WO2005030433A1

WO2005030433A1 - Vorrichtung und verfahren zur überwachung eines schutzglases einer laseroptik auf bruch und/oder verschmutzung

Info

Publication number: WO2005030433A1
Application number: PCT/EP2004/010814
Authority: WO
Inventors: Carsten RÖSLER
Original assignee: Scansonic Gmbh
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2005-04-07
Also published as: DE20314918U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung eines Schutzglases (2) einer Laseroptik einer Materialbearbeitungsvorrichtung, insbesondere einer Laserschweissvorrichtung, auf Bruch und/oder Verschmutzung, mit mehreren an der Mantelfläche des Schutzglases (2) beabstandet zueinander angeordneten Photodetektoren (3.1 bis 3.7), die an einer Auswerteeinrichtung angeschlossen sind. Damit diese Überwachung unabhängig von der Laserstrahlung, funktioniert, umfasst die Vorrichtung zudem den Photodetektoren zugeordnete elektromagnetische Strahlungsquellen (1.1 bis 1.7) oder Strahlungsleiter, insbesondere Lichtleiter, mit denen an verschiedenen am Umfang der Mantelfläche des Schutzglases (2) angeordneten Stellen abwechselnd elektromagnetische Strahlung über die Mantelfläche des Schutzglases (2) vorzugsweise radial einkoppelbar ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung eines Schutzglases einer Laseroptik auf Bruch und/oder Verschmutzung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung eines Schutzglases einer Laseroptik einer Materialbearbeitungsvorrichtung, insbesondere einer Laserschweißvorrichtung oder Laserlötvorrichtung, auf Bruch und/oder Verschmutzung, mit mehreren an der Mantelfläche des Schutzglases beabstandet zueinander angeordneten Photodetektoren.

Die Linsen einer Laserschweißoptik werden üblicherweise durch ein Schutzglas vor Verschmutzung geschützt, da die bei der Materialbearbeitung auftretenden Metallspritzer und Dämpfe ohne dieses Schutzglas die Laseroptik verschmutzen würden.

Aus der DE 100 60 176 A1 ist ein Laserbearbeitungskopf mit einer Sensoranordnung zur Überwachung eines Schutzgiases bekannt. Die Sensoranordnung umfasst mehrere Sensoren, die vom Schutzglas kommendes Streulicht erfassen. Die Sensoren sind dabei auf die Wellenlänge des verwendeten Arbeitslaserstrahls abgestimmt und so ausgerichtet, dass sie im wesentlichen nur den senkrecht zum Strahlengang des Arbeitslaserstrahls verlaufenden Streulichtanteil erfassen. Die Lichtsensoren können dabei gleichmäßig über den Umfang des Schutzglases verteilt angeordnet sein. Die Auswertung des seitlich aus dem Schutzglas austretenden Streulichtes wird allerdings von der vom Werkstück zurückreflektierten Laserstrahlung negativ beeinflusst, so dass die Auswertung mitunter fehlerhaft ist.

Die DE 100 40 921 A1 offenbart einen handgeführten Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser, dessen Schutzglas in einem Träger angeordnet ist. Der Träger enthält ein Thermoelement zur Messung der Schutzglastemperatur, wobei das Thermoelement in direktem Kontakt mit dem Schutzglas steht. Der Anstieg der Schutzglastemperatur nach Einschalten des Lasers wird in Abhängigkeit von der

