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DE102011114108A1 - Laser processing optical system for use during e.g. laser repair welding, has protection device including helmet and visor with monitors, where one monitor obtains image information of cameras to produce stereoscopic three-dimensional image - Google Patents

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DE102011114108A1
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Abstract

Die Laserbearbeitungsoptik mit Schutzvorrichtung ist eine Vorrichtung um den Einsatz von Laser der Klasse 4 mit direkter stereoskopischer Prozessbeobachtung auch für höhere Laserleistungen zu ermöglichen, unter der Gewährleistung des Schutzes sowohl vor der Laserstrahlung als auch vor der Sekundärstrahlung. Die Schutzvorrichtung besteht aus einem Helm mit klappbarem Visier aus absorbierendem Material, sowohl für die Laserstrahlung als auch für die Sekundärstrahlung. Zwei Monitore die im Visier montiert sind, erhalten die Informationen von zwei getrennten Kameras die sich auf der Laserbearbeitungsoptik befinden, um eine stereoskopisches dreidimensionale Prozessbeobachtung zu ermöglichen. Die Laserbearbeitungsoptik fokussiert den Laserstrahl durch einen Achromaten der gleichzeitig den Bearbeitungsprozess auf die zwei getrennten Kameras abbildet. Die Laseroptik kann je nach Anwendung manuell oder mechanisch durch Roboter oder andere Bewegungssysteme (motorisch angetriebene Achsen) bewegt werden. Der Bearbeitungsprozess kann über die oben beschriebene Schutzvorrichtung beobachtet werden und der Anwender hat somit die Möglichkeit direkt in den Bearbeitungsprozess einzugreifen.The laser processing optics with protection device is a device to allow the use of class 4 laser with direct stereoscopic process monitoring also for higher laser powers, while ensuring protection both from the laser radiation and from the secondary radiation. The protective device consists of a helmet with hinged visor of absorbent material, both for the laser radiation and for the secondary radiation. Two monitors mounted in the visor receive the information from two separate cameras located on the laser processing optics to enable stereoscopic three-dimensional process observation. The laser processing optics focuses the laser beam through an achromatic image that simultaneously depicts the processing process on the two separate cameras. Depending on the application, the laser optics can be moved manually or mechanically by robots or other motion systems (motor-driven axes). The machining process can be monitored via the protection device described above and the user thus has the opportunity to intervene directly in the machining process.

Description

Die Notwendigkeit des Einsatzes von Lasern der Klasse 4 (offene Hochleistungslaser) unter direkter Prozessbeobachtung ist im Laufe der Zeit stetig gestiegen. Durch die kontinuierliche Steigerung der Laserleistung sind auch die Anforderungen an die entsprechenden Schutzmaßnahmen gestiegen. Bedingt durch die Größe der Teile, Bearbeitungort oder schwierige Zugänglichkeit und die Notwendigkeit der direkten Prozessbeobachtung ist der Anwender gezwungen sich im unmittelbaren Laserbereich aufzuhalten. Konnte man bei moderaten Laserleistungen die Schutzmaßnahmen gegen Laserstrahlung mit einer Laserschutzbrille und der Errichtung eines Laserschutzbereiches gewährleisten, muss man sich bei höheren Leistungen auch mit der Problematik der Sekundärstrahlung auseinandersetzen. Den Schutz des Körpers und der Hände kann man durch entsprechende Kleidung und Handschuhe sicherstellen. Problematisch bleibt der Gesichts und Halsbereich der durch die klassischen Maßnahmen (Laserschutzbrille) nicht ausreichend geschützt wird. Denkt man hier an Maßnahmen wie im klassischen Schweißen (Schutzmaske) wird die Prozessbeobachtung im Laserschweißen äußerst schwierig und eine Vergrößerung der Prozessdarstellung nicht mehr möglich.The need to use class 4 lasers (open high power lasers) under direct process monitoring has steadily increased over time. As a result of the continuous increase in laser power, the requirements for the corresponding protective measures have also increased. Due to the size of the parts, processing location or difficult accessibility and the need for direct process monitoring, the user is forced to be in the immediate laser range. If the protective measures against laser radiation with laser safety goggles and the establishment of a laser protection range could be ensured at moderate laser powers, one must also deal with the problem of secondary radiation at higher powers. The protection of the body and the hands can be ensured by appropriate clothing and gloves. The problem remains the face and neck area which is not sufficiently protected by the classic measures (laser safety goggles). If one thinks of measures such as classical welding (protective mask), process observation in laser welding becomes extremely difficult and enlarging the process representation is no longer possible.

