DE4024832C1

DE4024832C1 - Metallic object thermal processing device - sends EM energy via optical fibre, to light-electrical energy converters or spectral analyser

Info

Publication number: DE4024832C1
Application number: DE19904024832
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. 6251 Eschhofen De Henrici
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Cutting Systems GmbH
Priority date: 1990-08-04
Filing date: 1990-08-04
Publication date: 1991-08-14
Anticipated expiration: 2010-08-05

Abstract

The unit has an optical wave condcutor or optical fibre arranged in the central oxygen feed line with its nozzle, along its centre line. During the thermal processing the conditions of the workpiece or the tool give rise to characteristic wave lengths or bands or characteristic spectra with characteristic intensity distributions and the electromagnetic energy is sent through the optical fibre or fibres (10) to the light electrical energy converters or a spectral analysis unit (19, 20), connected to at least one evaluating unit (17). USE/ADVANTAGE - For gas cutter or burner. Improvement in efficiency of operations.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum thermischen Bearbeiten von metallischen Werkstücken nach dem Ober begriff des Anspruches 1.The invention relates to a device for thermal Processing of metallic workpieces according to the upper Concept of claim 1.

Bei Gasschneid- oder Wärmbrennern, die vornehmlich zur Verwendung auf Führungsmaschinen ausgebildet sind, sollen über im Brenner integrierte Lichtwellenleiter Zustände bei der thermischen Bearbeitung erkannt werden. Damit sind automatisierte Änderungen der Zu stände realisierbar.For gas cutting or heat burners that are primarily used for Are designed for use on guiding machines, via fiber optic cables integrated in the burner Conditions recognized during thermal processing will. This means automated changes to the Zu stands feasible.

Bekannt ist eine Anordnung eines Lichtwellenleiters nach der DE 38 03 444 C1, der mit Optik in der Schneid sauerstoffzuführung eines Gasschneid- oder Wärmbrenners zentriert eingesetzt ist und durch die Düse in die Flamme und den Schneidbereich blickt.An arrangement of an optical waveguide is known according to DE 38 03 444 C1, the one with optics in the cutting oxygen supply of a gas cutting or heating torch is inserted centered and through the nozzle into the Flame and the cutting area looks back.

Gemäß DE 22 03 194 C2 werden beim thermischen Bear beiten auftretende Änderungen der Beleuchtung (Hellig keit) von einem fotoelektrischen Element erfaßt. Dadurch können für Senkrechtschnitte und nahezu neu traler Gasflamme unter Vorgabe von einem Spannungsre ferenzwert für die Flammenerkennung die Zustände Flamme Ein/Aus und Schnitt/Schnittabriß erkannt werden.According to DE 22 03 194 C2, the thermal bear changes that occur in the lighting (bright speed) detected by a photoelectric element. This allows for vertical cuts and almost new tral gas flame with the specification of a voltage re Reference value for flame detection is the states of flame On / off and cut / cut tear can be detected.

Der Einsatz eines solchen Systemes ist bei der Ver wendung von mehreren Maschinenbrennern, die üblicher weise auf Führungsmaschinen angeordnet und numerisch, d. h. über ein Programm gesteuert werden, nicht mög lich, weil in Abhängigkeit von der Bearbeitungsaufgabe die Brenner in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sein können, wo durch deren Flammen eine Änderung der Beleuchtung stattfindet.The use of such a system is in the Ver use of multiple machine torches, the more common wisely arranged on guiding machines and numerically, d. H. controlled by a program, not possible Lich because it depends on the machining task the burners are arranged in close proximity to each other where their flames change the Lighting takes place.

Der Einsatz eines solchen Systemes ist weiterhin für Schrägschnitte oder Streifenaggregate für Y- und K- Schnitte oder zum Besäumen und beim Schneiden von schmalen Streifen nicht möglich.The use of such a system is still for Bevel cuts or strip aggregates for Y and K Cuts or for trimming and cutting narrow stripes not possible.

Ferner sind Einsatzfälle denkbar, wo optimales Schneiden oder Wärmen besonders an automatisierten Maschinen mit Technologiedatenbank und elektrischer/ elektronischer Aggregatvoreinstellung bewußt im fetten oder mageren Flammenbereich durchgeführt wird.Applications are also conceivable where optimal Cutting or heating especially on automated Machines with technology database and electrical / Electronic unit presetting consciously in bold or lean flame area is performed.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Einrichtung zum thermischen Bearbeiten von metallischen Werkstücken zu schaffen, mit der die obigen Nachteile vermieden werden und die Betriebssicherheit und Systemdynamik erhöht werden. The invention specified in claim 1 is Underlying problem, a device for thermal Creating metal workpieces, with which the above disadvantages are avoided and Operational reliability and system dynamics are increased.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn zeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved by the kenn Drawing features of claim 1 solved.

