DE102008015133B4 - Device for detecting the process radiation during laser material processing - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zum Erfassen einer Prozessstrahlung (P) bei der Bearbeitung eines Werkstückes (M) mittels eines Laserstrahls (LA), bei der die Intensität der von der Bearbeitungsstelle (F) emittierten Prozessstrahlung (P), die durch den äußersten Rand einer in einem Bearbeitungskopf (B) angeordneten Linse (1) hindurchtritt, durch einen in dem Bearbeitungskopf (B) hinter der Linse (L) in Richtung Laser angebrachten schmalen Ringspiegel (R) erfasst, um annähernd 90° und somit annähernd senkrecht zum Laserstrahl (LA) gespiegelt und auf einen ersten Brennpunkt (F1) einer spiegelnden Ellipse (E) fokussiert wird, die in einer Ebene unterhalb oder oberhalb angebracht ist, von der spiegelnden Ellipse (E) seitlich aus dem Bearbeitungskopf (B) ausgeleitet und im 2ten Brennpunkt (F2) der spiegelnden Ellipse (E) gesammelt wird und von dort durch einen Kegelspiegel (K) um annähernd 90° umgelenkt und auf einen Detektor (DE) fokussiert wird.Device for detecting a process radiation (P) during processing of a workpiece (M) by means of a laser beam (LA), in which the intensity of the process radiation (P) emitted by the processing point (F) passing through the outermost edge of a processing head ( B) arranged lens (1) passes, detected by a in the processing head (B) behind the lens (L) in the direction of the laser mounted narrow annular mirror (R) by approximately 90 ° and thus approximately perpendicular to the laser beam (LA) mirrored and on focusing a first focus (F1) of a specular ellipse (E) disposed in a plane below or above, laterally out of the specimen head (B) from the specular ellipse (E), and the specular ellipse at the second focus (F2) (E) is collected and from there by a cone mirror (K) is deflected by approximately 90 ° and focused on a detector (DE).
Description
Die Erfindung betrifft eine neue Vorrichtung zur Auskopplung der Prozessstrahlung, der Sammlung und Fokussierung derselben auf einen Sensor, zur Überwachung und Regelung der Prozesse bei der Lasermaterialbearbeitung.The Invention relates to a new device for decoupling the process radiation, the collection and focusing of the same on a sensor, for monitoring and regulation of processes in laser material processing.
Bei der Lasermaterialbearbeitung ist es in bestimmten Fällen notwendig zur Prozesskontrolle die von Bearbeitungspunkt emittierte elektromagnetische Strahlung zu messen und daraus Kenngrössen zu ermitteln, die Aufschluss über die Qualität der Bearbeitung geben und zum Regeln des Bearbeitungsprozesses verwendet werden können.at Laser material processing is necessary in certain cases for process control the electromagnetic emitted from the processing point Radiation to measure and to determine parameters that provide information about the quality edit and used to control the editing process can be.
Beispiele dafür sind die Überwachung beim Laserschweißen, die Leistungsregelung des Einstechprozesses und die Ermittlung des Durchstechzeitpunktes vor Beginn des Schneidens, die Überwachung und Regelung des Schneidprozesses selber, Erkennung von Plasmabildung und anderes mehr.Examples for that are The supervision in laser welding, the power control of the piercing process and the determination of the Punctuation before the start of cutting, monitoring and control of the cutting process itself, detection of plasma formation and more.
Derartige
Vorrichtungen werden in den Patenten.
Bei der Lasermaterialbearbeitung, insbesondere mit CNC gestützten Portalmaschinen und Robotern, werden hohen Beschleunigungen gefordert. Die Sensoren zur Prozesskontrolle müssen nahe am Bearbeitungspunkt angebracht sein um einen messbaren Intensitätsanteil der Prozessstrahlung zu erfassen. Deshalb besteht die Forderung den Sensor in den Bearbeitungskopf zu integrieren unter Berücksichtigung geringer Größe und Gewicht. Der Vorteil der Sensoren im Kopf ist der konstante Abstand zum Bearbeitungspunkt.at Laser material processing, especially with CNC-supported gantry machines and robots, are called for high accelerations. The sensors for process control be attached near the processing point by a measurable intensity component to detect the process radiation. That is why the demand exists to integrate the sensor into the machining head, taking into account small size and weight. The advantage of the sensors in the head is the constant distance to the machining point.
