DE19709473A1 - Verfahren zur Ermittlung des Verschleißgrades einer Linsenanordnung in einem Laserbearbeitungskopf - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Ermittlung des Verschleiß­ grades einer Linsenanordnung in einem zur Bearbeitung eines Werk­ stücks mittels eines Laserstrahls dienenden Laserbearbeitungskopf ge­ maß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 7.

In Laserbearbeitungsköpfen vorhandene Linsen oder Linsenanordnun­ gen, die aufgrund von Beschädigungen oder Verschmutzungen einen un­ üblich hohen Anteil der Laserstrahlung absorbieren, heizen sich trotz Kühlung verhältnismäßig stark auf, deformieren sich, führen zu schlech­ ten Bearbeitungsergebnissen, z. B. zu schlechten Schneidergebnissen, und können explosionsartig zerstört werden. Der Verschleiß kann dabei schleichend oder abrupt auftreten.

Die obigen Probleme werden dadurch verstärkt, daß die Tendenz auch beim Schneiden zu höheren Strahlleistungen geht. Da andererseits die Be­ dienerpräsenz bei Laserschneidanlagen verringert werden soll, ist es zu­ nehmend wünschenswert, den Verschleiß der Linsen bzw. Linsenanord­ nungen automatisiert zu kontrollieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in den Oberbegriffen der ne­ bengeordneten Patentansprüche 1 und 7 angegebenen Verfahren so wei­ terzubilden, daß mit ihnen eine einfache und wirtschaftliche Kontrolle des Verschleißgrades von Linsen bzw. Linsenanordnungen in Laserbearbei­ tungsköpfen möglich ist.

Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird dazu das Werk­ stück mit Hilfe des Laserstrahls durchstochen, und es wird dabei die zum Durchstechen des Werkstücks erforderliche Einstechzeit gemessen. Die gemessene Einstechzeit wird dann mit einer vorbestimmten Referenzein­ stechzeit verglichen, um ein Signal (z. B. ein Alarmsignal) zu erzeugen, wenn beide Einstechzeiten um mehr als einen vorgegebenen Toleranzwert voneinander abweichen. Die Messung der Einstechzeit ist auf verschiede­ ne Weise möglich, beispielsweise durch Messung der Dauer der vom Werk­ stück kommenden oder emittierten Strahlung. Eine hierzu geeignete Vor­ richtung geht bereits aus der Deutschen Patentanmeldung 196 44 101.4 hervor.

Durch Messung der Einstechzeit ist also eine indirekte Kontrolle des Ver­ schleißgrades der Linsenanordnung möglich, ohne daß es erforderlich ist, Messungen an der Linsenanordnung selbst durchführen zu müssen, etwa hinsichtlich ihrer Temperatur, ihrer Deformation oder interner mechani­ scher Spannungen. Damit läßt sich die Kontrolle in einfacher Weise und wirtschaftlich durchführen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann vor einem Dauerbetrieb des Laserbearbeitungskopfs eine Einstechzeit gemessen und mit einer Refe­ renzeinstechzeit verglichen werden.

Somit läßt sich schon vor Beginn eines rechnergesteuerten Prozesses des Laserbearbeitungskopfs eine Linsenverschleißkontrolle durchführen, um sicherzustellen, daß der prozeßgesteuerte Dauerbetrieb auch mit einer einwandfreien Linsenanordnung ausgeführt wird. Sollte das Testergebnis negativ sein, könnte ein Alarmsignal zur Stillsetzung der Laserbearbei­ tungsanlage oder zum Austausch des Laserbearbeitungskopfs erzeugt werden, wobei dieser Austausch auch automatisch durchgeführt werden könnte.

Andererseits lassen sich auch während eines Dauerbetriebs des Laserbe­ arbeitungskopfs an geeigneten Positionen Einstechzeiten messen und jeweils mit einer Referenzeinstechzeit vergleichen. Es kann somit eine periodische Kon­ trolle des Verschleißgrades der Linsenanordnung während des prozeßge­ steuerten Dauerbetriebs des Laserbearbeitungskopfs ausgeführt werden.

Die Referenzeinstechzeiten können als vorgegebene bzw. vorgespeicherte Werte zur Verfügung gestellt werden, die sich auf verschiedene Weise er­ mitteln lassen. So könnten sie z. B. rechnerisch vorab bestimmt oder durch vorgezogene Messungen ermittelt werden. Dabei lassen sich auch die Referenzeinstechzeiten durch Messung der Dauer der vom Werkstück kommenden bzw. emittierten Strahlung bestimmen, wenn zu diesem Zweck das Werkstück mittels Laserstrahlung durchbohrt wird.

