DE102004041682B4

DE102004041682B4 - CO2-Laserbearbeitungskopf mit integrierter Überwachungseinrichtung

Info

Publication number: DE102004041682B4
Application number: DE102004041682A
Authority: DE
Inventors: Michael Nittner; Frank Seidel
Original assignee: Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
Current assignee: Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2024-08-26
Also published as: US20060043077A1; DE102004041682A1

Abstract

CO2-Laserbearbeitungskopf mit einer Bearbeitungsoptik, bestehend aus wenigstens einer Linse 1, durch welche eine CO2-Laserstrahlung 2 auf ein Werkstück 3 gerichtet wird und einer Überwachungseinrichtung zum Überwachen der Bearbeitungsoptik auf Defekte und Kontamination, umfassend eine Vielzahl von Leuchtdioden 4 und Fotodioden 5, die um die CO2-Laserstrahlung 2 verteilt auf eine optisch wirksame Oberfläche der Bearbeitungsoptik gerichtet sind, um über die Erfassung von Reflexions- und Streuanteilen der Leuchtdiodenstrahlung auf Defekte und Kontamination der optisch wirksamen Oberflächen der Bearbeitungsoptik schließen zu können.

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf mit einer Bearbeitungsoptik, durch welche eine CO₂-Laserstrahlung auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet wird. Zur Überwachung der Bearbeitungsoptik, die in der Regel aus einer Linse oder einer Linse und einem in Strahlungsrichtung nachgeordneten Schutzglas besteht, auf Kontamination und Defekte ist in dem Laserbearbeitungskopf eine Überwachungseinrichtung integriert. Derartige Lösungen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wovon die EP 1 398 612 A1 als der Erfindung am naheliegendsten Lösung ermittelt wurde.

In der DE OS 38 07 873 A1 ist ein solcher Laserbearbeitungskopf aufgezeigt, indem ein für Infrarotstrahlung empfindlicher Sensor angeordnet ist, der die von einer Linse abgegebene Wärmestrahlung detektiert. Defekte in der Linse führen zu einer übermäßigen Erhöhung der Temperatur der Linse im Bereich des Defektes und damit zu einem Anstieg der abgegebenen Wärmestrahlung. Überschreitet die detektierte Wärmestrahlung einen vorgegebenen Schwellwert, wird die Laserstrahlung abgeschalten, um eine Zerstörung der Linse durch örtliche Überhitzung zu verhindern.

Auch die in der DE 202 06 255 U1 offenbarte CO₂-Laservorrichtung weist eine Einrichtung zur Erzeugung eines Abschaltsignals für den Laser auf. Die Reduzierung der Transmission einer Linse bzw. eines Schutzglases infolge von Ablagerungen kleiner Materialspuren des zu bearbeitenden Werkstückes oder entstehender Verbrennungsrückstände wird als Problem herausgestellt. Mit der Verringerung der Transmission erhöht sich die Absorption und damit die Erwärmung, die bis zur Zerstörung der Linse führen kann. Zur Detektion der Wärmestrahlung ist wenigstens ein Temperatursensor in der Nähe des Außenumfangs der Linse angeordnet, der zur Erzeugung eines Abschaltsignals für den Laser eine geringe Zeitkonstante des Signalanstieges aufweist. Um den Umgebungseinfluss bzw. die Umgebungstemperatur des Temperatursensors kompensieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn eine oder mehrere Temperaturmesseinrichtungen die Gehäusetemperatur des mindestens einen Temperatursensors als Referenzwert aufnehmen.

