DE19507401A1 - Überwachungsvorrichtung für Laserstrahlung - Google Patents
Überwachungsvorrichtung für LaserstrahlungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Überwachungsvorrich
tung für Laserstrahlung zur Werkstückbearbeitung, mit einer
Strahlführungseinrichtung, insbesondere mit einem Lichtwellen
leiter, mit einer die Laserstrahlung der Strahlführungseinrich
tung auf das Werkstück fokussierenden Bearbeitungsoptik, mit
einer Laserlicht aus einem optisch transparenten Bauteil auskop
pelnden Meßeinrichtung, mit einer Meßsignale der Meßeinrichtung
aufnehmenden Auswerteeinheit, mit einem der Laserausgangslei
stung proportional wirkenden Referenzwertgeber, der die Auswer
teeinheit beaufschlagt, und mit einer an die Auswerteeinheit
angeschlossenen, die Laserleistung in Abhängigkeit von refe
renzwertbezogenen Meßwerten beeinflussenden Steuereinheit.
Eine derartige Überwachungsvorrichtung ist aus der
EP 0 507 483 A1 bekannt. Das optisch transparente Bauteil ist
ein Lichtwellenleiter, mit dem die von einem Laser erzeugte La
serstrahlung zur Bearbeitungsoptik weitergeleitet wird. Die La
serlicht auskoppelnde Meßeinrichtung hat zwei Detektoren, die
Laserlicht am Anfang und nahe dem Ende des Lichtwellenleiters
auskoppeln. Der lasernächste Detektor wird dazu herangezogen,
die Fehlausrichtung zwischen dem Laserstrahl und dem Kern des
Lichtwellenleiters zu bestimmen und kann der Ausrichtung die
nen. Mit einem Meßsignal eines der Bearbeitungsoptik nahen De
tektors kann der Übertragungsverlust des Lichtwellenleiters
durch Vergleich dieses Meßsignals mit dem Meßsignal des laser
nahen Detektors festgestellt werden. Der Referenzwertgeber
blendet einen geringen Teil der Laserstrahlung aus, so daß die
Auswerteeinheit das Meßsignal des lasernahen Detektors auf die
Laserausgangsleistung beziehen kann. Mit der bekannten Steuer
einheit, die wie die Auswerteeinheit Bestandteil eines Rechners
ist, kann die Laserleistung beeinflußt werden. Des weiteren ist
die bekannte Überwachungsvorrichtung so ausgebildet, daß ein
Signal zur Fokuslagenüberwachung abgegriffen werden kann. Mit
Hilfe der Steuereinrichtung soll dementsprechend eine Fokus
nachführung erfolgen. Bei der bekannten Überwachungsvorrichtung
entfällt eine Überwachung im Bereich der Bearbeitungsoptik.
Hier auftretende Strahlungsverluste werden nicht erfaßt. Solche
Verluste können dadurch entstehen, daß die Frontlinse oder ein
Schutzglas durch bei der Bearbeitung entstehenden Materialdampf
und Materialspritzer verschmutzen. Eine solche Verschmutzung
kann im Laufe des Betriebs zunehmen. Je verschmutzter das
Schutzglas ist, um so mehr Laserstrahlung wird am Schutzglas
absorbiert und in Wärme umgesetzt. Im Extremfall kann das
Schutzglas zerstört werden. Auf jeden Fall wird durch die zu
nehmende Strahlungsabsorption Laserleistung für den Bearbei
tungsprozeß entzogen und dadurch das Bearbeitungsergebnis nach
haltig gestört.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei
ne Überwachungsvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen
so zu verbessern, daß die gesamte Strahlführungseinrichtung vom
Austritt der Laserstrahlung aus dem Laser bis einschließlich
der Bearbeitungsoptik auf unerwünschte Strahlungsverluste über
wacht werden kann.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein optisch trans
parentes Bauteil der Bearbeitungsoptik zur Erfassung der Streu
strahlung an die Meßeinrichtung angeschlossen ist, und daß die
Steuereinheit die Laserstrahlung bei einem vorbestimmten Über
schreiten oder Unterschreiten des jeweiligen Referenzwerts für
die Laserleistung abzuschalten vermag.
Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß eine Überwachung
eines Bauteils der Bearbeitungsoptik durch Erfassung der Streu
strahlung dieses Bauteils erfolgt. Vorzugsweise wird dasjenige
optische Bauteil überwacht, welches dem Werkstück am nächsten
ist, also beispielsweise ein Schutzglas, das die Fokussieroptik
vor Verschmutzungen schützen soll. Der Wert der Streustrahlung
des Bauteils ist bei ungeänderter Laserleistung grundsätzlich
konstant. Bei einer positiven oder negativen Abweichung der ge
messenen Streustrahlung besteht daher eine Störung der Strah
lungsübertragung von der Laserquelle zum Werkstück und die
Steuereinheit der Überwachungsvorrichtung ist daher so ausge
bildet, daß sie bei Überschreiten oder bei Unterschreiten des
Meßwerts um ein vorbestimmtes Maß eine Abschaltung des Lasers
zu bewirken vermag bzw. zumindest eine Signalgabe. Die auszu
wertenden Meßwerte werden dabei mit Referenzwerten verglichen,
die von der jeweils angewendeten Laserleistung abhängen. Denn
die Streustrahlung des überwachten optischen Bauelements ist
von der angewendeten Laserleistung direkt abhängig.
Wenn das Meßsignal in Bezug auf den Referenzwert kleiner
ist, kommt am überwachten optischen Bauteil nicht genügend La
serstrahlung an. Es besteht also eine Störung in der Strahlfüh
rungseinrichtung. Überschreitet der Meßwert den zugehörigen Re
ferenzwert, so ist die Strahlungsabsorption im Bereich des
Schutzglases wegen erfolgter Verschmutzung zu groß und das Ab
schalten erfolgt bei sonst intakter Strahlführungseinrichtung
aus diesem anderen Grund.
Bei einer Störung der Übertragung der Laserstrahlung durch
die Strahlführungseinrichtung wird ein Fehler häufig sehr
plötzlich auftreten, z. B. durch die plötzliche Zerstörung einer
Linse infolge thermischer Überlastung oder durch einen Bruch
des Lichtwellenleiters. Eine Vergrößerung der Streustrahlung
infolge einer Verschmutzung eines Schutzglases vollzieht sich
hingegen langsam. Um nun besser zu differenzieren, ob die eine
oder die andere Fehlerursache bei der Übertragung der Laser
strahlung durch die Strahlführungseinrichtung vorliegt, kann
die Überwachungsvorrichtung so ausgebildet werden, daß das Ab
schalten des Lasers von der Steuereinheit mit einem Differen
zierglied in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit des
Meßwerts durchführbar ist. Mit Hilfe des Differenzierglieds
kann die Überwachungsvorrichtung sehr schnell reagieren.
Ein Fehler in der Strahlführungseinrichtung kann sich gra
vierend auswirken. Bricht beispielsweise ein Lichtwellenleiter,
so tritt Strahlung mit hohen Leistungsdichten aus. Im Bereich
der unkontrolliert freigesetzten Strahlung können Personen- und
Materialschäden auftreten. Um derartige Schäden mit Sicherheit
zu vermeiden, kann die Überwachungsvorrichtung so ausgebildet
werden, daß für das Abschalten der Laserstrahlung ein den La
serstrahl unterbrechender mechanischer Strahlschalter vorhanden
ist. Ein solcher Strahlschalter ist hinreichend schnell und un
terbricht den Strahlengang unabhängig von der Steuereinrichtung
des Lasers, so daß sich dort eventuell vorhandene Fehler nicht
auswirken können.
Wenn die Meßeinrichtung einen Detektor hat, der direkt an
einer Außenfläche des optischen Bauteils der Bearbeitungsoptik
anliegt, ist für eine optimale Ausnutzung der geringen zur Ver
fügung stehenden Streustrahlung des überwachten optischen Bau
teils gesorgt. Bei einer derartigen Ausbildung der Überwa
chungsvorrichtung besteht prinzipiell auch die Anwendungsmög
lichkeit, Strahlführungseinrichtungen ausschließlich mit trans
parenten Linsen auszurüsten, die z. B. aus ZnSe bestehen. Derar
tige Strahlführungseinrichtungen werden z. B. für CO₂-Laser ver
wendet, deren Strahlung für Lichtwellenleiter nicht geeignet
ist.
