DE102006038795A1

DE102006038795A1 - Überwachungsvorrichtung für eine Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102006038795A1
Application number: DE102006038795A
Authority: DE
Inventors: Erwin Martin Heberer
Original assignee: FFT EDAG Produktionssysteme GmbH and Co KG
Current assignee: FFT EDAG Produktionssysteme GmbH and Co KG
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2006-08-18
Publication date: 2008-03-20
Also published as: US8094036B2; JP2010500925A; US20100164739A1; WO2008019847A1; EP2059365A1

Abstract

Es wird eine Überwachungsvorrichtung (10) für eine Laserbearbeitungsvorrichtung (12) beschrieben, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung (12) eine oder mehrere Laserstrahlen (13) aufweist, der oder die jeweils in einer vorgegebenen, einstellbaren Bahnkurve (14, 16) entlang eines Werkstücks (18) zu dessen Bearbeitung, wie Schweißen, Löten, Schneiden, Bohren oder dergleichen verfahren werden, und wobei sich diese Bearbeitung in Serienfertigung der Werkstücke (18) von Werkstück (18) zu Werkstück (18) wiederholt. Die Überwachungsvorrichtung (10) zeichnet sich durch ein oder mehrere Sensoren (20, 22) aus, welche oder welcher das Prozesssignal (24) der Bearbeitung in einem dreidimensionalen Raumabschnitt (26) überwachen, wobei der oder die Sensoren (20, 22) eine Warn- oder Abschaltvorrichtung (28) für den Laserstrahl (13) aktivieren, sofern das oder die Prozesssignale (24) in dem Raumabschnitt (26) einen vorgegebenen Schwellwert über- oder unterschreiten (Figur 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die einen oder mehrere Laserstrahlen aufweist, der oder die jeweils in einer vorgegebenen, einstellbaren Kurve entlang eines Werkstücks zu dessen Bearbeitung, wie Schweißen, Schneiden, Bohren oder dergleichen, verfahren werden, und wobei sich diese Bearbeitung in Serienfertigung der Werkstücke von Werkstück zu Werkstück wiederholt.
Stand der Technik
Aus der DE 94 03 822 U1 ist bereits eine Überwachungsvorrichtung für Laserstrahlen bekannt, bei der ein optisch transparentes Bauteil der Bearbeitungsoptik zur Erfassung einer Streustrahlung an einer Messeinrichtung angeschlossen ist. Die Steuereinheit ist so ausgelegt, dass die Laserstrahlung bei einem vorbestimmten Überschreiten oder Unterschreiten eines Referenzwertes abgeschaltet wird. Dabei wird dasjenige optische Bauteil überwacht, welches dem Werkstück am nächsten ist, als beispielsweise ein Schutzglas, das die Fokussieroptik vor Verschmutzung schützen soll. Die Größe der Streustrahlung dieses Bauteils ist bei ungeänderter Laserleistung grundsätzlich konstant. Bei einer positiven oder negativen Abweichung der gemessenen Streustrahlung besteht daher eine Störung der Strahlungsübertragung von der Laserquelle zum Werkstück, so dass ein Abschalten des Lasers angezeigt sein kann. Diese Überwachungsvorrichtung ist jedoch nicht an eine Serienfertigung einer Vielzahl von Werkstücken angepasst, bei der oder die Laserstrahlen entlang vorgegebener, gleicher bzw. einstellbarer Bahnkurven verfahren werden.
Die DE 10 2004 041 682 A1 offenbart einen CO₂-Laserbearbeitungskopf mit integrierter Überwachungseinrichtung. Der Kopf weist eine Linse auf, durch welche der Laserstrahl auf ein Werkstück gerichtet wird. Eine Überwachungseinrichtung ist zum Überwachen der Bearbeitungsoptik auf Defekte und Kontamination vorgesehen und umfasst eine Vielzahl von Leuchtdioden und Photodioden, die um die CO₂-Laserstrahlung verteilt auf eine optisch wirksame Oberfläche der Bearbeitungsoptik ausgerichtet sind, um über die Erfassung von Reflexions- und Streuanteilen der Leuchtdiodenstrahlung auf Defekte und Kontamination der optisch wirksamen Oberfläche der Bearbeitungsoptik schließen zu können.
Eine weitere, recht komplex ausgebildete Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit einer Überwachungsvorrichtung ist aus der EP 0 407 598 B1 bekannt. Diese Vorrichtung basiert auch auf einer Reflexion des Laserstrahls an der Werkstückoberfläche, wobei ein maximaler Ausgangswert mittels einer komplexen Rechenformel berechnet werden kann.