In der DE 195 07 401 A1 wird ein einzelnes Bauteil einer Bearbeitungsoptik, vorzugsweise jenes, welches dem Werkstück am nächsten ist, beispielsweise ein Schutzglas, das die Fokussieroptik vor Verschmutzung schützen soll, durch Erfassung der Streustrahlung dieses Bauteils überwacht. Davon ausgehend, dass der Wert der Streustrahlung bei ungeänderter Laserleistung grundsätzlich konstant ist, kann bei einer positiven oder negativen Abweichung der gemessenen Streustrahlung auf eine Störung der Strahlungsübertragung von der Laserquelle zum Werkstück geschlossen werden. Solche Störungen werden im Wesentlichen durch Defekte hervorgerufen, die durch die thermische Belastung infolge der Laserstrahlungseinwirkung an den Bauteilen der Bearbeitungsoptik entstehen und durch die Verschmutzung der dem Werkstück am naheliegendsten Oberfläche der Bearbeitungsoptik. Bei Überschreitung bzw. Unterschreitung des erfassten Messwertes gegenüber einem vorgegebenen Referenzwert wird ein Signal abgegeben bzw. der Laser ausgeschaltet.

Um insbesondere die werkstückseitige Verschmutzung der Bearbeitungsoptik überwachen zu können, wird die Überwachungsvorrichtung so ausgestaltet, dass der Detektor oder das freie Ende einer Glasfaser, deren anderes Ende mit dem Detektor verbunden ist, an einer ebenen Fläche des werkstückseitigen Bauteils angebracht ist. Wenn es darauf ankommt, auch andere Bauteile der Bearbeitungsoptik zu überwachen, z. B. eine Innenlinse, kann ein Detektor auch hier angebracht werden.

Bei der in der DE 196 05 018 A1 beschriebenen Anordnung wird der Anteil eines transversal in das zu überwachende Schutzglas eingekoppelten Anteils der Laserstrahlung überwacht. Mit zunehmender Verschmutzung des Schutzglases wird dieser Anteil zunehmend an der verschmutzten werkstückseitigen Oberfläche gestreut und wird von einem stirnseitig angebrachten Strahlungssensor erfasst.

Zwar wird in der Schrift angegeben, dass mit dieser Lösung sowohl eine online als auch eine offline Überwachung möglich ist, wie jedoch die offline Überwachung funktionieren soll, wenn der Bearbeitungslaser nicht eingeschaltet ist, bleibt im Dunkeln. Eine vergleichbare Lösung ist in der WO 98/33059 offenbart.

Gegenüber diesen beiden letztgenannten Lösungen soll die DE 101 13 518 A1 eine Verbesserung sein, da sie nicht den Nachteil hat, dass die Messung der Streustrahlung über den Schutzglasrand erfolgt.

Aus der DE 101 13 518 A1 ist ein Laserbearbeitungskopf mit einer Linsenanordnung und einem Schutzglas bekannt, bei dem eine auf ein Schutzglas ausgerichtete Strahlungsdetektoranordnung in Strahlungsrichtung vor oder hinter dem Schutzglas außerhalb des Strahlengangs des Laserstrahles vorhanden ist. Die Strahlungsdetektoranordnung kann auch in Strahlungsrichtung vor der Linsenanordnung angeordnet sein, so dass sämtliche Streustrahlung kommend vom Schutzglas und der Linsenanordnung detektiert wird.

Die Strahlungsdetektoranordnung umfasst zwingend einen Streustrahlungsdetektor, der vorteilhaft in das Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes eingelassen ist, und vorteilhaft einen Detektor zur Messung der Intensität des Laserstahls, auf den ein ausgekoppelter Anteil der Laserstrahlung gelenkt wird. Dadurch lässt sich in einfacher Weise ein Referenz-Streustrahlungswert erhalten. Ohne eine Erfassung eines Referenz-Streustrahlungswertes dürfte eine solche Überwachung allerdings nur dann funktionieren, wenn die Laserleistung während des Betriebes immer die gleiche ist und konstant gehalten wird.

Alle vorgenannten Lösungen nutzen für die Überwachung die Bearbeitungslaserstrahlung bzw. eine Wärmestrahlung, bewirkt durch die Bearbeitungslaserstrahlung, und sind daher nur für eine Überwachung im online Betrieb des Laserbearbeitungskopfes geeignet.

