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Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den sicheren Betrieb einer Laseranlage, insbesondere für Produktionsanwendungen.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Laseranlage, insbesondere für Produktionsanwendungen.
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Eine Laseranlage für Produktionsanwendungen ist bspw. eine Anlage bzw. Vorrichtung zum Laserschweißen, Laserauftragsschweißen, Laserlöten, Laserhärten oder dergleichen. Solche Laseranlagen umfassen wenigstens einen Manipulator, wobei es sich insbesondere um einen Roboter bzw. Industrieroboter handelt, der mit einem Laserkopf, bspw. einem Laserschweißkopf, ausgerüstet ist. Durch Fehlsteuerung oder andere unerwartet auftretende Fehler kann es dazu kommen, dass der Laserstrahl (typischerweise ein Hochleistungslaser) unkontrolliert in den umgebenden Raum gerichtet wird, was vor allem bei brennpunktlosen bzw. unendlichen Laserstrahlen äußerst gefährlich ist. Insbesondere bei Produktionsanwendungen mit langen Prozesszeiten (bspw. > 1 h) steigt die mögliche Gefährdung.
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Zur Absicherung derartiger Prozesse sind aus dem Stand der Technik diverse aktive Schutzwandsysteme (oder Laserschutzeinhausungen oder dergleichen) bekannt, wie bspw. in der
EP 2 592 326 B1 beschrieben. Der Aufbau solcher Schutzwandsysteme ist jedoch kostenintensiv und erfordert ausreichend Platz.
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Ferner besteht die Möglichkeit einer manuellen Prozessüberwachung in definierten Zeitabständen (bspw. alle 60 sec), wobei der Bediener hierfür andere Tätigkeiten unterbrechen muss.
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In der
DE 43 31 262 A1 ist eine Lasermaschine, sowie ein Verfahren zu deren Steuerung, beschrieben, bei der zum Zwecke sicherheitstechnischer Anforderungen ein dem verfahrbaren Laser bzw. der verfahrbaren Optik zugeordneter Sensor zur lokalen Temperaturerfassung in einem örtlich begrenzten Bereich vorgesehen ist, wobei der Auftreffpunkt des Laserstrahls auf das Werkstück nur in der Arbeitsstellung des Lasers bzw. der Optik in den örtlich begrenzten Bereich fällt, und bei der eine Abschalteinrichtung für den Laser vorgesehen ist, die den Laser in Abhängigkeit von der von dem Sensor erfassten Temperatur bei Unterschreiten einer vorgegebenen Mindesttemperatur abschaltet. Selbst wenn sich überhaupt kein Werkstück im Bereich des Laserstrahls befindet, wird dies durch die nicht eintretende Erwärmung im überwachten Bereich festgestellt. Auch in diesem Fall erfolgt eine Abschaltung des Lasers, da ein Betrieb der Lasermaschine ohne Werkstück nicht sicher möglich ist.
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Zum Überwachen oder zur Kontrolle der Qualität einer thermischen Bearbeitung von Werkstücken beschreibt die WO 2012 / 037955 A1 die Nutzung der Polarisation von Wärmestrahlung zur Detektion von 3D-Strukturen. Dazu werden dort eine erste Strahlungskomponente mit einer ersten Polarisation und eine zweite Strahlungskomponente mit einer zweiten Polarisation von einem Bearbeitungsbereich eines Werkstücks erfasst.
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Die
DE 10 2008 060 384 B3 beschreibt ein Sensorsystem zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs an einem Werkstück. Dort sind eine Abbildungsoptik, eine dahinter angeordnete Aufnahmevorrichtung, ein Lichtquellenmodul und ein Sensormodul vorgesehen. Das Sensormodul ist in einer vorbestimmten Lage relativ zur Aufnahmevorrichtung in diese einsetzbar und umfasst einen strahlungsempfindlichen Empfänger mit einer Ortsfilterblende, auf welche ein ausgewähltes Beobachtungsfeld im Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück durch die Abbildungsoptik abbildbar ist.
