DE102007061718B3 - Method for determining the dimension and / or the state of a nozzle opening - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Abmessung (D) und/oder des Zustands einer insbesondere radialsymmetrischen Düsenöffnung (3) an einer Laserbearbeitungsdüse (1), umfassend die Schritte: Erzeugen einer Gasströmung (8) durch die Düsenöffnung (3), Messen eines beim Austritt der Gasströmung (8) aus der Düsenöffnung (3) erzeugten Strömungsgeräuschs, sowie Auswerten des gemessenen Strömungsgeräuschs zum Bestimmen der Abmessung (D) und/oder des Zustands der Düsenöffnung (3).The invention relates to a method for determining the dimension (D) and / or the state of a particular radially symmetrical nozzle opening (3) on a laser processing nozzle (1), comprising the steps of: generating a gas flow (8) through the nozzle opening (3), measuring a at the exit of the gas flow (8) from the nozzle opening (3) generated flow noise, and evaluating the measured flow noise for determining the dimension (D) and / or the state of the nozzle opening (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Abmessung und/oder des Zustands einer insbesondere radialsymmetrischen Düsenöffnung an einer Laserbearbeitungsdüse.The The present invention relates to a method for determining the dimension and / or the state of a particular radially symmetrical nozzle opening a laser processing nozzle.

Zur Laserbearbeitung ist am Laserbearbeitungskopf von Laserbearbeitungsmaschinen eine Laserbearbeitungsdüse angebracht, durch deren Düsenöffnung die Laserstrahlung und ein Prozessgas, z. B. Luft oder Stickstoff, austreten. Die Düsenöffnung ist in der Regel radialsymmetrisch, kann aber auch andere Formen aufweisen, z. B. die eines Langlochs. Abhängig von dem zu bearbeitenden Material und der Art des Bearbeitungsprozesses können verschiedene Typen von Laserbearbeitungsdüsen ausgewählt werden. Durch die Verwendung einer Laserbearbeitungsdüse mit einer Düsenöffnung, die eine falsche Abmessung aufweist, und/oder durch die Verwendung einer beschädigten Laserbearbeitungsdüse verschlechtert sich jeweils der Bearbeitungsprozess. Es ist daher günstig, die Abmessung bzw. den Zustand der Laserbearbeitungsdüse vor der Laserbearbeitung zu bestimmen.to Laser processing is on the laser processing head of laser processing machines a laser processing nozzle attached, through the nozzle opening the Laser radiation and a process gas, eg. As air or nitrogen escape. The nozzle opening is usually radially symmetrical, but may also have other shapes, z. B. that of a slot. Dependent of the material to be processed and the type of machining process can different types of laser machining nozzles are selected. By use a laser processing nozzle with a nozzle opening, which has an incorrect dimension, and / or by use a damaged one laser machining the machining process is getting worse. It is therefore Cheap, the dimension or state of the laser processing nozzle before Laser processing to determine.

Die Bestimmung der Abmessung (Düsendurchmesser) sowie des Zustands einer Laserbearbeitungsdüse erfolgt im Stand der Technik üblicherweise mit Hilfe von bildverarbeitenden Methoden, wie beispielsweise in der DE10054756 C1 oder der JP2005334922A beschrieben, bei denen eine Kamera unterhalb des Düsenkörpers der Laserbearbeitungsdüse angeordnet wird, um die Düsenöffnung zu inspizieren. Diese Methoden sind jedoch aufwändig und setzen das Vorhandensein einer Kamera in der Laserbearbeitungsmaschine voraus.The determination of the dimension (nozzle diameter) as well as the state of a laser processing nozzle usually takes place in the prior art with the aid of image processing methods, such as in the DE10054756 C1 or the JP2005334922A described in which a camera is arranged below the nozzle body of the laser processing nozzle to inspect the nozzle opening. However, these methods are complex and require the presence of a camera in the laser processing machine.

Aus der DE 3900836 A1 ist darüber hinaus ein pneumatisches Durchflussverfahren zur Bestimmung der Querschnittsfläche einer Düse bekannt, bei dem bei überkritischem Druckverhältnis der durch die Düse strömende Volumenstrom auf deren Eingangsseite gemessen wird.From the DE 3900836 A1 In addition, a pneumatic flow method for determining the cross-sectional area of a nozzle is known in which, at supercritical pressure ratio, the volume flow passing through the nozzle is measured on its inlet side.

Aus der JP 01 078 692 A ist es bekannt, die Bestimmung des Zustandes einer Düse an einer Laserbearbeitungsmaschine vorzunehmen, indem der Düsenkörper als elektrostatischer Kapazitätssensor verwendet wird.From the JP 01 078 692 A It is known to make the determination of the state of a nozzle on a laser processing machine by using the nozzle body as an electrostatic capacitance sensor.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem auf einfache Weise und automatisiert die Abmessung und/oder der Zustand einer Düsenöffnung einer Laserbearbeitungsdüse erkannt werden kann.task the present invention is to provide a method with the simple and automated the dimension and / or the State of a nozzle opening one laser machining can be recognized.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, umfassend die Schritte: Erzeugen einer Gasströmung durch die Düsenöffnung, Messen eines beim Austritt der Gasströmung aus der Düsenöffnung erzeugten Strömungsgeräuschs, sowie Auswerten des gemessenen Strömungsgeräuschs zum Bestimmen der Abmessung und/oder des Zustands der Düsenöffnung. These The object is achieved by a method of the type mentioned, comprising the steps: Generating a gas flow through the nozzle opening, Measuring a generated at the exit of the gas flow from the nozzle opening flow noise, and Evaluation of the measured flow noise for Determining the dimension and / or the state of the nozzle opening.