Durch die Erfindung werden bestimmten Werkstück- und/oder Werkzeugzuständen bestimmte Wellenlängen, Wellenlängenbereiche oder charakteristische Spektren jeweils mit zugeordneten Intensitäten zugeordnet und diese einzeln ausgewertet. Dabei kann die Signalüber tragung jeweils separat für jede Funktion über eine Faser und/oder über ein Faserbündel mit geeigneten spektralen Eigenschaften erfolgen. Desgleichen ist die gemeinsame Optik des Lichtwellenleiters bezüglich Transmissionsverhalten, Brennweite(n), Material und Form entsprechend ausgelegt. Für schneidrichtungsab hängige Funktionen oder für aktive Sensoren werden besondere Anordnungen der Einzelfasern bzw. der Einzel faserbündel objektivseitig gewählt. Unter aktiven Sensoren werden hierbei jeweils zwei Fasern bzw. Faser bündel verstanden, die an eine modulierte oder kon stante Strahlungsquelle als Sender und einem licht elektrischen Wandler oder integriert optisch/elek tronische Bauelemente als Empfänger mit nachgeschal teter Auswerteeinheit angeschlossen sind.Certain workpiece and / or tool states certain wavelengths, Wavelength ranges or characteristic spectra each assigned with assigned intensities and these evaluated individually. The signal can each for a separate function for each function Fiber and / or via a fiber bundle with suitable spectral properties. The same is true common optics of the optical fiber regarding Transmission behavior, focal length (s), material and Form designed accordingly. For cutting direction dependent functions or for active sensors special arrangements of the individual fibers or the individual fiber bundle selected on the lens side. Among active Sensors become two fibers or two fibers understood bundles that are connected to a modulated or con constant radiation source as a transmitter and a light electrical converter or integrated optical / elec tronic components as receivers with reshaped evaluation unit are connected.

Mit einem aktiven Sensor kann beispielsweise eine automatisierte Kantenfindung durchgeführt werden, indem über den Sender Strahlung auf die Werkstückoberfläche gerichtet werden kann, wobei Änderungen der Intensität beim Erreichen der Kante über den Empfänger erfaßt wird. Anschließend kann der bei Schneidbeginn erforder liche Anheizvorgang automatisch eingeleitet werden.With an active sensor, for example automated edge finding can be performed by radiation on the workpiece surface via the transmitter can be directed, changing the intensity when reaching the edge detected by the receiver becomes. This can then be required at the start of cutting heating process can be initiated automatically.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß - wie an Brennschneidmaschinen üblich - mehrere Brenner gleichzeitig in Einsatz gebracht werden können, ohne daß bei der Programmierung der zu bear beitenden metallischen Werkstücke die räumliche An ordnung der Brenner zueinander berücksichtigt werden muß. Erst durch die Erfindung ist somit der Einsatz an automatischen Brennschneidanlagen möglich, da es durch die Erfindung zu keiner gegenseitigen Beeinflussung der Sensorsignale kommt. Durch die kombinierte optische und elektronische Filterung der Ursprungssignale, reduziert sich der gesamte technische Aufwand für die Einrichtung und deren Betriebssicherheit.The advantages achieved with the invention exist in that - as usual on flame cutting machines - multiple burners can be used simultaneously can, without having to bear the programming processing metallic workpieces order of the burners to each other got to. It is only through the invention that use is on automatic flame cutting systems possible because of it the invention does not interfere with each other Sensor signals is coming. The combined optical and electronic filtering of the original signals, reduced the entire technical effort for the facility and their operational security.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is in the Drawing shown and is closer below described.

Es zeigenShow it

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des End abschnittes des Lichtwellenleiters mit Anschluß an Bündelteiler, lichtelektrische Wandler und Auswerteeinheit. Fig. 1 is a schematic side view of the end portion of the optical fiber with connection to the bundle splitter, photoelectric converter and evaluation unit.

Fig. 2 a bis c Faser- bzw. Faserbündelanordnungen des Lichtwellenleiters an dem zum licht elektrischen Wandler entgegengesetzten Ende. Fig. 2 a to c fiber or fiber bundle arrangements of the optical fiber at the opposite end to the photoelectric converter.