Bei den Lösungen, bei denen Strahlungsanteile der Bearbeitungslaserstrahlung detektiert werden, werden die Messsignale nicht nur durch Veränderungen an den zu überwachenden Bauteilen beeinflusst, sondern auch durch Änderungen der Laserleistung, so dass die aktuelle Laserleistung mit überwacht werden muss bzw. für unterschiedlich einstellbare Laserleistungen, die während eines Bearbeitungsprozesses jeweils konstant gehalten werden müssen, müssen unterschiedliche Referenzwerte festgelegt werden, mit denen die Messwerte zu vergleichen sind, um bei deren Überschreitung Aktivitäten auszulösen.

In der DE 198 39 930 C1 ist eine Einrichtung zur Überwachung eines Schutzelementes einer Laseroptik beschrieben, bei der mindestens eine zur Bearbeitungslaserstrahlungsquelle zusätzliche Lichtquelle und mindestens ein Lichtdetektor an die seitliche Fläche des zu überwachenden Schutzelementes angekoppelt sind. Vorteilhaft sind an Lichtdetektoren Filter vorgeschaltet, welche für die Wellenlänge des Bearbeitungslasers und die Wellenlänge der Lichtquelle, jedoch nicht für das Umgebungslicht durchlässig sind. Vorteilhaft werden zusätzlich ein oder mehrere Temperatursensoren, von denen ein Teil schnell und ein Teil langsam auf Temperaturveränderungen reagiert, vorgesehen. Als Lichtquellen werden vorteilhaft Leuchtdioden und als Lichtdetektoren Fotodioden verwendet. Sollten diese aus Platzgründen nicht unmittelbar an der seitlichen Fläche des Schutzelementes anzubringen sein, so können sie über Lichtleiter angekoppelt werden.

Obwohl nicht ausdrücklich erwähnt, kann diese Lösung für eine online und auch eine offline Überwachung verwendet werden. Nachteilig ist, dass nur ein optisches Element überwacht werden kann und ein Austausch von defekten Leucht- oder Fotodioden immer mit der Demontage des Schutzelementes einhergehen muss.

Aus der EP 1 354 664 A1 entnimmt der Fachmann eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen eines optischen Elementes, auf Defekte und Kontamination, die aus wenigstens einem Detektor und einer Lichtquelle besteht. Die Lichtquellen sind so zum optischen Element angeordnet, dass deren Strahlung in die dem Werkstück abgewandte Oberfläche eingekoppelt und an der dem Werkstück zugewandten Oberfläche reflektiert wird. Zur Erfassung des reflektierten Lichtstrahles werden zwei Alternativen für die Anordnung der Detektoren vorgeschlagen, nämlich eine Anordnung seitlich zu dem optischen Element oder im Bereich der dem Werkstück abgewandten Oberfläche. Es werden keine Angaben gemacht über die Relativlage der Lichtquellen zu den Detektoren, die für eine sichere Erfassung ausschließlich reflektierter Strahlung von Bedeutung ist.

Die EP 1 398 612 A1 offenbart eine vergleichbare Vorrichtung, die allerdings nur eine Lichtquelle und einen Detektor umfasst.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Laserbearbeitungskopf mit integrierter Überwachungseinrichtung zu schaffen, bei dem eine Bearbeitungsoptik, die auch aus mehreren Bauteilen bestehen kann, online und offline überwacht bzw. geprüft werden kann.