Die Lösung dieser Problematik (Prozessbeobachtung und Laserschutz) findet sich in der Laserbearbeitungsoptik mit Schutzvorrichtung die im Folgenden beschrieben wird:
Der Schutz vor Laserstrahlung und Sekundärstrahlung wird durch einen Helm (1) mit aufklappbarem Visier (2) aus einem Kunststoff der die Laserstrahlung und Sekundärstrahlung komplett absorbiert, gewährleistet. Zwei Sicherheitsschalter (3) gewährleisten die Freigabe des Lasers nur bei geschlossenem Visier.The solution to this problem (process observation and laser protection) can be found in the laser processing optics with protective device which is described below:
The protection against laser radiation and secondary radiation is provided by a helmet ( 1 ) with hinged visor ( 2 ) made of a plastic which completely absorbs the laser radiation and secondary radiation. Two safety switches ( 3 ) ensure the release of the laser only when the visor is closed.

Die Prozessbeobachtung erfolgt über zwei Monitore (4) und (5) die in dem Visier montiert sind. Die Monitore erhalten die Bildinformation separat über die Anschlüsse (6) von zwei getrennten Kameras der Laserbearbeitungsoptik (7) und (8) so dass ein dreidimensionales (stereoskopisches) Bild entsteht. Die Vergrößerung der Prozessdarstellung wird über die Optik der Kameras und der Laserbearbeitungsoptik definiert.The process monitoring takes place via two monitors ( 4 ) and ( 5 ) which are mounted in the visor. The monitors receive the image information separately via the connectors ( 6 ) of two separate cameras of the laser processing optics ( 7 ) and ( 8th ) so that a three-dimensional (stereoscopic) image is created. The magnification of the process representation is defined by the optics of the cameras and the laser processing optics.

Um den Bearbeitungsprozess mit Kameras direkt beobachten zu können sind noch ein paar technische Maßnahmen notwendig die in 3 ersichtlich sind. Der Laserstrahl (10) eingekoppelt über die Apperture (13) wird über eine Optik (19) und (20) variabel aufgeweitet über den dichroitischen Spiegel (17) umgelenkt und anschließend über den Achromaten (18) fokussiert. Die Kameras (7) und (8) werden über den Filter (15) vor unsichtbarer Strahlung geschützt. Bei gepulsten Lasern wird der LCD Shutter (16) während des Laserpulses geschlossen um das Plasma der Laserbearbeitung auszublenden. Da die Laserpulse in der Materialbearbeitung meistens sehr kurz sind (bis 20 ms), ist das Ausblenden in dieser Größenordnung im Bild nicht wahrnehmbar. Laser Bearbeitungen die zu keiner Plasmaentwicklung führen, (Laserhärten) können auch in einem kontinuierlichen (CW) Betrieb beobachtet werden. Die Strahlengänge der Kameras (7) und (8) werden über den Achromaten (18) fokussiert und definieren die Schärfenebene. In dieser Ebene wird das zu bearbeitende Material über die Monitore (4) und (5) scharf gesehen und dadurch auch die Position der Laserbearbeitungsoptik definiert. Wird über die variable Aufweitung (19) und (20) mittels der Verstellung (9) der Laserstrahl im Durchmesser verändert, bildet sich diese Veränderung in der Schärfenebene ab, so dass der Bearbeitungsprozess mit unterschiedlichem Strahldurchmesser ermöglicht werden kann.In order to be able to observe the machining process with cameras directly, a few technical measures are necessary in 3 can be seen. The laser beam ( 10 ) coupled via the Apperture ( 13 ) is via an optic ( 19 ) and ( 20 ) variably widened over the dichroic mirror ( 17 ) and then over the Achromaten ( 18 ) focused. The cameras ( 7 ) and ( 8th ) are passed through the filter ( 15 ) protected from invisible radiation. For pulsed lasers, the LCD shutter ( 16 ) closed during the laser pulse to hide the plasma of the laser processing. Since the laser pulses in material processing are usually very short (up to 20 ms), the fading in this order of magnitude is imperceptible in the image. Laser processing that does not lead to plasma development (laser hardening) can also be observed in continuous (CW) operation. The beam paths of the cameras ( 7 ) and ( 8th ) are above the Achromaten ( 18 ) focus and define the focus plane. In this level, the material to be processed is displayed via the monitors ( 4 ) and ( 5 ) sharply and thus also defines the position of the laser processing optics. Is about the variable expansion ( 19 ) and ( 20 ) by means of adjustment ( 9 If the laser beam changes in diameter, this change in the focus plane is formed so that the machining process with different beam diameter can be made possible.