Das Strömungsgeräusch variiert in Abhängigkeit vom Durchmesser und vom Verschleißzustand der Laserbearbeitungsdüse bzw. des Düsenkörpers, in dessen Inneren die Düsenöffnung gebildet ist. Je größer die Abmessung der Düsenöffnung, umso lauter ist das gemessene Strömungsgeräusch. Unregelmäßigkeiten an der Innenwand der Düse (z. B. Kratzer oder anhaftende Materialspritzer) im Zuge eines auftretenden Verschleißes bewirken einen Amplitudenanstieg des Strömungsgeräuschs durch zusätzliche Verwirbelung des Messgasstroms. Über den Schallpegel des Strömungsgeräuschs können somit Aussagen sowohl über die Abmessung als auch über den Verschleiß bzw. den Zustand der Laserbearbeitungsdüse getroffen werden. Da sowohl der Zustand als auch die Abmessung der Düsenöffnung sich auf den Schallpegel des Strömungsgeräuschs auswirken, ist es z. B. günstig, den Verschleißzustand der Laserbearbeitungsdüse bei bekanntem Düsentyp, d. h. bei bekannter Abmessung der Düsenöffnung, zu bestimmen. Alternativ kann die Messung auf eine solche Weise durchgeführt werden, dass der Einfluss beider Effekte auf das Strömungsgeräusch getrennt bestimmt wird. Dies kann z. B. durch Messung des Strömungsgeräuschs an mehreren Orten oder durch Auswertung von dessen Frequenzspektrum erfolgen, da z. B. Anhaftungen oder Beschädigungen an der Düsenöffnung bzw. der Innenwand des Düsenkörpers, an dem diese gebildet ist, zu Veränderungen in der Tonhöhe des Strömungsgeräuschs führen können.The Flow noise varies dependent on the diameter and wear state of the laser processing nozzle or of the nozzle body, in the interior of which forms the nozzle opening is. The bigger the Dimension of the nozzle opening, the more louder is the measured flow noise. irregularities on the inner wall of the nozzle (eg scratches or adhesive splashes of material) in the course of an occurring wear cause an increase in amplitude of the flow noise by additional Turbulence of the sample gas flow. On the Sound levels of the flow noise can thus Statements about both the dimension as well the wear or the state of the laser processing nozzle are taken. Because both the Condition as well as the dimension of the nozzle opening to the sound level affect the flow noise, is it z. B. low, the state of wear the laser processing nozzle with known nozzle type, d. H. at a known dimension of the nozzle opening to determine. alternative The measurement can be done in such a way that the influence both effects on the flow noise separated is determined. This can be z. B. by measuring the flow noise several places or by evaluation of its frequency spectrum done because z. B. buildup or damage to the nozzle opening or the inner wall of the nozzle body, on which this is formed, to changes in pitch can lead the flow noise.

Bevorzugt ist die Laserbearbeitungsdüse zum Erzeugen der Gasströmung an einem Laserbearbeitungskopf angebracht und ein dem Laserbearbeitungskopf zugeführtes Gas, bevorzugt Luft oder Stickstoff, wird durch die Düsenöffnung geleitet. Die Messung erfolgt in diesem Fall unter Nutzung des an der Laserbearbeitungsmaschine bzw. dem Laserbearbeitungskopf ohnehin vorhandenen Prozess- oder Hilfsgases. Wichtig ist hierbei eine ausreichend hohe Reinheit des Gases, um Störgeräusche, die durch das Auftreffen von Schmutzpartikeln auf die Oberfläche der Düse entstehen, zu vermeiden.Prefers is the laser processing nozzle for Generating the gas flow attached to a laser processing head and a laser processing head supplied Gas, preferably air or nitrogen, is passed through the nozzle orifice. The measurement is in this case using the on the laser processing machine or the laser processing head anyway existing process or auxiliary gas. Important here is a sufficiently high purity of the gas to Noise, the by the impact of dirt particles on the surface of the Nozzle arise, to avoid.

Bei einer vorteilhaften Variante wird zum Bestimmen der Abmessung und/oder des Zustands der Düsenöffnung der zeitliche Verlauf der Amplitude des Strömungsgeräuschs ausgewertet. Aus dem zeitlichen Verlauf der Amplitude lässt sich auf die Abmessung der Düsenöffnung schließen, wie im Folgenden anhand von zwei Beispielen beschrieben wird.In an advantageous variant, the time profile of the amplitude of the flow noise is evaluated to determine the dimension and / or the state of the nozzle opening. From the zeitli The course of the amplitude can be concluded from the dimension of the nozzle opening, as will be described below with reference to two examples.

In einer vorteilhaften Variante wird der Vordruck des Gases während des Messens des Strömungsgeräuschs auf einem konstanten Wert gehalten, bevorzugt zwischen 1 bar und 2 bar. Hierbei wird bevorzugt in einem vorausgehenden Schritt für den konstanten Wert des Vordrucks eine Korrelation zwischen der Abmessung der Düsenöffnung und der Standardabweichung des Geräuschsignals von seinem Mittelwert bestimmt. Zur Auswertung des Strömungsgeräuschs wird in diesem Fall zunächst der Mittelwert des verrauschten Geräuschsignals bestimmt, um einen Bezugspegel festzulegen. Anschließend wird die Standardabweichung des gemessenen Rauschsignals als Maß für die Signalamplitude berechnet. Anhand der Größe der Standardabweichung (Quadratwurzel aus der Varianz) des Rauschsignals wird dann die Abmessung der Düsenöffnung, welche bei rotationssymmetrischen Düsen dem Düsendurchmesser entspricht, anhand einer in Kallibrationsmessungen ermittelten Korrelation zwischen Durchmesser und der mittels der Standardabweichung beschriebenen Geräuschlautstärke bestimmt.In In an advantageous variant of the form of the gas during the Measuring the flow noise held at a constant value, preferably between 1 bar and 2 bar. In this case, it is preferred in a preceding step for the constant Value of the form a correlation between the dimension of the nozzle opening and the standard deviation of the noise signal determined by its mean. To evaluate the flow noise is in this case first the average of the noisy noise signal is determined to be a Set reference levels. Subsequently, the standard deviation the measured noise signal is calculated as a measure of the signal amplitude. Based on the size of the standard deviation (Square root of the variance) of the noise signal is then the Dimension of the nozzle opening, which corresponds to the nozzle diameter in rotationally symmetrical nozzles, on the basis of a correlation determined in calibration measurements Diameter and that described by means of the standard deviation Noise level determined.