BESTATIGUNGSKOPIE verwendeten Laserleistung als Maß für den Verschmutzungsgrad bzw. als Indiz für einen Defekt am Schutzglas betrachtet. Das Schutzglas wird hier somit sowohl auf Verschmutzung als auch auf Zerstörung hin überwacht. Bei dieser berührenden Temperaturmessung ist das Messergebnis allerdings von den Konvektionsverhältnissen an der Außenseite des Schutzglases abhängig, die durch die Bewegung des Bearbeitungskopfes beeinflusst werden. Um konstante Konvektionsverhältnissen sicherzustellen, sind aufwändige Maßnahmen erforderlich. Für genaue Messergebnisse ist ein relativ hoher elektronischer Aufwand notwendig. Dabei muss neben der Umgebungstemperatur auch die spezifische Wärmekapazität des Schutzglases und gegebenenfalls die Konvektion an der Glasaußenseite berücksichtigt werden. Außerdem ist dieses bekannte Messverfahren nur einsetzbar, wenn eine bestimmte Arbeitsintervalllänge nicht unterschritten wird. Denn das verschmutzte Schutzglas muss sich während dieses Arbeitsintervalls am Rand messbar erwärmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung eines Schutzglases einer Laseroptik auf Bruch und/oder Verschmutzung anzugeben, das unabhängig von der Laserstrahlung funktioniert. Ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens geschaffen werden.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist mehrere an der Mantelfläche des Schutzglases beabstandet voneinander angeordnete Photodetektoren auf, die an einer Auswerteeinrichtung angeschlossen sind. Des weiteren umfasst die Vorrichtung den Photodetektoren zugeordnete elektromagnetische Strahlungsquellen oder Strahlungsleiter, mit denen an verschiedenen am Umfang der Mantelfläche des Schutzglases angeordneten Stellen abwechselnd elektromagnetische Strahlung über die Mantelfläche des Schutzglases einkoppelbar ist. Die elektromagnetische Strahlung wird dabei vorzugsweise radial in das Schutzglas eingekoppelt.

Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung funktioniert somit unabhängig vom Arbeitslaser. Die Schutzglasüberwachung kann unabhängig vom Materialbearbei- tungsprozess, d.h. in den Bearbeitungspausen, durchgeführt werden. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass mit ihr eine negative Beeinflussung der Photodetektoren durch reflektierte Strahlung des Arbeitslasers oder Strahlung aus dem Bearbeitungsprozess vermieden werden kann.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich der Verlauf eines über die Stirnseite (d.h. Mantelfläche) des Schutzglases eingekoppelten Lichtstrahles ändert, wenn der Lichtstrahl auf eine durch einen Glasbruch entstandene Grenzfläche fällt. Mittels eines Photodetektors, der mit dem bei intaktem Schutzglas nicht abgelenkten Lichtstrahl fluchtet, lässt sich daher ein Glasbruch anhand einer Änderung der gemessenen Lichtintensität feststellen. Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind sogar Sprünge im Schutzglas detektierbar, bevor ein das Glas vollständig durchziehender Bruch eingetreten ist.

Gegenüber thermischen Überwachungsvorrichtungen, bei denen Thermoelemente am Schutzglas anliegen und dessen Temperatur erfassen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne einen direkten mechanischen Kontakt zwischen Schutzglas und Messeinrichtung realisiert werden.

Darüber hinaus haben Versuche gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur eine Überwachung eines Schutzglases auf Glasbruch, sondern auch eine Messung des Verschmutzungsgrades der Glasoberfläche ermöglicht. Durch einen Belag aus Partikeln aus dem Schweißprozess oder andere Beläge wird die Totalreflexion an der betreffenden Grenzfläche des Schutzglases erheblich gestört, was sich an einer Intensitätsabnahme des Lichtes am stirnseitigen Austrittspunkt bemerkbar macht. Dementsprechend lässt sich ein Zusammenhang herstellen zwischen dem Messsignal bei sauberem Schutzglas und der durch Verschmutzung der Glasoberfläche bedingten Signaländerung.

Eine besonders zuverlässige Schutzglasüberwachung lässt sich erreichen, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mindestens drei unabhängig voneinander ansteuerbare Strahlungsquellen über den Umfang der Stirnfläche des Schutzglases im wesentlich gleichmäßig beabstandet angeordnet werden und den Strahlungsquellen jeweils mindestens ein Photodetektor zugeordnet ist. Die elektromagnetische Strahlung der jeweiligen Strahlungsquelle kann dabei auch jeweils mittels eines Strahlungsleiters, insbesondere Lichtleiters in das Schutzglas über dessen Stirnseite (Mantelfläche) eingekoppelt werden.