Problem
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Überwachungsvorrichtung für eine Laserbearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass bei einer Serienfertigung von Werkstücken, bei denen der Laserstrahl entlang einer vorgegebenen einstellbaren Bahnkurve wiederholt verfahren wird, eine einfache Erkennung eines Fehlerfalls vermieden wird.
Nach einem Nebenaspekt besteht eine weitere Aufgabe darin, dass bei Laserprozessen mit Hochleistungslasern in Verbindung mit Optik in großer Brennweite die Laserschutzwände im Fehlerfall nicht zu hohen Belastungen unterworfen sind und mittels der Überwachungsvorrichtung ein Abschalten des Laserstrahls auch zum Schutz der Laserschutzwände erfolgt. Hierdurch soll der Tatsache Rechnung getragen werden, dass die bisher verwendeten Laserschutzwände bei den neuen Hochleistungslasern einer erheblich höheren Leistungsdichte ausgesetzt sind, so dass ein Rückgriff auf die physikalische Eigenschaft "Wärmeleitung" nicht mehr in dem Umfang wie früher genutzt werden kann.
Erfindung und vorteilhaften Wirkungen
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei der Überwachungsvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen im Wesentlichen dadurch gelöst, dass ein oder mehrere Sensoren, welcher oder welche das Prozesssignal der Bearbeitung in einem dreidimensionalen Raumabschnitt überwachen, vorgesehen sind, wobei der oder die Sensoren eine Warn- oder Abschaltvorrichtung für den Laserstrahl aktivieren, sofern das Prozesssignal in dem Raumabschnitt einen vorgegebenen Schwellwert über- oder unterschreitet.
Da in der Regel die Bahnkurven, die der oder die Laserstrahlen je nach Form des zu bearbeitenden Werkstücks abfährt bzw. abfahren, vorprogrammiert sind, wiederholt sich die Bearbeitung in einer Serienfertigung ständig von Werkstück zu Werkstück. Hierdurch ist es ermöglicht, den Wirkungsbereich des Laserstrahls bzw. den Verlauf der Bahnkurve des Laserstrahls von der Startposition zur Endposition räumlich einzugrenzen, so dass ein Raumabschnitt bzw. ein Segmentbereich definiert werden kann, in dem das Prozesssignal unterhalb oder oberhalb eines bestimmten Schwellwertes im Normalfall zu liegen kommt. Werden Abweichungen hiervon festgestellt, wird der Laserstrahl mittels einer Abschaltvorrichtung abgeschaltet. Alternativ oder auch zusätzlich hierzu kann eine Warnvorrichtung aktiviert werden.
Nach einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Prozesssignal ein optisches oder auch akustisches Signal ist und der oder die Sensoren entsprechend als optische und/oder akustische Detektoren ausgebildet sind. Insbesondere beim Laserschweißen oder -löten können neben einem Prozessleuchten auch akustische Prozesssignale auftreten, die ggf. mit entsprechend angepassten Sensoren detektiert werden können.
Bei dem Einsatz von auf optische Wellenlängen empfindlichen Sensoren bietet es sich an, dass diese Sensoren auf die laserspezifischen Wellenlängen der eingesetzten Laserstrahlen abgestimmt sind.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht die Möglichkeit, das Prozesssignal unmittelbar von dem Laserstrahl zu wenden oder aber auch mittelbar von der Bearbeitungsstelle des Werkstückes abzunehmen.
Weiterhin bietet es sich an, zwei oder mehrere Sensoren einzusetzen, deren Signale in einer Recheneinheit ausgewertet werden. Die Auswertung erfolgt unter Berücksichtigung des räumlichen Erfassungsbereichs bzw. Blickwinkels eines jeden der Sensoren, so dass hierdurch ermöglicht wird, einen vorgegebenen, dreidimensionalen Raumabschnitt auf Prozesssignale des Bearbeitungsprozesses zu überwachen.
Bevorzugt werden nach einer vorteilhaften Alternative der Recheneinheit auch die Daten der einen oder mehreren Bahnkurven zugeführt, entlang der der Laserstrahl über das Werkstück verfahren wird. Hierdurch wird eine noch höhere Aussagekraft bezüglich des etwaigen Eintretens eines Fehlerfalls herbeigeführt.
