SE536579C2 - Anordning för övervakning av processprestanda hos ett lasersystem med en optisk högeffekt-fiberkabel - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning avser en anordning för övervakning av prestanda hos en optiskhögeffekt-fiberkabel (3), speciellt en optisk fiberkabel gjord för överföring av effektnivåerupp till och överstigande 20 kW. Generellt sett har fiberkabeln en ingångsände (1) för eninfallande ljusstråle och en utgångsände (2) där ljusstrålen lärnnar den optiska fibern, ochvarvid åtminstone en av ändarna är försedd med en anslutningsanordning (4,5) med sensorer(l4,l8,l9) för övervakning av den optiska fiberkabelns status. Enligt uppfinningen ärsensorema (l4,l8,l9) placerade inuti anslutningsanordningen (4,5) och arrangerade för attövervaka en laserbearbetningsprocess under pågående process samt för detektering avsärskilda tillstånd inne i anslutningsanordningen, till exempel spritt ljus, temperaturer ellerliknande, och varvid sensorerna (14,18,l9) är anslutna till ett fiberblockeringssystem för attaktivera en blockering när uppmätta signaler är högre än tröskelvärdena. Företrädesvisinnefattar sensorema dioder (l5,16,17) av ljussensortyp belägna i den bakre delen avDå tillhandahålls signalstymingen integrerad inuti fiberkontakten. anslutningsanordningen (14,l5). ett blockeringssystem som har

Description

25 30 536 579 En svaghet i de övervakningssystem som avses ovan är det faktum att skadan upptäcks for sent. När strålningen från den skadade fibern detekteras, kan sekundär skada i det optiska systemet redan ha inträffat.

I WO 03/016854 beskrivs en anordning i vilken en detektor för avläsning av väsentligen radiellt spridd strålning från infallande optisk strålning är anordnad i förbindelse med ingångs- och/eller utgångsdelen av fibem. Om denna i huvudsak radiellt spridda strålningen överskrider en viss nivå kan detta användas som en indikation på en skada i ingångs- och/eller utgångszonen av fibem. Detektom är anordnad i anslutning till eller på ett avstånd från ingångs- eller utgångsänden av fibern och den radiellt spridda strålningen är sedan anordnad att sändas till detektorn via optik.

I industriella tillämpningar som använder högbriljanslasrar på eifektnivåer upp till och över 20 kW och på liknande sätt diodlasrar som överstiger 10 kW, finns det en ökande efterfrågan att kontinuerligt övervaka komponentstatus även i passiva komponenter såsom fiberoptiska kablar. Med fiberoptiska kablar designade enligt den europeiska bilindustrins standardfibergränssnitt finns det en efterfrågan på att övervaka och hantera extrema nivåer av effektförluster. Det finns också ett behov att tillhandahålla en mer robust och flexibel fiberkontakt utan att ha detektorer och optik anordnade på ett avstånd från ingångs- eller utgångsänden av fibem såsom beskrivs i WO 03/016854.

Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att tillhandahålla ett mycket snabbt och pålitligt sensorsystem för övervakning av laserprestanda.

Enligt uppfinningen är sensorema placerade inuti anslutningsanordningen och arrangerade för att övervaka och styra laserbearbetnings-processen under pågående process samt att kunna detektera förhållandena inne i anslutningsanordningen.

Enligt en töredragen utföringsform av uppfinningen är sensorema anslutna till ett fiberblockeringssystem för att aktivera en blockering när uppmätta signaler är högre än givna tröskelnivâer.

Enligt en arman föredragen utföringsforni av uppfinningen är sensorema anslutna till 10 15 20 25 30 536 579 fiberblockeringssystemet i en sluten krets.

I det följande kommer uppfinningen att beskrivas mer i detalj med hänvisning till de bifogade ritningama på vilka Figur 1 schematiskt visar en modell av in- och utgående fiberoptiska kontaktdon med sensorer enligt uppfinningen, Figur 2 illustrerar en optisk fiberdesign med glaskapillär och modstripper, Figur 3 illustrerar en optisk fiber design med glaskapillär, modstripper och glascylinder, företrädesvis en glascylinder gjord av kvarts, Figur 4 illustrerar en optisk fiberdesign med kylvatten inuti kontakten, och Figur 5 illustrerar en optisk fiberdesign där glascylindem separerar ljuset i olika våglängder.