Bei einer alternativen Variante wird der Vordruck des Gases während der Messung verändert und die Auswirkung der Veränderung des Vordrucks auf das Strömungsgeräusch ermittelt. Hierbei wird der Vordruck bevorzugt abrupt, d. h. in einem Zeitraum von weniger als ca. 20 ms um einen Wert von ca. 0,5 bar verändert. In einem vorausgehenden Schritt wird hierbei bevorzugt eine Korrelation zwischen der Abmessung der Düsenöffnung und der Zeitdauer bestimmt, bei der das Strömungsgeräusch nach der Änderung des Vordrucks wieder konstant wird. Je schneller sich der neue Vordruck einstellt, das Strömungsgeräusch also eine konstante Lautstärke erreicht, umso größer ist der Durchmesser der Düsenöffnung. Die Zeitspanne, die es dauert, bis sich der vorgegebene Druck in der Düse einstellt, wird mit vorab in Kallibrationsmessungen bestimmten Zeitwerten für unterschiedliche Düsendurchmesser verglichen.at In an alternative variant, the admission pressure of the gas during the Measurement changed and the impact of change of the admission pressure to the flow noise. Here, the form is preferred abrupt, d. H. in a time span changed by less than about 20 ms by a value of about 0.5 bar. In In this case, a preceding step is preferably a correlation between the dimension of the nozzle opening and the time duration at which the flow noise after the change the form becomes constant again. The faster the new form adjusts the flow noise so a constant volume reached, the greater the diameter of the nozzle opening. The amount of time it takes for the given pressure to rise to the nozzle is set with time values previously determined in calibration measurements for different Nozzle diameter compared.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in die aus der Düsenöffnung austretende Gasströmung ein bevorzugt plattenförmiger Körper eingebracht, der insbesondere senkrecht zur Düsenachse ausgerichtet wird. Der Körper dient als Drallplatte zur besseren Erkennung des Düsenverschleißes und ist bevorzugt in geringem Abstand (ca. 0,1 mm bis 0,5 mm) unterhalb des Düsenkörpers angeordnet.In an advantageous embodiment of the method according to the invention is in the emerging from the nozzle opening gas flow a preferred plate-shaped body introduced, which is aligned in particular perpendicular to the nozzle axis. The body serves as a swirl plate for better detection of the nozzle wear and is preferably at a small distance (about 0.1 mm to 0.5 mm) below arranged the nozzle body.

Zum Messen des Strömungsgeräuschs ist vorzugsweise mindestens ein akustischer Sensor zur Düsenöffnung versetzt außerhalb des austretenden Gasstroms positioniert und unter einem Winkel zur Düsenachse der Laserbearbeitungsdüse ausgerichtet. Als akustische Sensoren dienen bevorzugt Mikrofone oder ähnliche Sensoren, die für Geräusche aus einem vorgegebenen, kleinen Raumwinkelbereich besonders empfindlich sind, so dass der Einfluss von Umgebungsgeräuschen auf die Messung reduziert werden kann. Hierbei sollte beachtet werden, dass der Weg vom akustischen Sensor zur Düsenöffnung nicht z. B. durch den Düsenkörper selbst abgeschattet wird, weshalb typischer Weise die akustischen Sensoren unter Winkeln von weniger als 60° bezüglich der Düsenachse ausgerichtet werden. Außerdem sollte sich der akustische Sensor nicht direkt im Gasstrom befinden, da sonst der sich am akustischen Sensor brechende Gasstrom zusätzliche Geräusche erzeugt bzw. eine Membran des akustischen Sensors anregt.To the Measuring the flow noise is preferred at least one acoustic sensor to the nozzle opening offset outside positioned the exit gas stream and at an angle to the nozzle axis the laser processing nozzle aligned. As acoustic sensors are preferably microphones or similar Sensors for Sounds particularly sensitive from a given small solid angle range are such that the influence of ambient noise on the measurement can be reduced can. It should be noted that the way from the acoustic Sensor for nozzle opening not z. B. by the nozzle body itself What is typical is the acoustic sensors at angles of less than 60 ° with respect to nozzle axis be aligned. In addition, should the acoustic sensor is not located directly in the gas stream because otherwise the gas flow breaking at the acoustic sensor becomes additional Noises generated or a membrane of the acoustic sensor excites.

Bevorzugt wird zur Messung des Strömungsgeräuschs mindestens ein akustischer Sensor an der Laserbearbeitungsdüse oder dem bevorzugt plattenförmigen Körper befestigt. In diesem Fall kann der Körperschall direkt am Düsenkörper bzw. dem plattenförmigen Körper gemessen werden, wobei auch hierbei der bzw. die akustischen Sensoren bevorzugt außerhalb der austretenden Gasströmung positioniert sind. Unter einem akustischen Sensor wird im Sinne dieser Anmeldung ein Sensor verstanden, der ausgelegt ist, in Medien wie Luft oder Festkörpern propagierende Schwingungen zu messen, d. h. es werden von diesem Begriff auch Sensoren erfasst, die Geräusche in Frequenzbereichen detektieren können, die außerhalb des menschlichen Hörbereichs (ca. 16 Hz bis ca. 20000 Hz) liegen.Prefers is used to measure the flow noise at least an acoustic sensor attached to the laser processing nozzle or the preferably plate-shaped body. In this case, the structure-borne noise directly on the nozzle body or the plate-shaped body be measured, in which case the acoustic sensors or the preferably outside the exiting gas flow are positioned. Under an acoustic sensor is in the sense this application understood a sensor that is designed in media as propagating air or solids To measure vibrations, d. H. it will be from this term as well Sensors detect the sounds can detect in frequency ranges outside of the human hearing (about 16 Hz to about 20000 Hz) are.

