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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung einer scannerbasierten materialbearbeitenden Lasereinrichtung, die eine Laserstrahlquelle und eine Ablenkeinrichtung zum gezielten Ausrichten eines von der Laserstrahlquelle bereitgestellten Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück umfasst (Remote Prozess).
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Materialbearbeitende Lasereinrichtungen, insbesondere Lasereinrichtungen zum Laserstrahlschweißen, umfassen typischer Weise eine Ablenkeinrichtung zum Ausrichten eines Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück. Die Ablenkeinrichtung weist gemäß gängiger Bauformen zumindest einen beweglich, insbesondere schwenkbar gelagerten Spiegel auf. Funktionsbedingt muss der zumindest eine Spiegel bei vielen materialbearbeitenden Laserapplikationen nahezu ununterbrochen in Bewegung sein bzw. ein typisches Bewegungsmuster aus sehr kurzen schnellen Bewegungen und darauf folgenden vergleichsweise langsamen Bewegungen, die sich ca. im Sekundentakt wiederholen, ausführen. Ein Stillstand des Laserstrahls auf Grund einer Fehlfunktion in Kombination mit einer ungünstigen Ausrichtung des Laserstrahls auf beispielsweise eine Wandung der Laserschutzkabine kann binnen kürzester Zeit zu schwer wiegenden Beschädigungen führen. Bei Hochleistungslasern die Laserstrahlquellen mit Ausgangsleistungen von beispielsweise etwa 8 kW aufweisen, kann dies zu einem Durchbrennen der Wandung innerhalb von wenigen Sekunden führen. Es versteht sich, dass ein Versagen der Laserschutzkabine unter allen Umständen verhindert werden muss.
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Es wurde deshalb bereits vorgeschlagen, die Laserschutzkabine doppelwandig auszuführen und mehrere lichtempfindliche Sensoren (auch unter dem Namen „Laser-Spy” bekannt) im Zwischenraum zwischen einer inneren und einer äußeren Wandung der Laserschutzkabine anzuordnen. Bei einem Durchbrennen der inneren Wandung kann das in den Zwischenraum eintretende Laserlicht von den lichtempfindlichen Sensoren registriert werden, woraufhin die Laserstrahlquelle automatisch zweikanalig abgeschaltet wird, bevor die äußere Wandung durchtrennt wird.
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Das Nachrüsten bestehender Laserschutzkabinen mit derartigen Sicherheitsvorrichtungen ist allerdings relativ aufwändig bzw. kostenintensiv. Zudem können Fehler gemäß dieser Vorgehensweise erst dann erkannt werden, nachdem bereits Beschädigungen der inneren Wandung der Laserschutzkabine eingetreten sind.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Überwachung von materialbearbeitenden Lasereinrichtungen zu verbessern und eine frühzeitige Erkennung von Fehlfunktionen zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den weiteren Merkmalen des Schutzanspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
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Eine Vorrichtung zur Überwachung einer scannerbasierten materialbearbeitenden Lasereinrichtung umfasst eine Laserstrahlquelle und eine Ablenkeinrichtung zum gezielten Ausrichten eines von der Laserstrahlquelle bereitgestellten Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück. Erfindungsgemäß ist zur Erfassung eines Bewegungszustandes des Laserstrahls zumindest ein Sensor an die Ablenkeinrichtung ankoppelbar und mit einem Schalter der Lasereinrichtung derart verbindbar, dass die Laserstrahlquelle in Abhängigkeit des erfassten Bewegungszustandes abschaltbar ist.
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Die Erfindung schlägt somit vor, den Bewegungszustand der Ablenkvorrichtung zu überwachen, um Fehlfunktionen, insbesondere unzulässige lange Stillstände des Laserstrahls, zu erkennen. Treten erhöhte Stillstandzeiten der den Laserstrahl ausrichtenden Ablenkeinrichtung auf, so kann die Laserstrahlquelle mittels des Schalters aus Sicherheitsgründen automatisch abgeschaltet werden. Dies geschieht im Idealfall vor dem Auftreten von Beschädigungen von Komponenten der Lasereinrichtung. Im einfachsten Fall ist der Schalter daher ein Not-Aus Schalter der Laserstrahlquelle.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der zumindest eine zur Überwachung der Lasereinrichtung vorgesehene Sensor ein Beschleunigungssensor, Geschwindigkeitssensor oder Gyrosensor. Derartige Sensoren sind heutzutage Massenprodukte, die beispielsweise in großer Stückzahl in Mobiltelefonen oder als Crashsensoren in Kraftfahrzeugen verbaut sind. Entsprechend kann insbesondere eine Nachrüstung der Ablenkeinrichtung mit derartigen Sensoren auf besonders kostengünstige Art und Weise erfolgen.
