DE102009005999A1

DE102009005999A1 - Verfahren zur Bestimmung der Degradation und/oder Effizienz von Lasermodulen und Lasereinheit

Info

Publication number: DE102009005999A1
Application number: DE200910005999
Authority: DE
Inventors: Thomas Notheis; Rainer Flaig; Martin Liermann; Alexander Killi
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2010-09-16
Also published as: WO2010083948A1; US20120020382A1; CN102292885A; CN102292885B; US8831053B2

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung der Degration und/oder Effizienz einer Lasereinheit (2, 3) mit mehreren in Reihe geschalteten Lasermodulen (4-7), wobei jedem Lasermodul (4-7) eine Bypassanordnung (10-13) parallel geschaltet ist, durch die das zugeordnete Lasermodul (4-7) überbrückbar ist, umfasst die Verfahrensschritte: a. Bestimmen einer ersten Laserleistung für eine erste Anzahl von Lasermodulen (4-7); b. Aktivieren der Bypassanordnung (10-13) zumindest eines Lasermoduls (4-7) der ersten Anzahl von Lasermodulen (4-7), so dass zumindest ein Lasermodul (4-7) überbrückt ist; c. Bestimmen einer zweiten Laserleistung für eine zweite Anzahl von Lasermodulen (4-7), wobei die zweite Anzahl der ersten Anzahl ohne die überbrückten Lasermodule (4-7) entspricht; d. Bestimmen der Differenz aus erster und zweiter Laserleistung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Degradation und/oder Effizienz von Lasermodulen einer Lasermodulanordnung mit mehreren in Reihe geschalteten Lasermodulen, wobei jedem Lasermodul eine Bypassanordnung parallel geschaltet ist, durch die das zugeordnete Lasermodul überbrückbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Lasereinheit mit einer Leistungsversorgung, an die mehrere in Reihe geschaltete Lasermodule angeschlossen sind, wobei jedes Lasermodul zumindest eine Laserdiode umfasst und jedem Lasermodul eine ansteuerbare Bypassanordnung zugeordnet ist.
Um hohe Ausgangsleistungen zu erzielen, müssen Lasermodule mit hohen Strömen versorgt werden. Daher ist es vorteilhaft, die Lasermodule in Reihe an eine Leistungsversorgung anzuschließen. Somit ist der Strom für alle Lasermodule gleich. Die Spannungen addieren sich. Die Reihenschaltung hat den Nachteil, dass bei einem Modulausfall auch die anderen Module mit ausfallen.
Allerdings können die Lasermodule nicht nur ganz ausfallen sondern kann aufgrund von Degradation ihre Leistung soweit abnehmen, dass sie ausgetauscht werden müssen. Es ist daher vorteilhaft, die optische Leistung der einzelnen Module zu messen, um so bestimmen zu können, welche Module ausgetauscht werden müssen.
Üblicherweise werden hierfür Strom-, Spannungs-, Temperatur- und Kühlwasserdurchflussmesseinrichtungen für die einzelnen Lasermodule vorgesehen, um so rechnerisch die optische Leistung, die der elektrischen Leistung minus der thermischen Leistung entspricht, zu bestimmen. Somit kann eine Degradation des Lasermoduls mehr oder weniger genau bestimmt werden.
Die elektrische und thermische Leistungsmessung sind jedoch sehr kostenintensiv. Werden diese Messeinrichtungen aus Kostengründen jedoch nicht realisiert, ist es nicht mehr möglich, die Degradation der einzelnen Lasermodule auf einfache Art und Weise zu bestimmen. Die Lasermodule müssten dann experimentell getauscht werden, um gealterte Module extern herauszumessen. Dies wäre wiederum zeit- und kostenintensiv.
Aus der EP 1 481 453 B1 ist eine Diodenlaseranordnung bekannt, bei der in Reihe geschalteten Diodenlasern jeweils eine Bypassanordnung elektrisch parallel geschaltet ist, die im Normalbetrieb hochohmig ist und den ihr parallel geschalteten Diodenlaser im Falle eines hochohmigen Defekts dieses Diodenlasers niederohmig überbrückt. Weiterhin ist vorgesehen, gezielt einige der Diodenlaser kurz zu schließen, um bei Ausfall eines oder mehrerer Diodenlaser eine entsprechende Anzahl dieser kurzgeschlossenen Diodenlaser durch Öffnen der Bypassanordung zuzuschalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Lasereinrichtung bereitzustellen, mit denen auf kostengünstige Art und Weise die Degradation bzw. Effizienz einzelner Lasermodule bestimmt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der Eingangs genannten Art mit den Verfahrensschritten:

a. Bestimmen einer ersten Laserleistung für eine erste Anzahl von Lasermodulen;
b. Aktivieren der Bypassanordnung zumindest eines Lasermoduls der ersten Anzahl von Lasermodulen, so dass zumindest ein Lasermodul überbrückt ist;
c. Bestimmen einer zweiten Laserleistung für eine zweite Anzahl von Lasermodulen, wobei die zweite Anzahl der ersten Anzahl ohne die überbrückten Lasermodule entspricht;
d. Bestimmen der Differenz aus erster und zweiter Laserleistung.