Für eine fehlerfreie Erfassung eines Glasbruches sowie eine genaue Messung des Verschmutzungsgrades ist es des weiteren vorteilhaft, wenn die Photodetektoren mit einer Abschirmung gegen Fremdlicht versehen sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schutzglas gemeinsam mit den Photodetektoren und den zugeordneten elektromagnetischen Strahlungsquellen relativ zur Laseroptik verschiebbar ist. Hierdurch wird eine Anpassung des Abstandes des Schutzglases zur Laseroptik ermöglicht, die bei einer Änderung der Brennweite der Laseroptik und/oder aus messtechnischen Gründen zweckmäßig sein kann.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass den Photodetektoren und/oder den elektromagnetischen Strahlungsquellen eine Druckluftquelle zugeordnet ist, wobei mittels Druckluft einer durch Ablagerungen bedingten Verschmutzung der Photodetektoren bzw. der Strahlungsquellen entgegengewirkt wird.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die oben genannte Aufgabe durch die in Anspruch 13 angegebenen Merkmale gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einer elektromagnetischen Strahlungsquelle oder mindestens einem Strahlungsleiter, insbesondere Lichtleiter, an verschiedenen am Umfang der Mantelfläche des Schutzglases angeordneten Stellen abwechselnd elektromagnetische Strahlung über die Mantelfläche des Schutzglases eingekoppelt wird, wobei die eingekoppelte elektromagnetische Strahlung mit den Photodetektoren gemessen und der Messwert des jeweiligen Photodetektors mit einem früheren Messwert verglichen wird.

Durch die Verwendung von mehreren am Umfang der Mantelfläche des Schutzglases verteilt angeordneten Photodetektoren und der abwechselnden, vorzugsweise radialen Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung an verschiedenen am Umfang der Mantelfläche des Schutzglases angeordneten Stellen lassen sich verschiedene mögliche Bruchverläufe im Schutzglas zuverlässig detektieren.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass anhand des Vergleichs der Messwerte eine Bruchstelle und/oder Verschmutzungsstelle des Schutzglases geortet wird.

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein intaktes Schutzglas, über dessen Stirnseite das Licht einer Lichtquelle eingekoppelt wird;

Fig. 2 das Schutzglas gemäß Fig. 1 , jedoch in einem gebrochenen Zustand;

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein intaktes Schutzglas mit drei Lichtquellen und sechs Lichtsensoren;

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein intaktes Schutzglas mit drei Lichtquellen und sechs Lichtsensoren, in einer von Fig. 3 abweichenden Anordnung;

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein intaktes Schutzglas mit drei Lichtquellen und fünf Lichtsensoren;

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Ergebnisse einer Spektrometermessung, die die unterschiedliche Dämpfung von elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen bei gleichem Verschmutzungsgrad für verschiedene Schutzgläser zeigt; und

Fig. 7 eine Draufsicht auf ein intaktes Schutzglas mit sieben Lichtquellen und sieben Lichtsensoren. Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, basiert die Erfindung auf der Idee, bei einer mittels eines Laserstrahls arbeitenden Materialbearbeitungsvorrichtung (nicht gezeigt) anstelle der Strahlung des Arbeitslasers die elektromagnetische Strahlung einer Hilfsquelle 1 für eine Schutzglasüberwachung zu nutzen, wobei die Strahlung der Hilfsquelle 1 über die Stirnfläche in das kreisscheibenförmige Schutzglas 2 eingekoppelt wird. Die so eingekoppelte Strahlung wird dann durch Totalreflexion im Schutzglas 2 geführt, wobei es zu einer gewissen Streuung innerhalb des Schutzglases 2 kommt.

Bei intaktem Schutzglas 2 gelangt die elektromagnetische Strahlung ohne wesentliche Intensitätsverluste zur gegenüberliegenden Seite des Schutzglases 2, wo sie auf Grund des nahezu senkrechten Einfallswinkels durch die Grenzfläche tritt und das Schutzglas 2 verlässt.

Die Intensität der elektromagnetischen Strahlung wird an der Austrittsstelle mittels eines oder mehrerer Photosensoren oder Photodetektoren 3 gemessen. Die gemessene Strahlungsintensität ist abhängig von der Lage des Photodetektors 3 in Bezug auf die Strahlungsquelle 1 bzw. vom Verlauf der von ihr ausgehenden Strahlung. Eine maximale Strahlungsintensität wird gemessen, wenn die Mittellinie der infolge der Streuung innerhalb des Schutzglases 2 sich weitenden elektromagnetischen Strahlung durch den Mittelpunkt des kreisscheibenförmigen Schutzglases 2 verläuft und mit dem Photodetektor 3 fluchtet.

