DE4010789A1

DE4010789A1 - Lichtwellenleitersicherheitssystem

Info

Publication number: DE4010789A1
Application number: DE4010789A
Authority: DE
Inventors: Todd Jay Rockstroh; Seetha Ramaiah Mannava
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-04-13
Filing date: 1990-04-04
Publication date: 1990-10-18
Also published as: IT9020022A0; CA2010154A1; IT9020022A1; JPH02293638A; IT1240292B; GB2232483A; GB9008470D0; US5012087A; FR2645972A1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Sicherheitssy stem, das in der Lage ist, einen Ausfall eines Lichtwellen leiterkabels zu erkennen, und betrifft insbesondere ein Sy stem zum Erkennen einer Energieleckage aus einem Lichtwel lenleiter, der einen Hochleistungslaserstrahl überträgt.

Lichtwellenleiter werden für industrielle Zwecke benutzt, beispielsweise als einfache Einrichtung zum Leiten eines Laserstrahls von einer Laserquelle zu einem Arbeitsplatz, wo ein zu bohrendes, zu schneidendes oder anderweitig ma schinell zu bearbeitendes Werkstück angeordnet ist. Die Verwendung von Lichtwellenleitern zum Übertragen von Hoch leistungslaserenergie in einer Produktionsanlage erfordert jedoch ein Sicherheitssystem zum schnellen Beenden des La serbetriebes im Falle eines sprunghaft auftretenden Voll ausfalls des Lichtwellenleiters, um so zu verhindern, daß durch die Leckage von Hochleistungslaserenergie benachbarte Hardware oder das Personal geschädigt wird.

Herkömmliche Sicherheitssysteme, welche die Laserenergie direkt überwachen, die am Ausgangsende des Lichtwellenlei ters emittiert wird, haben den Nachteil, daß am Aus gangsende des Lichtwellenleiters möglicherweise kein Raum verfügbar ist, um die notwendige Abfühlvorrichtung unterzu bringen, daß die Abfühlvorrichtung die dem Laserbetrieb zu geführte Leistung reduzieren kann oder daß eine in dem Weg eines Hochleistungslaserstrahls angeordnete Vorrichtung durch den Laserstrahl Schaden erleiden kann. Darüber hinaus wäre ein solches System nicht in der Lage, zwischen einem Lichtwellenleiterausfall und dem Ausfall einer anderen Kom ponente in dem Laserbetrieb, wie zum Beispiel der Laser quelle, zu unterscheiden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue und verbesserte Vorrichtung zum Erkennen einer Laserenergieleckage aus ei nem Lichtwellenleiter, der einen Hochleistungslaserstrahl überträgt, zu erkennen.

Weiter soll durch die Erfindung ein vergleichsweise einfa ches und billiges System geschaffen werden, das den Betrieb eines Hochleistungslasers, bei dem ein Lichtwellenleiter zum Übertragen der Laserenergie benutzt wird, bei einem Ausfall des Lichtwellenleiters stoppt.

Demgemäß schafft die Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zum Erkennen der Leckage von Laserenergie aus einem Laser leistung übertragenden Lichtwellenleiter. Die Vorrichtung weist einen zweiten Lichtwellenleiter auf, ein Mantelrohr oder eine Mantelröhre, in der beide Lichtwellenleiter un tergebracht sind, und eine Einrichtung zum Erkennen eines Ausfalls des zweiten Lichtwellenleiters. Bei einem Ausfall des die Laserleistung übertragenden Lichtwellenleiters würde der zweite Lichtwellenleiter durch die entweichende Laserenergie beschädigt. Die Energieleckage aus dem die La serleistung übertragenden Lichtwellenleiter kann deshalb erkannt werden, indem ein Ausfall in dem zweiten Lichtwel lenleiter erkannt wird. Die Vorrichtung kann weiter eine Einrichtung aufweisen, die auf die Erkennungseinrichtung anspricht, um die Zufuhr von Laserenergie zu dem die Laser leistung übertragenden Lichtwellenleiter zu unterbrechen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un ter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Die einzige Figur der Zeichnung ist eine vereinfachte Dar stellung eines Lichtwellenleitersystems nach der Erfindung.

Die Figur zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Systems, das für das Erkennen von Laserener gieleckage aus einem Hochleistungslaserenergie übertragen den Lichtwellenleiter dient.

In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 10 eine Hochlei stungslaserquelle, wie beispielsweise einen 400-Watt-YAG (Yttrium-Aluminium-Granat)-Laser. Ein Laserstrahl 12, den die Laserquelle 10 emittiert, wird durch eine Linse 14 auf das Eingangsende eines Lichtwellenleiters 16 fokussiert und durch den Lichtwellenleiter zu einem Arbeitsplatz übertra gen, wo ein Laserbetrieb, wie beispielsweise Schneiden oder Schweißen, ausgeführt werden soll. Der Laserbetrieb emp fängt den Laserstrahl über einen Lichtwellenleiterkoppler 18, der an dem Austrittsende des Lichtwellenleiters 16 vor gesehen ist.