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht des Endab schnittes des Lichtwellenleiters mit An schluß an Bündelteiler, lichtelektrischen Wandler und Spektralanalyseeinrichtung mit Auswerteeinheit. Fig. 3 is a schematic side view of the end section of the optical waveguide with connection to the bundle splitter, photoelectric converter and spectral analysis device with evaluation unit.

In Fig. 1 ist das zum nicht näher dargestellten Ventil körper eines Gasschneidbrenners dargestellte Ende eines in der zentralen Schneidsauerstoffzuführung ange ordneten Lichtwellenleiters 10 dargestellt. Der Licht wellenleiter 10 ist über die Mittel 11 mit dem Ventil körper verbunden. Ein Gasschneidbrenner mit entsprechend angeordnetem Lichtwellenleiter 10 ist in der DE 38 03 444 C1 dargestellt und näher beschrieben, so daß im folgenden hierauf verzichtet werden kann. Der Licht wellenleiter 10 ist mit seinem dem Ventilkörper zuge ordneten Ende 12 mit mindestens einem Bündelteiler 13 verbunden, in dem die Einzelfasern zu Bündeln getrennt und über die Ausgänge 14, 15 den separaten lichtelek trischen Wandlern 16, 18 zugeführt werden. Diese sind an eine jedem Brenner zugeordnete Auswerteeinheit 17 oder an eine zentrale Steuerung, beispielsweise die Brennschneidmaschinensteuerung, angeschlossen.In Fig. 1 the body of a gas cutting torch, not shown, is shown the end of an optical fiber 10 arranged in the central cutting oxygen supply. The light waveguide 10 is connected to the valve body via the means 11 . A gas cutting torch with a correspondingly arranged optical waveguide 10 is shown in DE 38 03 444 C1 and described in more detail, so that this can be dispensed with in the following. The light waveguide 10 is connected to the valve body associated end 12 with at least one bundle splitter 13 , in which the individual fibers are separated into bundles and supplied via the outputs 14 , 15 to the separate light-electric transducers 16 , 18 . These are connected to an evaluation unit 17 assigned to each burner or to a central control, for example the flame cutting machine control.

In den Fig. 2a bis c sind Anordnungsbeispiele der Fasern und/oder Faserbündel in Blickrichtung auf die freie Stirnseite des Lichtwellenleiters 10 dargestellt, die der Düse des Brenners zugeordnet ist. Dieser Stirn seite ist, wie in dem oben genannten Patent näher beschrieben, ein Objektiv zugeordnet. Die Strahlungs übertragung erfolgt über die Optik mit ihren physika lischen Eigenschaften und über die Fasern/Faserbündel mit ihren physikalischen Eigenschaften. Das Trans missionsverhalten der Optik muß über den gesamten zu übertragenden Frequenzbereich besonders gut sein, da sie nur einmal für alle nachgeschalteten Fasern und/ oder Faserbündel vorhanden ist, z. B. UV (ultra violett)- bis zum IR (Infrarot)-Bereich für den ausge führten Sensor.In FIGS. 2a to c of the fibers and / or fiber bundles are shown in the viewing direction on the free end face of the optical waveguide 10 arrangement examples, which is associated with the nozzle of the burner. This end face is, as described in more detail in the above-mentioned patent, assigned a lens. The radiation is transmitted via the optics with their physical properties and via the fibers / fiber bundles with their physical properties. The trans mission behavior of the optics must be particularly good over the entire frequency range to be transmitted, since it is only present once for all downstream fibers and / or fiber bundles, for. B. UV (ultra violet) - up to the IR (infrared) range for the sensor out.

In der Fig. 2a sind 4 Faserbündel (FB1 bis FB4) gleich förmig, in Fig. 2b konzentrisch und in der Fig. 2c viertelkreisförmig verteilt. Andere nicht näher darge stellte Anordnungsvarianten sind möglich, wie bei spielsweise zeilige oder segmentförmige Anordnungen. Die Fasern und/oder Faserbündel können unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Das Transmissionsverhalten und der Öffnungswinkel der Fasern bzw. der Faserbündel ist auf deren Funktion abgestimmt, wobei die charakteris tischen Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche und/oder die charakteristischen Spektren in bestimmten Wellen längenbereichen bei den verschiedenartigen, getrennten Fasern und/oder Faserbündeln berücksichtigt werden.In Fig. 2a 4 fiber bundles (FB 1 to FB 4 ) are uniform, in Fig. 2b concentric and in Fig. 2c distributed in a quarter circle. Other arrangement variants not shown are possible, such as in line or segment arrangements. The fibers and / or fiber bundles can have different diameters. The transmission behavior and the opening angle of the fibers or the fiber bundle is matched to their function, the characteristic wavelengths or wavelength ranges and / or the characteristic spectra in certain wavelength ranges being taken into account in the different types of separate fibers and / or fiber bundles.