Figur 1 illustrerar schematiskt en modell av ingångsänden 1 och utgångsänden 2 av en optisk fiber 3. Den optiska fibem 3 är försedd med en ingångskontakt 4 vid ingångsänden l och en utgångskontakt 5 vid utgångsänden 2. Den optiska fibem 3 i sig har en konventionell utformning med en kärna, till exempel av kvartsglas, och en omgivande mantel med ett lägre brytningsindex än glaskäman, till exempel gjord av glas eller någon polymer med lämpligt brytningsindex. Funktionen hos manteln är att hålla strålningen begränsad till kärnan så att strålningen överförs genom fibem i dess längsgående riktning tills den lämnar fibem vid utgångsänden 2.

Käman och manteln är de optiskt aktiva delarna av fibem. Utanför manteln finns ytterligare skikt anordnade i form av ett buffertskikt och en jacka 6 för att öka den mekaniska hållfastheten hos fibem. Det vanligaste buffertmaterialet är ett silikongummiliknande material. För den mekaniska hållfastheten är det viktigt att buffertskiktet fäster ordentligt på mantelytan. Materialet i jackan kan vara t ex akrylat, nylon eller Tefzel, ett teflonliknande material. Arrangemanget med kärna, mantel, buffert och jacka är kända i sig och kommer inte att beskrivas i detalj här. 10 15 20 25 30 536 579 För att möta kraven på ett allmänt fibergränssnitt, definierat av den europeiska bilindustrin, har ingångskontakten 4 en yttre utformning anpassad för att ansluta fibem till laserkällan och utgångskontakten 5 en yttre design anpassad till tillverkningsgränssnittet. När det gäller den inre designen av fiberkontakter av denna typ hänvisas till EP 0619508, EP 1982221, EP 2162774 och EP 2191311, som illustrerar glascylindrar av kvarts i båda fiberändar för minimala effektförluster och intern Vattenkylning som effektivt absorberar tillbaka-reflekterat ljus från arbetsstycket.

Den infallande laserstrålen 7 i framåtriktningen fokuseras på ändytan av fiberns ingångsände l medelst optik i fonn av en lins 8 eller speglar. Den utgående strålen 9 vid utgångsänden av fibern fokuseras medelst en lämplig optisk lins och spegel-system 10 på arbetsstycket 11 för industriell laserbearbetning. Laserkällan som används för denna typ av industriell laserbearbetning är typiskt en halvledarlaser, såsom en fiberlaser, skivlaser, eller Nd:YAG- laser för vilka optiska fibrer kan användas. Gemensamt för dessa typer av lasrar är den höga optiska effekten som kan orsaka skador på personal samt skador på det optiska systemet om strålningen inte korrekt överförs genom fibem. Även ett litet fel i fibem kan bli kritiskt och orsaka allvarliga personskador så väl som materialskador.

Den del av fibern som är mest utsatt för strålning är ingångs- eller utgångsänden och därför är det ofta här som skador uppstår. En skada i denna del ger upphov till spridd strålning också i en mer eller mindre radiell riktning från fibem. I figur 1 illustreras tillbaka-reflekterat ljus (processljus) 12 från laser processen vid fibems utgångsände. Figuren illustrerar även spridd strålning i forrn av strålljus eller processljus 13 som lämnar fibem genom manteln och jackan vars strålning detekteras av sensorer 14, vilka kommer att beskrivas ytterligare nedan.

Såsom redan nänmts kan fibems kontaktdon 4,5 utformas för minimala effektfórluster och förses med inre Vattenkylning som effektivt absorberar tillbaka-reflekterat ljus från arbetsstycket 11. Som redan nämnts i den inledande delen är det också tidigare känt att anordna en fotodetektor för att känna av spridd strålning för att undvika skador, se WO 03/016854. Det är omtalat i närrmda WO-publikation att detektom kan anordnas att känna av strålningen direkt eller indirekt med hjälp av en genomskinlig spridare. Det nämns även här att fotodetektom företrädesvis är anordnad i anslutning till ingångsdelen av fibem, eller anordnad på ett visst avstånd från denna ände. 10 15 20 25 30 536 579 Det finns dock ett behov av en snabbare, noggrarmare och mer tillförlitlig övervakning av komponentstatus i de fiberoptiska kablarna när extrema nivåer av effektförluster kan uppstå.

Det finns också ett behov att tillhandahålla en mer robust och flexibel koppling utan detektorer och optik anordnade på ett avstånd från ingångs- eller utgångsänden av fibem såsom beskrivs i WO 03/016854.

