denen die Auswertekreise 33–37 die Ortsposition des Laserbearbeitungsgeräts bzw. des Bezugspunktes dieses Geräts berechnen. Die Orts und Winkelpositionen werden dann mit den gespeicherten Grenzwerten verglichen, um bei Erreichen eines der Grenzwerte sofort eine Unterbrechung des Arbeitslaserstrahls 13 herbei zu führen.
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Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass ein handgeführtes Laserbearbeitungsgerät, das in einer offenen Umgebung betrieben wird, keinerlei schädliche Strahlung in die Umgebung abgibt.
wobei α die vom Winkelsensor gemessene Winkelbeschleunigung und φ die augenblickliche Winkellage bezogen auf die Referenzlage ist. Die Integration wird dabei in der Einlernphase vom Beginn t = 0 der Einlernphase an bis zu deren Ende t = T durchgeführt. Während einer Laserbearbeitung kann die Integration dann entweder einfach fortgesetzt werden, sodass t = 0 weiterhin den Start der Einlernphase bedeutet, während T den aktuellen Zeitpunkt während der Laserbearbeitung darstellt. Es ist aber auch möglich, dass für die Bearbeitungsphase die Integration neu gestartet wird. In diesem Fall muss allerdings die Laserbearbeitung in der gleichen Position gestartet werden. in der die Einlernphase begonnen wurde.