DE19839930C1 - Verfahren zur Überwachung der Funktionalität des transparenten Schutzelementes einer transparenten Laseroptik sowie Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Funktionalität des transparenten Schutzelementes einer transparenten Laseroptik während der Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Laserstrahl, bei welchem Licht erfaßt wird, welches aus dem Schutzelement unter einem Winkel austritt, der von der Einfallsrichtung des Laserstrahles abweicht, sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit mindestens einem an eine seitliche Fläche des Schutz­ elementes angekoppelten Lichtdetektor, der aus dieser seitlichen Fläche austretendes Licht erfaßt.

Unter "Bearbeitung" mit einem Laserstrahl wird hier jeder Prozeß verstanden, bei welchem auf ein Werkstück in einer Weise eingewirkt wird, daß von diesem Werkstück oder von dessen Umgebung Material abgetragen wird oder zumindest die Möglichkeit hierzu besteht. Insbesondere ist hiermit die Erzeugung eines Schmelzbades beim Schweißen oder Umschmelzen von Werkstücken gemeint.

Das letzte Element in der Strahlführung einer Vorrichtung, in der eine derartige Laserbearbeitung stattfindet, ist durch die Nähe zum Werkstück, insbesondere ggfs. zum Schmelzbad, und durch den Einfluß von weiteren Umweltfak­ toren besonders gefährdet. So können Schweißspritzer (Flüssigmetalltropfen), die aus dem Schmelzbad herausge­ schleudert werden, in dieses letzte Element eingebrannt werden, was die am Werkstück zur Verfügung gestellte Laserleistung reduziert. Da manche Laserbearbeitungspro­ zesse sehr empfindlich auf eine Laserleistungsreduzierung reagieren, können bereits verhältnismäßig geringe, bei­ spielsweise 10%ige Leistungsverringerungen bedeutende Folgen für den Bearbeitungsprozeß haben.

Da die eingebrannten Schweißspritzer Laserleistung absor­ bieren, erhitzen sie sich zusammen mit dem umgebenden Glasmaterial. Dies führt zu lokalen geometrischen Defor­ mationen des letzten Elements der Strahlführung, die ihrerseits Deformationen der Wellenfront und damit be­ strahlungszeitabhängige Änderungen der Laserleistung bzw. Laserintensitätsverteilung verursachen.

Als gravierendste Folge eingebrannter Spritzer können im letzten optischen Element der Laseroptik Risse ent­ stehen oder dieses Element kann ganz oder teilweise zerstört werden.

Ein weiterer Fehler, der an dem letzten transparenten Element der Laseroptik auftreten können, ist beispiels­ weise eine Strahldejustage, so daß die Halterung dieses optischen Elementes fehlerhaft bestrahlt wird, wodurch das Werkstück abgeschattet und die übertragene Laserleis­ tung reduziert wird. Häufig enthält die Halterung des letzten optischen Elementes auch Grundstoffe, die sich bei fehlerhafter Laserstrahlpositionierung aufheizen. Dann kann Kunststoffrauch und/oder -niederschlag entstehen, der die Strahltransmission beeinträchtigt. Weitere Verun­ reinigungen aus der Umgebung des Laserbearbeitungsprozesses können durch das üblicherweise verwendete Schutzgas verwirbelt werden, so daß sie sich auf der Oberfläche des letzten optischen Elementes in der Strahlführung nieder­ schlagen und durch die hohe Laserleistung dort aufge­ brannt werden. Auch hier ist die Folge erhöhte Absorption des Laserstrahles und daher eine Reduktion der am Werkstück verfügbaren Laserleistung.

Das oben mehrfach angesprochene "letzte optische bzw. letzte transparente Element der Strahlführung bzw. der Laseroptik" kann die letzte Fokussierlinse sein. Aus Kostengründen wird jedoch im allgemeinen als letztes optisches bzw. transparentes Element in diesem Sinne eine Schutzglasscheibe eingesetzt. Nachfolgend wird der allgemeine Begriff des "Schutzelementes" für das fragliche Element verwendet.

Aus der DE 196 05 018 A1 sind ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs genannten Art bekannt, mit welchen die Funktionalität des eingesetzten Schutzele­ mentes, in diesem Falle konkret einer Schutzglasschei­ be, überwacht werden soll. Das bekannte Verfahren beruht ausschießlich auf dem Mechanismus, daß mit zunehmender Ver­ schmutzung des Schutzglases durch Spritzer oder sons­ tigen Schmutzniederschlag zunehmend Laserlicht als Folge der Streuung an den Verunreinigungen durch eine seitliche Fläche des Schutzglases ausgekoppelt wird. Die Intensi­ tät des auf diese Weise "abgezweigten" Laserlichtes kann durch einen an der seitlichen Fläche des Schutz­ glases angeordneten Lichtdetektor erfaßt werden. Über­ schreitet das so ausgekoppelte und erfaßte Licht einen bestimmten Schwellwert, wird dies als Störung der Funk­ tionalität des Schutzglases verstanden und ein entspre­ chendes Alarmsignal ausgelöst.

