PL171130B1 - Urzadzenie laserowe do kontroli procesu przemyslowego PL PL PL PL - Google Patents

Abstract

1 Urzadzenie laserowe do kontroli procesu przem yslo- wego, zw laszcza w programowanym robocie laserowym z ramie- niem konczacym sie przegubem unoszacym glowice ogniskujaca w iazke laserow a na przedmiocie majacym powierzchnie zdolna do em itow ania promieniowania cieplnego, przy czym glowica ogniskujaca ma optyczny uklad ogniskujacy umieszczony w torze wiazki laserowej i uklad kontrolny z czujnikami piroelektryczny mi czulymi na tem perature przedmiotu w obszarze poddawanym obróbce i dolaczonymi do elektronicznego ukladu przetw arzaja- cego, znam ienne tym , ze miedzy obszarem (A) ogniskowania w iazki laserow ej na przedm iocie (6) a czu jn ik am i p iro e lektrycznym i (13) jest umieszczony, w torze promieniowania cieplnego skierowanego od przedmiotu (6) do czujników piroelek trycznych (13), uklad optyczny (16), przy czym czujniki piroe lektryczne (13) sa um ieszczone w rzedzie odpow iadajacym analizowanej linii (20) biegnacej poprzez obszar (A) ogniskowa- nia wiazki laserowej na przedmiocie (6) FIG 2 PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie laserowe do kontroli procesu przemysłowego, zwłaszcza kontroli procesu obróbki cieplnej, na przykład spawania elementów metalowych przy pomocy wiązki laserowej.

Znane jest zastosowanie laserów do kontroli procesów przemysłowych. Znane jest także zastosowanie laserów do ogrzewania przedmiotów stalowych lub żeliwnych powyżej temperatury krytycznej i następnie gwałtownego ich schładzania tak, że uzyskuje się utwardzenie powierzchniowe. Zastosowanie wiązki laserowej o małej mocy i dużej średnicy umożliwia ogrzanie powierzchni przedmiotu bez stopienia metalu. Ogrzana warstwa powierzchniowa schładza się szybko w wyniku przewodzenia cieplnego i po skierowaniu wiązki w inne miejsce następuje znaczny wzrost twardości powierzchniowej. Taka technika znajduje zastosowanie na przykład w przemyśle motoryzacyjnym przy produkcji utwardzonych powierzchni o dobrej odporności na zużycie. W przypadku obróbki cieplnej powodującej utwardzanie powierzchniowe, kontrolowanym parametrem jest temperatura ogrzewanej powierzchni, która jest związana z głębokością utwardzania. Parametr ten jest kontrolowany w sposób szybki, szczególnie przy automatyzacji procesu.

Znane jest z europejskiego opisu patentowego nr 0 309 973 urządzenie do obróbki cieplnej przy pomocy wiązki laserowej lasera CO2 lub lasera Nd:YAG, w którym temperatura powierzchniowa przedmiotu poddawanego obróbce jest kontrolowana w sposób ciągły przy pomocy czujnika piroelektrycznego do detekcji ciepła promieniowanego z tego przedmiotu. Sposób obróbki cieplnej przedmiotu przez wiązkę laserową polega na tym, że temperaturę powierzchni w obszarze poddawanym obróbce określa się i utrzymuje stałą bliską wymaganej temperaturze przy pomocy detektora promieniowania, który wykrywa promieniowanie cieplne o określonej długości fali przy bezpośrednim sterowaniu mocą lasera. Urządzenie do obróbki cieplnej przedmiotu ujawnione w tym opisie patentowym zawiera laser emitujący wiązkę laserową, układ optyczny umieszczony w torze tej wiązki i układ zasilania, z którym jest połączony układ sterowania leilipeiaiuią powierzchni. Układ sieiowania zawieia pnomen dołączony do ukiauu pomiarowego, który wykrywa zmiany temperatury powierzchni przedmiotu porównywane z wymaganą wartością ustalona przy pomocy generatora. Sygnały określające zmiany temperatury powierzchni są doprowadzane do układu sterowania mocą lasera. Układ optyczny zawiera zwierciadło, które jest przezroczyste dla promieniowania cieplnego i które odbija wiązkę laserową. Pirometr jest umieszczony na zewnątrz toru wiązki laserowej i w torze promieniowania cieplnego przechodzącego przez zwierciadło.

