WO2009077018A1 - Verfahren zum bestimmen der abmessung und/oder des zustands einer düsenöffnung - Google Patents

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WO2009077018A1
WO2009077018A1 PCT/EP2008/007383 EP2008007383W WO2009077018A1 WO 2009077018 A1 WO2009077018 A1 WO 2009077018A1 EP 2008007383 W EP2008007383 W EP 2008007383W WO 2009077018 A1 WO2009077018 A1 WO 2009077018A1
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nozzle
nozzle opening
flow noise
noise
flow
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PCT/EP2008/007383
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English (en)
French (fr)
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Ulrich Ritter
Florian Mauch
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Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B13/00—Measuring arrangements characterised by the use of fluids
    • G01B13/08—Measuring arrangements characterised by the use of fluids for measuring diameters
    • G01B13/10—Measuring arrangements characterised by the use of fluids for measuring diameters internal diameters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B13/00—Measuring arrangements characterised by the use of fluids
    • G01B13/22—Measuring arrangements characterised by the use of fluids for measuring roughness or irregularity of surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the dimension and / or the state of a particular radially symmetrical nozzle opening on a laser processing nozzle.
  • a laser processing nozzle is attached to the laser processing head of laser processing machines, through the nozzle opening of the laser radiation and a process gas, such as air or nitrogen escape.
  • the nozzle opening is usually radially symmetrical, but may also have other shapes, for. B. that of a slot.
  • different types of laser machining nozzles may be selected.
  • nozzle diameter nozzle diameter
  • state of a laser processing nozzle usually takes place in the prior art with the aid of image processing methods, as described for example in DE10054756 C1 or JP2005334922A, in which a camera is arranged below the nozzle body of the laser processing nozzle, around the nozzle opening to inspect.
  • image processing methods as described for example in DE10054756 C1 or JP2005334922A, in which a camera is arranged below the nozzle body of the laser processing nozzle, around the nozzle opening to inspect.
  • these methods are complex and require the presence of a camera in the laser processing machine.
  • a pneumatic flow method for determining the cross-sectional area of a nozzle is known from DE 3900836 A1, in which, at a supercritical pressure ratio, the volume flow flowing through the nozzle is measured on its inlet side.
  • the object of the present invention is to provide a method with which the dimension and / or the state of a nozzle opening of a laser processing nozzle can be detected in a simple and automated manner.
  • a method of the initially of the type mentioned comprising the steps of: generating a gas flow through the nozzle opening, measuring a flow noise generated when the gas flow exits the nozzle opening, and evaluating the measured flow noise to determine the dimension and / or the state of the nozzle opening.
  • the flow noise varies depending on the diameter and the wear state of the laser processing nozzle or the nozzle body, in the interior of which the nozzle opening is formed.
  • Irregularities on the inner wall of the nozzle (for example scratches or adhering splashes of material) in the course of occurring wear cause an increase in amplitude of the flow noise by additional turbulence of the sample gas flow.
  • About the sound level of the flow noise thus statements can be made both on the dimension and on the wear and the state of the laser machining nozzle. Since both the state and the size of the nozzle opening affect the noise level of the flow noise, it is e.g.
  • the state of wear of the laser machining nozzle with known nozzle type i. at a known dimension of the nozzle opening to determine.
  • the measurement may be performed in such a manner that the influence of both effects on the flow noise is determined separately. This can e.g. by measuring the flow noise at several locations or by evaluating its frequency spectrum, since e.g. Adhesions or damage to the nozzle opening or the inner wall of the nozzle body, where it is formed, can lead to changes in the pitch of the flow noise.
  • the laser processing nozzle for generating the gas flow is mounted on a laser processing head and a gas supplied to the laser processing head, preferably air or nitrogen, is passed through the Uuseno réelle.
  • a gas supplied to the laser processing head preferably air or nitrogen
  • the measurement takes place using the process or auxiliary gas which is present anyway on the laser processing machine or the laser processing head. It is important in this case a sufficiently high purity of the gas in order to avoid noise, caused by the impact of dirt particles on the surface of the nozzle.
  • the time profile of the amplitude of the flow noise is evaluated to determine the dimension and / or the state of the nozzle opening. From the time profile of the amplitude can be close to the dimension of the nozzle opening, as will be described below with reference to two examples.
  • the admission pressure of the gas during the measurement of the flow noise is kept at a constant value, preferably between 1 bar and 2 bar.
  • the mean value of the noisy noise signal is first determined in this case in order to determine a reference level. Subsequently, the standard deviation of the measured noise signal is calculated as a measure of the signal amplitude.
  • the dimension of the nozzle opening which corresponds to the nozzle diameter in the case of rotationally symmetrical nozzles, is determined on the basis of a correlation between the diameter and the noise volume described by means of the standard deviation in calibration measurements.
  • the admission pressure of the gas is changed during the measurement and the effect of the change in the admission pressure on the flow noise is determined.
  • the pre-pressure is preferably abruptly, ie changed in a period of less than about 20 ms by a value of about 0.5 bar.
  • a correlation between the dimension of the nozzle opening and the time duration at which the flow noise becomes constant again after the change in the admission pressure is preferably determined. The faster the new pre-pressure sets, the flow noise thus reaches a constant volume, the larger the diameter of the nozzle opening.
  • the time it takes for the predetermined pressure to set in the nozzle is compared to timing values for different nozzle diameters determined in advance in calibration measurements.