Bei diesem bekannten Verfahren bzw. dieser bekannten Einrichtung werden jedoch einige der oben bereits auf­ gezählten typischen, die Schweißqualität beeinträch­ tigenden Mechanismen nicht berücksichtigt. Insbesondere bei einer Rißbildung oder gar Zerstörung der Schutz­ glasscheibe ist ein entsprechender Alarm nicht gewähr­ leistet, da derartige Risse nicht unbedingt zu einer Erhöhung des seitlich ausgekoppelten Laserlichtes führen müssen. Auch sehr stark lokale Ereignisse, die zu lokalen Temperaturerhöhungen führen und einer Zerstörung der Schutzglasscheibe vorausgehen können, werden im allge­ meinen nicht erfaßt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß insbesondere Rißbildungen oder Zer­ störungen des Schutzelementes zuverlässig erfaßt werden können.

Diese Aufgabe wird, was das Verfahren angeht, dadurch gelöst, daß unter einer von der Einfallsrichtung des Laserstrahles abweichenden Richtung zusätzliches Licht in das Schutzelement eingekoppelt wird, welches das Schutzelement durchtritt und nach Durchqueren des Schutz­ elemtes zumindest als Teil des austretenden Lichtes erfaßt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht somit von einer Art "Lichtschrankenprinzip" Gebrauch: Nicht (nur) das ohnehin vorhandene Laserlicht wird in Abhängigkeit von der Streuung an der verschmutzten Oberfläche des Schutz­ elementes erfaßt; vielmehr wird zusätzliches Licht in die seitliche Fläche des Schutzelementes eingekoppelt. Die Intensitätsveränderung dieses zusätzlich eingekoppel­ ten Lichtes beim Durchgang durch das Schutzelement wird überwacht. Dies ergibt zusätzliche Informationen über den mechanischen Zustand des Schutzelementes. Das voll­ ständige Fehlen des Schutzelementes verursacht typischer­ weise eine Amplitudenänderung des erfaßten Lichtes von 250-400%. Die üblicherweise auftretenden Risse verur­ sachen dagegen eine plötzliche Änderung (meistens Minde­ rung) des gemessenen austretenden Lichtes.

Vorteilhaft ist, wenn die Intensität des zusätzlichen Lichtes moduliert wird. Auf diese Weise kann zwischen dem zusätzlich eintretenden, die Lichtschranke bildenden Licht und gestreutem Laserlicht, das in Übereinstimmung mit der oben genannten DE 196 05 018 A1 ebenfalls geson­ dert erfaßt werden kann, unterschieden werden.

Von Vorteil ist, wenn zusätzlich die lokale Temperatur­ verteilung im Schutzelement erfaßt wird. Aus der Art der lokalen Temperaturveränderung im Schutzelement und aus der Geschwindigkeit, mit der diese Änderung erfolgt, lassen sich in hier nicht interessierender Weise Rück­ schlüsse auf den Ort und die Art der Beeinflussung des Schutzelementes gewinnen.

Zweckmäßigerweise kann zudem die Differenz zwischen der Temperatur von zum Halter des Schutzelementes fließen­ dem und von diesem zurückkehrendem Kühlwasser ermittelt werden. Aus dieser Temperaturdifferez lassen sich Infor­ mationen über eine beginnende Verschmutzung der Schutz­ elementoberfläche gewinnen, die zu einer eher "globalen" Temperaturveränderung des Schutzelementes und damit auch des zu seiner Kühlung eingesetzten Kühlwassers führen.

Beim Gegenstand der oben erwähnten DE 196 05 018 A1 muß, um den Meßeffekt zu normieren, jederzeit die augen­ blickliche Laserleistung bekannt sein. Der genaue Ort, an dem diese Laserleistungsmessung erfolgt, ist in dieser Druckschrift nicht spezifiziert. Es ist daher davon auszugehen, daß dort die Laserleistung - wie üblich - im Lasergerät selbst gemessen wird. Eine derartige Messung ist jedoch nicht ausreichend, da eventuelle plötzliche Absorptionsverluste im Strahlführungssystem (üblicher­ weise eine optische Faser) unerkannt bleiben und für die bekannte Vorrichtung im Falle von eingebrannten 1 Spritzern durch die gemessene Streustrahlung kompensiert werden. Die bekannte Einrichtung kann zudem neue, unter­ schiedliche Schutzelemente bei einem Schutzelementewech­ sel nach einem Schutzelementenbruch nicht berücksichtigen.