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Die
JP 2007 307 595 A befasst sich ebenfalls mit der Laserbearbeitung. Dort wird die Intensität eines von einem Werkstück reflektierten Laserstrahls sensorisch detektiert. Dazu werden Infrarotstrahlen einer vorbestimmten ersten Wellenlänge und einer anderen vorbestimmten zweiten Wellenlänge von dem Werkstück erfasst. Basierend auf den entsprechenden Intensitäten werden eine Transmission oder Absorption des Werkstücks und dessen Temperatur berechnet. Basierend darauf wird ein Output des Laserstrahls eingestellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für den sicheren Betrieb einer Laseranlage anzugeben, mit dem wenigstens ein mit dem Stand der Technik einhergehender Nachteil vermeidbar oder zumindest verringerbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit einem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf eine erfindungsgemäße Laseranlage, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren für den sicheren und insbesondere personensicheren Betrieb einer Laseranlage, insbesondere für Produktionsanwendungen, wobei die Laseranlage einen mit einem Laserkopf ausgestatteten Manipulator zur Bearbeitung eines Werkstücks umfasst, sieht vor, dass während eines Bearbeitungsprozesses bzw. während der Laserbearbeitung (eines Werkstücks) mit Hilfe von zwei am Laserkopf angeordneten und mit dem Laserkopf mitbewegten Temperatursensoren die in einem Messschnittpunkt, der sich in einem definierten Abstand vom Laserkopf auf der Laserstrahlachse befindet, vom Laserstrahl erzeugte Prozesstemperatur berührungslos erfasst wird und dass die Laserbearbeitung unterbrochen wird, falls bzw. sobald wenigstens einer der beiden Temperatursensoren eine zu niedrige oder keine Prozesstemperatur erfasst.
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Der Messschnittpunkt befindet sich auf der Laserstrahlachse in einem definierten Abstand vom Laserkopf, wobei es sich um einen exakten Abstand oder einen Abstandsbereich handeln kann. Am Messschnittpunkt trifft der Laserstrahl auf das zu bearbeitende Werkstück (der Auftreffpunkt kann als Arbeitspunkt bezeichnet werden), was zu einer von den Temperatursensoren erfassbaren bzw. registrierbaren Bearbeitungs- bzw. Prozesstemperatur führt. Tritt eine Fehlersituation ein, bei dem der Laserstrahl nicht mehr richtig oder gar nicht mehr auf das Werkstück gerichtet ist, sinkt die Prozess- bzw. Bearbeitungstemperatur ab oder es ergibt sich überhaupt keine Prozesstemperatur, was von den Temperatursensoren entsprechend erfasst wird. Wird nun von wenigstens einem der Temperatursensoren im Messschnittpunkt, resp. dem Arbeitspunkt, eine zu geringe oder gar keine Temperatur registriert bzw. gemeldet, so wird die Laserbearbeitung automatisch sicher unterbrochen. Bevorzugt wird sofort der Laserstrahl ausgeschaltet. Die beiden Temperatursensoren dienen bevorzugt nur der erfindungsgemäßen Prozess- bzw. Sicherheitsüberwachung der Laserbearbeitung in Echtzeit und haben insbesondere keine darüber hinausgehende Steuer- und/oder Regelfunktion. Die Verwendung von zwei Temperatursensoren führ zu einer äußerst sicheren Redundanz. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Anwendungen mit langen Prozesszeiten (> 1 h). Eine Absicherung der Laseranlage mit den aus dem Stand der Technik bekannten aktiven Schutzwandsystemen kann ganz entfallen. Wegen auftretender Laserlichtreflexionen kann trotzdem eine Absicherung der Laseranlage mit einem einfachen lasersicheren Schutzzaun oder einer einfachen lasersicheren Schutzkabine (oder dergleichen), vorgesehen sein.
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Die von den Temperatursensoren erfasste Temperatur bzw. Prozesstemperatur ist insbesondere dann zu niedrig, wenn der erfasste Temperaturwert unterhalb eines definierten Schwellwerts liegt. Dieser Temperaturschwellwert richtet sich nach einer sich bei der Werkstückbearbeitung typischerweise ergebenden Prozesstemperatur. Bei der Bearbeitung von Metall- und insbesondere Stahlwerkstücken kann der Schwellwert bspw. bei 300 °C liegen. Die Laserbearbeitung wird also dann automatisch unterbrochen, wenn wenigstens einer der Temperatursensoren eine Temperatur registriert bzw. meldet, die unterhalb von 300 °C liegt (< 300 °C).