  • a preferably plate-shaped body is introduced into the gas flow emerging from the nozzle opening, which is aligned in particular perpendicular to the nozzle axis.
  • the body serves as a swirl plate to better detect the nozzle wear and is preferably arranged at a small distance (about 0.1 mm to 0.5 mm) below the nozzle body.
  • At least one acoustic sensor is preferably positioned offset to the nozzle opening outside of the exiting gas flow and aligned at an angle to the nozzle axis of the laser processing nozzle.
  • acoustic sensors are preferably microphones or similar sensors that are particularly sensitive to noise from a given small solid angle range, so that the influence of ambient noise can be reduced to the measurement.
  • the path from the acoustic sensor to the nozzle opening is not e.g. is shadowed by the nozzle body itself, which is why typically the acoustic sensors are aligned at angles of less than 60 ° with respect to the nozzle axis.
  • the acoustic sensor should not be located directly in the gas stream, otherwise the noise generated at the acoustic sensor gas generates additional noise or stimulates a membrane of the acoustic sensor.
  • At least one acoustic sensor is attached to the laser processing nozzle or the preferably plate-shaped body for measuring the flow noise.
  • the structure-borne sound can be measured directly on the nozzle body or the plate-shaped body, whereby in this case too, the acoustic sensor or sensors are preferably positioned outside the exiting gas flow.
  • an acoustic sensor is understood to mean a sensor which is designed to measure vibrations propagating in media such as air or solids, i. This term also covers sensors that can detect noises in frequency ranges that are outside the human hearing range (approximately 16 Hz to approximately 20,000 Hz).
  • At least two acoustic sensors are used to measure the flow noise, which are preferably sym- Metric are arranged to the nozzle axis.
  • a symmetrical arrangement with respect to the nozzle axis is understood to mean a rotational symmetry with respect to a pivot point defined by the nozzle axis in a plane perpendicular to the nozzle axis.
  • two acoustic sensors can be arranged at an angle of 180 ° relative to one another with respect to the fulcrum, three acoustic sensors at an angle of 120 °, etc.
  • the sensors can be both microphones for measuring the flow noise in the air or the process gas or act on structure-borne sound detectors which are attached to the nozzle body or the swirl plate.
  • the detectors record different noise levels, so that the state of the nozzle opening or the deviation from a desired state of the nozzle opening can be determined.
  • a frequency spectrum of the flow noise is evaluated to determine the state of the laser processing nozzle.
  • Such an evaluation of the noise frequency or the frequency bands can make statements about damage or adhesion to the nozzle, since the pitch of the flow noise changes due to changes to the nozzle in the rule.
  • an ambient noise is measured and this is taken into account in the evaluation of the measured flow noise.
  • the environment of the laser processing nozzle has an influence on the measured flow noise, so it makes a difference, for example, whether there is free space or a bluff body in the vicinity of the laser processing nozzle.
  • the ambient noise is separated, i. E. by means of an additional sensor, and taken into account for the reduction of extraneous snarl influences during the evaluation of the measurement signal, the ambient sound level preferably being subtracted from the measurement sound level for this purpose.
  • At least one sound-shielding device in particular a tubular body, preferably surrounds at least one acoustic sensor and the nozzle body, so that the influence of ambient sound on the measurement can be reduced.
  • the sound-shielding device can also be designed for sound guidance, for example funnel-shaped.
  • a pipe is arranged around the nozzle body, possibly the swirl plate and the at least one acoustic sensor, so that the resulting flow noise is directed to the acoustic sensor and at the same time shielded from environmental noise.
  • FIGS. 1 a, b are schematic representations of an arrangement for measuring the flow noise of a gas flow emerging from a laser processing nozzle without (FIG. 1 a) or with (FIG. 1b) a plate-shaped body arranged in front of the nozzle opening, FIG.
  • Fig. 2 is a schematic representation of the time course of the measured in Fig. 1 a flow noise
  • FIG. 3 is a schematic representation of the correlation between the diameter of the laser processing nozzle of FIG. 1 and the standard deviation of the signal of FIG. 2.
  • Fig. 1a shows a laser processing nozzle 1 with a nozzle body 2, in which a nozzle opening 3 is formed.
  • the nozzle body 2 is rotationally symmetrical with respect to a nozzle axis 4 (in the Z direction), so that the nozzle opening 3 has a circular cross section.
  • a distance d2 of about 80 mm from the exit end of the nozzle opening 3 is the working plane 5 of a not shown in Fig. 1a, a laser processing machine.
  • the nozzle 1 is held above the working plane 5 by a laser machining head 6, schematically indicated here, on which it is fastened by means of a thread (not shown).
  • the laser processing head 6 has an interior space 7 in which air is introduced as process gas at a constant, static pressure (admission pressure) p of approximately 1 bar, which represents an overpressure relative to the environment. Since there is a higher pressure in the interior 7 than in the space between the nozzle body 2 and the working plane 5, a gas flow 8 is generated, which conveys the gas through the nozzle opening 3 to the outside.
  • a gas flow 8 is generated, which conveys the gas through the nozzle opening 3 to the outside.
  • the flow noise is detected by means of an acoustic sensor 10 in the form of a microphone, which at a distance d1 of about 25 mm the exit-side end of the nozzle opening 3 is arranged and aligned at an angle ⁇ of approximately 45 ° to the nozzle axis 4.
  • an acoustic sensor 10 in the form of a microphone, which at a distance d1 of about 25 mm the exit-side end of the nozzle opening 3 is arranged and aligned at an angle ⁇ of approximately 45 ° to the nozzle axis 4.