Aus diesem Grunde wird eine Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Verfahrens besonders bevorzugt, bei dem nach jeder bewußt herbeigeführten Änderung im System eine Messung der verschiedenen Parameter erfolgt und die Meßergebnisse als Vergleichswert für die kontinuierliche Überwachung abgespeichert werden. Unter "jeder bewußt herbeigeführte Änderung" wird jede Änderung verstanden, bei welcher sich die von den verschiedenen Sensoren gemessenen Parameter ändern können, ohne daß tatsächlich eine Beeinträchtigung des Schutzelementes vorliegt. Als Beispiel sei hier die Verwendung eines anderen Schutzele­ mentes, eine Veränderung der Laserleistung oder eine Verän­ derung im Laserstrahlführungssystem genannt. In dem geschilderten "Initialisierungsschritt" im erfindungsge­ mäßen Verfahren werden nach jeder derartigen bewußt herbeigeführten Änderung des Systemes bei nachweislich funktionsfähigem Schutzelement Vergleichswerte gewonnen, gegenüber denen im späteren Überwachungsbetrieb Verände­ rungen festgestellt werden. Überschreiten diese Verände­ rungen bestimmte Schwellwerte, wird dies als betriebsbe­ dingte, ungewollte Beeinträchtigung des Schutzelementes verstanden.

Die oben geschilderte Aufgabe wird, was die Einrichtung angeht, dadurch gelöst, daß zusätzlich mindestens eine Lichtquelle an die seitliche Fläche des Schutzelementes derart angekoppelt ist, daß sie mit dem Lichtdetektor nach Art einer Lichtschranke zusammenwirkt.

Die Vorteile einer erfindungsgemäßen Einrichtung stimmen sinngemäß mit den oben erwähnten Vorteilen des erfindungs­ gemäßen Verfahrens überein.

Zweckmäßig sind mindestens zwei Lichtquellen vorgesehen und so angeordnet, daß die Hauptachsen des von ihnen ausgesandten Lichtes etwa senkrecht aufeinanderstehen. Hierdurch wird die Detektionssicherheit erhöht. Es sinkt dann nämlich die Wahrscheinlichkeit dafür, daß Risse deshalb nicht detektiert werden, weil sie parallel zur Lichtrichtung verlaufen.

Jede Lichtquelle sollte vorzugsweise mit Wechselstrom betrieben werden. Bereits oben wurde darauf hingewiesen, daß auf diese Weise elektronisch zwischen dem zusätzli­ chen, in der Lichtschranke verwendeten Licht und Laser­ licht, welches nach dem bekannten Effekt über die seit­ liche Fläche des Schutzelementes austritt, unterschieden werden kann. Wenn der Wechselstrom zumindest annähernd Sinusform hat, ist die EMV-Abstrahlung minimal.

Jedem Lichtdetektor ist bei einem bevorzugten Ausführungs­ beispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung ein Filter vorgeschaltet, welches für die Wellenlänge des Laser­ strahles und für die Wellenlänge der Lichtquelle, nicht jedoch für das Umgebungslicht durchlässig ist. Die Ab­ schirmung der Lichtdetektoren gegen Umgebungslicht ver­ meidet eine durch dieses sonst herbeigeführte "Sättigung" der Lichtdetektoren. Aufgrund der Durchlässigkeit für die Wellenlänge des Laserstrahles und die Wellenlänge der zusätzlichen Lichtquelle kann jeder Detektor zwei Funktionen ausführen: diejenige, die bereits in der DE 196 05 018 A1 angesprochen ist, und die erfindungsgemäße als Teil einer "Lichtschranke".

Noch aussagekräftiger werden die von der erfindungsge­ mäßen Einrichtung gelieferten Informationen, wenn min­ destens ein Strahlungs-Temperatursensor vorgesehen ist, welcher die Temperatur des Schutzelementes überwacht. Noch besser ist es, wenn mehrere Strahlungs-Temperatur­ sensoren vorgesehen sind, welche die lokale Temperatur in unterschiedlichen Bereichen des Schutzelementes über­ wachen. Von den mehreren Strahlungs-Temperatursensoren kann auch ein Teil schnell, der andere Teil langsam auf Temperaturveränderungen reagieren. Je mehr Informa­ tionen auf diese Weise über die Verteilung der Temperatur im Schutzelement und über die Geschwindigkeit des Auf­ baues dieser Temperatur gewonnen werden, umso bessere Kenntnis über die Art der Beeinträchtigungen des Schutz­ elementes und gegebenenfalls drohende Veränderungen können gewonnen werden.