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Bevorzugt erzeugen die Temperatursensoren in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur analoge Ausgangssignale. Entsprechend ausgebildete Temperatursensoren sind kostengünstig als Kaufteile erhältlich und ermöglichen den einfachen Aufbau einer erfindungsgemäßen Prozess- bzw. Sicherheitsüberwachung. Analoge Ausgangssignale können sicher und einfach weiterverarbeitet werden. Die Temperatursensoren sind bspw. über sichere Analogeingänge an die Anlagensteuereinrichtung oder an eine separate Sicherheitssteuereinrichtung (z. B. eine Sicherheits-SPS) angeschlossen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass, falls wenigstens einer der beiden Temperatursensoren eine zu niedrige oder keine Temperatur erfasst, die Laserbearbeitung erst nach Ablauf einer Diskrepanzzeit bzw. Wartezeit unterbrochen wird. Bei der Werkstückbearbeitung kann sich die Prozesstemperatur am Arbeitspunkt erst nach wenigen Sekunden einstellen, was zu einer irrtümlichen Unterbrechung des Bearbeitungsprozesses bzw. der Laserbearbeitung führen könnte. Die Diskrepanzzeit beträgt bspw. 10 sec.
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Eine erfindungsgemäße Laseranlage (bzw. Laserbearbeitungsvorrichtung) weist einen mit einem Laserkopf ausgestatteten Manipulator zur Bearbeitung eines Werkstücks auf. Der Laserkopf kann mit Hilfe des Manipulators, wobei es sich insbesondere um einen Roboter bzw. Industrieroboter handelt, im Raum bewegt werden. Es ist vorgesehen, dass am Laserkopf zwei zusammen mit dem Laserkopf bewegbare Temperatursensoren, wobei es sich insbesondere um Pyrometer handelt, angeordnet sind, mit denen die in einem Messschnittpunkt, der sich in einem definierten Abstand vom Laserkopf auf der Laserstrahlachse befindet, vom Laserstrahl erzeugte Prozesstemperatur berührungslos erfasst werden kann bzw. erfassbar ist. Eine erfindungsgemäße Laseranlage ist insbesondere für Produktionsanwendungen geeignet, kann aber bspw. auch für Fertigungs- und Reparaturanwendungen (oder dergleichen) eingesetzt werden. Eine erfindungsgemäße Laseranlage kann insbesondere auch für mobile (d. h. nichtstationäre) Anwendungen ausgebildet sein und bspw. dort eingesetzt werden, wo kein lasersicherer Schutzzaun vorhanden ist und/oder aufgebaut werden kann (bspw. Reparatur innerhalb eines Presswerkzeugs).
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Die beiden Temperatursensoren sind also derart am Laserkopf angeordnet und ausgerichtet, dass sich deren Messfelder bzw. Messachsen exakt in einem Messschnittpunkt schneiden bzw. überschneiden. Mit Hilfe der Temperatursensoren wird also ein Messschnittpunkt, der sich auf der Laserstrahlachse in einem definierten Abstand vom Laserkopf befindet, aufgebaut, um die Prozesstemperatur an diesem Punkt bzw. an dieser Stelle erfassen und dadurch kontrollieren zu können. Bei einer fehlerfreien Laserbearbeitung ist der Messschnittpunkt mit dem Arbeitspunkt, an dem der Laserstrahl auf das zu bearbeitende Werkstück auftrifft, identisch. Zur erfindungsgemäßen Laseranlage gehört auch wenigstens eine Steuereinrichtung, wobei es sich um eine Anlagensteuereinrichtung oder um eine separate Sicherheitssteuereinrichtung (z. B. eine Sicherheits-SPS) handeln kann. Die Temperatursensoren sind mit der Steuereinrichtung verbunden, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, eine laufende Laserbearbeitung zu unterbrechen (gegebenenfalls erst nach Ablauf einer Diskrepanzzeit), falls wenigstens einer der beiden Temperatursensoren bei eingeschaltetem Laserstrahl eine zu niedrige oder keine Prozesstemperatur erfasst. Die Steuereinrichtung kann mit einer geeigneten Auswertelogik (Safe-Logik) ausgestattet und mit einer Einrichtung zur Abschaltung und insbesondere zur sofortigen Abschaltung des Laserstrahls verknüpft sein.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die beiden Temperatursensoren unterschiedlicher Bauart sind. Insbesondere stammen die beiden Temperatursensoren von verschiedenen Herstellern. Durch die damit gegebene Diversität wird die Sicherheit erheblich erhöht.