Wenn die Anwendung eines Detektors direkt an einer Außen
fläche des optischen Bauteils nicht möglich oder nicht ge
wünscht ist, z. B. aus Platzgründen oder wegen auftretender Wär
mebelastung, kann die Überwachungsvorrichtung auch so ausgebil
det werden, daß die Meßeinrichtung einen Detektor mit einer
Streustrahlung des optischen Bauteils zuleitenden Glasfaser
hat, die mit einem Ende direkt an einer Außenfläche dieses Bau
teils anliegt.
Um insbesondere die werkstückseitige Verschmutzung der Be
arbeitungsoptik kontrollieren zu können, wird die Überwachungs
vorrichtung so ausgestaltet, daß der Detektor oder das Glasfa
serende an einer ebenen Fläche eines Schutzglases der Bearbei
tungsoptik anliegt. Das Schutzglas kann zur Abgabe von Streu
strahlung ohne weiteres mit einer ebenen Fläche versehen wer
den, die der problemlosen Anlage des Detektors oder des Glasfa
serendes dient. Die geringe Streustrahlung wird dadurch optimal
ausgenutzt. Wenn es darauf ankommt, auch andere Bauteile der
Bearbeitungsoptik zu überwachen, kann die Überwachungsvorrich
tung so ausgebildet werden, daß der Detektor oder das Glasfase
rende an einer Linse der Bearbeitungsoptik anliegt. Beispiels
weise kann eine Innenlinse der Bearbeitungsoptik überwacht wer
den. Strahlführungsstörungen infolge thermisch überlasteter
Linsen sind damit auf Dauer zuverlässig zu ermitteln.
Es ist vorteilhaft, die Überwachungsvorrichtung so
auszubilden, daß an die Auswerteeinheit ein Signalgeber zur in
Abhängigkeit von einem Überschreiten oder einem Unterschreiten
des jeweiligen referenzbezogenen Meßwerts unterschiedlich er
folgenden Signalgabe angeschlossen ist. Infolge der unter
schiedlichen Signalgabe können die dieser zugrundeliegenden
Fehlerzustände in der Strahlführungseinrichtung schnell erfaßt
werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Differenzierung von Fehlerzu
ständen in der Strahlführungseinrichtung ergibt sich, wenn die
Überwachungsvorrichtung so ausgebildet wird, daß an die Auswer
teeinheit zwei Detektoren angeschlossen sind, die die Streu
strahlung eines Lichtwellenleiters an dessen Ein- und Auskop
pelseite messen, und daß bei unterschiedlichem Meßergebnis der
beiden Detektoren eine Abschaltung und/oder eine Signalgabe er
folgt, die unabhängig von dem Meßergebnis der an die Auswerte
einheit angeschlossenen Meßeinrichtung ist. Die beiden zusätz
lichen Detektoren können Übertragungsstörungen des Lichtwellen
leiters sehr zuverlässig erfassen. Solche Übertragungsstörungen
ergeben sich z. B. infolge übermäßiger Biegung des Lichtwellen
leiters, die zu einem ungewollt großen Strahlungsverlust führt,
oder durch einen Bruch des Lichtwellenleiters. Des weiteren er
möglicht diese Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung eine
Erfassung einer Zerstörung im Bereich der Bearbeitungsoptik.
Wird beispielsweise das Schutzglas infolge thermischer Überla
stung zerstört, so ändert sich der von der Meßeinrichtung für
die Bearbeitungsoptik erfaßte Meßwert schlagartig. Eine solche
schlagartige Änderung des Meßwerts könnte aber auch auf einen
Bruch des Lichtwellenleiters zurückzuführen sein. Das Meßergeb
nis der beiden dem Lichtwellenleiter zugeordneten Detektoren
läßt jedoch erkennen, daß letzterer in Ordnung ist und demgemäß
ein schwerer Fehler der Bearbeitungsoptik vorliegt.
Es ist vorteilhaft, die Überwachungsvorrichtung so auszu
gestalten, daß die Bearbeitungsoptik eine Signalübertragungs
leitung von dem Detektor der Meßeinrichtung zur Auswerteeinheit
hat oder in letztere integriert ist. Es ergibt sich ein ent
sprechender Schutz der Signalübertragungsleitung innerhalb des
Gehäuses der Bearbeitungsoptik.
