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DE10040921A1 - Hand-guided processing head for high power diode laser has protective glass temperature and fouling monitoring with temperature measurement by thermoelement in drawer-like bearer - Google Patents

Hand-guided processing head for high power diode laser has protective glass temperature and fouling monitoring with temperature measurement by thermoelement in drawer-like bearer

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Publication number
DE10040921A1
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Authority
DE
Germany
Prior art keywords
speed
laser
protective glass
processing head
control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10040921A
Other languages
German (de)
Inventor
Kurosch Farnusch
Guenter Michel
Thomas Heyse
Ulf Seifert
Dirk Jahn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
Original Assignee
SAM SAECHSISCHE ANLAGEN- und MASCHINENBAU GmbH
SAM SAECHSISCHE ANLAGEN und MA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SAM SAECHSISCHE ANLAGEN- und MASCHINENBAU GmbH, SAM SAECHSISCHE ANLAGEN und MA filed Critical SAM SAECHSISCHE ANLAGEN- und MASCHINENBAU GmbH
Priority to DE10040921A priority Critical patent/DE10040921A1/en
Priority to DE20014423U priority patent/DE20014423U1/en
Publication of DE10040921A1 publication Critical patent/DE10040921A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

The device has protective glass (3) monitoring with respect to temperature and fouling on the basis of a temperature measurement of the protective glass with a thermoelement (6) in combination with a specially designed drawer-like bearer (5) containing the thermoelement. The measurement values are used to detect satisfactory glass and to control the laser power.

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich der Materialbearbeitung mittels Hochleistungsdiodenlaser, insbesondere zum Schweißen, Oberflächenreinigen, Auftragsschweißen, Schneiden, Bohren, Gravieren und dgl.The invention relates to the field of material processing High power diode laser, especially for welding, surface cleaning, Cladding, cutting, drilling, engraving and the like

Vorgestellt wird ein handgeführter Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser, oder andere Laser, deren Wellenlängen durch Lichtwellenleiter übertragen werden können, der speziell für die Einhandführung konzipiert ist.A hand-held processing head for a high-power diode laser is presented, or other lasers whose wavelengths can be transmitted through optical fibers, which is specially designed for one-handed use.

Systemkomponenten sind im wesentlichen der erwähnte Bearbeitungskopf mit Anordnungen zum Strahlungsschutz, zur Abstandsregulierung und zur Leistungssteuerung in Abhängigkeit von der Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Laserquelle, die Stromversorgung mit Regelung und eine Sicherheitssensorik.System components are essentially the processing head mentioned Arrangements for radiation protection, distance regulation and power control depending on the processing speed, a laser source, the power supply with regulation and a safety sensor system.

Der Stand der Technik auf dem in Rede stehenden Gebiet hält verschiedene Systeme zur Materialbearbeitung mit handgeführten Laserbearbeitungsköpfen bereit, wobei unter "handgeführt" überwiegend zu verstehen ist, daß der Laserbearbeitungskopf mit Hand auf das Werkstück aufgesetzt und mittels einer motorisch betriebenen Antriebseinheit auf diesem geführt wird.The prior art in the field in question holds various systems Material processing with hand-held laser processing heads ready, taking under "Hand-held" is mainly to be understood that the laser processing head with hand the workpiece is placed on and by means of a motor-driven drive unit this is led.

Es erscheint aber wünschenswert, einen Bearbeitungskopf zur Verfügung zu haben, der eine freie Einhandführung ermöglicht, d. h. ohne Antriebseinheit für die Bewegung auf dem Werkstück.However, it seems desirable to have a processing head available that allows free one-handed guidance, d. H. without drive unit for movement the workpiece.

In der DE OS 42 12 391 ist ein Laserhandstück für den Dentalbereich vorgestellt, in welchem das Auskoppelende eines Lichtleiters gelagert ist. Das Handstück trägt weiterhin einen Fokussier- und Umlenkkopf sowie andere Elemente.DE OS 42 12 391 presents a laser handpiece for the dental field, in which the outcoupling end of an optical fiber is mounted. The handpiece carries furthermore a focusing and deflection head as well as other elements.

Hier ist davon auszugehen, daß dieses Gerät nicht für den Hochleistungsbereich vorgesehen und geeignet ist. Here it can be assumed that this device is not for the high-performance range is provided and suitable.  

In der DE 198 39 482 wird ein Materialbearbeitungssystem mittels Hochleistungsdiodenlaser vorgestellt, das einen Bearbeitungskopf beinhaltet. Der Bearbeitungskopf enthält alle für die qualitätsgerechte Durchführung des Arbeitsprozesses und den Schutz des Bedieners erforderlichen Komponenten.DE 198 39 482 describes a material processing system High-performance diode laser presented, which includes a processing head. The processing head contains all for the high quality execution of the Components of the work process and the protection of the operator.

Dieser Bearbeitungskopf soll durch die nachfolgend vorgestellte Erfindung im Hinblick auf Wartungsfreundlichkeit, Streustrahlungsschutz, Geschwindigkeits- und Leistungsregelung weiter optimiert und darüber hinaus durch Zusatzfunktionen im Gebrauchswert verbessert werden.This processing head is intended by the invention presented below in view on ease of maintenance, protection against stray radiation, speed and Performance control further optimized and also through additional functions in the Use value can be improved.