In einer besonders vorteilhaften Variante werden zur Messung des Strömungsgeräuschs mindestens zwei akustische Sensoren eingesetzt, die bevorzugt sym metrisch zur Düsenachse angeordnet sind. Unter einer symmetrischen Anordnung zur Düsenachse wird eine Drehsymmetrie bezüglich eines durch die Düsenachse festgelegten Drehpunkts in einer Ebene senkrecht zur Düsenachse verstanden. Zwei akustische Sensoren können hierbei beispielsweise bezüglich des Drehpunkts unter einem Winkel von 180° zueinander angeordnet werden, drei akustische Sensoren unter einem Winkel von 120° etc. Bei den Sensoren kann es sich sowohl um Mikrofone zur Messung des Strömungsgeräuschs in der Luft bzw. dem Prozessgas oder um Körperschalldetektoren handeln, die an dem Düsenkörper oder der Drallplatte befestigt sind. Bei einer einseitig bzw. unsymmetrisch beschädigten Düse zeichnen die Detektoren hierbei unterschiedliche Rauschpegel auf, so dass der Zustand der Düsenöffnung bzw. die Abweichung von einem Sollzustand der Düsenöffnung bestimmt werden kann.In In a particularly advantageous variant, at least for measuring the flow noise two acoustic sensors are used, preferably symmetrical to metric nozzle axis are arranged. Under a symmetrical arrangement to the nozzle axis becomes a rotational symmetry with respect to one through the nozzle axis fixed pivot point in a plane perpendicular to the nozzle axis Understood. For example, two acoustic sensors can be used here in terms of of the fulcrum are arranged at an angle of 180 ° to each other, three acoustic sensors at an angle of 120 °, etc. At The sensors can be both microphones for measuring the flow noise in act the air or the process gas or structure-borne sound detectors, the on the nozzle body or the swirl plate are attached. In a one-sided or asymmetrical damaged Draw nozzle the detectors in this case on different noise levels, so that the state of the nozzle opening or the deviation from a desired state of the nozzle opening can be determined.

Bei einer bevorzugten Variante wird zur Bestimmung des Zustands der Laserbearbeitungsdüse ein Frequenzspektrum des Strömungsgeräuschs ausgewertet. Eine solche Auswertung der Geräuschfrequenz bzw. der Frequenzbänder kann Aussagen über Beschädigungen oder Anhaftungen an der Düse ermöglichen, da sich die Tonhöhe des Strömungsgeräuschs durch Veränderungen an der Düse in der Regel verändert.at A preferred variant is used to determine the state of Laser processing nozzle on Frequency spectrum of the flow noise evaluated. Such an evaluation of the noise frequency or the frequency bands can statements about damage or attachments to the nozzle enable, there the pitch the flow noise through changes at the nozzle in usually changed.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird ein Umgebungsgeräusch gemessen und dieses wird bei der Auswertung des gemessenen Strömungsgeräuschs berücksichtigt. Auch die Umgebung der Laserbearbeitungsdüse hat einen Einfluss auf das gemessene Strömungsgeräusch, so macht es beispielsweise einen Unterschied, ob sich freier Raum oder ein Störkörper in der Nähe der Laserbearbeitungsdüse befindet. Um das Verfahren möglichst störungsfrei durchführen zu können, wird das Umgebungsgeräusch separat, d. h. mittels eines zusätzlichen Sensors, erfasst und zur Reduzierung von Fremdschalleinflüssen bei der Auswertung des Messsignals berücksichtigt, wobei hierzu vorzugsweise der Umgebungsschallpegel vom Messschallpegel subtrahiert wird.at In an advantageous embodiment, an ambient noise is measured and this is taken into account in the evaluation of the measured flow noise. The environment of the laser processing nozzle has an influence on the measured flow noise, so For example, does it make a difference whether there is free space or a disruptive body in nearby the laser processing nozzle located. To the procedure as possible trouble-free carry out to be able to will the ambient noise separately, d. H. by means of an additional Sensors, recorded and to reduce external noise influences considered the evaluation of the measurement signal, for this purpose preferably the ambient sound level is subtracted from the measurement sound level.

Bevorzugt umgibt während der Messung mindestens eine Schallabschirmeinrichtung, insbesondere ein rohrförmiger Körper, mindestens einen akustischen Sensor und den Düsenkörper, so dass der Einfluss von Umgebungsschall auf die Messung reduziert werden kann. Insbesondere kann die Schallabschirmeinrichtung auch zur Schallführung, z. B. trichterförmig, ausgebildet sein. Beispielsweise wird – in genügend großem Abstand – ein Rohr um den Düsenkörper, ggf. die Drallplatte und den mindestens einen akustischen Sensor herum angeordnet, so dass das entstehende Strömungsgeräusch zum akustischen Sensor geleitet und dieser gleichzeitig von Umgebungsgeräuschen abgeschirmt wird.Prefers surrounds during the measurement at least one Schallabschirmeinrichtung, in particular a tubular one Body, at least one acoustic sensor and the nozzle body, so the influence from ambient sound to the measurement can be reduced. Especially If the Schallabschirmeinrichtung also for sound conduction, z. B. funnel-shaped, be educated. For example - at a sufficiently large distance - a pipe around the nozzle body, if necessary the swirl plate and the at least one acoustic sensor around arranged so that the resulting flow noise to the acoustic sensor and at the same time shielded from ambient noise becomes.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further Advantages of the invention will become apparent from the description and the Drawing. Likewise the above-mentioned and the features further mentioned ever for to use one or more in any combination. The shown and described embodiments are not as final enumeration but rather have exemplary character for the description the invention.