Enligt uppfinningen är sensorerna 14 belägna inuti och företrädesvis i den bakre delen av kopplingsanordningen och arrangerade för att övervaka laserbearbetningsprocessen under gång samt för detektering av specifika förhållanden inom anslutningsanordningen, såsom spritt ljus, temperaturer eller liknande, och varvid sensorema är anslutna till ett fiberblockeringssystem för att aktivera en blockering när uppmätta signaler är högre än specifika tröskelnivåer. Specifikt innebär det att de integrerade sensorema 14 är anordnade för att avkänna det spridda ljuset som lämnar fibem huvudsakligen i den radiella riktningen.

Sensorema är sedan arrangerade för känna av strålljus, vilket är laserstrålen som går från laserkällan mot bearbetningsprocessen, samt processljus, vilket är ljuset som skickas tillbaka från bearbetningsprocessen. Strålljuset består endast av våglängden på det ljus som skickas ut av laserkällan, medan processljuset från bearbetningsprocessen består inte bara av reflektioner från laserstrålen mot delar i processen, utan också av alla andra våglängder som uppstår beroende på det använda materialet i bearbetningsprocessen och hur processen utförs.

Beroende på det mekaniska gränssnittet runt den optiska fibem är det möjligt att använda den lilla mängden ljus som lämnar den optiska fibem för säkerhetsövervakning och processtyming. Laserljuset som används för materialbearbetning går i riktning framåt. Ljuset från själva processen går i baklänges riktning och kan detekteras av sensorema 14 genom manteln- och buffertskikten och genom jackan. Sensorema år företrädesvis belägna i den bakre delen av den optiska kontakten, vilket är en perfekt plats att sätta sensorema. Genom att sätta sensorema här är de väl skyddade från damm och från andra effekter runt processen.

Noggrannheten och tillförlitligheten kommer att bestå och när fibrer byts kommer man lätt åt samma signal med viss oífset.

Som redan nämnts kan signalerna till sensorema antingen komma från ljusstrålen i riktning från tillbaka från bearbetningsprocessen. För att skilja mellan ljusstråle i framåtriktningen och ljusstråle i framåt, eller ljusstrålen och processljuset som reflekteras tillbaka-reflekterad riktning, kan de två kontaktdonen användas tillsammans. Den tillbaka- 10 15 20 25 30 536 579 reflekterade strålens ljus syns i båda kontakterna, men kommer att vara starkare inuti utgångssidans kontakt 4.

Ljusstrålen, vilket är ljuset i riktning framåt, kan användas för att övervaka att strålen går in i fibern och genom att använda signalen från sensorema 14 rikta in fibern korrekt. Processljuset kan användas för att övervaka processen och tillämpningen. Genom att observera processljuset med hjälp av sensorema är det möjligt att kvalificera processen eller för att göra justeringar i processen.

Sensororganet 14 innefattar i detta fall tre separata fotodiodsensorer; en IR-ljussensor 15, en RGB-ljussensor 16 samt en UV-ljussensor 17, dioder av en typ som är lämplig för att detektera spritt ljus. Denna typ av ljussensorer reagerar på spritt ljus, vilket gör dem till de snabbaste av sensorema. Detekterar sensorema en ökad mängd av ljus inuti kontakten är det en indikation på ett ñberfel. Sensorema ser rätt på den optiska fibern. Genom att använda ljus, med den snabba reaktionen hos ljussensorerna, blir det ett värdefullt verktyg för att undvika ytterligare skador i lasersystemet. Det är även möjligt att använda sensorn eller sensorvärdena som en hjälp vid inriktning av fibem till en FCU (Fiberkopplingsenhet).

Företrädesvis arrangeras också en absoluttemperaturgivare 18 (T) och fuktgivare 19 (humidity - H) inuti fiberkontakten. En absoluttemperaturgivare inuti anslutningsanordningen mäter den absoluta temperaturen i fiberkontakten. Den avsedda användningen är att övervaka den absoluta temperaturen. Den är en god indikation på den långsiktiga stabiliteten hos fibem. En integrerad Delta-T-sensor mäter skillnaden i temperatur mellan inkommande och utgående kylvatten, se figurerna 4-5 nedan. Detta är ett sätt att övervaka elïektförlusterna i fiberkontakten. Fellinjering av fibern och dålig rengöring av kvartscylindem är några exempel på tillstånd som direkt återspeglas i effektförluster i fiberkontakten. Också otillräckligt vattenflöde blir synligt genom ett högt Delta-T-värde. Fuktgivaren 19 arrangeras för att mäta fuktigheten i fiberkontakten och placeras också inuti kontakten. Den avsedda användningen är att upptäcka eventuella vattenläckage i kontakten.

