DE10240946A1

DE10240946A1 - Vorrichtung zur Laserbearbeitung

Info

Publication number: DE10240946A1
Application number: DE10240946A
Authority: DE
Inventors: Matthias Busch; Christian Dr. Schmid; Kai-Uwe Lotz
Original assignee: MOBIL LASER TEC GmbH
Current assignee: MOBIL LASER TEC GmbH
Priority date: 2002-09-02
Filing date: 2002-09-02
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-09-03
Also published as: DE10240946B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine handgeführte Vorrichtung (1) zur Laserbearbeitung eines Werkstückes (2), insbesondere zum Laserschweißen. Zum Schutz der Umgebung und eines Bedieners (3) ist die Vorrichtung (1) mit einem Sensor zur optischen Bestimmung des Abstandes von dem Werkstück ausgeführt. Mittels einer Steuereinheit wird ein außerhalb eines Sollwertbereiches liegender Fokuspunkt erfasst und ein Signal zur Unterbrechung des Laserstrahls ausgelöst. Dieser Sollwert kann beispielsweise mittels einer zusätzlichen berührenden Abstandsmesseinrichtung bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine handführbare Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes, insbesondere zum Laserschweißen, mit einer Schutzeinrichtung zum Schutz der Umgebung vor einer möglichen Gefährdung durch einen Laserstrahl, die eine Steuereinheit zur Erfassung eines unerwünschten Betriebszustandes mittels eines Sensors aufweist, durch die bei einer erfassten Abweichung von einem Sollwert oder einem Sollwertbereich der Laserstrahl unterbrochen ist.
Eine solche Vorrichtung wird in der Praxis eingesetzt, um das mit der Laserbearbeitung verbundene Gefährdungspotential so gering wie möglich zu halten. Insbesondere muß eine direkte Einwirkung des Laserstrahles auf den Bediener oder sonstige Personen im Umfeld der Bearbeitung verhindert werden, da es anderenfalls zu Verletzungen kommen kann. Insbesondere durchdringt das Laserlicht Glas und andere für sichtbares Licht transmissive Medien, wie beispielsweise auch die Linse des menschlichen Auges, und kann in biologisches Gewebe einige Millimeter eindringen.
Es ist daher von entscheidender Bedeutung, geeignete vorbeugenden Maßnahmen zum Schutz zu ergreifen, durch die zugleich die Bedienung nicht wesentlich behindert oder erschwert wird.
Bei der Lasermaterialbearbeitung in nicht speziell dafür vorgesehenen Bereichen müssen entsprechende Schutzeinrichtungen für den Zeitraum des Laserbetriebes aufgebaut werden. Die Anforderungen an eine geeignete Sicherheitseinrichtung sind geprägt durch das dichte, lücken lose Abschließen des Lasersicherheitsbereiches und die Gewährleistung einer definierten Standzeit bei Bestrahlung durch den Laser. Dies schließt die Brandsicherheit ein.
Die nach dem Stand der Technik bekannten Stellwände kommen jedoch insbesondere bei Nd:YAG- und Diodenlaserwellenlängen nicht in Betracht, da diese zum einen nur einer geringen Laserstrahlexposition standhalten, zum anderen den Lasersicherheitsbereich nicht dicht abschließen, so daß durch Reflexion trotz des Ausschlusses direkter Laserstrahlung ein erhebliches Risiko besteht.
Es sind auch bereits Vorrichtungen bekannt, bei denen durch konstruktive Merkmale der Schutz verbessert werden kann. Hierzu zählt insbesondere eine Schutzeinrichtung, durch die das Austreten des Laserstrahles wirkungsvoll verhindert wird. Solche Schutzeinrichtungen weisen entsprechende Kammern auf, in denen das Laserlicht reflektiert oder absorbiert wird, so daß eine Gefährdung des Bedieners zuverlässig vermieden wird. Die Schutzeinrichtungen können hierzu sowohl stationär, als auch in Abhängigkeit von der Vorschubbewegung beweglich ausgeführt sein.