Dazu sind bekannte zur Funktion und für die Lasersicherheit zwingend erforderliche Elemente mit erfinderischen Merkmalen zu kombinieren, mit dem Ziel, ein Handgerät für die freie einhändige Führung auf dem Werkstück zur Verfügung zu haben, das eine Masse unter drei Kilogramm besitzt.For this purpose, known ones are absolutely necessary for function and for laser safety Combine elements with inventive features, with the aim of being a handheld device to have free one-handed guidance on the workpiece, which is a mass less than three kilograms.

Der erfindungsgemässe handgeführte Bearbeitungskopf weist folgende Komponenten auf:
The hand-held processing head according to the invention has the following components:

  • - Ergonomischer Griff zur Einhandführung;- Ergonomic handle for one-handed use;
  • - Fasereinkopplung im Griff des Bearbeitungskopfes;- Fiber coupling in the handle of the processing head;
  • - Kollimationsoptik zur Strahlenbündelung;- collimation optics for beam bundling;
  • - Spiegel zur Umlenkung des Strahlenganges zwischen 0 und 120°;- Mirror for deflecting the beam path between 0 and 120 °;
  • - Optik zur Fokussierung der Strahlung;- Optics to focus the radiation;
  • - Kamera und Optik zur Prozessbeobachtung, wobei der Arbeitsbereich direkt einsehbar oder vorzugsweise auf einem Display am Bearbeitungskopf zu verfolgen ist;- Camera and optics for process observation, the work area directly can be viewed or preferably tracked on a display on the processing head;
  • - Drei unabhängig voneinander wirkende Sicherheitskreise, nämlich einen Laserfreigabetaster, der erkennt, ob der Bearbeitungskopf auf dem Werkstück aufliegt, weiterhin einen induktiven Geber zur Metallerkennung und schliesslich eine softwaregesteuerte Kontrollfunktion mittels Mikrokontroller;- Three independent safety circles, namely one Laser release button, which detects whether the machining head rests on the workpiece, furthermore an inductive sensor for metal detection and finally one software-controlled control function using a microcontroller;
  • - Schalter zur Programmwahl;- switch for program selection;
  • - Bearbeitungsdüse;- processing nozzle;
  • - LED-Ring zur Ausleuchtung des Arbeitsbereiches;- LED ring for illuminating the work area;
  • - Bürstenkranz und Lamellenumhüllung zum Streustrahlungsschutz; - Brush ring and lamella cover for protection against stray radiation;  
  • - An der Düse angeordnete Laufräder oder Kugeln als Weg- bzw. Geschwindigkeitsaufnehmer, gleichzeitig als Abstandshalte- und -regeleinrichtung;- Impellers or balls arranged on the nozzle as path or Speed sensor, at the same time as a spacing and control device;
  • - Zusatzdrahtzuführung;- Additional wire feed;
  • - Temperaturüberwachung des Bearbeitungskopfes;- temperature monitoring of the machining head;
  • - Schutzglas koaxial und cross jet;- protective glass coaxial and cross jet;
  • - Status- und Parameteranzeige am Bearbeitungskopf.- Status and parameter display on the processing head.

Für eine optimale und sichere Arbeitsweise sind diese teilweise unverzichtbar bzw. zweckmässig.For optimal and safe operation, these are sometimes indispensable or practical.

Zur weiteren Optimierung eines handgeführten Bearbeitungskopfes ohne motorisch betriebene Antriebseinheit für einen Hochleistungsdiodenlaser und andere Laser, deren Wellenlängen durch Lichtwellenleiter übertragen werden können, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, das Schutzglas in einem schubladenartigen Träger anzuordnen und hinsichtlich Temperatur und Verschmutzungsgrad zu überwachen, die am Düsenende angeordneten Weg- bzw. Geschwindigkeitsaufnehmer zur Geschwindigkeits- Leistungssteuerung und zur Geschwindigkeits-Zusatzdrahtvorschubsteuerung zu benutzen und weiterhin einen beweglichen Düsenaufsatz zum Zweck der dynamischen Anpassung des Streustrahlungsschutzes an das zu bearbeitende Werkstück in geeigneter Weise an der Bearbeitungsdüse anzuordnen.For further optimization of a hand-held machining head without a motor powered drive unit for a high power diode laser and other lasers, whose wavelengths can be transmitted through optical fibers, is proposed according to the invention, the protective glass in a drawer-like carrier to arrange and to monitor with regard to temperature and degree of pollution, which on Distance or speed transducers arranged for the speed Power control and speed wire feed control and also a movable nozzle attachment for the purpose of dynamic adjustment the scattered radiation protection to the workpiece to be machined in a suitable manner on the Arrange the processing nozzle.

Die vorgeschlagenen Massnahmen werden nachfolgend näher erläutert:The proposed measures are explained in more detail below:

Schutzglasträger und SchutzglasüberwachungProtective glass support and protective glass monitoring

Bei geringen Arbeitsabständen von Lasermaterialbearbeitungsoptiken vom direkten Arbeitsbereich ist es zwingend erforderlich, letztere vor Verschmutzung mittels eines zwischengelagerten Schutzglases zu bewahren.With short working distances of laser material processing optics from direct It is imperative to protect the work area from contamination by means of a to keep the protective glass in storage.

Da die Verschmutzung einen Teil der Laserstrahlung absorbiert und somit die Laserleistung am Bearbeitungsort verringert, ist es darüber hinaus erforderlich, den Verschmutzungsgrad des Schutzglases, im Extremfall dessen Zerstörung, zu überwachen, um es rechtzeitig reinigen bzw. austauschen zu können. Since the pollution absorbs part of the laser radiation and thus the Laser power reduced at the machining site, it is also necessary the degree of contamination of the protective glass, in extreme cases its destruction, to be monitored so that it can be cleaned or replaced in good time.  