I figur 2 illustreras sensorer 14 för en optisk fiberdesign med glaskapillär 20 och modestripper 21. Det är tidigare känt att använda system med modestripper och glaskapillär för att manipulera det tillbaka-reflekterade ljuset för att öka eller minska signalen till ljussensorema.

Modestrippem 21 kommer att avlägsna ljuset inuti manteln och överföra ljuset till det optiska 10 15 20 25 30 536 579 rummet 22. Från det optiska rummet 22 kan ljuset överföras till ljussensorema 14 i den bakre delen av kontakten genom glaskapillärröret 20. 20 indikeras med 23 i figur 2. Strålljus eller processljus kommer också att lämna den optiska fibern genom bufferten och jackan, och kommer att detekteras på samma sätt som ljuset genom glaskapillären 20.

I figur 3 illustreras sensorema 14 i kombination med en optisk fiberdesign med glaskapillärrör 20, modestripper 21 och glascylinder 24. Det är tidigare känt att man kan täta det optiska rummet och addera bra prestanda till kontaktens utformning genom en glascylinder 24, med eller utan en AR-beläggning, som avslutande yta på ingångskontakten. Såsom i figur 2 indikeras tillbaka-reflekterat ljus genom glaskapillärröret till ljussensorerna med 23 i figur 3.

I figur 4 illustreras sensorema 14 i kombination med en optisk fiberdesign med kylvatten 26 inuti kontakten bakom en glascylinder 24 och ett glas(kvarts)kapillärrör. I detta fall är det optiska rummet fyllt med vatten för att kyla kontakten och absorbera tillbaka-reflekterat ljus, som inte används i laserprocessen. Kylvattnet flyter precis bakom glascylindem 24 och omger den optiska fibern och modestrippem. Vattnet omger också glaskapillärröret 20, vilket fungerar som ljusledare mellan det optiska rummet och den bakre delen av kontakten där ljussensorema 14 är belägna. Tillbaka-reflekterat ljus genom glaskapillärröret 20 till ljussensorema indikeras med 25 i figur 4.

Genom att mäta temperaturen på det inkommande vattnet Tin och temperaturen på det utgående vattnet Tout, kan den differentiella temperaturen dT beräknas. Tillsammans med signalen från ljussensorema är detta en stark återkopplingsindikering från tillämpningen där laserstrålen används. Dessa två signaler (ljussensorsignal och differenstemperatursignal) kan övervakas och kan hjälpa till med justeringar i bearbetningsprocessen i ett slutet kretssystem.

Detta kommer i slutändan att förbättra kvaliteten och effektiviteten i laserprocessen.

I figur 5 illustreras sensorema 14 i kombination med en optisk fiberdesign med kylvatten 26 inuti kontakten bakom en glascylinder 27 och ett glas(kvarts)kapillärrör 20 och i vilken glascylindem 27 separerar ljuset i olika våglängder. Genom att använda glascylindem 27 som avslutning på den optiska fibem kommer processljuset delas upp i ett spektrum 29 inuti glascylindem. Fokus kommer att skifta då de olika våglängderna passerar materialet med olika brytningsindex. Detta kommer slutligen att öka signalen till ljussensorerna 14 genom glaskapillärröret 20. Tillbaka-reflekterat ljus genom glaskapillärröret 20 till ljussensorema 10 15 20 25 30 536 579 indikeras med 28 i figur 5.

Alla de hittills beskrivna sensorema är anslutna till fiberns blockeringssystem, där blockeringsfunktioner aktiveras när uppmätta signaler är högre än tröskelvärdena.

Tröskelnivån kan sedan sättas till ett absolut värde eller ett difïerentiellt (förändras i nivå) värde.

Det är ett mycket snabbt blockeringssystem då kontrollen av signalema är integrerade i elektroniken inuti fiberkontakten. Dessutom, eftersom alla signaler kan loggas, är det möjligt att utvärdera vad som hände inne i kontakten innan en blockering inträffar. Kommunikationen till de fiberoptiska kontakterna sker företrädesvis via ett CAN-gränssnitt. Därför är det enkelt att utveckla det befintliga laserkontrollsystemet till att också styra CAN-meddelanden från ljussensorema 14.