Auch bei derjenigen Einrichtung, bei welcher das Schutz­ element in einem Halter angeordnet ist, der einen Kanal für Kühlwasser aufweist und bei dem zwei Kontakt-Tempera­ tursensoren vorgesehen sind, von denen der eine die Temperatur des zuströmenden Kühlwassers und der andere die Temperatur des abströmenden Kühlwassers mißt, wird zusätzlich verwertbare Information über den Zustand des Schutzelementes gewonnen.

Besonders bevorzugt wird diejenige Ausgestaltung der Einrichtung, welche einen Speicher aufweist, in dem die von den verschiedenen Sensoren ermittelten Werte in einem Initialisierungs-Modus nach jeder bewußt her­ beigeführten Änderung des Systemes abspeicherbar und dort als Vergleichswert für die nachfolgende Überwachung verfügbar sind. Auf den Sinn dieser "selbstlernenden" Ausgestaltung der Einrichtung wurde oben bereits bei der Erörterung des erfindungsgemäßen Verfahrens einge­ gangen.

Jede Lichtquelle ist zweckmäßigerweise eine Leuchtdiode und jeder Lichtdetektor ist zweckmäßigerweise eine Foto­ diode. Diese optoelektronischen Elemente sind preiswert und so klein, daß sie leicht integriert werden können. Daher ist es in den meisten Fällen möglich, daß jede Lichtquelle und/oder jeder Lichtdetektor der seitlichen Fläche des Schutzelementes unmittelbar benachbart ange­ ordnet ist.

Sollte es ausnahmsweise aus geometrischen Gründen nicht möglich sein, Lichtquelle und/oder Fotodioden direkt an die seitliche Fläche des Schutzelementes heranzubrin­ gen, so bietet sich diejenige Ausgestaltung der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung an, bei welcher jede Lichtquelle und/oder jeder Lichtdetektor über einen Lichtleiter an die seitliche Fläche des Schutzelementes angekoppelt ist. In diesem Falle können Lichtquelle und/oder Licht­ detektor in einem nahezu beliebigen Abstand von dem Schutzelement an einer Stelle angebracht werden, wo hierfür genügend Raum zur Verfügung steht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; Es zeigen

Fig. 1 schematisch die Anordnung der verschiedenen Sensoren an einem Schutzglasscheiben-Halter;

Fig. 2 schematisch die Schaltungsanordnung zum Betrieb der verschiedenen Sensoren in Fig. 1;

Fig. 3 die Draufsicht auf ein konkretes Ausführungs­ beispiel eines Schutzglashalters mit einge­ setztem Schutzglas;

Fig. 4 einen Schnitt gemäß Linie IV-IV von Fig. 3.

In Fig. 1 sind die Randstrahlen eines Laserstrahlbündels, das von einer nicht dargestellten Laserlichtquelle herrührt, mit den Bezugszeichen 1 und 2 gekennzeichnet. Das Laser­ strahlbündel 1, 2 wird von einer Laserschweißoptik 3, die in Fig. 1 als einfache Linse dargestellt ist, auf ein Werkstück fokussiert. Zwischen der Linse 3 und dem Werk­ stück 4 ist als letztes transparentes Element der Strahl­ führung eine Schutzglasscheibe 5 angeordnet, welche dazu dient, die weiter "innen" liegenden Komponenten der Strahlführung, z. B. also die Linse 3, vor Beschä­ digungen zu schützen.

Die Schutzglasscheibe 5 wird von einem ringförmigen Halter 6 getragen, der in Fig. 1 nur schematisch darge­ stellt ist und dessen genaue Bauweise weiter unten anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben wird. Der Halter 6 weist einen schleifenförmigen Kanal 7 auf, der von Kühlwasser durchflossen wird. Das Kühlwasser wird dem Kanal 7 über einen Einlaß 8 zugeführt und über einen Auslaß 9 entnom­ men. Zumindest der Bereich des Halters 6 zwischen Einlaß 8 und Auslaß 9 ist aus schlecht wärmeleitendem Material hergestellt, sodaß hier keine Wärmebrücke existiert. An Einlaß 8 und Auslaß 9 sind Kunststoff-Kühlwasserschläuche 10 bzw. 11 angeschlossen, in denen jeweils ein Kontakt- Temperatursensor 12, 13 die Temperatur des durchströmenden Kühlwassers erfaßt.