Hierzu wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, das Schutzglas in einem Träger anzuordnen. Dieser ist zur Sichtkontrolle auf Unregelmässigkeiten oder zum Austausch des Schutzglases ohne Justage schnell und problemlos in den Strahlengang der Bearbeitungsoptik einbringbar bzw. aus diesem zu entfernen, vorzugsweise mittels eines Schiebe- oder Klappmechanismus. Der Träger beherbergt ein Thermoelement zur Messung der Schutzglastemperatur. Das Thermoelement ist dazu auf bzw. in der Auflagefläche für das Schutzglas angeordnet und hat zu diesem direkten Kontakt, wodurch die Schutzglastemperatur unmittelbar detektiert werden kann.For this purpose, it is proposed according to the invention to arrange the protective glass in a carrier. This is for visual inspection for irregularities or for exchanging the Protective glass quickly and easily into the beam path without adjustment Machining optics can be introduced or removed, preferably by means of a Sliding or folding mechanism. The carrier houses a thermocouple for measurement the protective glass temperature. For this purpose, the thermocouple is on or in the contact surface for the protective glass is arranged and has direct contact with this, which makes the Protective glass temperature can be detected immediately.

Ein Beispiel für die apparative Gestaltung ist im späteren Beschreibungstext in einem Ausführungsbeispiel angegeben.An example of the equipment design is in the later description text in one Embodiment specified.

Der Anstieg der Schutzglastemperatur nach Einschalten des Lasers ist in Abhängigkeit von der verwendeten Laserleistung ein Mass für den Verschmutzungsgrad bzw. ein Indiz für einen Defekt am Schutzglas und kann somit aus dem Signal des Thermoelements abgeleitet werden. Mittels eines geeigneten Anzeigeelements ist der Verschmutzungsgrad und/oder die Temperatur des Schutzglases für den Bediener darstellbar und kann von diesem entsprechend interpretiert werden. Zweckmässigerweise wird die Laserleistung in Abhängigkeit vom ermittelten Verschmutzungsgrad des Schutzglases im Hinblick auf ein konstantes Leistungsangebot am Arbeitsort geregelt.The increase in the protective glass temperature after switching on the laser depends on the laser power used is a measure of the degree of contamination or an indication of a defect in the protective glass and can therefore from the signal of the thermocouple be derived. The degree of contamination is determined by means of a suitable display element and / or the temperature of the protective glass can be represented by the operator and can be interpreted accordingly. The laser power is expediently in Dependence on the determined degree of contamination of the protective glass with regard to constant range of services regulated at the place of work.

Die verschmutzten Schutzgläser sind somit ohne massgebliche Beeinträchtigung der Bearbeitungsqualität länger nutzbar.The soiled protective glasses are thus without significant impairment of the Processing quality can be used for longer.

Bei Überschreiten einer kritischen Temperatur wird der Bearbeitungslaser abgeschaltet. Dadurch wird die Zerstörung des Schutzglases und der dahinter liegenden Optik verhindert.The processing laser is switched off when a critical temperature is exceeded. This will destroy the protective glass and the optics behind it prevented.

Die vorgestellte Messung der Schutzglastemperatur stellt gegenüber bisher verwendeten Systemen, die den Verschmutzungsgrad über die austretende Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge bestimmen, eine robuste gegenüber Verunreinigungen unempfindliche Schutzglasüberwachung dar.The presented measurement of the protective glass temperature compared to previously used Systems that vary the degree of pollution via the emerging radiation Wavelength determine a robust, insensitive to impurities Protective glass monitoring.

Vorteilhafterweise ist der Schutzglasträger aus einem schlecht wärmeleitenden Material gefertigt. Somit erreicht man eine thermische Entkopplung des Schutzglases von den durch den Bearbeitungsprozess erhitzten Teilen, beispielsweise der Bearbeitungsdüse. The protective glass support is advantageously made of a poorly heat-conducting material manufactured. This achieves thermal decoupling of the protective glass from the parts heated during the machining process, for example the machining nozzle.  

Das hat den Vorteil, dass Messwertverfälschungen vermieden und die Thermospannungen im Schutzglas reduziert werden.This has the advantage that measurement errors are avoided and the thermal voltages be reduced in the protective glass.

Schliesslich beinhaltet der Schutzglasträger einen Verriegelungsmechanismus. Dieser ist vorteilhafterweise so gestaltet, dass er den elektrischen Kontakt zum Thermoelement nur dann schliesst, wenn sich ein Schutzglas im Träger befindet und dieser korrekt in den optischen Strahlengang eingesetzt ist. Somit ist über den Kontakt des Thermoelements feststellbar, ob ein Schutzglas ordnungsgemäss im Bearbeitungskopf einliegt.Finally, the protective glass support contains a locking mechanism. This is advantageously designed so that it makes electrical contact with the Thermocouple closes only when there is a protective glass in the carrier and this is correctly inserted into the optical beam path. Thus, the contact of the Thermocouple can determine whether a protective glass is properly in the processing head rests.