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Einer der Temperatursensoren kann im Inneren des Laserkopfs angeordnet sein, wohingegen der andere Temperatursensor außenseitig am Laserkopf angeordnet sein kann. Der im Inneren des Laserkopfs angeordnete Temperatursensor kann durch ein Schutzfenster hindurch auf den Messschnittpunkt bzw. Arbeitspunkt gerichtet sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die einzige Figur näher erläutert. Die in der Figur gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
- 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Laseranlage für Produktionsanwendungen.
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Die stationäre Laseranlage 100 weist einen Laserkopf 110 auf, der an einem Arm eines nur teilweise dargestellten Industrieroboters 120 befestigt ist und mit Hilfe dieses Roboters 120 im Raum mit allen Freiheitsgraden bewegt werden kann. Der Roboter 120 ist kopfüber bzw. schwebend an einer deckenseitigen Fahrschiene montiert. Als Manipulator kann ebenso ein Standroboter, ein Portalroboter oder dergleichen vorgesehen sein.
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Der Laserkopf 110 sendet einen Laserstrahl L (bspw. mit einer Wellenlänge von 900 nm bis 1400 nm) aus, mit dem wenigstens ein in einer nicht näher dargestellten Einspanneinrichtung eingespanntes Werkstück 200 bearbeitet werden kann, wozu der Laserkopf 110 eine vom Roboter 120 erzeugte Verfahr-, Schwenk- und/oder Drehbewegung ausführen kann. Bei der Laserquelle 112 handelt es sich bspw. um ein Diodenlasergerät. Mit 113 ist ein im Gehäuse 111 angeordnetes Schutzfenster bezeichnet, durch das hindurch der Laserstrahl L auf das Werkstück 200 gerichtet ist. Der Laserstrahl L ist im Wesentlichen parallel. Der Laserstrahl L weist somit keinen festen Fokuspunkt mit maximaler Strahlstärke auf, sondern hat einen unendlichen Strahlengang, was ein hohes Gefährdungspotential mit sich bringt.
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Der Laserstrahl L ist auf das im Abstand x vom Laserkopf 110 entfernte Werkstück 200 gerichtet. Auf dem Werkstück 200 ergibt sich ein Arbeitspunkt A, an dem eine Prozesstemperatur T von typischerweise mehreren Hundert Grad Celsius entsteht. Der Laserkopf 110 wird mittels des Roboters 120 so geführt, dass dieser während der Laserbearbeitung stets einen gleichbleibenden Abstand x (bspw. 300 mm) vom Werkstück 200 hat.
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Erfindungsgemäß sind am Laserkopf 110 zwei zusammen mit dem Laserkopf 110 bewegbare bzw. mitfahrende Temperatursensoren 131/132 angeordnet, mit denen die am Arbeitspunkt A erzeugte Prozesstemperatur T berührungslos erfasst werden kann. Bei diesen Temperatursensoren 131/132 handelt es sich um Pyrometer (Hochleistungs-Pyrometer) und insbesondere um IR-Sensoren unterschiedlicher Bauart. Der Temperatursensor 131 stammt bspw. von einem Hersteller A und der Temperatursensor 132 stammt bspw. von einem Hersteller B. Die beiden Temperatursensoren 131/132 sind derart am Laserkopf 110 angeordnet und ausgerichtet, dass deren Messfelder exakt im Arbeitspunkt A, der sich im definierten Abstand x vom Laserkopf 110 auf der Laserstrahlachse befindet, einen Messschnittpunkt S bilden bzw. aufbauen, wie mit den strichpunktierten Linien (Messachsen) veranschaulicht. Im Messschnittpunkt S beträgt der Messfleckdurchmesser bspw. 10 mm bis 20 mm und insbesondere ca. 15 mm.