Das Sicherheitssystem umfaßt eine Lichtquelle 20, bei spielshalber einen HeNe-Laser geringer Leistung, zum Erzeu gen eines Lichtstrahls 22, eine Linse 24 zum Fokussieren des Lichtstrahls auf das Eintrittsende eines Sicherheitsde tektorlichtwellenleiters 26 und eine Fotodiode 28, die an dem Austrittsende des Lichtwellenleiters 26 angeordnet ist. Der Laserleistung übertragende Lichtwellenleiter 16, der im folgenden als erster Lichtwellenleiter bezeichnet wird, und der Sicherheitsdetektorlichtwellenleiter 26, der im folgen den als zweiter Lichtwellenleiter bezeichnet wird, sind ge meinsam auf im wesentlichen ihrer gesamten Länge in einem schützenden Mantelrohr 30 untergebracht. Die beiden Licht wellenleiter und das Mantelrohr 30 sind weiter in eine fle xible Metallröhre 32 eingeschlossen. Die beiden Lichtwel lenleiter werden in enger gegenseitiger Nähe gehalten, aus genommen in der Nähe ihrer Enden, wo Abstand zwischen den Lichtwellenleitern erforderlich ist, um diese mit den Lichtquellen 10 und 20, dem Lichtwellenleiterausgangskopp ler 18 und der Fotodiode 28 zu verbinden.

Während des Betriebes des Lasers 10 und während der Über tragung des Laserstrahls 12 über den ersten Lichtwellenlei ter 16 liefert die Lichtquelle 20 ein "Sicherheits"-Signal in Form eines Lichtstrahls 22 zur Fotodiode 28 über den zweiten Lichtwellenleiter 26. Die Lichtenergie, die auf die Oberfläche der Fotodiode auftrifft, wird anschließend in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches auf einer Lei tung 34 abgegeben wird. Sollte der erste Lichtwellenleiter 16 an irgendeiner Stelle innerhalb des Mantelrohres 30 bre chen oder anderweitig ausfallen, würde die Leckage von ho her Laserenergie den zweiten Lichtwellenleiter 26 beschädi gen und dadurch den Empfang des Lichtstrahls 22 durch die Fotodiode 28 reduzieren oder eliminieren. Der zweite Licht wellenleiter 26 würde zwar fast sofort zerstört werden, die entweichende Laserenergie würde jedoch keine ausreichende Energiedichte haben, um kurzfristig die Röhrenwände zu be schädigen.

Die Zerstörung des zweiten Lichtwellenleiters 26 und der sich ergebende Abfall oder Verlust an Lichtenergie, die der Fotodiode 28 zugeführt wird, reduziert die Größe des auf der Leistung 34 abgegebenen elektrischen Signals. Die Lei tung 34 kann mit einer Verriegelung oder einem Relais (nicht dargestellt) elektrisch verbunden sein, durch das die Stromversorgung des Hochleistungslasers abgeschaltet wird, wenn das elektrische Signal auf der Leitung 34 unter einen vorbestimmten Wert sinkt, wodurch verhindert wird, daß Laserenergie aus dem gestörten Lichtwellenleiter be nachbarte Hardware oder das Personal schädigt. Als Alterna tive zu einer Verriegelung oder einem Relais kann ein Ver schluß (nicht dargestellt) zwischen der Laserquelle und dem Eintrittsende des ersten Lichtwellenleiters 16 vorgesehen sein, der schließt, um zu verhindern, daß Laserenergie bei einem Verlust des Signals aus der Fotodiode 28 in den er sten Lichtwellenleiter 16 eingeleitet wird.

Mehrere Vorteile der Erfindung liegen auf der Hand. Das vorstehend beschriebene System hat einen einfachen Aufbau, und die einzelnen Bauteile sind leicht verfügbar und kosten wenig.