Dem digitalen Zustand der Flamme "Ein"/"Aus" wird gemäß der Erfindung die größte Empfindlichkeit in einem Wellenlängenbereich (1) zwischen 180 und 300 Nanometer (nm) zugeordnet. Dort ist die Störstrahlung in Folge Fremd- bzw. Sonnenlicht faktisch nicht mehr vorhanden. Dem digitalen Zustand des Prozesses "Schnitt"/"Schnitt abriss" wird die größte Empfindlichkeit im Wellen längenbereich (2) zwischen 400 und 950 Nanometer zuge ordnet.According to the invention, the greatest sensitivity in a wavelength range ( 1 ) between 180 and 300 nanometers (nm) is assigned to the digital state of the flame "on" / "off". The interference radiation due to external or sunlight is no longer present there. The greatest sensitivity in the wavelength range ( 2 ) between 400 and 950 nanometers is assigned to the digital state of the process "cut" / "cut off".

Die Strahlungsintensität der Flamme in diesem Wellen längenbereich (2) ist gegenüber dem flüssigen Material im Schneidbereich so gering, daß durch Wahl einer geeignet hohen Intensitätsschwelle für die integralen Werte eine sichere Unterscheidung erfolgen kann. Der ungünstigste Störpegelabstand ist mehr als 10mal niedriger. Da sich der blau emittierende Flammen bereich im Inneren befindet, wird dieser vorwiegend vom Sensorblickfeld erfaßt. Durch die Beschränkung des Wellenlängenbereiches (2) wird der UV- und Blaubereich kaum zur Schnitterkennung herangezogen. Durch die getrennte Auswertung lassen sich Schnittabrisse mit Verlöschen der Flamme von Schnittabrissen ohne Ver löschen der Flamme unterscheiden.The radiation intensity of the flame in this wavelength range ( 2 ) is so low compared to the liquid material in the cutting area that a safe distinction can be made by choosing a suitably high intensity threshold for the integral values. The most unfavorable signal-to-noise ratio is more than 10 times lower. Since the blue-emitting flame area is located inside, this is mainly detected by the sensor field of view. Due to the limitation of the wavelength range ( 2 ), the UV and blue range is hardly used for cutting detection. Due to the separate evaluation, cutting breaks with the flame extinguishing can be distinguished from cutting breaks without the flame extinguishing.

Speziell für den Wellenlängenbereich (1) werden Quarz- Glasfasern eingesetzt, die mit IR-übertragenden Fasern des Wellenlängenbereiches (2) gleichförmig verteilt angeordnet sind.Quartz glass fibers are used especially for the wavelength range ( 1 ), which are arranged with IR-transmitting fibers of the wavelength range ( 2 ) uniformly distributed.

Da sich der vorwiegend blau emittierende Flammenbereich im Inneren befindet, dämpft der äußere Flammenbereich dessen Strahlungsausbreitung hin zu dicht- und/oder schrägstehenden Nachbarbrennern. Demzufolge ist eine gegenseitige Beeinflussung von Nachbarbrennern bezüg lich der Flammenerkennung unter Praxisbedingungen von beispielsweise Besäumaggregaten nicht mehr vorhanden. Selbst Zuschalten von Schneidsauerstoff ohne Schnitt läßt genügend Emission in den Sensorsichtbereich zu, so daß dort noch die Flamme sicher erkannt werden kann.Because the predominantly blue emitting flame area located inside, dampens the outer flame area its radiation propagation towards dense and / or slanting neighboring burners. Accordingly, one is mutual influence of neighboring burners Lich the flame detection under practical conditions from for example, trimming units no longer exist. Even cutting oxygen without cutting allows enough emission in the sensor field of view, so that the flame can still be reliably recognized there.

Durch die Auswahl des Wellenlängenbereiches (1) ergibt sich ein Minimum der mittleren Intensität bei stöchio metrisch neutraler Flamme, die ca. 30mal höher liegt als das Rauschen von Prozeß und Elektronik und typi scher Umgebungsbeleuchtung.The selection of the wavelength range ( 1 ) results in a minimum of the mean intensity with a stoichiometrically neutral flame, which is about 30 times higher than the noise of the process and electronics and typical ambient lighting.

Ferner ist es dadurch möglich, alle praktisch rele vanten mageren Gemischeinstellungen zu detektieren. Das Erkennungssignal bricht erst zusammen, wenn die sich verkleinernde Flamme beginnt in den Düsenkanal bis zum Erlöschen zurückzuziehen (zusätzlicher Brennerschutz). Sinngemäß verhält sich die UV-Emission beim Einstellen eines fetteren Gasgemisches. So steigt der Pegel bis zum Durchsteuern der Elektronik kontinuierlich an, bis etwa zum Rußen einer Azethylen-Flamme.It also makes it possible to rele all practically vanten to detect lean mixture settings. The Detection signal only breaks down when the reducing flame begins in the nozzle channel up to Go out to withdraw (additional burner protection). The UV emission behaves analogously when adjusting of a richer gas mixture. So the level rises up to control the electronics continuously until for sooting an acetylene flame.

Gemäß einer Ausführungsvariante werden über die Fasern bzw. Faserbündel die Strahlung in bestimmten Wellen längenbereichen erfaßt und einer Spektralanalyseein richtung (Fig. 3, 19, 20) zugeführt. Dadurch werden vorteilhaft die spektralen Intensitäten über dem unter suchten Wellenlängenbereich als zeitlich aktuelle Spektren erfaßt. Durch Vergleich mit einer Referenz in einer Auswerteeinheit 20 lassen sich Abweichungen erkennen, die innerhalb eines zulässigen Toleranzbandes konstant bleiben, zeitlich schwanken oder die sich mit der Zeit tendenziell in eine Richtung ändern. Dabei sind vorteilhaft mehrere Auswerteeinheiten über einen Feldbus mit der Maschinensteuerung und untereinander verbunden, da bestimmte Maschinenreaktionen nur bau artspezifisch ausführbar sind und nicht nur von den Werkzeug- und/oder Werkstückzuständen abhängen.According to an embodiment variant, the radiation in certain wavelength ranges are detected via the fibers or fiber bundles and fed to a spectral analysis device ( FIGS. 3, 19, 20). As a result, the spectral intensities over the wavelength range under investigation are advantageously recorded as current spectra. By comparison with a reference in an evaluation unit 20 , deviations can be recognized that remain constant within a permissible tolerance band, fluctuate in time, or that tend to change in one direction over time. In this case, several evaluation units are advantageously connected to the machine control and to one another via a fieldbus, since certain machine reactions can only be carried out in a type-specific manner and do not only depend on the tool and / or workpiece states.

Claims

1. Device for the thermal processing of metallic workpieces with a gas cutting or heat burner with a centrally arranged in the central oxygen supply guide above the nozzle waveguide, characterized in that during thermal processing occurring workpiece and / or tool conditions characteristic wavelengths or Wavelength ranges and / or characteristic spectra in specific wavelength ranges are each assigned characteristic intensity distributions and can be fed via the optical waveguide ( 10 ) to photoelectric converters ( 16 , 18 ) and / or a spectral analysis device ( 19 , 20 ) which can be fed to at least one Evaluation unit ( 17 ) is connected.

2. Device according to claim 1, characterized in that the optical waveguide ( 10 ) has different types of separate fibers and / or fiber bundles (FB 1 to FB 4 ) and a part of the radiation detected each feeds the separate photoelectric converters ( 16 , 18 ).

3. Device according to claim 1 or 2, characterized, that transmission behavior and opening angle of the Fibers or the fiber bundle on their to be detected States are tunable.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized, that the arrangement of the fibers and / or fiber bundles over the entire optically active cross section below is different.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the arrangement of the fibers and / or fiber bundles is uniform ( Fig. 2a), concentric ( Fig. 2b) or in sectors ( Fig. 2c).

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized, that the fibers and / or fiber bundles are different Have diameter.

7. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the relative spectral sensitivity of the photoelectric converter ( 16 , 18 ) is selected so that transmission over the entire distance of the radiation, via the optics (s) and the fibers or fiber bundles the evaluable frequency range is retained in order to recognize the states.

8. Device according to one of claims 1, 2 or 7, characterized in that in each case two fibers or fiber bundles form an active fiber-optic sensor in which a modulated or constant radiation source as a transmitter and a photoelectric converter ( 16 , 18 ) as a receiver downstream evaluation unit ( 17 ) is used.