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Der Temperatursensor 131 ist im Inneren des Laserkopfgehäuses 111 angeordnet und durch das Schutzfenster 113 hindurch auf den Messschnittpunkt S gerichtet. Der andere Temperatursensor 132 ist an der Außenseite des Laserkopfgehäuses 111 befestigt und auf den Messschnittpunkt S gerichtet. Beide Temperatursensoren 131/132 sind nahe der Laserquelle 112 positioniert und derart angeordnet, dass in äußerst vorteilhafter Weise immer eine abschattungsfreie Sichtverbindung zum Messschnittpunkt S bzw. zum Arbeitspunkt A besteht. Dies ist ein erheblicher Vorteil gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten aktiven Schutzwandsystemen.
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Mit Hilfe der beiden mit dem Laserkopf 110 mitbewegten Temperatursensoren 131/132 wird während einer Laserbearbeitung (d. h. bei eingeschaltetem Laserstrahl L) die im Messschnittpunkt S, wobei der Messschnittpunkt S bei fehlerfreiem Anlagenbetrieb dem Arbeitspunkt A entspricht, vom Laserstrahl L erzeugte Prozesstemperatur T fortlaufend berührungslos erfasst bzw. gemessen. Falls einer der beiden Sensoren 131 und/oder 132 im Messschnittpunkt S eine zu niedrige, d. h. unterhalb eines definierten Schwellwerts (bspw. 300 °C) liegende, oder gar keine Prozesstemperatur erfasst, wird die Laserbearbeitung nach einer Diskrepanzzeit (bspw. 10 sec) von einer Anlagensteuereinrichtung oder Sicherheitssteuereinrichtung unterbrochen und der Laserstrahl L ausgeschaltet. Hierzu sind die beiden Temperatursensoren 131/132 mit dieser in der Figur nicht gezeigten Steuereinrichtung verbunden. Anderenfalls wird der Bearbeitungsprozess bzw. die Laserbearbeitung fortgeführt, solange beide Temperatursensoren 131/132 einen Temperaturwert oberhalb des Temperaturschwellwerts messen bzw. erfassen.
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Mit Hilfe der beiden am Laserkopf 110 angeordneten und mit dem Laserkopf 110 mitbewegten Temperatursensoren 131/132 wird also die vom Laserstrahl L in einem definierten Abstand x vom Laserkopf 110 am Arbeitspunkt A erzeugte Prozesstemperatur T berührungslos erfasst und der Bearbeitungsprozess bzw. die Laserbearbeitung wird unterbrochen, falls wenigstens einer der beiden Temperatursensoren 131/132 eine zu niedrige oder keine Prozesstemperatur meldet. Tritt eine Fehlersituation ein, bei der der Laserstrahl L nicht mehr richtig oder gar nicht mehr auf das Werkstück 200 gerichtet ist (d. h. der Laserstrahl L kommt nicht mehr dort an, wo er ankommen soll), sinkt die Prozesstemperatur ab oder es ergibt sich überhaupt keine Prozess- bzw. Bearbeitungstemperatur, was von den Temperatursensoren 131/132 entsprechend erfasst wird. Somit kann bspw. verhindert werden, dass der Laserstahl L aufgrund einer Fehlfunktion unkontrolliert in den Raum strahlen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Laseranlage
- 110
- Laserkopf
- 111
- Gehäuse
- 112
- Laserquelle
- 113
- Schutzfenster
- 120
- Roboter (Manipulator)
- 131
- Temperatursensor
- 132
- Temperatursensor
- 200
- Werkstück
- A
- Arbeitspunkt
- L
- Laserstrahl (Laserstrahlachse)
- S
- Messschnittpunkt
- T
- Prozesstemperatur
- x
- Abstand