Fällt die in das Schutzglas 2 eingekoppelte elektromagnetische Strahlung auf eine durch einen Glasbruch entstandene Grenzfläche 4, so ändert sich der Strahlungsverlauf gegenüber dem Strahlungsverlauf bei intaktem Schutzglas (vgl. Fig. 2). Bei ausreichend großem Einfallswinkel bzw. entsprechenden Brechungsindizes kann es an solchen Bruchflächen auch zur Totalreflexion kommen. In diesem Fall wird sich das Messsignal des Photodetektors 3 zu einem Extremwert verändern. Voraussetzung für eine Signaländerung ist allerdings in jedem Fall, dass die durch einen Glasbruch entstandene Grenzfläche 4 den Strahlverlauf zwischen Strahlungsquelle 1 und Photodetektor 3 kreuzt. Um die Sicherheit der Glasbrucherkennung zu erhöhen, können mehrere elektromagnetische Strahlungsquellen und mehrere Photodetek- toren unter geeigneten Winkeln angeordnet werden. Entsprechende Ausführungsbeispiele werden nachfolgend beschrieben.

Bei dem in Fig. 3 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei elektromagnetische Strahlungsquellen 1.1 , 1.2 und 1.3 über den Umfang eines Schutzglases 2 einer Laseroptik (nicht gezeigt) symmetrisch verteilt angeordnet. Die Strahlungsquellen 1.1 , 1.2 und 1.3 sind getrennt oder gemeinsam ansteuerbar und geben eine divergente Strahlung ab. Sie bestehen vorzugsweise aus Lichtdioden (LED). Jeder Strahlungsquelle sind zwei Photosensoren oder Photodetektoren 3.11 , 3.12; 3.21 , 3.22 und 3.31 , 3.32 in Form von Photodioden zugeordnet. Die Photodetektoren 3.11 , 3.12; 3.21 , 3.22 und 3.31 , 3.32 sind an einer Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt) angeschlossen, die aus einer programmierbaren Schaltung und/oder einem Mikroprozessor aufgebaut ist.

Die Strahlungsquellen 1.1 , 1.2 und 1.3 sind jeweils drehbar gelagert, derart, dass die Strahlachse der von ihnen ausgehende elektromagnetische Strahlung in der Ebene des Schutzglases 2 verschwenkbar ist. Der Schwenkbereich entspricht dabei dem Abstand der beiden der jeweiligen Strahlungsquelle zugeordneten Photodetektoren 3.11 , 3.12; 3.21 , 3.22 bzw. 3.31 , 3.32. Der Dreh- bzw. Schwenkwinkel kann beispielsweise 30° betragen. Es sind jedoch auch kleinere oder größere Schwenkwinkel möglich. Die Strahlachse der eingekoppelten Strahlung ist dabei über den Mittelpunkt des Schutzglases 2 schwenkbar.

Obwohl es bei dieser Anordnung sechs kleinere Bereiche gibt, die von der Sensorik nicht erfasst werden, ist dies für die Überwachung des Schutzglases 2 praktisch nicht kritisch.

Wird nur eine einzelne der drei Strahlungsquellen 1.1 , 1.2 oder 1.3 eingeschaltet, so ergibt sich ein für diesen Fall typisches Schema der Sensorsignale. Bei mechanisch intaktem Schutzglas 2 sollten an den Sensoren die höchste Strahlungsintensität auftreffen, die als Paar der jeweils aktiven Strahlungsquelle 1.1 , 1.2 oder 1.3 gegenüberliegen. Ist die Strahlungsquelle 1.1 aktiv, liefern die Photodetektoren 3.11 und 3.12 den höchsten Signalpegel. Ist dagegen die Strahlungsquelle 1.2 aktiv, so liefern die Photodetektoren 3.21 und 3.22 den höchsten Signalpegel, wohingegen der höchste Signalpegel an den Photodetektoren 3.31 und 3.32 gemessen wird, wenn die Strahlungsquelle 1.3 aktiv ist. Die Photodetektoren 3.11 , 3.12; 3.21 , 3.22; 3.31 , 3.32 sind vorzugsweise jeweils gegen Streulicht bzw. elektromagnetische Streustrahlung aus Fremdquellen abgeschirmt.

Bei einem mechanischen Defekt des Schutzglases 2 kommt es zur Strahlumlenkung oder zur Strahlauskopplung an der neu entstandenen Grenzfläche, wodurch das anfangs vorhandene Messwertschema verändert wird. In Versuchen wurde nachgewiesen, dass ein Glasbruch mit diesem System sicher erkannt wird.

