JP2005007482A - 工作物熱加工機械の加工ヘッドの光学素子を監視する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工作物の熱加工機械の加工ヘッドに設けられた光学素子の汚染が一層良好に検出されるようにすること。
【解決手段】工作物の熱加工機械、例えばレーザ加工機械の加工ヘッドの光学素子（４）を監視する装置であって、ここでこの監視は、光学素子（４）にて散乱光（１０）を検出し、また付加的な光学素子（３）にて基準としての散乱光（１７）を検出することによって行われる形式の、工作物の熱加工機械の加工ヘッドの光学素子（４）を監視する装置において、上記の第１の光学素子（３）と、第２の光学素子（４）の間の中間スペース（１４）にて散乱光（１３）が検出されるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作物を熱加工する機械、例えばレーザ加工機械の加工ヘッドの光学素子を監視する装置に関し、ここでこの監視は、当該の光学素子において散乱光を検出し、また付加的な光学素子において基準としての散乱光を検出することによって行われる。

本発明に枠内において光学素子とは、加工ヘッドの窓、集束レンズまたは保護ガラスのことであると理解されたい。

第１光学素子における基準の測定と、汚染された第２光学素子における測定とによって保護ガラスの汚染を監視することがDE 195 07 401 A1により公知になっている。

熱溶接または切断のための機械，例えばレーザ加工機械を用いて工作物を加工する際には、工作物の加工領域におけるスパッタおよび煙が問題である。このスパッタおよび煙は、この機械の加工ヘッドに設けられた光学素子の、工作物側を向いた光学系表面に堆積し、またこの光学素子を汚染することがある。スパッタは光学系表面に焼き付くことがある。煙はこの光学系表面に堆積し、所定の程度までは光学系表面から取り除いて元のようにすることも可能である。堆積または光学系表面の損傷は、レーザビームの吸収を高める。この結果、光学素子の熱負荷が増大する。これにより、最終的には加工領域に供給されるレーザ出力が著しく低下してしまうことになる。例えばスパッタによる汚染がひどい場合、レーザビームの吸収が高まることによって、光学素子が破損してしまうことがある。

このため、光学素子におけるスパッタまたは煙を早期に検出して、工作物の加工領域において一定の熱出力を保証し、また光学素子の破損を阻止することが必要である。ここでこれは、熱加工機械を適時に遮断するか、または光学素子の清浄ないしは交換を指示することによって行うことができる。

本発明は、加工レーザビームの複数の部分ビームが散乱することによって発生する、保護ガラスにおける散乱光を測定しようとするものである。

DE 195 07 401 C2により、保護ガラスエッジにおける散乱光を検出して線形に評価することが公知になっている。ここではビーム路に設けられた透過性の別の素子においても散乱光を測定することによって、基準測定値が形成される。これにより、レーザ出力が測定信号に与える影響が補償される。しかしながら工作物による反射（Rueckreflxion）、溶接の炎（Schweissfackel）、外来光線などによる外乱は、評価信号を妨害しまう。それはこれらの外乱が保護ガラスだけに影響して、基準値を形成する素子に影響しないからである。線形の評価は、過負荷（Uebersteuerung）および軽負荷（Untersteuerung）が評価の際に問題となり得る。煙による汚染は確実に検出することはできない。それは煙は、保護ガラスエッジにおいてほとんど散乱光を形成しないためである。
DE 195 07 401 A1 DE 195 07 401 C1

本発明の課題は、工作物の熱加工機械の加工ヘッドに設けられた光学素子の汚染が一層良好に検出されるようにすることである。

この課題は、本発明の請求項１により、工作物の熱加工機械、例えばレーザ加工機械の加工ヘッドの光学素子を監視する装置であって、ここでこの監視は、光学素子にて散乱光を検出し、また付加的な光学素子にて基準としての散乱光を検出することによって行われる形式の、工作物の熱加工機械の加工ヘッドの光学素子を監視する装置において、上記の第１の光学素子と、第２の光学素子の間の中間スペースにて散乱光が検出されることを特徴とする、工作物の熱加工機械の加工ヘッドの光学素子を監視する装置を構成することによって解決される。ここではスパッタによる汚染に加えて、煙による汚染も検出可能である。それは、上記の中間スペースにおける散乱光は、光学素子の光学系表面における煙による形成物に起因するからである。

基準のために付加的な光学素子を使用するのと共に、対数による散乱光測定を使用することによって、つぎのような利点が得られる。すなわち、
対数による散乱光検出によって、５ディケード（１００ｄＢ）を上回る範囲で散乱光信号を検出して評価することができる。これにより、Ｗ〜ＫＷ範囲のレーザ出力において、また汚染の程度が大きく相違したり、例えば反射および溶接の炎などの外乱量が「加算」される際に信号を確実に検出することができる。