Es zeigen:It demonstrate:

1a, b schematische Darstellungen einer Anordnung zur Messung des Strömungsgeräuschs einer aus einer Laserbearbeitungsdüse austretenden Gasströmung ohne (1a) bzw. mit (1b) einem vor der Düsenöffnung angeordneten plattenförmigen Körper, 1a , b are schematic representations of an arrangement for measuring the flow noise of a gas flow leaving a laser processing nozzle without ( 1a ) or with ( 1b ) a plate-shaped body arranged in front of the nozzle opening,

2 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des in 1a gemessenen Strömungsgeräuschs, und 2 a schematic representation of the time course of in 1a measured flow noise, and

3 eine schematische Darstellung der Korrelation zwischen dem Durchmesser der Laserbearbeitungsdüse von 1 und der Standardabweichung des Signals von 2. 3 a schematic representation of the correlation between the diameter of the laser machining nozzle of 1 and the standard deviation of the signal from 2 ,

1a zeigt eine Laserbearbeitungsdüse 1 mit einem Düsenkörper 2, in dem eine Düsenöffnung 3 gebildet ist. Der Düsenkörper 2 ist rotationssymmetrisch bezüglich einer Düsenachse 4 (in Z-Richtung) ausgebildet, so dass die Düsenöffnung 3 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. In einem Abstand d2 von ca. 80 mm vom Austrittsende der Düsenöffnung 3 entfernt befindet sich die Bearbeitungsebene 5 einer in 1a nicht gezeigten Laserbearbeitungsmaschine. Die Laserbearbeitungs düse 1 wird von einem hier schematisch angedeuteten Laserbearbeitungskopf 6, an dem diese mittels eines (nicht gezeigten) Gewindes befestigt ist, über der Bearbeitungsebene 5 gehalten. 1a shows a laser processing nozzle 1 with a nozzle body 2 in which a nozzle opening 3 is formed. The nozzle body 2 is rotationally symmetrical with respect to a nozzle axis 4 (in the Z direction), so that the nozzle opening 3 has a circular cross-section. At a distance d2 of about 80 mm from the exit end of the nozzle opening 3 away is the working plane 5 one in 1a not shown laser processing machine. The laser processing nozzle 1 is from a schematically indicated here laser processing head 6 to which it is attached by means of a thread (not shown) above the working plane 5 held.

Der Laserbearbeitungskopf 6 weist einen Innenraum 7 auf, in dem Luft als Prozessgas mit einem konstanten, statischen Druck (Vordruck) p von ca. 1 bar eingebracht ist, der einen Überdruck gegenüber der Umgebung darstellt. Da im Innenraum 7 ein höherer Druck als in den Zwischenraum zwischen dem Düsenkörper 2 und der Bearbeitungsebene 5 herrscht, wird eine Gasströmung 8 erzeugt, welche das Gas durch die Düsenöffnung 3 nach außen befördert. Durch Messen des Strömungsgeräuschs, welches das Gas beim Durchtritt durch die Düsenöffnung 3 erzeugt, können Aussagen über deren Beschaffenheit, insbesondere deren Abmessung und deren Verschleiß bzw. den Zustand der Innenwand 9 des Düsenkörpers 2, an dem die Düsenöffnung 3 gebildet ist, getroffen werden.The laser processing head 6 has an interior 7 in which air is introduced as process gas at a constant, static pressure (pre-pressure) p of about 1 bar, which represents an overpressure relative to the environment. Because in the interior 7 a higher pressure than in the space between the nozzle body 2 and the working level 5 prevails, becomes a gas flow 8th generates the gas through the nozzle opening 3 transported to the outside. By measuring the flow noise, which the gas passes through the nozzle opening 3 generates statements about their nature, in particular their dimensions and their wear or the condition of the inner wall 9 of the nozzle body 2 at which the nozzle opening 3 is formed, taken.

Zur Bestimmung der Abmessung der Düsenöffnung 3, welche im vorliegenden Fall durch den Durchmesser D des austrittsseitigen Endes der Düsenöffnung 3 festgelegt ist, wird das Strömungsgeräusch mittels eines akustischen Sensors 10 in Form eines Mikrofons erfasst, welches in einem Abstand d1 von ca. 25 mm bezüglich des austrittsseitigen Endes der Düsenöffnung 3 angeordnet und unter einem Winkel α von ca. 45° zur Düsenachse 4 ausgerichtet ist. Durch eine solche Anordnung ist sichergestellt, dass der akustische Sensor 10 einerseits die Gasströmung 8 nicht beeinflusst und andererseits nicht durch den Düsenkörper 2 abgeschattet wird.For determining the dimension of the nozzle opening 3 , which in the present case by the diameter D of the exit end of the nozzle opening 3 is fixed, the flow noise by means of an acoustic sensor 10 detected in the form of a microphone, which at a distance d1 of about 25 mm with respect to the exit end of the nozzle opening 3 arranged and at an angle α of about 45 ° to the nozzle axis 4 is aligned. Such an arrangement ensures that the acoustic sensor 10 on the one hand the gas flow 8th not affected and on the other hand not through the nozzle body 2 is shadowed.

Zur Bestimmung des Durchmessers D mittels der oben gezeigten Messanordnung bestehen unterschiedliche Möglichkeiten. Bei einer ersten Variante wird der Druck p im Innenraum 7 während der gesamten Messung auf einem konstanten Wert gehalten. 2 zeigt für diesen Fall den zeitlichen Verlauf 11 der Spannung am Mikrofon 10 und damit des Schallpegels A (in beliebigen Einheiten) des mittels des Mikrofons 10 aufgenommenen Strömungsgeräuschs der Gasströmung 8 über das gesamte messbare Frequenzspektrum von typischer Weise zwischen 50 Hz und 20 kHz. Zur Bestimmung des Durchmessers D der Düsenöffnung 3 wird zunächst ein Mittelwert M des zeitlichen Verlaufs 11 des Strömungsgeräuschs bestimmt, um einen Bezugspegel festzulegen. Bei bekannten Mittelwert M wird nachfolgend die Standardabweichung des Verlaufs 11 von dem Mittelwert als Maß für die Geräuschamplitude über einen für eine statistische Auswertung genügend großen Zeitraum, insbesondere den gesamten Messzeitraum, ermittelt.There are different possibilities for determining the diameter D by means of the measuring arrangement shown above. In a first variant, the pressure p in the interior 7 during the entire measurement at a constant value ge hold. 2 shows the time course for this case 11 the tension on the microphone 10 and thus the sound level A (in any units) of the microphone 10 absorbed flow noise of the gas flow 8th over the entire measurable frequency spectrum typically between 50 Hz and 20 kHz. For determining the diameter D of the nozzle opening 3 first, a mean value M of the time course 11 of the flow noise to determine a reference level. In the case of known mean value M, the standard deviation of the profile will be described below 11 from the mean value as a measure of the noise amplitude over a sufficiently large for a statistical evaluation period, in particular the entire measurement period determined.