Geschwindigkeits-LeistungssteuerungSpeed power control

Die erfindungsgemäss vorgeschlagene Geschwindigkeits-Leistungssteuerung ist am Bearbeitungskopf eines Laserschweissgerätes realisiert und ermöglicht das Laserhandschweissen mit Hochleistungsdiodenlasern wie auch anderen Laserquellen. Die Leistungssteuerung basiert auf der Verfahrgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes auf dem Werkstück, und zwar durch einer Art Wertzuweisung, bei der vorher experimentell ermittelte Kennlinien oder berechnete Kennlinien herangezogen werden. Ohne diese Steuerung wären keine lasergerechten Schweissungen von Hand realisierbar. Zunächst wird die Bearbeitungs- oder Verfahrgeschwindigkeit in individuell unterschiedlicher Weise, abhängig vom Bediener, vorgegeben. Dabei werden keine Achsen motorisch betriebenen. Die Geschwindigkeit wird berührungslos über ein optisches System oder berührend mittels einer mechanischen Einrichtung aufgenommen. Ein im Bearbeitungskopf befindlicher Mikrocontroller übernimmt die Signalverarbeitung. Die Signalauswertung ergibt ein Steuersignal, welches die Beziehung zwischen der Laserleistung und der Vorschubgeschwindigkeit beschreibt.The speed power control proposed according to the invention is on Processing head of a laser welding device realizes and enables this Manual laser welding with high-power diode lasers as well as other laser sources. The power control is based on the travel speed of the machining head on the workpiece, through a kind of value assignment, in which experimentally determined characteristic curves or calculated characteristic curves are used. Without this control, laser-friendly welding would not be possible by hand. First, the processing or travel speed is individual different ways, depending on the operator. There are none Motor-driven axes. The speed is non-contact via a optical system or touch using a mechanical device. A microcontroller in the processing head takes over the signal processing. The signal evaluation results in a control signal which defines the relationship between the Laser power and the feed rate describes.

Die Steuerung erfolgt innerhalb eines Geschwindigkeitsintervalls, in dem eine Änderung der Verfahrgeschwindigkeit eine Änderung der Laserleistung nach sich zieht. The control takes place within a speed interval in which a change the speed of travel causes a change in the laser power.  

Die Kennlinien der Laserleistung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, die entweder berechnet oder aber aus Experimenten ermittelt wurden, werden bei Variation der Prozessparameter, beispielsweise Materialart oder Materialdicke, vom Programmspeicher abgefragt. Das ermittelte Steuersignal dient der Veränderung der Laserleistung. Die beschriebene Geschwindigkeits-Leistungssteuerung ist nicht auf diesen konkreten Einsatzfall beschränkt. Sie ist in Verbindung mit anderen Laseranlagen, zum Beispiel solche mit Festkörperlasern, hand- oder maschinengeführt, auch anderweitig einsetzbar.The characteristics of the laser power depending on the speed, either were calculated or determined from experiments, with variation of the Process parameters, for example material type or material thickness, from the program memory queried. The control signal determined serves to change the laser power. The speed-power control described is not on this specific one Limited use case. It is in connection with other laser systems, for example those with solid-state lasers, hand or machine-guided, can also be used for other purposes.

Geschwindigkeits-ZusatzdrahtvorschubsteuerungSpeed filler wire feed control

Die Geschwindigkeits-Zusatzdrahtvorschubsteuerung ist wie die Geschwindigkeits- Leistungssteuerung im oder am Bearbeitungskopf eines mobilen Laserhandschweissgerätes realisiert. Sie ermöglicht das Laserhandschweissen mit Zusatzwerkstoff auf der Basis von Hochleistungsdiodenlasern und anderen Laserquellen.The speed wire feed control is like the speed Power control in or on the processing head of a mobile laser welding machine realized. It enables laser manual welding with filler material based on High power diode lasers and other laser sources.

Die Zusatzdrahtvorschubsteuerung beruht auf der Verfahrgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes auf dem Werkstück.The additional wire feed control is based on the travel speed of the Machining head on the workpiece.

Basis für die Geschwindigkeits-Zusatzdrahtvorschubsteuerung ist eine Art Wertzuweisung, bei der vorher experimentell ermittelte Kennlinien oder berechnete Kennlinien herangezogen werden.The basis for the speed wire feed control is a kind of value assignment, in the case of previously determined characteristic curves or calculated characteristic curves be used.

Zunächst wird die Bearbeitungs- oder Verfahrgeschwindigkeit individuell vom Bediener vorgegeben. Dabei werden keine Achsen motorisch betriebenen.First of all, the processing or travel speed is set individually by the operator specified. No axes are motor-driven.

Die Geschwindigkeit wird berührungslos über ein optisches System oder berührend mittels einer mechanischen Einrichtung aufgenommen. Ein im Bearbeitungskopf befindlicher Mikrocontroller übernimmt die Signalverarbeitung.The speed is contactless via an optical system or touching a mechanical device added. One in the processing head Microcontroller handles signal processing.

Das Ergebnis der Signalauswertung ist ein Steuersignal, welches die Beziehung zwischen Zusatzdrahtvorschub und Verfahrgeschwindigkeit beschreibt.The result of the signal evaluation is a control signal, which shows the relationship between Additional wire feed and travel speed are described.

Die Steuerung erfolgt innerhalb eines Geschwindigkeitsintervalls, in dem eine Änderung der Verfahrgeschwindigkeit eine Änderung des Zusatzdrahtvorschubs bewirkt. The control takes place within a speed interval in which a change the travel speed causes a change in the additional wire feed.  