Oberhalb der Linse 3 befinden sich beim dargestellten Ausführungsbeispiel vier Strahlungs-Temperatursensoren 14, welche jeweils bestimmte Bereiche des Schutzglases 5 "sehen", also die von diesen Bereichen ausgehende Wärme­ strahlung erfassen. Dies Ausrichtung ist andererseits so, daß keine vom Schmelzbad oder der Schweißraupe am Werkstück 4 ausgehende Wärmestrahlung und auch kein an der Linse 3 reflektiertes Laserlicht auf die Strahlungs-Temperatur­ sensoren trifft. Zwei dieser Strahlungs-Temperatursen­ soren 14 sind für schnelle Messungen ausgelegt (z. B. als Pyrometer, erfassen also schnelle Temperaturveränderun­ gen in dem von ihnen überwachten Bereich der Schutzglas­ scheibe 5. Zwei dieser Strahlungs-Temperatursensoren 14 dagegen arbeiten verhältnismäßig "langsam", erfassen also diejenigen Temperaturveränderungen, die sich über längere Zeitintervalle hinweg einstellen.

Am Halter 6 des Schutzglases 5 sind folgende elektroop­ tischen Elemente angeordnet, die alle in weiter unten beschriebener Weise der Überwachung der Funktionalität des Schutzglases 5 dienen:

Über den Umfang des Randes des Halters 6, welcher die zylindermantelförmige Stirnseite des Schutzglases 5 umgibt, sind im Abstand von jeweils 90° vier Leucht­ dioden 15 angebracht. In derselben Randfläche des Halters 6 sind, ebenfalls im Abstand von jeweils 90°, jedoch um 45° gegenüber den Leuchtdioden 15 verschoben, vier Fotodioden 16 angeordnet.

Im kontinuierlichen Überwachungsbetrieb werden zwei der Leuchtdioden 15, die einander benachbart sind und deren optische Achsen senkrecht zueinander stehen, nach Art einer aktiven Lichtschranke eingesetzt, wobei die 5 jeweils gegenüberliegenden innerhalb der von den Leucht­ dioden 15 ausgesandten Lichtkeulen liegenden Fotodetektoren 16 als Empfänger dienen.

Die Schaltungsanordnung, mit welcher die verschiedenen 7 optoelektronischen Elemente 15, 16 betrieben werden, ist in Fig. 2 näher dargestellt.

Zentrales Element dieser Schaltungsanordnung ist ein Mikroprozessor 17, welcher einen im dargestellten Aus­ führungsbeispiel bei 40 kHz arbeitenden Rechteckgenera­ tor 18 ansteuert. Das Ausgangssignal des Rechteckgene­ rators 18 wird durch ein Bandpass-Filter 19 geleitet, welches auf die Grundfrequenz des Rechteckgenerators 18, im vorliegenden Falle also auf 40 kHz, abgestimmt ist und aus diesem Signal die höheren Harmonischen ent­ fernt, derart, daß das Ausgangssignal des Bandpass-Filters 19 im wesentlichen ein reines Sinussignal ist. Dieses Signal wird sodann einer Konstantstromquelle 20 zu­ geführt, welche den (ebenfalls sinusförmigen) Betriebs­ strom für die Leuchtdioden 15 bereitstellt. Alle Leucht­ dioden 15 sind, wie Fig. 2 deutlich macht, in Serie geschaltet.

Die verschiedenen Fotodioden 16 im Halter 6 sind parallel geschaltet, derart, daß sie einen gemeinsamen Massean­ schluß aufweisen. Die Ausgangssignale der vier Fotodioden 16 werden jeweils in gesonderten Schaltungszweigen verar­ beitet, von denen in Fig. 2 nur einer dargestellt ist: Nach dem Durchlaufen eines Vorverstärkers 21 wird das Signal geteilt: Zum einen wird es über ein auf die Meß­ frequenz (im vorliegenden Falle 40 kHz) abgestimmtes Bandpass-Filter 22 und ein Tiefpass-Filter 23 dem Mikro­ prozessor 17 zugeführt; dieser Signalanteil dient dem Nachweis der Signale, die von den Leuchtdioden 15 verur­ sacht werden. Zum anderen wird das Ausgangssignal des Vorverstärkers 21 direkt einem Tiefpass-Filter 24 eingespeist, dessen Ausgangssignal ebenfalls dem Mikroprozessor 17 zugeleitet wird und das für Signale repräsentativ ist, die auf eine Streuung des Laserlichtes aus der Schutz­ glasscheibe 5 zurückgehen.