Des weiteren kann es von Vorteil sein, daß die Bearbei
tungsoptik modular aufgebaut ist, und daß die Module elektrisch
überwachte Berührungskontakte aufweisen. Es ergibt sich ein
Aufbau der Bearbeitungsoptik, deren einzelne Module ausge
tauscht werden können, beispielsweise zur Veränderung der Wir
kung der Bearbeitungsoptik oder zu deren Reparatur. Die Überwa
chung der Module mittels elektrischer Berührungskontakte ge
stattet die Ermittlung der korrekten Modulmontage, wobei prak
tisch weglos wirkende Kontakte der Kameratechnik zum Einsatz
kommen können.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestell
ten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung prin
zipieller Vorgänge im Bereich eines Schutzglases,
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, jedoch mit
einer abweichenden Anordnung eines Detektors, und
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer kompletten Überwa
chungsvorrichtung.
Aus Fig. 3 ist der grundsätzliche Aufbau einer Anlage zur
Bearbeitung eines Werkstücks 13 mit Laserstrahlung 12′ ersicht
lich. Ein Laser 29 erzeugt einen Laserstrahl 12, der mit einer
Strahlführungseinrichtung 10 einer Bearbeitungsoptik 14 zuge
leitet wird, welche die Laserstrahlung 12′ fokussiert. Die
Strahlführungseinrichtung 10 besteht bei CO₂-Lasern üblicher
weise aus Spiegel- und/oder Linsenanordnungen, wobei die trans
parenten Linsen z. B. aus ZnSe sind. Speziell bei Festkörperla
sern, z. B. bei Nd:Yag-Lasern, kann die Strahlführungseinrich
tung 10 einen Lichtwellenleiter 11 aufweisen. Ein solcher
Lichtwellenleiter leitet die Laserstrahlung 12′ bzw. das Laser
licht durch totale Reflexion in seinem Inneren mit nur sehr
geringen Verlusten auch auf gekrümmten Bahnen, was sich für die
einfache Ausbildung der Bearbeitungseinrichtung und die Rela
tivbewegung des die Bearbeitungsoptik aufweisenden Bearbei
tungskopfs sehr vorteilhaft auswirkt.
Von dem Laser 29 ausgehend wird der Laserstrahl 12 von ei
ner Linsenoptik 30 oder einem anderen sich im Strahlengang be
findenden optischen transparenten Bauelement auf die Einkoppel
seite 25 des Lichtwellenleiters 11 fokussiert, so daß sie mög
lichst in dessen Mitte eingekoppelt wird. Im Bereich der Aus
koppelseite 26 des Lichtwellenleiters 11 wird die Strahlung di
vergent freigesetzt und durch eine weitere Linsenoptik 31 kol
limiert. Mit einer Fokussierlinse 32 wird die Laserstrahlung
12′ auf das Werkstück fokussiert. Um die Fokussierlinse 32 zu
schützen, ist zwischen ihr und dem Werkstück 13 ein optisch
transparentes Bauteil 15 in Gestalt eines Schutzglases angeord
net. Das Schutzglas schützt die Fokussierlinse 32 vor Ver
schmutzungen bei der Bearbeitung des Werkstücks 13, die durch
Materialdampf und Materialspritzer entstehen können.
Aus Gründen der Anlagensicherheit muß gewährleistet wer
den, daß die Übertragung der Laserstrahlung in der Strahlfüh
rungseinrichtung 10 nicht ungewollt geschwächt oder unterbro
chen wird. Denn zur Gewährleistung einer gleichbleibenden Bear
beitungsqualität muß die Laserleistung konstant gehalten wer
den. Für eine Schwächung oder eine Unterbrechung der Strahlfüh
rung gibt es viele Gründe. Fehlerquellen sind beispielsweise
eine Fehljustierung der Linsenoptik 30 relativ zur Einkoppel
seite 25 des Lichtwellenleiters 11, eine unkorrekte Verbindung
des Lichtwellenleiters 11 im Bereich der Steckverbindungen 33
auf der Einkoppelseite 25 und auf der Auskoppelseite 26, eine
Zerstörung des Lichtwellenleiters 11 an den beiden Seiten 25, 26
oder ein Bruch des Lichtwellenleiters z. B. infolge übermäßiger
mechanischer Beanspruchung beim Bewegen der Bearbeitungsoptik
14 relativ zum Werkstück 13. Speziell bei einem Bruch des
Lichtwellenleiters 11 besteht die Gefahr, daß Laserstrahlung
hoher Leistung ungehindert aus der Bruchstelle in die Umgebung
freigesetzt wird und z. B. die Bedienung der Anlage gefährdet.