  • a first variant the pressure p in the interior 7 is kept at a constant value during the entire measurement.
  • Fig. 2 shows in this case the time course 11 of the voltage at the microphone 10 and thus the sound level A (in arbitrary units) of the received by means of the microphone 10 flow noise of the gas flow 8 over the entire measurable frequency spectrum typically between 50 Hz and 20 kHz .
  • an average value M of the time profile 11 of the flow noise is first determined in order to determine a reference level.
  • M the following is the Standard deviation of the course 11 of the mean value as a measure of the noise amplitude over a sufficiently large for a statistical evaluation period, in particular the entire measurement period determined.
  • the standard deviation or the noise amplitude increases in this case with increasing nozzle diameter D, as shown in Fig. 3.
  • the correlation curve 12 between nozzle diameter D and standard deviation SA in this case has a straight course.
  • the correlation curve 12 was measured before the measurement at a constant admission pressure p of about 1 bar by determining the standard deviation SA for each of three identical nozzles with diameters of 0.8 mm, 1, 0 mm, 1, 2 mm, etc. the correlation curve 12 has been set as a compensation line.
  • the pressure p in the interior 7 becomes abrupt, i. increased in a time window of less than 20 ms by about 0.5 bar and this recorded the flow noise continuously.
  • the time required until the lowered pressure also occurs at the nozzle opening 3 is then compared with predetermined time values for known nozzle diameters.
  • the standard deviation of the flow noise is used as the measured variable.
  • Knife D by determining a deviation from the expected signal here happen because irregularities, such as scratches on the inner wall 9 of the nozzle body 2, which are caused by wear of the laser machining nozzle 1, an increase in amplitude of the measurement signal by additional turbulence of the gas flow 8 can cause.
  • the noise frequency or the frequency bands of the flow noise can be examined in order to obtain further statements about adhesions or damage to the laser processing nozzle 1, as is usually the pitch of the flow noise with changes to the inner wall 9 of the nozzle body 2 also changed.
  • a plate-shaped body 13 is disposed below the nozzle opening 3, and at a distance d3 of about 0.1 mm to 0th , 5 mm.
  • two acoustic sensors 14a, 14b spaced at the same distance d4 of about 20 mm from the nozzle axis 4 and in a plane perpendicular to the nozzle axis 4 (in the X direction) are arranged opposite to each other.
  • the gas flow 8 is guided radially outward along the body 13, which serves as a swirl plate, wherein, in the presence of a laminar flow, the direction in which the gas emerges from the nozzle orifice 3 substantially corresponds to the direction in which the gas has flowed along the inner wall 9 of the nozzle body 2 along.
  • the flow noise of the part of the gas flow 8 flowing past this part of the inner wall 9 is measured by the second acoustic sensor 14b and has a higher sound level compared to the flow noise measured by the first acoustic sensor 14a, since the notch 15 or the adhesions 16 locally forms a turbulent gas flow, which amplifies the flow noise.
  • the signals measured by the acoustic sensors 10, 14a, 14b also inevitably contain a portion which is caused by ambient noise, the ambient noise during the measurement can be measured by means of a further acoustic sensor (not shown) and taken into account in the evaluation of the flow noise, by subtracting the ambient sound level from the sound level of the sensors measuring the flow noise of the gas flow.
  • FIG. 1b Another way of reducing extraneous noise effects, shown in Fig. 1b, is to use a shielding device, e.g. in the form of a tube 17 surrounding the nozzle body 2 and the acoustic sensors 14a, 14b.
  • the tube 17 serves both to shield external noise and to conduct the flow noise to the sensors 14a, 14b. It is understood that such a shielding device can also be used in the measuring arrangement shown in FIG. 1a.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Abmessung (D) und/oder des Zustande einer insbesondere radialsymmetrischen Düsenöffnung (3) an einer Laserbearbeitungsdüse (1), umfassend die Schritte: Erzeugen einer Gasströmung (8) durch die Düsenöffnung (3), Messen eines beim Austritt der Gasströmung (8) aus der Düsenöffnung (3) erzeugten Strömungsgeräuschs, sowie Auswerten des gemessenen Strömungsgeräuschs zum Bestimmen der Abmessung (D) und/oder des Zustands der Düsenöffnung (3).

Description

Verfahren zum Bestimmen der Abmessung und/oder des Zustands einer Düsenöffnunq
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Abmessung und/oder des Zustands einer insbesondere radialsymmetrischen Düsenöffnung an einer Laserbearbeitungsdüse. Zur Laserbearbeitung ist am Laserbearbeitungskopf von Laserbearbeitungsmaschinen eine Laserbearbeitungsdüse angebracht, durch deren Düsenöffnung die Laserstrahlung und ein Prozessgas, z.B. Luft oder Stickstoff, austreten. Die Düsenöffnung ist in der Regel radialsymmetrisch, kann aber auch andere Formen aufweisen, z. B. die eines Langlochs. Abhängig von dem zu bearbeitenden Material und der Art des Bearbeitungsprozesses können verschiedene Typen von Laserbearbeitungsdüsen ausgewählt werden. Durch die Verwendung einer Laserbearbeitungsdüse mit einer Düsenöffnung, die eine falsche Abmessung aufweist, und/oder durch die Verwendung einer beschädigten Laserbearbeitungsdüse verschlechtert sich jeweils der Bearbeitungsprozess. Es ist daher günstig, die Abmessung bzw. den Zustand der Laserbearbeitungsdüse vor der Laserbearbeitung zu bestimmen.