Die Standardabweichung bzw. die Geräuschamplitude nimmt hierbei mit zunehmendem Düsendurchmesser D zu, wie in 3 dargestellt ist. Die Korrelationskurve 12 zwischen Düsendurchmesser D und Standardabweichung SA weist hierbei einen geradlinigen Verlauf auf. Die Korrelationskurve 12 wurde vor der Messung bei konstantem Vordruck p von ca. 1 bar gemessen, indem jeweils für drei baugleiche Düsen mit Durchmessern von 0,8 mm, 1,0 mm, 1,2 mm etc. die Standardabweichung SA bestimmt und durch die jeweiligen Messwerte als Ausgleichsgerade die Korrelationskurve 12 gelegt wurde.The standard deviation or the noise amplitude increases in this case with increasing nozzle diameter D, as in 3 is shown. The correlation curve 12 between nozzle diameter D and standard deviation SA in this case has a straight course. The correlation curve 12 was measured before the measurement at a constant admission pressure p of approx. 1 bar by determining the standard deviation SA for each of three identical nozzles with diameters of 0.8 mm, 1.0 mm, 1.2 mm, etc., and using the respective measured values as Equalize the correlation curve 12 was laid.

In einer alternativen Variante wird der Druck p im Innenraum 7 abrupt, d. h. in einem Zeitfenster von weniger als 20 ms um ca. 0,5 bar erhöht und hierbei das Strömungsgeräusch kontinuierlich aufgezeichnet. Je schneller sich der konstante Vordruck des Gases in dem Innenraum 7 auch an der Düsenöffnung 3 einstellt, d. h. je schneller das Strömungsgeräusch wieder eine konstante Lautstärke erreicht, desto größer ist der Durchmesser der Düsenöffnung 3. Die Zeitspanne, die benötigt wird, bis sich der abgesenkte Druck auch an der Düsenöffnung 3 einstellt, wird dann mit vorab bestimmten Zeitwerten für bekannte Düsendurchmesser verglichen. Hierbei wird wie im oben beschriebenen Fall als Messgröße die Standardabweichung des Strömungsgeräuschs herangezogen.In an alternative variant, the pressure p in the interior 7 abruptly, ie increased in a time window of less than 20 ms by about 0.5 bar and this continuously recorded the flow noise. The faster the constant admission pressure of the gas in the interior 7 also at the nozzle opening 3 set, ie the faster the flow noise reaches a constant volume again, the larger the diameter of the nozzle opening 3 , The amount of time it takes for the lowered pressure to be at the nozzle orifice 3 is then compared to pre-determined time values for known nozzle diameters. Here, as in the case described above, the standard deviation of the flow noise is used as the measured variable.

Es versteht sich, dass die oben dargestellten Verfahren zur akustischen Bestimmung der Abmessung der Düsenöffnung 3 nicht auf kreisförmige Düsenöffnungen beschränkt sind, sondern dass auch bei anders geformten Düsenöffnungen mittels einer vorausgehenden Kallibrationsmessung, die an mehreren Düsenöffnungen mit identischer Form, aber jeweils unterschiedlicher Querschnittsfläche durchgeführt wird, auf die jeweilige Abmessung der Düsenöffnung 3 geschlossen werden kann.It will be appreciated that the above-described methods for acoustically determining the dimension of the nozzle orifice 3 are not limited to circular nozzle openings, but that even with differently shaped nozzle openings by means of a preceding Kallibrationsmessung which is performed on a plurality of nozzle openings with identical shape, but each different cross-sectional area, to the respective dimension of the nozzle opening 3 can be closed.

Neben den oben beschriebenen Maßnahmen zur Bestimmung des Durchmessers D der Düsenöffnung 3 kann auch deren Zustand genauer untersucht werden. Dies kann beispielsweise bei bekanntem Düsentyp und damit bekanntem Düsendurch messer D durch Bestimmen einer Abweichung vom hierbei zu erwartenden Signal geschehen, da Unregelmäßigkeiten, z. B. Kratzer, an der Innenwand 9 des Düsenkörpers 2, die durch Verschleiß der Laserbearbeitungsdüse 1 hervorgerufen werden, einen Amplitudenanstieg des Messsignals durch zusätzliche Verwirbelung der Gasströmung 8 hervorrufen können. Weiterhin können zur Feststellung von Verschleiß an der Düsenöffnung 3 auch die Geräuschfrequenz bzw. die Frequenzbänder des Strömungsgeräuschs untersucht werden, um weitere Aussagen über Anhaftungen bzw. Beschädigungen der Laserbearbeitungsdüse 1 zu erhalten, da sich in der Regel die Tonhöhe des Strömungsgeräuschs bei Veränderungen an der Innenwand 9 des Düsenkörpers 2 ebenfalls verändert.In addition to the measures described above for determining the diameter D of the nozzle opening 3 their condition can also be examined more closely. This can happen, for example, with known nozzle type and thus known nozzle diameter D by determining a deviation from the expected signal here, since irregularities, eg. As scratches, on the inner wall 9 of the nozzle body 2 caused by wear of the laser processing nozzle 1 caused an increase in amplitude of the measurement signal by additional turbulence of the gas flow 8th can cause. Furthermore, for detecting wear on the nozzle opening 3 also the noise frequency or the frequency bands of the flow noise are examined to further statements about adhesions or damage to the laser processing nozzle 1 As a rule, the pitch of the flow noise changes with the inner wall 9 of the nozzle body 2 also changed.