Die Kennlinien des Zusatzdrahtvorschubs in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, die entweder berechnet oder aus Experimenten ermittelt wurden, werden bei Variation der Schweissparameter, beispielsweise der Materialart, -dicke oder der Spaltbreite, vom Programmspeicher abgefragt. Das ermittelte Signal dient der Ansteuerung der Zusatzdrahtvorschubeinheit, bestehend aus Motor, Drahtführungssystem und Drahtvorrat. Die Geschwindigkeits-Zusatzdrahtvorschubsteuerung kann auch in Verbindung mit anderen Laseranlagen, beispielsweise mit Festkörperlasern eingesetzt werden, die entweder hand- oder maschinengeführt sind.The characteristics of the additional wire feed depending on the speed, which have either been calculated or determined from experiments are modified when the Welding parameters, for example the type, thickness or gap width, queried from the program memory. The signal determined is used to control the Additional wire feed unit, consisting of motor, wire guide system and wire supply. The speed wire feed control can also be used in conjunction with other laser systems, for example with solid-state lasers, are used either are hand or machine-operated.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierzu werden mehrere Zeichnungen herangezogen.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. Several drawings are used for this.

In Fig. 1 ist eine apparative Lösung für einen Laserschutzglasträger angegeben.In Fig. 1, a solution of apparatus is specified for a laser safety glass support.

Fig. 2 ist eine Prinzipskizze für die Geschwindigkeits-Leistungssteuerung und Fig. 3 zeigte eine solche für die Geschwindigkeits-Zusatzdrahtvorschubsteuerung. Fig. 2 is a schematic diagram for the speed power control and Fig. 3 shows one for the speed wire feed control.

Die verwendeten Bezugszeichen bedeuten:The reference symbols used mean:

11

Laser,
Laser,

22

Bearbeitungsoptik,
Processing optics,

33

Schutzglas,
Protective glass,

44

Verriegelung,
lock

55

Schutzglasträger,
Protective glass support,

66

Thermoelement,
Thermocouple,

77

Bearbeitungsdüse,
machining nozzle,

88th

Wegaufnehmer,
transducer,

99

Mikrocontroller,
microcontroller,

1010

Sensor,
Sensor,

1111

D/A-Wandler,
D / A converter,

1212

Inkrementalgeber,
incremental,

1313

Elemente zur Zusatzdrahtfreigabe,
Additional wire release elements,

1414

Zusatzdrahtvorschubeinheit,
Filler wire feed unit,

1515

Elemente zur Kommunikation,
Elements for communication,

1616

Elemente zur Laserfreigabe,
Elements for laser release,

1717

Elemente zur Lasersicherheit,
Elements for laser safety,

1818

Elemente zur Status- und Parameteranzeige,
Elements for status and parameter display,

1919

Netzteil.
Power adapter.

Zunächst wird ein Beispiel für einen Schutzglasträger in Verbindung mit einer Schutzglasüberwachung angegeben. Der Schutzglasträger ist in Fig. 1 zeichnerisch dargestellt.First of all, an example of a protective glass support is given in connection with a protective glass monitor. The protective glass support is shown graphically in FIG. 1.

Im wesentlichen besteht dieser aus dem Träger 5 für das Schutzglas 3, einem Thermoelement 6 und einer Verriegelung 4.This essentially consists of the carrier 5 for the protective glass 3 , a thermocouple 6 and a lock 4 .

Das Thermoelement 6 ist so am Träger 5 befestigt, dass es bei eingelegtem Schutzglas 3 unmittelbar an diesem anliegt. Darüber hinaus ist das Schutzglas 3 mittels der Verriegelung 4, die in fachüblicher Weise ausgebildet ist, gesichert. Sie trägt dazu bei, dass das Schutzglas 3 korrekt am Thermoelement 6 anliegt bzw. im Träger 5 positioniert ist.The thermocouple 6 is fastened to the carrier 5 in such a way that it lies directly against the protective glass 3 when it is inserted. In addition, the protective glass 3 is secured by means of the lock 4 , which is designed in a manner customary in the art. It helps to ensure that the protective glass 3 lies correctly on the thermocouple 6 or is positioned in the carrier 5 .

Die gesamte Einheit ist durch Verschieben in die Bearbeitungsdüse 7 einsetzbar bzw. aus dieser entfernbar. Ebenso wäre dafür ein Klappmechanismus denkbar. Zur Funktionsweise der Schutzglasüberwachung wird auf den vorangestellten Beschreibungstext verwiesen.The entire unit can be inserted into or removed from the processing nozzle 7 by moving it. A folding mechanism would also be conceivable for this. Reference is made to the preceding description of how the protective glass monitoring works.

Eine Geschwindigkeits-Leistungssteuerung ist wie bereits beschrieben realisiert.A speed power control is implemented as already described.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze dazu. Fig. 2 shows a schematic diagram for this.

Die Steuerung besteht aus einem Mikrokontroller 9 zur Signalverarbeitung, -auswertung und -generierung, einem D/A-Wandler 11 und einem Inkrementalgeber 12 als zentrale Einheit.The control consists of a microcontroller 9 for signal processing, evaluation and generation, a D / A converter 11 and an incremental encoder 12 as a central unit.

Der Inkrementalgeber 12 bezieht Signale von einem Wegaufnehmer 8 im gewählten Beispiel in Form eines Laufrades in Verbindung mit einem Sensor 10.The incremental encoder 12 receives signals from a displacement sensor 8 in the selected example in the form of an impeller in conjunction with a sensor 10 .

Dem Mikrokontroller 9 sind Elementen zur Kommunikation 15 in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung zugeordnet. Er gibt Informationen an Elemente zur Laserfreigabe 16, zur Lasersicherheit 17 und zur Status- und Parameteranzeige 18 ab. Der D/A-Wandler ist mit einem Netzteil 19 verbunden. The microcontroller 9 is assigned elements for communication 15 in the form of a programmable logic controller. It provides information to elements for laser release 16 , laser safety 17 and status and parameter display 18 . The D / A converter is connected to a power supply 19 .

Über die genannten Elemente sind somit Wirkverbindungen zum Lasertreiber, zur Laserquelle und zur Bearbeitungsdüse 7 hergestellt.Active connections to the laser driver, the laser source and the processing nozzle 7 are thus established via the elements mentioned.

Die Geschwindigkeits-Zusatzdrahtvorschubsteuerung ist prinzipiell gleich aufgebaut. Hier gibt der D/A-Wandler 11 das Steuersignal an die Zusatzdrahtvorschubeinheit 14 aus. Der Mikrokontroller 6 gibt zusätzlich Informationen an Elemente zur Zusatzdrahtfreigabe 13 ab.The speed wire feed control is basically the same. Here, the D / A converter 11 outputs the control signal to the additional wire feed unit 14 . The microcontroller 6 additionally outputs information to elements for the additional wire release 13 .

Eine Prinzipskizze hierfür ist in Fig. 3 angegeben.A basic sketch for this is given in FIG. 3.

Die Weg- bzw. Geschwindigkeitsaufnehmer befinden sich am Ende der Bearbeitungsdüse 7.The displacement and speed sensors are located at the end of the processing nozzle 7 .

An dieser ist ein beweglicher Düsenaufsatz zum Zweck der dynamischen Anpassung des Streustrahlungsschutzes an das zu bearbeitende Werkstück angeordnet.On this is a movable nozzle attachment for the purpose of dynamic adjustment of the Scattered radiation protection arranged on the workpiece to be machined.

Claims (10)

1. Handgeführter Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser, der die nachfolgend genannten Bauelemente zwingend oder optional enthält
  • - Ergonomischer Griff zur Einhandführung,
  • - Fasereinkopplung im Griff des Bearbeitungskopfes,
  • - Kollimationsoptik zur Strahlenbündelung,
  • - Spiegel zur Umlenkung des Strahlenganges zwischen 0 und 120°, Optik zur Fokussierung der Strahlung,
  • - Kamera und Optik zur Prozessbeobachtung, wobei der Arbeitsbereich direkt einsehbar oder vorzugsweise auf einem Display am Bearbeitungskopf abgebildet ist,
  • - Drei unabhängig voneinander wirkende Sicherheitskreise, nämlich einen Laserfreigabetaster, der erkennt, ob der Bearbeitungskopf auf dem Werkstück aufliegt, weiterhin einen induktiven Geber zur Metallerkennung und schliesslich eine softwaregesteuerte Kontrollfunktion mittels Mikrokontroller,
  • - Schalter zur Programmwahl,
  • - Bearbeitungsdüse,
  • - LED-Ring zur Ausleuchtung des Arbeitsbereiches,
  • - Bürstenkranz und Lamellenumhüllung zum Streustrahlungsschutz,
  • - An der Düse angeordnete Laufräder oder Kugeln als Weg- bzw. Geschwindigkeitsaufnehmer, gleichzeitig als Abstandshalte- und -regeleinrichtung;
  • - Zusatzdrahtzuführung,
  • - Temperaturüberwachung des Bearbeitungskopfes,
  • - Schutzglas koaxial und cross jet,
  • - Status- und Parameteranzeige am Bearbeitungskopf,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzglasüberwachung hinsichtlich Temperatur und Verschmutzungsgrad auf der Basis der Temperaturmessung des Schutzglases mittels Thermoelement (6) in Verbindung mit einem speziell ausgebildeten schubladenartigen Träger (5), der das Thermoelement (6) beinhaltet, realisiert ist, wobei die Messwerte zur Detektion des ordnungsgemäss eingelegten Schutzglases (3) und zum Steuern der Laserleistung zur Verfügung stehen,
dass eine Geschwindigkeits-Leistungssteuerung vorgesehen ist, bei der die individuell durch den Bediener vorgegebene Geschwindigkeit mit vorher experimentell ermittelten oder berechneten Kennlinien der Laserleistung in Abhängigkeit von der Verfahrgeschwindigkeit in einem Mikrokontroller (9) verglichen und zu einem Steuersignal verarbeitet wird, welches innerhalb eines Geschwindigkeitsintervalls eine Änderung der Laserleistung bewirkt,
dass eine Geschwindigkeits-Zusatzdrahtvorschubsteuerung vorgesehen ist, bei der die individuell durch den Bediener vorgegebene Geschwindigkeit mit vorher experimentell ermittelten oder berechneten Kennlinien für den Zusatzdrahtvorschub in Abhängigkeit von der Verfahrgeschwindigkeit in einem Mikrokontroller (9) verglichen und zu einem Steuersignal verarbeitet wird, welches innerhalb eines Geschwindigkeitsintervalls eine Änderung des Zusatzdrahtvorschubs bewirkt,
dass die Weg- bzw. Geschwindigkeitsaufnehmer am Ende der Bearbeitungsdüse (7) angeordnet sind
dass ein beweglicher Düsenaufsatz zum Zweck der dynamischen Anpassung des Streustrahlungsschutzes an das zu bearbeitende Werkstück vorhanden ist
und dass der Bearbeitungskopf sowohl für Hochleistungsdiodenlaser als auch für andere Laser, deren Wellenlängen durch Lichtwellenleiter übertragen werden können, einsetzbar ist.
1. Hand-held processing head for a high-power diode laser, which contains the components listed below either mandatory or optional
  • - Ergonomic handle for one-handed guidance,
  • - fiber coupling in the handle of the processing head,
  • - collimation optics for beam bundling,
  • Mirrors for deflecting the beam path between 0 and 120 °, optics for focusing the radiation,
  • - Camera and optics for process observation, whereby the work area can be viewed directly or is preferably shown on a display on the processing head,
  • Three independent safety circuits, namely a laser release button that detects whether the machining head rests on the workpiece, an inductive sensor for metal detection and finally a software-controlled control function using a microcontroller,
  • - switch for program selection,
  • - machining nozzle,
  • - LED ring for illuminating the work area,
  • - Brush ring and lamella cover for protection against stray radiation,
  • - On the nozzle arranged impellers or balls as a displacement or speed sensor, at the same time as a spacing and control device;
  • - additional wire feed,
  • - temperature monitoring of the machining head,
  • - protective glass coaxial and cross jet,
  • - Status and parameter display on the processing head,
characterized in that protective glass monitoring with regard to temperature and degree of contamination is implemented on the basis of the temperature measurement of the protective glass by means of a thermocouple ( 6 ) in conjunction with a specially designed drawer-like carrier ( 5 ) which contains the thermocouple ( 6 ), the measured values being used for detection the properly inserted protective glass ( 3 ) and to control the laser power,
that a speed power control is provided, in which the speed individually specified by the operator is compared with previously experimentally determined or calculated characteristic curves of the laser power as a function of the travel speed in a microcontroller ( 9 ) and processed to form a control signal which within a speed interval Change in laser power causes
that a speed additional wire feed control is provided in which the speed individually specified by the operator is compared with previously experimentally determined or calculated characteristic curves for the additional wire feed as a function of the travel speed in a microcontroller ( 9 ) and processed into a control signal which is generated within a speed interval causes a change in the additional wire feed,
that the displacement or speed sensors are arranged at the end of the processing nozzle ( 7 )
that a movable nozzle attachment is available for the purpose of dynamically adapting the anti-scatter protection to the workpiece to be machined
and that the processing head can be used both for high-power diode lasers and for other lasers whose wavelengths can be transmitted by optical fibers.
2. Handgeführter Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzglasträger im wesentlichen aus dem Träger (5) für das Schutzglas (3), einem Thermoelement (6) und einer Verriegelung (4) zusammengesetzt ist, dass bei eingelegtem Schutzglas (3) unmittelbarer Kontakt zwischen diesem und dem Thermoelement (6) hergestellt ist, dass das Schutzglas (3) mittels der Verriegelung (4) gesichert ist und dass die gesamte Einheit durch Verschieben in die Bearbeitungsdüse (13) einsetzbar bzw. aus dieser entfernbar ist oder dass dafür ein Klappmechanismus vorgesehen ist.2. Hand-held processing head for a high-power diode laser according to claim 1, characterized in that the protective glass carrier is composed essentially of the carrier ( 5 ) for the protective glass ( 3 ), a thermocouple ( 6 ) and a lock ( 4 ) that when the protective glass is inserted ( 3 ) direct contact between this and the thermocouple ( 6 ) is established, that the protective glass ( 3 ) is secured by means of the locking mechanism ( 4 ) and that the entire unit can be inserted or removed from the processing nozzle ( 13 ) by moving it or that a folding mechanism is provided for this. 3. Handgeführter Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (5) für das Schutzglas (3) aus einem schlecht wärmeleitenden Material besteht und somit eine thermische Entkopplung des Schutzglases (3) von den durch den Bearbeitungsprozess erhitzten Teilen des Bearbeitungskopfes realisiert ist.3. Hand-held processing head for a high-power diode laser according to claims 1 and 2, characterized in that the carrier ( 5 ) for the protective glass ( 3 ) consists of a poorly heat-conducting material and thus thermal decoupling of the protective glass ( 3 ) from those caused by the machining process heated parts of the machining head is realized. 4. Handgeführter Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelung (4) so gestaltet ist, dass eine elektrische Kontaktgabe zum Thermoelement (6) nur dann hergestellt ist, wenn sich ein Schutzglas (3) im Träger (5) befindet und dieser korrekt in den optischen Strahlengang eingesetzt ist. 4. Hand-held processing head for a high-power diode laser according to claims 1 and 2, characterized in that the lock ( 4 ) is designed so that electrical contact to the thermocouple ( 6 ) is only made when there is a protective glass ( 3 ) in the carrier ( 5 ) and this is correctly inserted into the optical beam path. 5. Handgeführter Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeits-Leistungssteuerung einen Mikrokontroller (9) zur Signalverarbeitung, -auswertung und -generierung sowie einen D/A-Wandler (11) und einen Inkrementalgeber (12) beinhaltet, wobei dem Inkrementalgeber (12) ein Wegaufnehmer (8), dem Mikrokontroller (9) Elemente zur Kommunikation (15) in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung und solche zur Laserfreigabe (16), zur Lasersicherheit (17) und zur Status- und Parameteranzeige (18) und dem D/A-Wandler (11) ein Netzteil (19) zugeordnet ist, und dass Wirkverbindungen zum Lasertreiber, zur Laserquelle und zur Bearbeitungsdüse (7) bestehen.5. Hand-held processing head for a high-power diode laser according to claim 1, characterized in that the speed power control includes a microcontroller ( 9 ) for signal processing, evaluation and generation, as well as a D / A converter ( 11 ) and an incremental encoder ( 12 ), The incremental encoder ( 12 ) has a displacement sensor ( 8 ), the microcontroller ( 9 ) has elements for communication ( 15 ) in the form of a programmable logic controller and those for laser release ( 16 ), laser safety ( 17 ) and for status and parameter display ( 18 ). and a power supply unit ( 19 ) is assigned to the D / A converter ( 11 ), and that there are active connections to the laser driver, to the laser source and to the processing nozzle ( 7 ). 6. Handgeführter Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung der Geschwindigkeits-Zusatzdrahtvorschubsteuerung der Mikrokontroller (9) zum Zweck der Signalverarbeitung, -auswertung und -generierung sowie der D/A-Wandler (11) und der Inkrementalgeber (12) vorgesehen ist, wobei dem Inkrementalgeber (12) der Wegaufnehmer (8), dem Mikrokontroller (9) Elemente zur Kommunikation (15) in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung, Elemente zur Laserfreigabe (16), zur Lasersicherheit (17) und zur Status- und Parameteranzeige (18) sowie solche Zusatzdrahtfreigabe (13) zugeordnet sind, während der D/A-Wandler (11) mit einer Zusatzdrahtvorschubeinheit (14) verbunden ist, und dass Wirkverbindungen zum Lasertreiber, zur Laserquelle und zur Bearbeitungsdüse (7) bestehen.6. Hand-held processing head for a high-power diode laser according to claim 1, characterized in that for realizing the speed additional wire feed control of the microcontroller ( 9 ) for the purpose of signal processing, evaluation and generation as well as the D / A converter ( 11 ) and the incremental encoder ( 12 ) is provided, the incremental encoder ( 12 ) the displacement sensor ( 8 ), the microcontroller ( 9 ) elements for communication ( 15 ) in the form of a programmable logic controller, elements for laser release ( 16 ), for laser safety ( 17 ) and for status and parameter display ( 18 ) and such additional wire enable ( 13 ) are assigned, while the D / A converter ( 11 ) is connected to an additional wire feed unit ( 14 ), and that there are active connections to the laser driver, the laser source and the processing nozzle ( 7 ). 7. Handgeführter Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser nach den Ansprüchen 1, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsvorgabe ohne motorisch angetriebene Achsen erfolgt und dass zur Aufnahme der Geschwindigkeit ein optisches oder mechanisches System vorgesehen ist. 7. Hand-held processing head for a high-power diode laser according to claims 1, 5 and 6, that the speed is set without motor-driven axes and that an optical or mechanical system is provided to record the speed is.   8. Handgeführter Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser nach den Ansprüchen 1, und 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Ergebnis der Signalverarbeitung im Mikrokontroller (9) ein Steuersignal ist, das die Beziehung zwischen Vorschubgeschwindigkeit und Laserleistung beschreibt, wobei das Steuersignal zur Steuerung der Laserleistung dient und die Steuerung innerhalb eines Geschwindigkeitsintervalls, in dem eine Änderung der Verfahrgeschwindigkeit eine Änderung der Laserleistung nach sich zieht, erfolgt.8. Hand-held processing head for a high-power diode laser according to claims 1 and 5, characterized in that the result of the signal processing in the microcontroller ( 9 ) is a control signal that describes the relationship between feed rate and laser power, the control signal being used to control the laser power and the Control takes place within a speed interval in which a change in the travel speed results in a change in the laser power. 9. Handgeführter Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser nach den Ansprüchen 1, und 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Ergebnis der Signalverarbeitung im Mikrokontroller (9) ein Steuersignal ist, das die Beziehung zwischen Zusatzdrahtvorschub und Verfahrgeschwindigkeit beschreibt, wobei das Steuersignal der Ansteuerung der Zusatzdrahtvorschubeinheit (14), bestehend aus Motor, Drahtführungssystem und Drahtvorrat, dient und die Steuerung innerhalb eines Geschwindigkeitsintervalls, in dem eine Änderung der Verfahrgeschwindigkeit eine Änderung des Zusatzdrahtvorschubs nach sich zieht, erfolgt.9. Hand-held processing head for a high-power diode laser according to claims 1 and 6, characterized in that the result of the signal processing in the microcontroller ( 9 ) is a control signal which describes the relationship between the additional wire feed and the travel speed, the control signal of the control of the additional wire feed unit ( 14 ). , consisting of motor, wire guide system and wire supply, is used and the control takes place within a speed interval in which a change in the travel speed entails a change in the additional wire feed. 10. Handgeführter Bearbeitungskopf für einen Hochleistungsdiodenlaser nach den Ansprüchen 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeits-Leistungssteuerung als auch die Geschwindigkeits- Zusatzdrahtvorschubsteuerung in anderen Laseranlagen, beispielsweise mit Festkörperlasern, die entweder hand- oder maschinengeführt sind, verwendet werden können.10. Hand-held processing head for a high-power diode laser according to claims 1, 5 and 6, characterized in that that the speed power control as well as the speed Additional wire feed control in other laser systems, for example with Solid-state lasers that are either hand-held or machine-guided are used can.
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