Die Bestimmung der Abmessung (Düsendurchmesser) sowie des Zustands einer Laserbearbeitungsdüse erfolgt im Stand der Technik üblicherweise mit Hilfe von bildverarbeitenden Methoden, wie beispielsweise in der DE10054756 C1 oder der JP2005334922A beschrieben, bei denen eine Kamera unterhalb des Düsenkörpers der Laserbearbeitungsdüse angeordnet wird, um die Düsenöffnung zu inspizieren. Diese Methoden sind jedoch aufwändig und setzen das Vorhandensein einer Kamera in der Laserbearbeitungsmaschine voraus.
Aus der DE 3900836 A1 ist darüber hinaus ein pneumatisches Durchflussverfahren zur Bestimmung der Querschnittsfläche einer Düse bekannt, bei dem bei überkritischem Druckverhältnis der durch die Düse strömende Volumenstrom auf deren Eingangsseite gemessen wird.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der voriiegenden Erfindung ist es, ein verfahren bereitzusteiien, mit dem auf einfache Weise und automatisiert die Abmessung und/oder der Zustand einer Düsenöffnung einer Laserbearbeitungsdüse erkannt werden kann.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, umfassend die Schritte: Erzeugen einer Gasströmung durch die Düsenöffnung, Messen eines beim Austritt der Gasströmung aus der Düsenöffnung erzeugten Strömungsgeräuschs, sowie Auswerten des gemessenen Strömungsgeräuschs zum Bestimmen der Abmessung und/oder des Zustands der Düsenöffnung.
Das Strömungsgeräusch variiert in Abhängigkeit vom Durchmesser und vom Verschleißzustand der Laserbearbeitungsdüse bzw. des Düsenkörpers, in dessen Inneren die Düsenöffnung gebildet ist. Je größer die Abmessung der Düsenöffnung, umso lauter ist das gemessene Strömungsgeräusch. Unregelmäßigkeiten an der Innenwand der Düse (z.B. Kratzer oder anhaftende Materialspritzer) im Zuge eines auftretenden Verschleißes bewirken einen Amplitudenanstieg des Strömungsgeräuschs durch zusätzliche Verwirbelung des Messgasstroms. Über den Schallpegel des Strömungsgeräuschs können somit Aussagen sowohl über die Abmessung als auch über den Verschleiß bzw. den Zustand der Laserbearbeitungsdüse getroffen werden. Da sowohl der Zustand als auch die Abmessung der Düsenöffnung sich auf den Schallpegel des Strömungsgeräuschs auswirken, ist es z.B. günstig, den Verschleißzustand der Laserbearbeitungsdüse bei bekanntem Düsentyp, d.h. bei bekannter Abmessung der Düsenöffnung, zu bestimmen. Alternativ kann die Messung auf eine solche Weise durchgeführt werden, dass der Einfluss beider Effekte auf das Strömungsgeräusch getrennt bestimmt wird. Dies kann z.B. durch Messung des Strömungsgeräuschs an mehreren Orten oder durch Auswertung von dessen Frequenzspektrum erfolgen, da z.B. Anhaftungen oder Beschädigungen an der Düsenöffnung bzw. der Innenwand des Düsenkörpers, an dem diese gebildet ist, zu Veränderungen in der Tonhöhe des Strömungsgeräuschs führen können.
Bevorzugt ist die Laserbearbeitungsdüse zum Erzeugen der Gasströmung an einem Laserbearbeitungskopf angebracht und ein dem Laserbearbeitungskopf zugeführtes Gas, bevorzugt Luft oder Stickstoff, wird durch die Uusenoffnung geleitet. Die Messung erfolgt in diesem Fall unter Nutzung des an der Laserbearbeitungsmaschine bzw. dem Laserbearbeitungskopf ohnehin vorhandenen Prozess- oder Hilfsgases. Wichtig ist hierbei eine ausreichend hohe Reinheit des Gases, um Störgeräusche, die durch das Auftreffen von Schmutzpartikeln auf die Oberfläche der Düse entstehen, zu vermeiden. Bei einer vorteilhaften Variante wird zum Bestimmen der Abmessung und/oder des Zustands der Düsenöffnung der zeitliche Verlauf der Amplitude des Strömungsgeräuschs ausgewertet. Aus dem zeitlichen Verlauf der Amplitude lässt sich auf die Abmessung der Düsenöffnung schließen, wie im Folgenden anhand von zwei Beispielen beschrieben wird.
In einer vorteilhaften Variante wird der Vordruck des Gases während des Messens des Strömungsgeräuschs auf einem konstanten Wert gehalten, bevorzugt zwischen 1 bar und 2 bar. Hierbei wird bevorzugt in einem vorausgehenden Schritt für den konstanten Wert des Vordrucks eine Korrelation zwischen der Abmessung der Düsenöffnung und der Standardabweichung des Geräuschsignals von seinem Mittelwert bestimmt. Zur Auswertung des Strömungsgeräuschs wird in diesem Fall zunächst der Mittelwert des verrauschten Geräuschsignals bestimmt, um einen Bezugspegel festzulegen. Anschließend wird die Standardabweichung des gemessenen Rauschsignals als Maß für die Signalamplitude berechnet. Anhand der Größe der Standardabweichung (Quadratwurzel aus der Varianz) des Rauschsignals wird dann die Abmessung der Düsenöffnung, welche bei rotationssymmetrischen Düsen dem Düsendurchmesser entspricht, anhand einer in Kallibrationsmessungen ermittelten Korrelation zwischen Durchmesser und der mittels der Standardabweichung beschriebenen Geräuschlautstärke bestimmt.