Im Bereich der Bearbeitungsoptik 14 können Störungen durch
Überlastung der optischen Bauteile auftreten, z. B. eine Wärme
überlastung der Linsen durch vom Werkstück 13 reflektierte La
serstrahlung, die zu einer Zerstörung einer Linse führt. Das
Bauteil 15 kann durch Materialspritzer und Materialdampf so
verschmutzt werden, daß Laserstrahlung übermäßig absorbiert
wird und für die Bearbeitung nicht mehr zur Verfügung steht. Im
Extremfall kann das Bauteil 15 durch Überhitzung infolge der
Strahlungsabsorption zerstört werden. Die Bearbeitungsoptik ist
dann nicht mehr einsatzfähig und der Bearbeitungsprozeß ist
empfindlich gestört.
Um die vorbeschriebene grundsätzliche Strahlführungsein
richtung 10 auf insgesamt ordnungsgemäße Funktion zu überwachen
und ggfs. zu beeinflussen, also vom Austritt des Laserstrahls
12 aus dem Laser 29 bis zum Verlassen des in Strahlungsrichtung
letzten optisch transparenten Bauteils 15, wird auf Fig. 1 Bezug
genommen. Die auf das Bauteil 15, nämlich ein Schutzglas der
Bearbeitungsoptik 14 auftreffende Laserstrahlung wird dieses
Bauteil 15 gemäß Pfeil 34 durchqueren. Ein nur geringer Anteil
des Lichts wird an den Grenzflächen Luft/Glas bzw. Glas/Luft
reflektiert und kann durch geeignete Beschichtungen der Grenz
flächen des Bauteils 15 minimiert werden. Ein weiterer geringer
Anteil wird durch den Werkstoff des Bauteils 15 absorbiert und
in Wärme umgewandelt, auch wenn der Werkstoff hinsichtlich der
Wellenlänge des Lichts optimiert ist. An mikroskopischen Inho
mogenitäten, die auch bei optimierten Werkstoffen vorkommen,
entsteht durch eine Veränderung des Brechungsindexes des Werk
stoffs infolge der Rayleigh-Streuung eine Ablenkung eines
Lichtanteils aus der Vorzugsrichtung des eingestrahlten Lichts.
Diese Streustrahlung ist von den optischen Eigenschaften des
Werkstoffs abhängig und proportional zur einfallenden Lichtmen
ge. Die Proportionalität wird durch einen Proportionalitätsfak
tor beschrieben, der durch optische Vermessung zu ermitteln
ist. Infolgedessen kann die Streustrahlung als Maß für die ein
fallende Lichtmenge herangezogen werden. Umgekehrt bedeutet die
Vergrößerung oder die Verringerung des Meßwertes der Streu
strahlung bei ungeänderter Laserleistung eine Störung im Be
reich der Strahlführungseinrichtung. Der gestreute Strahlungs
anteil 35 wird demgemäß zur Überwachung der Strahlführungsein
richtung 10 herangezogen. Verringert sich dieser Streustrah
lungsanteil bei konstanter Laserleistung, so liegt ein Fehler
vor, der Laserstrahlung und damit Energie schluckt. Ursache ist
beispielsweise eine Fehljustierung der Strahlungseinkopplung.
Wird dahingegen ein gesteigerter Streustrahlungsanteil gemes
sen, so kann das z. B. an einer zunehmenden Verschmutzung des
Bauteils 15 an der dem Werkstück 13 zugewendeten Grenzfläche
des Bauteils 15 liegen.