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Zudem weisen Beschleunigungssensoren kompakte Bauformen mit geringem Gewicht auf, so dass diese direkt an Spiegeln der Ablenkeinrichtung befestigt werden können. Derartige Spiegel umfassende Ablenkeinrichtung werden typischer Weise auch als Laserscanner bezeichnet. Die mitunter schnelle Bewegung des Spiegels zur gezielten Ausrichtung des Laserstrahls wird aufgrund der geringen Massenträgheit des Beschleunigungssensors nur unwesentlich beeinflusst.
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In Weiterbildung der Erfindung ist es ebenso möglich, den zumindest einen Sensor als Winkelgeschwindigkeitssensor berührungslos an die Ablenkeinrichtung anzukoppeln. Die Abtastung der Drehgeschwindigkeit erfolgt über ein Impulsrad oder ähnlich der Funktionsweise einer optischen Maus. Dies kann in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden, einer negativen Beeinflussung des dynamischen Verhaltens der Ablenkeinrichtung bzw. eines zum Verstellen der Ablenkeinrichtung vorgesehenen Antriebs weiter entgegenzuwirken.
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Zur Bewegungserkennung der Auslenkeinrichtung bzw. der Spiegel können auch Signale von Sensoren verwendet werden, die funktionsbedingt ohnehin innerhalb der Ablenkeinrichtung verbaut sind, um eine kontrollierte Bewegungssteuerung der Auslenkeinrichtung bzw. der Spiegel zu ermöglichen.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der zumindest eine zur Überwachung der Lasereinrichtung vorgesehene Sensor als Strommessgerät ausgebildet, welches zum Messen eines Stromes durch einen die Ablenkeinrichtung verstellenden Galvanometerantrieb vorgesehen ist. Galvanometerantriebe haben zum einen den Vorteil, dass besonders schnelle Bewegung mit vergleichsweise großen Hüben erzeugt werden können. Zum anderen lassen sich aus dem gemessenen Strom Rückschlüsse auf das Bewegungsverhalten ziehen. Auch diese Ausführung zeichnet sich durch eine berührungslose Überwachung der Auslenkeinrichtung aus, so dass deren dynamisches Bewegungsverhalten unbeeinflusst ist.
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Denkbar ist auch eine Kombination der beiden beschriebenen Sensoranordnungen, die dann durch die 2 kanalig aufgebaute Bewegungserfassung und Weiterverarbeitung ein höheres Performance Level dieser Sicherheitsbeschaltung erzielt.
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Vorzugsweise ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, der zur Analyse des Bewegungszustandes ein von dem zumindest einen Sensor erfasster Signalverlauf zuführbar ist. Dies ermöglicht eine detaillierte Auswertung des Bewegungszustandes, so dass beispielsweise erkannt werden kann, ob das durchgeführte Bewegungsverhalten des Laserstrahls zu der durchzuführenden Aufgabe korrespondiert. Beispielsweise kann dadurch überprüft wird, ob eine Fehlfunktion und/oder eine Fehlprogrammierung der Ansteuerung der Ablenkeinrichtung bzw. des diese bewegenden Antriebs vorliegt.
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Die Analyse des Signalverlaufs erfolgt gemäß besonders bevorzugten Ausführungsformen in Abhängigkeit von zu typischen Bewegungsmustern korrespondierenden Signaldaten, die in einer Speichereinheit abgelegt sind. Die Speichereinheit ist mit der Auswerteeinheit verbunden, so dass ein Abgleich mit den gegenwärtig vorliegenden Daten erfolgen kann. Hierzu ist beispielsweise vorgesehen, einen Abgleich durchzuführen, um zu erkennen, ob die durchgeführte Bewegung zu einem Bewegungsmuster korrespondiert, das der typischen Auslenkung des Laserstrahls zur Herstellung einer Lasersteppnaht entspricht.
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Die Erfindung betrifft ferner eine materialbearbeitende Lasereinrichtung mit zumindest einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen zur Überwachung, so dass zunächst auf die bisherigen Ausführungen verwiesen wird.