Vorzugsweise lassen sich die Referenzeinstechzeiten durch Messung beim Durchstechen desselben oder eines anderen aber gleichen Werkstücks mit einer einwandfreien Linsenanordnung bestimmen. Als einwandfreie Lin­ senanordnung kann je eine komplett neue oder eine bereits überprüfte und für brauchbar befundene Linsenanordnung verwendet werden.

Sollte der Zustand der Linsenanordnung beim Beginn eines Bearbeitungs­ prozesses jedoch nicht bekannt sein, kann zunächst auch die Referenzein­ stechzeit beim Durchstechen des Werkstücks mit kalter Linsenanordnung und danach beim Durchstechen desselben Werkstücks eine Einstechzeit bei erwärmter Linsenanordnung gemessen werden, um dann ermitteln zu können, ob es sich bei der verwendeten Linsenanordnung um eine bereits verschlissene handelt oder nicht. Üblicherweise erwärmt sich eine bereits verschlissene Linsenanordnung im Betrieb erheblich schneller als eine noch gebrauchsfähige Linsenanordnung, so daß dann, wenn zwischen bei­ den Messungen eine vorbestimmte Betriebszeit liegt, durch Vergleich der Einstechzeiten in einfacher Weise festgestellt werden kann, ob die Linsen­ anordnung noch verwendbar ist oder nicht.

Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Laser­ strahl bei konstantem Abstand des Laserbearbeitungskopfs relativ zum Werkstück so geführt, daß er zunächst das Werkstück entlang einer vorge­ gebenen Spur überstreicht. Dabei wird zu unterschiedlichen Zeitpunkten die vom Werkstück kommende bzw. emittierte Strahlung gemessen, und es werden die jeweiligen Strahlungsmeßwerte ggf. nach Zwischenspeiche­ rung miteinander verglichen, um z. B. ein Alarmsignal zu erzeugen, falls die miteinander verglichenen Strahlungsmeßwerte um mehr als einen vor­ gegebenen Toleranzwert voneinander abweichen.

Dabei kann die Spur nur in die Oberfläche des Werkstücks geschrieben werden oder es wird die Spur durch Zerschneiden des Werkstücks gebil­ det.

Wird die Spur nur in die Oberfläche des Werkstücks geschrieben und ist die Linsenanordnung verschlissen, so nimmt die vom Werkstück emittier­ te Strahlung im Laufe der Zeit ab, da die Leistungsdichte auf dem Werk­ stück mit zunehmendem Verschleißgrad der Linsenanordnung bzw. zu­ nehmender Linsendeformation abnimmt. Ein Alarmsignal wird dann er­ zeugt, wenn der später gemessene Strahlungsmeßwert um den vorgegebe­ nen Toleranzwert kleiner ist als der früher gemessene Strahlungsmeß­ wert.

Wird andererseits die Spur durch Zerschneiden des Werkstücks gebildet und nimmt wiederum die Leistungsdichte bei verschlissener Linsenanord­ nung im Laufe der Zeit ab, so wird das Werkstück entlang der Spur zu spä­ teren Zeitpunkten hin nicht mehr zerschnitten. In diesem Fall nimmt die vom Werkstück emittierte Laserstrahlung im Laufe der Zeit zu, so daß z. B. das Alarmsignal dann erzeugt wird, wenn der spätere Strahlungsmeßwert um den vorgegebenen Toleranzwert größer ist als der frühere Strahlungs­ meßwert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezu­ gnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens;

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbei­ spiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Erläuterung eines zweiten Ausführungs­ beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung eines dritten Ausführungsbei­ spiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 5 ein Flußdiagramm zur Erläuterung eines vierten Ausführungsbei­ spiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Fig. 1 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 1, durch den ein Laser­ strahl 2 hindurchtritt. Der Laserstrahl 2 trifft auf ein Werkstück 3 auf, das durch ihn bearbeitet werden soll. Mit Hilfe des Laserstrahls 2 läßt sich das Werkstück 3 z. B. durchstechen oder zerschneiden. Auch ein Verschwei­ ßen von Werkstücken ist möglich. Zur Abstandsregelung zwischen Laser­ bearbeitungskopf und Werkstück 3 dient eine an der Spitze des Laserbear­ beitungskopfs 1 angeordnete Sensorelektrode 4, mit deren Hilfe eine zwi­ schen ihr und dem Werkstück 3 liegende Kapazität gemessen wird. Dies ist allgemein bekannt und soll hier nicht weiter erläutert werden.