Um die Streustrahlung des Bauteils 15 zu messen, ist ein
Detektor 20 einer Meßeinrichtung 16 vorhanden, der bei auftre
tender Streustrahlung ein proportionales Signal über eine Sig
nalübertragungsleitung 36 an die Meßeinrichtung 17 abgibt. Der
Detektor 20 liegt direkt an einer Außenfläche des optischen
Bauteils 15 an, beispielsweise an einer Schlifffläche eines
Schutzglases, dessen Dicke einige Millimeter beträgt. Da der
Detektor 20 in der Bearbeitungsoptik 14 angeordnet wird, kann
die Signalübertragungsleitung 36 abweichend vom Dargestellten
innerhalb der Bearbeitungsoptik 14 angeordnet sein.
Gemäß Fig. 3 ist die Bearbeitungsoptik 14 modular aufge
baut. Es ist ein Anschlußmodul 27 vorhanden, der die kollimie
rende Linsenoptik 31 aufweist. An diesen Modul 27 ist ein wei
terer Modul 27′ angeschlossen, der die Fokussierlinse 32 und
das überwachte optische Bauteil 15 aufweist. Beide Module 27,
27′ sind so ausgebildet, daß ihr ordnungsgemäßer Zusammenbau
elektrisch überwacht werden kann. Hierzu dient beispielsweise
ein elektrisch überwachter Berührungskontakt 28 zwischen beiden
Modulen.
In Fig. 2 ist dargestellt, daß der Detektor 20 mit einer
Glasfaser 22 oder einem Glasfaserbündel einen Streustrahlungsanteil 35
des Bauteils 15 mißt. Der Einsatz dieser Glasfaser 22
gibt bei der Gestaltung der Bearbeitungsoptik 14 bauliche Frei
heiten, da der räumliche Aufwand zur Anordnung einer Glasfaser
22 gering ist, verglichen mit dem räumlichen Aufwand für den
Detektor 20. Auch der optische Anschluß ist einfacher. Das ist
für die bauliche Ausgestaltung im Bereich des Schutzglases bzw.
Bauteils 15 deswegen von Bedeutung, weil letzteres bereits an
den in der Nähe des Werkstücks 13 befindlichen Düsenbereich an
grenzt. Das Ende 22′ der Glasfaser kann eine polierte Endfläche
haben und mit dem Bauteil 15 direkten Kontakt aufweisen. Die
Glasfaser 22 überträgt Streustrahlung praktisch verlustfrei bis
zum Detektor 20, der ein entsprechendes elektrisches Signal er
zeugt, welches mit der Signalübertragungsleitung 36 zur Auswer
teeinheit 17 gelangt. Der Detektor 20 kann sich innerhalb der
Auswerteeinheit 17 befinden. In diesem Fall fällt die Signal
übertragung 36 weg.
In der Auswerteeinheit 17 wird das Signal des Detektors 20
mit einem Referenzsignal verglichen, welches von einem Refe
renzwertgeber 18 erzeugt wird. Dieser Referenzwertgeber 18 mißt
einen Streustrahlungsanteil der Linsenoptik 30, welche den La
serstrahl 12 vor der Einkoppelseite 25 des Lichtwellenleiters
11 fokussiert, oder den Streustrahlungsanteil eines anderen
sich im Strahlengang befindenden optisch transparenten Bauele
mentes. Der Referenzwertgeber 18 hat einen Detektor 20′, der
Streustrahlung der Linsenoptik 30 von einer Glasfaser 37 zuge
leitet erhält und ein Referenzsignal erzeugt, welches der Aus
werteeinheit 17 über eine Referenzleitung 38 zugeleitet wird.
Auch hier kann sich ersatzweise der Detektor 20′ innerhalb der
Auswerteeinheit 17 befinden.
Die Auswerteeinheit 17 vergleicht das Meßsignal der Meß
einrichtung 16 mit dem Referenzsignal des Referenzwertgebers
18. Beide Signale müssen gleich groß sein bzw. dürfen einen nur
durch die regulären Verluste der Strahlführungseinrichtung 10
bestimmten Unterschied aufweisen. Die Messung beider Signale
erfolgt jeweils zeitgleich. Bei einer positiven oder negativen
Abweichung des Meßsignals der Meßeinrichtung 16 besteht eine
Störung. Im Falle einer Störung beaufschlagt die Auswerteein
heit 17 eine Steuereinheit 19 und/oder einen Signalgeber 23.