Diese Aufgabe wird für einen Laserbearbeitungskopf der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Hierzu zeigt:
1a eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes
1b Darstellung der Anordnung der Leucht- und Fotodioden gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
Der in 1a dargestellte Laserbearbeitungskopf umfasst als wesentliche Merkmale die Bearbeitungsoptik, hier eine Linse 1, durch welche eine CO₂-Laserstrahlung 2 auf das Werkstück 3 gerichtet wird. Zur Überwachung der optisch wirksamen Oberflächen der Linse 1 ist eine Überwachungseinrichtung vorhanden, die aus einer Vielzahl von Sendern, hier Leuchtdioden 4, und einer Vielzahl von Detektoren, hier Fotodioden 5, sowie einer nichtdargestellten Auswerte- und Steuerelektronik besteht, die eingangsseitig mit den Fotodioden 5 und ausgangsseitig mit einer nichtdargestellten Lasersteuerung und einem nichtdargestellten Signalgeber verbunden ist.
Die Leuchtdioden 4 und die Fotodioden 5 sind jeweils in einer Ebene gleichmäßig verteilt, außerhalb des Strahlungsverlaufes der CO₂-Laserstrahlung 2 auf der dem Werkstück 3 abgewandten Seite der Linse 1 angeordnet (siehe 1b). Dabei weist die Ebene, in der die Fotodioden 5 angeordnet sind, einen größeren Abstand zur Linse 1 auf, als die Ebene, in der die Leuchtdioden 4 angeordnet sind. Damit wird vermieden, dass die Leuchtdiodenstrahlung der Leuchtdioden 4 direkt auf die Fotodioden 5 auftreffen kann. Je mehr Leucht- und Fotodioden 4, 5 verwendet werden, desto besser kann auch eine konvex gekrümmte Linsenoberfläche beleuchtet bzw. von ihr reflektiertes und gestreutes Licht empfangen werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sollen jeweils 4 Leucht- und Fotodioden 4, 5 Verwendung finden. Damit die Leuchtdioden 4 den Detektionsbereich der Fotodioden 5 nicht abschatten, sind die Dioden (Leuchtdioden 4 und Fotodioden 5) abwechselnd auf einem Kreisring angeordnet oder sie sind, wie in 1b gezeigt, jeweils auf Kreisringen unterschiedlicher Durchmesser platziert.
Die zu verwendenden Fotodioden 5 reagieren auf die Wellenlänge der CO₂-Laserstrahlung 2 unempfindlich, so dass ihr Messsignal somit nicht durch reflektierte oder gestreute Strahlungsanteile der CO₂-Laserstrahlung 2 beeinflusst wird.
Damit die bei der Werkstückbearbeitung auftretenden Leuchterscheinungen die Messwerte unbeeinflusst lassen, wird vorteilhaft eine für die CO₂-Laserstrahlung 2 undurchlässige Schicht auf die werkstückseitige Oberfläche der Linse 1 aufgetragen. Dadurch, dass die gemessene Streu- und Reflexionsstrahlung nicht durch die CO₂-Laserstrahlung 2, sondern durch eine zusätzliche Strahlung bewirkt wird, ist das Messergebnis von Leistungsschwankungen oder gezielten Leistungsänderungen der CO₂-Laserstrahlung 2 unabhängig. Durch die Verwendung von Leuchtdioden 4, die eine dauerhaft konstante Leuchtkraft haben, können einmalig abgespeicherte Referenzwerte als Schwellwerte verwendet werden.
Mit der erfindungsgemäßen Überwachung kann im Unterschied zur DE 198 39 930 C1 nicht nur reflektierte bzw. gestreute Leuchtdiodenstrahlung an den begrenzenden Flächen eines optisches Bauteils erfasst werden, sondern auch solche von weiteren in Strahlungsrichtung liegenden optisch wirksamen Flächen.
Wenn also die Bearbeitungsoptik aus mehreren Bauteilen besteht, praktisch könnte das eine Linse 1 und ein Schutzglas sein, werden tatsächlich auch beide Bauteile überwacht. Die Erhöhung der auf die Fotodioden 5 auftreffenden Reflexions- und Streustrahlung infolge von Defekten oder einer störenden Verschmutzung ist so groß, dass, selbst wenn diese Erscheinungen an der Außenfläche des Schutzglases auftreten, die aus Sicht der Fotodioden 5 die vierte optisch wirksame Fläche ist, eine spürbare Messsignalerhöhung erfasst wird.
Vorteilhaft werden in der Auswerte- und Steuerelektronik mehrere Referenzsignale als Schwellwerte abgespeichert, um z. B. bei deren Überschreitung unterschiedliche Aktivitäten auszulösen, wie die Abgabe von Warnsignalen oder das Abschalten des Lasers. Vorteilhaft ist auch, wenn die Auswerte- und Steuerelektronik so ausgelegt wird, dass zwischen einem kontinuierlichen und einem abrupten Anstieg der Messsignale unterschieden werden kann, um unabhängig von der Signalhöhe an Hand diesem Kriterium auf Defekte, die abrupt entstehen bzw. eine zunehmende Verschmutzung aufweisen, zu schließen.
Es können auch Fotodioden 5 eingesetzt werden, die unterschiedliche Wellenlängenbereiche detektieren, um verschiedene Ursachen, die auf unterschiedliche Wellenlängen im Reflexions- und Streuverhalten unterschiedlich reagieren, unterscheiden zu können.
Zusätzlich zu den Fotodioden 5 können vorteilhaft Temperatursensoren vorhanden sein, um im online Betrieb ein zweites Messprinzip zu haben. Durch den Vergleich der Messergebnisse miteinander kann festgestellt werden, falls Messwertveränderungen auf defekte Messmittel zurückzuführen sind.
Die Leucht- und Fotodioden 4, 5 können auch werkstückseitig auf die Bearbeitungsoptik ausgerichtet angeordnet sein, was jedoch aufgrund der Verschmutzungsgefahr der Leucht- und Fotodioden 4, 5 nicht vorteilhaft ist.
Anstelle eines CO₂-Lasers können auch andere Lasertypen eingesetzt werden in Kombination mit Fotodioden 5, deren Detektionsbereich die Emissionswellenlänge des Lasers nicht umfasst. Prinzipiell können auch Fototransistoren anstelle der Fotodioden 5 verwendet werden.
Dem Fachmann auf dem Gebiet dieser Erfindung erschließt sich, dass die Erfindung nicht auf die Einzelheiten der vorstehend beispielhaft angeführten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass die vorliegende Erfindung in anderen speziellen Formen verkörpert sein kann, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, die durch die anliegenden Ansprüche festgelegt ist.