Anhand der vorstehenden Beschreibung dürfte dem Fachmann klar sein, daß sich die Erfindung nicht auf die besondere Ausführungsform beschränkt, die beschrieben und darge stellte worden ist, und daß im Rahmen der Erfindung zahl reiche Modifizierungen und Änderungen möglich sind. Bei spielsweise wird bei der oben beschriebenen Erfindung ein HeNe-Laser zum Erzeugen eines Sicherheitssignals benutzt. Es kann aber irgendeine Quelle zum Erzeugen von sichtbarem oder unsichtbarem Licht benutzt werden, um das Sicherheits signal zu liefern. Das System kann benutzt werden, um die Leckage aus Laserleistung übertragenden Lichtwellenleitern zu erkennen, die keine YAG-Laserstrahlen übertragen, son dern beispielsweise CO₂-Laserstrahlen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann an einem Ende des das Sicherheitssignal übertragenden Lichtwellenleiters eine re flektierende Einrichtung vorgesehen sein, um dadurch zu er möglichen, die Sicherheitssignallichtquelle und die licht empfindliche Diode an demselben Ende des Lichtwellenleiters anzuordnen. Außerdem brauchen die Lichtwellenleiter nicht innerhalb sowohl eines Mantelrohres als auch einer Mantel röhre untergebracht zu werden. Ein richtig konstruiertes Rohr könnte für die geeignete Sicherheit und den geeigneten Betrieb sorgen.

Claims

1. Vorrichtung zum Erkennen eines Ausfalls in einem La serleistung übertragenden Lichtwellenleiter (16), gekenn zeichnet durch:
einen Sicherheitsdetektorlichtwellenleiter (26);
ein Mantelrohr (30), wobei der Laserleistung übertragende Lichtwellenleiter (16) und der Sicherheitsdetektorlichtwel lenleiter (26) in dem Rohr (30) enthalten sind;
wodurch eine Laserenergieleckage aus dem Laserleistung übertragenden Lichtwellenleiter (16) innerhalb des Rohres (30) einen Ausfall des Sicherheitsdetektorlichtwellenlei ters (26) bewirken wird; und
eine Einrichtung (20, 28) zum Abfühlen eines Ausfalls des Sicherheitsdetektorlichtwellenleiters (26), der einen Aus fall des Laserleistung übertragenden Lichtwellenleiters (16) angibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sicherheitsdetektorlichtwellenleiter (26) ein Ein trittsende und ein Austrittsende hat; und
daß die Einrichtung (20, 28) zum Abfühlen des Ausfalls des Sicherheitsdetektorlichtwellenleiters (26) eine Lichtquelle (20) aufweist, die mit dem Eintrittsende des Sicherheitsde tektorlichtwellenleiters (26) optisch gekoppelt ist, um ein durch den Sicherheitsdetektorlichtwellenleiter (26) zu übertragendes Sicherheitssignal zu liefern, und eine licht empfindliche Diode (28), die optisch gekoppelt ist, um das Sicherheitssignal aus dem Austrittsende des Sicherheits detektorlichtwellenleiters (26) zu empfangen.

3. Fehlererkennungseinrichtung für ein System zur maschi nellen Bearbeitung mittels Laser, das eine Laserleistungs quelle (10) aufweist, die mit einem Ende eines Lichtwellen leiters (16) optisch gekoppelt ist, um einen durch den Lichtwellenleiter (16) zu übertragenden Laserleistungs strahl zu liefern, gekennzeichnet durch:
eine Lichtquelle (20) zum Erzeugen eines Sicherheitssi gnals;
einen Lichtwellenleiter (26), der ein Eintrittsende und ein Austrittsende hat, wobei das Eintrittsende mit der Licht quelle (20) optisch gekoppelt ist;
ein Mantelrohr (30), wobei der Laserleistung übertragende Lichtwellenleiter (16) und der das Sicherheitssignal über tragende Lichtwellenleiter (26) in dem Rohr (30) enthalten sind;
wodurch eine Laserenergieleckage aus dem Laserleistung übertragenden Lichtwellenleiter (16) innerhalb des Rohres (30) einen Ausfall des das Sicherheitssignal übertragenden Lichtwellenleiters (26) hervorrufen wird, wodurch die Über tragung des Sicherheitssignals blockiert wird; und
eine Einrichtung (20, 28), die optisch so angeschlossen ist, daß sie das Sicherheitssignal aus dem Austrittsende des das Sicherheitssignal übertragenden Lichtwellenleiters (26) empfängt und ein Signal erzeugt, welches einen Ausfall des das Sicherheitssignal übertragenden Lichtwellenleiters (26) angibt.

4. Fehlererkennungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (20) ein HeNe-Laser ist.

5. Fehlererkennungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die auf die Sicher heitssignalempfangseinrichtung anspricht und die Zufuhr des Laserleistungsstrahls zu dem Laserleistung übertragenden Lichtwellenleiter (16) bei dem Ausfall des das Sicherheits signal übertragenden Lichtwellenleiters (26) unterbricht.

6. Fehlererkennungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Unterbrechen der Zufuhr des Laserleistungsstrahls ein Relais aufweist zum Abschalten der Laserleistungsquelle (10) bei dem Ausfall des Sicherheitssignalübertragungslichtwellenleiters (26).

7. Fehlererkennungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Unterbrechen der Zufuhr des Laserleistungsstrahls einen Verschluß aufweist zum Verhindern, daß der Laserleistungsstrahl dem ersten Lichtwellenleiter (16) bei einem Ausfall des Sicherheitssi gnalübertragungslichtwellenleiters (26) zugeführt wird.

8. Vorrichtung zum Übertragen von Laserenergie, gekenn zeichnet durch:
einen ersten Lichtwellenleiter (16) zum Übertragen eines Laserleistungsstrahls;
einen zweiten Lichtwellenleiter (26) zum Übertragen eines Sicherheitssignals;
ein Mantelrohr (30), wobei der erste und der zweite Licht wellenleiter (16, 26) in dem Rohr (30) enthalten sind;
wodurch eine Laserenergieleckage aus dem ersten Lichtwel lenleiter (16) innerhalb des Rohrs (30) einen Ausfall des zweiten Lichtwellenleiters (26) bewirken wird,
eine Einrichtung (20, 28) zum Erkennen des Ausfalls des zweiten Lichtwellenleiters (26); und
eine Einrichtung zum Unterbrechen der Übertragung des La serleistungsstrahls bei dem Ausfall des zweiten Lichtwel lenleiters (26).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Lichtwellenleiter (26) ein Eintrittsende und ein Austrittsende hat; und
daß die Einrichtung (20, 28) zum Erkennen des Ausfalls des zweiten Lichtwellenleiters (26) eine Lichtquelle (20) auf weist, die mit dem Eintrittsende des zweiten Lichtwellen leiters (26) optisch gekoppelt ist, um ein durch den zwei ten Lichtwellenleiter (26) zu übertragendes Sicherheitssi gnal zu liefern, und eine lichtempfindliche Diode (28), die optisch gekoppelt ist, um das Sicherheitssignal aus dem Austrittsende des zweiten Lichtwellenleiters (26) zu emp fangen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine flexible Metallröhre (32), wobei das Mantelrohr (30) in der Röhre (32) enthalten ist.

11. Vorrichtung, gekennzeichnet durch:
einen ersten Lichtwellenleiter (16);
eine Laserleistungsquelle (10), die mit einem Ende des er sten Lichtwellenleiters (16) optisch gekoppelt ist, um einen durch den ersten Lichtwellenleiter (16) zu übertra genden Laserleistungsstrahl zu liefern;
einen zweiten Lichtwellenleiter (26);
ein Mantelrohr (30), durch das sich der erste und der zweite Lichtwellenleiter (16, 26) erstrecken;
wodurch eine Laserenergieleckage aus dem ersten Lichtwel lenleiter (16) innerhalb des Rohres (30) einen Ausfall des zweiten Lichtwellenleiters (26) verursachen wird;
eine Einrichtung (20, 28) zum Erkennen des Ausfalls des zweiten Lichtwellenleiters (26); und
eine Einrichtung zum Unterbrechen des Lieferns des Laser leistungsstrahls zu dem ersten Lichtwellenleiter (16) bei dem Erkennen eines Ausfalls des zweiten Lichtwellenleiters (26).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Lichtwellenleiter (26) ein Eintrittsende und ein Austrittsende aufweist; und
daß die Einrichtung (20, 28) zum Erkennen des Ausfalls des zweiten Lichtwellenleiters (26) eine Lichtquelle (20) auf weist, die mit dem Eintrittsende des zweiten Lichtwellen leiters (26) optisch gekoppelt ist, um ein durch den zwei ten Lichtwellenleiter (26) zu übertragendes Sicherheitssi gnal zu liefern, und eine lichtempfindliche Diode (28), die optisch gekoppelt ist, um das Sicherheitssignal aus dem Austrittsende des zweiten Lichtwellenleiters (26) zu emp fangen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Unterbrechen des Lieferns des La serleistungsstrahls ein Relais aufweist, das auf das Aus gangssignal der lichtempfindlichen Diode (28) anspricht und die Laserleistungsquelle (10) bei dem Verlust der Übertra gung des Sicherheitssignals zu der lichtempfindlichen Diode (28) abschaltet.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Unterbrechen des Lieferns des La serleistungsstrahls einen Verschluß aufweist, der auf das Ausgangssignal der lichtempfindlichen Diode (28) anspricht, um zu verhindern, daß der Laserleistungsstrahl bei einem Verlust der Übertragung des Sicherheitssignals zu der lichtempfindlichen Diode (28) dem ersten Lichtwellenleiter (16) zugeführt wird.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, da durch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (20) ein HeNe-La ser ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß die Laserleistungsquelle (10) ein YAG-Laser ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, ge kennzeichnet durch eine flexible Metallröhre (32), in wel cher das Mantelrohr (30) aufgenommen ist.