Die bekannten Schutzeinrichtungen haben sich jedoch in der Praxis als hinderlich erwiesen. So sind insbesondere große, stationäre Kammern nicht mit der Forderung nach einem flexiblen Einsatz der Vorrichtung zur Laserbearbeitung vereinbar. Weiterhin wird die Bedienung einer solchen Vorrichtung erschwert und der Zeitaufwand für die Bearbeitung aufgrund der umfangreichen vorbereitenden Maßnahmen erhöht.
Die JP 09-057 481 A beschreibt bereits eine handführbare Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes, insbesondere zum Laserschweißen, mit einer Schutzeinrichtung zum Schutz der Umgebung vor einer möglichen Gefährdung durch einen Laserstrahl, die eine Steuereinheit zur Erfassung eines unerwünschten Betriebszustandes aufweist, durch die bei einer erfassten Abweichung von einem Sollwert der Laserstrahl unterbrochen ist. Durch ein auf dem Werkstück aufliegendes Kontaktelement wird ein elektrischer Stromkreis geschlossen, um so den Generator im Falle des fehlenden Kontaktes zu stoppen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, den Einsatz einer Vorrichtung der eingangs genannten Art bei zugleich wesentlich verbessertem Schutz des Bedieners sowie der Umgebung zu verbessern. Insbesondere soll ein flexibler Einsatz der Vorrichtung ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei welcher der Sensor zur optischen Bestimmung des Abstandes von dem Werkstück ausgeführt ist. Auf diese Weise erfolgt der Schutz der Umgebung und des Bedieners vor dem Laserlicht nicht passiv durch Abschirmung, sondern aktiv durch eine Unterbrechung des Laserstrahles, beispielsweise durch eine Blende oder ein steuerbares optisches Element, wenn der erfasste Abstand von außerhalb eines voreingestellten Bereiches liegt. Hierdurch kann der Aufwand, der durch eine nach dem Stand der Technik erforderliche Kammer entsteht, vermieden und dadurch die Handhabung erleichtert werden. Zugleich wird dadurch das mögliche Einsatzspektrum erweitert und ein flexibler Einsatz für unterschiedliche Einsatzbedingungen ermöglicht.
Hierbei wird eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht, daß Sensor eine Fokussieroptik aufweist und daher die Abstandsmessung unabhängig von den spezifischen Eigenschaften des Werkstückes und dessen Oberflächeneigenschaften ist.
Hierbei ist es besonders zweckmäßig, wenn mittels der Steuereinheit ein außerhalb eines Sollwertbereiches liegender Fokuspunkt erfassbar und ein Signal zur Unterbrechung des Laserstrahls auslösbar ist. Hierdurch wird die Unterbrechung des Laserstrahles unabhängig von dem Eingreifen bzw. der Reaktion des Bedieners, wodurch sich eine weitere Erhöhung der Betriebssicherheit erreichen lässt.
Der Sollwert könnte dabei einem üblichen Bearbeitungsbereich entnommen werden. Besonders zweckmäßig ist jedoch eine Abwandlung, bei welcher der Sollwert vorbestimmbar ist und dadurch eine Anpassung an die individuellen Einsatz- und Umgebungsbedingungen bei der Laserbearbeitung gestattet.
Hierzu ist eine andere Ausgestaltung der Erfindung dann besonders gut geeignet, wenn der Sollwert mittels einer zusätzlichen berührenden Abstandsmesseinrichtung bestimmbar ist. Hierdurch kann der Laserstrahl bereits bei geringen Abweichungen des durch die berührende Abstandsmesseinrichtung von dem optisch bestimmten Wert unterbrochen werden, so dass eine Gefährdung des Bedieners ausgeschlossen werden kann.
Hierbei wird eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht, daß die Schutzeinrichtung einen Sensor zur Erfassung der Auflage der Vorrichtung auf dem Werkstück hat. Hierdurch wird der Laserstrahl dann unterbrochen, wenn die Vorrichtung keinen Kontakt mehr mit dem Werkstück aufweist. Daher ist eine Gefährdung der Umgebung ausgeschlossen, wenn die Vorrichtung beispielsweise vorübergehend abgelegt wird.