Trifft der Laserstrahl 2 im Bearbeitungspunkt 5 auf das Werkstück 3 auf, wird das Werkstück 3 dort sehr stark erhitzt, so daß das Werkstoffmaterial schmilzt. Die hohen Temperaturen bewirken Leuchterscheinungen am Be­ arbeitungspunkt 5, die intensitätsmäßig gemessen werden. Die am Bear­ beitungspunkt 5 auftretende Strahlung, die zum wesentlichen Teil aus von der Schmelze emittierter Strahlung besteht, tritt zum Teil durch den für den Laserstrahl 2 vorgesehenen Kanal in der Sensorelektrode 4 hin­ durch und schließlich in den Laserbearbeitungskopf 1 ein. Diese Strah­ lung wird dort mit Hilfe eines oder mehrerer Sensoren 6 und 7 detektiert, die im vorliegenden Fall im Innern des Laserbearbeitungskopfs 1 angeord­ net sind. Beide Detektoren 6 und 7 wandeln das empfangene Licht vom Be­ arbeitungspunkt 5 in ein elektrisches Signal um, das über Leitungen 8 und 9 zu einer Wandlereinheit 10 übertragen wird. In der Wandlereinheit 10 wird das empfangene elektrische Signal gegebenenfalls nach einer Vor­ verstärkung in ein Frequenzsignal gewandelt, um dann über eine Leitung 11 zu einer Auswerteeinheit 12 übertragen zu werden. Der Vorteil der Spannungs-/Frequenzwandlung ist darin zu sehen, daß jetzt über die Lei­ tung 11 sowohl die Versorgungsspannung für die Sensoren 6 und 7 als auch das elektrische Meßsignal selbst übertragen werden können.

Der Laserstrahl 2 ist in Fig. 1 als fokussierter Strahl dargestellt, dessen Fokus in gewünschter Position zum Werkstück 3 zu liegen kommt, bei­ spielsweise auf dessen Oberfläche. Zur Fokussierung des Laserstrahls 2 dient eine Linsenanordnung 13, die z B. aus einer oder mehreren Linsen bestehen kann. Um den Verschleißgrad der Linsenanordnung 13 bestim­ men zu können, werden die mit Hilfe der Detektoren 6 und 7 gemessenen Signale, die an die Auswerteeinheit 12 übertragen worden sind, in geeigne­ ter Weise verarbeitet, wie nachfolgend im einzelnen beschrieben wird.

In der Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Flußdiagramms dargestellt. Es handelt sich hier um die wiederholte Kontrolle des Verschleißgrades der Linsenanordnung im Verlauf eines prozeßgesteuerten Bearbeitungsprozesses des Werk­ stücks mittels des Laserbearbeitungskopfs.

Zunächst werden in einem Schritt S1 unter Verwendung einer einwand­ freien Linsenanordnung Referenzeinstechzeiten t_{E ref} an einigen Werk­ stückpositionen ermittelt, die z. B. in späteren Abfallbereichen liegen.

Danach wird mit der Bearbeitung des Werkstücks 3 begonnen. Die Bear­ beitung enthält in der Regel eine Vielzahl von Einstechvorgängen (Schritt S2) mit anschließenden Schneidprozessen. Bei jedem Einstich werden Start und Ende des Einstichs gemessen und daraus die aktuelle Einstech­ zeit t_E ermittelt. Dabei beginnt im Schritt S2a der Einstich, während im Schritt S2b das Ende des Einstichs detektiert wird.

Im Schritt S3 wird überprüft, ob bezüglich der jeweiligen Einstechposition die Einstechzeit t_E größer ist als die um einen Toleranzwert vergrößerte Referenzeinstechzeit t_{E ref}. Ist dies der Fall, wird z. B. ein Alarmsignal im Schritt S4 ausgegeben, um entweder die Anlage vollständig oder vorüber­ gehend stillzusetzen, bis die verschlissene Linsenanordnung durch eine neue ersetzt wurde.

Ist dagegen das Vergleichsergebnis im Schritt S3 negativ, so wird wiede­ rum Schritt S2 erreicht, um an der nächsten vorgegebenen Position die Einstechzeit t_E zu bestimmen, usw. Der Vorgang läuft während des gesam­ ten rechnergesteuerten Bearbeitungsprozesses des Werkstücks 3 wieder­ holt ab, so daß Linsenverschleißkontrollen an sämtlichen Einstechposi­ tionen möglich sind.