Zur
Veranschaulichung ist in
Die vom Bearbeitungspunkt emittierte elektromagnetische Strahlung enthält:
- a, Rückreflektierte Laserstrahlung,
- b, ein kontinuierliches Spektrum in Abhängigkeit von der Temperatur und des bearbeiten Materials,
- c, sowie ein Linienspektrum, falls ionisiertes Gas vorhanden ist.
- a, back-reflected laser radiation,
- b, a continuous spectrum depending on the temperature and the material being processed,
- c, and a line spectrum if ionized gas is present.
Je nach Bearbeitungsprozess können aus Intensität, Frequenzspektrum, zeitliche Änderung des Signals und anderes mehr, entsprechende Kenngrössen zur Regelung der Materialbearbeitung gemessen und mit einer Auswertelektronik ermittelt werden.ever after editing process can from intensity, Frequency spectrum, temporal change of the Signals and other more, corresponding parameters for the regulation of material processing measured and determined with an electronic evaluation.
Stand der TechnikState of the art
Im Folgenden werden die bisher angewandten Verfahren zur Auskopplung und Messung des Prozesslichtes beschrieben.
- 1,
Die Sensoren werden außerhalb
des Bearbeitungskopfes und nahe am Bearbeitungspunkt angebracht,
wie in der Patentschrift
DE4433675A1 - 2, Die nachfolgend beschrieben Verfahren, nützen die Tatsache, dass das
Prozesslicht, welches im Fokus des Laserstrahles entsteht durch
dieselbe Linse, die den Laserstrahl bündelt, annähernd parallel, entgegen der
Richtung des einfallenden Laserstrahles zurückgeworfen wird. Sensoren, die
sich im geschützten
Raum hinter der Linse befinden, können aber nur ringförmig außerhalb
des einfallenden Laserstrahles angeordnet werden, da sie sonst verbrennen,
wie in der Patentschrift
DE19644101C1 DE 10 2004 020 704 A1 EP1886757A1 - 3, Eine weitere Methode besteht darin, den nach dem Bearbeitungskopf
nächsten
90° Umlenkspiegel
in Richtung des Bearbeitungspunktes zu durchbohren, wie in der Patentschrift
US6,596,961B2
- 1, The sensors are mounted outside the machining head and close to the machining point, as in the patent
DE4433675A1 - 2, The method described below, the fact that the process light, which arises in the focus of the laser beam through the same lens, which focuses the laser beam, approximately parallel, is reflected against the direction of the incident laser beam. Sensors that are located in the protected space behind the lens, but can only be arranged in a ring outside of the incident laser beam, otherwise they burn, as in the patent
DE19644101C1 DE 10 2004 020 704 A1 EP1886757A1 - 3, Another method is to pierce the next 90 ° deflection mirror after the machining head in the direction of the machining point, as in the patent
US6,596,961B2
Aufgabenstellungtask
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung vorzuschlagen zur Erfassung und Bündelung des Prozesslichtes, die:
- 1, klein, leicht und robust ist, um in einem bewegten beschleunigten Bearbeitungskopf integriert zu werden,
- 2, die den einfallenden Laserstrahl nicht abschattet,
- 3, die sich hinter der Linse im geschützten Raum des Bearbeitungskopfes befindet,
- 4, die ringförmig die gesamte Prozessstrahlung im Bereich außerhalb des Laserstrahles bis zum Rand der Linse erfasst und damit eine hohe Intensität des Prozesslichtes auf den Sensor leitet, wodurch es möglich ist, auch noch schwach leuchtende Vorgänge zu detektieren,
- 5, die nur einen Sensor enthält auf den das gesamte erfasste Prozesslicht fokussiert wird, anstatt mehrere Sensoren was einen höheren elektronischen Aufwand erfordert,
- 6, deren Konstruktion es erlaubt, ein Schutzfenster anzubringen, welches den Sensor vor der rückreflektierten Laserstrahlung schützt.