Den Fotodioden 16 ist jeweils ein Filter vorgeschaltet, welches sowohl für die Wellenlänge des Laserstrahles als auch für die Wellenlänge der verwendeten Leuchtdio­ den 15, nicht dagegen für Tageslicht durchlässig ist.

Der Mikroprozessor 17 weist einen Eingang "Neue Scheibe", einen weiteren Eingang "Laserpuls" sowie die Ausgänge "Störung", "Glasbruch' "Verschmutzung" auf, auf deren Bedeutung nunmehr bei der Beschreibung der Funktions­ weise der Einrichtung näher eingegangen wird.

Wird die Einrichtung neu in Betrieb genommen oder wird eine neue Schutzglasscheibe 5 eingesetzt, so geht die Elektronik, die in Fig. 2 dargestellt ist, zunächst in einen "Initialisierungsmodus", der durch Beaufschlagung des Einganges "Neue Scheibe" in Gang gesetzt wird. In diesem Initialisierungsmodus werden im Mikroprozessor 17 bzw. einem von diesem Mikroprozessor angesteuerten Speicher diejenigen Betriebsdaten der verschiedenen Sensoren 12, 13, 14, 16 abgespeichert, die sich für den jeweiligen Laserbearbeitungsvorgang bei intakter Schutzglasscheibe 5 ergeben. Diese "selbstgelernten" Speicherwerte dienen dann als Referenz während der späteren Überwachung, so daß Abweichungen von den gespeicherten Werten als Betriebs­ störung erkannt werden können.

Werden nunmehr während der Laserbearbeitung z. B. Schweiß­ spritzer aus dem Schmelzbad herausgeschleudert, die auf die Schutzglasscheibe 5 gelängen oder schlagen sich aridere Verunreinigungen aus der Umgebung des Schweißprozesses an der Schutzglasoberfläche nieder, so ist eine erhöhte Absorption von Laserleistung am Schutzglas 5 und eine entsprechende Reduktion der verfügbaren Laserleistung im Werkstück 4 die Folge. Diese Zunähme der Absorption kann im einfachsten Fälle mit Hilfe der Kontakt-Temperatursen­ soren 12 und 13 erfaßt werden: Es erhöht sich nämlich in diesem Falle die Temperaturdifferenz zwischen zuströmendem Kühlwasser, welches vom Kontakt-Temperatursensor 12 gemessen wird, und abströmendem Kühlwasser, welches vom Kontakt-Temperatursensor 13 überwacht wird. Je höher die Temperaturdifferenz, umso höher die am Schutzglas 5 erfolgte Absorption von Laserleistung. Ähnlich wirkt sich aus, wenn infolge einer Strahldejustage der Halter 6 selbst bestrahlt wird, was zu einer Abschattung des Werkstückes 4 führen könnte.

Größere Schweißspritzer, die auf das Schutzglas 5 gelan­ gen, lassen sich dadurch detektieren, daß von den Foto­ dioden 16 das in zunehmendem Mäße innerhalb des Schutz­ glases 5 ausgekoppelte Laserlicht, welches über die Stirnseite des Schutzglases 5 austritt, festgestellt wird. Dies ist der Effekt, von dem auch die oben schon erwähnte DE 196 05 018 A1 Gebrauch macht.

Derartige größere Schweißspritzer können während des Schweißprozesses auch die lokale Temperatur des Schutz­ glases 5 sehr stark erhöhen, was mit den bisher beschrie­ benen Mitteln nicht ohne weiteres erfaßt werden kann. Solche lokale Temperaturerhöhungen können zu geometri­ schen Deformationen der Schutzglasscheibe und damit zu den schon erwähnten Deformationen der Wellenfont führen. Diese lokalen Temperaturerhöungen lassen sich mit den Strahlungs-Temperatursensoren 14 erfassen. Aufgrund der Unterscheidung zwischen "langsamen" und "schnellen" lokalen Temperaturveränderungen, die aufgrund der unterschiedlichen Bauweise der eingesetzten Strahlungs-Temperatursensoren 14 differenzierbar sind, lassen sich zusätzliche Informationen über die Art der Verschmutzung gewinnen. Diese können nach einer bestimmten Logik ausgewertet werden, die im vorliegenden Zusammenhang nicht von Interesse ist.