Um einseitigen bzw. asymmetrischen Verschleiß an der Innenwand 9 des Düsenkörpers 2 zu detektieren, wird, wie in 1b gezeigt, ein plattenförmiger Körper 13 unterhalb der Düsenöffnung 3 angeordnet, und zwar in einem Abstand d3 von ca. 0,1 mm bis 0,5 mm. An dem Körper 13 sind zwei akustische Sensoren 14a, 14b in gleichem Abstand d4 von ca. 20 mm von der Düsenachse 4 beabstandet und in einer Ebene senkrecht zur Düsenachse 4 (in X-Richtung) einander gegenüberliegend angeordnet. Die Gasströmung 8 wird entlang des Körpers 13, der als Drallplatte dient, in radialer Richtung nach außen geführt, wobei bei Vorliegen einer laminaren Strömung die Richtung, in der das Gas aus der Düsenöffnung 3 austritt, im Wesentlichen der Richtung entspricht, in der das Gas an der Innenwand 9 des Düsenkörpers 2 entlang geströmt ist. Durch das Vorsehen von zwei oder mehr akustischen Sensoren sowie durch Vergleichen der von diesen gemessenen Strömungsgeräuschen kann daher auf asymmetrischen Verschleiß des Düsenkörpers 2 geschlossen werden. Wie in 1b zu erkennen ist, sind an einem Teil der Innenwand 9 des Düsenkörpers 2 eine Kerbe 15 sowie Anhaftungen 16 aufgetreten. Das Strömungsgeräusch des an diesem Teil der Innenwand 9 vorbeiströmenden Teils der Gasströmung 8 wird von dem zweiten akustischen Sensor 14b gemessen und weiset im Vergleich zum vom ersten akustischen Sensor 14a gemessenen Strömungsgeräusch einen höheren Schallpegel auf, da sich an der Kerbe 15 bzw. den Anhaftungen 16 lokal eine turbulente Gasströmung ausbildet, welche das Strömungsgeräusch verstärkt.For unilateral or asymmetrical wear on the inner wall 9 of the nozzle body 2 to detect, as in 1b shown a plate-shaped body 13 below the nozzle opening 3 arranged, and at a distance d3 of about 0.1 mm to 0.5 mm. On the body 13 are two acoustic sensors 14a . 14b equidistant d4 of about 20 mm from the nozzle axis 4 spaced and in a plane perpendicular to the nozzle axis 4 (in the X direction) arranged opposite to each other. The gas flow 8th gets along the body 13 , which serves as a swirl plate, guided in the radial direction to the outside, wherein in the presence of a laminar flow, the direction in which the gas from the nozzle opening 3 Essentially, the direction corresponds to that in which the gas on the inner wall 9 of the nozzle body 2 has flowed along. By providing two or more acoustic sensors as well as comparing the measured flow noise from these, therefore, can be due to asymmetric wear of the nozzle body 2 getting closed. As in 1b It can be seen, are on a part of the inner wall 9 of the nozzle body 2 a notch 15 as well as attachments 16 occurred. The flow noise of this part of the inner wall 9 passing part of the gas flow 8th is from the second acoustic sensor 14b Measures and indicates in comparison to the first acoustic sensor 14a measured flow noise to a higher sound level, as reflected by the notch 15 or attachments 16 locally forms a turbulent gas flow, which amplifies the flow noise.

Da die von den akustischen Sensoren 10, 14a, 14b gemessenen Signale zwangsläufig auch einen Anteil enthalten, der durch Umgebungsgeräusche hervorgerufen wird, kann das Umgebungsgeräusch bei der Messung mittels eines (nicht gezeigten) weiteren akustischen Sensors gemessen und bei der Auswertung des Strömungsgeräusches berücksichtigt werden, indem der Umgebungsschallpegel vom Schallpegel der Sensoren, welche das Strömungsgeräusch der Gasströmung messen, subtrahiert wird.Because of the acoustic sensors 10 . 14a . 14b measured signals inevitably also contain a proportion that is caused by ambient noise, the ambient noise in the measurement by means of a (not shown) further acoustic sensor measured and be in the evaluation of the flow noise be is taken into account by subtracting the ambient sound level from the sound level of the sensors which measure the flow noise of the gas flow.

Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung von Fremdschalleinflüssen, die in 1b gezeigt ist, besteht darin, während der Messung eine Abschirmeinrichtung z. B. in Form eines Rohres 17 vorzusehen, das den Düsenkörper 2 und die akustischen Sensoren 14a, 14b umgibt. Das Rohr 17 dient hierbei sowohl dem Abschirmen von Außengeräuschen als auch zur Leitung des Strömungsgeräuschs zu den Sensoren 14a, 14b. Es versteht sich, dass eine solche Abschirmeinrichtung auch bei der in 1a gezeigten Messanordnung zum Einsatz kommen kann.Another way to reduce extraneous noise in 1b is shown, during the measurement, a shield z. B. in the form of a tube 17 provide that the nozzle body 2 and the acoustic sensors 14a . 14b surrounds. The pipe 17 serves both the shielding of external noise as well as the conduction of the flow noise to the sensors 14a . 14b , It is understood that such a shielding also in the in 1a shown measuring arrangement can be used.

Zusammenfassend gesagt kann durch Detektieren und Auswerten der Geräuschentwicklung des aus der Laserbearbeitungsdüse 1 ausströmenden Gases auf die oben beschriebene Weise eine genaue Ermittlung der Abmessung bzw. des Zustands einer Laserbearbeitungsdüse vorgenommen werden. Es versteht sich, dass sich die oben beschriebenen Verfahren nicht nur bei Düsen zur Laserbearbeitung, sondern auch bei anderen Körpern, in denen eine Öffnung vorgesehen ist, um ein Gas hindurchzuleiten, vorteilhaft einsetzen lassen, da die für die Messung benötigte Gasströmung in diesem Fall besonders einfach bereit gestellt werden kann.In summary, by detecting and evaluating the noise from the laser processing nozzle 1 outflowing gas in the manner described above, an accurate determination of the dimension or the state of a laser processing nozzle are made. It is understood that the above-described methods can be used advantageously not only in laser machining nozzles but also in other bodies in which an opening is provided to pass a gas, since the gas flow required for the measurement in this case is particularly can easily be provided.