Bei einer alternativen Variante wird der Vordruck des Gases während der Messung verändert und die Auswirkung der Veränderung des Vordrucks auf das Strömungsgeräusch ermittelt. Hierbei wird der Vordruck bevorzugt abrupt, d.h. in einem Zeitraum von weniger als ca. 20 ms um einen Wert von ca. 0,5 bar verändert. In einem vorausgehenden Schritt wird hierbei bevorzugt eine Korrelation zwischen der Abmessung der Düsenöffnung und der Zeitdauer bestimmt, bei der das Strömungsgeräusch nach der Änderung des Vordrucks wieder konstant wird. Je schneller sich der neue Vordruck einstellt, das Strömungsgeräusch also eine konstante Lautstärke erreicht, umso größer ist der Durchmesser der Düsenöffnung. Die Zeitspanne, die es dauert, bis sich der vorgegebene Druck in der Düse einstellt, wird mit vorab in Kallibrationsmessungen bestimmten Zeitwerten für unterschiedliche Düsendurchmesser verglichen. In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in die aus der Düsenöffnung austretende Gasströmung ein bevorzugt plattenförmiger Körper eingebracht, der insbesondere senkrecht zur Düsenachse ausgerichtet wird. Der Körper dient als Drallplatte zur besseren Erkennung des Düsenverschleißes und ist bevorzugt in geringem Abstand (ca. 0,1 mm bis 0,5 mm) unterhalb des Düsenkörpers angeordnet.
Zum Messen des Strömungsgeräuschs ist vorzugsweise mindestens ein akustischer Sensor zur Düsenöffnung versetzt außerhalb des austretenden Gasstroms positioniert und unter einem Winkel zur Düsenachse der Laserbearbeitungsdüse ausgerichtet. Als akustische Sensoren dienen bevorzugt Mikrofone oder ähnliche Sensoren, die für Geräusche aus einem vorgegebenen, kleinen Raumwinkelbereich besonders empfindlich sind, so dass der Einfluss von Umgebungsgeräuschen auf die Messung reduziert werden kann. Hierbei sollte beachtet werden, dass der Weg vom akustischen Sensor zur Düsenöffnung nicht z.B. durch den Düsenkörper selbst abgeschattet wird, weshalb typischer Weise die akustischen Sensoren unter Winkeln von weniger als 60° bezüglich der Düsenachse ausgerichtet werden. Außerdem sollte sich der akustische Sensor nicht direkt im Gasstrom befinden, da sonst der sich am akustischen Sensor brechende Gasstrom zusätzliche Geräusche erzeugt bzw. eine Membran des akustischen Sensors anregt.
Bevorzugt wird zur Messung des Strömungsgeräuschs mindestens ein akustischer Sensor an der Laserbearbeitungsdüse oder dem bevorzugt plattenförmigen Körper befestigt. In diesem Fall kann der Körperschall direkt am Düsenkörper bzw. dem plattenförmigen Körper gemessen werden, wobei auch hierbei der bzw. die akustischen Sensoren bevorzugt außerhalb der austretenden Gasströmung positioniert sind. Unter einem akustischen Sensor wird im Sinne dieser Anmeldung ein Sensor verstanden, der ausgelegt ist, in Medien wie Luft oder Festkörpern propagierende Schwingungen zu messen, d.h. es werden von diesem Begriff auch Sensoren erfasst, die Geräusche in Frequenzbereichen detektieren können, die außerhalb des menschlichen Hörbereichs (ca. 16 Hz bis ca. 20000 Hz) liegen.
In einer besonders vorteilhaften Variante werden zur Messung des Strömungsgeräuschs mindestens zwei akustische Sensoren eingesetzt, die bevorzugt sym- metrisch zur Düsenachse angeordnet sind. Unter einer symmetrischen Anordnung zur Düsenachse wird eine Drehsymmetrie bezüglich eines durch die Düsenachse festgelegten Drehpunkts in einer Ebene senkrecht zur Düsenachse verstanden. Zwei akustische Sensoren können hierbei beispielsweise bezüglich des Drehpunkts unter einem Winkel von 180° zueinander angeordnet werden, drei akustische Sensoren unter einem Winkel von 120° etc. Bei den Sensoren kann es sich sowohl um Mikrofone zur Messung des Strömungsgeräuschs in der Luft bzw. dem Prozessgas oder um Körperschalldetektoren handeln, die an dem Düsenkörper oder der Drallplatte befestigt sind. Bei einer einseitig bzw. unsymmetrisch beschädigten Düse zeichnen die Detektoren hierbei unterschiedliche Rauschpegel auf, so dass der Zustand der Düsenöffnung bzw. die Abweichung von einem Sollzustand der Düsenöffnung bestimmt werden kann.