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Die materialbearbeitende Lasereinrichtung umfasst die Laserstrahlquelle und die Ablenkeinrichtung zum gezielten Ausrichten des Laserstrahls auf das zu bearbeitendes Werkstück. Die zumindest eine Vorrichtung zur Überwachung weist den zumindest einen Sensor zur Erfassung des Bewegungszustandes des Laserstrahls auf, der derart an die Ablenkeinrichtung gekoppelt und mit dem Schalter der Lasereinrichtung verbunden ist, dass die Laserstrahlquelle in Abhängigkeit des erfassten Bewegungszustandes abschaltbar ist. Stillstandstandzeiten des Laserstrahls sind frühzeitig erkennbar, so dass im Bedarfsfall die Laserstrahlquelle abschaltet werden kann, bevor Schäden insbesondere an einer Wandung einer Laserschutzkabine auftreten.
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Vorzugsweise ist die Lasereinrichtung zum Laserstrahlschweißen, insbesondere zum Steppnahtschweißen, ausgebildet. Andere mögliche Anwendungsgebiete betreffen das Laserstrahlschneiden.
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Die materialbearbeitende Lasereinrichtung weist bevorzugt eine Laserschutzkabine auf, in der zumindest die Ablenkeinrichtung für den Laserstrahl und eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des zu bearbeitenden Werkstücks angeordnet sind.
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Die Ablenkeinrichtung ist weiter bevorzugt an einem zumindest ein Gelenk aufweisenden Manipulatorarm eines Industrieroboters befestigt, um eine weitgehend beliebige Ausrichtung des Laserstrahls im dreidimensionalen Raum zu ermöglichen.
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Im Folgenden werden mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1: einen schematischen Aufbau einer materialbearbeitenden Lasereinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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2 eine weitere materialbearbeitende Lasereinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt den Aufbau einer materialbearbeitenden Lasereinrichtung 1 in einer schematischen Darstellung. Die Lasereinrichtung 1 ist in dem gezeigten Beispiel als Laserschweißsystem ausgeführt, das eine Laserstrahlquelle 2 zur Bereitstellung eines Laserstrahls 3 umfasst. Die Laserstrahlquelle 2 ist hier ein Faserlaser, jedoch ist in alternativen Ausführungsbeispielen Implementationen von Festkörperlasern, insbesondere Scheiben- oder Diodenlasern vorgesehen.
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Das von der Laserstrahlquelle 2 bereitgestellte Laserlicht wird mittels eines Lichtwellenleiters 4 zu einer Auslenkeinrichtung 5 geführt, welche der gezielten Ausrichtung des Laserstrahls 3 auf ein Werkstück 6 dient.
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Das Werkstück 6 ist zur Bearbeitung in einer Aufnahmeeinrichtung 7 der Lasereinrichtung 1 angeordnet. Die Aufnahmeeinrichtung 7 und ein die Ablenkeinrichtung 5 tragender Manipulatorarm 8 ist in einer Laserschutzkabine 10 angeordnet.
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Der Manipulatorarm 8 weist mindestens ein Gelenk 9 auf, so dass die Ablenkeinrichtung 5 nahezu beliebig im Raum angeordnet werden kann. In Folge dessen ist auch eine weitgehend freie Ausrichtung des Laserstrahls 3 auf das Werkstück 6 oder im Störungsfall auf eine Wandung der Laserschutzkabine 10 ermöglicht.
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Die Ablenkeinrichtung 5 weist mindestens einen beweglichen Spiegel 11 auf, der zur gezielten Ablenkung des Laserstrahls 3 auf das Werkstück 6 dient. Der Spiegel 11 ist mittels eines Antriebs 12 verstellbar, der in dem gezeigten Beispiel als Galvanoantrieb ausgeführt ist. Mit anderen Worten ist hier ein Galvanoscanner vorgesehen, um den Laserstrahl 3 auf das Werkstück 6 zu richten. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Antrieb als Servo-Antrieb ausgeführt.