Es versteht sich, dass diese Verfahrensschritte nicht notwendigerweise in der oben angegebenen Reihenfolge durchlaufen werden müssen. Beispielsweise ist es auch möglich, zunächst die Laserleistung für eine geringere Anzahl von in Reihe geschalteten Lasermodulen zu erfassen, dann ein weiteres Lasermodul, das bis dahin durch die Bypassanordnung überbrückt war, zuzuschalten und anschließend die Laserleistung für diese höhere Anzahl von Lasermodulen zu bestimmen und anschließend die Differenz zu ermitteln. Dadurch, dass für eine der Laserleistungsbestimmungen ein Lasermodul oder eine Gruppe von Lasermodulen überbrückt wird, kann aus einem Vergleich mit der ermittelten Laserleistung, wenn diese Lasermodule nicht überbrückt sind, die Effizienz bzw. Degradation der Lasermodule ermittelt werden. Die Degradation kann somit ausschließlich aufgrund von Laserleistungsmessungen, unabhängig von einer Temperatur- oder elektrischen Leistungsmessung erfolgen. Die Laserleistungsmessung kann beispielsweise optisch erfolgen.
Wie bereits erwähnt, kann gemäß einer Verfahrensvariante aus der Differenz der Laserleistungen die Degradation und/oder Effizienz des oder der überbrückten Lasermodule bestimmt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn nacheinander die einzelnen Lasermodule überbrückt und die Laserleistung bestimmt wird. Somit erhält man Daten für alle Lasermodule einer Lasereinheit. Die Degradation jedes einzelnen Lasermoduls kann frühzeitig erkannt werden und gegebenenfalls ein Austausch des entsprechenden Lasermoduls erfolgen.
Der Laserleistungsabfall kann für jedes überbrückte Lasermodul erfasst werden und daraus kann Degradation und/oder Effizienz des Lasermoduls ermittelt werden.
Gemäß einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass die Degradation und/oder Effizienz jedes Lasermoduls in vorgegebenen Abständen automatisch ermittelt wird. Beispielsweise kann alle zweihundert Betriebsstunden jedes Lasermodul für eine Laserleistungsbestimmung überbrückt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Degradation und/oder Effizienz jedes Lasermoduls durch einen Benutzer ausgelöst ermittelt wird. Die Laserleistung wird üblicherweise für eine Laserleistungsregelung ohnehin ständig erfasst. Wenn sich daraus ergibt, dass die Laserleistung nachlässt, so ist dies ein Hinweis darauf, dass die Effizienz zumindest eines Lasermodules nachlässt. Um dieses Lasermodul zu identifizieren, kann die Bestimmung der Degradation der Lasermodule manuell ausgelöst werden.
Außerdem kann bei Leistungsverlust automatisch die Degradation und/oder Effizienz der Lasermodule ermittelt werden. Bevorzugt startet dieser Vorgang in den Bearbeitungspausen.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Degradation und/oder Effizienz jedes Lasermoduls über seine Lebensdauer protokoliert wird. Dadurch können statistische Daten ermittelt werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Lasereinheit der eingangs genannten Art, wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, über die Bypassanordnungen zur gezielten Überbrückung der Lasermodule ansteuerbar sind. Dadurch ist es möglich, gezielt eines oder mehrere der Lasermodule zu überbrücken, um die Degradation und/oder Effizienz dieses Lasermoduls zu ermitteln.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Bypassmodul einen Mikro-Controller aufweist. Der Mikro-Controller kann mit einer Leistungsversorgung und der Steuereinrichtung in Verbindung stehen. Durch den Mikro-Controller kann die Bypassanordnung gesteuert werden. Insbesondere kann der Mikro-Controller einen Datenspeicher aufweisen. Über den Mikro-Controller kann die Bypassanordnung identifiziert werden.
