DE69837379T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung des Zustandes eines Schutzglases bei der Laserbearbeitung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen des Zustandes eines Schutzglases, welches zwischen dem Werkstück und der Laseroptik in einem Laserbearbeitungssystem derart angeordnet ist, dass der Laserstrahl, oder irgendeine andere im Wesentlichen koaxiale Strahlung, durch das Glas hindurchtreten muss, bevor sie auf das Werkstück fokussiert wird.
• Um die optischen Komponenten in einem Laserbearbeitungssystem, zum Beispiel in einer Laser-Schweiß- oder Gravieranlage, zu schützen, ist die Verwendung von Schutzgläsern bekannt. Solche Schutzgläser werden zwischen der Laseroptik und dem zu bearbeitenden Objekt (Werkstück) montiert und verhindern, dass bei der Bearbeitung entstehender Schmutz und Staub in die Laseroptik eindringt.
• Während des Bearbeitungsvorgangs werden solche Schutzgläser mehr und mehr durch vom Werkstück entfernte Teilchen verschmutzt, so dass der durch das Glas hindurchtretende Laserstrahl, und damit auch der Bearbeitungsvorgang, nachteilig beeinflusst werden. Ein Teil der gestreuten Strahlung wird von den Wänden des Schutzglases gesammelt und nach außen zu den Randbereichen der Glasplatte gelenkt. Je mehr Schmutz- und Staubteilchen auf der Glasoberfläche sind, desto mehr wird der einfallende Laserstrahl gestreut.
• Da der einfallende Laserstrahl auch der Arbeitsstrahl für die Bearbeitung ist, ist es verständlich, dass eine solche Absorption und Streuung des Strahls unerwünscht ist, da dadurch die Leistungsdichte des fokussierten Strahls vermindert wird. Dies ist ein Nachteil speziell in einem Laser-Schweißsystem, da die Schweißleistung reduziert wird. Es ist aber auch ein Nachteil, zum Beispiel in einem Laser-Graviersystem des Typs, der in dem schwedischen Patent 9403349-5 dargestellt ist, bei der komplexe Graviermuster mittels des Laserstrahls erzeugt werden. Wenn der Strahl aufgrund des Streueffektes unscharf ist, kann eine gute Qualität des vom Laserstrahl erzeugten Musters oder Textes nicht aufrechterhalten werden.
• Ferner besteht die Gefahr, dass das Schutzglas bricht, wenn es zu schmutzig wird. Aus diesen Gründen muss das Schutzglas regelmäßig ausgetauscht werden.
• Bisher wurde die Kontrolle des Schutzglases hauptsächlich durch visuelle Inspektion durchgeführt, was jedoch eine schwierige Aufgabe ist, da es häufig schwierig ist, zu den Gläsern zu gelangen und sie zu inspizieren. Auch muss während einer solchen Inspektion die Bearbeitungsanlage abgeschaltet werden, was natürlich ein Nachteil ist.
• Es besteht somit ein Bedürfnis für eine mehr automatische Kontrolle eines Schutzglases, die kontinuierlich ohne Unterbrechung des Bearbeitungsvorgangs durchgeführt werden kann.
• DE-A-3 715 798 offenbart den Stand der Technik gemäß den Präambeln der Ansprüche 1 und 3. Ein optisches Prinzip, das Ähnlichkeit mit der Erfindung hat, ist in US-A-4 803 817 beschrieben.
• Gemäß der Erfindung wird dies erreicht mittels eines Fotodetektors, der so angeordnet ist, dass er das Niveau der Strahlung erfasst (detektiert), die von den Schmutz- und Staubteilchen, die sich an der Oberfläche des Schutzglases festgesetzt haben, gestreut wird.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Fotodetektor auf den Rand des Schutzglases gerichtet, nämlich, um das Niveau der Strahlung zu erfassen, die die Kante des Schutzglases erreicht hat.
• Im Folgenden wird die Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, die schematisch ein System zum Erfassen des Zustandes einer Schutzglasvorrichtung darstellt.
• 1 zeigt eine typische, übliche Anordnung einer Schutzglasvorrichtung in einem Laserbearbeitungssystem.
• 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, und
• 3 zeigt eine alternative Anordnung mit einer optischen Faser.