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Am Spiegel 11 ist – in 1 lediglich schematisch dargestellt – ein Beschleunigungssensor 13 befestigt, welcher ein vom Bewegungszustand des Spiegels 11 bzw. des Laserstrahls 3 abhängiges Signal an eine Auswerteeinheit 14 sendet. Die Auswerteeinheit 14 wertet das übermittelte Signal hinsichtlich einer Analyse des Bewegungszustands der Ablenkeinrichtung 5 bzw. des Laserstrahls 3 aus. Hierzu können insbesondere unüblich lange Stillstandzeiten festgestellt werden, die auf einer Fehlfunktion schließen lassen und in Verbindung mit einer Fehlausrichtung des Laserstrahls 3 schwerwiegende Beschädigungen insbesondere an der Laserschutzkabine 10 binnen Sekunden hervorrufen können.
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Zur Auswertung eines Signalverlaufs des von dem Beschleunigungssensor 13 bereitgestellten Signals ist die programmierbare Auswerteeinheit 14 mit einer Speichereinheit 15 verbunden, in der Signaldaten abgelegt sind, die zu typischen bei Laserschweißvorgängen auftretenden Bewegungsmustern korrespondieren. Anhand eines Abgleichs des gegenwärtig vorliegenden Signalverlaufs mit den abgelegten Signaldaten sind detaillierte Informationen zugänglich, die beispielsweise Aufschluss über eine etwaige Fehlfunktion bzw. eine Fehlprogrammierung einer den Antrieb 12 ansteuernden Steuereinrichtung geben können.
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Ein Schalter 16 ist mit der Laserstrahlquelle 2 verbunden, der hier als Not-Aus-Schalter fungiert. Mittels entsprechender Steuersignale kann daher die Laserstrahlquelle 2 im Falle eines erkannten Defekts, insbesondere im Falle eines Stillstands des Laserstrahls 3, automatisch abgeschaltet werden, um einer Beschädigung der Lasereinrichtung 1 entgegenzuwirken.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches sich jedoch lediglich hinsichtlich der Erfassung des Bewegungszustands des Laserstrahls 3 von dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird deshalb zunächst auf die diesbezügliche Beschreibung verwiesen.
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Auch im zweiten Ausführungsbeispiel der 2 ist der Antrieb 12 als Galvanometerantrieb ausgeführt, bei der den Spiegel 11 umfassenden Ablenkeinrichtung handelt es sich somit um einen Laser- oder Galvanometerscanner. Der durch den Galvanometerantrieb fließende Strom bedingt in an sich bekannter Art und Weise ein Schwenken des Spiegels 11 und damit ein Auslenken des Laserstrahls 3. Zur Überwachung des Bewegungszustands des Laserstrahls ist hier ein Strommessgerät 17, der die Stärke des durch den Antrieb 13 fließenden Stroms, auch Galvostrom genannt, misst.
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Das Strommessgerät 17 ist über die Auswerteeinheit 14 mit dem Schalter 16 verbunden, so dass eine automatische Abschaltung der Laserstrahlquelle 2 erfolgen kann, sobald ein Stillstand des Laserstrahls 3 registriert wurde.
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Zur detaillierten Auswertung des Bewegungszustands sind, ähnlich wie im Ausführungsbeispiel der 1, Stromflussprofile in einer Speichereinheit 15 hinterlegt, die zu typischen bei Laserapplikationen auftretenden Bewegungsmustern korrespondieren. Die programmierbare Auswerteeinheit 14 ist dazu ausgebildet einen Abgleich des vorliegenden Stromprofils mit den hinterlegten Stromprofilen durchzuführen, um Fehlfunktionen bzw. einen fehlerhaft programmierten Bewegungsablauf zu erkennen. Falls ein derartiger Defekt erkannt wird, so wird die Laserstrahlquelle 2 mittels der Steuereinrichtung 16 automatisch abgeschaltet.
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Die Erfindung wurde vorstehend mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die konkrete Ausgestaltung des gezeigten Ausführungsbeispiels beschränkt ist, vielmehr kann der zuständige Fachmann anhand der Beschreibung Variationen ableiten ohne von dem wesentlichen Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lasereinrichtung
- 2
- Laserstrahlquelle
- 3
- Laserstrahl
- 4
- Lichtwellenleiter
- 5
- Ablenkeinrichtung
- 6
- Werkstück
- 7
- Aufnahmeeinrichtung
- 8
- Manipulatorarm
- 9
- Gelenk
- 10
- Laserschutzkabine
- 11
- Spiegel
- 12
- Antrieb
- 13
- Beschleunigungssensor
- 14
- Auswerteeinheit
- 15
- Speichereinheit
- 16
- Schalter
- 17
- Strommessgerät