Dabei bietet es sich an, dass der Raumabschnitt jeweils auch die eine oder mehreren Bahnkurven einschließt und ein Absinken des Prozesssignals unterhalb eines Schwellwerts zu einer Aktivierung der Warn- oder Abschaltvorrichtung führt. Insbesondere kann dieser Schwellwert der maximalen Laserlichtintensität beziehungsweise Prozesssignalintensität entsprechen, so dass bereits ein geringfügiges Absinken der Intensität des Laserlichtes beziehungsweise Prozesssignals zum Erkennen des Fehlerfalls führt.
Alternativ kann es auch hierzu vorgesehen sein, dass der Raumabschnitt die Bahnkurve nicht einschließt, sondern in der Nachbarschaft der Bahnkurve liegt, und ein Ansteigen des Prozesssignals über einen Schwellwert zu einer Aktivierung der Warn- oder Abschaltvorrichtung führt. Im einfachsten Fall kann dieser Schwellwert bei Null liegen, so dass bereits die Detektion einer nur sehr geringen Intensität der Laserwellenlänge beziehungsweise der Wellenlänge des Prozesssignals zum Erkennen eines Fehlerfalles führt. Insoweit ist es auch von Vorteil, dass die Sensoren auf die Wellenlänge des Laserlichtes beziehungsweise Prozesssignals empfindlich sind.
Schließlich bietet es sich an, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung von Laserschutzwänden umgeben ist, und die Überwachungsvorrichtung durch Abschalten des Laserstrahls mittels der Abschaltvorrichtung zum Schutz der Laserschutzwände dient.
Ausführungsbeispiel
Weitere Ziele, Vorteile, Anwendungsmöglichkeiten und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Die einzige 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung 10 für eine Laserbearbeitungsvorrichtung 12, die einen oder mehrere Laserstrahlen 13 aufweist. Der oder die Laserstrahlen werden in einer vorgegebenen, einstellbaren Bahnkurve 14, 16 entlang eines Werkstücks 18 zu dessen Bearbeitung verfahren, wobei sich diese Bearbeitung in Serienfertigung von Werkstück 18 zu Werkstück 18 wiederholt. Die Bearbeitung des Werkstückes kann in Form von Schweißen, Löten, Schneiden, Bohren oder dergleichen, erfolgen.
Die Überwachungsvorrichtung 10 weist einen oder mehrere Sensoren 20, 22 auf, der oder die das Prozesssignal 24 der Bearbeitung in einem dreidimensionalen Raumabschnitt 26 überwachen, wobei der oder die Sensoren 20, 22 eine Warn- oder Abschaltvorrichtung 28 für den Laserstrahl 13 aktivieren, sofern das oder die Prozesssignale 24 in dem Raumabschnitt 26 einen vorgegebenen Schwellwert über- oder unterschreiten. Das Prozesssignal 24 kann ein optisches oder akustisches Signal sein, was von der jeweiligen Bearbeitung des Werkstückes 18 mittels des Laserstrahls 13 abhängen kann. Insoweit sind der oder die Sensoren 20, 22 entsprechend als optische und/oder akustische Detektoren ausgebildet. Sofern es sich um optische Sensoren 20, 22 handelt, sind diese von Vorteil auf die laserspezifische Wellenlänge der eingesetzten Laserstrahlen 13 abgestimmt.
Das Prozesssignal 24 kann unmittelbar von dem Laserstrahl 13 abgeleitet bzw. gewonnen werden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, das Prozesssignal 24 mittelbar von der Bearbeitungsstelle 30 des Werkstücks 18 zu erhalten.
Bevorzugt gelangen zwei oder auch mehrere Sensoren 20, 22 zur Anwendung, deren Signale in einer Recheneinheit 32 ausgewertet werden. Der Recheneinheit 32 können auch zusätzlich die Daten 34 der einen oder mehreren Bahnkurven 14, 16 zugeführt Herden.
Die Überwachung mittels Überwachungsvorrichtung 10 kann einerseits derart erfolgen, dass der Raumabschnitt 26 jedenfalls auch die eine oder mehreren Bahnkurven 14, 16 einschließt und dann ein Absinken des Prozesssignals 24 unterhalb eines Schwellwertes bzw. in einen bestimmten definierten Schwellwertbereich zu einer Aktivierung der Warn- oder Abschaltvorrichtung 28 führt.