Bei einer bevorzugten Variante wird zur Bestimmung des Zustande der Laserbearbeitungsdüse ein Frequenzspektrum des Strömungsgeräuschs ausgewertet. Eine solche Auswertung der Geräuschfrequenz bzw. der Frequenzbänder kann Aussagen über Beschädigungen oder Anhaftungen an der Düse ermöglichen, da sich die Tonhöhe des Strömungsgeräuschs durch Veränderungen an der Düse in der Regel verändert.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird ein Umgebungsgeräusch gemessen und dieses wird bei der Auswertung des gemessenen Strömungsgeräuschs berücksichtigt. Auch die Umgebung der Laserbearbeitungsdüse hat einen Einfluss auf das gemessene Strömungsgeräusch, so macht es beispielsweise einen Unterschied, ob sich freier Raum oder ein Störkörper in der Nähe der Laserbearbeitungsdüse befindet. Um das Verfahren möglichst störungsfrei durchführen zu können, wird das Umgebungsgeräusch separat, d.h. mittels eines zusätzlichen Sensors, ertasst und zur Reduzierung von Fremdscnalleinflüssen oei der Auswertung des Messsignals berücksichtigt, wobei hierzu vorzugsweise der Umgebungsschallpegel vom Messschallpegel subtrahiert wird.
Bevorzugt umgibt während der Messung mindestens eine Schallabschirmeinrichtung, insbesondere ein rohrförmiger Körper, mindestens einen akustischen Sensor und den Düsenkörper, so dass der Einfluss von Umgebungsschall auf die Messung reduziert werden kann. Insbesondere kann die Schallabschirmeinrichtung auch zur Schallführung, z.B. trichterförmig, ausgebildet sein. Beispielsweise wird - in genügend großem Abstand - ein Rohr um den Düsenkörper, ggf. die Drallplatte und den mindestens einen akustischen Sensor herum angeordnet, so dass das entstehende Strömungsgeräusch zum akustischen Sensor geleitet und dieser gleichzeitig von Umgebungsgeräuschen abgeschirmt wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fign. 1 a,b schematische Darstellungen einer Anordnung zur Messung des Strömungsgeräuschs einer aus einer Laserbearbeitungsdüse austretenden Gasströmung ohne (Fig. 1 a) bzw. mit (Fig 1b) einem vor der Düsenöffnung angeordneten plattenförmigen Körper,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des in Fig. 1 a gemessenen Strömungsgeräuschs, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Korrelation zwischen dem Durchmesser der Laserbearbeitungsdüse von Fig. 1 und der Standardabweichung des Signals von Fig. 2.
Fig. 1a zeigt eine Laserbearbeitungsdüse 1 mit einem Düsenkörper 2, in dem eine Düsenöffnung 3 gebildet ist. Der Düsenkörper 2 ist rotationssymmetrisch bezüglich einer Düsenachse 4 (in Z-Richtung) ausgebildet, so dass die Düsenöffnung 3 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. In einem Abstand d2 von ca. 80 mm vom Austrittsende der Düsenöffnung 3 entfernt befindet sich die Bearbeitungsebene 5 einer in Fig. 1 a nicht gezeigten Laserbearbeitungsmaschine. Die Laserbearbeitungs- düse 1 wird von einem hier schematisch angedeuteten Laserbearbeitungskopf 6, an dem diese mittels eines (nicht gezeigten) Gewindes befestigt ist, über der Bearbeitungsebene 5 gehalten.
Der Laserbearbeitungskopf 6 weist einen Innenraum 7 auf, in dem Luft als Prozessgas mit einem konstanten, statischen Druck (Vordruck) p von ca. 1 bar eingebracht ist, der einen Überdruck gegenüber der Umgebung darstellt. Da im Innenraum 7 ein höherer Druck als in den Zwischenraum zwischen dem Düsenkörper 2 und der Bearbeitungsebene 5 herrscht, wird eine Gasströmung 8 erzeugt, welche das Gas durch die Düsenöffnung 3 nach außen befördert. Durch Messen des Strömungsgeräuschs, welches das Gas beim Durchtritt durch die Düsenöffnung 3 erzeugt, können Aussagen über deren Beschaffenheit, insbesondere deren Abmessung und deren Verschleiß bzw. den Zustand der Innenwand 9 des Düsenkörpers 2, an dem die Düsenöffnung 3 gebildet ist, getroffen werden.
Zur Bestimmung der Abmessung der Düsenöffnung 3, welche im vorliegenden Fall durch den Durchmesser D des austrittsseitigen Endes der Düsenöffnung 3 festgelegt ist, wird das Strömungsgeräusch mittels eines akustischen Sensors 10 in Form eines Mikrofons erfasst, welches in einem Abstand d1 von ca. 25 mm bezüglich des austrittsseitigen Endes der Düsenöffnung 3 angeordnet und unter einem Winkel α von ca. 45° zur Düsenachse 4 ausgerichtet ist. Durch eine solche Anordnung ist sichergestellt, dass der akustische Sensor 10 einerseits die Gasströmung 8 nicht beeinflusst und andererseits nicht durch den Düsenkörper 2 abgeschattet wird.
Zur Bestimmung des Durchmessers D mittels der oben gezeigten Messanordnung bestehen unterschiedliche Möglichkeiten. Bei einer ersten Variante wird der Druck p im Innenraum 7 während der gesamten Messung auf einem konstanten Wert gehalten. Fig. 2 zeigt für diesen Fall den zeitlichen Verlauf 11 der Spannung am Mikrofon 10 und damit des Schallpegels A (in beliebigen Einheiten) des mittels des Mikrofons 10 aufgenommenen Strömungsgeräuschs der Gasströmung 8 über das gesamte messbare Frequenzspektrum von typischer Weise zwischen 50 Hz und 20 kHz. Zur Bestimmung des Durchmessers D der Düsenöffnung 3 wird zunächst ein Mittelwert M des zeitlichen Verlaufs 11 des Strömungsgeräuschs bestimmt, um einen Bezugspegel festzulegen. Bei bekannten Mittelwert M wird nachfolgend die Standardabweichung des Verlaufs 11 von dem Mittelwert als Maß für die Geräuschamplitude über einen für eine statistische Auswertung genügend großen Zeitraum, insbesondere den gesamten Messzeitraum, ermittelt.