Zumindest ein Bypassmodul kann einen Optokoppler oder Impulsüberträger zur Ansteuerung eines dem Lasermodul parallel geschalteten Schaltelements aufweisen. Das Schaltelement kann beispielsweise ein Thyristor sein oder einen solchen umfassen. Auch weitere Halbleiterschalter, wie MOSFETS, Bipolar-Transistoren, etc., sind als Schaltelemente oder Bestandteile von Schaltelementen denkbar. Durch die Verwendung eines Optokopplers ist eine galvanisch getrennte Ansteuerung möglich.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Bypassmodul einen Detektor zur Erfassung des Ausfalls des zugeordneten Lasermoduls aufweist. Wenn der Detektor den Ausfall des Lasermoduls erkennt, kann die Bypassanordnung gezielt angesteuert werden, so dass das Lasermodul überbrückt wird und die Lasereinheit funktionsfähig bleibt.
Derselbe Detektor kann dazu verwendet werden oder es kann ein alternativer Detektor vorgesehen sein, um die Überbrückung des zugeordneten Lasermoduls zu erfassen.
Die Steuereinrichtung kann in einer Lasersteuerung und -regelung integriert sein.
Im den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Laser mit einer erfindungsgemäßen Lasereinheit.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzelnen für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Scheibenlasers mit zwei Lasereinheiten;
2 eine schematische Darstellung eines Diodenlasers mit zwei Lasereinheiten;
3 eine schematische Darstellung einer Bypassanordnung.
Die 1 zeigt einen als Scheibenlaser ausgebildeten Laser 1, der zwei Lasereinheiten 2, 3 umfasst. Die Lasereinheiten 2, 3 sind identisch aufgebaut, so dass nur die Lasereinheit 2 im Folgenden beschrieben wird.
Die Lasereinheit 2 weist im Ausführungsbeispiel vier in Reihe geschaltete Lasermodule 4–7 auf, wobei jedes Lasermodul 4–7 eine oder mehrere in Reihe geschaltete Laserdioden 8 aufweist. Die Lasermodule 4–7 sind an eine gemeinsame Leistungsversorgung 9 angeschlossen, so dass durch alle Lasermodule 4–7 derselbe Strom fließt. Der Spannungsabfall an den Lasermodulen 4–7 kann unterschiedlich sein. Jedem Lasermodul 4–7 ist eine Bypassanordnung 10–13 zugeordnet, durch die das zugeordnete Lasermodul 4–7 überbrückt werden kann, wenn das Schaltelement 14–17 leitend geschaltet wird. Jede Bypassanordnung 10–13 weist einen Mikro-Controller 18–21 auf. Die Mikro-Controller 18–21 der Lasereinheit 2 sind an eine Steuereinrichtung 22 angeschlossen, die Bestandteil einer Lasersteuerung und -regelung 23 ist. Die Mikro-Controller 18–21 können parallel an die Steuereinrichtung 22 angeschlossen sein oder wie dargestellt in Serie miteinander verbunden sein.
Die Lasereinheiten 2, 3 dienen im Ausführungsbeispiel als Pumpeinheiten, wobei die Lasermodule 4–7 als Pumpmodule dienen. Durch die Lasermodule 4–7 wird Pumplicht erzeugt, was durch die Pfeile 25–28 angedeutet ist. Das Pumplicht regt ein laseraktives Medium 29 an und das erzeugte Laserlicht wird gegebenenfalls nach Umlenkungen durch die Spiegel 30, 31 durch einen Auskoppelspiegel 32 ausgegeben. Die ausgegebene Laserleistung wird durch eine Leistungsmesseinrichtung 33 erfasst und an die Lasersteuerung und -regelung 23 übergeben. Die gemessene Laserleistung kann zum einen zur Regelung der Laserleistung und zum anderen zur Bestimmung der Degradation einzelner Lasermodule 4–7 verwendet werden.
Um die Degradation eines Lasermoduls 4–7 zu bestimmen, kann zunächst die Laserleistung erfasst werden, wenn sämtliche Lasermodule 4–7 aktiv, d. h. nicht durch ein Schaltelement 14–17 überbrückt sind. Anschließend kann gezielt eines der Lasermodule 4–7 durch ein Schaltelement 14–17 überbrückt werden, so dass durch eine zweite, geringere Anzahl von Lasermodulen 4–7 Pumplicht erzeugt wird. Auch für diesen Zustand wird die Laserleistung erfasst. Durch Vergleich der beiden erfassten Laserleistungen kann auf die Degradation des überbrückten Lasermoduls 4–7 geschlossen werden.
Bei Verwendung eines Thyristors als Schaltelement wird die Modulüberbrückung gelöst, indem die Stromversorgung mit Hilfe der Steuereinheit 22 kurz ausgeschaltet wird, um so den Haltestrom des Thyristors zu unterschreiten.