Sensorema är anslutna till fiberblockeringssystemet i en sluten krets, varvid huvudslingan i fiberkontakternas sensorelektronik mäter parametrarna exempelvis varje 10 ms. Jämförelse med satta tröskelvärdet görs för varje iteration. Paustiden för reläenheten är cirka 3 ms.

Därmed är tiden för att bryta blockeringssystemet mindre än 20 ms. Svarstiden är den tid det tar för en sensor för att reagera och att bryta blockeringskretsen. Det tar alltid en viss tid att värma upp ett material, denna tid är inte inkluderad i svarstiden. Av denna anledning är de nämnda sensorerna de snabbaste, eftersom de reagerar på ljus. Sensorema kan ställas in på olika tröskelvärden som kan styra reläenheten i blockeringskretsen och bryta blockeringskretsen vid ett inställt värde. Tröskelvärdena kan ställas in av en dator som också används för att övervaka laserbearbetningsprocessen.

Uppfinningen är inte begränsad till de ovan beskrivna exemplen, utan kan varieras inom ramen för de följande patentkraven.

Claims (16)

10 15 20 25 30 536 579 KRAV

1. Anordning för övervakning av processprestanda hos ett lasersystem med en optisk högeflekt-fiberkabel (3), speciellt en optisk fiberkabel gjord för överföring av effektnivåer upp till och överstigande 20 kW, med en ingångsände (1) för en infallande ljusstråle och en utgångsände (2) där ljusstrålen lämnar den optiska fibem, och varvid åtminstone en av ändarna är försedd med en anslutningsanordning (4,5) med sensorer (14) för övervakning av den optiska fiberkabelns status, k ä n n e t e c k n a d a V att sensorerna (14) är placerade inuti anslutningsanordningen (4,5) och anordnade för övervakning och styrning av en laserbearbetningsprocess under pågående process samt för detektering av förhållanden inne i anslutningsanordningen.

2. Anordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d a v att sensorema (14) är anslutna till ett fiberblockeringssystem för att aktivera en blockering när uppmätta signaler är högre än tröskelnivåer.

3. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda tröskelnivåer har satts till absoluta värden.

4. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d a v att närrmda tröskelnivåer har satts till differentiella värden.

5. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att sensorema (14) är placerade i den bakre delen av anslutningsanordningen (4,5).

6. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att sensorema (14) är anordnade för att kärma av spritt ljus i form av strålljus, vilket är laserstrålen som går från laserkällan mot bearbetningsprocessen, samt processljus, vilket är ljuset som skickas tillbaka från laserbearbetningsprocessen.

7. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d a v att sensorerna (14) är anslutna till fiberblockeringssystemet i en sluten krets.

8. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d a v att sensorema (14) är 10 15 20 25 30 536 579 anordnade fór att kärma av spritt ljus som länmar fiberkabeln (3) väsentligen i radiell riktning.

9. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d a v att sensorema (14) är anordnade for att känna av tillbaka-reflekterat ljus som länmar ett glaskapillärrör (20) som omger fiberkabeln.

10. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att sensorema (14) innefattar åtminstone en fotodiodsensor, exempelvis en IR-ljussensor (15), en RGB-ljussensor (16) eller en UV-ljussensor (17).

11. Anordning enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d a v att sensorema (14) innefattar tre fotodiodsensorer, exempelvis en IR-ljussensor (15), en RGB-ljussensor (16) och en UV-ljussensor (17).

12. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att sensorema innefattar en absoluttemperaturgivare (18) inuti anslutningsanordningen (4,5) for mätning av den absoluta temperaturen inuti fiberkontakten.

13. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att sensorerna innefattar en Delta-T-sensor inuti anslutningsanordningen (4,5) för mätning av skillnaden i temperatur mellan inkommande (Tin) och utgående (Tout) kylvatten inuti fiberkontakten.

14. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att sensorema innefattar en fuktgivare (19) inuti anslutningsanordningen (4,5) för mätning av fuktigheten i fiberkontakten fór att detektera ett eventuellt vattenläckage i kontaktdonet.

15. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att informationen från sensorema (14) används for återkoppling till laserbearbetningsprocessen for kvalitetskontroll av processen.

16. Anordning enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a d a v att informationen från sensorema (14) är implementerad i en sluten krets fór reglering av laserbearbetningsprocessen for önskat processresultat. 10