- 1, small, lightweight and sturdy to be integrated in a moving accelerated machining head,
- 2, which does not shade the incident laser beam,
- 3, which is located behind the lens in the protected space of the machining head,
- 4, which detects in a ring the entire process radiation in the area outside the laser beam to the edge of the lens and thus directs a high intensity of the process light to the sensor, whereby it is possible to detect even weakly glowing processes,
- 5, which contains only one sensor on which the entire detected process light is focused, rather than multiple sensors which requires a higher electronic effort,
- 6, the construction of which allows to install a protective window which protects the sensor from the back-reflected laser radiation.
Ausführungsbeispielembodiment
Die Erfindung beschreibt eine neue Vorrichtung zur Auskopplung des Prozesslichtes und Sammlung desselbigen und Fokussierung und Umleitung auf einen Sensor.The The invention describes a new device for decoupling the process light and collection thereofb and focusing and redirecting to one Sensor.
Die Vorrichtung zur Sammlung des Prozesslichtes ist dicht oberhalb (in Richtung Laser) der Linse im Bearbeitungskopf angebracht.The Device for collecting the process light is close above (in Towards the laser) of the lens in the machining head.
Das Prinzip der Vorrichtung:The principle of the device:
Das durch die Linse L fallende Prozesslicht P wird am äußersten Rand der Linse von einem schmalen Ringspiegel R gesammelt und im ersten Brennpunkt F1 einer Ellipse E fokussiert, die das Prozesslicht seitwärts aus der Bearbeitungsoptik ausleitet und im zweiten Brennpunkt F2 fokussiert. Im 2ten Brennpunkt befindet sich ein Spiegelkegel K der das Prozesslicht um 90° umlenkt und auf den Detektor DE leitet.The Process light P falling through the lens L becomes the outermost one Rim of the lens collected by a narrow ring mirror R and in the focused focus F1 of an ellipse E, which is the process light sideways from the processing optics and in the second focal point F2 focused. In the second focal point is a mirror cone K which deflects the process light by 90 ° and to the detector DE conducts.
Ringspiegel, Detektor und Elektronik befindet sich in einer Ebene, in der 2ten Ebene, darunter oder darüber, befindet sich die Ellipse und der Kegelspiegel.Ring mirror, Detector and electronics are in one plane, in the 2nd Level, below or above, there is the ellipse and the cone mirror.
Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
Das
bei der Lasermaterialbearbeitung auftretende Prozesslicht P wird
nahezu punktförmig
vom Bearbeitungspunkt F emittiert, es tritt zum Teil durch die Düse D und
fällt auf
die Linse L. Da die Bearbeitung annähernd im Fokus der Linse L
stattfindet ist das Prozesslicht nach Durchtritt durch die Linse
L annähernd
parallel zum eintretenden Laserstrahl LA (siehe
Zeichnung 2 zeigt den Aufbau der Vorrichtung.drawing 2 shows the structure of the device.
Das vom Bearbeitungspunkt F emittierte Prozesslicht P, welches auf den Rand der Linse L auftritt wird von der Linse L annähernd parallel zum eintreffenden Laserstrahl auf einen Ringspiegel R geleitet, der einige mm vom äußeren freien Rand der Linse L hineinragt. Der Ringspiegel R ist so angeordnet, dass er die Strahlung leicht schräg nach unten im ersten Brennpunkt F1 der darunterliegenden Ellipse E fokussiert, die ihn wiederum im zweiten Brennpunkt F2 sammelt. Dort befindet sich ein Spiegelkegel K der die Strahlung auf den Detektor DE fokussiert. Der Mittelpunkt des Ringspiegels R und der Brennpunkt F1 der Ellipse E sind konzentrisch zur Linsenmitte angeordnet.The from the processing point F emitted process light P, which on the Edge of the lens L occurs is approximately parallel to the lens L. directed to the incoming laser beam on a ring mirror R, the few mm from the outside free Edge of the lens L protrudes. The annular mirror R is arranged so that he tilted the radiation slightly down in the first focus F1 of the underlying ellipse E focused, which in turn collects it in the second focus F2. There there is a mirror cone K of the radiation on the detector DE focused. The center of the ring mirror R and the focus F1 the ellipse E are arranged concentrically to the lens center.