Schließt sich nach Beendigung der Bearbeitung des Werkstücks 3 die gleichartige Bearbeitung eines gleichartigen Werkstücks an, wie dies in der Serienproduktion der Fall ist, so können die gemessenen aktuellen Einstechzeiten t_E weiterhin mit der anfangs gespeicherten Referenzein­ stechzeit t_{E ref} verglichen werden.

Auf die Ermittlung der Referenzeinstechzeit unmittelbar vor der Bearbei­ tung kann verzichtet werde, wenn bereits zu einem früheren Zeitpunkt die Referenzeinstechzeit für genau diesen Einstechprozeß bei guter Linse ge­ messen und abgespeichert wurde.

Die Fig. 3 bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel, bei dem vor einem rechnergesteuerten Bearbeitungsprozeß des Werkstücks 3 eine Linsen­ verschleißkontrolle durchgeführt wird. Es handelt sich hier um eine Alter­ native bei nicht zu dicken Blechen.

Im Schritt S5 wird bei anfangs kalter Linsenanordnung 13 mit Hilfe des La­ serstrahls 2 ein Loch in einen späteren Abfallbereich des Werkstücks 3 eingestochen. Dabei wird die "Einstechzeit kalt" gemessen und im Schritt S6 gespeichert. Im nachfolgenden Schritt S7 wird eine vorbestimmte Zeit im Abfallbereich geschnitten, damit sich die Linsenanordnung 13 erwär­ men kann. Anschließend wird im Schritt S8 erneut ein Loch im selben Werkstück an einer kalten Stelle mit Hilfe des Laserstrahls 2 eingesto­ chen, wobei jetzt die "Einstechzeit warm" gemessen wird.

Im Schritt S9 wird dann überprüft, ob die "Einstechzeit warm" größer ist als die um einen Toleranzwert vergrößerte "Einstechzeit kalt". Ist dies der Fall, wird im Schritt S10 z. B. das Alarmsignal A ausgegeben. Wird dagegen im Schritt S9 festgestellt, daß die "Einstechzeit warm" nicht größer als die um den Toleranzwert erhöhte "Einstechzeit kalt" ist, so wird im Schritt S11 ein Bestätigungssignal ausgegeben, das angibt, daß die Linsenanordnung 13 zur weiteren Nutzung verfügbar ist.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 handelt es sich um eine vor Betriebs­ beginn durchgeführte Linsenverschleißkontrolle, die unabhängig von Werkstück- bzw. Blechdicken ausführbar ist.

Vorzugsweise wird hier im Schritt S12 ohne Schneidgas und bei konstan­ tem Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf 1 und Werkstück 3 eine Spur in die Oberfläche des Werkstücks 3 mit Hilfe des Laserstrahls 2 ge­ schrieben. Die Fokuslage des Laserstrahls 2 soll hier auf der Oberfläche des Werkstücks 3 liegen.

Der Laser wird in diesem Ausführungsbeispiel mit reduzierter Leistung betrieben. Die optimale Leistung wird bei guter Linse ermittelt. Sie erzeugt im Material ein weißglühende Spur, schmilzt dieses aber nicht auf.

Bei nicht einwandfreier Linsenanordnung 13 sollten die Detektoren 6, 7 in Fig. 1 anfangs (bei kalter Linsenanordnung 13) eine höhere, dann eine abnehmende vom Werkstück 3 emittierte Strahlung messen, da die Lei­ stungsdichte auf dem Werkstück 3 mit zunehmender Linsendeformation abnimmt.

Im Schritt S12 wird sodann während des Einbringens der Spur an je einem Bereich am Anfang und am Ende der Spur die vom Werkstück 3 emittierte Strahlung detektiert. Es handelt sich hier um Mittelwerte der jeweils emit­ tierten Strahlung. Beide Strahlungsmeßwerte werden zwischengespei­ chert.

Schließlich wird im Schritt S13 geprüft, ob die Abnahme des Strahlungs­ meßwerts zum zweiten bzw. späteren Zeitpunkt gegenüber dem zum er­ sten bzw. früheren Zeitpunkt gemessenen Strahlungsmeßwert größer ist als ein vorgegebener Toleranzwert.

Ist dies der Fall, wird im Schritt S14 z. B. das Alarmsignal A erzeugt.