Es ergeben sich bei der Auswertung der Sensorsignale somit zwei Indikatoren. Erstens kann die Einhaltung der Grundforderung überprüft werden, wonach die der jeweiligen Lichtquelle 1.1 , 1.2 oder 1.3 zugeordneten Photodetektoren 3.11 , 3.12; 3.21 , 3.22 bzw. 3.31 , 3.32 bei intaktem Schutzglas den stärksten Signalpegel liefern müssen. Zweitens lässt sich eine möglicherweise auftretende Differenz zwischen diesen beiden Photodetektoren 3.11 , 3.12; 3.21 , 3.22 bzw. 3.31 , 3.32 feststellen, wobei ein hier zulässiger Grenzwert in der Speicherprogrammierung der Auswerteeinrichtung leicht geändert werden kann.

Wie bereits erwähnt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur für die Bruchüberwachung eines Schutzglases einer Laseroptik eingesetzt werden. Alternativ oder ergänzend kann mit der erfindungsgemäße Vorrichtung auch der Verschmutzungsgrad der Glasoberfläche gemessen werden. Entsprechende Messungen haben gezeigt, dass Schmutzablagerungen auf der Glasoberfläche die Totalreflexion erheblich stören, so dass neben der unterschiedlichen Dämpfung der Wellenlängen auch ein deutlicher Intensitätsverlust im Absolutwert über den gesamten Spektralbereich der eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung zu verzeichnen ist.

In Fig. 4 ist eine alternative Sensoranordnung dargestellt. Es sind wiederum drei in der Ebene des Schutzglases 2 verschwenkbare Strahlungsquellen 1.1 , 1.2 und 1.3 am Umfang des Schutzglases 2 symmetrisch verteilt angeordnet. Die Strahlungsquellen 1.1 , 1.2 und 1.3 weisen hier jedoch unterschiedliche Dreh- bzw. Schwenkwinkel auf. Die Strahlungsquelle 1.1 kann um etwa 15° gedreht werden, während die Strahlungsquellen 1.2 und 1.3 um etwa 10° bzw. 5° gedreht werden können. Es ergibt sich somit eine unsymmetrische Strahlengangverteilung der über die Stirnseite des Schutzglases 2 eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung. Mit dieser Anordnung wird eine gleichmäßigere Erfassung des mittleren Schutzglasbereiches erreicht. Es wird angenommen, dass sich mit dieser Anordnung eine geringere Abhängigkeit gegenüber einer Abstandsänderung zwischen den Linsen der Laseroptik und dem Schutzglas 2 bzw. gegenüber der Brennweite ergibt.

Die in Fig. 5 dargestellte Sensoranordnung ist ebenfalls geeignet, ein hinreichend genaues Messergebnis zu gewährleisten. Durch die einseitige Anordnung der drei Strahlungsquellen 1.1 , 1.2 und 1.3, die jeweils in der Ebene des Schutzglases 2 um etwa 20° verschwenkbar sind, ist es hier möglich, mit nur fünf Photodetektoren 3.11 , 3.12, 3.21 , 3.22 und 3.31 , den zentralen Bereich des Schutzglases 2 weitestgehend zu erfassen. Dabei dürfte an den nicht axial zu der jeweils aktiven Strahlungsquelle 1.1 , 1.2 oder 1.3 ausgerichteten Photodetektoren wegen der höheren reflektierten Strahlungsanteile eine deutlich geringere Strahlungsintensität ausgekoppelt werden.

Versuche zur Überwachung des Verschmutzungsgrades des Schutzglases haben gezeigt, dass unterschiedliche Wellenlängen bei gleichem Verschmutzungsgrad des Schutzglases unterschiedlich stark gedämpft werden. Es wurde eine Messreihe angelegt, bei der das Licht einer weißen LED jeweils über die Stirnseite verschieden stark verschmutzter Schutzgläser eingekoppelt wurde. Von der gegenüberliegenden stirnseitigen Auskoppelfläche wurde das Licht über ein Glasfaserkabel einem Spektralphotometer zugeführt. Aus den aufgenommenen Spektren wurden für die weiteren Berechnungen zwei unterschiedliche Wellenlängen ausgewählt, und zwar die Wellenlängen 650 nm und 460 nm. Die bei diesen Wellenlängen gemessenen Intensitätswerte wurden für die verschieden stark verschmutzten Schutzgläser durch Cursorbewegung in einem Spektraldiagramm abgerufen.