Alternativ zu dieser Maßnahme kann es sich auch anbieten, dass der Raumabschnitt 26 die Bahnkurven 14, 16 nicht einschließt, sondern in der Nachbarschaft der Bahnkurven 14, 16 liegt, wobei dann ein Ansteigen des Prozesssignals 24 über einen Schwellwert oder in einem bestimmten Schwellwertbereich zu einer Aktivierung der Warn- oder Abschaltvorrichtung 28 führt.
Einerseits besteht somit die Möglichkeit, den dreidimensionalen Raumabschnitt zu überwachen, indem sich der Laserstrahl bzw. das Prozesssignal im fehlerfreien Fall normalerweise aufhalten soll, wobei dann ein Absinken der Aktivitäten zur Erkennung eines Fehlerfalls herangezogen wird. Andererseits kann auch der dreidimensionale Raumabschnitt, angrenzend an die Bahnkurven, überwacht werden, in denen sich normalerweise im fehlerfreien Fall Prozessaktivitäten nicht oder nur in geringem Maße erkennen lassen. Ein Ansteigen der Prozesssignale in diesem Bereich wird dann zur Erkennung eines möglichen Störfalls herangezogen.
Die Überwachungsvorrichtung 10 kann von Vorteil auch dann zur Anwendung gelangen, wenn die Laserbearbeitungsvorrichtung 12 von Laserschutzwänden umgeben ist und die Überwachungsvorrichtung 10 durch Abschalten des Laserstrahls mittels der Abschaltvorrichtung 28 zum Schutz der Laserwände eingesetzt wird.

10: Überwachungsvorrichtung
12: Laserbearbeitungsvorrichtung
13: Laserstrahl
14: Bahnkurve
16: Bahnkurve
18: Werkstück
20: Sensor
22: Sensor
24: Prozesssignal
26: Raumabschnitt
28: Abschaltvorrichtung
30: Bearbeitungsstelle
32: Recheneinheit
34: Daten

Claims

Überwachungsvorrichtung (10) für eine Laserbearbeitungsvorrichtung (12), die einen oder mehrere Laserstrahlen (13) aufweist, der oder die jeweils in einer vorgegebenen, einstellbaren Bahnkurve (14, 16) entlang eines Werkstücks (18) zu dessen Bearbeitung, wie Schweißen, Schneiden, Löten, Bohren oder dergleichen, verfahren werden, und wobei sich diese Verarbeitung in Serienfertigung der Werkstücke (18) von Werkstück (18) zu Werkstück (18) wiederholt, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Sensoren (20, 22), welcher oder welche das Prozesssignal (24) der Bearbeitung in einem dreidimensionalen Raumabschnitt (26) überwachen, wobei der oder die Sensoren (20, 22) eine Warn- oder Abschaltvorrichtung (28) für den Laserstrahl (13) aktivieren, sofern das oder die Prozesssignale (24) in dem Raumabschnitt (26) einen vorgegebenen Schwellwert über- oder unterschreiten.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozesssignal (24) ein optisches oder akustisches Signal ist und der oder die Sensoren (20, 22) entsprechend als optische und/oder akustische Detektoren ausgebildet sind.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensoren (20, 22) auf die laserspezifische Wellenlänge der Laserstrahlen (13) abgestimmt sind.
Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozesssignal (24) unmittelbar von dem Laserstrahl (13) oder mittelbar von der Bearbeitungsstelle (30) des Werkstücks (18) gewonnen wird.
Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Sensoren (20, 22) zur Anwendung gelangen, deren Signale in einer Recheneinheit (32) ausgewertet werden.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Recheneinheit (32) auch die Daten (34) der einen oder mehreren Bahnkurven (14, 16) zugeführt werden.
Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumabschnitt (26) jedenfalls auch wenigstens eine Bahnkurve (14, 16) oder auch sämtliche Bahnkurven (14, 16) einschließt und ein Absinken des Prozesssignals (24) unterhalb eines Schwellwertbereiches zu einer Aktivierung der Warn- oder Abschaltvorrichtung führt.
Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumabschnitt (26) die Bahnkurve (14, 16) nicht einschließt, sondern in der Nachbarschaft dieser Bahnkurve (14, 16) liegt, und ein Ansteigen des Prozesssignals (24) über einen Schwellwertbereich zu einer Aktivierung der Warn- oder Abschaltvorrichtung (28) führt.
Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung (12) von Laserschutzwänden umgeben ist und die Überwachungsvorrichtung (10) durch Abschalten des Laserstrahls (13) mittels der Abschaltvorrichtung (28) zum Schutz der Laserschutzwände dient.