Die Standardabweichung bzw. die Geräuschamplitude nimmt hierbei mit zunehmendem Düsendurchmesser D zu, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Korrlelationskurve 12 zwischen Düsendurchmesser D und Standardabweichung SA weist hierbei einen geradlinigen Verlauf auf. Die Korrelationskurve 12 wurde vor der Messung bei konstantem Vordruck p von ca. 1 bar gemessen, indem jeweils für drei baugleiche Düsen mit Durchmessern von 0,8 mm, 1 ,0 mm, 1 ,2 mm etc. die Standardabweichung SA bestimmt und durch die jeweiligen Messwerte als Ausgleichsgerade die Korrelationskurve 12 gelegt wurde.
In einer alternativen Variante wird der Druck p im Innenraum 7 abrupt, d.h. in einem Zeitfenster von weniger als 20 ms um ca. 0,5 bar erhöht und hierbei das Strömungsgeräusch kontinuierlich aufgezeichnet. Je schneller sich der konstante Vordruck des Gases in dem Innenraum 7 auch an der Düsenöffnung 3 einstellt, d.h. je schneller das Strömungsgeräusch wieder eine konstante Lautstärke erreicht, desto größer ist der Durchmesser der Düsenöffnung 3. Die Zeitspanne, die benötigt wird, bis sich der abgesenkte Druck auch an der Düsenöffnung 3 einstellt, wird dann mit vorab bestimmten Zeitwerten für bekannte Düsendurchmesser verglichen. Hierbei wird wie im oben beschriebenen Fall als Messgröße die Standardabweichung des Strömungsgeräuschs herangezogen.
Es versteht sich, dass die oben dargestellten Verfahren zur akustischen Bestimmung der Abmessung der Düsenöffnung 3 nicht auf kreisförmige Düsenöffnungen beschränkt sind, sondern dass auch bei anders geformten Düsenöffnungen mittels einer vorausgehenden Kallibrationsmessung, die an mehreren Dusenonnungen mit identischer Form, aber jeweils unterschiedlicher Querschnittsfläche durchgeführt wird, auf die jeweilige Abmessung der Düsenöffnung 3 geschlossen werden kann.
Neben den oben beschriebenen Maßnahmen zur Bestimmung des Durchmessers D der Düsenöffnung 3 kann auch deren Zustand genauer untersucht werden. Dies kann beispielsweise bei bekanntem Düsentyp und damit bekanntem Düsendurch- messer D durch Bestimmen einer Abweichung vom hierbei zu erwartenden Signal geschehen, da Unregelmäßigkeiten, z.B. Kratzer, an der Innenwand 9 des Düsenkörpers 2, die durch Verschleiß der Laserbearbeitungsdüse 1 hervorgerufen werden, einen Amplitudenanstieg des Messsignals durch zusätzliche Verwirbelung der Gasströmung 8 hervorrufen können. Weiterhin können zur Feststellung von Verschleiß an der Düsenöffnung 3 auch die Geräuschfrequenz bzw. die Frequenzbänder des Strömungsgeräuschs untersucht werden, um weitere Aussagen über Anhaftungen bzw. Beschädigungen der Laserbearbeitungsdüse 1 zu erhalten, da sich in der Regel die Tonhöhe des Strömungsgeräuschs bei Veränderungen an der Innenwand 9 des Düsenkörpers 2 ebenfalls verändert.
Um einseitigen bzw. asymmetrischen Verschleiß an der Innenwand 9 des Düsenkörpers 2 zu detektieren, wird, wie in Fig. 1b gezeigt, ein plattenförmiger Körper 13 unterhalb der Düsenöffnung 3 angeordnet, und zwar in einem Abstand d3 von ca. 0,1 mm bis 0,5 mm. An dem Körper 13 sind zwei akustische Sensoren 14a, 14b in gleichem Abstand d4 von ca. 20 mm von der Düsenachse 4 beabstandet und in einer Ebene senkrecht zur Düsenachse 4 (in X-Richtung) einander gegenüberliegend angeordnet. Die Gasströmung 8 wird entlang des Körpers 13, der als Drallplatte dient, in radialer Richtung nach außen geführt, wobei bei Vorliegen einer laminaren Strömung die Richtung, in der das Gas aus der Düsenöffnung 3 austritt, im Wesentlichen der Richtung entspricht, in der das Gas an der Innenwand 9 des Düsenkörpers 2 entlang geströmt ist. Durch das Vorsehen von zwei oder mehr akustischen Sensoren sowie durch Vergleichen der von diesen gemessenen Strömungsgeräuschen kann daher auf asymmetrischen Verschleiß des Düsenkörpers 2 geschlossen werden. Wie in Fig. 1 b zu erkennen ist, sind an einem Teil der Innenwand 9 des Düsenkörpers 2 eine Kerbe 15 sowie Anhaftungen 16 aufgetreten. Das Strömungsgeräusch des an diesem Teil der Innenwand 9 vorbeiströmenden Teils der Gasströmung 8 wird von dem zweiten akustischen Sensor 14b gemessen und weiset im Vergleich zum vom ersten akustischen Sensor 14a gemessenen Strömungsgeräusch einen höheren Schallpegel auf, da sich an der Kerbe 15 bzw. den Anhaftungen 16 lokal eine turbulente Gasströmung ausbildet, welche das Strömungsgeräusch verstärkt. Da die von den akustischen Sensoren 10, 14a, 14b gemessenen Signale zwangsläufig auch einen Anteil enthalten, der durch Umgebungsgeräusche hervorgerufen wird, kann das Umgebungsgeräusch bei der Messung mittels eines (nicht gezeigten) weiteren akustischen Sensors gemessen und bei der Auswertung des Strömungsgeräusches berücksichtigt werden, indem der Umgebungsschallpegel vom Schallpegel der Sensoren, welche das Strömungsgeräusch der Gasströmung messen, subtrahiert wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung von Fremdschalleinflüssen, die in Fig. 1b gezeigt ist, besteht darin, während der Messung eine Abschirmeinrichtung z.B. in Form eines Rohres 17 vorzusehen, das den Düsenkörper 2 und die akustischen Sensoren 14a, 14b umgibt. Das Rohr 17 dient hierbei sowohl dem Abschirmen von Außengeräuschen als auch zur Leitung des Strömungsgeräuschs zu den Sensoren 14a, 14b. Es versteht sich, dass eine solche Abschirmeinrichtung auch bei der in Fig. 1a gezeigten Messanordnung zum Einsatz kommen kann.