Diese Kombination der Laserbearbeitungsoptik mit zwei Kameras und des Schutzhelmes mit Visier mit zwei Monitoren ermöglicht die direkte und dreidimensionale Prozessbeobachtung mit entsprechendem Vergrößerungsfaktor unter Gewährleistung des Schutzes vor Laser und Sekundärstrahlung.This combination of laser processing optics with two cameras and the protective helmet with visor with two monitors enables direct and three-dimensional process observation with a corresponding magnification factor while ensuring protection against laser and secondary radiation.

Die Laseroptik kann je nach Anwendung manuell oder mechanisch durch Roboter oder andere Bewegungssysteme (motorisch angetriebene Achsen) bewegt werden. Der Bearbeitungsprozess kann über die oben beschriebene Schutzvorrichtung beobachtet werden und der Anwender hat somit die Möglichkeit direkt in den Bearbeitungsprozess einzugreifen.Depending on the application, the laser optics can be moved manually or mechanically by robots or other motion systems (motor-driven axes). The machining process can be monitored via the protection device described above and the user thus has the opportunity to intervene directly in the machining process.

Durch diese Lösung kann der Einsatzbereich der Laser der Klasse 4 unter direkter stereoskopischer Prozessbeobachtung entscheidend erweitert werden, da die Arbeitssicherheit und der Laserschutz auch bei höheren Leistungen gewährleistet werden kann.This solution allows the field of application of class 4 lasers to be significantly extended under direct stereoscopic process observation, as occupational safety and laser protection can be ensured even at higher power levels.

Ein praktisches Ausführungsbeispiel ist in 1 und 2 dargestellt.A practical embodiment is in 1 and 2 shown.

Typische Anwendungen mit Lasern der Klasse 4 unter direkter Prozessbeobachtung (Mikroskop) findet man im Laserreparaturschweißen, Laserauftragsschweißen, Laserhärten Sensorfertigung, im Laborbetrieb, beim Einrichten von Laseranlagen usw.Typical applications with class 4 lasers under direct process observation (microscope) are found in laser repair welding, laser deposition welding, laser hardening sensor fabrication, laboratory operation, laser setup, etc.

Claims (2)

Laserbearbeitungsoptik mit Schutzvorrichtung zur Materialbearbeitung mit Lasern der Klasse 4 unter direkter dreidimensionaler (stereoskopischen) Prozessbeobachtung Dadurch gekennzeichnet 1. Das die Schutzeinrichtung aus einem Helm und einem klappbaren Visier mit zwei integrierten Monitoren besteht 2. Das Visier aus einem absorbierenden Material sowohl für die Laserstrahlung als auch für die Sekundärstrahlung mit der notwendigen Schutzklasse besteht. 3. Die Position des Visiers, offen oder geschlossen, durch Sicherheitsschalter detektiert wird 4. Die Monitore die Bildinformation von zwei getrennten Kameras erhalten um ein stereoskopisches dreidimensionales Bild erzeugen zu könnenLaser processing optics with protective device for material processing with Class 4 lasers under direct three-dimensional (stereoscopic) process observation characterized 1. The protective device consists of a helmet and a hinged visor with two integrated monitors 2. The visor consists of an absorbing material for both the laser radiation and for the secondary radiation with the necessary protection class. 3. The position of the visor, open or closed, is detected by safety switches 4. The monitors receive the image information from two separate cameras to produce a stereoscopic three-dimensional image Laserbearbeitungsoptik mit Schutzvorrichtung zur Materialbearbeitung mit Lasern der Klasse 4 unter direkter dreidimensionaler (stereoskopischen) Prozessbeobachtung Dadurch gekennzeichnet 5. Das die Laserbearbeitungsoptik über zwei getrennte Kameras verfügt und diese Bildinformation an die zwei Monitore der Schutzvorrichtung übertragen werden. 6. Das die Laserbearbeitungsoptik den Laser über einen Achromaten fokussiert der gleichzeitig den Bearbeitungsprozess auf die zwei Kameras der Laserbearbeitungsoptik abbildet.Laser processing optics with protective device for material processing with Class 4 lasers under direct three-dimensional (stereoscopic) process observation Characterized 5. The laser processing optics has two separate cameras and this image information is transmitted to the two monitors of the protection device. 6. That the laser processing optics focuses the laser via an achromatic lens which at the same time depicts the processing process on the two cameras of the laser processing optics.
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