Kommt es in Folge von eingebrannten Spritzern zur Ausbil­ dung von Rissen oder gar zur Zerstörung des Schutzglases 5, so wird dies von den Lichtschränken festgestellt, die von den Leuchtdioden 15 einerseits und den von diesen angestrahlten Fotodioden 16 andererseits gebildet werden. Da die Leuchtdioden 15 mit Wechselstrom betrieben werden, ist es mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanord­ nung möglich, trotz Verwendung derselben Fotodioden 16 als Detektoren zu unterscheiden, welche Signalanteile von dem gestreuten Laserlicht und weiche Signalanteile von den Leuchtdioden 15 herrühren. Da die Leuchtdioden zudem mit einem sinusförmigen Wechselstrom angesteuert werden, ist die EMV-Abstrahlung und die hierdurch bedingte mögliche Störung der Ausgangssignale der Fotodioden 16 auf ein Minimum reduziert.

Wird mit Hilfe der Kontakt-Temperatursensoren 12 und 13 in den Kühlwasserschläuchen 10, 11 ein Anwachsen der Temperaturdifferenz des zufließenden und des abflie­ ßenden Mischwassers festgestellt, welches ein bestimmtes Maß überschreitet, oder stellen die Strahlungs-Temperatur­ sensoren 14 starke lokale Temperaturerhöhungen im Schutz­ glas 5 fest oder wird mit Hilfe der Fotodioden 16 ein erhöhter Anteil des ausgekoppelten Laserlichtes festge­ stellt, so aktiviert der Mikroprozessor 17 den Ausgang "Verschmutzung". Dieses Ausgangssignal kann zur Erzeugung einer optischen und/oder akustischen Warnung oder gegebe­ nenfalls auch zum Stillsetzen des Schweißprozesses benutzt werden.

Stellen die von den Leuchtdioden 15 und den jeweils zugeordneten Fotodioden 16 gebildeten Lichtschranken Risse der Schutzglasscheibe 5 bzw. deren Bruch fest, so erzeugt der Mikroprozessor 17 das Ausgangssignal "Glasbruch", welches ebenfalls in entsprechender akusti­ scher oder optischer Weise angezeigt wird und in jedem Falle zum Abschalten des Schweißprozesses führt.

Durch den Eingang "Laserpuls" wird die beschriebene Überwachungseinrichtung mit dem Betrieb der Laserschweiß­ vorrichtung synchronisiert, da selbstverständlich die Überwachungseinrichtung außer Betrieb bleiben kann, solange kein Schweißen erfolgt. Dem Eingang "Laserpuls" kann also jedes Signal zugeführt werden, welches dafür charakteristisch ist, daß der Laser in Betrieb ist.

Nach jedem Einschalten führt die in Fig. 2 dargestellte Elektronik außerdem eine Selbstprüfungsroutine durch; wird hierbei ein Fehler festgestellt, erzeugt der Mikro­ prozessor am Ausgang "Störung" ein Fehlersignal.

Der mechanische Aufbau des Halters 6 ist den Fig. 3 und 4 zu entnehmen. Er umfaßt einen Haltering 25, in dessen radial innenliegenden Bereich der oben schon erwähnte Kühlwasserkanal 7 eingearbeitet ist. Das Schutz­ glas 5 ist auf eine Stufe 26 an der Innenkontur des Halteringes 25 spannungsfrei aufgelegt. Unmittelbar oberhalb der oberen Fläche des Schutzglases 5 befindet sich im Haltering 26 ein Innengewinde 27, welches auf ein Außengewinde des schematisch dargestellten Kollimators 28 des Strahlführungssystemes aufgeschraubt ist.

Im radial außenliegenden Bereich trägt der Haltering 25 eine gedruckte Schaltung 29, welche die zum Betrieb der Leuchtdioden 15 und Fotodioden 16 erforderlichen elektronischen Komponenten und Leitungsverbindungen enthält, insbesondere auch Sockel, in welche die Leucht- und Foto­ dioden 15 und 16 so einsteckbar sind, daß sie durch Öffnungen 30 im Haltering 25 in "Sichtverbindung" mit der zylindermantelflächenförmigen Stirnfläche des Schutz­ glases 5 stehe. Die Öffnungen 30 verlaufen als Durchgangs­ bohrungen durch einen hohlzylindrischen Ansatz 31 des Halteringes 25, in welche die Leucht- Fotodioden 15 bzw. 16 eingesteckt sind, sowie als nach oben offene Ausnehmun­ gen im Bereich der Stufe 26, auf welcher das Schutzalas 5 auf liegt.

Durch einen winkelringartigen Deckel 32 wird der Raum zwischen dem oberen Rand des Ansatzes 31 und dem radial äußersten Rand des Halteringes 26, in dem sich die ge­ druckte Schaltung 25 befindet, abgedeckt.