Zusammenfassend gesagt kann durch Detektieren und Auswerten der Geräuschentwicklung des aus der Laserbearbeitungsdüse 1 ausströmenden Gases auf die oben beschriebene Weise eine genaue Ermittlung der Abmessung bzw. des Zustands einer Laserbearbeitungsdüse vorgenommen werden. Es versteht sich, dass sich die oben beschriebenen Verfahren nicht nur bei Düsen zur Laserbearbeitung, sondern auch bei anderen Körpern, in denen eine Öffnung vorgesehen ist, um ein Gas hindurchzuleiten, vorteilhaft einsetzen lassen, da die für die Messung benötigte Gasströmung in diesem Fall besonders einfach bereit gestellt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen der Abmessung (D) und/oder des Zustands einer insbesondere radialsymmetrischen Düsenöffnung (3) an einer Laserbearbeitungsdüse (1), umfassend die Schritte:
Erzeugen einer Gasströmung (8) durch die Düsenöffnung (3),
Messen eines beim Austritt der Gasströmung (8) aus der Düsenöffnung (3) erzeugten Strömungsgeräuschs, sowie
Auswerten des gemessenen Strömungsgeräuschs zum Bestimmen der
Abmessung (D) und/oder des Zustands der Düsenöffnung (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Laserbearbeitungsdüse (1) zum Erzeugen der Gasströmung (8) an einem Laserbearbeitungskopf (6) angebracht und ein dem Laserbearbeitungskopf (6) zugeführtes Gas, bevorzugt Luft oder Stickstoff, durch die Düsenöffnung (3) geleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zum Bestimmen der Abmessung (D) und/oder des Zustands der Düsenöffnung (3) der zeitliche Verlauf der Amplitude (A) des Strömungsgeräuschs ausgewertet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Vordruck (p) des Gases während des Messens des Strömungsgeräuschs auf einem konstanten Wert genalten wird, bevorzugt zwischen 1 bar und 2 bar.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem in einem vorausgehenden Schritt für den konstanten Wert des Vordrucks eine Korrelation zwischen der Abmessung (D) der Düsenöffnung (3) und der Standardabweichung (SA) des Strömungsgeräuschsignals von seinem Mittelwert (M) bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Vordruck (p) des Gases während der Messung verändert und die Auswirkung der Veränderung des Vordrucks (p) auf das Strömungsgeräusch ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem in einem vorausgehenden Schritt eine Korrelation zwischen der Abmessung (D) der Düsenöffnung (3) und der Zeitdauer bestimmt wird, bei der das Strömungsgeräusch nach der Änderung des Vordrucks (p) wieder konstant wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in die aus der Düsenöffnung (3) austretende Gasströmung (8) ein bevorzugt plattenförmiger Körper (13) eingebracht wird, der insbesondere senkrecht zur Düsenachse (4) ausgerichtet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Messen des Strömungsgeräuschs mindestens ein akustischer Sensor (10) zur Düsenöffnung (3) versetzt außerhalb des austretenden Gasstroms (8) positioniert und unter einem Winkel (α) zur Düsenachse (4) der Laserbearbeitungsdüse (1) ausgerichtet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Messung des Strömungsgeräuschs mindestens ein akustischer Sensor (14a, 14b) an der Laserbearbeitungsdüse (1 ) oder dem bevorzugt plattenförmigen Körper (13) befestigt wird.
11.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Messung des Strömungsgeräusches mindestens zwei akustische Sensoren (14a, 14b) eingesetzt werden, die bevorzugt symmetrisch zur Düsenachse (4) angeordnet sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Bestimmung des Zustands der Laserbearbeitungsdüse (1 ) das Frequenzspektrum des Strömungsgeräuschs ausgewertet wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Umgebungsgeräusch gemessen und dieses bei der Auswertung des gemessenen Strömungsgeräusches berücksichtigt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während der Messung mindestens eine Abschirmeinrichtung, insbesondere ein rohrförmiger Körper (17), den Düsenkörper (2) und mindestens einen akustischen Sensor (14a, 14b) umgibt.
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