In
Die Anordnung und Größe vom Ring, Ellipse E und Kegel K sind entsprechen der verwendeten Optik und dem Durchmesser der Linse L durch geometrische Berechnung des Strahlenganges auszulegen. Die Flächen von Ring, Ellipse E und Kegel K müssen das Prozesslicht spiegeln, vorzugsweise in dem Wellenlängenbereich für den der entsprechende Detektor DE ausgelegt ist. Vorzugsweise sind sie aus poliertem, spiegelnden Metall auszuführen. Der Detektor DE ist vorzugsweise durch ein Fenster FE vor unerwünschter Laserstrahlung und Staub zu schützen. Ring und Detektor DE befinden sich in der oberen Ebene – um den Detektor DE herum ist genüg Platz für eine Auswertelektronik. Die Anordnung kann auch spiegelbildlich ausgeführt werden, Ring und Detektor in der unteren, Ellipse und Spiegel in der oberen Ebene.The arrangement and size of the ring, ellipse E and cone K are to be interpreted according to the optics used and the diameter of the lens L by geometrical calculation of the beam path. The surfaces of ring, ellipse E and cone K must reflect the process light, preferably in the wavelength range for which the corresponding detector DE is designed. Preferably they are off polished, reflective metal perform. The detector DE is preferably to be protected by a window FE against unwanted laser radiation and dust. Ring and detector DE are in the upper level - there is enough space around the detector DE for an electronic evaluation system. The arrangement can also be performed in mirror image, ring and detector in the lower, ellipse and mirror in the upper level.
Durch geeignete Auslegung hat die Vorrichtung eine Dicke von 15–30 mm, sie ist klein und leicht, weil sie im Wesentlichen aus Hohlräumen besteht. Sie ist damit zur Montage auf einer mit hoher Beschleunigung bewegten Optik geeignet.By suitable design, the device has a thickness of 15-30 mm, it is small and light, because it consists essentially of cavities. It is thus for mounting on a moving with high acceleration Optics suitable.
Insbesondere zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass das Prozesslicht das auf die Linse L trifft mit einem hohen Intensitätsanteil auf den Detektor DE geleitet wird.Especially the device is characterized by the fact that the process light that hits the lens L with a high intensity component directed to the detector DE.
Beispiel:Example:
Anwendung in einer Schneidmaschine mit CO2-Laser, bewegter Optik und einer Linse L mit freiem Durchmesser von 35 mm.Application in a cutting machine with CO 2 laser, moving optics and a lens L with free diameter of 35 mm.
Bei einer Breite des Ringspiegel R von nur 1 mm (der die freie Linsenöffnung auf 33 mm verkleinert) wird 10% des auf die gesamte Linse L fallenden Prozesslichtes auf den Detektor DE geleitet, bei einer Breite des Ringspiegel R von 3 mm sind es bereits 30%. Diese hohe Intensität ist insbesondere entscheidend, wenn eine niedrige Strahlungsintensität des Prozesslichtes bearbeitungsbedingt auftritt.at a width of the annular mirror R of only 1 mm (the free lens opening on Reduced by 33 mm) becomes 10% of the process light falling on the entire lens L. directed to the detector DE, at a width of the ring mirror R by 3 mm it is already 30%. This high intensity is particular crucial if a low radiation intensity of the process light due to processing occurs.
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