Znane jest zastosowanie czujników piroelektrycznych do dostarczania sygnałów elektrycznych, które zależą od energii cieplnej promieniowanej w ich kierunku. Ich działanie jest oparte na własnościach piroelektrycznych materiałów, które polegają na przyjmowaniu stanu polaryzacji elektrycznej w wyniku zmian temperatury. Zastosowanie pojedynczego czujnika piroelektrycznego do kontroli temperatury powierzchniowej przedmiotu jest czasami niezadawalające, jeśli chodzi o niezawodność kontroli, ponieważ czujnik odbiera energię promieniowania głównie z pewnego punktu obszaru przedmiotu, który jest oświetlany przez wiązkę laserową. Jednak na przykład z powodu zmian mocy lasera i jej rozkładu albo z powodu braku jednorodności powierzchni przedmiotu, ogrzewanie nie jest jednorodne w różnych punktach oświetlanego obszaru. Prowadzi to do niedokładności pomiaru temperatury elementu poddawanego obróbce.

Znane jest z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 840 496 pomiarowe urządzenie laserowe, które wykorzystuje zasadę działania pirometru do określania rozkładu temperatury na oddalonym obszarze przedmiotu bez jego dotykania. Urządzenie zawiera pirometr laserowy mający układ optyczny skierowany w stronę wklęsłej powierzchni przedmiotu, która odbija wiązkę laserową. Wiązka laserowa pada na punkt ogniskujący na tej powierzchni i jest odbijana z powrotem od tego punktu przez układ optyczny do pirometru. Układ optyczny ma pole widzenia, które obejmuje całą powierzchnię wklęsłą. W celu określenia rozkładu temperatury na całej powierzchni przedmiotu zastosowane są elektroniczne elementy sterujące analizą, które kierują sygnały wyjściowe z detektorów fotoelektrycznych w pirometrze wzdłuż analizowanych linii i równocześnie dostarczają informację do komputera określającego na tej podstawie wartości temperatury w poszczególnych miejscach powierzchni przedmiotu.

Znany jest z niemieckiego opisu patentowego nr 39 26 540 sposób określania temperatury powierzchni przedmiotu, w którym stosuje się obróbkę wiązką laserową, podczas której dokonuje się pomiaru promieniowania cieplnego emitowanego z poddanego napromienieniu obszaru, a wielkość pomiarową doprowadza się do komputera analizującego. Sposób polega na tym, że zmienia się poprzez modulację moc promieniowania laserowego, a w komputerze analizującym określa się wartość temperatury w obszarach warstwy pokrywającej przedmiot, pochłaniającej to promieniowanie.

W urządzeniu laserowym według wynalazku między obszarem ogniskowania wiązki laserowej na przedmiocie a czujnikami piroelektrycznymi jest umieszczony, w torze promieniowania cieplnego skierowanego od przedmiotu do czujników piroelektrycznych, układ optyczny, przy czym czujniki piroelektryczne są umieszczone w rzędzie odpowiadającym analizowanej linii biegnącej poprzez obszar ogniskowania wiązki laserowej na przedmiocie.

Korzystnie między układem optycznym a rzędem czujników piroelektrycznych są umieszczone kolejno modulator optyczny i filtr optyczny.

Korzystnie modulator optyczny ma postać przerywacza wiązki.

Korzystnie między układem optycznym a obszarem ogniskowania jest umieszczone zwierciadło odbijające selektywnie.

Korzystnie oś układu kontrolnego jest nachylona względem osi wiązki laserowej.

Zaletą wynalazku jest zapewnienie urządzenia laserowego do kontroli procesu przemysłowego poprzez kontrolę energii cieplnej promieniowanej z przedmiotu poddawanego obróbce laserowej, które działa szybko i niezawodnie i równocześnie jest łatwe do zamocowania i stosowania..

171 130

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia robot laserowy z głowicą ogniskującą według wynalazku, w schematycznym widoku perspektywicznym, fig. 2 - pierwszy przykład wykonania głowicy ogniskującej, w schematycznym przekroju, w powiększonej skali, fig. 2a - schematyczną reprezentację podstawowej zasady wynalazku i fig. 3 - drugi przykład wykonania głowicy ogniskującej, w schematycznym przekroju, w powiększonej skali.

Figura 1 przedstawia programowany robot laserowy 1 znanego typu, który ma ramię 2 kończące się przegubem 3 unoszącym głowicę ogniskującą 4 wiązkę laserową 5 na przedmiocie 6 poddawanym obróbce wiązką laserową.

Na głowicy ogniskującej 4 są zamontowane czujniki, które wysyłają sygnały 7 reprezentujące temperaturę przedmiotu 6 w obszarze poddawanym obróbce wiązką laserową do elektronicznego układu przetwarzającego 8 dołączonego do układu sterującego 9. Sygnał sterujący 10 dostarczany przez układ sterujący 9 powoduje zmianę mocy lub prędkości przesuwu' wysyłanej wiązki laserowej 5, gdy temperatura wykrywana przez czujniki wymaga zadziałania w celu zachowania jakości procesu. Układ przetwarzający 8 i układ sterujący 9 są wykonane w dowolny sposób zapewniający ich funkcje.