Im Signalgeber 23 wird ein Signal erzeugt, das in Abhän
gigkeit von einer positiven oder einer negativen Abweichung des
Meßsignals der Meßeinrichtung 16 unterschiedlich ist. Es er
folgt also eine in Abhängigkeit von einem Überschreiten oder
einem Unterschreiten des jeweiligen referenzbezogenen Meßwerts
unterschiedliche Signalgabe. Bei einem Überschreiten des refe
renzbezogenen Meßwerts ist eine Störung der Strahlungsübertra
gung aus dem Bereich des Bauteils 15 bis zum Werkstück 13 als
Ursache anzusehen. Das ist jedenfalls der Fall, wenn das Meßsi
gnal im Laufe der Betriebsdauer langsam zunimmt. Es kann dann
ein optisches oder ein akustisches Warnsignal genügen, bis die
Zunahme so groß ist, daß der Laser abgeschaltet werden muß. In
diesem Fall wird die Steuereinheit 19 aktiv und steuert einen
mechanischen Strahlschalter 39 an, der die Laserstrahlung ab
schaltet, indem er den Strahlengang unterbricht, wozu bei
spielsweise eine mechanische Blende geschlossen wird.
Wenn das Meßsignal der Meßeinrichtung 16 kleiner ist, als
das vom Referenzwertgeber 18 gelieferte Signal, liegt eine Stö
rung im Bereich der Strahlführungseinrichtung 10 zwischen dem
Bauteil 15 und dem Bauteil 30 vor. Auch in einem solchen Fall
kann die Auswerteeinheit 17 den Signalgeber 23 und/oder die
Steuereinheit 19 beaufschlagen. Ein Abschalten des Laserstrahls
bzw. der Laserstrahlung mit dem Strahlschalter 39 kommt insbe
sondere dann in Betracht, wenn die Änderung des Meßwerts
schnell erfolgt. In diesem Fall kann zur Beschleunigung des Ab
schaltvorgangs ein nicht dargestelltes Differenzierglied einge
setzt werden, das auf schnelle Änderungen des Meßsignals der
Meßeinrichtung 16 reagiert und das Abschalten über die Steuer
einheit 19 entsprechend beschleunigt. Zugleich kann das Diffe
renzierglied bzw. dessen Ansprechen dazu herangezogen werden,
den Signalgeber 23 und/oder die Steuereinheit 19 in besonderer
Weise zu beaufschlagen. Denn eine schnelle Änderung des Meßsig
nals der Meßeinrichtung 16 deutet auf eine Gefahrenkonstella
tion hin. Beispielsweise könnte der Lichtwellenleiter 11 gebro
chen sein.
Da der Lichtwellenleiter 11 eine besondere Gefahrenquelle
darstellt, falls er bricht, ist es zweckmäßig, ihn speziell zu
überwachen. Für diese Überwachung sind zwei besondere Detekto
ren vorhanden, die sich an der Einkoppelseite 25 und an der
Auskoppelseite 26 befinden. Sie messen die dort vorhandene
Streustrahlung des Lichtwellenleiters 11 und geben dementspre
chende Signale an die Auswerteeinheit 17 ab, die die Signale
vergleicht. Bei normaler Funktion des Lichtwellenleiters 11
sind diese Signale gleich bzw. weichen nur in geringem Maße
entsprechend den geringen Leitungsverlusten voneinander ab. Im
Falle eines Bruchs oder einer übermäßigen Biegung bzw. Knickung
des Lichtwellenleiters 11 erkennt die Auswerteeinheit 17 dies
an der Differenz der beiden Meßsignale der Detektoren 24. Sie
veranlaßt dann zumindest eine Signalgabe, wenn der Meßwertun
terschied einen vorbestimmten Grenzwert nicht überschreitet,
beispielsweise infolge einer Fehljustierung im Einkoppelbe
reich. Wird der Grenzwert jedoch überschritten, erfolgt eine
Abschaltung der Laserstrahlung über den mechanischen Strahl
schalter 39. Diese Abschaltung erfolgt unabhängig von dem Meß
ergebnis der Meßeinrichtung 16, ist also demgegenüber vorran
gig. Sofern das Meßergebnis der Meßeinrichtung 16 eine plötzli
che Verringerung der Streustrahlung des Bauteils 15 signali
siert, das Meßergebnis der Detektoren 24 jedoch keinen Störbe
fund erkennen läßt, kann daraus auf die Zerstörung des Bauteils
15 geschlossen werden und der Laser 29 bzw. sein Strahl 12 wird
ebenfalls mechanisch abgeschaltet.