清浄な保護ガラス（例えば、ビーム路の隣接する別の光学素子とすることも可能である。例えば、集束レンズ）を付加的に使用し、これが測定信号の基準に利用される。この付加的な光学素子は、汚染された光学素子と同様にすべての部分ビーム（レーザビーム、反射レーザビーム、溶接の炎…）に曝される。この付加的な光学素子における信号もフォトダイオードによって検出され、対数で評価される。

有利であるのは、上記の機械の加工ヘッドに挿入／取り外し可能なカセットまたはドロア（Schublade）を設けて光学素子を保持することであり、ここでは検出器もこのカセットに取り付けることができる。これにより、光学素子および／または対応する監視のための素子の交換が格段に容易になる。光学素子と検出器との間の、カセットにおける結合孔は、ガラスプラグによって閉じられており、汚れまたは塵埃の微粒子の侵入が阻止される。

制御されたレーザビームの輝度を評価する電子回路も上記のカセットに取り付けることができる。このような取り付けは、測定方法の外乱に対する弱さを低減するという点でも有利である。このような配置構成によって、配線の長さを短くすることも可能である。上記の電子回路は、補正データ／特性曲線に対する記憶装置を有することもできる。

光学素子、検出器および信号評価のための電子回路は、モジュールユニットを構成することができる。このモジュールユニットは、コンポーネントとしてカセットの横またはカセット内に収容され、ひいては較正可能なモジュールとして、加工ヘッドから取り外す、ないしはこれに取り付けることができる。このモジュールを挿入すると、コネクタ接続により、所要の電気的または機械的なコンタクトが自動的に行われる。

本発明の有利な実施例を図面に概略的に示し、この図面の図１に基づいて以下詳しく説明する。

図１からわかるように、光学系表面２の汚染を監視する装置１は、２つの光学素子を含んでいる。すなわち、第１および第２の保護ガラス３ないしは４と、３つのガラスプラグ５〜７と、散乱光を検出する３つのセンサ１５，１６および１９とを含んでいる。これらの光学素子は、純粋な保護ガラス、またはレンズないしはこれに類似するともことも可能である。本発明を実践に移行するためには保護ガラス３および４は、図示しない「ドロア」に保持され、ユーザによって簡単に交換可能である。

集束されたレーザビーム８は、詳しく図示していないレーザ加工機械の加工ヘッドを出発し、加工のため、同様に図示していない工作物に当たる。この工作物を加工する際、第２保護ガラスが汚染される。この汚染の結果、加工ビームが弱まってしまい、この工作物の加工結果が悪くなってしまう。汚染にもかかわらず工作物の加工が継続されると、この加工ヘッドの他のコンポーネントは大きな負荷に曝されることになってしまう。

散乱光の輝度は、汚染に対する尺度として、後置接続された電子回路によって評価することができ、これによって限界値を上回った際に工作物の加工を中断して、第２保護ガラス４を交換するか、または浄化が必要なことを表示する。

汚染はスパッタまたは煙によって発生する。ここではスパッタ９が発生することがあり、これは第２保護ガラス４の光学系表面２に堆積し、一部が光学系表面２に焼き付いている。スパッタ９によって散乱光１０が発生し、これはもっぱら保護ガラスエッジ１１において出射する。煙１２も光学系表面２に堆積することがあり、これによって散乱光１３はもっぱら、第１保護ガラス３と第２保護ガラス４との間の光学系中間スペースに入射する。

汚染を監視するため、散乱光値が保護ガラスエッジ１１および光学系中間スペース１４において検出される。このためにこれらの部分ビームは、小さなガラスプラグ６および７を介してフォトダイオード１５および１６にそれぞれ案内される。ここで重要であるのは、ガラスプラグと保護ガラスとの間に約０．２ｍｍの間隙が残されており、プラグまたは保護ガラスエッジの傷つきが回避される。フォトダイオード１５および１６ならびに評価回路も、図示しないホルダ（ドロア）に組み込まれている。

保護ガラスの監視を実行および評価するため、散乱光１０および１３を検出するのに加えて、清浄な第１保護ガラス３において、この第１保護ガラス３に入力結合される散乱光１７を検出する。ここでは実際の保護ガラス（第２保護ガラス４）と、第２保護ガラス４の上の領域と、付加的な保護ガラス（第１保護ガラス３）とが監視されるのである。

ここではセンサを用い、合わせて相異なる４つの個所で散乱光を検出する。すなわち、
１． 第１保護ガラス３の保護ガラスエッジ１８において（基準）；
２． 第２保護ガラス４の保護ガラスエッジ１１において（スパッタ監視）；
３． 第２保護ガラス４の上の第１保護ガラス３と第２保護ガラス４との間で（煙監視）；
４． コリメーションレンズにおいて（加工ヘッドへのファイバー入力結合が、過大な散乱光値になることを監視）
検出するのである。