Die verschiedenen elektrooptischen Komponenten haben von Hause aus nicht unerhebliche Bauteil- und Herstell­ toleranzen. So gibt es bei den Fotodioden Empfindlichkeits-, bei den Leuchtdioden Lichtausbeuteunterschiede, bei Foto- und Leuchtdioden Unterschiede in den Empfangs- bzw. Ab­ strahlwinkeln sowie mechanische Herstell- und Ausricht­ toleranzen. Um zu verhindern, daß sich unterschiedliche Überwachungseinrichtungen voneinander in ihren Eigenschaf- zu sehr unterscheiden und daher nicht mehr austauschbar sind, wird werksseitig eine Kalibrierung vorgenommen. Die ermittelten individuellen Abweichungen der einzelnen elektrooptischen Komponenten können dann rechnerisch oder durch eine geänderte Ansteuerung oder Verstärkung ausgeglichen werden. Dies geschieht halbautomatisch unter der Steuerung eines Mikroprozessors.

Claims (21)

1. Verfahren zum Überwachen der Funktionalität des transparenten Schutzelementes einer transparenten Laseroptik während der Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Laserstrahl, bei welchem Licht erfaßt wird, welches aus dem Schutzelement unter einem Winkel austritt, der von der Einfallsrichtung des Laserstrahles abweicht, dadurch gekennzeichnet, daß über eine von der Einfallsrichtung des Laserstrahles (1, 2) abweichende Richtung zusätzliches Licht in das Schutzelement (5) eingekoppelt wird, welches das Schutz­ element (5) durchtritt und nach Durchqueren des Schutz­ elementes (5) zumindest als Teil des austretenden Lichtes erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des zusätzlichen Lichtes moduliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zusätzlich die lokale Temperaturverteilung im Schutzelement (5) erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß zusätzlich die Differenz zwischen der Temperatur von zum Halter (6) des Schutzelements (5) fließendem und von diesem zurückkehrendem Kühlwasser ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder bewußt herbei­ geführten Änderung im System eine Messung der verschiede­ nen Parameter erfolgt und die Meßergebnisse als Vergleichs­ wert für die kontinuierliche Überwachung abgespeichert werden.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem an eine seitliche Fläche des Schutzelementes ange­ koppelten Lichtdetektor, der aus dieser seitlichen Fläche austretendes Licht erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine zusätzliche Lichtquelle (5) an die seit­ liche Fläche des Schutzelementes (5) derart angekoppelt ist, daß sie mit dem Lichtdetektor (16) nach Art einer Lichtschranke zusammenwirkt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Lichtquellen (15) vorgesehen und so angeordnet sind, daß die Hauptachsen des von ihnen ausgestrahlten Lichts etwa senkrecht aufeinander­ stehen.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Lichtquelle (15) mit Wechselstrom betrieben ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrom zumindest annähernd Sinusform hat.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Lichtdetektor (16) ein Filter vorgeschaltet ist, welches für die Wellenlänge des Laserstrahles und für die Wellenlänge der Lichtquelle (15), nicht jedoch für das Umgebungslicht durchlässig ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strahlungs-Tempe­ ratursensor (14) vorgesehen ist, welcher die Temperatur des Schutzelementes (5) überwacht.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Strahlungs-Temperatursensoren (14) vorge­ sehen sind, welche die lokale Temperatur in unterschied­ lichen Bereichen des Schutzelements (5) überwachen.

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Strahlungs-Temperatursensoren (14) vorgesehen sind, von denen ein Teil schnell, der andere Teil langsam auf Temperaturveränderungen reagiert.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzelement (5) in einem Halter (6) angeordnet ist, der einen Kanal (7) für Kühl­ wasser aufweist, und daß zwei Kontakt-Temperatursensoren (12, 13) vorgesehen sind, von denen der eine (12) die Temperatur des zuströmenden Kühlwassers und der andere (13) die Temperatur des abströmenden Kühlwassers mißt.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Speicher aufweist, in dem die von den verschiedenen Sensoren (12, 13, 14, 15, 16) ermittelten Werte in einem Initialisierungs-Modus nach jeder bewußt herbeigeführten Änderung des Systemes abspeicherbar und dort als Vergleichswert für die nach­ folgende Überwachung verfügbar sind.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lichtquelle (15) eine Leucht­ diode ist.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtdetektor (16) eine Fotodiode ist.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lichtquelle (15) der seit­ lichen Fläche des Schutzelementes (5) unmittelbar benach­ bart angeordnet ist.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lichtquelle über einen Lichtleiter an die seitliche Fläche des Schutzelementes angekoppelt ist.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtdetektor (16) der seitlichen Fläche des Schutzelementes (5) unmittelbar benachbart angeordnet ist.

21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtdetektor über einen Lichtleiter an die seitliche Fläche des Schutzelementes angekoppelt ist.