• In 1 ist schematisch eine durch eine Linse 1 symbolisierte fokussierende optische Anordnung dargestellt, die die einfallende Laserstrahlung auf ein Werkstück 2 fokussiert. Es kann sich um eine Schweißanlage, eine Gravieranlage wie die in SE 9403349-5 dargestellte, eine Schneidanlage oder irgendeine andere Laserbearbeitungsanlage handeln. In allen solchen Bearbeitungssystemen werden während der Bearbeitung vom Werkstück stammende Schmutz- und Staubteilchen erzeugt. Um zu verhindern, dass solche Teilchen in die fokussierende Optik gelangen, ist zwischen dem Werkstück 2 und der Fokussierlinse 1 ein Schutzglas 3 vorgesehen. Das Schutzglas ist in einem Halter 4 montiert und hat eine kreisrunde Umfangskante.
• Die bei der Bearbeitung erzeugten Schmutz- und Staubteilchen setzten sich stattdessen auf der Schutzglasoberfläche 3 fest. Dies bedeutet, dass die Teilchen zwar nicht in das empfindlichere optische System eintreten können, aber ein Nachteil eines solchen Systems besteht darin, dass die Teilchen sich zunehmend auf der Glasoberfläche ansammeln und eine unerwünschte Streuung oder Ablenkung der einfallenden Laserstrahlung bewirken. Wie in der Beschreibungseinleitung ausgeführt, müssen deshalb die Schutzgläser regelmäßig ausgetauscht werden.
• 2 zeigt eine Ordnung ähnlich der von 1, die jedoch Mittel zum Prüfen des Zustandes des Schutzglases 3 bezüglich Schmutz- und Staubteilchen oder irgendeiner anderen Kontaminierung der Glasoberfläche, die die einfallende Laserstrahlung 6 streuen, aufweist. In der Zeichnung ist auch dargestellt, wie einige an der Glasoberfläche festgesetzte Teilchen 5 Streulicht 7 erzeugen. Dieses Streulicht wird teilweise von den Wänden der richtung aufgefangen und zum Außenumfang der Schutzglasvorrichtung gerichtet, d.h. zu der Kante 9 in der Zeichnung.
• Ein Fotodetektor 8 ist so positioniert, dass seine fotosensitive Oberfläche auf den Rand 9 gerichtet ist, so dass an dem Rand gestreutes Licht, welches ein Anzeichen für die Schmutzschicht auf dem Schutzglas ist, detektiert werden kann. Der Fotodetektor detektiert das Ausmaß der Strahlung, die von Teilchen auf der Schutzglasoberfläche gestreut wird. Wenn das Detektorsignal ein bestimmtes Niveau erreicht hat, kann eine Anzeige erfolgen, dass es Zeit ist, das Schutzglas auszutauschen. Der Vorteil einer solchen Detektorüberwachung ist die Tatsache, dass der Zustand des Schutzglases kontinuierlich während des Bearbeitungsvorganges überwacht werden kann.
• Wenn die Randfläche 9 des Schutzglases mattiert wird, dann wird die von Teilchen auf der Schutzglasoberfläche bewirkte Lichtstreuung im Wesentlichen unabhängig davon, wo speziell sich das Teilchen auf der Glasoberfläche befindet. Dies beruht auf der Tatsache, dass Mehrfachreflexionen an der mattierten Oberfläche die vom Rand 9 kommende Lichtintensität gleichförmiger machen.
• In der in 3 dargestellten alternativen Ausführungsform wird das Streulicht am Rand 9 durch eine optische Faser 10 aufgenommen, die mit einem Fotodetektor 8 verbunden ist, der in einiger Entfernung von dem optischen System angeordnet ist.
• Experimente haben gezeigt, dass das Detektorsignal einen großen Signalstärkebereich hat. Auch ein neues Schutzglas hat ein gewisses Streulicht-Niveau, ein Bezugsniveau. Wenn das detektierte Streulicht ein Niveau erreicht hat, welches das 100-fache des Bezugsniveaus ist, kann das Schutzglas noch benutzt werden, ist aber eindeutig schmutzig. Wenn das Streulicht ein Niveau erreicht hat, welches das 1000-fache des Bezugsniveaus ist, ist das Schutzglas so schmutzig, dass es ersetzt werden sollte.
• Eine Messung des Streulicht-Niveaus in Abhängigkeit von dem Ort der Schmutzteilchen hat ergeben, dass im Falle einer mattierten Randfläche das Detektorsignal im Wesentlichen unabhängig davon ist, wo sich die Schmutzteilchen befinden, vorausgesetzt, dass sich die Teilchen innerhalb eines Bereiches von 80% des Durchmessers des Schutzglases befinden. Anstatt mit der Streustrahlung von dem Bearbeitungs-Laserstrahl (Leistungslaserstrahl) zu arbeiten, kann auch die Streustrahlung von jeder anderen im Wesentlichen koaxialen optischen Strahlungsquelle verwendet werden, zum Beispiel die Strahlung eines Steuer- bzw. Messlasers vom HeNe-Typ oder einer Laserdiode. Eine solche Strahlung sollte dann eine andere Wellenlänge als der Bearbeitungs-Leistungslaserstrahl haben und der Detektor sollte mit einem optischen Filter versehen werden, um nur Strahlung mit dieser Wellenlänge zu detektieren.
• Ein Vorteil der Verwendung einer solchen "Zusatzstrahlung" für die Schutzglaskontrolle ist die Tatsache, dass die Messung dann unabhängig von dem Bearbeitungsvorgang erfolgen kann, der Messvorgang kann auch dann durchgeführt werden, wenn der Leitungs-Laserstrahl abgeschaltet ist, und ferner ist das Messsignal auch unabhängig von etwaigen Leistungsschwankungen während des Bearbeitungsvorganges.
• Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern kann innerhalb des Umfangs der Ansprüche abgeändert werden. Ferner kann die Erfindung auch mit anderen Methoden kombiniert werden, mit denen die Ansammlung von Schmutz auf der Schutzglasoberfläche verhindert wird, zum Beispiel mit Querstrahl- oder axialem Blasen arbeitende Verfahren.

Claims (8)

1. Verfahren zum Prüfen des Zustandes eines Schutzglases (3), welches zwischen dem Werkstück und der Laseroptik in einem Laser-Bearbeitungssystem angeordnet ist, in welchem der Bearbeitungslaserstrahl, oder gegebenenfalls andere Strahlung, die zu dem Bearbeitungslaserstrahl koaxial ist, durch das Schutzglas hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, dass man in Verbindung mit dem Rand (9) des Schutzglases (3) einen Fotodetektor (8) anordnet zum Erfassen der Strahlung, die von Schmutz- und Staubteilchen, die sich auf dem Schutzglas (3) festgesetzt haben, zu diesem Rand hin gestreut wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gestreute Strahlung vom Rand des Schutzglases (3) über eine optische Faser (10) zu dem Fotodetektor (8) gerichtet wird.
3. Vorrichtung zum Prüfung des Zustands eines Schutzglases (3), das zwischen dem Werkstück und der Laseroptik in einem Laserbearbeitungssystem angeordnet ist, in welchem der Laserstrahl, oder gegebenenfalls andere Strahlung, die koaxial zu dem Bearbeitungslaserstrahl ist, durch das Schutzglas hindurchtritt, gekennzeichnet durch einen Fotodetektor (8) zum Erfassen der Strahlung, die von Schmutz- und Staubteilchen (5), die sich auf dem Schutzglas (3) festgesetzt haben, gestreut wird und den Rand (9) des Schutzglases erreicht hat.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Randoberfläche (9) des Schutzglases mattiert ist, um eine gleichförmige Lichtintensität von dem Rand zu liefern.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine optische Faser (10), die so angeordnet ist, dass sie die gestreute Strahlung von dem Rand des Schutzglases (3) zu dem Fotodetektor (8) überträgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Randfläche (9) des Schutzglases mattiert ist, um gleichförmige Lichtintensität zu liefern, bevor die Strahlung mittels der optischen Faser (10) zu dem Fotodetektor (8) übertragen wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotodetektor (8) so eingerichtet ist, dass er anzeigt, wenn das detektierte Signal einen bestimmten Pegel erreicht hat.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotodetektor (8) ein Filter aufweist, um nur Streustrahlung von einer Strahlung, die im Wesentlichen koaxial zu dem Bearbeitungslaserstrahl ist, aber eine unterschiedliche Wellenlänge aufweist, zu erfassen.