In der 2 ist ein als Diodenlaser ausgebildeter Laser 40 gezeigt. Die Lasereinheiten 2, 3 entsprechen denen des vorhergehenden Ausführungsbeispiels. Das von den Laserdioden 8 erzeugte Laserlicht wird über Fasern 41–44 einem Combiner 45 zugeführt. In einem Combiner 46 wird das von den beiden Lasereinheiten 2, 3 erzeugte Laserlicht gekoppelt und anschließend ausgegeben. Die Laserleistung wird wiederum durch eine Messeinrichtung 33 erfasst.
Die Messeinrichtung kann wie in 2 gezeigt am Laserausgang sitzen, aber auch nach jedem Lasermodul 4–7.
In der 3 ist eine Bypassanordnung 10 detailierter dargestellt. Der Mikro-Controller 18 der Bypassanordnung 10 ist über eine Schnittstelle 50 mit einer Spannungsversorgung und der Steuereinheit 22 verbunden. Der Mikro-Controller 18 umfasst einen Datenspeicher. Zur gezielten Abschaltung des zugeordneten Lasermoduls 4, also der Leitendschaltung des Schaltelements 14, ist ein Optokoppler 51 vorgesehen, der durch den Mikro-Controller 18 ansteuerbar ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Schaltelement 14 einen Thyristor 52.
An das Schaltelement 14 ist ein Detektor 53, insbesondere zur Spannungsmessung, angeschlossen, über den erkannt werden kann, ob eine gezielte Überbrückung mittels des Mikro-Controllers 18 des Lasermoduls 4 stattgefunden hat. Ein Abbrandschutz 54 ist ebenfalls vorgesehen und steht mit dem Mikro-Controller 18 in Verbindung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1481453 B1 [0006]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Degradation und/oder Effizienz von Lasermodulen (4–7) einer Lasereinheit (2, 3) mit mehreren in Reihe geschalteten Lasermodulen (4–7), wobei jedem Lasermodul (4–7) eine Bypassanordnung (10–13) parallel geschaltet ist, durch die das zugeordnete Lasermodul (4–7) überbrückbar ist, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a. Bestimmen einer ersten Laserleistung für eine erste Anzahl von Lasermodulen (4–7); b. Aktivieren der Bypassanordnung (10–13) zumindest eines Lasermoduls (4–7) der ersten Anzahl von Lasermodulen (4–7), so dass zumindest ein Lasermodul (4–7) überbrückt ist; c. Bestimmen einer zweiten Laserleistung für eine zweite Anzahl von Lasermodulen (4–7), wobei die zweite Anzahl der ersten Anzahl ohne die überbrückten Lasermodule (4–7) entspricht; d. Bestimmen der Differenz aus erster und zweiter Laserleistung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Differenz die Degradation und/oder Effizienz des oder der überbrückten Lasermodule (4–7) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander die einzelnen Lasermodule (4–7) überbrückt und die Laserleistung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserleistungsabfall für jedes überbrückte Lasermodul (4–7) erfasst wird und daraus die Degradation und/oder Effizienz des Lasermoduls (4–7) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Degradation und/oder Effizienz jedes Lasermoduls (4–7) in vorgegebenen Abständen automatisch ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Degradation und/oder Effizienz jedes Lasermoduls (4–7) durch einen Benutzer ausgelöst ermittelt wird oder dass die Degradation und/oder Effizienz der Lasermodule (4–7) bei Leistungsabfall der Laserleistung automatisch ausgelöst ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Degradation und/oder Effizienz jedes Lasermoduls (4–7) über seine Lebensdauer protokolliert wird.
Lasereinheit (2, 3) mit einer Leistungsversorgung (9), an die mehrere in Reihe geschaltete Lasermodule (4–7) angeschlossen sind, wobei jedes Lasermodul (4–7) zumindest eine Laserdiode (8) umfasst und jedem Lasermodul (4–7) eine ansteuerbare Bypassanordnung (10–13) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (22) vorgesehen ist, über die die Bypassanordnungen (10–13) zur gezielten Überbrückung der Lasermodule ansteuerbar sind.
Lasereinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bypassanordnung (10–13) einen Mikro-Controller (18–21) aufweist.
Lasereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Bypassanordnung (10–13) einen Optokoppler (51) zur Ansteuerung eines dem Lasermodul (4–7) parallel geschalteten Schaltelements (14–17) aufweist.
Lasereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Bypassanordnung (10–13) einen Detektor (53) zur Erfassung der Überbrückung des zugeordneten Lasermoduls (4–7) aufweist.
Lasereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22) in einer Lasersteuerung und -regelung (23) integriert ist.
Laser (1, 40) mit zumindest einer Lasereinheit (2, 3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12.