これらの４重の測定によって、保護ガラス汚染度、汚染の種類（スパッタ，煙）および汚染部へのファイバー入力結合の範囲を監視することができる。

汚染度、レーザ出力、外乱光および反射に応じて、レベルは、種々異なって大きく増大する。フォトダイオード１５および１６によって、ならびに第１保護ガラス３における散乱光１７に対してフォトダイオード１９によって形成された信号は、これらの信号を対数化する手段２０〜２２によって相応に処理される。フォトダイオード電流信号は対数で検出され、電圧に変換される。これらの対数化された信号は、差分形成により、例えばマイクロコントローラ２３で評価される。コリメーションレンズについての散乱光測定およびその評価は、同じ原理で行われる（図示されていない）。

光のレベルは、対数による評価の信号範囲が広いことに起因して、１００ｄＢ（５ディケード）を上回る範囲で処理可能である。個々の対数化された信号の差分から、信号の相互の比を決定することができる。

煙の識別に対してつぎの評価を行う。すなわち、
log(Signal_{Ｚｗｉｓｃｈｅｎｒａｕｍ}) - log(Signal_{Ｒｅｆｅｒｅｎｚ})
= log(Signal_{Ｚｗｉｓｃｈｅｎｒａｕｍ}/Signal_{Ｒｅｆｅｒｅｎｚ})
であり、ここでZwischenraumおよびReferenzは、中間スペースおよび基準をそれぞれ表す。

スパッタ検出に対してつぎの評価を行う。すなわち、
log(Signal_{Ｏｐｔｉｋｏｂｅｒｆｌａｅｃｈｅ}) - log(Signal_{Ｒｅｆｅｒｅｎｚ})
= log(Signal_{Ｏｐｔｉｋｏｂｅｒｆｌａｅｃｈｅ}/Signal_{Ｒｅｆｅｒｅｎｚ})
であり、ここでOptikoberflaecheおよびReferenzは、光学系表面および基準の信号をそれぞれ表す。

反射、レーザ出力の変動、外来光などによって発生する信号の変動はすべてのセンサに同様に作用するため、比の形成、ひいては保護ガラスの監視は損なわれない、ないしはわずかにしか損なわない。これにより、汚染度と汚染の種類（煙またはスパッタ／焼き付き）をＷ〜ｋＷのレーザ出力範囲において求めることができる。この差分信号ないしは比の値は汚染度を表し、評価に直接使用することができる。複数の測定によって判明したのは、上記の「対数化された比の値」が、汚染度と良好に相関することである。基準に関連づけることによって、上記の外乱量およびレーザ出力に対して測定値は格段に安定している。

保護ガラスの汚染度の表示は、保護ガラスカセットの光バーグラフ表示器を介して行うことができる。択一的には、評価した信号をレーザ制御部に通知して、レーザの操作プログラムにおいて表示する。

レーザ加工機械の保護ガラスの光学系表面における汚染を監視する装置の原理図である。

符号の説明

１ 監視装置
２ 光学系表面
３ 第１保護ガラス
４ 第２保護ガラス
５〜７ ガラスプラグ
８ レーザビーム
９ スパッタ
１０ 散乱光
１１ 保護ガラスエッジ
１２ 煙
１３ 散乱光
１４ 中間スペース
１５，１６，１９ ダイオード
１７ 散乱光
１８ 保護ガラスエッジ
２０〜２２ 対数化器
２３ コントローラ

Claims (5)

1. 工作物の熱加工機械、例えばレーザ加工機械の加工ヘッドの光学素子（４）を監視する装置であって、
   ここで当該の監視は、光学素子（４）にて散乱光（１０）を検出し、また付加的な光学素子（３）にて基準としての散乱光（１７）を検出することによって行われる形式の、
   工作物の熱加工機械の加工ヘッドの光学素子（４）を監視する装置において、
   前記の第１の光学素子（３）と、第２の光学素子（４）の間の中間スペース（１４）にて散乱光（１３）が検出されることを特徴とする、
   工作物の熱加工機械の加工ヘッドの光学素子を監視する装置。
2. 検出した信号の対数化および評価のための手段（２０，２１，２２）が設けられている、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記の対数化された測定信号と、対数化された基準値との差分を評価するマイクロコントローラ（２３）が設けられていることを特徴とする、
   請求項２に記載の装置。
4. 前記の光学素子およびマイクロコントローラを保持するため、前記機械の加工ヘッドに挿入／取り外し可能なカセットが設けられている、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の装置。
5. 前記カセットには光バーグラフ表示器が設けられており、
   該光バーグラフ表示器により、前記第２光学素子（４）の汚染度が表示される、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の装置。

Images