Ist dagegen das Ergebnis im Schritt S13 negativ, so bedeutet dies, daß die Linsenanordnung 13 weiter verwendet werden kann. Dies wird im Schritt S15 angegeben.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 handelt es sich ebenfalls um ei­ ne Linsenverschleißkontrolle vor Beginn der rechnergesteuerten Bearbei­ tung des Werkstücks 3. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird hier allerdings ein Probeschnitt durchgeführt. Es wird also das Werkstück 3 mit Hilfe des Laserstrahls 2 über eine gewisse Teststrecke zerschnitten. Bei einer vorgeschädigten Linsenanordnung 13 ändert sich der Fokus innerhalb von wenigen Sekunden, was dazu führt, daß kein ein­ wandfreies Schneidergebnis mehr erzielt wird. Das bedeutet, daß im Laufe des Testschnitts die vom Werkstück 3 emittierte Strahlung zunimmt.

Im Schritt S16 wird also dieser Testschritt ausgeführt und es werden an zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten die Strahlungswerte der emittier­ ten Strahlung mit Hilfe der Detektoren 6 und 7 gemessen, ebenfalls wiede­ rum als Mittelwerte. Diese Strahlungsmeßwerte werden dann in der Aus­ werteeinheit 12 zwischengespeichert.

Im Schritt S17 wird überprüft, ob der zuletzt aufgenommene Strahlungs­ meßwert um einen Toleranzwert größer ist als der zuerst aufgenommene Strahlungsmeßwert.

Ist dies der Fall, wird im Schritt S18 z. B. das Alarmsignal A ausgegeben. Ist dagegen das Ergebnis im Schritt S17 negativ, wird im Schritt 19 festge­ stellt, daß die Linsenanordnung 13 in Ordnung ist und weiter verwendet werden kann.

Claims (11)

1. Verfahren zur Ermittlung des Verschleißgrades einer Linsenanord­ nung (13) in einem zur Bearbeitung eines Werkstücks (3) mittels eines La­ serstrahls (2) dienenden Laserbearbeitungskopf (1), gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - das Werkstück (3) wird mit Hilfe des Laserstrahls (2) durchstochen;
• - dabei wird die zum Durchstechen des Werkstücks (3) erforderliche Einstechzeit (t_E) gemessen; und
• - die gemessene Einstechzeit (t_E) wird mit einer vorbestimmten Refe­ renzeinstechzeit (t_{E ref}) verglichen, um ein Signal zu erzeugen, wenn beide Einstechzeiten um mehr als einen vorgegebenen Toleranzwert voneinan­ der abweichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor ei­ nem Dauerbetrieb des Laserbearbeitungskopfs (1) eine Einstechzeit (t_E) gemessen und mit einer Referenzeinstechzeit (t_{E ref}) verglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während eines Dauerbetriebs des Laserbearbeitungskopfs (1) Einstech­ zeiten (t_E) gemessen und jeweils mit einer Referenzeinstechzeit (t_{E ref}) verglichen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzeinstechzeiten (t_{E ref}) durch Messung beim Durchstechen desselben oder eines anderen aber gleichen Werkstücks (3) mit einer ein­ wandfreien Linsenanordnung (13) bestimmt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Referenzeinstechzeit (t_{E ref}) beim Durchstechen des Werk­ stücks (3) mit kalter Linsenanordnung (13) und danach beim Durchste­ chen desselben Werkstücks (3) eine Einstechzeit (t_E) bei erwärmter Lin­ senanordnung (13) gemessen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Messung der Einstechzeit (t_E) bzw. die Messung der Referenz­ einstechzeit (t_{E ref}) durch Messung der Dauer der vom Werkstück (3) kom­ menden bzw. emittierten Strahlung erfolgt.

7. Verfahren zur Ermittlung des Verschleißgrades einer Linsenanord­ nung (13) in einem zur Bearbeitung eines Werkstücks (3) mittels eines La­ serstrahls (2) dienenden Laserbearbeitungskopf (1), gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - der Laserstrahl (2) überstreicht das Werkstück (3) entlang einer vor­ gegebenen Spur;
• - dabei wird zu unterschiedlichen Zeitpunkten die vom Werkstück (3) kommende bzw. emittierte Strahlung gemessen; und
• - es werden die jeweiligen Strahlungswerte der vom Werkstück kom­ menden bzw. emittierten Strahlung miteinander verglichen, um ein Signal zu erzeugen, falls die miteinander verglichenen Strahlungswerte um mehr als einen vorgegebenen Toleranzwert voneinander abweichen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spur nur in die Oberfläche des Werkstücks (3) geschrieben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spur durch Zerschneiden des Werkstücks (3) gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen Strahlungswerte zwischengespeichert werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Signal ein Alarmsignal (A) ist.