Claims

CO₂-Laserbearbeitungskopf mit einer Bearbeitungsoptik, bestehend aus wenigstens einer Linse 1, durch welche eine CO₂-Laserstrahlung 2 auf ein Werkstück 3 gerichtet wird, und einer Überwachungseinrichtung zum Überwachen der Bearbeitungsoptik auf Defekte und Kontamination, umfassend eine Vielzahl von Leuchtdioden 4 und Fotodioden 5, die um die CO₂-Laserstrahlung 2 verteilt auf eine optisch wirksame Oberfläche der Bearbeitungsoptik gerichtet sind, um über die Erfassung von Reflexions- und Streuanteilen der Leuchtdiodenstrahlung auf Defekte und Kontamination der optisch wirksamen Oberflächen der Bearbeitungsoptik schließen zu können, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden 4 und die Fotodioden 5 jeweils auf einem Kreisring gleichmäßig verteilt angeordnet sind und die Fotodioden 5 einen größeren Abstand zur Bearbeitungsoptik aufweisen, als die Leuchtdioden 4, um eine direkte Einstrahlung der Leuchtdiodenstrahlung in die Fotodioden 5 sicher zu verhindern.
CO₂-Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden 4 und Fotodioden 5 abwechselnd auf einem Kreisring liegen, damit die Leuchtdioden 4 den Detektionsbereich der Fotodioden 5 nicht abschatten.
CO₂-Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden 4 und Fotodioden 5 auf Kreisringen unterschiedlicher Durchmesser platziert sind, damit die Leuchtdioden 4 den Detektionsbereich der Fotodioden 5 nicht abschatten.
CO₂-Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Fotodioden 5 unterschiedliche Wellenlängenbereiche detektieren, um verschiedene Defekte oder Kontaminationen, deren Reflexions- und Streuverhalten für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich ist, unterscheiden zu können.