Claims (14)

Verfahren zum Bestimmen der Abmessung (D) und/oder des Zustands einer insbesondere radialsymmetrischen Düsenöffnung (3) an einer Laserbearbeitungsdüse (1), umfassend die Schritte: Erzeugen einer Gasströmung (8) durch die Düsenöffnung (3), Messen eines beim Austritt der Gasströmung (8) aus der Düsenöffnung (3) erzeugten Strömungsgeräuschs, sowie Auswerten des gemessenen Strömungsgeräuschs zum Bestimmen der Abmessung (D) und/oder des Zustands der Düsenöffnung (3).Method for determining the dimension (D) and / or the state of a particularly radially symmetrical nozzle opening ( 3 ) on a laser processing nozzle ( 1 ), comprising the steps of: generating a gas flow ( 8th ) through the nozzle opening ( 3 ), Measuring one at the exit of the gas flow ( 8th ) from the nozzle opening ( 3 ) and evaluating the measured flow noise for determining the dimension (D) and / or the state of the nozzle opening ( 3 ). Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Laserbearbeitungsdüse (1) zum Erzeugen der Gasströmung (8) an einem Laserbearbeitungskopf (6) angebracht und ein dem Laserbearbeitungskopf (6) zugeführtes Gas, bevorzugt Luft oder Stickstoff, durch die Düsenöffnung (3) geleitet wird.Method according to Claim 1, in which the laser processing nozzle ( 1 ) for generating the gas flow ( 8th ) on a laser processing head ( 6 ) and a the laser processing head ( 6 ) supplied gas, preferably air or nitrogen, through the nozzle opening ( 3 ). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zum Bestimmen der Abmessung (D) und/oder des Zustands der Düsenöffnung (3) der zeitliche Verlauf der Amplitude (A) des Strömungsgeräuschs ausgewertet wird.Method according to claim 1 or 2, wherein for determining the dimension (D) and / or the state of the nozzle orifice ( 3 ) the temporal course of the amplitude (A) of the flow noise is evaluated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Vordruck (p) des Gases während des Messens des Strömungsgeräuschs auf einem konstanten Wert gehalten wird, bevorzugt zwischen 1 bar und 2 bar.Method according to one of the preceding claims, in the form (p) of the gas during of measuring the flow noise on one constant value is maintained, preferably between 1 bar and 2 bar. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem in einem vorausgehenden Schritt für den konstanten Wert des Vordrucks eine Korrelation zwischen der Abmessung (D) der Düsenöffnung (3) und der Standardabweichung (SA) des Strömungsgeräuschsignals von seinem Mittelwert (M) bestimmt wird.Method according to claim 4, wherein in a preliminary step for the constant value of the admission pressure a correlation between the dimension (D) of the nozzle opening ( 3 ) and the standard deviation (SA) of the flow noise signal is determined from its mean value (M). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Vordruck (p) des Gases während der Messung verändert und die Auswirkung der Veränderung des Vordrucks (p) auf das Strömungsgeräusch ermittelt wird.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the form (p) of the gas during changed the measurement and the impact of change of the form (p) determined on the flow noise becomes. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem in einem vorausgehenden Schritt eine Korrelation zwischen der Abmessung (D) der Düsenöffnung (3) und der Zeitdauer bestimmt wird, bei der das Strömungsgeräusch nach der Änderung des Vordrucks (p) wieder konstant wird.Method according to claim 6, wherein in a preceding step a correlation between the dimension (D) of the nozzle opening ( 3 ) and the time duration at which the flow noise becomes constant again after the change in the admission pressure (p). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in die aus der Düsenöffnung (3) austretende Gasströmung (8) ein bevorzugt plattenförmiger Körper (13) eingebracht wird, der insbesondere senkrecht zur Düsenachse (4) ausgerichtet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein in the from the nozzle opening ( 3 ) escaping gas flow ( 8th ) a preferably plate-shaped body ( 13 ) is introduced, in particular perpendicular to the nozzle axis ( 4 ) is aligned. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Messen des Strömungsgeräuschs mindestens ein akustischer Sensor (10) zur Düsenöffnung (3) versetzt außerhalb des austretenden Gasstroms (8) positioniert und unter einem Winkel (α) zur Düsenachse (4) der Laserbearbeitungsdüse (1) ausgerichtet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein for measuring the flow noise at least one acoustic sensor ( 10 ) to the nozzle opening ( 3 ) offset outside the exiting gas stream ( 8th ) and at an angle (α) to the nozzle axis ( 4 ) of the laser processing nozzle ( 1 ) is aligned. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Messung des Strömungsgeräuschs mindestens ein akustischer Sensor (14a, 14b) an der Laserbearbeitungsdüse (1) oder dem bevorzugt plattenförmigen Körper (13) befestigt wird.Method according to one of the preceding claims, in which at least one acoustic sensor (8) is provided for measuring the flow noise. 14a . 14b ) on the laser processing nozzle ( 1 ) or the preferably plate-shaped body ( 13 ) is attached. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Messung des Strömungsgeräusches mindestens zwei akustische Sensoren (14a, 14b) eingesetzt werden, die bevorzugt symmetrisch zur Düsenachse (4) angeordnet sind.Method according to one of the preceding claims, in which at least two acoustic sensors (12) are provided for measuring the flow noise ( 14a . 14b ) are used, which are preferably symmetrical to the nozzle axis ( 4 ) are arranged. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Bestimmung des Zustands der Laserbearbeitungsdüse (1) das Frequenzspektrum des Strömungsgeräuschs ausgewertet wird.Method according to one of the preceding claims, in which for determining the state of the laser processing nozzle ( 1 ) the frequency spectrum of the flow noise is evaluated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Umgebungsgeräusch gemessen und dieses bei der Auswertung des gemessenen Strömungsgeräusches berücksichtigt wird.Method according to one of the preceding claims, in which an ambient noise is measured and this in the evaluation of gemes senen flow noise is taken into account. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während der Messung mindestens eine Abschirmeinrichtung, insbesondere ein rohrförmiger Körper (17), den Düsenkörper (2) und mindestens einen akustischen Sensor (14a, 14b) umgibt.Method according to one of the preceding claims, wherein during the measurement at least one shielding device, in particular a tubular body ( 17 ), the nozzle body ( 2 ) and at least one acoustic sensor ( 14a . 14b ) surrounds.
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