Hierzu ist eine andere Ausgestaltung der Erfindung dann besonders gut geeignet, wenn der Sensor zur kapazitiven oder induktiven Erfassung der Auflage der Vorrichtung auf dem Werkstück ausgeführt ist. Hierdurch kann ein versehentliches Auslösen des Sensors durch Kontakt mit einem Körperteil des Bedieners verhindert werden, indem durch den Sensor der Metallgehalt des Werkstückes erkannt und dadurch die Gefahr einer ungewollten Aktivierung des Lasers ohne Werkstückkontakt vermieden wird.
Hierzu ist auch eine andere Weiterbildung der Erfindung besonders zweckmäßig, bei welcher der Sensor zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück ausgeführt ist. Hierbei wird der reduzierte elektrische Widerstand bei einem elektrisch leitfähigen Kontakt der Vorrichtung, beispielsweise durch eine Führungsrolle, erfaßt und der Aktivierung bzw. Unterbrechung des Laserstrahles zugrunde gelegt. Der die Unterbrechung auslösende Grenzwert kann dabei insbesondere an die Materialeigenschaften des Werkstückes angepaßt werden, um so eine weitere mögliche Fehlerquelle auszuschließen. Dadurch, daß Masse an das zu bearbeitende Werkstück gelegt werden muß, um einen geschlossenen Stromkreis zu gewährleisten, ist die Freischaltung des Laserstrahles nur am jeweils kontaktierten Werkstück möglich. Durch die Anordnung des Kontaktes in unmittelbarer Nähe des Bearbeitungspunktes ist außerdem die Gefahr des Vorbeistrahlens eingedämmt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt in einer Prinzipskizze eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Laserbearbeitung eines Werkstückes 2. Die Vorrichtung 1 kann von einem Bediener 3 beliebig geführt werden, wobei die erforderliche Andruckkraft mittels einer Antriebsrolle 4 auf das Werkstück 2 übertragen wird. Um bei einer unbeabsichtigten oder fehlerhaften Bewegung der Vorrichtung 1, die zu einem unkontrollierten Austreten eines Laserstrahles 5 und damit zu einer Gefährdung der Umwelt führen könnte, zu vermeiden, ist die Vorrichtung 1 mit einer einem Sensor 6 zur optischen Bestimmung des Abstandes von dem Werkstück 2 ausgestattet. Hierdurch kann eine Gefährdung der Umgebung oder des Bedieners 3 durch eine Unterbrechung des Laserstrahles 5 vermieden werden. Die Schutzeinrichtung 6 hat hierzu eine Fokussieroptik 7, mittels welcher die Brennweite für die erforderliche Bilderfassung bestimmt wird und der Laserstrahl 5 unterbrochen wird, sobald der so ermittelte Abstand außerhalb eines Sollwertbereiches liegt. Zusätzlich ist eine berührende Abstandsmesseinrichtung zur vergleichenden Erfassung des Abstandes zu dem Werkstück 2 vorgesehen.

Claims

Handführbare Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes, insbesondere zum Laserschweißen, mit einer Schutzeinrichtung zum Schutz der Umgebung vor einer möglichen Gefährdung durch einen Laserstrahl, die eine Steuereinheit zur Erfassung eines unerwünschten Betriebszustandes mittels eines Sensors aufweist, durch die bei einer erfassten Abweichung von einem Sollwert oder einem Sollwertbereich der Laserstrahl unterbrochen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor zur optischen Bestimmung des Abstandes von dem Werkstück ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Fokussieroptik aufweist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit ein außerhalb eines Sollwertbereiches liegender Fokuspunkt erfassbar und ein Signal zur Unterbrechung des Laserstrahls auslösbar ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert vorbestimmbar ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert mittels einer zusätzlichen berührenden Abstandsmesseinrichtung bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmesseinrichtung einen Sensor zur Erfassung der Auflage der Vorrichtung auf dem Werkstück hat.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor zur kapazitiven oder induktiven Erfassung der Auflage der Vorrichtung auf dem Werkstück ausgeführt ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück.