DE4331262C2 - Lasermaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks und Verfahren zur Steuerung einer Lasermaschine - Google Patents
Lasermaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks und Verfahren zur Steuerung einer LasermaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lasermaschine zur Bearbeitung
eines Werkstücks mit einem Laserstrahl nach dem Oberbegriff das Patentanspruchs 1.
Dabei können einzelne Bauteile der Lasermaschine sowohl
die Funktion von ersten als auch von zweiten Abschirmelementen
aufweisen. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein
Verfahren zur Steuerung einer solchen Lasermaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Beim Betrieb von Lasermaschinen sind besondere Sicherheitsvor
kehrungen zu beachten. Bereits vergleichsweise geringe Strahlen
dosen Laserlicht können zu temporären Schädigungen des mensch
lichen Auges führen. Aber auch ein Auftreffen von Laserlicht auf
die menschliche Haut ist zu vermeiden. Die besondere Schwierig
keit, beim Betrieb einer Lasermaschine den Kontakt mit dem
Laserstrahl zu verhindern, beruht zum einen darauf, daß der
Laserstrahl beim Hindurchtreten durch Luft selbst nicht sichtbar
ist, zum anderen tritt beim Auftreffen des Laserstrahls auf
Oberflächen Streulicht in verschiedensten Richtungen auf.
Es ist daher üblich, Lasermaschinen für den Betrieb vollständig
zu kapseln, um ein Austreten von Laserstrahlung zu verhindern.
In Extremfällen sind separate Räume für die Lasermaschine
vorgesehen, wobei die Bedienung der Lasermaschine aus einem
zweiten Raum heraus erfolgt. Der hiermit verbundene Aufwand ist
erheblich. Andererseits sind an das Bedienpersonal für Laser
maschinen mit zugänglichen Laserstrahlen hohe Ausbildungsanfor
derungen zu stellen, um Arbeitsunfälle mit Verletzung durch
Laserstrahlung zu vermeiden. Dennoch verbleibt ein nicht
unerhebliches Restrisiko, und auch die Schulung des Bedien
personals ist als aufwendig anzusehen.
Vorteilhaft stellt sich bei Lasermaschinen der eingangs
beschriebenen Art heraus, daß in der Arbeitsstellung der Laserstrahl aufgrund der
ersten Abschirmelemente nicht zugänglich ist und Streulicht
außerhalb der zweiten Abschirmelemente nicht in nennenswertem
Umfang auftritt. In Arbeitsstellung des Lasers bzw. der Optik
besteht somit keine nennenswerte Gefährdung von Bedienpersonal
durch Laserstrahlung. Beim Wechsel des Werkstücks muß jedoch der
Laser bzw. die Optik aus der Arbeitsstellung und in diese zurück
verfahren werden. Hierbei tritt eine Verletzungsgefahr durch
Laserstrahlung auf.
Mechanische Taster und klassische Abstandsensoren sind zur
Feststellung, ob der Laser bzw. die Optik sich in der Arbeits
stellung befinden und daher der Betrieb des Lasers gefahrlos
möglich ist, nicht geeignet. Gerade im Kantenbereich des
Werkstücks treten hier Fehlmessungen auf. Ähnliche Schwierig
keiten gibt es bei plattenförmigen Werkstücken, aus denen
bereits Material herausgetrennt wurde. Bei mechanischen Tastern
kommt das Problem eines Verkratzens der Oberfläche des zu
bearbeitenden Werkstücks hinzu.
Lasermaschinen der eingangs beschriebenen Art sind beispiels
weise aus der DD-PS 2 24 793, der EP-OS 0 330 565 und dem DE-GM
92 15 287 bekannt. Hierbei sind die ersten Abschirmelemente zur
Ausbildung eines auf die Oberfläche des zu bearbeitenden
Werkstücks ausgerichteten Düsenkörpers für Druckluft vorgesehen.
Die zweiten Abschirmelemente begrenzen einen Absaugraum für bei
der Bearbeitung des Werkstückes entstehende Laserdämpfe.
Aus der EP-OS 0 470 583 ist eine Lasermaschine zur Bearbeitung
eines Werkstücks mit einem Laserstrahl bekannt, wobei einer den
Laserstrahl fokussierenden Optik ein Sensor zugeordnet ist. Der
Sensor registriert von dem Werkstück reflektierte Intensitäten
des Laserstrahls und Lichtintensitäten, die induziert von dem Laserstahl von dem
Werkstück abgestrahlt werden. Anhand der von dem Sensor registrierten Lichtintensitäten
ist der Betriebszustand der Lasermaschine feststellbar, z. B. ob der Laserstrahl bereits durch
das Werkstück hindurchgetreten ist oder ob sich das Werkstück
durch den Laserstrahl entzündet hat. In der konkreten Ausführungsform ist
dem Sensor
ein Spiegel zugeordnet, der innerhalb von Abschirmelementen
angeordnet ist, die den Laserstrahl vor seinem Auftreffen auf
das Werkstück ringförmig umgeben. Der Spiegel lenkt Licht aus
der Gegenrichtung zum Laserstrahl auf den lichtempfindlichen
Sensor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Lasermaschine nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und
ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 6 derart weiterzubilden,
daß eine Verletzungsgefahr
für das Bedienpersonal durch Laserstrahlung,
die von
dem Werkstück reflektiert wird, ausgeschlossen
ist.
Bei einer Lasermaschine wird die
Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
In der Arbeits
stellung des Lasers bzw. der Optik erfaßt der Sensor den
Auftreffpunkt des Laserstrahls auf das Werkstück. Er erfaßt
damit auch die dort durch den Laserstrahl hervorgerufene
Erwärmung des Werkstücks. Diese Erwärmung ist umgekehrt ein
zuverlässiger Beleg dafür, daß sich der Laser bzw. die Optik in
der Arbeitsstellung über dem Werkstück befindet. Tritt die
Erwärmung nicht auf, so weist der Laser bzw. die Optik einen
größeren Abstand zu dem Werkstück auf, und der Laser kann nicht
sicher betrieben werden. Selbst wenn sich überhaupt kein
Werkstück im Bereich des Laserstrahls befindet, wird dies durch
die nicht eintretende Erwärmung in dem überwachten Bereich
festgestellt. Auch in diesem Fall erfolgt eine Abschaltung des
Lasers, da ein Betrieb der Lasermaschine ohne Werkstück nicht
sicher möglich ist. Ebenso wird erkannt, wenn der Laser defekt
ist und keinen Laserstrahl abgibt. Unter diesen Umständen ist es
zwar unnötig, den Laser abzuschalten, die Abschalteinrichtung
gibt aber sinnvollerweise ein Warnsignal ab.
Es versteht sich, daß die Abschalteinrichtung erst nach einer
gewissen Verzögerungszeit nach dem Einschalten des Lasers zu
aktivieren ist. Diese Zeit ist jedoch vergleichsweise kurz, da
die den üblichen Betriebsbedingungen entsprechende Aufwärmung
des Werkstücks im Bereich des Laserstrahls schnell einsetzt. Bei
einem Unterschreiten der vorgegebenen Mindesttemperatur durch
die von dem Sensor erfaßte Temperatur kann die Abschaltein
richtung zunächst ein Warnsignal abgeben, um das Bedienpersonal
zu alarmieren. Wenn jedoch auch dann keine korrekten Betriebs
bedingungen hergestellt werden, schaltet die Abschalteinrichtung
den Laser ab. Zum schnellen Abschalten lassen sich solche Laser,
wie sie bei Lasermaschinen üblich sind, in einen sog. Interlock-
Mode überführen.
Auch Defekte in der Absaugeinrichtung der Lasermaschine können
durch ein Unterschreiten der vorgegebenen Mindesttemperatur in
dem von dem Sensor erfaßten, örtlich begrenzten Bereich regi
striert werden. Die bei unzureichender Absaugung im Bereich des
Laserstrahls verbleibenden Materialdämpfe führen häufig zu einer
Defokussierung des Laserstrahls, wodurch sich die Temperatur
verringert, auf die das Material durch den Laserstrahl erwärmt
wird.
Neben der Lösung der Aufgabe kann die Abschalteinrichtung den Laser zusätzlich bei Überschreiten
einer vorgegebenen Höchsttemperatur abschalten. Eine
geeignet vorgegebene Höchsttemperatur wird beispielsweise dann
überschritten, wenn sich das zu bearbeitende Werkstück im
Bereich des auftreffenden Laserstrahls entzündet. Bei einer
optimal angepaßten Höchsttemperatur kann ein Entzünden des
Werkstücks auch präventiv verhindert werden. Darüberhinaus sind
durch die Vorgabe der Höchsttemperatur Betriebsbedingungen, die
den Anforderungen an einen kalten Schnitt nicht gerecht werden,
vermeidbar. So führen die beim Schneiden von Stahl unter
ungünstigen Bedingungen auftretenden Schweißperlen zu einer
leicht er faßbaren Temperaturerhöhung an der dem Laser
zugekehrten Oberfläche des Werkstücks.
Im einfachsten Fall wird der Sensor mit dem Laser bzw. der Optik
in der Haupterstreckungsrichtung des Laserstrahls verfahren und
befindet sich in der Arbeitsstellung des Lasers bzw. der Optik
in unmittelbarer Nachbarschaft des Auftreffpunkts des
Laserstrahls auf das Werkstück. In diesem Bereich ist zwar die
Beschädigungsgefahr des Sensors beispielsweise durch konden
sierende Materialdämpfe oder abgesprengte Teile des Werkstücks
nicht unerheblich, dem kann aber weitgehend durch eine geschick
te Auswahl der genauen Lage des Sensors begegnet werden. Wichtig
ist in jedem Fall, daß der Sensor Temperaturveränderungen im
Bereich des Auftreffpunkts des Laserstrahls auf das Werkstück
schnell erfaßt, d. h. nicht zu träge ist. Um diese Eigenschaften
zu garantieren, sind beispielsweise dünnschichtige Temperatur
meßwiderstände geeignet.
Der Sensor kann aber auch ein Infrarotsensor sein, dessen
Erfassungsrichtung einen Winkel mit der Haupterstreckungs
richtung des Laserstrahls einschließt, der mit dem Laser bzw.
der Optik in der Haupterstreckungsrichtung des Laserstrahls
verfahren wird.
Ein Infrarotsensor ist vorteilhaft außerhalb der
unmittelbaren Nähe des Auftreffpunkts des Laserstrahls auf das
Werkstück anbringbar und dennoch geeignet, den Auftreffpunkt mit
ausreichender Empfindlichkeit zu erfassen. Ggfs. ist dem Sensor
eine geeignete Infrarot-Optik vorzuschalten. Durch die
angewinkelte Anordnung des Infrarotsensors zu der Haupter
streckungsrichtung des Laserstrahls ist sichergestellt, daß der
Infrarotsensor den Auftreffpunkt des Laserstrahls auf das
Werkstück und die damit verbundene Temperaturerhöhung des
Werkstücks nur dann registriert, wenn sich der Laser bzw. die
Optik genau in der einzuhaltenden Arbeitsstellung über dem
Werkstück befindet.
Der Sensor kann in einem Absaugraum oder in einer Abluftleitung
über die Luft aus einem Absaugraum mit einem im Vergleich zu den zweiten Abschirmelementen kleinen Volumen abgesaugt wird, angeordnet
sein, wobei der Laserstrahl durch den Absaugraum auf das Werk
stück trifft. Im Bereich des Auftreffpunkts des Laserstrahls
findet nicht nur eine Erwärmung, des Werkstücks, sondern auch der
den Auftreffpunkt umgebenden Luft statt. Diese Luft wird bei
Lasermaschinen in aller Regel abgesaugt, um die durch den
Laserstrahl freigesetzten Materialdämpfe abzuführen. In der
Arbeitsstellung des Lasers bzw. der Optik wird neben der Luft
aus der unmittelbaren Umgebung des Auftreffpunkts des
Laserstrahls auf das Werkstücks nur wenig zusätzliche Luft
abgesaugt. Somit weist die abgesaugte Luft eine signifikante
Erwärmung auf. Die Erwärmung ist mit dem Sensor in dem Absaug
raum oder in der Abluftleitung, über die die Luft aus dem
Absaugraum abgesaugt wird, erfaßbar. Befindet sich der Laser
bzw. die Optik hingegen außerhalb der Arbeitsstellung, wird über
den den Laserstrahl umgebenden Absaugraum im wesentlichen
unerwärmte Umgebungsluft angesaugt, wodurch die erwartete
Temperaturerhöhung nicht eintritt. Wenn die Absaugung aufgrund
eines Defekts unterbleibt, ist entweder eine unternormale
Temperaturerhöhung in dem Absaugraum oder der Absaugleitung
gegeben, falls die erwärmte Luft nicht an den Sensor
herangeführt wird, oder es tritt eine übernormale Temperatur
erhöhung auf, da keine Abkühlung durch einen kontinuierlich
angesaugten Luftstrom hervorgerufen wird. In beiden Fällen
erfolgt aufgrund der von dem Sensor erfaßten Temperaturver
änderung eine Abschaltung des Lasers.
Es versteht sich, daß es sich bei der Abluft, deren Temperatur
mit dem Sensor erfaßt wird, auch um ein Schutzgas handeln kann,
mit dem eine Schutzgasatmosphäre an dem Auftreffpunkt des Lasers
auf das zu bearbeitende Werkstück geschaffen wird.
Zusätzlich zu dem Sensor in dem Absaugraum um den Laserstrahl
kann in einem zweiten Absaugraum ein zweiter Sensor vorgesehen
sein, wobei der zweite Absaugraum neben dem ersten Absaugraum
angeordnet ist und wobei die Abschalteinrichtung den Laser in
Abhängigkeit von der Differenz der von den beiden Sensoren
erfaßten Temperaturen bei Unterschreiten einer vorgegebenen
Mindesttemperaturdifferenz abschaltet. Die Temperaturerhöhung an
dem Sensor in dem ersten Absaugraum bzw. in der Abluftleitung
ist auch in der Arbeitsstellung des Lasers bzw. der Optik unter
normalen Betriebsbedingungen der Lasermaschine nicht besonders
hoch. Um eine zuverlässigere Kontrolle der Arbeitsstellung des
Lasers bzw. der Optik sicherzustellen, ist es daher sinnvoll,
einen zweiten Sensor vorzusehen, der die Temperatur der Luft
erfaßt, die nicht im Bereich des Auftreffpunkts des Lasers auf
das Werkstück erwärmt wird. Ein für den zweiten Sensor
geeigneter Ort ist ein zweiter, dem ersten Absaugraum benach
barter, beispielsweise diesen ringförmig umgebender Absaugraum.
Bei Ausbildung der beiden Sensoren als Thermoelemente können
diese unmittelbar in Form einer Differenzschaltung angeordnet
sein.
Zusätzlich zu dem die Aufgabe lösenden Sensor zur Temperaturerfassung kann ein UV-
Sensor zur Registrierung von UV-Strahlung vorgesehen sein, der
in der Arbeitsstellung des Lasers bzw. der Optik den Auftreff
punkt des Laserstrahls auf das Werkstück sowie dessen Umgebung
erfaßt, wobei die Abschalteinrichtung den Laser beim Auftreten
von UV-Strahlung mit einer vorgegebenen Mindestintensität
abschaltet. Die Entzündung des Werkstücks im Bereich des
auftreffenden Laserstrahls ist mit einer signifikanten
Entwicklung von UV-Strahlung verbunden. UV-Strahlung tritt auch
dann auf, wenn beim Laser-Schneiden zu heiße Betriebsbedingungen
vorliegen und flüssige Materialtropfen, sog. Schweißperlen,
freigesetzt werden. In beiden Fällen führt das Registrieren der
UV-Strahlung durch den UV-Sensor zu einem sachgerechten
Abschalten des Lasers.
Bei dem Verfahren zur Steuerung der Lasermaschine
wird die erfindungsgemäße Aufgabe
durch die Merkmale das Patentanspruchs 6 gelöst.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert und beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 bis 3 verschiedene Ausführungsformen der
Lasermaschine in Arbeitsstellung und
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Lasermaschine
außerhalb ihrer Arbeitsstellung.
Die in Fig. 1 anhand ihrer hier wesentlichen Bestandteile
wiedergegebene Lasermaschine 1 weist einen einen Laserstrahl 2
abgebenden Laser 3 auf. Der Laser 3 ist in der Haupter
streckungsrichtung 4 des Laserstrahls 2 und senkrecht dazu
verfahrbar. Hierbei dient die Verfahrbarkeit in der Haupter
streckungsrichtung 4 zum Anfahren einer Arbeitsstellung über
einem Werkstück 15, in der der Laser 3 hier dargestellt ist.
Senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung 4 wird der Laser 3
bei der eigentlichen Bearbeitung des Werkstücks 15 verfahren.
Zusammen mit dem Laser 3 wird ein Absauggehäuse 5 verfahren,
durch das hindurch der Laserstrahl 2 auf das Werkstück 15
auftrifft. Das Luftabsauggehäuse 5 entspricht dem DE-GM 92 15 284
und ist über eine Absaugleitung 6 an eine Absaugpumpe 7
angeschlossen. Das Absauggehäuse 5 weist an seiner dem Werkstück
15 zugekehrten Unterseite eine Austrittsöffnung 8 für den
Laserstrahl 2 auf. Die Austrittsöffnung weist dabei einen
vergleichsweise geringen Durchmesser auf, so daß der Laserstrahl
2 gerade ungehindert aus dem Absauggehäuse 5 heraustreten kann.
In dem Luftabsauggehäuse 5 ist ein in etwa kegelstumpfförmig
ausgebildeter Absaugraum 9 mit großem, nach oben gerichtetem
Öffnungswinkel vorgesehen. In den Absaugraum 9 mündet die
Absaugleitung 6 tangential ein, so daß in dem Absaugraum 9 eine
umlaufende Wirbelströmung ausgebildet wird. Materialdämpfe, die
von dem Laserstrahl 2 durch Verdampfung des Werkstücks 15
hervorgerufen werden, treten durch die Austrittsöffnung 8 für
den Laserstrahl 2 in den Absaugraum 9 ein und werden dort
zunächst radial aus dem Bereich des Laserstrahls 2 abgeführt und
anschließend durch die Absaugleitung 6 abgesaugt.
In der dargestellten Arbeitsstellung des Lasers 3 und des
Absauggehäuses 5 ist der Laserstrahl 2 vor seinem Auftreffen auf
das Werkstück 15 ringförmig durch erste Abschirmelemente 10
ausbildende Teile des Absauggehäuses 5 umgeben. Gleichzeitig
wird von dem Werkstück 15 reflektiertes Streulicht 12 des
Laserstrahls 2 oberhalb des Werkstücks 15 durch senkrecht zu der
Haupterstreckungsrichtung 4 ausgedehnte, zweite Abschirmelemente
11 ausbildende Teile des Absauggehäuses 5 aufgefangen. Auf diese
Weise wird ein Austreten von Laserstrahlung in den dem Bedien
personal zugänglichen Bereich der Lasermaschine 1 vollständig
verhindert. Zur Sicherstellung, daß der Laser 3 nur dann
betrieben wird, wenn er sich in seiner Arbeitsstellung befindet,
sind ein Sensor 13 und eine Abschalteinrichtung 14 vorgesehen.
Der Sensor 13 ist in unmittelbarer Nähe des Auftreffpunkts des
Laserstrahls 2 auf das Werkstück 15 an dem Absauggehäuse 5
angeordnet. Der Sensor 13 erfaßt dort die durch den Laserstrahl
2 hervorgerufene Erwärmung des Werkstücks 15. Wird eine
Erwärmung auf eine vorgegebene Mindesttemperatur, die auch
abhängig von dem Material des zu bearbeitenden Werkstücks 15
gewählt werden kann, erreicht und von dem Sensor 13 registriert,
so befindet sich der Laser 3 mit dem Absauggehäuse 5 in der
gewünschten Arbeitsstellung. Sobald der Laser 3 die Arbeits
stellung verläßt und ein größerer Spalt zwischen der Unterseite
des Absauggehäuses 5 und der Oberseite des Werkstücks 15
entsteht, entfernt sich auch der Sensor 13 von dem Auftreffpunkt
des Laserstrahls 2 auf das Werkstück 15. Der Sensor 13 ist so
nicht mehr in der Lage, die Temperaturerhöhung des Werkstücks 15
am Auftreffpunkt des Laserstrahls 2 zu registrieren. Die
vorgegebene Mindesttemperatur wird nicht mehr erreicht. Dies
führt dazu, daß die mit dem Sensor 13 verbundene Abschalt
einrichtung 14 den Laser 3 abschaltet oder besser in seinen
Interlock-Mode überführt und so das unkontrollierte Austreten
von Laserstrahlung verhindert. Dabei kann die Abschaltein
richtung 14 vor dem eigentlichen Abschalten des Lasers 3, aber
auch während des Abschaltens zusätzlich ein akustisches und/oder
optisches Warnsignal abgeben. Über den Sensor 13 erkennt die
Abschalteinrichtung 14 auch, ob überhaupt ein Werkstück 15
vorhanden ist. Auch bei Fehlen des Werkstücks 15 kann der Sensor
13 die mit dem ordnungsgemäßen Erreichen der Arbeitsstellung
durch den Laser 3 verbundene Temperaturerhöhung des Werkstücks
15 nicht erfassen. Es versteht sich, daß die Abschalteinrichtung
14 erst kurze Zeit nach dem Einschalten des Lasers 3 aktiviert
wird. Die Verzögerung muß dabei ausreichend sein, um bei einem
in der ordnungsgemäßen Arbeitsstellung befindlichen Laser 3 die
übliche Erwärmung des Werkstücks 15 über die vorgegebene
Mindesttemperatur durch den Laserstrahl 2 mit dem Sensor 13
abzudecken. Die Abschalteinrichtung 14 schaltet den Laser auch
dann aus, wenn der Sensor 13 eine Temperatur registriert, die
eine vorgegebene Höchsttemperatur überschreitet. Dies kann
beispielsweise dann der Fall sein, wenn sich das Werkstück 15 im
Bereich des auftreffenden Laserstrahls entzündet. Aber auch
ungewünscht heiße Betriebsbedingungen beim Bearbeiten des
Werkstücks 15 mit dem Laserstrahl 2 können durch das recht
zeitige Abschalten des Lasers 3 verhindert werden.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der Lasermaschine 1
dargestellt. Wieder sind nur die hier wesentlichen Teile der
Lasermaschine 1 wiedergegeben, welche sich wiederum in der
Arbeitsstellung befindet. Konkret ist es die Arbeitsstellung
einer den Laserstrahl 2 fokussierenden Optik 16, die mit dem
Absauggehäuse 5 in der Haupterstreckungsrichtung 4 des Laser
strahls 2 verfahrbar ist. Der Laser 3 kann dabei in dieser
Richtung fest vorgesehen sein. Der Laser 3 ist daher in Fig. 2
nur schematisch angedeutet. Unterhalb der im wesentlichen aus
einer Sammellinse bestehenden Optik 16 bildet das Absauggehäuse
5 einen auf das Werkstück 15 gerichteten Düsenkörper aus. In das
Innere des Düsenkörpers 17 mündet eine Druckluftleitung 18, die
mit einer Druckluftpumpe 19 verbunden ist. An seiner Unterseite
mündet das Innere des Düsenkörpers 17 in den Absaugraum 9, der
hier nach unten durch das Werkstück 15 begrenzt wird. Dabei
liegt das Absauggehäuse 5 über elastische Dichtungen 20 an dem
Werkstück 15 an. Bei dem Absauggehäuse 5 gemäß Fig. 2 werden
die ersten Abschirmelemente 10 im wesentlichen durch den
Düsenkörper 17 und die elastische Dichtung 10 und die zweiten
Abschirmelemente im wesentlichen durch die den Absaugraum 9
begrenzenden Teile des Absauggehäuses 5 ausgebildet. Die zur
Absaugpumpe 7 führende Absaugleitung 6 mündet in dem Absaug
gehäuse 5 in eine Ringleitung 21, die über Öffnungen 22 mit dem
Absaugraum 9 in Verbindung steht. Durch die gezielte Luftführung
in dem Absauggehäuse 5 wird ein Beschlagen der Optik 16 mit von
dem Laserstrahl 2 freigesetzten Materialdämpfen verhindert.
Dabei ist jedoch kein Bestandteil des Absauggehäuses 5 in
unmittelbarer Nähe des Auftreffpunkts des Laserstrahls 2 auf das
Werkstück 15 vorgesehen. Um dennoch die Temperaturerhöhung in
dem Bereich zu überwachen, die dem Auftreffpunkt des Laser
strahls 2 entspricht, wenn sich die Optik 16 in Arbeitsstellung
befindet, ist der Sensor 13 als Infrarotsensor ausgebildet.
Dabei schließt die Erfassungsrichtung 23 des Infrarotsensors mit
der Haupterstreckungsrichtung 4 des Laserstrahls 2 einen Winkel
von hier ca. 45° ein. So ist sichergestellt, daß der Sensor 13
den Auftreffpunkt des Laserstrahls 2 auf das Werkstück 15 nur in
der ordnungsgemäßen Arbeitsstellung der Optik 16 erfaßt.
Außerhalb der Arbeitsstellung registriert der Sensor 13 keine
Temperaturerhöhung und führt so über die Abschalteinrichtung 14
zu einem Abschalten des Lasers 3. Bei übermäßiger Temperatur
erhöhung über eine vorgegebene Höchsttemperatur erfolgt
ebenfalls ein Abschalten des Lasers 3. In dem Bereich zwischen
der Mindesttemperatur und der Höchsttemperatur, innerhalb dessen
kein Abschalten des Lasers 3 erfolgt, kann das Signal des
Sensors 13 ergänzend zur Einstellung optimaler Betriebs
bedingungen der Lasermaschine 1 genutzt werden. Es versteht
sich, daß der Infrarotsensor auch eine spezielle Infrarot-Optik
aufweisen kann, um den Erfassungsbereich des Infrarotsensors auf
den Auftreffpunkt des Laserstrahls 2 auf das Werkstück in der
Arbeitsstellung der Optik 16 zu fokussieren.
Die Lasermaschine 1 gemäß Fig. 3 entspricht bis auf die
Anordnung des Sensors 13 und die Dimensionierung des Absaugraums
9 dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2. Der Absaugraum 9 ist
gemäß Fig. 3 besonders klein gehalten, um ein Mattieren des
Werkstücks 15 durch kondensierende Materialdämpfe, wie sie von
dem Laserstrahl 2 freigesetzt werden, zu verhindern. Um trotzdem
eine zuverlässige Abschirmung des Streulichts 12 sicherzu
stellen, sind separate, senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung
4 des Laserstrahls 2 ausgedehnte zweite Abschirmelemente 11
vorgesehen. Der vergleichsweise kleine Absaugraum 9 ermöglicht
es, die Temperaturveränderung an dem der Arbeitsstellung der
Optik 16 entsprechenden Auftreffpunkt des Laserstrahls 2 auf das
Werkstück 15 durch eine Erwärmung der aus dem Absaugraum 9
abgesaugten Luft zu erfassen. Entsprechend ist der Sensor 13
hier in der Ringleitung 21 vorgesehen. Nur wenn sich die Optik
16 mit dem Absauggehäuse 5 in der Arbeitsstellung befindet, wird
durch die Öffnungen 22, die Ringleitung 21 und die Absaugleitung
6 angewärmte Luft aus dem Absaugraum 9 angesaugt. Zusätzlich zu
dem Sensor 13 ist gemäß Fig. 3 ein UV-Sensor 24 vorgesehen, der
ebenfalls mit der Abschalteinrichtung 14 verbunden ist. Der UV-
Sensor registriert das Auftreten von UV-Strahlung, wie sie
insbesondere für eine Entzündung des Werkstücks 15 im Bereich
des auftreffenden Laserstrahls 2 oder auch das Auftreten sog.
Schweißperlen bei übermäßiger Erhitzung des Werkstücks 15 durch
den Laserstrahl 2 charakteristisch ist. In beiden Fällen
reagiert die Abschalteinrichtung 14 auf das Auftreten von UV-
Strahlung über einer vorgegebenen Mindestintensität mit einem
Abschalten des Lasers 3 in den Interlock-Mode. Zusätzlich kann
ein akustisches und/oder optisches Warnsignal abgegeben werden.
Zusätzlich zu oder anstelle des UV-Sensors 24 gemäß Fig. 3 kann
die Zuverlässigkeit der Lasermaschine 1 bei einer Temperatur
erfassung im Bereich der Abluft dadurch erreicht werden, daß
statt der absoluten Temperatur eine geeignete Temperatur
differenz erfaßt wird. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel
ist in Fig. 4 wiedergegeben. Fig. 4 zeigt eine Lasermaschine
1 mit einem Absauggehäuse 5, wie es in etwa dem DE-GM 92 15 287
entspricht. Ringförmig um den ersten Absaugraum 9 ist ein
zweiter Absaugraum 25 vorgesehen, der seinerseits durch eine
elastische Dichtung 26 in radialer Richtung begrenzt ist. Der
Absaugraum 25 steht über Öffnungen 27 ebenfalls mit der
Ringleitung 27 in Verbindung. In einer solchen Öffnung 27 ist
ein zweiter Sensor 28 vorgesehen, während der erste Sensor 13 in
einer Öffnung 22 zwischen dem ersten Absaugraum 9 und der
Ringleitung 21 angeordnet ist. Bei beiden Sensoren handelt es
sich um Thermoelemente, die gemeinsam in Differenzschaltung
betrieben werden. Das Signal beider Thermoelemente entspricht
damit der Temperaturdifferenz der aus dem ersten Absaugraum 9
und dem zweiten Absaugraum 25 abgesaugten Luft. Befindet sich
die Optik 16 mit dem Absauggehäuse 5 in Arbeitsstellung, wird
aus dem Absaugraum 9 solche Luft angesaugt, die im Bereich des
Auftreffpunkts des Laserstrahls 2 auf das Werkstück 15 erwärmt
wurde. Aus dem Absaugraum 25 wird hingegen ausschließlich nicht
erwärmte Luft angesaugt. Entsprechend bildet sich eine leicht
meßbare Temperaturdifferenz, d. h. eine leicht erfaßbare
Spannungsdifferenz über den beiden Thermoelementen aus. Diese
Temperaturdifferenz bzw. Spannungsdifferenz verschwindet jedoch
sofort, sobald die Optik 16 und das Absauggehäuse 5 ihre
Arbeitsstellung verlassen. In diesem Fall werden über die
Absaugräume 9 und 25 hinsichtlich ihrer Zusammensetzung nicht
wesentlich differierende Luftmengen abgesaugt. Die unter eine
vorgegebene Mindesttemperaturdifferenz abfallende Temperatur
differenz zwischen den Absaugräumen 9 und 25 führt zu einem
Abschalten des Lasers 3 durch die Abschalteinrichtung 14.
Natürlich ist die Sensoranordnung der Lasermaschine 1 gemäß
Fig. 4 auch geeignet, unzulässig hohe Temperaturdifferenzen
zwischen dem Absaugraum 9 und dem Absaugraum 25 zu erkennen und
entsprechend ein Abschalten des Lasers 3 auszulösen. Hiermit ist
eine Erkennung einer Entzündung des Werkstücks möglich. Weiter
hin machen sich auch Defekte im Abluftabsaugsystem durch signi
fikante Veränderungen der unter ordnungsgemäßen Betriebsbedin
gungen vorliegenden Temperaturdifferenz bemerkbar. So können mit
der neuen Lasermaschine auch solche Defekt erkannt und ggfs.
durch Abschalten des Lasers 3 berücksichtigt werden.
Bezugszeichenliste
1 - Lasermaschine
2 - Laserstrahl
3 - Laser
4 - Haupterstreckungsrichtung
5 - Absauggehäuse
6 - Absaugleitung
7 - Absaugpumpe
8 - Austrittsöffnung
9 - Absaugraum
10 - Abschirmelement
11 - Abschirmelement
12 - Streulicht
13 - Sensor
14 - Abschalteinrichtung
15 - Werkstück
16 - Optik
17 - Düsenkörper
18 - Druckluftleitung
19 - Druckluftpumpe
20 - Dichtung
21 - Ringleitung
22 - Öffnung
23 - Erfassungsrichtung
24 - UV-Sensor
25 - Absaugraum
26 - Dichtung
27 - Öffnung
28 - Sensor
2 - Laserstrahl
3 - Laser
4 - Haupterstreckungsrichtung
5 - Absauggehäuse
6 - Absaugleitung
7 - Absaugpumpe
8 - Austrittsöffnung
9 - Absaugraum
10 - Abschirmelement
11 - Abschirmelement
12 - Streulicht
13 - Sensor
14 - Abschalteinrichtung
15 - Werkstück
16 - Optik
17 - Düsenkörper
18 - Druckluftleitung
19 - Druckluftpumpe
20 - Dichtung
21 - Ringleitung
22 - Öffnung
23 - Erfassungsrichtung
24 - UV-Sensor
25 - Absaugraum
26 - Dichtung
27 - Öffnung
28 - Sensor
Claims (6)
1. Lasermaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem
Laserstrahl, wobei ein den Laserstrahl abgebender Laser und/oder
eine den Laserstrahl fokussierende Optik insbesondere in der
Haupterstreckungsrichtung des Laserstrahls relativ zu dem Werk
stück verfahrbar ist und wobei in Arbeitsstellung des Lasers
bzw. der Optik, d. h. bei Einhaltung eines bestimmten Abstands
des Lasers bzw. der Optik vom Werkstück, der Laserstrahl vor
seinem Auftreffen auf das Werkstück senkrecht zu seiner
Haupterstreckungsrichtung durch erste Abschirmelemente
ringförmig umgeben ist und senkrecht zu der Haupterstreckungs
richtung des Laserstrahls sich ausdehnende zweite
Abschirmelemente von dem Werkstück reflektiertes Streulicht des
Laserstrahls oberhalb des Werkstücks auffangen, dadurch
gekennzeichnet, daß ein dem verfahrbaren Laser (3) bzw. der
verfahrbaren Optik (16) zugeordneter Sensor (13) zur Erfassung
der Temperatur in einem örtlich begrenzten Bereich vorgesehen
ist, wobei der Auftreffpunkt des Laserstrahls auf das Werkstück
(15) nur in der Arbeitsstellung des Lasers (3) bzw. der Optik
(16) in den örtlich begrenzten Bereich fällt, und daß eine
Abschalteinrichtung (14) für den Laser (3) vorgesehen ist, die
den Laser (13) beim Überschreiten des bestimmten Abstands des
Lasers bzw. der Optik von dem Werkstück in Abhängigkeit von der
von dem Sensor (13) erfaßten Temperatur bei Unterschreiten einer
vorgegebenen Mindesttemperatur abschaltet.
2. Lasermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sensor (13) mit dem Laser (3) bzw. der Optik (16) in der
Haupterstreckungsrichtung (4) des Laserstrahls (2) verfahren
wird und in der Arbeitsstellung des Lasers (3) bzw. der Optik
(16) in unmittelbarer Nähe des Auftreffpunkts des Laserstrahls
(2) auf das Werkstück (15) angeordnet ist.
3. Lasermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sensor (13) ein Infrarotsensor ist, dessen Erfassungsrich
tung (23) einen Winkel mit der Haupterstreckungsrichtung (4) des
Laserstrahls (2) einschließt und der mit dem Laser (3) bzw. der
Optik (16) in der Haupterstreckungsrichtung (4) des Laserstrahls
(2) verfahren wird.
4. Lasermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Laserstrahl (2) durch einen ersten Absaugraum (9) auf das
Werkstück (15) trifft, der im Vergleich zu den gesamten
Abschirmelementen ein kleines Volumen aufweist und daß der
Sensor (13) in dem ersten Absaugraum (9) oder in einer Abluft
leitung (22, 21, 6), über die Luft aus dem ersten Absaugraum (9)
abgesaugt wird, angeordnet ist.
5. Lasermaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
einem zweiten Absaugraum (25) ein zweiter Sensor (28) zugeordnet
ist, wobei der zweite Absaugraum (25) neben dem ersten Absaug
raum (9) angeordnet ist und wobei die Abschalteinrichtung (14)
den Laser (3) in Abhängigkeit von der Differenz der von den
beiden Sensoren (13, 28) erfaßten Temperaturen bei Unterschrei
ten einer vorgegebenen Mindesttemperaturdifferenz abschaltet.
6. Verfahren zur Steuerung einer Lasermaschine zur Bearbeitung
eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, wobei die Lasermaschine
einen den Laserstrahl abgebenden Laser und/oder eine den
Laserstrahl fokussierende Optik aufweist, wobei der Laser bzw.
die Optik insbesondere in der Haupterstreckungsrichtung des
Laserstrahls relativ zu dem Werkstück verfahrbar ist und wobei
in Arbeitsstellung des Lasers bzw. der Optik, d. h. bei
Einhaltung eines bestimmten Abstands des Lasers bzw. der Optik
von dem Werkstück, der Laserstrahl vor seinem Auftreffen auf das
Werkstück senkrecht zu seiner Haupterstreckungsrichtung durch
erste Abschirmelemente ringförmig umgeben und von dem Werkstück
reflektiertes Streulicht des Laserstrahls oberhalb des
Werkstücks durch senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung des
Laserstrahls ausgedehnte zweite Abschirmelemente aufgefangen
wird, dadurch gekennzeichnet, daß die in einem örtlich
begrenzten Bereich herrschende Temperatur erfaßt wird, wobei der
Auftreffpunkt des Laserstrahls (2) auf das Werkstück (15) nur in
der Arbeitsstellung des Lasers (3) bzw. der Optik (16) in den
örtlich begrenzten Bereich fällt, und daß der Laser (3) beim
Überschreiten des bestimmten Abstands des Lasers bzw. der Optik
von dem Werkstück in Abhängigkeit von der erfaßten Temperatur
bei Unterschreiten einer vorgegebenen Mindesttemperatur
abgeschaltet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4331262A DE4331262C2 (de) | 1993-09-15 | 1993-09-15 | Lasermaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks und Verfahren zur Steuerung einer Lasermaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4331262A DE4331262C2 (de) | 1993-09-15 | 1993-09-15 | Lasermaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks und Verfahren zur Steuerung einer Lasermaschine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4331262A1 DE4331262A1 (de) | 1995-03-16 |
DE4331262C2 true DE4331262C2 (de) | 1996-05-15 |
Family
ID=6497739
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4331262A Expired - Lifetime DE4331262C2 (de) | 1993-09-15 | 1993-09-15 | Lasermaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks und Verfahren zur Steuerung einer Lasermaschine |
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Country | Link |
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DE (1) | DE4331262C2 (de) |
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Also Published As
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