Claims (11)
1. Überwachungsvorrichtung für Laserstrahlung zur Werkstück
bearbeitung, mit einer Strahlführungseinrichtung (10),
insbesondere mit einem Lichtwellenleiter (11), mit einer
die Laserstrahlung (12′) der Strahlführungseinrichtung
(10) auf das Werkstück (13) fokussierenden Bearbeitungsop
tik (14), mit einer Laserlicht aus einem optisch transpa
renten Bauteil (15) auskoppelnden Meßeinrichtung (16), mit
einer Meßsignale der Meßeinrichtung (16) aufnehmenden Aus
werteeinheit (17), mit einem der Laserausgangsleistung
proportional wirkenden Referenzwertgeber (18), der die
Auswerteeinheit (17) beaufschlagt, und mit einer an die
Auswerteeinheit (17) angeschlossenen, die Laserleistung in
Abhängigkeit von referenzwertbezogenen Meßwerten beein
flussenden Steuereinheit (19), dadurch gekennzeichnet, daß
ein optisch transparentes Bauteil (15) der Bearbeitungsop
tik (14) zur Erfassung der Streustrahlung an die Meßein
richtung (16) angeschlossen ist, und daß die Steuereinheit
(19) die Laserstrahlung (12′) bei einem vorbestimmten
Überschreiten oder Unterschreiten des jeweiligen Referenz
werts für die Laserleistung abzuschalten vermag.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Abschalten der Laserstrahlung (12′) von der Steuerein
heit (19) mit einem Differenzierglied in Abhängigkeit von
der Änderungsgeschwindigkeit des Meßwerts durchführbar
ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß für das Abschalten der Laserstrahlung (12′) ein
den Laserstrahl (12′) unterbrechender mechanischer Strahl
schalter (39) vorhanden ist.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (16) ei
nen Detektor (20) hat, der direkt an einer Außenfläche
(21) des optischen Bauteils (15) der Bearbeitungsoptik
(14) anliegt.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (16) ei
nen Detektor (20) mit einer Streustrahlung des optischen
Bauteils (15) zuleitenden Glasfaser (22) hat, die mit ei
nem Ende direkt an einer Außenfläche (21) dieses Bauteils
(15) anliegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich
net, daß der Detektor (20) oder das Glasfaserende (22′) an
einer ebenen Fläche eines Schutzglases der Bearbeitungsop
tik (14) anliegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich
net, daß der Detektor (20) oder das Glasfaserende (22′) an
einer Linse der Bearbeitungsoptik anliegt.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß an die Auswerteeinheit (17)
ein Signalgeber (23) zur in Abhängigkeit von einem Über
schreiten oder einem Unterschreiten des jeweiligen refe
renzbezogenen Meßwerts unterschiedlich erfolgenden Signal
gabe angeschlossen ist.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß an die Auswerteeinheit (17)
zwei Detektoren (24) angeschlossen sind, die die Streu
strahlung eines Lichtwellenleiters (11) an dessen Ein- und
Auskoppelseite (25, 26) messen, und daß bei unterschiedli
chem Meßergebnis der beiden Detektoren (24) eine Abschal
tung und/oder eine Signalgabe erfolgt, die unabhängig von
dem Meßergebnis der an die Auswerteeinheit (17) ange
schlossenen Meßeinrichtung (16) ist.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsoptik (14)
eine Signalübertragungsleitung (36) von dem Detektor (20)
der Meßeinrichtung (16) zur Auswerteeinheit (17) hat oder
in letztere integriert ist.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsoptik (14)
modular aufgebaut ist, und daß die Module (27, 27′) elek
trisch überwachte Berührungskontakte (28) aufweisen.
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