Figura 2 przedstawia głowicę ogniskującą 4 zawierającą optyczny układ ogniskujący 11 znanego typu, który ogniskuje wiązkę laserową 5 w obszarze A na powierzchni przedmiotu 6. Obszar A jest na przykład kołowy, o średnicy rzędu 10-20 mm lub kwadratowy,

Na głowicy ogniskującej 4 jest zamontowany także układ kontrolny 12 według wynalazku. Układ kontrolny 12 zawiera rząd czujników piroelektrycznych 13, które dostarczają sygnały elektryczne zależne od promieniowania cieplnego emitowanego wzdłuż osi 5a wiązki laserowej z oddzielnych punktów obszaru A. Zamontowane na głowicy zwierciadło 14 odbijające selektywnie jest przezroczyste dla wiązki laserowej, natomiast odbija promieniowanie cieplne emitowane przez przedmiot 6. Promieniowanie cieplne jest odbijane wzdłuż osi 15 prostopadle do osi 5a i jest kierowane na rząd czujników piroelektrycznych 13. W torze promieniowania cieplnego skierowanego na rząd czujników piroelektrycznych 13 są wstawione układ optyczny 16, modulator optyczny 17 i filtry optyczne 18.

Czujniki piroelektryczne 13, układ optyczny 16, modulator optyczny 17 i filtry optyczne 18 są dowolnego znanego typu. W szczególności jest korzystne zastosowanie modulatora optycznego w postaci przerywacza wiązki utworzonego na przykład przez koło, które ma na obwodzie otwory i jest obracane tak, że części przezroczyste i nieprzezroczyste są ustawiane kolejno naprzemiennie względem promieniowania cieplnego, zapewniając rozróżnianie sygnału wymaganego i sygnałów interferencji. Filtry optyczne przepuszczają promieniowanie celowo tylko w pewnym zakresie długości fal, na przykład o długościach fal w zakresie od 3 do 5 mikrometrów albo od 8 do 14 mikrometrów.

Figura 2A wyjaśnia, jak czujniki piroelektryczne 13, pokazane na fig. 2, wykrywają temperaturę w szeregu punktów P usytuowanych wzdłuż analizowanej linii 20 biegnącej przez średnicę obszaru A poddawanego obróbce wiązką laserową. Układ przetwarzający 8 przetwarza sygnały czujników piroelektrycznych 13 i dostarcza sygnał określający średnią temperaturę wzdłuż analizowanej linii 20 w obszarze A, reprezentującą temperaturę w obszarze A.

Figura 3 przedstawia głowicę ogniskującą 4 bez zastosowania zwierciadła 14 odbijającego selektywnie, w którym oś 12a układu kontrolnego 12 przecina oś 5a wiązki laserowej padającej na obszar A powierzchni przedmiotu 6.

Urządzenie według wynalazku znajduje zastosowanie przy kontroli procesu obróbki cieplnej, jak również procesu spawania laserowego, podczas którego oprócz kontroli temperatury powierzchniowej jest możliwy pomiar mocy odbijanej przez szybki detektor mocy.

17:1130

FIS- 2

I

FIG- 3

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie laserowe do kontroli procesu przemysłowego, zwłaszcza w programowanym robocie laserowym z ramieniem kończącym się przegubem unoszącym głowicę ogniskującą wiązkę laserową na przedmiocie mającym powierzchnię zdolną do emitowania promieniowania cieplnego, przy czym głowica ogniskująca ma optyczny układ ogniskujący umieszczony w torze wiązki laserowej i układ kontrolny z czujnikami piroelektrycznymi czułymi na temperaturę przedmiotu w obszarze poddawanym obróbce i dołączonymi do elektronicznego układu przetwarzającego, znamienne tym, że między obszarem (A) ogniskowania wiązki laserowej na przedmiocie (6) a czujnikami piroelektrycznymi (13) jest umieszczony, w torze promieniowania cieplnego skierowanego od przedmiotu (6) do czujników piroelektrycznych (13), układ optyczny (16), przy czym czujniki piroelektryczne (13) są umieszczone w rzędzie odpowiadającym analizowanej linii (20) biegnącej poprzez obszar (A) ogniskowania wiązki laserowej na przedmiocie (6).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że między układem optycznym (16) a rzędem czujników piroelektrycznych (13) są umieszczone kolejno modulator optyczny (17) i filtr optyczny (18).
3. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że modulator optyczny (17) ma postać przerywacza wiązki.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że między układem optycznym (16) a obszarem (A) ogniskowania jest umieszczone zwierciadło (14) odbijające selektywnie.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że oś (12a) układu kontrolnego (12) jest nachylona względem osi (5a) wiązki laserowej (5).