In Fig. 6 sind die Ergebnisse der Spektrometermessung grafisch dargestellt. Vergleicht man bei den verschiedenen Verschmutzungsgraden die Intensität bei 650 nm und 460 nm und denkt man sich beide Werte jeweils durch eine Gerade verbunden, wird deutlich, dass es bei zunehmender Verschmutzung des Schutzglases zu einer Abnahme der Steigung der gedachten Gerade kommt. Alternativ oder ergänzend zu der oben beschriebenen Intensitätsauswertung besteht somit erfindungsgemäß auch die Möglichkeit, eine Auswertung der Dämpfung bei verschiedenen Wellenlängen und eine Auswertung der Steigungsveränderung bei einer Verschmutzung des Schutzglases durchzuführen. Für die technische Ausführung einer solchen Messung bzw. Auswertung können mehrere Strahlungsquellen unterschiedlicher Wellenlänge verwendet und/oder optische Filterelemente vor den Photodetektoren 3.11 , 3.12; 3.21, 3.22; 3.31 , 3.32 angeordnet werden, wobei die optischen Filterelemente elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängenbereiche filtern.

In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel veranschaulicht, bei dem mehrere, beispielweise sieben elektromagnetische Strahlungsquellen 1.1 bis 1.7 und eine entsprechende Anzahl von Photodetektoren 3.1 bis 3.7 entlang des Umfangs der Mantelfläche des Schutzglases 2 angeordnet sind. Die Strahlungsquellen 1.1 bis 1.7 bestehen vorzugsweise aus Leuchtdioden (LED), die Infrarotlicht im Wellenbereich von etwa 880 nm aussenden. Bei den Photodetektoren 3.1 bis 3.7 handelt es sich um Fototransistoren. Es ist zuerkennen, dass die Leuchtdioden 1.1 bis 1.7 und die Photodetektoren 3.1 bis 3.7 in abwechselnder Reihenfolge und mit gleichem Abstand voneinander entlang des Umfangs der Mantelfläche des Schutzglases 2 angeordnet sind. Jeder Strahlungsquelle (Leuchtdiode) 1.1 bis 1.7 ist ein eigener Photodetektor (Fototransistor) zugeordnet, wobei die Strahlachse der von der jeweiligen Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung durch den Mittelpunkt des Schutzglases 2 verläuft.

Die Strahlungsquellen 1.1 bis 1.7 und die Photodetektoren 3.1 bis 3.7 sind an einer Verarbeitungseinheit (nicht gezeigt) angeschlossen, die eine Steuerung sowie eine Auswerteeinrichtung umfasst. Ferner ist an der Verarbeitungseinheit mindestens ein Temperatursensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur angeschlossen.

Die Verarbeitungseinheit bzw. Steuerung schaltet die Strahlungsquellen 1.1 bis 1.7 der Reihe nach ein, wobei die Messwerte aller Photodetektoren 3.1 bis 3.7 in die Verarbeitungseinheit eingelesen und mit Referenzwerten oder früheren Messwerten verglichen werden. Ein Messzyklus ist abgeschlossen, wenn jede der Strahlungsquellen 1.1 bis 1.7 einmal eingeschaltet wurde. Vorzugsweise erfolgt vor jedem Messzyklus eine Messung der Umgebungstemperatur sowie eine Fremdlichterfassung. Die momentane Umgebungstemperatur und eventuell vorhandenes Fremdlicht werden gemessen und hinsichtlich einer gegebenenfalls erforderlichen Korrektur der mit den Photodetektoren 3.1 bis 3.7 erfassten Messwerte ausgewertet.

Die in Fig. 7 dargestellte Anordnung der Strahlungsquellen und Photodetektoren ermöglicht die Lokalisierung einer Sprung- bzw. Bruchbeschädigung sowie einer Verschmutzung auf dem Schutzglas 2, da diese aus verschiedenen Richtungen mehr oder weniger bestrahlt werden, wobei sich die Messsignale der Photodetektoren 3.1 bis 3.7 gegebenenfalls entsprechend unterscheiden werden. So würde zum Beispiel eine Verschmutzung genau in der Mitte des Schutzglases 2 von allen den Strahlungsquellen 1.1 bis 1.7 gegenüberliegenden Photodetektoren 3.1 bis 3.7 erfasst werden. Liegt eine Verschmutzung dagegen nicht in der Mitte des Schutzglases 2, sondern an dessen Rand, so würden die Photodetektoren 3.1 bis 3.7 entsprechend unterschiedliche Messsignale abgeben. Bei einer außermittigen Lage der Verschmutzung werden bestimmte Photodetektoren ein von der Verschmutzung mehr oder weniger stark beeinflusstes Messsignal abgeben, während ein oder mehrere andere Photodetektoren ein Messsignal abgeben, welches keine Verschmutzung signalisiert. In der Auswerteeinrichtung sind geeignete Algorithmen enthalten, mit denen Beschädigungen bzw. Verschmutzungen am Schutzglas ermittelt sowie geortet werden.

Durch die Ortung (Lokalisierung) der Verschmutzung bzw. Beschädigung an dem Schutzglas 2 ist es möglich, Rückschlüsse auf die Laserleistung bzw. die Dämpfung der Laserleistung zu ziehen. Eine Beschädigung oder Verschmutzung in der Mitte des Schutzglases 2 mindert die Laserleistung mehr als eine Beschädigung bzw. Verschmutzung am Rand des Schutzglases 2.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr sind eine Reihe von Varianten denkbar, die auch bei grundsätzlich abweichender Gestaltung von dem in den beiliegenden Ansprüchen definierten Erfindungsgedanken Gebrauch machen. So kann die mantelflächenseitige Einkopplung der Hilfsstrahlung in das Schutzglas 2 beispielsweise auch über einen oder mehrere Strahlungs- bzw. Lichtleiter, beispielsweise Glasfaserleiter (nicht gezeigt) erfolgen, die der jeweiligen Strahlungsquelle zugeordnet sind und berührungsfrei an der Mantelfläche des Schutzglases 2 enden. Auch ist die Erfindung nicht auf die Überwachung von runden Schutzgläsern beschränkt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann ebenso zur Bruchüberwachung und/oder Verschmutzungsüberwachung von nicht runden Schutzgläsern einer Laserbearbeitungsoptik, beispielsweise von polygonalen Schutzgläsern verwendet werden. Neben der radialen Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung, ist auch eine davon abweichende Einkopplungsrichtung möglich.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es zudem möglich, die korrekte Lage des Schutzglases in einem Schutzglashalter bzw. das Vorhandensein des Schutzglases zu prüfen. Wird beispielsweise an einem oder mehreren Photodetektoren ein festlegbarer Grenzwert nicht erreicht, so kann hieraus geschlossen werden, dass das Schutzglas nicht korrekt in die Halterung gelegt ist. Wird an keinem der Photodetektoren der festgelegte Grenzwert gemessen, so bedeutet dies, dass das Schutzglas fehlt. Die Einstellung des Grenzwertes erfolgt vorzugsweise werksseitig.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Überwachung eines Schutzglases (2) einer Laseroptik einer Materialbearbeitungsvorrichtung, insbesondere einer Laserschweißvorrichtung, auf Bruch und/oder Verschmutzung, mit mehreren an der Mantelfläche des Schutzglases (2) beabstandet zueinander angeordneten Photodetektoren (3.1 bis 3.7; 3.11, 3.12; 3.21, 3.22; 3.31, 3.32), die an einer Auswerteeinrichtung angeschlossen sind, gekennzeichnet durch den Photodetektoren (3.1 bis 3.7; 3.11, 3.12; 3.21, 3.22; 3.31, 3.32) zugeordnete elektromagnetische Strahlungsquellen (1.1 bis 1.7; 1.1, 1.2, 1.3) oder Strahlungsleiter, insbesondere Lichtleiter, mit denen an verschiedenen am Umfang der Mantelfläche des Schutzglases (2) angeordneten Stellen abwechselnd elektromagnetische Strahlung über die Mantelfläche des Schutzglases einkoppelbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei elektromagnetische Strahlungsquellen (1.1, 1.2, 1.3) über den Umfang der Mantelfläche des Schutzglases (2) verteilt angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlungsquellen (1.1 bis 1.7; 1.1, 1.2, 1.3) und die Photodetektoren (3.1 bis 3.7; 3.11, 3.12, 3.21, 3.22, 3.31, 3.32) gleichmäßig und/oder symmetrisch über den Umfang der Mantelfläche des Schutzglases (2) verteilt angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Strahlungsquellen (1.1 bis 1.7; 1.1, 1.2, 1.3) voneinander getrennt ansteuerbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Strahlungsleiter, insbesondere Lichtleiter, zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung einer Strahlungsquelle oder mehrerer Strahlungsquellen (1.1 , 1.2, 1.3) in das Schutzglas (2) über den Umfang der Mantelfläche des Schutzglases (2) verteilt angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsleiter und Photodetektoren (3.11, 3.12, 3.21, 3.22, 3.31, 3.32) gleichmäßig und/oder symmetrisch über den Umfang der Mantelfläche des Schutzglases (2) verteilt angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Strahlungsquelle (1.1, 1.2, 1.3) eine divergente elektromagnetische Strahlung aussendet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodetektoren (3.1 bis 3.7; 3.11 , 3.12, 3.21, 3.22, 3.31, 3.32) mit einer Abschirmung gegen elektromagnetische Fremdstrahlung, insbesondere Fremdlicht versehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass den Photodetektoren (3.1 bis 3.7; 3.11 , 3.12, 3.21, 3.22, 3.31, 3.32) und/oder den elektromagnetischen Strahlungsquellen (1.1 bis 1.7; 1.1, 1.2, 1.3) eine Druckluftquelle zugeordnet ist, wobei mittels Druckluft einer durch Ablagerungen bedingten Verschmutzung des jeweiligen Photodetektors und/oder der Strahlungsquellen (1.1 bis 1.7; 1.1, 1.2, 1.3) entgegengewirkt wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzglas (2) gemeinsam mit den Photodetektoren (3.1 bis 3.7; 3.11, 3.12; 3.21, 3.22; 3.31, 3.32) und den Strahlungsquellen (1.1 bis 1.7; 1.1, 1.2, 1.3) relativ zur Laseroptik verschiebbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (1.1 bis 1.7; 1.1, 1.2, 1.3) elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge aussenden.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Photodetektoren (3.1 bis 3.7; 3.11 , 3.12; 3.21, 3.22; 3.31, 3.32) mit optischen Filterelementen versehen sind, die elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängenbereiche filtern.

13. Verfahren zur Überwachung eines Schutzglases (2) einer Laseroptik einer Materialbearbeitungsvorrichtung, insbesondere einer Laserschweißvorrichtung, auf Bruch und/oder Verschmutzung, mit mehreren an der Mantelfläche des Schutzglases (2) beabstandet zueinander angeordneten Photodetektoren (3.1 bis 3.7; 3.11, 3.12; 3.21, 3.22; 3.31, 3.32), dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einer elektromagnetischen Strahlungsquelle (1.1 bis 1.7; 1.1, 1.2, 1.3) oder mindestens einem Strahlungsleiter, insbesondere Lichtleiter, an verschiedenen am Umfang der Mantelfläche des Schutzglases (2) angeordneten Stellen abwechselnd elektromagnetische Strahlung über die Mantelfläche des Schutzglases (2) eingekoppelt wird, wobei die eingekoppelte elektromagnetische Strahlung mittels der Photodetektoren (3.1 bis 3.7; 3.11, 3.12; 3.21, 3.22; 3.31, 3.32) gemessen und der Messwert des jeweiligen Photodetektors mit einem früheren Messwert verglichen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Vergleichs der Messwerte eine Bruchstelle und/oder Verschmutzungsstelle des Schutzglases (2) geortet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Messzyklus, in dem jeweils an mehreren verschiedenen am Umfang der Mantelfläche des Schutzglases (2) angeordneten Stellen abwechselnd elektromagnetische Strahlung über die Mantelfläche des Schutzglases (2) eingekoppelt wird, die Umgebungstemperatur und/oder eventuell vorhandenes Fremdlicht bei ausgeschalteten Strahlungsquellen (1.1 bis 1.7; 1.1, 1.2, 1.3) gemessen und zum Zwecke einer Korrektur der mit den Photodetektoren (3.1 bis 3.7; 3.11, 3.12; 3.21, 3.22; 3.31 , 3.32) erfassten Messwerte ausgewertet wird.